JP2013121311A - 環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ回転子の位置情報が欠落した時、現在のモータ回転子の位置を正確に補償することにより、ハイブリッド機能と電気自動車の駆動性に対する信頼性を確保できる環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法を提供する。
【解決手段】補償前のモータの現在位置角を現在モータ位置角に設定する段階と、ＲＤＣ出力による現在サンプリングと前回サンプリングとのモータ位置の変位量と、前回サンプリングと前々回サンプリングとのモータ位置の変位量を求める段階と、位置変位量の差として表現される変数を算出する段階と、算出された変数を補正変数と比較して補償するか否かを判断する段階と、補償用モータの現在位置角が算出される段階と、モータ回転子の位置情報欠落が、算出された補償用モータの現在位置角により補償される段階と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法に係り、より詳しくは、ＲＤＣの異常なＡＤ変換誤りによりモータの回転子位置角及び速度観測の誤差が発生することを防止できる環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法に関する。

環境に優しい車両のハイブリット自動車、電気自動車、及び水素燃料電池自動車には、通常、電気エネルギーを駆動エネルギーに変換する駆動モータと、駆動モータを制御するインバータが搭載される。
図４は、環境に優しい車両用インバータシステムの構成図である。
図４に示したとおり、インバータ１００は、バッテリー１１０と永久磁石同期モータ１２０（ＩＰＭＳＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）との間に電気的エネルギーを伝達するパワーモジュール（ＩＧＢＴ）１０１と、インバータの動作による直流電圧のリップル成分を吸収してバッテリーにリップル成分が伝達されないようにする直流端キャパシタ１０２と、インバータの直流電圧、すなわち直流キャパシタの両端電圧を測定してインバータの制御に用いる直流端電圧センサ１０３と、直流端電圧センサ１０３の出力を処理してアナログ／デジタル転換器に入力可能な大きさの範囲に調整すると共に、ノイズなどにより電圧測定誤差が発生しないようにする直流端電圧センシング回路１０４と、インバータの交流電流を測定してインバータの制御に用いる電流センサ１０５と、電流センサモジュール内の電流センサ出力を処理してＡ／Ｄ転換器に入力可能な大きさの範囲に調整すると共に、ノイズなどにより電流測定誤差が発生しないようにする電流センシング回路１０６と、インバータ制御ソフトウェアが搭載されており、測定された物理量を用いてインバータの動作を総括制御するＣＰＵ１０７と、各回路及びＣＰＵなど、インバータの制御に用いられる部品が装着されている制御／ゲートボード１０８と、を含んで構成される。
特に、同期モータ１２０には、モータの速度と回転子の角度を検出するためのレゾルバ１２２が使用されているが、このレゾルバのセンシング及び故障検出はモータの制御において大変重要な要素である（例えば、特許文献１〜３参照）。

図５はモータの速度及び回転子角度を検出するレゾルバの信号伝達構成を説明する概略図である。
現在、レゾルバの故障発生判断方法は、図５に示したとおり、レゾルバ１２２の入力信号（励磁信号、ＥＸＴ＋、ＥＸＴ−）または出力信号（速度センシングのための基本信号、Ｓ１−Ｓ３、Ｓ２−Ｓ４）に異常が発生した場合、ＲＤＣ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１２４を通してフォールト（ＦＡＵＬＴ）信号が発生する。次いで、レゾルバ１２２の速度センシングに異常が発生した場合、ＣＰＵ１０７に伝達するデジタル信号であるフォールト信号がモータ制御器などのＣＰＵに入力されることにより、レゾルバが故障状態であることを判断する。
しかしながら、モータの高温化、低速最大トルク運転、及び過変調技法の使用等により電圧の余裕が減少した状況においては、ＲＤＣが異常なＡＤ変換の誤りを発生させ、モータの制御に用いられるモータの回転子位置角及び速度観測の誤差を誘発する。
そのため、レゾルバの位置情報欠落によりモータの温度が上昇すると共に、モータ電流制御性の低下及びモータ過電流の発生などを引き起こし、ハイブリッド自動車のハイブリッド機能の不能、そして電気自動車及びハイブリッド自動車の駆動不能が発生する恐れがある。

特開２０００−２０５００２号公報 特開２００８−２５９３４７号公報 特開２０１１−０４１３４２号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、モータ回転子の位置情報が欠落した時、現在のモータ回転子の位置を正確に補償することにより、ハイブリッド機能と電気自動車の駆動性に対する信頼性を確保できる環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法は、補償前のモータの現在位置角（θ_{ｎ，ＯＲＧ}）を現在モータ位置角（θ_ｎ）に設定する段階と、ＲＤＣ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）出力による現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ）と、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ−１）を求める段階と、現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）との位置変位量（Δθ_ｎ）と、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）との位置変位量（Δθ_ｎ−１）との間の差として表現される変数（Ａ）を算出する段階と、算出された変数（Ａ）を補正変数（Ｋ）と比較して補償するか否かを判断する段階と、補償用モータの現在位置角（θ_ｎ）が算出される段階と、モータ回転子の位置情報欠落が、算出された補償用モータの現在位置角（θ_ｎ）により補償される段階と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ＲＤＣのＡＤコンバージョンエラーまたはノイズにより回転子の位置情報が欠落した時、本発明の補償方法により現在のモータ回転子の位置を正確に推定することにより、モータの電流及びトルク制御性能を確保することができる。
また、本発明の補償方法を適用した場合、モータ／インバータシステムの安定性及びハイブリッド機能と電気自動車の駆動性に対する信頼性を確保することができ、レゾルバ信号の信頼性を確保するための諸費用の低減をすることができる。

本発明による環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法を説明するフローチャートである。 本発明による環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法の適用前のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明による環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法の適用後のシミュレーション結果を示す波形図である。 環境に優しい車両用インバータシステムの構成図である。 モータの速度及び回転子角度を検出するレゾルバの信号伝達構成を説明する概略図である。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。
先ずレゾルバの構成及び役割を簡略に説明する。
ハイブリッド及び電気自動車両のモータを制御するためには、モータ回転子の位置を正確に把握しなければならない。すなわち、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）または純粋の電気自動車（ＥＶ）に使用される同期電動機や誘導電動機のベクトル制御のためには、電動機のフラックス（Ｆｌｕｘ）位置に同期して座標計を設定しなければならず、このために電動機の回転子に対する絶対位置を読み取る必要がある。従って、回転子の絶対位置（回転角の角度）を検出するためにレゾルバを使用する。
このように、レゾルバを使用して回転子の各相を正確にセンシングして、そのセンシング値を整流する同期整流部と、同期整流された電圧を所望する発振周波数を出力するＶＣＯ（電圧制御発振器）などを含むＲＤＣからＣＰＵに転送することで、ＨＥＶとＥＶに必要な正確なモータ速度制御とトルク制御を行うことができる。

このような役割をするレゾルバの出力信号である差動信号（Ｓ１−Ｓ３、Ｓ２−Ｓ４）は正常な状況で１０ｋＨｚ周波数を有し、１Ｖ〜４Ｖの間のＡＣ電圧値を示す。しかしながら、この範囲から外れる場合、すなわち、レゾルバの入力信号（励磁信号、ＥＸＴ＋、ＥＸＴ−）または出力信号（速度センシングのための基本信号、Ｓ１−Ｓ３、Ｓ２−Ｓ４）に異常が発生した場合には、ＲＤＣ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を通してフォールト（ＦＡＵＬＴ）信号が発生され、ＣＰＵに伝達されるデジタル信号がフォールト信号としてＣＰＵに入力されることによって、ＣＰＵはレゾルバが故障状態であると判断する。
本発明は、ＲＤＣのＡＤコンバージョンエラーまたはノイズによりモータ回転子の位置情報が欠落した時、前回サンプリングのモータの速度及び回転子の位置情報から現在回転子の位置情報を推定することで、ハイブリッド機能と電気自動車の駆動性に対する信頼性を確保する点に主眼点がある。

図１は、本発明による環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法を説明するフローチャートである。本発明による環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法を図１を参照して説明する。
先ず、補償用モータの現在位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）を求めるために、補償前のモータの現在位置角（θ_{ｎ，ＯＲＧ}）を現在モータ位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）に設定する（Ｓ１０１）。
補償用モータの現在位置角とモータの現在位置角を「θ_ｎ」と同一に表わした理由は、ソフトウェア的な流れにより両者を相異なる表現をすることができないからである。

次に、上記のとおり設定されたモータの現在位置角（θ_ｎ）に基づいて、ＲＤＣ出力による現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ［単位：ｒａｄ］）を求め、それと同時に前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ−１［単位：ｒａｄ］）を求める（Ｓ１０２）。
具体的には、現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ［単位：ｒａｄ］）は、モータの現在位置角（θ_ｎ）からモータの前回位置角（θ_ｎ−１）を差し引いて求められ、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ−１［単位：ｒａｄ］）はモータの前回位置角（θ_ｎ−１）からモータの前々回位置角（θ_ｎ−２）を差し引いて求められる。

このように、ＲＤＣから出力されるレゾルバのモータ位置角センシング信号を周期的にサンプリングし、現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ［単位：ｒａｄ］）はモータの現在位置角（θ_ｎ）からモータの前回位置角（θ_ｎ−１）を差し引いて求められ、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ−１［単位：ｒａｄ］）はモータの前回位置角（θ_ｎ−１）からモータの前々回位置角（θ_ｎ−２）を差し引いて求められる。
次に、変数（Ａ）、すなわち現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）との位置変位量（Δθ_ｎ［単位：ｒａｄ］）と、前回サンプリング（ｎ−１）と前回以前サンプリング（ｎ−２）との位置変位量（Δθ_ｎ−１［単位：ｒａｄ］）との間の差が下記の式（１）により算出される段階が行われる（Ｓ１０３）。

（式中、「｜ ｜」関数は入力の絶対値を出力する関数であり、「Ｂｏｕｎｄ２ＰＩ」関数は入力を０〜２π［単位：ｒａｄ］に制限する関数である。）

この時、変数（Ａ）は、サンプリング周期を時間とすると、時間による位置変化を示すモータ（回転子）位置の変化量Δθ_ｎ［単位：ｒａｄ］とΔθ_ｎ−１［単位：ｒａｄ］との間の差は現在サンプリング速度と前回サンプリング速度との差であると看做し、これを瞬時加速度の変化量として表現することができる。
次に、上記のように算出された変数（Ａ）を補正（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）変数（Ｋ）と比較して補償するか否かを判断する段階が行われる（Ｓ１０４）。
補正変数（Ｋ）は定数値であって、物理的な限界値を示す。
したがって、瞬時加速度の変化量、すなわち、変数（Ａ）が補正変数（Ｋ）値以上及び〔２π−Ｋ〕値以下の条件を満足すると、モータ回転子の位置に対する補償が決定される。
言い換えれば、変数（Ａ）が補正変数（Ｋ）より大きく、かつ〔２π−Ｋ〕より小さい場合、モータ回転子の位置情報が欠落したと判断し、モータ回転子の位置に対する補償が決定される。
それによって、補償用モータの現在位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）が下記の式（２）により算出される（Ｓ１０５）。

（式中、ω_rEstOldは前回サンプリングでの速度観測値（前回サンプリング速度による位置変位量）であり、Ｔ_Ｓは制御周期（ｕｓ）を示し、「Ｂｏｕｎｄ２ＰＩ」関数は補償用モータの現在位置角を０〜２π〔単位：ｒａｄ〕に制限する関数である。）

結局、補正値、すなわち、補償用モータの現在位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）は前回サンプリング位置値（θ_ｎ−１）と前回サンプリング速度による位置変位量（ω_rEstOld）との和となる。
それによって、ＲＤＣを出力する時、特定サンプリング周期でモータ回転子の位置情報欠落を、式（２）により算出された補償用モータの現在位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）により補償することで、モータの電流及びトルク制御性能を持続的に確保することができる。
より詳しくは、図２に示したとおり、ＲＤＣを出力する時、特定サンプリング周期でモータ回転子の位置情報が欠落すると共に、欠落した周期でレゾルバ異常出力指令電流（３１２Ａｐｋ）に比して過度な電流リップル（３５０Ａｐｋ）が発生する場合、図３に示したとおり、式（２）により算出された補償用モータの現在位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）により、欠落した回転子の位置情報を補償することで、モータの電流及びトルク制御性能を持続的に確保することができる。

一方、このようなＲＤＣを出力する時、特定サンプリング周期で補償用モータの現在位置角（θ_ｎ［単位：ｒａｄ］）により補償された後、次のサンプリング周期で新しいモータ回転子の位置情報が出力されるため、ソフトウェア的な流れを考慮して、前回モータの現在位置角（θ_ｎ−１）を前々回モータの現在位置角（θ_ｎ−２）に割り当てて格納する過程（Ｓ１０６）と、補償用モータの現在位置角（θ_ｎ）を前回モータの現在位置角（θ_ｎ−１）に割り当てて格納する過程及び現在サンプリング（ｎ）での速度観測値（ω_rEst［単位：ｒａｄ／ｓｅｃ］）を前回サンプリングでの速度観測値（ω_rEstOld［単位：ｒａｄ／ｓｅｃ］）に割り当てて格納する過程（Ｓ１０７）が行われる。

１００ インバータ
１０１ パワーモジュール（ＩＧＢＴ）
１０２ 直流端キャパシタ
１０３ 直流端電圧センサ
１０４ 直流端電圧センシング回路
１０５ 電流センサ
１０６ 電流センシング回路
１０７ ＣＰＵ（中央処理装置）
１０８ 制御／ゲートボード
１１０ バッテリー
１２０ 永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ、ＩＰＭモータ）
１２２ レゾルバ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ）
１２４ ＲＤＣ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
Ａ 変数（瞬時加速度の変化量）
Ｂｏｕｎｄ２ＰＩ 補償用モータの現在位置角を０〜２πに制限する関数
Ｋ 補正変数
ｎ ＲＤＣ出力による現在サンプリング
ｎ−１ ＲＤＣ出力による前回サンプリング
ｎ−２ ＲＤＣ出力による前々回サンプリング
Ｔ_Ｓ 制御周期
θ_{ｎ，ＯＲＧ} 補償前のモータの現在位置角
θ_ｎ 補償用モータの現在位置角
θ_ｎ−１ 補償用モータの前回位置角
θ_ｎ−２ 補償用モータの前々回位置角
Δθ_ｎ 現在と前回とのモータ位置の変位量
Δθ_ｎ−１ 前回と前々回とのモータ位置の変位量
ω_rEst 現在サンプリングでの速度観測値
ω_rEstOld 前回サンプリングでの速度観測値

Claims (6)

1. 補償前のモータの現在位置角（θ_{ｎ，ＯＲＧ}）を現在モータ位置角（θ_ｎ）に設定する段階と、
   ＲＤＣ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）出力による現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ）と、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）とのモータ位置（回転子位置）の変位量（Δθ_ｎ−１）を求める段階と、
   現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）との前記位置変位量（Δθ_ｎ）と、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）との前記位置変位量（Δθ_ｎ−１）との間の差として表現される変数（Ａ）を算出する段階と、
   算出された前記変数（Ａ）を補正変数（Ｋ）と比較して補償するか否かを判断する段階と、
   補償用モータの現在位置角（θ_ｎ）が算出される段階と、
   モータ回転子の位置情報欠落が、算出された補償用モータの前記現在位置角（θ_ｎ）により補償される段階と、
   を含むことを特徴とする環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法。
2. 現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）とのモータ位置（回転子位置）の前記変位量（Δθ_ｎ）は、モータの現在位置角（θ_ｎ）からモータの前回位置角（θ_ｎ−１）を差し引いて求められ、前回サンプリング（ｎ−１）と前々回サンプリング（ｎ−２）とのモータ位置（回転子位置）の前記変位量（Δθ_ｎ−１）はモータの前回位置角（θ_ｎ−１）からモータの前々回位置角（θ_ｎ−２）を差し引いて求められることを特徴とする請求項１に記載の環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法。
3. 前記変数（Ａ）は、現在サンプリング（ｎ）と前回サンプリング（ｎ−１）との速度差であることを特徴とする請求項１に記載の環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法。
4. 前記補償するか否かを判断する段階は、
   前記変数（Ａ）が、前記補正変数（Ｋ）値以上、かつ〔２π−Ｋ〕値以下の条件を満足すると、前記モータ回転子の位置に対する補償が決定されることを特徴とする請求項１に記載の環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法。
5. 前記補償用モータの現在位置角（θ_ｎ）は、前回サンプリング位置値（θ_ｎ−１）と前回サンプリング速度による位置変位量（ω_rEstOld）との和により決定されることを特徴とする請求項１に記載の環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法。
6. 前回モータの現在位置角（θ_ｎ−１）を前回以前モータの現在位置角（θ_ｎ−２）に割り当てて格納する段階と、
   前記補償用モータの現在位置角（θ_ｎ）を前回モータの現在位置角（θ_ｎ−１）に割り当てて格納すると共に、現在サンプリング（ｎ）での速度観測値（ω_rEst）を前回サンプリングでの速度観測値（ω_rEstOld）に割り当てて格納する段階と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の環境に優しい車両用レゾルバの異常出力補償方法。

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