JP2022140897A

JP2022140897A - モータ制御装置

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Publication number: JP2022140897A
Application number: JP2021040945A
Authority: JP
Inventors: 裕樹大谷; Hiroki Otani
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2041-03-15
Also published as: JP7463989B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、モータが備える巻線の異常を簡単な構成によって検出することである。
【解決手段】モータ制御システム１００は、モータ制御部４０および検出部４２を備えている。モータ制御部４０は、モータ１６のｄ軸電流およびｑ軸電流を測定し、ｄ軸電流測定値Ｉ_ｄとｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊との差異、およびｑ軸電流測定値Ｉ_ｑとｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊との差異に基づいて、ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑを求める。モータ制御部４０は、ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑに基づいてモータ１６を制御する。検出部４２は、ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑのそれぞれの電気２次成分に基づいて、モータ１６が備える巻線の異常を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特に、モータが備える巻線の異常を検出する技術に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の電動自動車が広く用いられている。電気自動車はモータを備えており、モータの動力によって力行する。ハイブリッド自動車はモータの他にエンジンを備えており、モータの動力およびエンジンの動力を適宜組み合わせて力行する。一般に、モータとしては発電性能が設計事項として考慮されたモータジェネレータが用いられる。モータジェネレータは、電動自動車を力行させる他、回生制動によって電動自動車を制動し、回生制動による発電電力によってモータジェネレータ駆動用の電池を充電する。本明細書における「モータ」の用語には、モータジェネレータの概念が含まれる。

以下の特許文献１には、本願発明に関連する技術として、誘導電動機の劣化診断法が記載されている。この方法では、誘導電動機に流れる相電流の高調波成分に基づいて、誘導電動機の劣化度合いが診断される。

特開２００３－７５５１６号公報

電動自動車では、衝撃等によってモータの巻線の状態が変化することがある。これによって、モータにおける巻線が短絡する等の異常が生じることがある。このような異常を検出するため、電流センサを追加して巻線に流れる電流を検出することが考えられる。しかし、電流センサの追加によって部品点数が増加するという問題が生ずる。

本発明の目的は、モータが備える巻線の異常を簡単な構成によって検出することである。

本発明は、モータのｄ軸電流およびｑ軸電流を測定し、ｄ軸電流測定値とｄ軸電流指令値との差異、およびｑ軸電流測定値とｑ軸電流指令値との差異に基づいて、ｄ軸制御値およびｑ軸制御値を求め、前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値に基づいて前記モータを制御する、モータ制御部と、前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれの電気２次成分に基づいて、前記モータが備える巻線の異常を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記検出部は、前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれについて、電気２次成分の振幅を求める振幅計算器と、前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれについて求められた電気２次成分の振幅に基づいて、前記巻線の異常を検出する異常検出器と、を備える。

望ましくは、前記異常検出器は、前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれについて求められた電気２次成分の振幅の大きさおよび極性に基づいて、異常が生じた巻線の相を特定する。

望ましくは、前記検出部は、前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれから電気２次成分を抽出するフィルタを備え、前記振幅計算器は、前記フィルタによって抽出された各電気２次成分から、各電気２次成分の振幅を求める。

望ましくは、前記検出部は、前記巻線の異常としてレアショートを検出する。

望ましくは、前記巻線の異常が検出されたときに、前記モータ制御部は、前記モータが発生するトルクを抑制する処理を実行する。

望ましくは、前記巻線の異常が検出されたときに、前記モータ制御部は、ユーザに注意を促す処理を実行する。

本発明によれば、モータが備える巻線の異常を簡単な構成によって検出することができる。

モータ制御システムの構成を示す図である。コントローラの構成を示す図である。Ｕ相巻線にターン間短絡が生じたときのシミュレーション結果である。Ｖ相巻線にターン間短絡が生じたときのシミュレーション結果である。Ｗ相巻線にターン間短絡が生じたときのシミュレーション結果である。ターン間短絡が生じたときの振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）をＡ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面上に示した図である。トルク指令値が変化したときのシミュレーション結果を示す図である。モータの回転数が変化したときのシミュレーション結果を示す図である。相間短絡が生じた巻線の相を特定する原理を示す図である。相間短絡が生じた巻線の相を特定する原理を示す図である。コントローラが実行するトルク制御のフローチャートである。

各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号を付して、その説明を簡略化する。本明細書における「上」「下」等の方向を示す用語は図面における方向を示す。これらの用語は説明の便宜上のものであり、各構成要素を設置する際の姿勢を限定するものではない。

図１には、本発明の実施形態に係るモータ制御システム１００の構成が示されている。モータ制御システム１００は、電池１０、インバータ１２、モータ１６、電流センサ２６、レゾルバ１８およびコントローラ２４を備えている。ここでは、モータ制御システム１００が電動自動車に搭載され、モータ１６が電動自動車を駆動する例について説明する。

モータ制御システム１００のうち、インバータ１２、電流センサ２６、レゾルバ１８およびコントローラ２４は、モータ１６を制御するモータ制御装置を構成する。インバータ１２は、Ｕ相スイッチングアーム１４ｕ、Ｖ相スイッチングアーム１４ｖおよびＷ相スイッチングアーム１４ｗを備えている。各スイッチングアームは、直列接続された上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬを備えている。各スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられてよい。スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられる場合、２つのスイッチング素子が直列接続されるとは、一方のエミッタ電極に他方のコレクタ電極が接続されることをいう。スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、２つのスイッチング素子が直列接続されるとは、一方のソース電極に他方のドレイン電極が接続されることをいう。

スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられる場合、ＩＧＢＴのエミッタ電極にアノード電極が接続され、コレクタ電極にカソード電極が接続されたダイオードをスイッチング素子が備える。スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、ＭＯＳＦＥＴのソース電極にアノード電極が接続され、ドレイン電極にカソード電極が接続されたダイオードをスイッチング素子が備える。

Ｕ相スイッチングアーム１４ｕ、Ｖ相スイッチングアーム１４ｖおよびＷ相スイッチングアーム１４ｗは並列接続されている。すなわち、Ｕ相スイッチングアーム１４ｕ、Ｖ相スイッチングアーム１４ｖおよびＷ相スイッチングアーム１４ｗの上端は共通に接続され、Ｕ相スイッチングアーム１４ｕ、Ｖ相スイッチングアーム１４ｖおよびＷ相スイッチングアーム１４ｗの下端もまた共通に接続されている。各スイッチングアームの上端は電池１０の正極端子に接続され、各スイッチングアームの下端は電池１０の負極端子に接続されている。

Ｕ相スイッチングアーム１４ｕにおける上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬの直列接続点には、モータ１６のＵ相端子２０ｕが接続されている。Ｖ相スイッチングアーム１４ｖにおける上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬの直列接続点には、モータ１６のＶ相端子２０ｖが接続されている。Ｗ相スイッチングアーム１４ｗにおける上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬの直列接続点には、モータ１６のＷ相端子２０ｗが接続されている。

モータ１６は、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗを備えている。図１に示されている例では、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗについては、それぞれの一端が中性点で接続されたＹ結線がされている。Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗのそれぞれの他端には、Ｕ相端子２０ｕ、Ｖ相端子２０ｖおよびＷ相端子２０ｗが設けられている。

電流センサ２６は、Ｕ相端子２０ｕ、Ｖ相端子２０ｖおよびＷ相端子２０ｗに流れる電流を検出し、Ｕ相電流検出値Ｉｕ、Ｖ相電流検出値ＩｖおよびＷ相電流検出値Ｉｗをコントローラ２４に出力する。レゾルバ１８は、モータ１６の機械角θｍを検出し、機械角θｍをコントローラ２４に出力する。機械角θｍは、モータ１６のロータの実際の回転角度を示す値である。コントローラ２４は機械角θｍを電気角θに変換する。電気角θは、ロータの周りの電磁界的な現象の１周期を３６０°に換算した角度である。なお、レゾルバ１８は電気角θをコントローラ２４に出力してもよい。

コントローラ２４は、走行状態や運転操作に応じたトルク指令値に基づいてモータ１６を制御する。すなわち、コントローラ２４は、トルク指令値に基づいてｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を求めると共に、Ｕ相電流検出値Ｉｕ、Ｖ相電流検出値ＩｖおよびＷ相電流検出値Ｉｗに基づいてｄ軸電流測定値およびｑ軸電流測定値を求める。コントローラ２４は、ｄ軸電流測定値とｄ軸電流指令値との差異、ｑ軸電流測定値とｑ軸電流指令値との差異、および電気角θに基づいてインバータ１２を制御し、インバータ１２はモータ１６に印加される電圧をスイッチングする。

図２にはコントローラ２４の構成が示されている。コントローラ２４は、モータ制御部４０および検出部４２を備えている。モータ制御部４０は、三相／ｄｑ軸変換器５２、電流指令生成器５４、ｄ軸減算器５６ｄ、ｑ軸減算器５６ｑ、ｄ軸ＰＩ演算器５８ｄ、ｑ軸ＰＩ演算器５８ｑ、ｄｑ軸／三相変換器６０およびＰＷＭ制御器６２を備えている。コントローラ２４は、プログラムを実行するプロセッサによって構成されてよい。この場合プロセッサは、プログラムを実行することで、三相／ｄｑ軸変換器５２、電流指令生成器５４、ｄ軸減算器５６ｄ、ｑ軸減算器５６ｑ、ｄ軸ＰＩ演算器５８ｄ、ｑ軸ＰＩ演算器５８ｑ、ｄｑ軸／三相変換器６０およびＰＷＭ制御器６２を構成する。

三相／ｄｑ軸変換器５２は、Ｕ相電流検出値Ｉｕ、Ｖ相電流検出値ＩｖおよびＷ相電流検出値Ｉｗを、次の（数１）および（数２）に従ってｄ軸電流測定値Ｉ_ｄおよびｑ軸電流測定値Ｉ_ｑに変換する。

電流指令生成器５４は、走行状態や運転操作に応じたトルク指令値Ｔ^＊に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を求める。ｄ軸減算器５６ｄは、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊からｄ軸電流測定値Ｉ_ｄを減算したｄ軸誤差を求め、ｑ軸減算器５６ｑは、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊からｑ軸電流測定値Ｉ_ｑを減算したｑ軸誤差を求める。ｄ軸誤差は、ｄ軸電流測定値Ｉ_ｄとｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊との差異を示し、ｑ軸誤差は、ｑ軸電流測定値Ｉ_ｑとｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊との差異を示す。ｄ軸ＰＩ演算器５８ｄは、ｄ軸誤差に対して比例積分を行ってｄ軸制御値ｖ_ｄを求め、ｑ軸ＰＩ演算器５８ｑは、ｑ軸誤差に対して比例積分を行ってｑ軸制御値ｖ_ｑを求める。

ｄｑ軸／三相変換器６０は、ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑをＵ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｖおよびＷ相電圧指令値Ｖｗに変換し、ＰＷＭ制御器６２に出力する。

Ｕ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｖおよびＷ相電圧指令値Ｖｗは、それぞれ、Ｕ相スイッチングアーム１４ｕ、Ｖ相スイッチングアーム１４ｖおよびＷ相スイッチングアーム１４ｗをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するための指令値である。

ＰＷＭ制御器６２は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕに基づいて、Ｕ相スイッチングアーム１４ｕの上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬに対する制御信号ＵＰおよびＵＬを生成する。制御信号ＵＰは、Ｕ相電圧指令値Ｖｕが大きい程、パルス幅が大きくなる矩形波信号であってよい。制御信号ＵＬは、制御信号ＵＰのハイ／ローを反転した信号であってよい。制御信号ＵＰがハイのときにＵ相スイッチングアーム１４ｕの上スイッチング素子ＳＰはオンになり、制御信号ＵＰがローのときにＵ相スイッチングアーム１４ｕの上スイッチング素子ＳＰはオフになる。同様に、制御信号ＵＬがハイのときにＵ相スイッチングアーム１４ｕの下スイッチング素子ＳＬはオンになり、制御信号ＵＬがローのときにＵ相スイッチングアーム１４ｕの下スイッチング素子ＳＬはオフになる。

同様の処理によって、ＰＷＭ制御器６２は、Ｖ相電圧指令値Ｖｖに基づいて、Ｖ相スイッチングアーム１４ｖの上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬに対する制御信号ＶＰおよびＶＬを生成する。ＰＷＭ制御器６２は、Ｗ相電圧指令値Ｖｗに基づいて、Ｗ相スイッチングアーム１４ｗの上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬに対する制御信号ＷＰおよびＷＬを生成する。各スイッチング素子は、制御信号がハイであるときにオンになり、制御信号がローであるときにオフになる。

例えば、制御信号ＶＰおよびＶＬは、それぞれ、制御信号ＵＰおよびＵＬに対して位相が１２０°遅れた信号であり、制御信号ＷＰおよびＷＬは、それぞれ、制御信号ＶＰおよびＶＬに対して位相が１２０°遅れた信号である。

モータ制御部４０によるこのような制御によって、モータ１６のＵ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗには、トルク指令値Ｔ^＊に応じたＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗが流れ、モータ１６はトルク指令値Ｔ^＊に応じたトルクを発生する。

次に、検出部４２について説明する。検出部４２は、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗのいずれかの異常としてレアショート（レイヤーショートとも称される）を検出する。レアショートには、異なる相の巻線同士が短絡するか、あるいは異なる相の巻線同士の絶縁抵抗が小さくなる相間短絡がある。モータの構造には、複数相の巻線のうちの１つの相の巻線を構成する導線と、他の相の巻線を構成する導線とが隣接するものがある。通常、隣接する導線同士は絶縁されているが、機械的または熱的なストレスによって絶縁抵抗が小さくなり、相間短絡の状態が引き起こされることがある。

また、レアショートには、１つの相の巻線を構成する導線における異なる箇所同士が短絡するか、あるいは１つの相の巻線を構成する導線における異なる箇所同士の絶縁抵抗が小さくなるターン間短絡がある。モータの構造には、１つの相の巻線を構成する導線が特定の経路を複数回に亘って周回し、１周するごとに導線が重ねられたものがある。通常、導線が重なる区間は絶縁されているが、機械的または熱的なストレスによって絶縁抵抗が小さくなり、ターン間短絡の状態が引き起こされることがある。

このようなレアショートが生じた場合、モータ１６が十分な性能を発揮することが困難となることがある。そこで、検出部４２は、以下に説明する構成および処理によってレアショートを検出する。ＰＷＭ制御が行われているモータでレアショートが生じると、ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑには、電気角θの２倍の回転成分が生ずる。以下に説明するように、検出部４２は、電気角θの２倍の回転成分の検出によってレアショートを検出する。

検出部４２は、ｄ軸フィルタ６４ｄ、ｑ軸フィルタ６４ｑ、振幅計算器６６およびレアショート検出器６８（異常検出器）を備えている。ｄ軸フィルタ６４ｄおよびｑ軸フィルタ６４ｑは、電気回転周波数（ｄθ／ｄｔ／２π）の２倍を中心周波数とするバンドパスフィルタであってよい。ｄ軸フィルタ６４ｄおよびｑ軸フィルタ６４ｑは、ディジタル演算に基づくフィルタ処理を実行してよい。電気回転周波数は、電気角θの時間微分値に基づいてコントローラ２４が求めてもよい。ｄ軸フィルタ６４ｄおよびｑ軸フィルタ６４ｑの中心周波数は、電気回転周波数の変化に応じて変化する。

ｄ軸フィルタ６４ｄは、ｄ軸制御値ｖ_ｄに含まれる電気回転周波数の２倍の成分（以下、ｄ軸電気２次成分ｖ_ｄ２という）を抽出し、振幅計算器６６に出力する。ｑ軸フィルタ６４ｑは、ｑ軸制御値ｖ_ｑに含まれる電気回転周波数の２倍の成分（以下、ｑ軸電気２次成分ｖ_ｑ２という）を抽出し、振幅計算器６６に出力する。

振幅計算器６６は、次の（数３）に従って、ｄ軸電気２次成分ｖ_ｄ２の振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸電気２次成分ｖ_ｑ２の振幅Ａ_ｑ２ｈを求め、レアショート検出器６８に出力する。以下の説明では、ｄ軸電気２次成分ｖ_ｄ２の振幅Ａ_ｄ２ｈをｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈといい、ｑ軸電気２次成分ｖ_ｑ２の振幅Ａ_ｑ２ｈをｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈという。

ただし、θ_２ｈは電気角θの２倍の極性を反転した値（θ_２ｈ＝－２θ）である。（数３）の右辺の行列は、ｄｑ平面において電気角２θで負方向に回転する直交座標系で見た値に、ｄ軸電気２次成分ｖ_ｄ２およびｑ軸電気２次成分ｖ_ｑ２を変換する回転行列である。レアショート検出器６８は、次の（数４）に従ってｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑを求め、（数５）に従って２次振幅Ａ_２ｈを求める。

レアショート検出器６８は、次の（数６）に従ってレアショート評価値ηを求める。

レアショート検出器６８は、レアショート評価値ηが予め定められた閾値を超えたときは、レアショートが生じたものと判定し、ユーザに注意を促す処理を実行する。ユーザに注意を促す処理は、車室等に設けられたインジケータを表示する処理、車室に設けられた音響装置から警告音を発する処理等を含んでよい。また、レアショート検出器６８は、レアショートが生じたと判定したときに、後述のように、トルク指令値Ｔ^＊を制限し、モータ１６のトルクを抑制する処理を実行してもよい。

レアショート検出器６８は、次のように、レアショートが生じた巻線の相を特定してもよい。ここでは、レア－ショートとしてターン間短絡が生じていることが明らかな場合、または、ターン間短絡が生じている可能性が高い場合にレアショート検出器６８が実行する処理の例について説明する。レアショート検出器６８は、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈのそれぞれの大きさおよび極性に基づいて、ターン間短絡が生じた巻線の相を特定する。

図３～図５は、ターン間短絡が生じた巻線の相を特定する原理を説明する図である。図３～図５には、それぞれ、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗにターン間短絡が生じたときのシミュレーション結果が示されている。各図の横軸は時間を示す。図３～図５のそれぞれにおける（ａ）は、モータ１６に流れる三相電流（Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を示し、（ｂ）はｄｑ軸制御値（ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑ）を示している。図３～図５における（ｃ）はｄｑ軸電気２次成分（ｄ軸電気２次成分ｖ_ｄ２およびｑ軸電気２次成分ｖ_ｑ２）を示し、（ｄ）は、ｄｑ軸２次振幅（ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈ）を示している。

図６は、横軸にＡ_ｄ２ｈ軸を取り、縦軸にＡ_ｑ２ｈ軸を取ったＡ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面上に、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗにそれぞれターン間短絡が生じたときの振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）を示したものである。

図３（ｄ）および図６に示されているように、Ｕ相巻線２２ｕにターン間短絡が生じているときは、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）はＡ_ｑ２ｈ軸の下半分上にある。図４（ｄ）および図６に示されているように、Ｖ相巻線２２ｖにターン間短絡が生じているときは、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）は第２象限にある。図５（ｄ）および図６に示されているように、Ｗ相巻線２２ｗにターン間短絡が生じているときは、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）は第１象限にある。

図３～図６に示されているように、ターン間短絡が生じたときのベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）には、ターン間短絡が生じた相に応じた一定の変化傾向がある。図３～図６では、ｄ軸制御値ｖ_ｄを０に近付けまたは一致させる制御が示されたが、ｄ軸制御値ｖ_ｄを０としない制御を実行する場合も、ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）には、ターン間短絡が生じた相に応じた一定の変化傾向がある。

したがって、Ａ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面における振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）の位置に基づいて、レアショート検出器６８は、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗのうちのいずれの巻線にターン間短絡が生じたかを特定することができる。

すなわち、レアショート検出器６８は、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈが０であり、ｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈが負であるときは、Ｕ相巻線２２ｕにターン間短絡が生じたと判定する。また、レアショート検出器６８は、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈのいずれもが正の値であるときは、Ｗ相巻線２２ｗにターン間短絡が生じたと判定する。また、レアショート検出器６８は、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈが負の値であり、ｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈが正の値であるときは、Ｖ相巻線２２ｖにターン間短絡が生じたと判定する。

Ａ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面を用いて説明すると、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）がＡ_ｑ２ｈ軸の下半分上にあるときは、Ｕ相巻線２２ｕにターン間短絡が生じたと判定する。また、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が第１象限にあるときは、Ｗ相巻線２２ｗにターン間短絡が生じたと判定する。また、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が第２象限にあるときは、Ｖ相巻線２２ｖにターン間短絡が生じたと判定する。

この判定には、所定の誤差範囲が考慮されてもよい。すなわち、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）がＡ_ｑ２ｈ軸の下半分上、またはＡ_ｑ２ｈ軸に対するベクトル角が所定の誤差範囲内であるときは、Ｕ相巻線２２ｕにターン間短絡が生じたと判定するまた、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が、第１象限または所定の許容範囲で第１象限から外れた位置にあるときは、Ｗ相巻線２２ｗにターン間短絡が生じたと判定する。また、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が第２象限または所定の許容範囲で第２象限から外れた位置にあるときは、Ｖ相巻線２２ｖにターン間短絡が生じたと判定する。

図７（ａ）～図７（ｅ）には、トルク指令値Ｔ^＊が変化したときのシミュレーション結果が示されている。図７（ａ）にはトルク指令値Ｔ^＊が示されている。時刻ｔ１より前のトルク指令値Ｔ^＊は一定値Ａである。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、トルク指令値Ｔ^＊はＡからＢまで増加し、時刻ｔ２より後は、トルク指令値Ｔ^＊は一定値Ｂとなっている。図７（ａ）に示されたトルク指令値Ｔ^＊に対し、図７（ｂ）～図７（ｅ）には、それぞれ、三相電流、ｄｑ軸制御値、ｄｑ軸電気２次成分およびｄｑ軸２次振幅が示されている。

トルク指令値Ｔ^＊が変化している時刻ｔ１から時刻ｔ２に至るまでの間、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈは振動している。したがって、トルク指令値Ｔ^＊が変化している場合には、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈの振れ幅に応じて、Ａ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈにおける判定範囲が広げられてもよい。この場合、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）がＡ_ｑ２ｈ軸の下半分上、またはＡ_ｑ２ｈ軸に対するベクトル角が所定の誤差範囲内であるときは、Ｕ相巻線２２ｕにターン間短絡が生じたと判定する。この誤差範囲がｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈの振れ幅に応じて大きくされてもよい。

また、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が、第１象限または所定の許容範囲で第１象限から外れた位置にあるときは、Ｗ相巻線２２ｗにターン間短絡が生じたと判定する。この許容範囲がｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈの振れ幅に応じて大きくされてもよい。また、レアショート検出器６８は、振幅ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が第２象限または所定の許容範囲で第２象限から外れた位置にあるときは、Ｖ相巻線２２ｖにターン間短絡が生じたと判定する。この許容範囲がｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈの振れ幅に応じて大きくされてもよい。

図８（ａ）～図８（ｅ）には、モータ１６の回転数（ｄθｍ／ｄｔ／２π）が変化したときのシミュレーション結果が示されている。図８（ａ）には回転数が示されている。時刻ｔ１より前の回転数は一定値Ｃである。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、回転数はＣからＤまで増加し、時刻ｔ２より後は、回転数は一定値Ｄとなっている。図８（ａ）に示された回転数に対し、図８（ｂ）～図８（ｅ）には、それぞれ、三相電流、ｄｑ軸制御値、ｄｑ軸電気２次成分およびｄｑ軸２次振幅が示されている。

図８（ｅ）に示されているように、回転数が変化した場合であっても、ｄ軸２次振幅Ａ_ｄ２ｈおよびｑ軸２次振幅Ａ_ｑ２ｈは一定である。したがって、レアショート検出器６８は、回転数が変化しているときであっても、回転数が一定であるときと同様の処理によって、ターン間短絡が生じた相を特定する処理を実行してよい。回転数が変化した場合であっても、ｄ軸制御値ｖ_ｄおよびｑ軸制御値ｖ_ｑに含まれる３次以上の成分は、電気２次成分よりも十分小さいか０であり、高精度でレアショートが検出される。

本実施形態に係るモータ制御システム１００によれば、モータ１６の各巻線の異常を検出するために、異常検出用の電流センサ等を必ずしも追加しなくてもよい。したがって、簡単な構成によって、モータ１６の各巻線の異常が検出できる。

また、検出部４２では、ｄ軸制御値ｖ_ｄからｄ軸電気２次成分ｖ_ｄ２を抽出するためにｄ軸フィルタ６４ｄが用いられ、ｑ軸制御値ｖ_ｑからｑ軸電気２次成分ｖ_ｑ２を抽出するためにｑ軸フィルタ６４ｑが用いられている。ｄ軸フィルタ６４ｄおよびｑ軸フィルタ６４ｑは、電気角θの変化に応じて中心周波数が変化する。そのため、モータ１６の電気角θが変動している場合には、電気２次成分の抽出処理に高速フーリエ変換等を用いる場合に比べて、高精度に各電気２次成分が抽出される。これによって、モータ１６の巻線の異常が確実に検出される。

上記では、レアショートとしてターン間短絡が生じている場合の処理が示された。レアショートとしてターン間短絡ではなく、相間短絡が生じていることが明らかな場合、または、相間短絡が生じている可能性が高い場合には、レアショート検出器６８は次のように、相間短絡が生じた２つの相を特定してもよい。

図９および図１０には、相間短絡が生じた巻線の相を特定する原理が示されている。Ｕ相巻線２２ｕは直列に接続されたインダクタＬ_ｕ１およびＬ_ｕ２から構成されている。Ｖ相巻線２２ｖは直列に接続されたインダクタＬ_ｖ１およびＬ_ｖ２から構成されている。Ｗ相巻線２２ｗは、直列に接続されたインダクタＬ_ｗ１およびＬ_ｗ２から構成されている。

インダクタＬ_ｕ１およびＬ_ｕ２の直列接続点と、インダクタＬ_ｕ１およびＬ_ｕ２の直列接続点とが短絡された場合、インダクタＬ_ｕ２、インダクタＬ_ｖ２および短絡線７０によるデルタ結線回路Δが形成される。図１０には、図９に示されている回路をＹ結線回路に変換した等価回路が示されている。図１０に示されている等価回路は、図９に示されている短絡線７０を中性点に置き換えることで導かれる。Ｗ相巻線ＬＷのインダクタンスは、Ｕ相巻線ＬＵおよびＶ相巻線ＬＶのいずれよりも大きい。このように、Ｕ相巻線２２ｕおよびＶ相巻線２２ｖに相間短絡（ＵＶ相間短絡）が生じた場合、等価回路上のＷ相巻線ＬＷのインダクタンスが、Ｕ相巻線ＬＵおよびＶ相巻線ＬＶのいずれのインダクタンスよりも大きくなる。

同様に、Ｖ相巻線２２ｖおよびＷ相巻線２２ｗに相間短絡（ＶＷ相間短絡）が生じた場合、等価回路上のＵ相巻線ＬＵのインダクタンスが、Ｖ相巻線ＬＶおよびＷ相巻線ＬＷのいずれのインダクタンスよりも大きくなる。同様に、Ｗ相巻線２２ｗおよびＵ相巻線２２ｕに相間短絡（ＷＵ相短絡）が生じた場合、等価回路上のＶ相巻線ＬＶのインダクタンスが、Ｗ相巻線ＬＷおよびＵ相巻線ＬＵのいずれのインダクタンスよりも大きくなる。

このように、相間短絡では、等価的なＹ結線回路における１相の巻線のインピーダンスが変化する。図３～図６に示されたように、３相の巻線のうち１相の巻線のインピーダンスが変化したターン間短絡では、ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）に、ターン間短絡が生じた相に応じた一定の変化傾向がある。

同様に、等価的なＹ結線回路における３相の巻線のうち１相の巻線のインピーダンスが変化する相間短絡においても、ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）に、相間短絡が生じた相に応じた一定の変化傾向がある。そこで、レアショート検出器６８は、次のような処理を実行してよい。

レアショート検出器６８は、ＵＶ相間短絡判定範囲、ＶＷ相間短絡判定範囲およびＷＵ相間短絡判定範囲を示す判定情報を予め記憶している。ここで、ＵＶ相間短絡判定範囲は、ＵＶ相短絡が生じたときにベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が存在するＡ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面上の範囲である。ＶＷ相間短絡判定範囲は、ＶＷ相間短絡が生じたときにベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が存在するＡ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面上の範囲である。ＷＵ相間短絡判定範囲は、ＷＵ相間短絡が生じたときにベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が存在するＡ_ｄ２ｈ－Ａ_ｑ２ｈ平面上の範囲である。

レアショート検出器６８は、ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が、ＵＶ相間短絡判定範囲内にあるときは、ＵＶ相間短絡が生じたと判定する。レアショート検出器６８は、ベクトル（Ａ_ｄ２ｈ，Ａ_ｑ２ｈ）が、ＶＷ相間短絡判定範囲内またはＷＵ相間判定範囲内にあるときは、ＶＷ相間短絡またはＷＵ相間短絡が生じたと判定する。

図１１には、コントローラ２４が実行するトルク制御のフローチャートが示されている。コントローラ２４は、モータ１６の制御モードが、ＰＷＭ制御モードであるか、ＰＷＭ制御モードとは異なる制御モードであるかを判定する（Ｓ１）。ＰＷＭ制御モードとは異なる制御モードには、例えば、１パルス制御モードがある。１パルス制御モードは、三相電流の１周期当たり１つのパルスを有する制御信号で、各スイッチングアームにおける上スイッチング素子ＳＰおよび下スイッチング素子ＳＬをオンオフさせる制御である。

コントローラ２４は、モータ１６の制御モードがＰＷＭ制御モードとは異なる制御モードであるときは、現時点のトルク制御を維持する。コントローラ２４は、モータ１６の制御モードがＰＷＭ制御モードであるときは、ｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑが所定の閾値ＴＨａ以下であるか否かを判定する（Ｓ２）。コントローラ２４は、ｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑが閾値ＴＨａを超えるときは、現時点のトルク制御状態を維持する。ステップＳ２を実行する理由は、ｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑが所定の閾値ＴＨａを超えるときには、ｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑが取り得る値の範囲が十分でなく、レアショートの検出が困難となる場合があるためである。ｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑが取り得る値の範囲が十分である可能性が高い場合は、ステップＳ２は実行されなくてもよい。

コントローラ２４は、ｄｑ軸振幅Ａ_ｄｑが閾値ＴＨａ以下であるときは、レアショートが生じているか否かを判定する（Ｓ３）。判定対象のレアショートは、ターン間短絡であってもよいし相間短絡であってもよい。コントローラ２４は、レアショートが生じていないと判定したときは、現時点のトルク制御状態を維持する。コントローラ２４は、レアショートが生じていると判定したときは、電流指令生成器５４に入力されるトルク指令値Ｔ^＊を制限する（Ｓ４）。

すなわち、コントローラ２４は、電流指令生成器５４に入力されるトルク指令値Ｔ^＊が所定のリミット値Ｌｍを超えるときは、トルク指令値Ｔ^＊をリミット値Ｌｍに設定する。一方、コントローラ２４は、電流指令生成器５４に入力されるトルク指令値Ｔ^＊が所定のリミット値Ｌｍ以下であるときは、トルク指令値Ｔ^＊をそのまま維持する。また、コントローラ２４は、電流指令生成器５４に入力されるトルク指令値Ｔ^＊が所定のリミット値Ｌｍを超えるときは、トルク指令値Ｔ^＊に０を超える１未満の調整定数を乗じた値を、新たに制御に用いるトルク指令値としてもよい。また、コントローラ２４は、電流指令生成器５４に入力されるトルク指令値Ｔ^＊が所定のリミット値Ｌｍを超えるときは、トルク指令値Ｔ^＊が正の値の場合、トルク指令値Ｔ^＊から所定の正の値を減算した値を、トルク指令値Ｔ^＊が負の値の場合、トルク指令値Ｔ^＊から所定の負の値を減算した値を、新たに制御に用いるトルク指令値としてもよい。

コントローラ２４は、トルク指令値Ｔ^＊を制限すると共に、ユーザに注意を促す処理を実行する（Ｓ５）。ユーザに注意を促す処理は、車室等に設けられたインジケータを表示する処理、車室に設けられた音響装置から警告音を発する処理等を含んでよい。コントローラ２４は、ステップＳ４に基づく処理後のトルク指令値に基づいて、トルク制御を実行する（Ｓ６）。

このようなトルク制御によれば、レアショートが生じた場合には、モータ１６のトルクが抑制され、モータ１６の寿命が短縮することが回避される。また、レアショートが生じたことがユーザに知らされる。なお、コントローラ２４は、レアショートが生じていると判定したときに、トルク指令値Ｔ^＊を制限する処理およびユーザに注意を促す処理の少なくとも一方を実行してもよい。

上記では、モータ制御システム１００が電動自動車に搭載される実施形態が示された。モータ制御システム１００は、ロボットや、産業機械等、その他の装置に用いられるモータを制御するシステムであってもよい。

１０電池、１２インバータ、１４ｕＵ相スイッチングアーム、１４ｖＶ相スイッチングアーム、１４ｗＷ相スイッチングアーム、１６モータ、１８レゾルバ、２０ｕＵ相端子、２０ｖＶ相端子、２０ｗＷ相端子、２２ｕ，ＬＵＵ相巻線、２２ｖ，ＬＶＶ相巻線、２２ｗ，ＬＷＷ相巻線、２４コントローラ、２６電流センサ、４０モータ制御部、４２検出部、５２三相／ｄｑ軸変換器、５４電流指令生成器、５６ｄｄ軸減算器、５６ｑｑ軸減算器、５８ｄｄ軸ＰＩ演算器、５８ｑｑ軸ＰＩ演算器、６０ｄｑ軸／三相変換器、６２ＰＷＭ制御器、６４ｄｄ軸フィルタ、６４ｑｑ軸フィルタ、６６振幅計算器、６８レアショート検出器（異常検出器）、７０短絡線、ＳＰ上スイッチング素子、ＳＬ下スイッチング素子。

Claims

モータのｄ軸電流およびｑ軸電流を測定し、
ｄ軸電流測定値とｄ軸電流指令値との差異、およびｑ軸電流測定値とｑ軸電流指令値との差異に基づいて、ｄ軸制御値およびｑ軸制御値を求め、
前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値に基づいて前記モータを制御する、モータ制御部と、
前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれの電気２次成分に基づいて、前記モータが備える巻線の異常を検出する検出部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記検出部は、
前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれについて、電気２次成分の振幅を求める振幅計算器と、
前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれについて求められた電気２次成分の振幅に基づいて、前記巻線の異常を検出する異常検出器と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
請求項２に記載のモータ制御装置において、
前記異常検出器は、
前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれについて求められた電気２次成分の振幅の大きさおよび極性に基づいて、異常が生じた巻線の相を特定することを特徴とするモータ制御装置。
請求項２または請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記検出部は、
前記ｄ軸制御値および前記ｑ軸制御値のそれぞれから電気２次成分を抽出するフィルタを備え、
前記振幅計算器は、
前記フィルタによって抽出された各電気２次成分から、各電気２次成分の振幅を求めることを特徴とするモータ制御装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
前記検出部は、
前記巻線の異常としてレアショートを検出することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
前記巻線の異常が検出されたときに、前記モータ制御部は、前記モータが発生するトルクを抑制する処理を実行することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
前記巻線の異常が検出されたときに、前記モータ制御部は、ユーザに注意を促す処理を実行することを特徴とするモータ制御装置。