JP2011166989A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相交流電動機とインバータとを含む駆動系の異常をより適正に判定する。
【解決手段】モータの各相に印加する電圧と電気角θｅ１とを用いてｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１を計算し（Ｓ１００）、モータの各相の相電流Ｉｖ１，Ｉｗ１と電気角θｅ１とを用いてｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を計算し（Ｓ１１０）、計算したｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１および電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を用いてモータに印加される実行電力Ｐｍｃａｌ１を計算し（Ｓ１２０）、モータのトルク指令Ｔｍ１＊と回転数Ｎｍ１とを用いてモータに印加されるべき指令電力Ｐｍ１＊を計算し（Ｓ１３０）、計算した指令電力Ｐｍ１＊と実行電力Ｐｍｃａｌ１との差が許容範囲外のときに、モータやインバータを含む第１駆動系に異常が生じていると判定する（Ｓ１４０，Ｓ１６０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、駆動装置に関する。

従来、この種の駆動装置としては、モータと、交流電源からの交流電力を直流に整流するコンバータ部と、コンバータ部により整流された直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、を備えるものにおいて、インバータに作用する電圧（直流電源電圧）とインバータに供給される電流（直流電源電流）とに基づいてインバータへの入力電力を演算し、ｕ相，ｖ相電流検出値とｕ相，ｖ相，ｗ相電圧指令値とを用いてモータへの実入力電力を演算し、演算した入力電力の比例倍と実入力電力との差の大きさが予め設定された閾値を超えた場合にモータ状態が異常であることを検出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、このようにモータ状態の異常を検出することにより、絶縁劣化等によるモータの異常を検出している。

特開２００９−２６１１３８号公報

こうした駆動装置では、モータ状態の異常を検出することが望まれているが、電圧と電流とを用いたインバータへの入力電力の演算を行なうことができない場合、例えば、インバータに供給される電流を検出するセンサを設けない場合などを考慮して、上述の方法とは異なる方法によってもモータ状態の異常を検出できるようにすることが課題の一つとされる。

本発明の駆動装置は、三相交流電動機とインバータとを含む駆動系の異常をより適正に検出することを主目的とする。

本発明の駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の駆動装置は、
三相交流電動機と、該三相交流電動機を駆動するインバータと、該インバータを介して前記三相交流電動機と電力をやりとり可能なバッテリと、を備える駆動装置であって、
前記三相交流電動機に印加されるｄ軸，ｑ軸の電圧および電流を用いて前記三相交流電動機に印加される実行電力を演算する実行電力演算手段と、
前記三相交流電動機のトルク指令と回転数とを用いて前記三相交流電動機に印加されるべき指令電力を演算する指令電力演算手段と、
前記演算した指令電力と前記演算した実行電力との差が予め設定された許容範囲から外れているとき、前記三相交流電動機と前記インバータとを含む駆動系に異常が生じていると判定する異常判定手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の駆動装置では、三相交流電動機に印加されるｄ軸，ｑ軸の電圧および電流を用いて三相交流電動機に印加される実行電力を演算し、三相交流電動機のトルク指令と回転数とを用いて三相交流電動機に印加されるべき指令電力を演算し、演算した指令電力と演算した実行電力との差が予め設定された許容範囲から外れているときに三相交流電動機とインバータとを含む駆動系に異常が生じていると判定する。したがって、電圧と電流とを用いずに演算した指令電力と、実行電力と、によって駆動系の異常をより適正に検出することができる。

本発明の実施例としての駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット５０により実行される第１駆動系状態判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例としての駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動装置２０は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される駆動装置であって、図示するように、例えば発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されて走行用の動力を出力する二つのモータＭＧ１，ＭＧ２と、６つのスイッチング素子としてのトランジスタと各トランジスタに逆方向に並列接続された６つのダイオードとを有し各トランジスタのスイッチングによってモータＭＧ１，ＭＧ２をそれぞれ駆動するインバータ２４，２５と、充放電可能なバッテリ２６と、２つのスイッチング素子としてのトランジスタと各トランジスタに逆方向に並列接続されたダイオードとリアクトルとを有しバッテリ２６の電圧を昇圧してインバータ２４，２５側に供給したりインバータ２４，２５側の電圧を降圧してバッテリ２６側に供給したりする昇圧コンバータ３０と、昇圧コンバータ３０からみてインバータ２４，２５に並列に接続され昇圧後の電圧を平滑する平滑コンデンサ３２と、昇圧コンバータ３０からみてバッテリ２６に並列に接続され昇圧前の電圧を平滑する平滑コンデンサ３４と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。以下、昇圧コンバータ３０よりもインバータ２４，２５側を高電圧系といい、昇圧コンバータ３０よりもバッテリ２６側を低電圧系という。

電子制御ユニット５０には、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転位置を検出する回転位置検出センサ４０，４１からの回転位置θｍ１，θｍ２や、モータＭＧ１，ＭＧ２の三相コイルのＶ相，Ｗ相に印加される相電流を検出する電流センサ４２Ｖ，４２Ｗ，４３Ｖ，４３Ｗからの相電流Ｉｖ１，Ｉｗ１，Ｉｖ２，Ｉｗ２，平滑コンデンサ３２の端子間に取り付けられた電圧センサ４４からの電圧（以下、高電圧系の電圧という）ＶＨ，バッテリ２６の端子間に設置された電圧センサ４６からの端子間電圧Ｖｂ，バッテリ２６の出力端子に取り付けられた電流センサ４８からの充放電電流Ｉｂなどが入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、インバータ２４，２５のスイッチング素子へのスイッチング信号や、昇圧コンバータ３０のスイッチング素子へのスイッチング信号などが出力されている。なお、電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ４０，４１からの回転位置θｍ１，θｍ２に基づいてモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の電気角θｅ１，θｅ２やモータ２２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２も演算している。

実施例の駆動装置２０では、電子制御ユニット５０により、モータＭＧ１，ＭＧ２から出力すべきトルクとしてのトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊に基づいてインバータ２４，２５が制御されると共にモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊や回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２に基づいて昇圧コンバータ３０が制御される。電子制御ユニット５０は、昇圧コンバータ３０の制御として、モータＭＧ１，ＭＧ２をそれぞれの目標駆動点（トルク指令，回転数）で駆動可能な電圧として定めた目標電圧ＶＨ＊と高電圧系の電圧ＶＨとの差が小さくなるよう昇圧コンバータ３０のスイッチング素子をスイッチング制御する。また、インバータ２４，２５の制御として、モータＭＧ１，ＭＧ２の目標駆動点に応じて、パルス幅変調制御方式（以下、ＰＷＭ制御方式という）や矩形波制御方式でインバータ２４，２５のスイッチング素子をスイッチング制御する。インバータ２４の制御とインバータ２５の制御とは同様に考えることができるため、以下、インバータ２４の制御を例として説明する。ＰＷＭ制御方式でインバータ２４を制御する際には、回転位置検出センサ４０からの信号に基づいて演算された電気角θｅ１を用いて電流センサ４２Ｖ，４２Ｗからの相電流Ｉｖ，Ｉｗを座標変換（３相−２相変換）することによってｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を計算し、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊に応じてｄ軸，ｑ軸の電流指令Ｉｄ１＊，Ｉｑ１＊を設定し、設定したｄ軸，ｑ軸の電流指令Ｉｄ１＊，Ｉｑ１＊と電流Ｉｄ１，Ｉｑ１とを用いたフィードバック制御によってｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ１＊，Ｖｑ１＊を計算し、電気角θｅ１を用いてｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ１＊，Ｖｑ１＊を座標変換（２相−３相変換）することによってＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令Ｖｕ１＊，Ｖｖ１＊，Ｖｗ１＊を計算し、計算した電圧指令Ｖｕ１＊，Ｖｖ１＊，Ｖｗ１＊をＰＷＭ信号に変換してインバータ２４のスイッチング素子をスイッチング制御する。また、矩形波制御方式でインバータ２４を制御する際には、電気角θｅ１と相電流Ｉｖ１，Ｉｗ１とを用いてモータＭＧ１の出力トルクの推定値としての推定トルクＴｍ１を計算し、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊と推定トルクＴｍ１とを用いたフィードバック制御によって矩形波電圧の位相指令ψ１＊を計算し、電気角θｅ１と位相指令ψ１＊とを用いてＵ相，Ｖ相，Ｗ相に矩形波電圧が印加されるよう電圧指令Ｖｕ１＊，Ｖｖ１＊，Ｖｗ１＊を設定してインバータ２４のスイッチング素子をスイッチング制御する。

次に、実施例の駆動装置２０の動作、特に、モータＭＧ１やインバータ２４を含む第１駆動系や、モータＭＧ２やインバータ２５を含む第２駆動系が正常か否かを判定する動作について説明する。第１駆動系が正常か否かの判定と第２駆動系が正常か否かの判定とは同様に考えることができるため、以下、第１駆動系が正常か否かの判定を例として説明する。図２は、第１駆動系が正常か否かを判定するために電子制御ユニット５０により実行される第１駆動系状態判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、第１駆動系に異常が生じていると判定されるまで所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

第１駆動系状態判定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、電気角θｅ１とインバータ２４の制御状態（ＰＷＭ制御方式または矩形波制御方式でのスイッチング状態）とに基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１を計算する（ステップＳ１００）。ここで、ｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１の計算は、モータＭＧ１の各相に印加する相電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を電気角θｅ１を用いて座標変換（３相−２相変換）することによって行なうものとした。こうして計算されるｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１は、モータＭＧ１に実際に印加される電圧に相当すると考えられる。なお、相電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は、電圧指令Ｖｕ１＊，Ｖｖ１＊，Ｖｗ１＊を用いるものとしてもよいし、インバータ２４に出力するスイッチング信号から逆算して得られる値を用いるものとしてもよい。

続いて、モータＭＧ１の各相の相電流Ｉｖ１，Ｉｗ１を電気角θｅ１を用いて座標変換（３相−２相変換）することによってｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を計算し（ステップＳ１１０）、ｄ軸の電圧Ｖｄ１にｄ軸の電流Ｉｄ１を乗じたものとｑ軸の電圧Ｖｄ１にｑ軸の電流Ｉｑ１を乗じたものとの和として、モータＭＧ１に印加される実行電力Ｐｍｃａｌ１を計算する（ステップＳ１２０）。

そして、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊に回転数Ｎｍ１を乗じることにより、モータＭＧ１やインバータ２４が正常に動作するときにモータＭＧ１に印加されるべき指令電力Ｐｍ１＊を計算する（ステップＳ１３０）。このように、実施例では、高電圧系の電圧ＶＨやインバータ２４に供給される電流を用いずに指令電力Ｐｍ１＊を計算するのである。

こうして実行電力Ｐｍｃａｌ１と指令電力Ｐｍ１＊とを計算すると、実行電力Ｐｍｃａｌ１が、指令電力Ｐｍ１＊から誤差αを減じた値（Ｐｍ１＊−α）を下限とすると共に指令電力Ｐｍ１＊に誤差αを加えた値（Ｐｍ１＊＋α）を上限とする許容範囲内であるか否かを判定し（ステップＳ１４０）、実行電力Ｐｍｃａｌ１が許容範囲内であると判定されたときには、モータＭＧ１やインバータ２４は正常に動作している即ち第１駆動系は正常であると判定して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。ここで、誤差αは、モータ２２やインバータ２４の特性などに基づいて予め定めることができる。

一方、実行電力Ｐｍｃａｌ１が許容範囲内でないと判定されたときには、モータＭＧ１やインバータ２４が正常に動作していない即ち第１駆動系に異常が生じていると判定する（ステップＳ１６０）。このように指令電力Ｐｍ１＊と実行電力Ｐｍｃａｌ１との比較により第１駆動系が正常か否かを判定することにより、高電圧系の電圧やインバータ２４に供給される電流を用いずに演算した指令電力Ｐｍ１＊と、実行電力Ｐｍｃａｌ１と、によって第１駆動系の異常をより適正に検出することができる。第２駆動系についても、異常が生じたときにその異常を同様に検出することができる。なお、第１駆動系や第２の駆動系の異常としては、絶縁抵抗の低下（劣化）などが考えられる。

こうして第１駆動系の異常を検出すると、モータＭＧ１が所定の高回転数で回転している高回転状態であるか否かを判定し（ステップＳ１７０）、高回転状態でないときには、第１駆動系の異常時の処理としてインバータ２４をゲート遮断して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了し、高回転状態であるときには、第１駆動系の異常時の処理としてインバータ２４および昇圧コンバータ３０を共にゲート遮断して（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。ここで、所定の高回転数は、実施例では、モータＭＧ１の回転に伴って発生する逆起電力が高電圧系の電圧ＶＨよりも大きくなる回転数とした。また、第１駆動系の異常時にインバータ２４をゲート遮断するのは、第１駆動系の二次的な異常の発生を抑制するためである。ところで、いま、インバータ２４がゲート遮断されている状態でモータＭＧ１が回転しているときを考える。このとき、モータＭＧ１の回転に伴って回転数Ｎｍ１が高いほど大きくなる傾向の逆起電力が発生し、逆起電力が高電圧系の電圧ＶＨ以下のときにはこの逆起電力による電力は昇圧コンバータ３０側には供給されないが、逆起電力が高電圧系の電圧ＶＨよりも大きいときには、インバータ２４のダイオードが全波整流回路として機能するため、逆起電力による電力が昇圧コンバータ３０側に供給される。したがって、モータＭＧ１の回転に伴って発生する逆起電力が高電圧系の電圧ＶＨよりも大きくなる回転数Ｎｍ１でモータＭＧ１が回転している最中に、インバータ２４をゲート遮断するだけで昇圧コンバータ３０の制御を継続すると、その逆起電力の大きさによっては昇圧コンバータ３０を介してバッテリ２６に過大な電力が入力されてしまう可能性がある。実施例では、こうした不都合を解消するために、モータＭＧ１が所定の高回転数で回転しているときには、インバータ２４および昇圧コンバータ３０を共にゲート遮断するものとした。これにより、バッテリ２６に過大な電力が入力されるのを抑制することができる。

以上説明した実施例の駆動装置２０によれば、モータＭＧ１の各相に印加する電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１と電気角θｅ１とを用いてｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１を計算し、モータＭＧ１の各相の相電流Ｉｖ１，Ｉｗ１と電気角θｅ１とを用いてｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を計算し、計算したｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１および電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を用いてモータＭＧ１に印加される実行電力Ｐｍｃａｌ１を計算し、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊と回転数Ｎｍ１とを用いてモータＭＧ１に印加されるべき指令電力Ｐｍ１＊を計算し、計算した指令電力Ｐｍ１＊と実行電力Ｐｍｃａｌ１との差が許容範囲外のときに、モータＭＧ１やインバータ２４を含む第１駆動系に異常が生じていると判定するから、第１駆動系の異常をより適正に検出することができる。

実施例の駆動装置２０では、昇圧コンバータ３０を備えるものとしたが、昇圧コンバータ３０を備えないものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータＭＧ１やモータＭＧ２が「三相交流電動機」に相当し、インバータ２４やインバータ２５が「インバータ」に相当し、バッテリ２６が「バッテリ」に相当し、モータＭＧ１の各相に印加する電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１と電気角θｅ１とを用いてｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１を計算し、モータＭＧ１の各相の相電流Ｉｖ１，Ｉｗ１と電気角θｅ１とを用いてｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を計算し、計算したｄ軸，ｑ軸の電圧Ｖｄ１，Ｖｑ１および電流Ｉｄ１，Ｉｑ１を用いてモータＭＧ１に印加される実行電力Ｐｍｃａｌ１を計算する図２の第１駆動系状態判定ルーチンのステップＳ１００〜Ｓ１２０の処理を実行する電子制御ユニット５０が「実行電力演算手段」に相当し、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊と回転数Ｎｍ１とを用いてモータＭＧ１に印加されるべき指令電力Ｐｍ１＊を計算する図２の第１駆動系状態判定ルーチンのステップＳ１３０の処理を実行する電子制御ユニット５０が「指令電力演算手段」に相当し、計算した指令電力Ｐｍ１＊と実行電力Ｐｍｃａｌ１との差が許容範囲外のときに、モータＭＧ１やインバータ２４を含む第１駆動系に異常が生じていると判定する図２の第１駆動系状態判定ルーチンのステップＳ１４０，Ｓ１６０の処理を実行する電子制御ユニット５０が「異常判定手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、駆動装置の製造産業に利用可能である。

２０ 駆動装置、２４，２５ インバータ、２６ バッテリ、３０ 昇圧コンバータ、３２，３４ 平滑コンデンサ、４０，４１ 回転位置検出センサ、４２Ｖ，４２Ｗ，４３Ｖ，４３Ｗ，４８ 電流センサ、４４，４６ 電圧センサ、５０ 電子制御ユニット。

Claims (1)

1. 三相交流電動機と、該三相交流電動機を駆動するインバータと、該インバータを介して前記三相交流電動機と電力をやりとり可能なバッテリと、を備える駆動装置であって、
   前記三相交流電動機に印加されるｄ軸，ｑ軸の電圧および電流を用いて前記三相交流電動機に印加される実行電力を演算する実行電力演算手段と、
   前記三相交流電動機のトルク指令と回転数とを用いて前記三相交流電動機に印加されるべき指令電力を演算する指令電力演算手段と、
   前記演算した指令電力と前記演算した実行電力との差が予め設定された許容範囲から外れているとき、前記三相交流電動機と前記インバータとを含む駆動系に異常が生じていると判定する異常判定手段と、
   を備える駆動装置。