JP2015076974A

JP2015076974A - モータ制御システム

Info

Publication number: JP2015076974A
Application number: JP2013211524A
Authority: JP
Inventors: 優清水; Masaru Shimizu; 亮次佐藤; Ryoji Sato; 大悟野辺; Daigo Nobe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-04-20

Abstract

【課題】モータの減磁を正確に特定できるモータ制御システムを提供する。
【解決手段】モータ制御システムは、バッテリ１２と、バッテリ１２に設けられた電流センサ１３および電圧センサ１５と、インバータ２０と、永久磁石型ロータを有するモータ３０と、モータ３０のロータ回転位置を検出する回転位置センサ３２、モータ３０の動作を制御する制御装置４０とを備える。制御装置４０は、モータのロータ３０が回転するときに発生する逆起電圧がバッテリ１２の電圧ＶＢより大きくなる回転速度でロータを回転させ、この状態でインバータ２０をシャットダウンしてバッテリ電圧ＶＢが上昇しないか、または、バッテリ１２に向かってバッテリ電流ＩＢが流れない場合、ロータの永久磁石が減磁していると特定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石を有するロータを備えたモータを駆動制御するモータ制御システムに関する。

永久磁石を有するモータでは、規定以上の電流をモータに通電することで、あるいは温度によって、永久磁石の減磁が生じることがある。永久磁石の減磁が生じると、モータの性能が低下するので、減磁を検知して対応を図る必要がある。

例えば、特許文献１には、永久磁石型モータをインバータで駆動制御する制御装置において、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ、ｑ軸電圧Ｖｑ、およびロータ回転速度ωの各制御パラメータと、モータのｑ軸電圧方程式（Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφ）とに基づいて、モータの永久磁石の減磁を判断する手法が記載されている。

特開２０１０−２３９７９０号公報

しかしながら、上記特許文献１の手法では、制御装置の故障時に、モータの減磁を正確に判断することが困難であるとう問題がある。具体的には、制御装置の故障は、永久磁石の減磁だけなく、制御装置に含まれる電流センサ、回転位置センサ等の故障も考えられる。モータ制御に用いられるｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑ、およびロータ回転速度ωは、電流センサおよび回転位置センサの各検出値に基づいて導出されているため、これらのセンサが故障している場合には永久磁石の減磁が生じていないにもかかわらずモータの減磁と判断されることが起こり得る。これは、上記ｑ軸電圧方程式により算出されるｑ軸電圧Ｖｑが、永久磁石の磁力に関わる鎖交磁束φだけでなく、故障の可能性がある電流センサよる検出値に基づいて導出されるｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑの影響を受けるためである。

本発明の目的は、モータの減磁をセンサ故障と切り分けて正確に特定できるモータ制御システムを提供することである。

本発明に係るモータ制御システムは、電圧源と、電圧源に出入りする電流を検出する電流センサと、電圧源の電圧を検出する電圧センサと、電圧源から供給される直流電圧を交流変換するインバータと、インバータから出力される交流電圧によって回転駆動される永久磁石型ロータを有するモータと、該モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサと、前記モータの動作を制御する制御装置とを備える、モータ制御システムであって、前記制御装置は、前記モータのロータが回転するときに発生する逆起電圧が前記電圧源の電圧より大きくなる回転速度で前記ロータを回転させ、この状態で前記インバータをシャットダウンして前記電圧源の電圧が上昇しないか、または、前記電圧源に向かって電流が流れない場合、前記ロータの永久磁石が減磁していると特定することを特徴とする。

本発明に係るモータ制御システムでは、モータの減磁が発生していなければモータの逆起電圧（ωφ）が電圧源の電圧より大きくなる状態でモータのロータが回転しているので、逆起電圧によって発生した電力が電圧源に戻されることになる。そのため、電圧源の電圧が上昇する、電圧源に向かう電流の発生等の現象が起きる。これに対し、モータの減磁が発生している場合には、逆起電圧が小さくなるので、上記のような現象は生じない。このような現象を利用して本発明に係るモータ制御装置では、制御パラメータの元情報となる電流センサおよび回転位置センサ等の検出値を用いるのではなく、モータ駆動制御に直接的に関連しない電圧源の電圧および電流を用いて減磁の判断を行うため、インバータ等の故障から切り分けてモータの減磁を正確に特定することができる。したがって、減磁していないモータの誤交換を確実に防止できる。

本発明に係る実施の形態であるモータ制御システムの構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において回生エネルギーがバッテリに流れる様子を模式的に示す図である。本発明に係る実施の形態の制御装置において実行される減磁特定ルーチンを示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

以下では、モータ制御システムが用いられるものとして、モータが搭載される車両を例として説明するが、ベクトル制御を実行するモータ制御装置を用いるものであれば車両以外であってもよい。

また、この車両には、モータとして、モータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータを１台用いるものとして説明するが、これは例示であって、モータ・ジェネレータを２台以上用いるものとしてもよい。また、モータ機能のみを有するモータを１台、発電機機能のみを有するモータを１台用いるものとしてもよい。なお、車両としては、モータの他に、エンジンを搭載するハイブリッド車両であってもよく、この場合、車体に充電口を備えたハイブリッド車両であってもよい。

以下では、モータに接続される電源回路として、電圧源であるバッテリ、電圧変換器、インバータ、平滑コンデンサを含む構成を説明するが、これは例示であって、これら以外の要素を含むものとしてもよい。例えばシステムメインリレー、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むことができる。また、バッテリとは別に、燃料電池を電圧源として含むものとしてもよい。

図１は、車両に搭載されるモータについてのモータ制御システム８の全体構成を示す図である。モータ制御システム８は、モータ３０と、これに接続される電源回路１０と、これらの構成要素の動作を全体として制御するモータ制御装置４０とを備える。モータ制御装置４０は、いくつかの制御機能を有する回路の集合体であって、ここでは、ベクトル制御を行う部分を中心に示され、これとは区別して、特に減磁判断を行う機能の部分を減磁特定部６０として示してある。

モータ３０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電源回路１０に含まれる電圧源としてのバッテリ１２から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する３相同期型モータである。モータ３０は、ステータである電機子にコイルが巻回され、ロータに永久磁石が設けられる永久磁石型モータである。

モータ３０に設けられる回転位置センサ３２は、ロータの回転位置を回転角度θとして検出する機能を有する。かかる回転位置センサ３２としては、例えばレゾルバを用いることができる。検出された回転角度θのデータは、適当な信号線でモータ制御装置４０に伝送される。モータ制御装置４０においては、ベクトル制御に回転角度θが用いられ、また、回転角度θの時間微分からモータ３０の回転角速度ωに換算されて、後述するようにモータ３０の駆動制御に用いられる。

電源回路１０は、モータ３０と接続される回路であり、モータ３０が駆動モータとして機能するときにこれに電力を供給し、あるいはモータ３０が発電機として機能するときは回生電力を受け取ってバッテリ１２を充電する機能を有する。電源回路１０は、２次電池であるバッテリ１２と、バッテリ１２側の平滑コンデンサ１４と、電圧変換器１６と、インバータ２０側の平滑コンデンサ１８と、インバータ２０を含んで構成される。

バッテリ１２は、モータ３０の駆動電力を供給する電圧源であり、例えば、約２００Ｖの端子間電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池等を用いることができる。なお、バッテリ１２に代えて、キャパシタ等の蓄電装置を電圧源として用いてもよい。

バッテリ１２には、電流センサ１３および電圧センサ１５が設けられている。電流センサ１３はバッテリ１２に出入りする電流（以下、「バッテリ電流」という）ＩＢを検出するセンサであり、電圧センサ１５はバッテリ１２の端子間電圧（以下、「バッテリ電圧」という）ＶＢを検出するセンサである。各センサ１３，１５によって検出されたバッテリ電流ＩＢおよびバッテリ電圧ＶＢは、モータ制御装置４０に伝送されてバッテリ１２のＳＯＣ（State of Charge）の監視および管理に用いられるほかに、後述するようにモータ３０の減磁の判断にも用いられる。

電圧変換器１６は、バッテリ１２側の電圧をリアクトルのエネルギー蓄積作用を利用して例えば約６５０Ｖに昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。なお、電圧変換器１６は双方向機能を有し、インバータ２０側からの電力をバッテリ１２側に充電電力として供給するときには、インバータ２０側の高圧をバッテリ１２に適した電圧に降圧する作用も有する。

バッテリ１２側の平滑コンデンサ１４と、インバータ２０側の平滑コンデンサ１８は、それぞれの側の正極母線と負極母線との間における電圧、電流の変動を抑制し平滑化する機能を有する。なお、インバータ２０側の正極母線と負極母線との間の電圧ＶＨは、システム電圧と呼ばれるものである。

インバータ２０は、モータ制御装置４０の制御の下で作動する複数のスイッチング素子を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う回路である。インバータ２０は、車両が力行のとき、バッテリ１２側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、モータ３０に駆動電力として供給する直交変換機能と、車両が制動のとき、逆にモータ３０からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、バッテリ１２側に充電電流として供給する交直変換機能とを有する。

インバータ２０とモータ３０とを接続する３つの各配線を流れる電流は、モータ３０の各相に流れる電流として、適当な電流検出センサ３１を用いて検出され、モータ制御装置４０に伝送される。モータ３０の各相コイルは中性点で共通接続されるので、モータ３０を流れる各相電流は、（Ｕ相電流値Ｉｕ＋Ｖ相電流値Ｉｖ＋Ｗ相電流値Ｉｗ）＝０となる。したがって、３つの相電流をそれぞれ検出しなくても、２つの相電流を検出し、残りの相電流は上記の関係を用いて計算から求めることができる。図１の例では、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖを検出することが示されているので、残りのＷ相電流Ｉｗは計算で求めることになる。検出される各相電流は、適当な信号線でモータ制御装置４０に伝送される。モータ制御装置４０では、ベクトル制御において、まずｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑに変換され、これがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と比較されて電流フィードバックに用いられる。

モータ制御装置４０は、電源回路１０等の制御を通して、車両に搭載されるモータ３０の作動を全体として制御する機能を有する。特にここでは、ベクトル制御によってモータ３０の作動を制御し、またモータ３０の永久磁石の減磁について判断する機能を有する。最初に、ベクトル制御に関する部分を説明し、その後に、減磁特定部６０について説明する。

モータ３０の動作制御は、モータ３０の動作条件によって矩形波モード、過変調モード、正弦波ＰＷＭモードの間で切り替えられる。ここでは、主として、正弦波ＰＷＭ制御を行う構成について説明する。

ベクトル制御に関する部分は、正弦波ＰＷＭ制御における電流フィードバック制御を行う部分である。すなわち、正弦波ＰＷＭ制御モードにおいては、３相２相座標変換部４２においてモータ３０の各相電流値をｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑとに変換し、一方でトルク指令値Ｔ＊からｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出する。そして、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊にｄ軸電流値Ｉｄをフィードバックし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊にｑ軸電流値Ｉｑをフィードバックする電流フィードバックが行われる。

ここで、トルク指令値Ｔ＊は、図示されていないアクセルの開度等から求められるユーザの要求トルクに基づいて算出される。電流指令生成部４４は、例えば予め作成したテーブル等を用いて、トルク指令値Ｔ＊をｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の組として算出する機能を有する。

減算器４６は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊からｄ軸電流値Ｉｄを減算してｄ軸電流偏差ΔＩｄを算出し、減算器４８は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊からｑ軸電流値Ｉｑを減算してｑ軸電流偏差ΔＩｑを算出する機能を有する。

ＰＩ制御部５０は、ｄ軸電流偏差ΔＩｄとｑ軸電流偏差ΔＩｑについて、所定のゲインの下で比例積分制御を行ってこれらに対応する制御偏差を求め、その制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する機能を有する。

２相３相座標変換部５２は、先ほどの３相２相座標変換部４２と互いに逆変換の関係にあるもので、ｄｑ電圧値を各相電圧値に変換する機能を有する。すなわち、モータ３０の回転角度θに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する機能を有する。なお、これらの変換に際し、インバータ２０に電圧変換器１６から供給されるシステム電圧ＶＨも反映される。

ＰＷＭ生成部５４は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定の搬送波であるキャリアとの比較によって、インバータ２０を構成する各スイッチング素子に対する制御信号を発生する機能を有する。インバータ２０は、上記のように交流電力と直流電力との間の電力変換を行う回路であり、図１の例では６つのスイッチング素子を含むので、ＰＷＭ生成部５４からは６つの制御信号がインバータ２０に供給される。これによって、各相電圧指令値に対応する各相のＰＷＭ信号がモータ３０に供給される。

上記３相２相座標変換部４２は、モータ３０の各相電流のうち２つの電流値と回転角度θを取得し、各相電流値に基づいてｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑを算出する機能を有する。図１の例では、Ｕ相電流値ＩｕとＶ相電流値Ｉｖと、モータ３０の回転角度θに基づいて座標変換が行われている。

このようにして、正弦波ＰＷＭ制御モードにおいては、トルク指令値Ｔ＊に対応する電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に対し、モータ３０の実電流値Ｉｄ，Ｉｑがフィードバックされる制御が行われる。

以上でベクトル制御に関する部分の説明を行ったので、次に、モータ制御装置４０の減磁特定部６０について説明する。減磁特定部６０は、モータ３０に含まれる永久磁石に減磁が生じているか否かを判断する機能を有する。

図２は、本実施形態における減磁判断の原理を説明するための図であり、モータ３０のロータが回転することによって生じる逆起電力が回生エネルギーとしてバッテリ１２に流れ込んでいる様子が示されている。

図２に示すように、モータ３０の回生時、永久磁石を含む図示しないロータが回転することによって電機子コイルには逆起電力が生じる。このときの逆起電力の電圧、すなわち逆起電圧がバッテリ電圧ＶＢよりも高ければ、インバータ２０および電力変換器１６を介してバッテリ１２に回生エネルギーとして流れて充電されることになる。

ここで、モータ制御に用いられるｑ軸電圧Ｖｑの電圧方程式はＶｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφで表される。ここにおいて、Ｒは電機子抵抗、Ｉｑはｑ軸電流、ωはモータ３０のロータの回転角速度、Ｌｄはロータのｄ軸インダクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、φは電機子鎖交磁束であり、右辺の最終項ωφが逆起電圧に相当する。

したがって、例えば、車両外部から入力して駆動輪を回転させ、駆動輪に連結されたモータ３０のロータを回転させる等によって回生状態をつくる。そして、インバータ２０をシャットダウンにするとともに電圧変換器１６を通電可能な状態にしたとき、バッテリ電圧ＶＢが上昇するか、または、バッテリ１２に向かってバッテリ電流ＩＢが流れたかを監視する。

モータ３０に減磁が生じていない場合には、上述したようにωφ＞ＶＢとなって、バッテリ電圧ＶＢが上昇するか、または、バッテリ１２へ向かってバッテリ電流ＩＢが流れる現象が見られる。これに対し、モータ３０に減磁が生じていれば、ωφ＜ＶＢとなるためバッテリ電圧ＶＢは上昇せず、バッテリ１２へ向かってバッテリ電流ＩＢが流れることはない。

このような現象の有無によって、モータ３０の減磁を正確に特定することができる。次に、図３を参照して、減磁特定部６０における処理について説明する。図３は、減磁特定部６０において実行される減磁特定ルーチンを示すフローチャートである。この減磁特定ルーチンは、ディーラのサービスピットや自動車性能試験場等に設置された走行ローラ上に車両の駆動輪を載せて、走行ローラを回転駆動して駆動輪を回転させた状態として、実行することができる。

図３に示すように、まず、ステップＳ１０において、モータ３０の逆起電圧ωφがバッテリ電圧ＶＢよりも大きくなる所定のモータ回転数Ｎとなったとき、インバータ２０をシャットダウンした状態にする。具体的には、インバータ２０に含まれる６つのスイッチング素子を何れもオフした状態とする。ここで、上記所定のモータ回転数Ｎは、減磁していない永久磁石を有する新品のモータ３０を用いた実験等で得られた値を予め記憶しておくことができる。ただし、これに限定されるものではなく、電圧センサ１５によって検出される実際のバッテリ電圧ＶＢと永久磁石の規定の鎖交磁束φとに基づいてωφ＞ＶＢとなるモータ回転数を算出し、これを所定回転数Ｎとして適宜に用いる構成としてもよい。これにより、実際の状況に応じたバッテリ電圧ＶＢを用いてモータ３０の減磁をより正確に特定できる利点がある。

次いで、ステップＳ１２において、モータ３０が所定の回転数となったとき、電圧変換器１６の上アームのスイッチング素子１７（図２参照）をオンしてモータ３０とバッテリ１２間を通電可能な状態とし、バッテリ電圧ＶＢおよびバッテリ電流ＩＢを監視する。

続くステップＳ１４において、バッテリ電圧ＶＢが上昇し、かつ、バッテリ１２に向かってバッテリ電流ＩＢが流れたかを判定する。バッテリ電圧ＶＢが上昇しかつバッテリ１２に向かってバッテリ電流ＩＢが流れたとき、続くステップＳ１６でモータ以外の故障ありと判断する。ここで、モータ以外の故障としては、例えば、電流センサ３１の故障、回転位置センサ３２の故障、インバータ２０の故障等の可能性がある。他方、バッテリ電圧ＶＢが上昇しないか、または、バッテリ１２へ向かってバッテリ電流ＩＢが流れなかったとき、続くステップＳ１８でモータ３０の減磁が生じていると特定される。このようにしてモータ３０の減磁判定を行った後、処理を終了する。

上述したように、本実施形態のモータ制御装置４０によれば、モータ３０の制御パラメータ（Ｉｄ、Ｉｑ、Ｖｑ）の元情報となる電流センサ３１および回転位置センサ３２等の検出値を用いるのではなく、モータ駆動制御に直接的に関連しないバッテリ１２の電圧ＶＢやバッテリ１２に向かって流れるバッテリ電流ＩＢを用いて減磁の判断を行うため、電流センサ３１、回転位置センサ３２およびインバータ２０の故障から切り分けてモータ３０の減磁を正確に特定することができる。したがって、減磁が生じていないモータ３０を誤交換してしまうことをなくすことができる。

なお、本発明は上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内で、種々の変更や改良が行われてもよい。

例えば、上記においては図３に示す減磁特定ルーチンは、外部入力により駆動輪を介してモータ３０を回転させて実行すると説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ディーラのサービスピット等において車両の駆動輪をジャッキアップして浮かせた状態でアクセルを踏み込むことによってインバータ２０による制御でモータ３０を回転させ、その後、インバータ２０をシャットダウンしてロータが惰性回転した状態で実行してもよい。

また、エンジンを搭載したハイブリッド車両において、エンジンから動力を受けて回転駆動されるモータについては、エンジンによってモータを所定回転数に回転させた状態として、上記のような減磁判断処理を行ってもよい。この場合、駆動輪をジャッキアップしたり走行ローラに載せたりすることなく、減磁特定作業を容易に行うことができる。

本発明に係るモータ制御システムは、永久磁石を有するモータにおいて永久磁石の減磁判断を行う制御装置に利用できる。

８モータ制御システム、１０電源回路、１２バッテリ（電圧源）、１３，３１電流センサ、１４，１８平滑コンデンサ、１５電圧センサ、１６電圧変換器、１７スイッチグ素子、２０インバータ、３０モータ、３２回転位置センサ、４０モータ制御装置、４２３相２相座標変換部、４４電流指令生成部、４６，４８減算器、５０ＰＩ制御部、５２３相２相座標変換部、５４ＰＷＭ生成部、６０減磁特定部。

Claims

電圧源と、電圧源に出入りする電流を検出する電流センサと、電圧源の電圧を検出する電圧センサと、電圧源から供給される直流電圧を交流変換するインバータと、インバータから出力される交流電圧によって回転駆動される永久磁石型ロータを有するモータと、該モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサと、前記モータの動作を制御する制御装置とを備える、モータ制御システムであって、
前記制御装置は、前記モータのロータが回転するときに発生する逆起電圧が前記電圧源の電圧より大きくなる回転速度で前記ロータを回転させ、この状態で前記インバータをシャットダウンして前記電圧源の電圧が上昇しないか、または、前記電圧源に向かって電流が流れない場合、前記ロータの永久磁石が減磁していると特定することを特徴とするモータ制御システム。