JP2022161007A - モータ装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角センサの物理的なずれをソフトウェア的に容易に検出することができ、別途外部装置を必要としないモータ装置を提供する。【解決手段】本発明は、ロータとステータとを有するモータ部と、入力電圧を三相交流電圧に変換して前記モータ部に供給するインバータ部と、前記インバータ部を制御するインバータ制御部と、前記モータ部に固定され、前記モータ部の回転角を検出する回転角センサとを備え、前記インバータ制御部は、前記モータ部の電圧位相の実測値と理論値との差に基づいて、前記回転角センサの取付位置のずれ角を算出する演算部を備えるモータ装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ装置に関し、特に、モータ部の回転角を検出する回転角センサを備えたモータ装置に関する。

従来、車載用モータ等の回転角を検出するために、レゾルバが一般的に用いられている。

しかしながら、車載用モータを搭載した車両のピッチング走行等の外的要因により、レゾルバに異常が発生する場合がある。

レゾルバに異常が発生した場合には、回転角を正確に検出することができないため、モータ制御を正確に行うことができない。

レゾルバの異常診断方法として、例えば、特許文献１には、レゾルバから出力される１周期内の複数のサンプリング値の和と０値との差をオフセット値とし、オフセット値が閾値を超えた場合にレゾルバに異常が発生したと判定することが開示されている。
また、特許文献２には、レゾルバから出力される信号に基づいて第１電気角および第２電気角をそれぞれ算出し、第１電気角および第２電気角が一致しない場合にレゾルバに異常が発生したと判定することが開示されている。

特許第４４７５６４２号公報

特開２０２０－１１４０５７号公報

しかしながら、従来技術では、レゾルバの出力ずれ等の異常しか検出できず、レゾルバの物理的なずれ（角度ずれ）を検出することができなかった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回転角センサの物理的なずれをソフトウェア的に容易に検出することができ、別途外部装置を必要としないモータ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ装置の第１の態様は、ロータとステータとを有するモータ部と、入力電圧を三相交流電圧に変換して前記モータ部に供給するためのインバータ部と、前記インバータ部を制御するためのインバータ制御部と、前記モータ部に固定され、前記モータ部の回転角を検出するための回転角センサとを備え、前記インバータ制御部は、前記モータ部の電圧位相の実測値と理論値との差に基づいて、前記回転角センサの取付位置のオフセット角を算出する演算部を備える。

本発明のモータ装置によれば、別途外部装置を必要とすることなく、回転角センサの物理的なずれをソフトウェア的に容易に検出することができる。

本発明に係るモータ装置の第２の態様は、第１の態様において、前記インバータ制御部は、前記演算部による演算を許可するか否かを判定する判定部をさらに備え、前記演算部は、前記判定部により前記演算部による演算が許可された場合に、前記回転角センサの取付位置のオフセット角を算出することが好ましい。

本発明のモータ装置によれば、前記回転角センサの取付位置のオフセット角を算出する必要がある場合にのみ、インバータ制御部の演算部で算出することができるので、演算部の動作をより効率的にして、前記回転角センサの取付位置のオフセット角を不要な場合に算出することを回避することができる。

本発明に係るモータ装置の第３の態様は、上記第２の態様において、前記判定部は、前記モータ部に流れる電流と、システム状態と、前記モータ部の回転数とに基づいて、前記演算部による演算を許可するか否かを判定することが好ましい。

本発明のモータ装置によれば、前記モータ部に流れる電流と、システム状態と、前記モータ部の回転数との３つの条件が全て合致した場合にのみ前記演算部による前記回転角センサの取付位置のずれ角の算出を許可するので、演算部の動作をより効率的にして、前記回転角センサの取付位置のずれ角を不要な場合に算出することを回避することができる。

本発明に係るモータ装置の第４の態様は、前記第１の態様において、前記モータ装置は車両に搭載され、前記車両は車両制御部を有し、前記インバータ制御部は、診断部と制御部とをさらに含み、前記診断部は、前記オフセット角が所定値を超えた場合に、前記制御部及び前記車両制御部に異常を通知することが好ましい。

本発明のモータ装置によれば、回転角センサの取付位置のずれ角が所定値を超えた場合に、インバータ制御部の制御部および車両制御部に異常を通知するので、回転角センサのずれによるモータ装置の制御不良を防止するための措置をとるように当該制御部に通知することができる。

本発明に係るモータ装置の第５の態様は、前記第４の態様において、前記インバータ部は、ゲートドライバと、上アーム及び下アームを含むモータ駆動回路とを有し、前記制御部は、ゲートドライバに信号を出力することにより、前記上アーム及び前記下アームに含まれるスイッチング素子をオンオフ制御し、前記診断部は、前記モータ部の回転数が閾値を超えた場合に、前記制御部に異常を通知し、場合に前記制御部がフェールセーフ制御を実行することが好ましい。

本発明に係るモータ装置の第６の態様は、第５の態様において、前記フェールセーフ制御は、前記上アームおよび前記下アームの一方を全相オンし、他方を全相オフするアクティブショート回路（ＡＳＣ）制御であることを特徴とする。

本発明に係るモータ装置の第７の態様は、第５の態様において、前記フェールセーフ制御は、前記上アームと前記下アームの両方を全相遮断するシャットダウン（ＳＤ）制御であることを特徴とする。

モータが高速回転するとスイッチング素子が発熱し、このとき回転角センサがずれてモータを正確に制御できなくなると、モータがさらに加速してしまう。

本発明のモータ装置によれば、回転角センサがオフセットしてモータが高速回転しているときにフェールセーフ制御（ＡＳＣ制御やＳＤ制御）を行うことにより、スイッチング素子やバッテリの故障を防止することができる。

本発明に係る車両の第８の態様は、請求項１から７のいずれかに記載のモータ装置を備える。

本発明のモータ装置によれば、別途外部装置を必要とすることなく、回転角センサの物理的なずれをソフトウェア的に容易に検出することができる。

図１は、本発明に係るモータ装置の構成を示す模式図である。 図２は、本発明のモータ装置における演算実行条件判定部およびレゾルバオフセット角演算部の詳細な構成を示す模式図である。 図３は、本発明のフェールセーフ制御におけるモータ装置の一部の構成を説明するための模式図である。 図４は、本発明のフェールセーフ制御におけるＡＳＣ制御およびＳＤ制御を説明するための模式図である。 図５Ａは、ロータ回転軸に対するレゾルバの物理的な角度ずれを説明するための模式図である。 図５Ｂは、ロータ回転軸に対するレゾルバの物理的な角度ずれを説明するための模式図である。

以下、本発明に係るモータ装置の好適な実施形態について図面を参照して説明する。

各図において、同一または相当部分には同一符号を付して説明する。

図１は、本発明に係るモータ装置の構成を示す模式図である。

本発明のモータ装置１０は、一例として、モータ部３００と、インバータ部２００と、インバータ制御部（ＣＰＵ）１１０と、回転角センサ３０１とを備える。

モータ部３００は、ロータとステータとを有し、三相交流の供給により回転駆動されるモータである。

モータ部３００としては、例えば永久磁石同期モータを用いることができる。

回転角センサ３０１は、モータ部３００に固定されており、モータ部３００の回転角を検出するものである。

なお、回転角センサ３０１は、例えばレゾルバである。

図５は、ロータ回転軸に対するレゾルバの物理的な角度ずれを説明するための模式図である。

図５（ａ）は、レゾルバ３０１がモータ部３００のロータ軸に対して角度ずれしていない正常な場合を示しており、図５（ｂ）は、レゾルバ３０１がモータ部３００のロータ軸に対して反時計回りに角度αずれた異常な場合を示している。

レゾルバ３０１は、検出した正弦信号及び余弦信号を含むレゾルバ信号をＲＤＣ（Ｒｏｔａｒｙ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）コンバータ４００に送信し、ＲＤＣコンバータ４００は、レゾルバ信号をデジタル信号に変換してレゾルバオフセット角演算部１０４に送信する。

また、ＲＤＣコンバータ４００は、レゾルバ信号から得られるモータ部の回転数を演算実行条件判定部１０３に送る。

インバータ部２００は、バッテリ（図１には図示せず）に蓄えられた直流電力を可変電圧および可変周波数の三相交流電力に変換してモータ部３００に供給する。

インバータ部２００には電流センサ２０１が含まれており、この電流センサ２０１はインバータ部２００における三相電流を検出し、検出した三相電流をインバータ制御部１１０に供給する。

インバータ制御部１１０は、インバータ制御回路１００に設けられ、インバータ部２００を制御するものである。

インバータ制御部１１０は、診断部１０１と、制御部１０２と、演算実行条件判定部１０３（判定部に相当）と、レゾルバオフセット角演算部１０４（演算部に相当）とを含む。

演算実行条件判定部１０３は、モータ部３００に流れる電流と、システム状態と、モータ部３００の回転数とに基づいて、レゾルバオフセット角演算部１０４による演算を許可するか否かを判定する。

レゾルバオフセット角演算部１０４は、モータ部３００の電圧位相の実測値と理論値との差に基づいて、回転角センサ３０１の取付位置のオフセット角（ずれ角）を算出し、算出したオフセット角を診断部１０１に供給する。

演算実行条件判定部１０３及びレゾルバオフセット角演算部１０４の具体的な動作については後に詳述する。

診断部１０１は、オフセット角が所定値を超えると、制御部１０２および車両のマイコン５００（車両制御部に相当）に異常を通知する。

回転角センサ３０１の取付位置のずれ角が所定値を超えた場合には、インバータ制御部１１０の制御部１０２および車両制御部５００に異常が通知されるので、回転角センサ３０１のずれによるモータ装置の制御不良を防止するための措置をとるように当該制御部に通知することができる。

制御部１０２は、診断部１０１から故障通知を受けると、モータ部３００の回転数が例えば４０００ｒｐｍを超えたか否かを判定する。

モータ部３００の回転数が４０００ｒｐｍを超えない場合には、トルク制御を維持したままとする。

モータ部３００の回転数が４０００ｒｐｍを超えると、フェールセーフ制御が開始される。

フェールセーフ制御の具体的な動作については後に詳述する。

図２は、本発明のモータ装置における演算実行条件判定部およびレゾルバオフセット角演算部の詳細な構成を示す模式図である。

演算実行条件判定部１０３は、モータ部３００に流れる電流と、システム状態と、モータ部３００の回転数とに基づいて、レゾルバオフセット角演算部１０４による演算を許可するか否かを判定する。

具体的には、インバータ制御部１１０は、電流センサ２０１により検出された三相電流をｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換し、これらｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを演算実行条件判定部１０３に供給する。

ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑは、ｄ軸成分およびｑ軸成分をベクトル合成した電圧ベクトルＶｄｑを算出するために用いられる。

ｄ軸成分およびｑ軸成分の一方が大きすぎると、電圧位相を検出することができない。

そのため、計算実施条件の一つとして、ＩｄとＩｑのいずれか一方が過大にならないという条件（以下、Ｉｄ・Ｉｑ条件と略す）を満たす必要がある。

また、インバータ制御部１１０は、車両のマイコン（ＶＣＵ）５００からの状態を判定し、判定結果は演算実行条件判定部１０３に供給される。

一般に、車両が運転を開始したときにのみ、レゾルバにオフセットが生じているか否かを検出することが望ましい。

そこで、他の演算実行条件として、車両が運転を開始したという条件（以下、システム状態条件と略す）を満たす必要がある。

また、モータの回転数が０ｒｐｍ付近では、電圧位相を検出することができない。

そこで、別の計算実施条件として、モータの回転数が０ｒｐｍ付近にならないという条件（以下、単に回転数条件という）を満たす必要がある。

すなわち、演算実行条件判定部１０３は、上述した「Ｉｄ・Ｉｑ条件」、「システム状態条件」、「回転数条件」を同時に満たす場合にのみ、レゾルバオフセット角演算部１０４による演算を許可する。

これにより、演算実行条件判定部の動作をより効率的なものとすることができ、不要な場合にレゾルバの取付位置のずれ角を演算することを回避することができる。

演算実行条件判定部１０３がレゾルバオフセット角演算部１０４に算出を許可した場合、レゾルバオフセット角演算部１０４は、モータ部３００の電圧位相の実測値と理論値との差に基づいて、回転角センサ３０１の取付位置のオフセット角を算出する。

具体的には、レゾルバオフセット角演算部１０４は、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、モータの巻線抵抗値Ｒ、モータの角速度（電気角の角速度）ω、鎖交磁束Φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑに基づいて、以下の式１により理論値である電圧位相ＦＦを算出する。

電圧位相ＦＦ＝ｔａｎ＾（－１）（ＲＩ＿ｄ－ωＬ＿ｑ Ｉ＿ｑ）／（ＲＩ＿ｑ＋ω（Φ＋Ｌ＿ｄ Ｉ＿ｄ））・・・（式１）

レゾルバオフセット角演算部 １０４は、実際に検出されたｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑに基づいて、以下の式２により電圧位相ＦＢを実測値として算出する。

電圧位相ＦＢ＝ｔａｎ＾（－１）Ｖ＿ｄ／Ｖ＿ｑ・・・（式２）

そして、レゾルバオフセット角演算部１０４は、電圧位相ＦＢと電圧位相ＦＦとの差分を回転角センサ３０１の取付位置のオフセット角として算出する。

レゾルバオフセット角演算部１０４は、算出したオフセット角を診断部１０１に供給する。

診断部１０１は、オフセット角が所定の閾値（例えば３０°）を超えた場合、制御部１０２及び車両のマイコン５００（車両制御部に相当）に異常を通知する。

したがって、本発明のモータ装置によれば、別途外部装置を必要とすることなく、回転角センサの物理的なずれをソフトウェア的に容易に検出することができる。

図３は、本発明のフェールセーフ制御におけるモータ装置の一部の構成を説明するための模式図である。

図４は、本発明のフェールセーフ制御におけるＡＳＣ制御およびＳＤ制御を説明するための模式図である。

図３に示すように、インバータ部２００は、ゲートドライバ２４と、上アーム２２および下アーム２３を含むモータ駆動回路とを有する。

高圧バッテリ１３はインバータ部２００に高電圧を供給し、低圧バッテリ１４はインバータ制御部１１０に低電圧を供給する。

ここでは、上アームおよび下アームのスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたが、これに限定されるものではない。

インバータ制御部１１０の制御部１０２は、ゲートドライバ２４に制御信号を出力することにより、上アーム２２および下アーム２３に含まれるスイッチング素子のオンオフを制御する。

制御部１０２は、モータ部３００の回転数が閾値を超えていない場合には、インバータ部２００が高圧バッテリに蓄えられた直流電力を可変電圧および可変周波数を有する三相交流電力に変換してモータ部３００に供給するように、インバータ部２００におけるゲートドライバ２４を介して上アーム２２および下アーム２３の６つのスイッチング素子のオンオフを制御する通常のトルク制御を行う。

モータ部３００の回転数が閾値を超えた場合、診断部１０１は制御部１０２に異常を通知し、制御部１０２は通常のトルク制御を終了し、フェールセーフ制御の実行を開始する。

フェールセーフ制御は、図４の左側に示すように、上アーム２２および下アーム２３の一方を全相オンとし、他方を全相オフとするＡＳＣ制御であってもよい。

ＡＳＣ制御を採用することにより、モータに発生する逆起電力を還流させてバッテリの過充電を防止することができ、スイッチング素子やバッテリの故障を防止することができる。

なお、上述したフェールセーフ制御は、図４の右側に示すように、上アーム２２および下アーム２３の両方を全相オフするＳＤ制御であってもよい。

ＳＤ制御を採用することにより、スイッチング素子や電池の故障を防止することができる。

モータが高速回転するとスイッチング素子が発熱し、このとき回転角センサがずれてモータを正確に制御できなくなると、モータがさらに加速してしまう。

したがって、本発明のモータ装置によれば、回転角センサがオフセットしてモータが高速回転しているときにフェールセーフ制御（ＡＳＣ制御やＳＤ制御）を行うことにより、スイッチング素子やバッテリの故障を防止することができる。

また、本発明に係る車両は、上述したモータ装置を備える。

本発明は、その範囲内において、実施の形態における各構成要素を自由に組み合わせたり、適宜変形したり、省略したりすることが可能であることは言うまでもない。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記説明はあらゆる点で例示に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。

図示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から逸脱することなく想定され得るものとして解釈されるべきである。

本発明に係るモータ装置は、ＥＶ（電気自動車）のモータ等の分野に広く適用することができる。

１０ モータ装置
１００ インバータ制御回路
１１０ インバータ制御部（ＣＰＵ）
１０１ 診断部
１０２ 制御部
１０３ 演算実行条件判定部
１０４ レゾルバオフセット角演算部
２００ インバータ部
２０１ 電流センサ
３００ モータ部
３０１ レゾルバ
４００ ＲＤＣコンバータ
５００ 車両のマイコン
１３ 高圧バッテリ
１４ 低圧バッテリ
２２ 上アーム
２３ 下アーム
２４ ゲートドライバ

Claims (8)

1. モータ装置であって、
   ロータとステータとを有するモータ部と、
   入力電圧を三相交流電圧に変換して前記モータ部に供給するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御するインバータ制御部と、
   前記モータ部に固定され、前記モータ部の回転角を検出する回転角センサと、を含み、
   前記インバータ制御部は、前記モータ部の電圧位相の実測値と理論値との差に基づいて、前記回転角センサの取付位置のオフセット角を算出する演算部を含む、
   ことを特徴とするモータ装置。
2. 請求項１に記載のモータ装置であって、
   前記インバータ制御部は、前記演算部による演算を許可するか否かを判定する判定部をさらに備え、
   前記演算部は、前記判定部により前記演算が許可された場合に、前記回転角センサの取付位置のオフセット角を演算する、
   ことを特徴とするモータ装置。
3. 請求項２に記載のモータ装置であって、
   前記判定部は、前記モータ部に流れる電流と、システム状態と、前記モータ部の回転数とに基づいて、前記演算部による演算を許可するか否かを判定する、
   ことを特徴とするモータ装置。
4. 請求項１に記載のモータ装置であって、
   前記モータ装置は、車両制御部を有する車両に搭載され、
   前記インバータ制御部は、診断部と制御部とをさらに備え、
   診断部は、オフセット角が所定値を超えた場合に、制御部および車両制御部に異常を通知する、
   ことを特徴とするモータ装置。
5. 請求項４に記載のモータ装置であって、
   前記インバータ部は、上アーム及び下アームを含むモータ駆動回路を有し、
   前記制御部は、前記上アームおよび前記下アームに含まれるスイッチング素子をオンオフ制御し、
   診断部は、モータ部の回転数が閾値を超えた場合に制御部に異常を通知し、制御部はフェールセーフ制御を実行する、
   ことを特徴とするモータ装置。
6. 請求項５に記載のモータ装置であって、
   フェールセーフ制御は、上アームおよび下アームの一方を全相オンし、他方を全相オフする制御である、
   ことを特徴とするモータ装置。
7. 請求項５に記載のモータ装置であって、
   フェールセーフ制御は、上アームおよび下アームの両方を完全にオフにする制御である、
   ことを特徴とするモータ装置。
8. 車両であって，その特徴は，請求項１から７のいずれか一項に記載のモータ装置を含むことである。
   

Images