JP2010246328A

JP2010246328A - インバータの故障診断装置

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Publication number: JP2010246328A
Application number: JP2009094606A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Nagayama; 和俊永山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP5584994B2

Abstract

【課題】構成の大型化ならびにコストの増大を抑制し得るインバータの故障診断装置を提供することを課題とする。
【解決手段】モータ４に３相の交流電力を供給するインバータ３を構成するスイッチング素子のオープン故障を診断するインバータの故障診断装置において、インバータ３がモータ４に供給する少なくとも２相の実電流値を検出する電流検出器６と、電流検出器６で検出された実電流値を平滑化し、平滑化された電流の絶対値の少なくとも１つが予め設定された所定値αよりも大きい場合には、スイッチング素子が故障しているものと診断するオープン故障診断部２９とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置としてのインバータの故障、特にスイッチング素子の開放（オープン）故障を診断するインバータの故障診断装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、インバータのスイッチング素子のゲートパルス信号と、インバータの出力電流の極性信号との論理積を演算し、演算で得られた論理積と、インバータの出力電流の極性信号に対応する極性の電流を一定の閾値で波形整形して得られる電流信号とを比較し、両者が不一致の場合にインバータの故障予知信号を出力する技術が開示されている。

特開平７−１６３１５５号公報

上記従来のインバータの故障予知装置においては、ゲートパルス信号と出力電流の極性信号との論理積を演算する回路、インバータの出力電流の極性信号に対応する極性の電流を一定の閾値で波形整形する回路、演算で得られた論理積と波形整形で得られた電流信号とを比較する回路等の故障予知のための専用のハードウェアが必要となり、構成の大型化やそれにともなってコストの増大を招くおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化ならびにコストの増大を抑制し得るインバータの故障診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、インバータがモータに供給する少なくとも２相の電流値を平滑化した平滑化電流の絶対値の少なくとも１つが予め設定された所定の故障診断値よりも大きい場合には、インバータを構成するスイッチング素子がオープン故障しているものと診断することを特徴とする。

本発明によれば、故障診断する際の演算等を実施する専用のハードウェアを用いることなくインバータを構成するスイッチング素子のオープン故障を診断することにより、構成の大型化ならびにコストの増大を抑制することが可能となる。

本発明の実施例１に係るインバータの故障診断装置を含むモータ駆動システムの構成を示す図である。本発明の実施例１に係るの故障診断処理の手順を示すフローチャートである。本発明の実施例１に係るの故障診断処理の手順を示すフローチャートである。モータの各相電流ならび各相電流の平滑化電流の正常時と異常時との電流波形を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係るインバータの故障診断装置を含むモータ駆動システムのの構成を示す図である。この実施例１の故障診断装置は、例えば車両に駆動力を供給するモータに駆動電力を供給制御するインバータを構成するスイッチング素子のオープン故障を診断する装置として機能し、モータ駆動システムは、大別して外部コントローラ１、モータコントローラ２、インバータ（ＩＮＶ）３ならびにモータ（ＭＧ）４を備えて構成されている。

外部コントローラ１は、モータコントローラ２の外部からモータコントローラ２にモータ４が出力する目標トルクを指令するトルク指令値Ｔｍを与える。

モータコントローラ２は、トルクリミット部２１、電流指令部２２、電流制御部２３、２相３相変換部２４、ＰＷＭ変換部２５、３相２相変換部２６、磁極位置検出部２７、モータ電気角周波数検出部２８ならびにオープン故障診断部２９を備えて構成されている。

トルクリミット部２１は、外部コントローラ１から与えられたトルク指令値Ｔｍ、およびオープン故障診断部２９から与えられたトルクリミット値Ｔｌｉｍ１，Ｔｌｉｍ２を受けて、Ｔｌｉｍ２≦Ｔｍ≦Ｔｌｉｍ１の場合はトルクリミット部２１の出力Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｔｍとし、Ｔｌｉｍ２＞Ｔｍの場合には出力Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｔｌｉｍ２とし、Ｔｍ＞Ｔｌｉｍ１の場合には出力Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｔｌｉｍ１とし、それぞれの出力をトルク制限が施された後のトルク指令値として電流指令部２２に与える。

電流指令部２２は、トルクリミット部２１から与えられたトルク指令値Ｔ＿ｒｅｆ，電気角周波数ωならびに磁極位置θに基づいて、予め用意されて記憶された電流テーブルを参照して、モータをベクトル制御する際の２相直流電流となるｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定する。設定されたｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊は、電流制御部２３に与えられる。

電流制御部２３は、ｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊とモータ４の実電流ｉｄ，ｉｑとの差がゼロとなるように、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を次式（１）のＰＩ制御における演算式を用いて演算する。

上式において、Ｋｐｄ，Ｋｐｑはｄ軸，ｑ軸比例ゲイン、Ｋｉｄ，Ｋｉｑはｄ軸，ｑ軸積分ゲインである。演算で得られたｄ軸，ｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊は、２相３相変換部２４に与えられる。

２相３相変換部２４は、モータ４の磁極位置θに基づいて、電流制御部２３から与えられたｄ軸，ｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を３相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，
ｖｗ＊に変換する。変換で得られた３相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊は、ＰＷＭ変換部２５に与えられる。

ＰＷＭ変換部２５は、３相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊と例えば１０ｋＨｚ程度の搬送波（一般に三角波）とを比較することで、インバータ３のスイッチング素子をＰＷＭ制御によりスイッチング制御する際のスイッチング信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を生成する。生成されたスイッチング信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊は、インバータ３に与えられる。

３相２相変換部２６は、磁極位置θに基づいて、インバータ３からモータ４に供給制御される３相交流の実電流を検出する電流検出器６で得られた３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを２相直流のｄ軸，ｑ軸の実電流ｉｄ，ｉｑに変換する。変換で得られた実電流ｉｄ，ｉｑは、電流制御部２３に与えられる。

磁極位置検出部２７は、モータ４に取り付けられたレゾルバ等の回転位置検出器（ＰＳ）７で検出された回転位置に基づいて、モータ４の磁極位置θを検出する。検出された磁極位置θは電流指令部２２、２相３相変換部２４ならびに３相２相変換部２６に与えられる。

モータ電気角周波数検出部２８は、先の回転位置検出器７で検出された回転位置に基づいて、モータ４の電気角周波数ωを検出する。検出された電気角周波数ωは、電流指令部２２ならびに電流制御部２３に与えられる。

オープン故障診断部２９は、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊、電気角周波数ω、３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づいて、インバータ３を構成するスイッチング素子のオープン故障を診断する。また、オープン故障診断部２９は、オープン故障を検出した場合には、先に触れたトルクリミット値Ｔｌｉｍ１，Ｔｌｉｍ２をトルクリミット部２１に与えることでモータ４の運転範囲を制限してモータ４の運転を継続制御する。

このようなモータコントローラ２は、本システムを制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。モータコントローラ２は、先に説明したトルク指令値Ｔｍ、３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ等を読み込み、読み込んだ各信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、以下に説明する故障診断処理を含むモータ駆動制御に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

したがって、オープン故障診断部２９は、モータ４駆動制御するモータコントローラ２とは別体として、スイッチング素子のオープン故障を専ら診断する専用のハードウェハとして設けられたものではなく、ソフトウェアにより以下に説明するフローチャートに示す処理を実行することで故障診断を行う手段としてモータコントローラ２に組み込まれたものである。

インバータ３は、バッテリ５から与えられる直流電力を３相の交流電力に変換する電力変換器として機能し、変換で得られた３相の交流電力をモータ４に供給制御し、モータ４を駆動制御する。インバータ３は、ＰＷＭ変換部２５から与えられたスイッチング信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊にしたがってＩＧＢＴ等の電力変換素子（スイッチング素子）をスイッチング制御することで電力変換を行い、この電力変換を行うスイッチング素子が本発明の特徴となるオープン故障診断の診断対象となっている。

モータ４は、インバータ３から供給制御される３相の交流電力に基づいて、外部から与えられた目標トルクが出力されるように駆動制御されて、得られた駆動力が車両等の駆動輪に与えられる。

次に、図２ならびに図３に示すフローチャートを参照して、オープン故障診断部２９の故障診断の手順を説明する。なお、図２ならびに図３に示す一連の処理フローは、予め設定された周期で繰り返し実行される。

図２において、先ず電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて、電流指令実効値ｉ１を次式（２）を用いて演算する（ステップＳ１０１）。

（数２）
ｉ１＝（ｉｄ＊^２＋ｉｑ＊^２）^１／２／３^１／２・・・（２）
その後、図３に示す処理フローに移行し、現在のモータ４の駆動状態において、インバータ３のスイッチング素子がオープン故障すると、トルクリップルの影響が大きい状態であるか否かを判定する。すなわち、先のステップＳ１０１で示す処理で得られた電流指令実効値ｉ１が、予め設定された所定値（診断実施判別値）ｉｍ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。判定の結果、所定値以上の場合にはトルクリップルの影響があるものとして、以下の故障診断を実施する。

ここで、トルクリップルは、モータの回転速度（モータの電気角周波数ω）が低いと影響度が大きく、モータの回転速度が高いと平均化されて影響度が低くなる。したがって、上記所定値ｉｍは電気角周波数ωに応じて、予め実験的に求めて用意され、モータの回転数が低くなる程小さく設定される。なお、モータの運転状況を把握できるパラメータであれば、電流指令実効値に代えて、トルク指令値等であってもよい。

一方、先のステップＳ２０１で示す判定処理において、電流指令実効値ｉ１が所定値ｉｍ未満の場合には、トルクリップルの影響がほとんどないものと判断し、故障診断を実施せずに一連の処理を終了する。

次に、先のステップＳ２０１で示す処理に続いて、次式（３）を用いて、電流検出器６で検出された３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを平滑化する（ステップＳ２０２）。

（数３）
ｉｕ＿ｆｌｔ＝（１／（１＋τｓ））×ｉｕ
ｉｖ＿ｆｌｔ＝（１／（１＋τｓ））×ｉｖ
ｉｗ＿ｆｌｔ＝（１／（１＋τｓ））×ｉｗ・・・（３）
上式（３）において、ｓはラプラス演算子、τはフィルタの時定数である。フィルタの時定数τは、モータ４の電気角周波数ωの電流を平滑化するのに十分な値となるように設定され、電気角周波数ωに応じた関数としてτ＝ｆ（ω）とし、電気角周波数ωが小さい程τが大きく、ωが大きくなる程τが小さくなるように設定される。

図４はインバータ３を構成するスイッチング素子が正常の場合とオープン故障（例えばＵ相下アームのスイッチング素子がオープン故障）している場合とにおける、各相の実電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）とこの実電流を平滑化した電流（ｉ＿ｆｕｌ）との電流波形の時間変化を示す図である。図４に示すように、スイッチング素子が正常な場合には、各相の電流は正負均一であるので、フィルタ後の各相の平滑化電流はほぼ０となる。一方、オープン故障している場合には、オープン故障しているスイッチング素子に本来流れるべき電流がオン状態の他のスイッチング素子に流れることで、オープン故障に応じていずれかの相電流がオフセットする。図３ではＵ相とＶ相の電流がオフセットしている。このため、オフセットした電流を平滑化した平滑化電流は図３に示すように０とはならない。

ここでは、１次遅れのフィルタを挙げて説明したが、平滑化が可能であれば移動平均の手法を採用してよい。また、各相の実電流の和（ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ）は０となることから、平滑化した電流に基づいてオープン故障を診断するときには、少なくとも２相以上の相電流を平滑化するようにすればよい。

次に、図３に戻って、先のステップＳ２０２で得られた平滑化電流ｉｕ＿ｆｌ、ｉｖ＿ｆｌ、ｉｗｕ＿ｆｌの絶対値の内少なくともいずれか１つの平滑化電流が予め設定された所定値（故障診断値）α以上であるか否かを判別する（ステップＳ２０３）。判別の結果、
｜ｉｕ＿ｆｌ｜＞αもしくは｜ｉｖ＿ｆｌ｜＞αもしくは｜ｉｗ＿ｆｌ｜＞αである場合には、スイッチング素子がオープン故障しているものと判断する一方、いずれの平滑化電流の絶対値も所定値α以上でない場合にはオープン故障は発生していないものと判断する。

続いて、スイッチング素子がオープン故障しているものと判断した場合には、トルクリップルの影響の大きな運転領域でモータ４を駆動運転させずに、トルクリップルの影響が少ない運転領域でモータ４の運転を継続させる（ステップＳ２０４）。そのために、モータ４に供給される電流指令実効値ｉ１が先の所定値ｉｍ未満となるようにトルクリミット値Ｔｌｉｍ１（＞０），Ｔｌｉｍ２（＜０）を設定し、一連の処理を終了する。

以上説明したように、この実施例１では、ソフトウェアにより上述した手順を実行する故障診断手段をモータコントローラ２に組み込むことで、従来のようにゲートパルス信号と極性信号との論理積を演算する論理回路等を含む故障診断を専ら実施する専用のハードウエア構成を用いることなく、インバータ３を構成するスイッチング素子のオープン故障を診断することが可能となる。これにより、故障診断装置が搭載される回路基板の大型化を回避することが可能となり、構成の大型化ならびにコストの増大を抑制することができる。

また、モータの回転速度が低くなる程、電流指令実効値ｉ１と比較される所定値ｉｍの値を小さくすることで、トルクリップルの影響度が大きくなる低い回転数でのオープン故障をより検出しやすくすることができる。

さらに、電流指令実効値ｉ１が小さい場合、すなわちトルクリップルの影響が小さい場合には、故障診断を実施しないようにしているので、オープン故障が発生しても、トルクリップルの影響が小さい状況での故障診断を省略することができ、オープン故障が発生している場合であってもモータ４を継続して駆動運転することができる。

また、スイッチング素子のオープン故障が発生していると判断した場合には、トルクリップルの影響が少ない電流範囲となるようにトルクリミット値を変更することで、故障後であってもモータ４を継続して運転することが可能となる。

１…外部コントローラ
２…モータコントローラ
３…インバータ
４…モータ
５…バッテリ
６…電流検出器
７…回転位置検出器
２１…トルクリミット部
２２…電流指令部
２３…電流制御部
２４…２相３相変換部
２５…ＰＷＭ変換部
２６…３相２相相変換部
２７…磁極位置検出部
２８…モータ電気角周波数検出部
２９…オープン故障診断部

Claims

モータに３相の交流電力を供給するインバータを構成するスイッチング素子のオープン故障を診断するインバータの故障診断装置において、
前記インバータが前記モータに供給する少なくとも２相の電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出された電流値を平滑化する平滑化手段と、
前記平滑化手段で平滑化された電流の絶対値の少なくとも１つが予め設定された所定の故障診断値よりも大きい場合には、前記スイッチング素子が故障しているものと診断する診断手段と
を有することを特徴とするインバータの故障診断装置。
前記モータはｄ軸電流ならびにｑ軸電流によるベクトル制御により駆動制御され、
トルク指令値と前記モータの電気角周波数に基づいて、ｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
前記電流指令値演算手段で得られたｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値に基づいて、電流指令実効値を演算する電流指令実効値演算手段と、
前記電流指令実効値演算手段で得られた電流指令実効値と、予め設定された診断実施判別値とを比較して、電流指令実効値が診断実施判別値よりも小さい場合には、診断を実施しない診断実施判別手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載のインバータの故障診断装置。