JP2013013286A

JP2013013286A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2013013286A
Application number: JP2011145559A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamada; 裕之山田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP5785004B2

Abstract

【課題】モータ角度検出器に故障が生じても、モータロータの磁極位置に応じた制御が行えて、モータ駆動が行えるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】車輪駆動用のモータ６につき、モータ角度検出器３６の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御をする基本駆動制御部３８を備えたモータ駆動装置２０に適用する。モータロータの角度の推測をセンサレスで行うセンサレス角度検出手段４６と、モータ角度検出器３６の故障を判別するセンサ故障判別手段４８を設ける。故障と判別された場合に、基本駆動制御部３８による制御を、モータ角度検出器３６による角度検出値に代えて、センサレス角度検出手段４６の出力で行わせるセンサ切替え手段４９を設ける。
【選択図】図５

Description

この発明は、電気自動車における車輪駆動用のモータを制御するモータ駆動装置に関する。

電気自動車において、モータの効率の良い駆動のために、モータロータの角度を検出する角度検出器を用い、モータロータの磁極位置に応じて制御することが行われている。この制御として、例えばベクトル制御が用いられる。

特開平１０−１４３００号公報特開２０００−１３４７１６号公報

上記のようなモータロータの磁極位置に応じた制御をするモータ駆動装置において、モータロータの角度検出器が破損したり、そのケーブルの断線等があった場合、角度検出値が正しく認識できず、モータの駆動が行えなくなる。または、所望のトルクを発生することができなくなる。
各車輪を個別に駆動するモータを備えたインホイールモータ形式等の電気自動車では、走行中にモータ角度検出器の故障が生じると、トルクバランスが崩れ、スリップやスキッドの発生の原因となる。

道路上で車両が停止し、そのままモータ駆動が行えなくなると、交通の障害等となるため、ロータの角度検出器やその配線系に故障が生じても、道路脇の安全な場所まで自力で走行したり、あるいは修理工場まで自力で走行できると、故障への対応が行い易い。

この発明の目的は、モータ角度検出器に故障が生じても、モータロータの磁極位置に応じた制御が行えて、モータ駆動が行えるモータ駆動装置を提供することである。

この発明のモータ駆動装置２０は、電気自動車の車輪駆動用のモータ６を、このモータ６に設けられたモータ角度検出器３６の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御をする基本駆動制御部３８を備えたモータ駆動装置２０において、
前記モータロータの角度の推測をセンサレスで行うセンサレス角度検出手段４６と、前記モータ角度検出器３６の故障を判別するセンサ故障判別手段４８と、このセンサ故障判別手段４８が故障と判別した場合に、前記基本駆動制御部３８による制御を、前記モータ角度検出器３６による角度検出値に代えて、前記センサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度を用いて行わせるセンサ切替え手段４９とを設けたことを特徴とする。

この構成によると、通常では、モータ角度検出器３６の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御が前記基本駆動制御部３８により行われ、効率の良いモータ駆動が行われる。モータ角度検出器３６の故障は、センサ故障判別手段４８により監視され、判別される。センサ故障判別手段４８による故障の判別は、モータ角度検出器３６の配線系を含めて行うようにしても、モータ角度検出器３６のみにつき行うようにしても良い。センサ故障判別手段４８により故障と判別されると、センサ切替え手段４９は、基本駆動制御部３８による制御を、モータ角度検出器３６による角度検出値に代えて、前記センサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度を用いて行わせる。そのため、モータ角度検出器３６に故障が生じても、基本駆動制御部３８を用いた磁極位置に応じた制御を行うことができる。
そのため、各車輪２を個別に駆動するモータ６を備えたインホイールモータ形式等の電気自動車において、走行中にモータ角度検出器３６の故障が生じても、トルクバランスの崩れを回避し、スリップやスキッドの発生を防止することができる。センサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度は、モータ角度検出器３６による角度検出値に比べて、精度や信頼性が十分でない場合があるが、修理工場等の車両の修理場所や、道路脇の安全な退避場所等への自力走行が可能となる。

この発明において、前記センサ故障判別手段４８は、一定時間における前記モータ角度検出器３６の角度検出値の変化量、またはモータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefとモータ電流Ｉｑ，Ｉｄの差、またはこれら角度検出値の変化量と、モータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefとモータ電流の差との両方から判断するものであるのが良い。
一定時間におけるモータ角度検出器３６の角度検出値の変化量は、ある程度定まった範囲にあるため、変化量が極端に大きくなった場合は、モータ角度検出器３６の故障と考えられる。したがって、適宜の閾値等を設定し、上記変化量が閾値を超えた場合に故障と判定しても良い。前記「一定時間」は、適宜設計すれば良い。また、モータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefとモータ電流Ｉｑ，Ｉｄとの差は、ある程度定まった範囲にあるため、これも、適宜の閾値等を設定し、前記の差が閾値を超えた場合に故障と判定しても良い。この場合、アクセル動作を監視し、アクセル動作によってモータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefが大きく変化する場合を判別してもよい。モータ角度検出器３６の変化量による故障判別と、モータ電流指令とモータ電流の差による故障判別とは、いずれを用いても行えるが、両方を用いて判別するようにすると、前記各閾値を小さく設定しても、確実な判別が行えて、早期の故障判別が行える。

この発明において、前記センサレス角度検出手段４６は、前記基本駆動制御部３８でモータが駆動されている間は、常に、モータロータの角度の推測の動作を行い、モータロータの角度の推測値を前記モータ角度検出器３６の角度検出値と比較して補正するようにしても良い。
モータ角度検出器３６が正常な間に、その角度検出値で、センサレス角度検出手段４６の角度の推測値を補正しておくことで、センサレス角度推測４６を精度良く行うことができる。この補正は、例えば、推測の元となる電流値等の検出値やモータコイルの抵抗値、インダクタンスといった予め設定したパラメータ値を用いてモータロータ角度を計算する式における係数を補正することなどで行う。上記の「常に…補正する」とは、必ずしも連続して比較、補正を行わなくても良く、定期的に補正を行うようにしても良い。

前記センサレス角度検出手段４６は、例えば、前記基本駆動制御部３８でモータ６が駆動されている間は、常に、モータロータの角度の推測の動作を行う位相推定部４６ａと、この位相推定部４６ａの出力する推定値を前記モータ角度検出器３６の角度検出値と比較する比較部４６ｂと、この比較結果が最小になるように、モータの各パラメータの調整、もしくは位置推定値にオフセットを付加するための補正量を決定し、その補正値を記憶する補正量記憶・補正部４６ｃとを有するものとする。この記憶した補正値を基に、車輪回転数検出器２４または、回転数演算部１０１から得られる回転数と前記基本駆動制御部３８の生成する電流指令のいずれか一方または両方から、前記補正量を決定し補正を行う補正量記憶・補正部４６ｃとを有するものとする。
これら位相推定部４６ａ、比較部４６ｂ、および補正量記憶・補正部４６ｃにより、より一層精度の良いセンサレス角度推測を行うことができる。

この発明において、前記センサ故障判別手段４８で故障と判別された状態で、モータ停止後にモータ６を始動するときに、モータ６の逆起電圧からモータロータの角度を割り出し、その割り出した角度で前記基本駆動制御部による制御を行わせる始動時ロータ角度割出手段１０２を設けても良い。
前記基本駆動制御部３８は、角度検出値に従って磁極位置に応じた制御をするため、角度が不明であるとモータ６を回転させることができない。センサレス角度検出手段４６においても、停止後の起動時には用いることができない。そのため、停止した場合、直ぐにはモータ６を起動できないが、２つ以上のモータ６を有する電気自動車では、健在なモータ６を用いて一応の走行が行える。走行させると、センサ故障の生じたモータ６が車輪２の回転につられて回転する。この時のモータ６の逆起電力を検出することで、磁極位置を検出することができる。電気角の１回転で磁極位置を検出できるため、例えば、タイヤ２ａが数分の１回転した時点で、逆起電力による角度検出が可能となり、モータ６を駆動させることができる。このため、片輪駆動による直進性の障害が生じるまでにモータ６を駆動させることができる。

この発明において、前記モータ６は、各モータ６がそれぞれ一つの車輪２を駆動する電気自動車におけるモータ６であっても良い。この場合に、前記モータ６は、車輪２に近接して取付けられるインホイールモータ装置８を構成するモータ６であっても良い。
個別にモータ駆動される車輪２が複数ある場合、走行中にモータ角度検出器３６の故障が生じると、トルクバランスが崩れ、スリップやスキッドの発生の原因となる。そのため、この発明におけるセンサレス角度検出手段４６の角度推定値による制御に切り替える効果が、より一層効果的となる。また、複数のモータ６を有する電気自動車の場合、上記のモータ逆起電力を用いる始動時ロータ角度割出手段１０２の利用が容易となる。

前記インホイールモータ装置８は、車輪用軸受４と、前記モータ６と、このモータ６と車輪用軸受４の間に介在した減速機７とを有するものであっても良い。減速機７を介在させるインホイールモータ装置８では、モータ６が高速回転となるため、センサレス角度検出手段４６によるモータロータ角度の推測値を用いて制御することが、より効果的となる。

前記減速機７はサイクロイド減速機であっても良い。サイクロイド減速機は円滑な動作で高減速比が得られるが、高減速比のため、モータ６がより高速回転となる。そのため、センサレス角度検出手段４６によるモータロータ角度の推測値を用いて制御することが、より効果的となる。

この発明の電気自動車は、この発明の上記いずれかの構成のモータ駆動装置２０を搭載した電気自動車である。この電気自動車によると、この発明のモータ駆動装置２０によるセンサレス角度検出手段４６のモータロータ角度推測値を用いる制御により、モータ角度検出器３６に故障が生じても走行を行うことができる。

この発明のモータ駆動装置は、電気自動車の車輪駆動用のモータを、このモータに設けられたモータ角度検出器の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御をする基本駆動制御部を備えたモータ駆動装置において、前記モータロータの角度の推測をセンサレスで行うセンサレス角度検出手段と、前記モータ角度検出器の故障を判別するセンサ故障判別手段と、このセンサ故障判別手段が故障と判別した場合に、前記基本駆動制御部による制御を、前記モータ角度検出器による角度検出値に代えて、前記センサレス角度検出手段の出力するモータロータ角度を用いて行わせるセンサ切替え手段とを設けたため、モータ角度検出器に故障が生じても、モータロータの磁極位置に応じた制御が行えて、モータ駆動を行うことができる。

この発明の電気自動車は、この発明のモータ駆動装置を用いたため、モータ角度検出器に故障が生じても走行を行うことができる。

この発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置を搭載した電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。同電気自動車のインバータ装置の概念構成を示すブロック図である。同インバータ装置の回路図である。同インバータ装置の出力波形の説明図である。同モータ駆動装置の概念構成のブロック図である。同モータ駆動装置における基本駆動制御部の概念構成のブロック図である。同モータ駆動装置のセンサレス角度検出手段使用時の動作状態を示す概念構成のブロック図である。同モータ駆動装置におけるモータロータ角度のセンサレス角度検出への切替えの様子を示す説明図である。この発明の他の実施形態に係るモータ駆動装置の概念構成のブロック図である。同電気自動車のインホイールモータ装置の一例を示す断面である。図１０のXI−XI線断面図である。図１１の部分拡大断面図である。同電気自動車における回転センサの一例の断面図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図８と共に説明する。図１は、この実施形態のモータ駆動装置を装備した電気自動車の概念構成を示す平面図である。この電気自動車は、車体１の左右の後輪となる車輪２が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪３が従動輪とされた４輪の自動車である。前輪となる車輪３は操舵輪とされている。駆動輪となる左右の車輪２，２は、それぞれ独立の走行用のモータ６により駆動される。モータ６の回転は、減速機７および車輪用軸受４を介して車輪２に伝達される。これらモータ６、減速機７、および車輪用軸受４は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ装置８を構成している。インホイールモータ装置８は、モータ６が車輪２に近接して設置されており、一部または全体が車輪２内に配置される。各車輪２，３には、電動式等の機械式のブレーキ（図示せず）がそれぞれ設けられている。なお、ここで言う「機械式」とは、回生ブレーキと区別のための用語であり、油圧ブレーキも含まれる。

制御系を説明する。自動車全般の統括制御を行う電気制御ユニットであるメインのＥＣＵ２１と、このＥＣＵ２１の指令に従って各走行用のモータ６の制御をそれぞれ行う複数（図示の例では２つ）のインバータ装置２２とが、車体１に搭載されている。ＥＣＵ２１とインバータ装置２２とで、モータ駆動装置２０が構成される。ＥＣＵ２１は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。なお、ＥＣＵ２１と各インバータ装置２２の弱電系とは、互いに共通のコンピュータや共通の基板上の電子回路で構成されていても良い。

ＥＣＵ２１は、トルク配分手段４８を有していて、トルク配分手段４８は、アクセル操作部１６の出力するアクセル開度の信号と、ブレーキ操作部１７の出力する減速指令と、操舵手段１５の出力する旋回指令とから、左右輪の走行用モータ６，６に与える加速・減速指令をトルク指令値として生成し、各インバータ装置２２へ出力する。また、トルク配分手段４８は、ブレーキ操作部１７の出力する減速指令があったときに、モータ６を回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値と、機械式のブレーキ（図示せず）を動作させる制動トルク指令値とに配分する機能を持つ。回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値は、各走行用のモータ６，６に与える加速・減速指令のトルク指令値に反映させる。アクセル操作部１６およびブレーキ操作部１７は、それぞれアクセルぺダルおよびブレーキペダル等のペダルと、そのペダルを動作量を検出するセンサとでなる。操舵手段１５は、ステアリングホイールとその回転角度を検出するセンサとでなる。バッテリ１９は、モータ６の駆動、および車両全体の電気系統の電源として用いられる。

図２に示すように、インバータ装置２２は、各モータ６に対して設けられた電力変換回路部であるパワー回路部２８と、このパワー回路部２８を制御するモータコントロール部２９とで構成される。モータコントロール部２９は、このモータコントロール部２９が持つインホイールモータ装置８に関する各検出値や制御値等の情報をＥＣＵ２１に出力する機能を有する。
パワー回路部２８は、バッテリ１９（図１）の直流電力をモータ６の駆動に用いる３相の交流電力に変換するインバータ３１と、このインバータ３１を制御する手段であるＰＷＭドライバ３２とで構成される。

図３において、モータ６は、３相の同期モータ、例えばＩＰＭ型（埋込磁石型）同期モータ等からなる。インバータ３１は、半導体スイッチング素子である複数の駆動素子３１ａで構成され、モータ６の３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の各相の駆動電流をパルス波形で出力する。ＰＷＭドライバ３２は、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各駆動素子３１ａにオンオフ指令を与える。上記パルス幅変調は、例えば図４に示すように正弦波駆動する電流出力が得られるように行う。図３において、パワー回路部２８の弱電回路部であるＰＷＭドライバ３２と前記モータコントロール部２９とで、インバータ装置２２における弱電回路部分である演算部３３が構成される。演算部３３は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成される。インバータ装置２２には、この他に、バッテリ１９とインバータ３１間に並列に介在させた平滑コンデンサによる平滑部３３が設けられている。

モータ６には、モータロータの角度を検出するモータ角度検出器３６が設けられている。また、図２に示すように、車輪用軸受４またはこの車輪用軸受４を支持するナックル（図示せず）等の支持部材に、車輪２の回転を検出する車輪回転数検出器２４が設けられている。車輪回転数検出器２４は、アンチロックブレーキシステム（図示せず）に用いられるため、ＡＢＳセンサと呼ぶ場合がある。

図２，図３におけるインバータ装置２２のモータコントロール部２９は、図５に示す構成とされている。モータコントロール部２９は、モータ６に設けられたモータ角度検出器３６の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御を行う基本駆動制御部３８を有しており、モータコントロール部２９はベクトル制御を行う。ベクトル制御は、トルク電流と磁束電流とに分け、各々を独立に制御することで、高速応答および高精度制御を実現する制御方式である。図６は、図５から基本駆動制御部３８を抽出して他を省略した図である。

図６において、基本駆動制御部３８は、電流指令演算部３９、トルク電流制御部４０、磁束電流制御部４１、αβ座標変換部４２、２相／３相座標変換部４３、検出側の３相／２相座標変換部４４、および回転座標変換部４５を有する。

電流指令演算部３９は、同図中に内部構成をブロックで示すように、トルク電流指令部３９ａおよび磁束電流設定部３９ｂを有する。トルク電流指令部３９ａは、上位制御手段から与えられたトルク指令値に従い、トルク電流の指令値Ｉqrefを出力する手段である。上位制御手段は、ＥＣＵ２１であり、図１のようにＥＣＵ２１がトルク配分手段４８を有する場合は、トルク配分手段４８である。この上位制御手段から与えられるトルク指令は、アクセル開度およびブレーキの制動指令等により演算されるトルク指令値である。磁束電流設定部３９ｂは、磁束電流の定められた指令値Ｉdrefを出力する手段である。磁束電流の指令値Ｉdrefは、モータ６の特性等に応じて適宜設定されるが、通常は「０」とされる。トルク電流は、以下「ｑ軸電流」と称す。また、磁束電流は、以下「ｄ軸電流」と称す。電圧についても、トルク電圧は「ｑ軸電圧」と、磁束電圧は「ｄ軸電圧」と称す。なお、ｑ軸とはモータ回転方向の軸であり、ｄ軸はｑ軸に直交する方向の軸である。磁束電流は励磁電流とも呼ばれる。

トルク電流制御部４０は、電流指令演算部３９から与えられるｑ軸電流指令値Ｉqrefに対して、モータ６の駆動電流を検出する電流検出手段３５の検出値から、３相／２相座標変換部４４および回転座標変換部４５を介して得られるｑ軸電流検出値Ｉｑが追随するように制御する手段であり、出力としてｑ軸電圧指令値Ｖｑを出力する。
トルク電流制御部４０は、ｑ軸電流検出値Ｉｑを減算する減算部４０ｂと、減算部４０ｂの出力に対して定められた演算処理を行う演算処理部４０ａとでなる。演算処理部４０ａは、この例では比例積分処理を行う。

磁束電流制御部４１は、電流指令演算部３９から与えられるｄ軸電流指令値Ｉｄrefに対して、モータ６の駆動電流を検出する電流検出手段３５の検出値から、３相／２相座標変換部４４および回転座標変換部４５を介して得られるｄ軸電流検出値Ｉｄが追随するように制御する手段であり、出力としてｄ軸電圧指令値Ｖｄを出力する。
磁束電流制御部４１ａは、ｄ軸電流検出値Ｉｄを減算する減算部４１ｂと、減算部４１ｂの出力に対して定められた演算処理を行う演算処理部４１ａとなる。演算処理部４１ａは、この例では比例積分処理を行う。

前記３相／２相座標変換部４４は、モータ６のＵ相，Ｖ相，Ｗ相を流れる電流のうち、２つ、または３つの相の電流、例えばＵ相の電流Ｉｕと、Ｖ相の電流Ｉｖの検出値を、静止直交２相座標成分の実電流（α軸上の実電流、およびβ軸上の実電流）の検出値Ｉα，Ｉβに変換する手段である。
回転座標変換部４５は、モータ角度検出器３６で検出されたモータロータ角度θａに基づき、前記静止直交２相座標成分の実電流の検出値Ｉα，Ｉβを、ｑ，ｄ軸上の検出値Ｉq ，Ｉd に変換する手段である。

αβ座標変換部４２は、ｑ軸電圧指令値Ｖq およびｄ軸電圧指令値Ｖd を、モータ角度検出器３６で検出されたモータロータ角度θ、つまりモータロータ位相に基づき、固定２相座標成分の実電圧の指令値Ｖα，Ｖβに変換する手段である。
２相／３相変換部４３は、αβ座標変換部４２の出力する実電圧の指令値Ｖα，Ｖβを、モータ６のＵ相，Ｖ相，Ｗ相を制御する３相交流の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する手段である。

パワー回路部２８は、上記のようにして基本駆動制御部３８の２相／３相変換部４３から出力される電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを電力変換してモータ駆動電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを出力する。

この実施形態は、上記構成の基本駆動制御部３８を備えたモータ駆動装置２０において、図５のように、センサレス角度検出手段４６と、センサ故障判別センサ切替部４７とを設けたものである。センサレス角度検出手段４６は、モータロータの角度の推測をセンサレスで行う手段であり、位相推定部４６ａと、比較部４６ｂと、補正量記憶・補正値演算部４６ｃとでなる。センサ故障判別センサ切替部４７は、モータ角度検出器３６の故障を判別するセンサ故障判別手段４８と、このセンサ故障判別手段４８が故障と判別した場合に、前記基本駆動制御部３８による制御を、モータ角度検出器３６による角度検出値に代えて、センサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度を用いて行わせるセンサ切替え手段４９とでなる。
なお、図７は、センサレス角度検出手段４６を用いて制御を行う様子を示しており、分かり易くするために、図５から、センサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度を用いて制御する場合に使用される各手段を残し、他の手段を省いてある。

図５において、センサ故障判別手段４８は、例えば、一定時間におけるモータ角度検出器３６の角度検出値の変化量から、故障か否かを判断するものとされる。一定時間におけるモータ角度検出器３６の角度検出値の変化量は、ある程度定まった範囲にあるため、変化量が極端に大きくなった場合は、モータ角度検出器３６の故障と考えられる。したがって、適宜の閾値や範囲を設定し、上記変化量が閾値や範囲を超えた場合に故障と判定しても良い。前記「一定時間」は、適宜設計すれば良い。
センサ故障判別手段４８は、この他に、モータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefとモータ電流Ｉｑ，Ｉｄの差から、異常か否かを判断するものであっても良い。比較するモータ電流指令は、例えば電流指令演算部３９から出力されるモータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefである。また、比較するモータ電流は、検出された電流値をモータ電流指令と同じｑ軸電流およびｄ軸電流に座標変換した値である。モータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefとモータ電流Ｉｑ，Ｉｄとの差は、ある程度定まった範囲にあるため、これも、適宜の閾値等を設定し、前記の差が閾値を超えた場合に故障と判定しても良い。この場合、アクセル動作を監視し、アクセル動作によってモータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefが大きく変化する場合を判別してもよい。
センサ故障判別手段４８は、さらに、上記角度検出値の変化量と、モータ電流指令Ｉqref，Ｉdrefとモータ電流Ｉｑ，Ｉｄの差との両方から判断するものであっても良い。両方を用いて判別するようにすると、前記各閾値を小さく設定しても、確実な故障判別が行えて、早期の故障判別が行える。

センサ切替え手段４９は、センサ故障判別手段４８が故障と判別した場合に、モータ角度検出器３６の検出値に代えて、センサレス角度検出手段４６の位相推定部４６ａから出力されるモータロータ角度の推定値を、電流指令演算部３９およびαβ座標変換部４２に入力する。

センサレス角度検出手段４６は、基本駆動制御部３８でモータが駆動されている間は、常に、モータロータの角度の推測の動作を行い、モータロータの角度の推測値をモータ角度検出器３６の角度検出値と比較して補正する。この実施形態では、センサレス角度検出手段４６を、位相推定部４６ａと、比較部４６ｂと、補正量記憶・補正部４６とで構成し、補正を行うようにする。

位相推定部４６ａは、例えばモータ等価回路方程式

となり、上式から位置推定をおこなう。
ここで、Ｒは電気子巻線抵抗値、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンス、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数を示し、Ｒ、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ、Ｋ_Ｅは既知、Ｉα、Ｉβは検出値、Ｖα、Ｖβはベクトル制御時の演算値であり位置推定時は既知であるため、位置推定が可能である。
また、ｄ-ｑ座標系のモータ等価回路方程式で演算し、速度を求め、速度を積分することで位置を推定してもよい。位相推定部４６ａは、基本駆動制御部３８でモータ６が駆動されている間は、常にモータロータの角度の推測の動作を行う。

比較部４６ｂは、前記位相推定部４６ａの出力するモータロータ角度の推定値 estθと、モータ角度検出器３６の角度検出値θと比較し、その比較結果となる差をerrθとして出力する。
補正量記憶・補正部４６ｃは、比較部４６ｂの出力となる誤差 errθを最小にするように、モータの各パラメータの調整、もしくは直接位置推定値にオフセットを付加する。モータ角度検出器３６から得られる回転数と、基本駆動制御部３８の生成する電流指令Ｉqref，Ｉdrefとのいずれか一方または両方を記憶し、この値に対して、モータパラメータの調整値、もしくは位置推定値のオフセット値を記憶する。この記憶した補正値を基に、車輪回転数検出器２４（図２）または、回転数演算部１０１から得られる回転数と、基本駆動制御部３８の生成する電流指令Ｉqref，Ｉdrefとのいずれか一方または両方から、定められた規則に従って補正量を決定し、位相推定部４６ａの出力するモータロータ角度 estθの補正を行う。具体的には、モータロータ角度の推定を行うために位相推定部４６ａで記憶しておくモータ電流の検出値Ｉα，Ｉβとモータロータの角度の関係、またはモータ電流の検出値Ｉα，Ｉβとモータ電圧の指令値Ｖα，Ｖβの比較結果とモータロータの角度との関係を補正する。

なお、モータコントロール部２９には、上記の各手段の他に、位相推定部４６ａの出力するモータロータ角度の推定値 estθから、モータの回転数を演算して出力する回転数演算部１０１が設けられている。
回転数は、車輪回転数検出器２４の出力、または回転数演算部１０１の出力によって補正量記憶部４６Ｃの補正量を決定する。特に車輪回転数検出器２４が無い場合は、回転数演算部１０１の演算結果を使用する。センサレスの場合、絶対角度推定で誤差が発生する可能性があるものの、回転数の推定精度は高く、センサレスの回転数演算出力を使用することは問題ない。

上記構成のモータ駆動装置２０によると、通常では図６に示すように、モータ角度検出器３６の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御が基本駆動制御部３８により行われ、効率の良いモータ駆動が行われる。モータ角度検出器３６の故障は、センサ故障判別手段４８により監視され、判別される。センサ故障判別手段４８による故障の判別は、モータ角度検出器３６の配線系を含めて行うようにしても、モータ角度検出器３６のみにつき行うようにしても良い。

センサ故障判別手段４８により故障と判別されると、センサ切替え手段４９は、基本駆動制御部３８による制御を、モータ角度検出器３６による角度検出値に代えて、図７，図８（Ａ）のようにセンサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度を用いて行わせる。すなわち、センサレス角度検出手段４６の位相推定部４６ａの推定したモータロータ角度を、電流指令演算部３９およびαβ座標変換部４２に入力する。そのため、モータ角度検出器３６に故障が生じても、基本駆動制御部３８を用いた磁極位置に応じた制御を行うことができる。

そのため、各車輪２を個別に駆動するモータ６を備えたインホイールモータ形式等の電気自動車において、走行中にモータ角度検出器３６の故障が生じても、トルクバランスの崩れを回避し、スリップやスキッドの発生を防止することができる。センサレス角度検出手段４６の出力するモータロータ角度は、モータ角度検出器３６による角度検出値に比べて、精度や信頼性が十分でない場合があるが、修理工場等の車両の修理場所や、道路脇の安全な退避場所等への自力走行が可能となる。

前記モータ６は、この実施形態では、減速機７を有するインホイールモータ装置８を構成しているが、減速機７を介在させる場合、モータ６が高速回転となるため、センサレス角度検出手段４６によるモータロータ角度の推測値を用いて制御することが、より効果的となる。また、前記減速機７がサイクロイド減速機である場合、円滑な動作で高減速比が得られるが、高減速比のため、モータ６がより高速回転となる。そのため、センサレス角度検出手段４６によるモータロータ角度の推測値を用いて制御することが、より効果的となる。

センサレス角度検出手段４６は、基本駆動制御部３８でモータが駆動されている間は、図８（Ｂ）に示すように、常に、モータロータの角度の推測の動作を行い、モータロータの角度の推測値を前記モータ角度検出器３６の角度検出値と比較して補正する。このように、モータ角度検出器３６が正常な間に、その角度検出値で、センサレス角度検出手段４６の角度の推測値を補正しておくことで、センサレス角度推測４６を精度良く行うことができる。上記の「常に…補正する」とは、必ずしも連続して比較、補正を行わなくても良く、定期的に補正を行うようにしても良い。

前記センサレス角度検出手段４６は、上記のように、位相推定部４６ａと、この位相推定部４６ａの出力する推定値を前記モータ角度検出器３６の角度検出値と比較する比較部４６ｂと、補正量記憶・補正部４６ｃとを有する。補正量記憶・補正部４６ｃは、比較部４６ｂの比較結果から誤差 errθを最小にするように、モータの各パラメータの調整、もしくは比較結果に応じた位置推定値のオフセット量を求め、それを記憶し（図８（Ｃ））、推定したモータロータの角度を、記憶された補正値を用いて補正し、基本駆動制御部３８の駆動に用いる。詳しくは、前記の記憶した補正値を基に、車輪回転数検出器２４または、回転数演算部１０１から得られる回転数と前記基本駆動制御部３８の生成する電流指令のいずれか一方または両方から、前記補正量を決定し補正を行う。このため、精度の良いセンサレス角度推測を行うことができる。

なお、上記実施形態において、センサ故障判別手段４８により故障と判別され、センサレス角度検出手段４６を用いるようにした場合、その旨をＥＣＵ２１に報告する手段（図示せず）を設けることが好ましい。また、ＥＣＵ２１は、モータ角度検出器３６が故障してセンサレス角度検出手段４６を用いている旨を運転車に知らせる情報を、コンソールの液晶表示装置やランプ（図示せず）等で知らせるようにすることが好ましい。

図９は、この発明の他の実施形態におけるモータコントール部２９の構成を示す。この実施形態は、図１〜図８に示した第１の実施形態において、始動時ロータ角度割出手段１０２を設けたものである。始動時ロータ角度割出手段１０２は、センサ故障判別手段４８で故障と判別された状態で、モータ停止後にモータ６を始動するときに、モータ６の逆起電圧からモータロータの角度を割り出し、その割り出した角度で基本駆動制御部３８による制御を行わせる手段である。モータ６の逆起電圧は、インバータ３１とモータ６間の配線に設けた電圧検出手段１０３により検出する。始動時ロータ角度割出手段１０２の割り出したモータロータの角度は、センサレス角度検出手段４６の推定した出力およびモータ角度検出器３６の検出値に代えて、電流指令演算部３９、αβ座標変換部４２および回転座標変換部４５に入力する。

なお、始動時ロータ角度割出手段１０２の割り出した角度で基本駆動制御部３８を制御するのは、始動時の定められた時間またモータ回転角度までとし、それ以降はセンサレス角度検出手段４６の推定した出力を用いる。また、ＥＣＵ２１には、センサ故障判別手段４８で故障と判別された状態で、走行停止した後であっても、トルク配分手段４８（図１）等から、各モータ６のインバータ装置２へトルク指令を与えるようにする。

この実施形態の場合、次の利点が得られる。基本駆動制御部３８は、角度検出値に従って磁極位置に応じた制御をするため、角度が不明であるとモータ６を始動させることができない。センサレス角度検出手段４６も、停止後の起動時には用いることができない。そのため、停止した場合、直ぐにはモータ６を起動できないが、２つ以上のモータ６を有する電気自動車では、健在なモータ６を用いて一応の走行が行える。走行させると、センサ故障の生じたモータ６が車輪２の回転につられて回転する。この時のモータ６の逆起電力を検出することで、磁極位置を検出することができる。電気角の１回転で磁極位置を検出できるため、例えば、タイヤ２ａが数分の１回転した時点で、逆起電力による角度検出が可能となり、モータ６を駆動させることができる。この実施形態におけるその他の構成効果、第１の実施形態と同様である。

次に、図１０〜図１３と共に、前記各実施形態におけるインホイールモータ装置８の具体例を示す。このインホイールモータ装置８は、車輪用軸受４とモータ６との間に減速機７を介在させ、車輪用軸受４で支持される駆動輪２のハブとモータ６の回転出力軸７４とを同軸心上で連結してある。減速機７は、サイクロイド減速機であって、モータ６の回転出力軸７４に同軸に連結される回転入力軸８２に偏心部８２ａ，８２ｂを形成し、偏心部８２ａ，８２ｂにそれぞれ軸受８５を介して曲線板８４ａ，８４ｂを装着し、曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を車輪用軸受４へ回転運動として伝達する構成である。なお、この明細書において、車両に取り付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

車輪用軸受４は、内周に複列の転走面５３を形成した外方部材５１と、これら各転走面５３に対向する転走面５４を外周に形成した内方部材５２と、これら外方部材５１および内方部材５２の転走面５３，５４間に介在した複列の転動体５５とで構成される。内方部材５２は、駆動輪を取り付けるハブを兼用する。この車輪用軸受４は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、転動体５５はボールからなり、各列毎に保持器５６で保持されている。上記転走面５３，５４は断面円弧状であり、各転走面５３，５４は接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材５１と内方部材５２との間の軸受空間のアウトボード側端は、シール部材５７でシールされている。

外方部材５１は静止側軌道輪となるものであって、減速機７のアウトボード側のハウジング８３ｂに取り付けるフランジ５１ａを有し、全体が一体の部品とされている。フランジ５１ａには、周方向の複数箇所にボルト挿通孔６４が設けられている。また、ハウジング８３ｂには，ボルト挿通孔６４に対応する位置に、内周にねじが切られたボルト螺着孔９４が設けられている。ボルト挿通孔９４に挿通した取付ボルト６５をボルト螺着孔９４に螺着させることにより、外方部材５１がハウジング８３ｂに取り付けられる。

内方部材５２は回転側軌道輪となるものであって、車輪取付用のハブフランジ５９ａを有するアウトボード側材５９と、このアウトボード側材５９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材５９に一体化されたインボード側材６０とでなる。これらアウトボード側材５９およびインボード側材６０に、前記各列の転走面５４が形成されている。インボード側材６０の中心には貫通孔６１が設けられている。ハブフランジ５９ａには、周方向複数箇所にハブボルト６６の圧入孔６７が設けられている。アウトボード側材５９のハブフランジ５９ａの根元部付近には、駆動輪および制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部６３がアウトボード側に突出している。このパイロット部６３の内周には、前記貫通孔６１のアウトボード側端を塞ぐキャップ６８が取り付けられている。

減速機７は、上記したようにサイクロイド減速機であり、図１２のように外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板８４ａ，８４ｂが、それぞれ軸受８５を介して回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着してある。これら各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を外周側で案内する複数の外ピン８６を、それぞれハウジング８３ｂに差し渡して設け、内方部材２のインボード側材６０に取り付けた複数の内ピン８８を、各曲線板８４ａ，８４ｂの内部に設けられた複数の円形の貫通孔８９に挿入状態に係合させてある。回転入力軸８２は、モータ６の回転出力軸７４とスプライン結合されて一体に回転する。なお、回転入力軸８２はインボード側のハウジング８３ａと内方部材５２のインボード側材６０の内径面とに２つの軸受９０で両持ち支持されている。

モータ６の回転出力軸７４が回転すると、これと一体回転する回転入力軸８２に取り付けられた各曲線板８４ａ，８４ｂが偏心運動を行う。この各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動が、内ピン８８と貫通孔８９との係合によって、内方部材５２に回転運動として伝達される。回転出力軸７４の回転に対して内方部材５２の回転は減速されたものとなる。例えば、１段のサイクロイド減速機で１／１０以上の減速比を得ることができる。

前記２枚の曲線板８４ａ，８４ｂは、互いに偏心運動が打ち消されるように１８０°位相をずらして回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着され、各偏心部８２ａ，８２ｂの両側には、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動による振動を打ち消すように、各偏心部８２ａ，８２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させたカウンターウエイト９１が装着されている。

図１２に拡大して示すように、前記各外ピン８６と内ピン８８には軸受９２，９３が装着され、これらの軸受９２，９３の外輪９２ａ，９３ａが、それぞれ各曲線板８４ａ，８４ｂの外周と各貫通孔８９の内周とに転接するようになっている。したがって、外ピン８６と各曲線板８４ａ，８４ｂの外周との接触抵抗、および内ピン８８と各貫通孔８９の内周との接触抵抗を低減し、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動をスムーズに内方部材５２に回転運動として伝達することができる。

図１０において、モータ６は、円筒状のモータハウジング７２に固定したモータステータ７３と、回転出力軸７４に取り付けたモータロータ７５との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型のＩＰＭモータである。回転出力軸７４は、減速機７のインボード側のハウジング８３ａの筒部に２つの軸受７６で片持ち支持されている。

モータステータ７３は、軟質磁性体からなるステータコア部７７とコイル７８とでなる。ステータコア部７７は、その外周面がモータハウジング７２の内周面に嵌合して、モータハウジング７２に保持されている。モータロータ７５は、モータステータ７３と同心に回転出力軸７４に外嵌するロータコア部７９と、このロータコア部７９に内蔵される複数の永久磁石８０とでなる。

モータ６には、モータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度を検出する角度センサ３６が設けられる。角度センサ３６は、モータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度を表す信号を検出して出力する角度センサ本体７０と、この角度センサ本体７０の出力する信号から角度を演算する角度演算回路７１とを有する。角度センサ本体７０は、回転出力軸７４の外周面に設けられる被検出部７０ａと、モータハウジング７２に設けられ前記被検出部７０ａに例えば径方向に対向して近接配置される検出部７０ｂとでなる。被検出部７０ａと検出部７０ｂは軸方向に対向して近接配置されるものであっても良い。ここでは、各角度センサ３６として、磁気エンコーダまたはレゾルバが用いられる。モータ６の回転制御は上記モータコントロール部２９（図２，５，８）により行われる。なお、インホイールモータ装置８のモータ電流の配線や各種センサ系，指令系の配線は、モータハウジング７２等に設けられたコネクタ９９により纏めて行われる。

図１３は、図１，図２の車輪回転数検出器２４の一例を示す。この車輪回転数検出器２４は、車輪用軸受４における内方部材５２の外周に設けられた磁気エンコーダ２４ａと、この磁気エンコーダ２４ａに対向して外方部材５１に設けられた磁気センサ２４ｂとでなる。磁気エンコーダ２４ａは、円周方向に磁極Ｎ，Ｓを交互に着磁したリング状の部材である。この例では、回転センサ２４は両列の転動体５５，５５間に配置しているが、車輪用軸受４の端部に設置しても良い。

なお、上記各実施形態では、後輪の２輪を個別にモータ駆動する駆動輪とした４輪の電気自動車に適用した場合につき説明したが、この発明のモータ駆動装置を適用する電気自動車は、前輪の２輪をそれぞれ個別にモータ駆動するものや、４輪ともモータ駆動するも、あるいは１台のモータで駆動する電気自動車にも適用することができる。

１…車体
２，３…車輪
４…車輪用軸受
６…モータ
７…減速機
８…インホイールモータ装置
２０…モータ駆動装置
２１…ＥＣＵ
２２…インバータ装置
２４…車輪回転数検出器
２８…パワータ回路部
２９…モータコントロール部
３１…インバータ
３２…ＰＷＭドライバ
３６…モータ角度検出器
３５…電流検出手段
３８…基本駆動制御部
３９…指令電流演算部
４６…センサレス角度検出手段
４６ａ…位相推定部
４６ｂ…比較部
４６ｃ…補正量記憶・補正部
４７…センサ故障判別センサ切替部
４８…センサ故障判別手段
４９…センサ切替え手段
１０２…始動時ロータ角度割出手段
１０３…電圧検出手段

Claims

電気自動車の車輪駆動用のモータを、このモータに設けられたモータ角度検出器の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御をする基本駆動制御部を備えたモータ駆動装置において、
前記モータロータの角度の推測をセンサレスで行うセンサレス角度検出手段と、前記モータ角度検出器の故障を判別するセンサ故障判別手段と、このセンサ故障判別手段が故障と判別した場合に、前記基本駆動制御部による制御を、前記モータ角度検出器による角度検出値に代えて、前記センサレス角度検出手段の出力するモータロータ角度を用いて行わせるセンサ切替え手段とを設けたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１において、前記センサ故障判別手段は、一定時間における前記モータ角度検出器の角度検出値の変化量、またはモータ電流指令とモータ電流の差、またはこれら角度検出値の変化量と、モータ電流指令とモータ電流の差との両方から判断するモータ駆動装置。
請求項１または請求項２において、前記センサレス角度検出手段は、前記基本駆動制御部でモータが駆動されている間は、常に、モータロータの角度の推測の動作を行い、モータロータの角度の推測値を前記モータ角度検出器の角度検出値と比較して補正するモータ駆動装置。
請求項３において、前記センサレス角度検出手段は、前記基本駆動制御部でモータが駆動されている間は、常に、モータロータの角度の推測の動作を行う位相推定部と、この位相推定部の出力する推定値を前記モータ角度検出器の角度検出値と比較する比較部と、この比較結果となる補正値を記憶し、この記憶した補正値を基に、車輪回転数検出器もしくは回転数演算部から得られる回転数と前記基本駆動制御部の生成する電流指令のいずれか一方または両方から、前記補正量を決定し補正を行う補正量記憶・補正部とを有するモータ駆動装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記センサ故障判別手段で故障と判別された状態で、モータ停止後にモータを始動するときに、モータの逆起電圧からモータロータの角度を割り出し、その割り出した角度で前記基本駆動制御部による制御を行わせる始動時ロータ角度割出手段を設けたモータ駆動装置。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記モータは、各モータがそれぞれ一つの車輪を駆動する電気自動車におけるモータであるモータ駆動装置。
請求項６において、前記モータは、車輪に近接して取付けられるインホイールモータ装置を構成するモータであるモータ駆動装置。
請求項７において、前記インホイールモータ装置は、車輪用軸受と、前記モータと、このモータと車輪用軸受の間に介在した減速機とを有するモータ駆動装置。
請求項８において、前記減速機はサイクロイド減速機であるモータ駆動装置。
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のモータ駆動装置を搭載した電気自動車。