JP2022110721A - 電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回生電流を用いて故障している電流センサを特定する際に、突入電流による過電流が発生することを抑制する。【解決手段】モータジェネレータ10の逆起電力を用いて、電流センサ60a、60b、60cの何れが故障しているかを特定する際に、d軸電圧指令値Vd*=0、かつ、q軸電圧指令値Vq*=ωΦとなるよう制御し、その後、d軸電圧指令値Vd*=0の状態を維持したまま、q軸電圧指令値Vq*をωΦから0に徐変する。【選択図】図1
Description
本開示は、電動機の制御装置に関し、特に、三相交流電動機の制御装置に関する。
特開2018-113734号公報(特許文献1)には、インバータを用いて三相交流電動機(モータ)を制御するモータ制御装置が開示されている。このモータ制御装置は、インバータから電動機に供給される三相の電流値をそれぞれ検出する3個の電流センサを備えている。そして、3個の電流センサのひとつが故障した場合、正常な2つの電流センサを用いて、PWM(パルス幅変調)制御によって電動機を制御している。
特許文献1では、3個の電流センサのうち、何れの相の電流センサが故障しているかを特定する際に、インバータの上アームあるいは下アームの何れか一方をオン(三相オン)することによって、電動機の逆起電力による三相交流を発生させる。そして、逆起電力により発生する三相の電流値(回生電流)と各電流センサの検出値を用いて、故障している電流センサを特定している。この特許文献1では、三相オンと同時に、逆起電力(逆起電圧)が急激に発生するため、突入電流によって過電流が生じる懸念がある。過電流が生じた場合、インバータを構成するスイッチング素子の寿命の低下や、退避走行への切り替えに不具合が生じる可能性がある。
本開示は、逆起電力により発生する三相の電流値(回生電流)を用いて、故障している電流センサを特定する際に、突入電流による過電流が発生することを抑制可能な電動機の制御装置を提供することを目的とする。
本開示に係る電動機の制御装置は、三相交流の電動機と、直流電力を交流電力に変換し前記電動機を駆動するインバータと、インバータから電動機へ供給する三相の電流値をそれぞれ検出する3個の電流センサと、インバータを制御する制御装置と、を備えた電動機の制御装置である。制御装置は、電流センサの故障を検知する故障検知手段を備え、故障検知手段は、電動機の逆起電力を用いて、3個の電流センサの何れが故障しているかを特定する際に、インバータの出力電圧を電動機の逆起電圧に相当する電圧に制御するよう構成されている。
この構成によれば、制御装置は、電流センサの故障を検知する故障検知手段を備える。故障検知手段は、電動機の逆起電力を用いて、3個の電流センサの何れが故障しているかを特定する際に、インバータの出力電圧が電動機の逆起電圧に相当する電圧に制御されるので、電動機の逆起電圧とインバータの出力電圧の電位差がゼロになり(等電位になり)、突入電流が発生することを抑制できる。
本開示によれば、逆起電力により発生する三相の電流値(回生電流)を用いて、故障している電流センサを特定する際に、突入電流による過電流が発生することを抑制することが可能になる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、本実施の形態に係る電動機の制御装置100の全体構成図である。本実施の形態に係る電動機の制御装置100は、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池自動車(以下、総称して「車両」とも称する)等に適用することができ、電動機は車両の動力源として用いられる。図1を参照して、電動機の制御装置100は、電動機であるモータジェネレータ10と、電力制御装置(PCU:Power Control Unit)としてのインバータ20と、バッテリ30と、システムメインリレーSR1,SR2と、制御装置としての制御ECU(Electronic Control Unit)50とを備える。
モータジェネレータ10は、たとえば、車両の駆動輪を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。モータジェネレータ10は、三相交流同期電動機であり、たとえば、ロータに永久磁石を埋め込んだIPM(Interior Permanent Magnet)同期電動機である。
バッテリ30は、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池等の二次電池によって構成される。二次電池は、正極と負極との間に液体電解質を有する電池であってもよいし、固体電解質を有する電池(全固体電池)であってもよい。バッテリ30は、複数のリチウムイオン電池等の単電池(電池セル)31を電気的に直列に接続した組電池として構成されている。
バッテリ30には監視ユニット35が設けられている。監視ユニット35は、単電池31の電圧VB、バッテリ30の入出力電流IB、およびバッテリ30の温度TBを検出するセンサを備え、それらの検出結果を示す信号を制御ECU50に出力する。本実施の形態では、監視ユニット35により、単電池31の電圧VBを検出しているが、これに限られない。たとえば、バッテリ30(組電池)を構成する複数の単電池31が複数の電池ブロックに分けられている場合には、各電池ブロックの電圧を検出するようにしてもよい。また、バッテリ30(組電池)の全体の電圧を検出するようにしてもよい。
システムメインリレーSR1は、バッテリ30の正極端子および電力線PLの間に接続される。システムメインリレーSR2は、バッテリ30の負極端子および電力線NLの間に接続される。システムメインリレーSR1,SR2は、制御ECU50からの制御信号により開閉状態が切り替わる。
インバータ20とバッテリ30の間には、電力線PLおよび電力線NLの間に接続されたコンデンサCが設けられる。コンデンサCは、バッテリ電圧を平滑化してインバータ20に供給する。電圧センサ40は、コンデンサCの両端の電圧、すなわちバッテリ30とインバータ20とを結ぶ電力線PL、NL間の電圧(以下「システム電圧」とも称する)VHを検出し、その検出結果を示す信号を制御ECU50に出力する。
インバータ20は、バッテリ30から供給される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ10に供給する。また、インバータ20は、モータジェネレータ10により発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ30に供給する。すなわち、バッテリ30は、インバータ20を経由してモータジェネレータ10との間で電力を授受することができる。
インバータ20は、U相アーム21と、V相アーム22と、W相アーム23とを含む。各相アームは、電力線PLと電力線NLとの間に互いに並列に接続されている。U相アーム21は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Q1、Q2を有する。V相アーム22は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Q3、Q4を有する。W相アーム23は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Q5、Q6を有する。各スイッチング素子Q1~Q6のコレクタ-エミッタ間には、ダイオードD1~D6が逆並列にそれぞれ接続されている。
各相アームの中間点は、モータジェネレータ10の各相コイルの各相端に接続されている。スイッチング素子Q1、Q2の中間点は、モータジェネレータ10のU相コイルの一方端に接続されている。スイッチング素子Q3、Q4の中間点は、モータジェネレータ10のV相コイルの一方端に接続されている。スイッチング素子Q5、Q6の中間点は、モータジェネレータ10のW相コイルの一方端に接続されている。モータジェネレータ10のU相、V相およびW相の3つのコイルの他方端は、中性点に共通接続されている。
インバータ20は、システム電圧VH(バッテリ電圧)が供給されると、制御ECU50からの制御信号S1~S6に従って、直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ10を駆動する。これにより、モータジェネレータ10は、トルク指令値Trqcomに従ったトルクを発生するように、インバータ20により制御される。
電流センサ60は、モータジェネレータ10に流れる三相電流(モータ電流)iu、iv、iwを検出し、その検出結果を示す信号を制御ECU50に出力する。本実施の形態において、電流センサ60は各相のそれぞれに設けられており、電流センサ60aがU相の電流値iuを検出し、電流センサ60bがV相の電流値ivを検出し、電流センサ60cがW相の電流値iwを検出する。
回転角センサ(レゾルバ)65は、モータジェネレータ10の回転角θを検出し、その検出結果を示す信号を制御ECU50に出力する。回転角センサ65によって検出された回転角θの変化速度から、モータジェネレータ10の回転数(回転速度)NMおよび電気角速度ωを検出することができる。
制御ECU50は、図示しない、CPU(Central Processing Unit)、メモリおよび入出力バッファを含み、図示しない各種センサ等からの信号により、トルク指令値Trqcomを演算するとともに、電圧センサ40によって検出されたシステム電圧VH、電流センサ60a、60b、60cからの電流値iu、iv、iwおよび回転角センサ65からの回転角θに基づいて、モータジェネレータ10がトルク指令値Trqcomに従ったトルクを出力するように、インバータ20の動作を制御する。すなわち、制御ECU50はインバータ20を制御するための制御信号S1~S6を生成して、インバータ20へ出力する。
また、制御ECU50は、車両が回生制動モードに入ったことを示す信号を外部ECUから受けると、モータジェネレータ10で発電された交流電圧を直流電圧に変換するように制御信号S1~S6を生成してインバータ20へ出力する。これにより、インバータ20は、モータジェネレータ10で発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ30に供給する。
さらに、制御ECU50は、システムメインリレーSR1、SR2の開閉状態を切り替えるための制御信号を生成してシステムメインリレーSR1、SR2へ出力する。
上記のように構成された電動機の制御装置100においては、予め設定されたテーブル(マップ)から、トルク指令値Trqcomに応じたd軸電流指令値Idcomおよびq軸電流指令値Iqcomを読み出す。回転角センサ65で検出したモータジェネレータ10の回転角θを用いた座標変換(三相→二相)により、電流センサ60bで検出したV相電流値ivと電流センサ60cで検出したW相電流値iwを基に、d軸電流Idおよびq軸電流Iqを算出する。そして、d軸電流偏差ΔId(=Idcom-Id)およびq軸電流偏差ΔIq(=Iqcom-Iq)に、所定ゲインの比例積分(PI)演算を行い制御偏差を求め、この制御偏差に応じたd軸電圧指令値Vd*およびq軸電圧指令値Vq*を算出する。
モータジェネレータ10の回転角θを用いた座標変換(二相→三相)によって、d軸電圧指令値Vd*およびq軸電圧指令値Vq*を、U相、V相、W相の各相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*に変換する。そして、搬送波(キャリア)と各相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*とを比較し、インバータ20を制御するための制御信号(PWM(Pulse Width Modulation)信号)S1~S6を生成して、インバータ20へ出力する。
モータジェネレータ10の三相の電流値iu、iv、iwは、iu+iv+iw=0が成立するので、たとえば電流センサ60bが故障した場合、電流センサ60aと電流センサ60cを用いて、インバータ20(モータジェネレータ10)の制御を継続することが可能である。したがって、電流センサ60のひとつが故障しても、退避走行が可能である。ここで、退避走行とは、電流センサ60のひとつが故障した状態で、整備工場等への自力走行が可能な走行である。
電流センサ60の故障時に退避走行を行うためには、電流センサ60a、60b、60cの何れの電流センサが故障しているかを特定できることが望ましい。本実施の形態では、モータジェネレータ10の逆起電力により発生する三相交流の電流値(回生電流)を用いて、故障している電流センサを特定する。この際、モータジェネレータ10の逆起電力(逆起電圧)が急激に発生し、特に、モータジェネレータ10の回転速度が高い場合には、逆起電圧が高く、大きな突入電流が発生して過電流が生じる懸念がある。本実施の形態では、モータジェネレータ10の逆起電力による三相の電流(回生電流)が発生する際に、インバータ20の出力電圧を、モータジェネレータ10の逆起電圧に相当する電圧に制御することによって、突入電流を抑制する。
図2は、制御ECU50によって実行される故障検知の処理を示す、概略フローチャートである。このフローチャートは、電動機の制御装置100が搭載された車両の走行中(パワースイッチのオンからオフまで)に、所定期間毎に繰り返し処理される。なお、このフローチャートによる処理の一部が、本開示の「故障検知手段」に相当する。
図2において、ステップ(以下、ステップをSと略す)10では、電流センサ60が故障しているか否かを判定する。たとえば、電流センサ60a、60b、60cで検出した電流値iu、iv、iwの合計値がゼロでない場合、電流センサ60が故障していると判定する(電流センサ60a、60b、60cの何れかの電流センサ60が故障していると判定する)。iu+iv+iw=0である場合は、電流センサ60が故障しておらず否定判定され、今回のルーチンを終了する。iu+iv+iw≠0である場合は、電流センサ60が故障しており、肯定判定されS12へ進む。
S12では、PM(Permanent Magnet)同期電動機の電圧方程式を用いて、d軸電圧とq軸電圧がゼロになるよう、インバータ20を制御する。dq軸電流の時間変化がない定常状態における、d軸電圧Vdおよびq軸電圧Vqは、公知の通り、下記の式(1)および(2)として表される。
Vd=RId-ωLqIq・・・・・・・(1)
Vq=RIq+ωLdId+ωΦ・・・・(2)
ここで、Rは電機子巻線抵抗であり、Lqはq軸インダクタンスであり、Ldはd軸インダクタンスであり、Φは鎖交磁束である。
Vq=RIq+ωLdId+ωΦ・・・・(2)
ここで、Rは電機子巻線抵抗であり、Lqはq軸インダクタンスであり、Ldはd軸インダクタンスであり、Φは鎖交磁束である。
S12では、d軸電流偏差ΔIdおよびq軸電流偏差ΔIqに基づく電流フィードバック制御を停止し、まず、回転角センサ65で検出した電気角速度ω等に基づき、d軸電圧指令値Vd*=0、かつ、q軸電圧指令値Vq*=ωΦとなるよう、d軸電圧指令値Vd*およびq軸電圧指令値Vq*を設定する。そして、d軸電圧指令値Vd*=0、q軸電圧指令値Vq*=ωΦを、U相、V相、W相の各相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*に変換し、搬送波と各相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*とを比較し、インバータ20を制御するための制御信号S1~S6を生成して、インバータ20へ出力する。ωΦは、モータジェネレータ10の逆起電圧(逆起電力)に相当するので、インバータ20の出力電圧がモータジェネレータ10の逆起電圧に相当する電圧に制御される。このため、モータジェネレータ10の逆起電圧とインバータ20の出力電圧の電位差がゼロになり(等電位になり)、モータジェネレータ10からインバータ20へ回生電流が流れることを抑制できる。したがって、突入電流が発生することを抑制できる。
続いて、d軸電圧指令値Vd*=0の状態を維持したまま、q軸電圧指令値Vq*をωΦから0に徐変する。図3は、本実施の形態における回生電流を説明する図である。図3(A)は、インバータ20の出力電圧Lviを示しており、たとえばU相の出力電圧である。なお、図3(A)は、d軸電圧指令値Vd*=0およびq軸電圧指令値Vq*=0であり、出力電圧Lviがゼロの状態を示している。図3(B)において、Lvbはモータジェネレータ10の逆起電圧であり、U相の逆起電圧である。図3(B)に示すように、U相の逆起電圧がU相のインバータ出力電圧より大きくなると、図3(C)に示すように、U相に回生電流が流れる。なお、V相およびW相についても同様である。したがって、d軸電圧指令値Vd*=0の状態を維持したまま、q軸電圧指令値Vq*をωΦから0に徐変し、インバータ20の出力電圧Lviが小さくなって、モータジェネレータ10の逆起電圧が出力電圧Lviを上回ると、U相、V相、W相の各相に回生電流が流れる。
続くS14では、U相、V相、W相の各相に流れる回生電流を用いて、3個の電流センサ60a、60b、60cの何れが故障しているかを特定する。たとえば、モータジェネレータ10の回転速度と逆起電力定数から逆起電力を算出し、この逆起電力と回路抵抗値から、各相の回生電流推定値を算出する。そして、電流センサ60a、60b、60cが検出した電流値iu、iv、iwと各相の回生電流推定値を比較し、回生電流推定値から最もずれている電流値を検出した電流センサ60を故障している電流センサ60に特定する。なお、故障している電流センサ60の特定方法は、これに限られず、たとえば、回生電流である三相交流の二乗の和が一定であるという原理を用いて、故障している電流センサ60を特定してもよい。S14で、故障している電流センサ60を特定すると、今回のルーチンを終了する。
なお、S14で故障している電流センサ60が特定されると、たとえば、電流センサ60bが故障していると特定されると、正常な電流センサ60a、60cを用いてインバータ20を制御し、上述の退避走行が行われる。
本実施の形態によれば、S14において、モータジェネレータ10の逆起電力(回生電流)を用いて電流センサ60a、60b、60cの何れが故障しているかを特定する際に、S12において、d軸電圧指令値Vd*=0、かつ、q軸電圧指令値Vq*=ωΦとなるよう、d軸電圧指令値Vd*およびq軸電圧指令値Vq*を設定している。これにより、インバータ20の出力電圧がモータジェネレータ10の逆起電圧に相当する電圧に制御され、モータジェネレータ10の逆起電圧とインバータ20の出力電圧の電位差がゼロになり(等電位になり)、モータジェネレータ10からインバータ20へ回生電流が流れることを抑制できる。したがって、突入電流が発生することを抑制できる。
そして、S12において、d軸電圧指令値Vd*=0の状態を維持したまま、q軸電圧指令値Vq*をωΦから0に徐変する。これにより、インバータ20の出力電圧Lviが小さくなって、モータジェネレータ10の逆起電圧が出力電圧Lviを上回ると、U相、V相、W相の各相に回生電流が流れ、回生電流(モータジェネレータ10の逆起電力)を用いて、電流センサ60の何れが故障しているかを特定できる。
本実施の形態では、モータジェネレータ10として、IPM同期電動機を用いた例を説明したが、電動機の逆起電力により三相の電流(回生電流)が発生する電動機であればよく、たとえば、三相誘導電動機であってよく、また、SPM(Surface Permanent Magnet)同期電動機であってもよい。バッテリ30とインバータ20の間に昇圧コンバータを設け、バッテリ30の電圧を昇圧してインバータ20に供給するようにしてもよい。
本開示における実施態様を例示すると、次のような態様を例示できる。
1)三相交流の電動機(10)と、直流電力を交流電力に変換し電動機を駆動するインバータ(20)と、インバータ(20)から電動機(10)へ供給する三相の電流値をそれぞれ検出する3個の電流センサ(60a、60b、60c)と、インバータ(20)を制御する制御装置(50)と、を備えた電動機の制御装置であって、制御装置(50)は、電流センサ(60a、60b、60c)の故障を検知する故障検知手段(S10、S12)を備え、故障検知手段(S10、S12)は、電動機(10)の逆起電力を用いて、3個の電流センサ(60a、60b、60c)の何れが故障しているかを特定する際に、インバータ(20)の出力電圧を電動機(10)の逆起電圧に相当する電圧に制御するよう構成されている、電動機の制御装置。
1)三相交流の電動機(10)と、直流電力を交流電力に変換し電動機を駆動するインバータ(20)と、インバータ(20)から電動機(10)へ供給する三相の電流値をそれぞれ検出する3個の電流センサ(60a、60b、60c)と、インバータ(20)を制御する制御装置(50)と、を備えた電動機の制御装置であって、制御装置(50)は、電流センサ(60a、60b、60c)の故障を検知する故障検知手段(S10、S12)を備え、故障検知手段(S10、S12)は、電動機(10)の逆起電力を用いて、3個の電流センサ(60a、60b、60c)の何れが故障しているかを特定する際に、インバータ(20)の出力電圧を電動機(10)の逆起電圧に相当する電圧に制御するよう構成されている、電動機の制御装置。
2)1において、故障検知手段(S10、S12)は、一旦、インバータ(20)の出力電圧を電動機(10)の逆起電圧に相当する電圧に制御し、その後、インバータ(20)の出力電圧がゼロになるよう、インバータ(20)の出力電圧を徐変する。
3)1または2において、電動機(10)は三相交流同期電動機であり、故障検知手段(S10、S12)は、電動機(10)の逆起電力を用いて、3個の電流センサ(60a、60b、60c)の何れが故障しているかを特定する際に、d軸電圧指令値(Vd*)がゼロになり、かつ、q軸電圧指令値(Vq*)がωΦとなるようインバータ(20)を制御し、その後、d軸電圧指令値(Vd*)がゼロの状態を維持し、q軸電圧指令値(Vq*)がωΦからゼロになるよう徐変する。ただし、ωは電動機(10)の電気角速度であり、Φは鎖交磁束である。
4)1~3において、電動機(10)は車両の動力源として用いられ、故障している電流センサ(60)が特定されると、故障していない2個の電流センサ(60)を用いてインバータ(20)を制御し、退避走行を行う。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 モータジェネレータ、20 インバータ、21 U相アーム、22 V相アーム、23 W相アーム、30 バッテリ、31 単電池、35 監視ユニット、40 電圧センサ、50 制御ECU、60,60a,60b,60c 電流センサ、65 回転角センサ、100 電動機の制御装置。
Claims (1)
- 三相交流の電動機と、
直流電力を交流電力に変換し、前記電動機を駆動するインバータと、
前記インバータから前記電動機へ供給する三相の電流値をそれぞれ検出する3個の電流センサと、
前記インバータを制御する制御装置と、を備えた電動機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記電流センサの故障を検知する故障検知手段を備え、
前記故障検知手段は、前記電動機の逆起電力を用いて、3個の前記電流センサの何れが故障しているかを特定する際に、前記インバータの出力電圧を前記電動機の逆起電圧に相当する電圧に制御するよう構成されている、電動機の制御装置。
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