JP2010288323A - インバータ装置および電流検出手段の異常判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流（電流振幅）が変化するようなシーンでも、電流検出手段の異常を精度よく判定する。
【解決手段】電流センサ４１〜５２は、交流電動機３０に対して出力される各相の相電流を検出するために、Ｕ相およびＶ相にそれぞれ２つづつ設けられている。制御装置１は、複数の電流センサ４１〜５２の検出結果に基づいて、電流センサ４１〜５２に異常が認められる異常相を検出する。また、制御装置１は、異常相が検出された場合、記憶されている各相の相電流に基づいて、異常相の相電流に対して位相差を有する基準信号を生成する。また、制御装置１は、生成された基準信号と、記憶されている異常相の相電流のそれぞれとを比較することにより、この異常相を検出対象とする２つの電流センサのうち異常が生じている電流センサを特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置および電流検出手段の異常判定方法に関する。

従来より、多相の交流負荷（例えば、交流電動機）を駆動するインバータ装置が知られている。このインバータ装置には、各相に出力される相電流を制御する関係上、各相の相電流を検出するための電流検出手段（例えば、電流センサ）が設けられている。

例えば、特許文献１には、電流検出手段の異常を判定する手法が開示されている。かかる手法によれば、同相に２つの電流検出手段が設けられており、２つの検出値に乖離が生じた場合には、当該相の電流検出手段のいずれかに異常が発生していると判断される。そして、別の相の電流値を位相変換処理し、この変換処理した電流値と、２つの電流検出手段の個々の検出値とをそれぞれ比較することにより、２つの電流検出手段のどちらに異常が生じているかが判定される。ここで、位相変換処理は、異なる時点の電流値を保存し、各相の電流の位相関係より、ある相の電流値を推定する処理である。

特開２００７−１８５０４３号公報

しかしながら、交流負荷の運転状態に応じて出力電流（電流振幅）が変化するようなシーンでは、位相変換処理により電流値を精度よく推定することができず、電流検出手段の異常判定を精度よく行うことができない可能性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力電流（電流振幅）が変化するようなシーンでも、電流検出手段の異常を精度よく判定することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、電流検出手段に異常が認められる相を異常相として検出する。この場合、記憶手段に記憶されている電流検出手段によって検出された各相の相電流に基づいて、異常相の相電流に対して位相差を有する基準信号が生成される。そして、生成された基準信号と、記憶手段に記憶されている異常相の相電流のそれぞれとを比較することにより、当該異常相を検出対象とする複数の電流検出手段のうち異常が生じている電流検出手段が特定される。

本発明によれば、電流変動があるようなシーンであっても、他の相の相電流より基準信号を合成することにより、異常相の相電流と波形的に近い信号として基準信号を得ることができる。そのため、この基準信号を異常相における電流検出手段の異常特定に用いることにより、異常が生じている電流検出手段をより正確に特定することができる。

インバータ装置を模式的に示す構成図 交流電動機３０を模式的に示す説明図 電流センサの異常判定処理の手順を示すフローチャート Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよび参考信号ＩＲの推移を示す説明図 Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよび参考信号ＩＲの推移を示す説明図 Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよび参考信号ＩＲの推移を示す説明図 Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよび参考信号ＩＲの推移を示す説明図 従来手法による電流センサの異常判定処理を示す説明図

図１は、本発明の実施形態にかかるインバータ装置を模式的に示す構成図である。このインバータ装置は、制御装置１およびインバータ１０を主体に構成されており、各相に出力される相電流を制御することにより多相の交流電動機（本実施形態では、３相交流電動機）３０を駆動する装置である。

制御装置１は、制御指令（トルク指令）に応じてインバータ１０を構成するスイッチング素子を制御することにより、交流電動機３０の出力トルクを制御する。制御装置１としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。なお、制御装置１の詳細については後述する。

インバータ１０は、制御装置１から出力される駆動信号に応じて駆動することにより、電源２０から供給される直流電力を、多相交流電力（本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相で構成される３相交流電力）に変換し、当該３相の交流電力を交流電動機３０の各相巻線に供給する。

インバータ１０は、交流電動機３０の各相に対応する３つのスイッチング回路を主体に構成されている。インバータ１０は、電源２０の正極に接続される正極母線と、電源２０の負極に接続される負極母線との間に、Ｕ相用のスイッチング回路と、Ｖ相用のスイッチング回路と、Ｗ相用のスイッチング回路とを備える。

Ｕ相用のスイッチング回路は、互いに直列接続された一対のアーム（スイッチ）１０ａ，１０ｂを主体に構成されており、個々のスイッチ１０ａ，１０ｂには、ダイオード１１ａ，１１ｂがそれぞれ逆並列に接続されている。また、Ｖ相用のスイッチング回路は、互いに直列接続された一対のアーム（スイッチ）１２ａ，１２ｂを主体に構成されており、個々のスイッチ１２ａ，１２ｂには、ダイオード１３ａ，１３ｂがそれぞれ逆並列に接続されている。同様に、Ｗ相用のスイッチング回路は、互いに直列接続された一対のアーム（スイッチ）１４ａ，１４ｂを主体に構成されており、個々のスイッチ１４ａ，１４ｂには、ダイオード１５ａ，１５ｂがそれぞれ逆並列に接続されている。個々のスイッチとしては、ＩＧＢＴ等のトランジスタといったスイッチング素子を用いることができる。

Ｕ相用の一対のスイッチ１０ａ，１０ｂの相互接続点、Ｖ相用の一対のスイッチ１２ａ，１２ｂの相互接続点、および、Ｗ相用の一対のスイッチ１４ａ，１４ｂの相互接続点は、それぞれが各相電流の出力点として機能している。各出力点には、交流電動機３０の対応する相巻線がそれぞれ接続される。

電源２０は、直流電力を出力する直流電源であり、電力を蓄電または放電する、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池といったバッテリである。

交流電動機３０は、例えば、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線（本実施形態では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる３つの相巻線）を有する３相交流電動機である。図２に示すように、回転磁界を発生させるため、U相、Ｖ相、Ｗ相の巻線は、電気的にそれぞれ２π／３（１２０°）の位相差が配置されている。また、回転子には、Ｎ極・Ｓ極の永久磁石が使用されている。この交流電動機３０は、インバータ１０内で変換された３相の交流電力が各相巻線に供給されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により駆動する。

このような構成のインバータ装置において、制御装置１には、インバータ１０を通じた交流電動機３０の駆動制御を行うために、交流電動機３０に出力される各相の電流値が電流センサ４１〜５２から入力されている。電流センサ４１，４２は、Ｕ相電流ＩU1，ＩU2をそれぞれ検出するセンサであり、電流センサ５１，５２は、Ｖ相電流ＩV1，ＩV2をそれぞれ検出するセンサである。このように、本実施形態では、検出対象となる相に複数（本実施形態では、２つ）の電流センサが設けられており、同一相について２系統の電流センサからの検出信号（電流値）が制御装置１にそれぞれ入力される構成となっている（以下、必要に応じて、Ｕ相電流ＩU1およびＶ相電流ＩV1を検出する一方の電流センサ４１，５１を「第１系統の電流センサ（１ｃｈ）」といい、Ｕ相電流ＩU2およびＶ相電流ＩV2を検出する他方の電流センサ４２，５２を「第２系統の電流センサ（２ｃｈ）」という）。制御装置１は、内部メモリに、各相について検出された相電流を記憶することができる。

制御装置１は、通常、一方の系統の電流センサ４１〜５２からの検出信号のみを利用して交流電動機３０の駆動制御を行うものの、当該電流セン４１〜５２の異常を判断する場合には、他方の系統の電流センサ４１〜５２からの検出信号を利用する。また、制御装置１は、一方の系統の電流センサ４１〜５２に異常が認められた場合には、これに代えて他方の系統の電流センサ４１〜５２を利用することで、電流値の検出が不可能となるといった事態を抑制することができる。

なお、Ｗ相の電流は、センサを用いて直接的に検出してもよいが、３相の相電流は電流総和がゼロとなる関係を有するため、Ｕ相およびＶ相の電流値に基づいて間接的に検出することができる。そのため、本実施形態では、Ｗ相の相電流を検出するための電流センサが省略された構成となっている。

図３は、本実施形態にかかる電流センサの異常判定処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御装置１によって実行される。

まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、制御装置１は、各相の電流値（実電流）を読み込む。具体的には、ステップ１０の処理では、相毎に、当該相に設けられた２系統の電流センサ（１ｃｈ，２ｃｈ）から電流値がそれぞれ読み込まれる。本実施形態では、Ｕ相について、第１および第２の系統の電流センサ４１，４２から電流値ＩU1，ＩU2がそれぞれ読み込まれるとともに、Ｖ相について、第１および第２の系統の電流センサ５１，５２から電流値ＩV1，ＩV2がそれぞれ読み込まれる。

ステップ１１（Ｓ１１）において、制御装置１は、相毎に、第１系統の電流センサ（１ｃｈ）による電流値と第２系統の電流センサ（２ｃｈ）による電流値との差（以下「電流差」という）を算出する。具体的には、制御装置１は、Ｕ相について、電流センサ４１，４２の検出値に基づいて電流差を算出するとともに、Ｖ相について、電流センサ５１，５２の検出値に基づいて電流差を算出する。

ステップ１２（Ｓ１２）において、制御装置１は、相毎に、当該相について算出された電流差が判定値よりも大きいか否かを判断する。通常、第１系統および第２系統の電流センサに異常が生じていないケースでは、電流差は概ねゼロとみなせる。これに対して、一方の系統の電流センサに異常が生じているケースでは、電流差が大きくなる。そのため、このステップ１２では、電流差を判定値と比較することで、いずれかの系統の電流センサに異常が生じている否かを判断することができる。ステップ３の判定値には、いずれかの電流センサに異常が生じているか否かの切り分けを行うための電流差が、実験やシミュレーションを通じて適切に設定されている。

ステップ１２において否定判定された場合、すなわち、各相について電流差が判定値以下である場合には、ステップ１３（Ｓ１３）に進む。一方、ステップ１２において肯定判定された場合、すなわち、いずれかの相において電流差が判定値よりも大きい場合には、後述するステップ１５（Ｓ１５）の処理に進む。

ステップ１３において、制御装置１は、各電流センサに異常なしとの判定を行う。この判定にともない、制御装置１は、異常なしの状態を示すフラグをセットしてもよい。

ステップ１４（Ｓ１４）において、制御装置１は、相毎に、検出された電流値を内部メモリに記憶（更新）する。具体的には、制御装置１は、交流電動機３０の駆動制御に用いられている系統の電流センサ４１〜５２の検出結果に基づいて、これを行う。

ステップ１５（Ｓ１５）において、制御装置１は、いずれかの電流センサ４１〜５２に異常が発生しているとの判定を行う。この判定にともない、制御装置１は、異常ありの状態を示すフラグをセットしてもよい。

ステップ１６（Ｓ１６）において、制御装置１は、ステップ１２における電流差と判定値との比較結果に基づいて、いずれかの系統の電流センサ４１〜５２に異常が生じていると認められる相（以下「異常相」という）を検出する。

ステップ１７（Ｓ１７）において、制御装置１は、内部メモリに記憶されている各相電流に基づく合成演算処理により、異常相に対して任意の位相差をもつ参考信号を生成する。まず、参考信号の生成概念について説明する。Ｖ相電流は、Ｕ相電流に対して２π／３位相遅れを持つ正弦波である。ここで、Ｕ相電流ＩＵおよびＶ相電流ＩＶは、下式で表すことができる。

（数式１）
ＩＵ＝Ｉa ｓｉｎ（β）
ＩＶ＝Ｉa ｓｉｎ（β−２π／３）
同数式において、Ｉａは電流振幅であり、βは電流位相角である。

Ｕ相に対して位相差(α)をもつ参考信号は、下式に示すように、Ｕ相およびＶ相の相電流ＩＵ，ＩＶより合成される。

（数式２）
Ｉa ｓｉｎ（β＋α）＝ａＵ＋ｂＶ
同数式において、ａ，ｂは変換係数
ここで、ａ，ｂは変換係数であり、係数ａ，ｂの組合せにより、Ｕ相電流またはＶ相電流に対して、指定した位相差を持つ参考信号を合成することができる。

例えば、Ｕ相に対してπ／６位相が進んだ参考信号Ｕref（π/6）は、ａ＝１／sqrt（３），ｂ＝−ａとすることで作成することができる（数式３）。

（数式３）
Ｕref（π/6）＝Ｉa ｓｉｎ（β＋π／６）
また、Ｖ相に対してπ／６位相が進んだ参考信号Ｖref（π/6）は、ａ＝１／sqrt（３），ｂ＝２ａとすることで作成することができる（数式４）。

（数式４）
Ｖref（π/6）＝Ｉa ｓｉｎ（β−π／２）
図４，５は、Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよび参考信号ＩＲの推移を示す説明図である。ここで、図４は、電流増加シーンにおける推移を示しており、図５は、電流減少シーンにおける推移を示している。また、参考信号ＩＲは、V相電流ＩＶに対してπ／６位相が進んだ参考信号を示している。

ステップ１８（Ｓ１８）において、制御装置１は、参考信号を基準として、異常相に関する第１の系統の電流センサ（１ｃｈ）による電流値と第２の系統の電流センサ（２ｃｈ）による電流値とのどちらが基準から乖離しているか否かを判断する。図６，７は、Ｖ相における電流センサ５１，５２の一方（第２の系統）に異常が発生し、その電流ＩＶ２がゼロ近辺に貼り付いている状態を示す。図６は、上述した図４に対応する電流増加のシーンであり、図７は、上述した図５に対応する電流減少のシーンである。合成された参考信号ＩＲの参考値ａを用いて、その参考値ａと、故障時点のＶ相の２系統の電流値ＩV1，ＩV2とをそれぞれ比較する。そして、参考値ａとの偏差が大きい電流値を検出した系統の電流センサ４１〜５２を異常と判断する。具体的には、制御装置１は、参考信号（参考値ａ）と第１の系統の電流センサ（１ｃｈ）による電流値との差Δ１chを算出するとともに、参考信号（参考値ａ）と第２の系統の電流センサ（２ｃｈ）による電流値との差Δ２chを算出する。そして、制御装置１は、第１系統に関する差Δ１ｃｈが、第２系統に関する差Δ２ｃｈよりも大きいか否かを判断する。

ステップ１８において肯定判定された場合、すなわち、第１系統に関する差Δ１ｃｈが第２系統に関する差Δ２ｃｈよりも大きい場合には、ステップ１９（Ｓ１９）に進む。一方、ステップ１８において否定判定された場合、すなわち、第１系統に関する差Δ１ｃｈが第２系統に関する差Δ２ｃｈよりも大きくない場合には、ステップ２０（Ｓ２０）に進む。

ステップ１９において、制御装置１は、参考信号に対する乖離度合いが大きい系統の電流センサ４１〜５２に異常が生じている可能性があるとの観点から、異常相における電流センサとして第２系統の電流センサ（２ｃｈ）を使用することを決定する。

ステップ２０において、制御装置１は、ステップ１９と同様の観点から、異常相における電流センサとして第２系統の電流センサ（２ｃｈ）を使用することを決定する。

このように本実施形態において、電流センサ４１〜５２は、交流電動機３０に対して出力される各相の相電流を検出するために、検出対象となる相、具体的には、Ｕ相およびＶ相にそれぞれ２つづつ設けられている。制御装置１は、複数の電流センサ４１〜５２の検出結果に基づいて、各相の相電流を記憶するとともに（記憶手段）、電流センサ４１〜５２に異常が認められる相を異常相として検出する（異常検出手段）。また、制御装置１は、異常相が検出された場合、記憶されている相電流に基づいて、異常相の相電流に対して位相差を有する基準信号を生成する（信号生成手段）。また、制御装置１は、生成された基準信号と、記憶されている異常相の相電流のそれぞれとを比較することにより、この異常相を検出対象とする２つの電流センサのうち異常が生じている電流センサを特定する（特定手段）。

図８は、従来手法による電流センサの異常判定処理を示す説明図である。従来の異常判定処理では、別相の電流値を用いて、異常が発生しているセンサ特定することになっている。例えば、Ｖ相における２系統の電流値ＩV1，ＩV2の差が判定値よりも大きい場合、Ｖ相の電流センサに異常が生じていると判断する。この場合、Ｖ相と比較して位相が２π／３ずれたＵ相電流値（点ｂ）から位相変換により、Ｖ相の電流値を推定する。そして、その推定値と、Ｖ相の電流値ＩV1，ＩV2とをそれぞれ比較し、推定値との差が大きい方の電流センサが異常と判断される。

しかしながら、従来手法によれば、負荷変動や回転速度変化などにより、電流（電流振幅）が変動すると、別相の電流値からの位相変換では電流値を正確に推定することができない。しかしながら、本実施形態によれば、電流変動があるようなシーンであっても、図４〜７に示すように、Ｕ相電流より合成された参考信号を、Ｖ相電流と波形的に近い信号として得ることができる。そのため、この参考信号をＶ相における電流センサの異常特定に用いることにより、異常が生じている電流センサをより正確に特定することが可能となる。

また、本実施形態において、制御装置１は、交流電動機３０を駆動する（駆動制御手段）。この場合、制御装置１は、異常が生じている電流センサとは異なる同一相内の電流センサの検出結果に基づいて、各相に出力される相電流を制御する。かかる構成によれば、異常が生じている電流センサを使用せずに、正常な電流センサを用いて交流電動機３０の駆動を継続することができる。そのため、交流電動機３０の制御の信頼性の向上を図ることができる。

なお、上述した実施形態では、参考信号として、π／６位相が進んだ信号を示したが、位相差のパターンは種々設定することができる。例えば、Ｕ相に対してπ／３位相が進んだ参考信号Ｕref（π/3）は、ａ＝０，ｂ＝−１とすることで作成することができる（数式５）。

（数式５）
Ｕref（π/3）＝Ｉa ｓｉｎ（β＋π／３）
また、Ｖ相に対してπ／３位相が進んだ参考信号Ｖref（π/3）は、ａ＝１，ｂ＝１とすることで作成することができる（数式６）。

（数式６）
Ｖref（π/3）＝Ｉa ｓｉｎ（β−π／２）
また、例えば、Ｕ相に対してπ／２位相が進んだ参考信号Ｕref（π/2）は、ａ＝−１／sqrt（３），ｂ＝２ａとすることで作成することができる（数式７）。

（数式７）
Ｕref（π/2）＝Ｉa ｓｉｎ（β＋π／２）
また、Ｖ相に対してπ／２位相が進んだ参考信号Ｖref（π/2）は、ｂ＝１／sqrt（３），ａ＝２ｂとすることで作成することができる（数式８）。

（数式８）
Ｖref（π/2）＝Ｉa ｓｉｎ（β−π／６）
また、例えば、Ｕ相に対して２π／３位相が進んだ参考信号Ｕref（2π/3）は、ａ＝−１，ｂ＝−ａとすることで作成することができる（数式９）。

（数式９）
Ｕref（2π/3）＝Ｉa ｓｉｎ（β＋２π／３）
また、Ｖ相に対して２π／３位相が進んだ参考信号Ｖref（2π/3）は、ａ＝１，ｂ＝０とすることで作成することができる（数式９）。

（数式９）
Ｖref（2π/3）＝Ｉa ｓｉｎ（β＋２π／３）
本実施形態において、電流センサは、検出対象となる相に複数設けられるが、全ての相について複数の電流センサが設けられている必要はない。すなわち、上述した実施形態に示したように、ある相（例えば、Ｗ相）の電流値が、他の相（例えば、Ｕ相，Ｖ相）の電流検出値から間接的に検出可能である場合には、当該相に必ずしも電流センサを設ける必要はない。すなわち、電流センサは、交流電動機３０に対して出力される各相の相電流を検出するために、必要最低の相を検出対象として設けられていればよい。

１…制御装置
１０…インバータ
２０…電源
３０…交流電動機
４１，４２…電流センサ
５１，５２…電流センサ

Claims (4)

1. 各相に出力される相電流を制御することにより多相の交流負荷を駆動するインバータ装置において、
   検出対象となる相に複数設けられ、前記交流負荷に対して出力される各相の相電流を検出するための複数の電流検出手段と、
   前記複数の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記電流検出手段に異常が認められる相を異常相として検出する異常検出手段と、
   前記複数の電流検出手段の検出結果に基づいて各相の相電流を記憶する記憶手段と、
   前記異常検出手段によって異常相が検出された場合、前記記憶手段に記憶されている各相の相電流に基づいて、前記異常相の相電流に対して位相差を有する基準信号を生成する信号生成手段と、
   前記信号生成手段により生成された基準信号と、前記記憶手段に記憶されている前記異常相の相電流のそれぞれとを比較することにより、当該異常相を検出対象とする複数の電流検出手段のうち異常が生じている前記電流検出手段を特定する特定手段と
   を有することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記異常検出手段は、同一の相を検出対象とする前記電流検出手段のそれぞれの検出結果を相互に比較することにより、当該相が異常相であるか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載されたインバータ装置。
3. 前記交流負荷を駆動する駆動制御手段をさらに有し、
   前記駆動制御手段は、前記異常検出手段によって異常相が検出された場合、前記特性手段によって特定された異常が生じている前記電流検出手段とは異なる同一相内の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記各相に出力される相電流を制御することを特徴とする請求項１または２に記載されたインバータ装置。
4. 電流検出手段の異常判定方法において、
   それぞれが検出対象となる相に複数設けられた複数の電流検出手段により、多相の交流負荷に対して出力される各相の相電流を検出するステップと、
   前記複数の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記電流検出手段に異常が認められる相を異常相として検出するステップと、
   前記異常検出手段によって異常相が検出された場合、当該検出された異常相の相電流に対して位相差を有する基準信号を生成するステップと、
   前記基準信号生成手段により生成された基準信号と、前記異常相について検出されたそれぞれの電流値とを比較することにより、当該異常相を検出対象とする複数の電流検出手段のうち異常が生じている前記電流検出手段を特定するステップと
   を有することを特徴とする電流検出手段の異常判定方法。

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