JP2015033300A - インバータ制御交流モータの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ制御される交流モータの異常診断精度を高める。【解決手段】異常診断装置は電動モータ１の電気角速度を検出し、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値またはｄ軸及びｑ軸電流指令値と電動モータの電気角速度とから電動モータ１の制御システムの規範応答を算出する。異常診断装置は規範応答に基づき電動モータ１の推定消費電力を算出し、電動モータ１の実消費電力と推定消費電力との差に基づき、電動モータ１への電力供給に異常が発生したかどうかを判定する。【選択図】図１

Description

この発明は、インバータに制御される交流モータの異常診断に関する。

特許文献１は、電動車両用のインバータ制御される交流モータの異常を、インバータの実消費電力と推定消費電力との差に基づき診断することを教えている。実消費電力は、インバータに入力する直流電圧及び直流電流から求められる。

推定消費電力は次のようにして求める。すなわち、交流モータの回転数と目標トルク値に対応する消費電力のマップを予め作成しておき、コントローラに格納しておく。コントローラは車両のアクセルペダル開度や車輪速などから交流モータの目標トルクを算出する。一方、回転数センサにより交流モータの回転速度を検出する。得られた交流モータの目標トルクと回転数からマップを参照して推定消費電力を求める。

そして、求めた推定消費電力と実消費電力との差が所定値を上回ると交流モータに異常があると判定している。

特開２００９−２０７３１５号公報

従来技術によれば、交流モータの各相の電流を検出することなく、異常を検出することができる。

しかしながら、従来技術による異常検出装置において、推定消費電力のマップは交流モータが定常状態で運転されている場合の実験結果に基づき作成されている。言い換えれば、交流モータが過渡状態にある場合には、定常状態の推定消費電力と過渡状態の実消費電力との差に基づき異常の有無を診断することになる。

ところで、過渡状態において交流モータの消費電力は大きく変動し、推定消費電力の変化と実消費電力の変化との間に遅れが生じる場合がある。その結果、推定消費電力と実消費電力との差が一時的に増大し、所定値を上回ることで、交流モータに異常があると誤診断される可能性がある。

また、ハイブリッド駆動電気車両の駆動／発電用交流モータにおいては、エンジン始動時の回転数制御のため、駆動レスポンス向上のため、及び車両振動の低減を図る制振制御のために、交流モータの出力トルクが頻繁に変化する。こうした状況においても、交流モータの異常診断は誤りなく確実に行なわなければならない。

この発明の目的は、したがって、インバータ制御される交流モータの異常検出精度を高めることである。

以上の目的を達成すべく、この発明は、インバータを介して制御される交流モータのためのインバータ制御交流モータの異常診断装置を提供する。異常診断装置は、交流モータのｄ軸及びｑ軸の電流値を検出する手段と、交流モータのｄ軸及びｑ軸の電圧指令値を計算する手段と、ｄ軸及びｑ軸の電流値とｄ軸及びｑ軸の電圧指令値とから、交流モータの消費電力を算出する手段と、交流モータの電気角速度を検出する手段と、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値またはｄ軸及びｑ軸電流指令値と電気角速度とから交流モータの制御システムの規範応答を算出する手段と、規範応答に基づき電力推定値を算出する手段と、交流モータの実消費電力を算出する手段と、実消費電力と消費電力推定値との差に基づき、交流モータに異常が発生したと診断する診断手段と、を備えている。

消費電力推定値を制御システムの規範応答に基づき推定するので、交流モータの過渡状態において算出される推定消費電力は同じ過渡状態における実消費電力に対して高い相似性をもつ。このようにして算出された交流モータの推定消費電力と実消費電力との差に基づき、交流モータの異常発生を診断することで、過渡状態に特有の推定消費電力と実消費電力の乖離が解消される。したがって、交流モータが過渡状態にある場合でも高い精度で異常の有無を診断することができる。

この発明の実施形態による異常診断部を含む交流モータの制御装置の概略構成図である。 制御装置が実行する異常診断ルーチンを説明するフローチャートである。 この発明の別の実施形態による異常診断部を含む交流モータの制御装置の概略構成図である。 この発明の別の実施形態による制御装置が実行する異常診断ルーチンを説明するフローチャートである。 過渡状態における交流モータの消費電力の応答波形を示すダイアグラムである。 交流モータの消費電力が振動する故障時の応答波形を示すダイアグラムである。

図面を参照して以下にこの発明の実施形態を説明する。

図１を参照すると、車両用の電動モータ１は３相交流同期モータで構成される。電動モータ１への電力供給は、バッテリからの直流電流をＵ，Ｖ，Ｗ相の３相交流に変換する供給するインバータ６を介して行なわれる。

インバータ６は駆動制御装置２から信号入力されるＵ，Ｖ，Ｗ相の指示電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に基づき電動モータ１への供給電力を調整する。具体的には、１０ｋＨｚ程度の三角波で構成される搬送波と指示電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊とを比較することでスイッチング信号を得る。バッテリの直流電圧を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワー素子を用いてスイッチング信号によりスイッチングし、３相交流に変換する。

駆動制御装置２は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ インタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

駆動制御装置２にはインバータ６から電動モータ１へ供給されるＵ，Ｖ，Ｗ相の実電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ７と電動モータ１の電気角速度ωを検出する回転角センサ７から検出データがそれぞれ信号入力される。回転角センサ７は例えばレゾルバで構成される。

駆動制御装置２は電流指令演算部３、電流制御部４、２相／３相変換部５、電気角速度及び磁極位置検出部９、及び３相／２相変換部１０を備える。

電気角速度及び磁極位置検出部９は回転角センサ７の検出データに基づき、電動モータ１の磁極位置θと電気角速度ωを計算する。

電流指令演算部３は車両のアクセルペダル開度や走行条件に応じて入力されるモータトルク指令値Ｔ＊と、電動モータ１の電気角速度ωとから、電動モータ１がモータトルク指令値Ｔ＊に等しいモータトルクを出力するために必要な電流指令値を計算する。電流指令値は２相直流のｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊として計算される。この計算のために、モータトルク指令値Ｔ＊と電動モータ１の電気角速度ωに応じて電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を定めたマップをあらかじめ作成し、ＲＯＭに格納しておく。

電流制御部４は、実電流値ｉｄ，ｉｑが電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に一致するようにインバータ６から電動モータ１への供給電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗをフィードバック制御する。具体的には、比例積分（ＰＩ）制御式（１）を用いて電圧指令値ｖｄ＊とｖｑ＊を算出する。

２相／３相変換部５は２相直流のｄ軸及びｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊とｖｑ＊を磁極位置θを用いて、３相交流のＵ，Ｖ，Ｗ相の指示電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に換算し、インバータ６に出力する。

３相／２相変換部１０は電流センサ７が検出したＵ，Ｖ，Ｗ相の実電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを磁極位置θを用いてｄ軸及びｑ軸の実電流値ｉｄ，ｉｑに変換し、電流制御部４に入力する。

駆動制御装置２は以上の構成により、電動モータ１への供給電圧のフィードバック制御を行なう。

駆動制御装置２はまた電動モータ１に異常が生じているかどうかを診断する異常診断部１１を備える。

異常診断部１１は消費電力演算部１２、推定消費電力演算部１３、加算器１４、及び異常検知部１５を備える。

消費電力演算部１２は、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊及びｄ軸及びｑ軸の実電流値ｉｄ，ｉｑを用いて電動モータ１の実消費電力を算出する。推定消費電力演算部１３はｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と電気角速度ωとを用いて電動モータ１の過渡状態を含む推定消費電力を推定する。加算器１４は負の値として入力される実消費電力と正の値として入力される推定消費電力を合算してその差異を算出する。

異常検知部１５は合算器１４の出力をしきい値αと比較し、合算器１４の出力がしきい値αを上回ると、すなわち、推定消費電力と実消費電力との差異が所定値αを上回ると、電動モータ１への電力供給に異常が発生したと判定する。電動モータ１への電力供給に異常が生じるケースには、電動モータ１それ自体が故障した場合とインバータ６が正常に作動しなくなった場合の双方が含まれる。なお、実際の判定は推定消費電力と実消費電力との差異を絶対値化し、さらに平滑化処理を加えた値を用いて行なわれる。

以上説明した図１の各部は駆動制御装置２の各機能を仮想的なユニットとして示したものである。これらの機能はプログラムとしてマイクロコンピュータに組み込まれるものであり、物理的な存在を意味しない。

次に図２のフローチャートを参照して、異常診断部１１が実行する異常診断のアルゴリズムを説明する。

異常診断部１１はまずステップＳ１０１で、電圧指令値ｖｄ＊とｖｑ＊及び実電流値ｉｄ，ｉｑから式（２）を用いて実消費電力Ｐを算出する。

ステップＳ１０１の処理が消費電力演算部１２の機能に相当する。

異常診断部１１は次のステップＳ１０２でｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊から、次式（３）により実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌを求める。

異常診断部１１はステップＳ１０３でｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌと電動モータ１の電気角速度ωとから次式（４）によりｄ軸及びｑ軸の電圧指令値の規範応答ｖｄ１，ｖｑ１を求める。

異常診断部１１はステップＳ１０４で実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌと電圧指令値の規範応答ｖｄ１，ｖｑ１とから次式（５）で推定消費電力Ｐ＊を算出する。

以上のステップＳ１０２、Ｓ１０３，Ｓ１０４の処理が推定消費電力演算部１３の機能に相当する。

異常診断部１１は次にステップＳ１０５で推定消費電力Ｐ＊と実消費電力Ｐとの差を絶対値化し、それを平滑化した値Ｐ＿ｆ１ｔを次式（６）で求める。

１次遅れ時定数τは、あらかじめ所望の診断時間を満足する値に設定される。

異常診断部１１はステップＳ１０６でＰ＿ｆ１ｔがしきい値αより大きいかどうかを判定する。Ｐ＿ｆ１ｔがしきい値αより大きい場合にはステップＳ１０７で電動モータ１への電力供給に異常が生じていると判定する。

ステップＳ１０５−Ｓ１０７の処理が異常検知部１５の機能に相当する。

以上のように、異常診断部１１は実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌと電圧指令値の規範応答ｖｄ１，ｖｑ１とを用いて推定消費電力Ｐ＊を算出するので、電動モータ１の過渡状態においても、推定消費電力Ｐ＊は実消費電力Ｐに対して高い相似性を維持する。したがって、過渡状態に特有の推定消費電力Ｐ＊と実消費電力Ｐとの乖離による誤診断の可能性を排除して、電動モータ１への電力供給の異常を高い精度で診断することができる。

図５はモータトルク指令値Ｔ＊が変化した直後の過渡状態の推定消費電力Ｐ＊と実消費電力Ｐの変化を示す。図に示されるように、過渡状態であっても、推定消費電力Ｐ＊が実消費電力Ｐを精度よくシミュレートするため、Ｐ＿ｆ１ｔはほぼゼロの状態を維持する。しがって、異常診断部１１によれば過渡状態において、推定消費電力と実消費電力が乖離することで発生する誤診断を確実に防止することができる。

図６は実消費電力Ｐが振動する場合を示す。この場合には推定消費電力Ｐ＊はほぼ一定値を保つ。その結果、実消費電力Ｐと推定消費電力Ｐ＊との差異が短時間で大きく変動する。しかしながら、異常診断部１１が実消費電力Ｐと推定消費電力Ｐ＊との差の絶対値を平滑化した値Ｐ＿ｆ１ｔを診断に用いることで、このような短時間の大きな変動が平滑化され、Ｐ＿ｆ１ｔはなだらかな変化を示す。そのため、実消費電力Ｐが振動するような特殊なケースであっても、異常の有無を精度よく検出することができる。

この実施形態では、ステップＳ１０２でｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊から実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌを求めている。また、ステップＳ１０３でｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌと電動モータ１の電気角速度ωとからｄ軸及びｑ軸の電圧指令値の規範応答ｖｄ１，ｖｑ１を求めている。インバータ６を介した電動モータ１の制御の電圧及び電流応答は一般に２相直流のｄ軸とｑ軸の値を対象に設計が行なわれる。そのため、実電流規範応答ｉｄｌ，ｉｑｌと電圧指令値の規範応答ｖｄ１，ｖｑ１とを用いて推定消費電力を計算することで、電動モータ１の過渡状態における消費電力の推定精度を高めることができ、過渡状態における電動モータ１への電力供給の異常の有無を、誤診断を防止しつつ高精度で診断することができる。

以上の実施形態は、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式により正弦波駆動される電動モータ１の駆動制御にこの発明を適用した実施形態である。

図３を参照してこの発明の別の実施形態を説明する。この実施形態において、電動モータ１は矩形波駆動される。

図１の実施形態との相違は、駆動制御装置２が電流指令演算部３と電流制御部４の代わりに、電圧指令演算部２１とスイッチングパターン演算部２２を備えたことである。また、スイッチングパターン演算部２２が３相交流のＵ，Ｖ，Ｗ相の指示電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を直接インバータ６に出力するため、２相／３相変換部５は省略される。さらに、この実施形態では、３相／２相変換部１０が出力する実電流値ｉｄとｉｑは、電動モータ１の駆動制御には用いられず、もっぱら異常診断部１１による診断に用いられる。そのため、３相／２相変換部１０は異常診断部１１の一部として描かれている。

電圧指令演算部２１は車両のアクセルペダル開度や走行条件に応じて入力されるモータトルク指令値Ｔ＊と電動モータ１の電気角速度ωとから、電動モータ１がモータトルク指令値Ｔ＊に等しいモータトルクを出力するために必要な電圧位相γを演算する。この計算のために、モータトルク指令値Ｔ＊と電気角速度ωに応じて電圧位相γを定めたマップをあらかじめ作成し、ＲＯＭに格納しておく。

スイッチングパターン演算部２２は電位位相γ及び電動モータ１の磁極位置θから、３相交流のＵ，Ｖ，Ｗ相の指示電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を決定し、対応するスイッチング信号を出力する。インバータ６はこれらのスイッチング信号に応じて、バッテリの直流電圧を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワー素子を用いてバッテリの直流電圧をスイッチングし、３相交流に変換する。

次に図４のフローチャートを参照して、この実施形態において異常診断部１１が実行する異常診断のアルゴリズムを説明する。

異常診断部１１はステップＳ２０１において、スイッチングパターン演算で２２が出力する３相交流のＵ，Ｖ，Ｗ相の指示電圧ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊及び電流センサ７が検出した、インバータ６が出力するＵ，Ｖ，Ｗ相の実電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、を電動モータ１の磁極位置θを用いて、２相直流のｄ軸及びｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊及びｄ軸及びｑ軸の実電流値ｉｄ，ｉｑへとそれぞれ変換する。

ステップＳ２０１の処理が図３の３相／２相変換部１０の機能に相当する。

異常診断部１１はステップＳ２０２で、電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑと実電流値ｉｄ，ｉｑから次式（７）により実消費電力Ｐを算出する。

ステップＳ２０２の処理が図３の消費電力演算部１２の機能に相当する。

異常診断部１１はステップＳ２０３で、電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊と電動モータ１の電気角速度ωとから、次式（８）を用いて実電流規範応答ｉｄ１とｉｑ１を算出する。

異常診断部１１はステップＳ２０４で、実電流規範応答ｉｄ１とｉｑ１と電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊とから次式（９）により推定消費電力Ｐ＊を算出する。

ステップＳ２０３とＳ２０４の処理が推定消費電力演算部１３の機能に相当する。

ステップＳ２０５−Ｓ２０７の処理はステップＳ１０５−Ｓ１０７の処理とそれぞれ同一である。ただし、ここでは、図１の実施形態のしきい値αに代えてしきい値βを用いている。

ステップＳ２０５−Ｓ２０７の処理の処理が異常検知部１５の機能に相当する。

以上のように、この実施形態によれば、インバータ６により矩形波駆動される電動モータ１に関しても、図１の実施形態と同様に電動モータ１への電力供給に異常が発生しているかどうかを高い精度で診断することができる。

この実施形態では、ステップへ２０３で、電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊と電動モータ１の電気角速度ωとから、実電流規範応答ｉｄ１とｉｑ１を算出している。この構成により、インバータ６に矩形波駆動される電流モータ１へのこの発明の適用が可能になる。

以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、以上の各実施形態は同期モータを対象としているが、この発明は誘導モータを含むインバータ制御される他の型式の電動モータにも適用可能である。

１ 電動モータ
２ 駆動制御装置
３ 電流指令演算部
４ 電流制御部
５ ２相／３相変換部
６ インバータ
７ 電流センサ
８ 回転角センサ
９ 電気角速度及び磁極位置検出部
１０ ３相／２相変換部
１１ 異常診断部
１２ 消費電力演算部
１３ 推定消費電力演算部
１４ 加算器
１５ 異常検知部

Claims (4)

1. インバータを介して制御される交流モータのためのインバータ制御交流モータの異常診断装置において、
   前記交流モータのｄ軸及びｑ軸の電流値を検出する手段と、
   前記交流モータのｄ軸及びｑ軸の電圧指令値を計算する手段と、
   前記ｄ軸及びｑ軸の電流値と前記ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値とから、前記交流モータの消費電力を算出する手段と、
   前記交流モータの電気角速度を検出する手段と、
   前記ｄ軸及びｑ軸電圧指令値またはｄ軸及びｑ軸電流指令値と前記電気角速度とから前記交流モータの制御システムの規範応答を算出する手段と、
   前記規範応答に基づき消費電力推定値を算出する手段と、
   前記交流モータの実消費電力を算出する手段と、
   前記実消費電力と前記消費電力推定値との差に基づき、前記交流モータへの電力供給に異常が発生したかどうかを診断する診断手段と、
   を備えることを特徴とする、インバータ制御交流モータの異常診断装置。
2. 前記規範応答は、電流に関しては前記ｄ軸及びｑ軸電流指令値の変化に対する実電流規範応答であり、電圧に関しては前記ｄ軸及びｑ軸電流指令値の変化と前記実電流規範応答とから求められる電圧指令の規範応答である、請求項１のインバータ制御交流モータの異常診断装置。
3. 前記規範応答は、前記ｄ軸及びｑ軸電圧指令値の変化に対する実電流規範応答である、請求項１のインバータ制御交流モータの異常診断装置。
4. 前記診断手段は前記実消費電力と前記消費電力推定値との差を絶対値化し、平滑化処理を施した値が前記所定値を上回る場合に前記交流モータに異常が発生したと診断するよう構成される、請求項１から３のいずれかのインバータ制御交流モータの異常診断装置。

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