JP4239538B2

JP4239538B2 - 電動機械制御装置、電動機械制御方法及びプログラム

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Publication number: JP4239538B2
Application number: JP2002273641A
Authority: JP
Inventors: 典生冨谷
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: JP2004112942A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機械制御装置、電動機械制御方法及びプログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動車両は、電動車両を走行させるために駆動制御装置を備え、該駆動制御装置においては、回転自在に配設され、Ｎ極及びＳ極の永久磁石から成る磁極対を備えたロータ、及び該ロータより径方向外方に配設され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイルを備えたステータを有するモータが電動機械として使用される。そして、電動機械制御装置としてのモータ制御装置において発生させられたＵ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調信号をインバータに送り、該インバータにおいて発生させられた相電流、すなわち、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流を前記各ステータコイルに供給することによって、前記モータを駆動し、モータのトルク、すなわち、電動機械トルクとしてのモータトルクを発生させ、該モータトルクを駆動輪に伝達して電動車両を走行させるようになっている。
【０００３】
そのために、前記ステータコイルに供給される電流が電流センサによって検出され、前記ロータの磁極の位置、すなわち、磁極位置がレゾルバによって検出され、電流センサによって検出された電流、及びレゾルバによって検出された磁極位置が前記モータ制御装置に送られる。
【０００４】
そして、該モータ制御装置においては、ロータの磁極対の方向にｄ軸を、該ｄ軸と直角の方向にｑ軸をそれぞれ採ったｄ−ｑ軸モデル上でベクトル制御演算によるフィードバック制御が行われ、電流センサによって検出された電流、、レゾルバによって検出された磁極位置、及び電動車両の全体の制御を行う車両制御装置から送られ、モータトルクの目標値を表すモータ目標トルクに基づいてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値が発生させられ、該ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に基づいて、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値が発生させられる。
【０００５】
また、前記モータ制御装置において、ｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値及び磁極位置に基づいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電圧指令値が発生させられ、該各相の電圧指令値に基づいて更に各相のパルス幅変調信号が発生させられる。
【０００６】
ところで、前記レゾルバを使用すると、磁極位置の検出精度、及びモータの制御性を向上させることはできるが、駆動制御装置のコストが高くなってしまう。また、スペースの制約によってレゾルバを設置することができない場合もある。そこで、前記レゾルバに代えて簡易的な位置センサ、例えば、ＭＲＥ等の磁気抵抗素子を使用して磁極位置を検出するようにした簡易センサ位置検出方法、前記レゾルバ等の位置センサを使用することなく磁極位置を検出するようにしたセンサレス位置検出方法等が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
前記簡易センサ位置検出方法においては、ロータのシャフトにドラムが取り付けられ、該ドラムに歯が形成され、歯の有無によって磁極位置を検出し、所定の角度（例えば、６０〔°〕）ごとにＵ相、Ｖ相及びＷ相の位置検出信号を発生させ、該位置検出信号を前記モータ制御装置に送るようになっている。
【０００８】
該モータ制御装置には、磁極位置検出部が配設され、該磁極位置検出部は、前記各位置検出信号を受けると、各位置検出信号の信号レベルの組合せに基づいて６個の検出パルスを発生させ、各検出パルスが発生させられたときの磁極位置を磁極位置検出値として取得する。この場合、実際の磁極位置、すなわち、実磁極位置と取得された磁極位置検出値とは一致しない。そこで、磁極位置検出部は、取得された磁極位置検出値を補正し、補正後の値を磁極位置として検出するようにしている。
【０００９】
この場合、モータの回転速度、すなわち、モータ回転速度が設定速度より高い場合、前記磁極位置検出部は、前記磁極位置検出値を、例えば、そのときのモータ回転速度に基づいて比例計算によって線形補間を行うことにより補正し、補正後の値を磁極位置として検出する。また、前記モータ回転速度が設定速度以下である場合、磁極位置は前記各磁極位置検出値によって決まる位置検出可能範囲のどこかにあるので、誤差を平均的に最小にするため、前記磁極位置検出部は、前記磁極位置検出値の中間点を磁極位置として検出する。
【００１０】
一方、前記センサレス位置検出方法においては、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高周波電流を注入することによって磁極位置を検出し、推定する。そのために、まず、０〜±１８０〔°〕のうちの所定の磁極位置を初期位置として設定し、初期位置として設定された磁極位置に基づいて推定ｄ−ｑ座標を想定し、該推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を算出する。続いて、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高周波電流を注入することによって、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値に高周波電圧を発生させる。この場合、該高周波電圧が発生させられたｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値には、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差によって推定された磁極位置と実磁極位置との誤差情報が含まれる。そこで、該誤差情報を零（０）にするように演算を行うと、推定された磁極位置と実磁極位置との差がなくなり、磁極位置が電気角で検出される。この場合、ロータの円周方向における永久磁石と、永久磁石がなく、空間が形成された部分とは磁束の分布特性からみて等価であるので、０〜±１８０〔°〕の電気角の範囲で磁極位置が検出されることになるが、検出された磁極位置がＮ極に属するものであるかＳ極に属するものであるか分からない。そこで、磁極位置が検出されると、検出された磁極位置について磁極判定、すなわち、ＮＳ判定が行われ、Ｎ極に属するものであるかＳ極に属するものであるかの判定が行われる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−２５２７７公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のモータ制御装置においては、簡易センサ位置検出方法の場合、電気角の１周期において６ステップの分解能で磁極位置を検出するようになっているので、分解能が極めて低く、モータを始動する際の磁極位置の検出誤差が極めて大きくなってしまう。また、低・中速領域でモータを駆動する場合、モータ回転速度の速度変動が大きいので、磁極位置検出値を補正した場合、磁極位置の検出精度が低くなってしまう。したがって、検出された磁極位置に基づいてモータを駆動すると、十分なモータトルクを発生させることができない。
【００１３】
また、センサレス位置検出方法の場合、モータ回転速度が高くなり、高速領域でモータを駆動すると、ステータコイルに供給される電流等に高周波成分が発生し、該高周波成分とｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に注入される高周波電流とが干渉し、磁極位置の検出精度が低くなってしまう。
【００１４】
そこで、モータを始動する際、及びモータ回転速度が所定の設定値より低く、低・中速領域でモータを駆動する際にはセンサレス位置検出方法によって磁極位置を検出し、モータ回転速度が所定の設定値以上になり、高速領域でモータを駆動する際には磁極位置の検出方法を切り換え、簡易センサ位置検出方法によって磁極位置を検出するようにしたモータ制御方法が考えられる。
【００１５】
ところが、モータを始動する際、又は低・中速領域でモータを駆動しているときに、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高周波電流を注入する際の信号系にノイズが入ったり、モータの実磁極位置が急激に変化したりして、センサレス位置検出方法によって磁極位置を正確に検出することができなくなり、フェールが発生すると、モータが脱調することがあり、モータを安定して駆動することができなくなってしまう。
【００１６】
本発明は、前記従来のモータ制御装置の問題点を解決して、電動機械を始動する際、又は低・中速領域で電動機械を駆動しているときに、磁極位置の検出に異常が発生した場合、異常を検出することができ、電動機械を安定して駆動することができる電動機械制御装置、電動機械制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の電動機械制御装置においては、エンジンのクランクシャフトに直結された電動機械と、該電動機械の磁極位置を検出する磁極位置検出処理手段と、前記磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値が負の値を採るかどうかによって前記磁極位置検出処理手段の異常を検出するフェール判定処理手段とを有する。
そして、前記磁極位置検出処理手段は、あらかじめ設定された所定の磁極位置に基づいて想定された推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を発生させ、前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高調波電流を注入することによってｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を発生させ、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値に含まれる誤差情報を零にするように制御を行うことによって前記磁極位置を検出する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明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、この場合、電動機械制御装置としてのモータ制御装置について説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の機能ブロック図である。
【００２５】
図において、３１は図示されないエンジンのクランクシャフトに直結された電動機械としてのモータ、９１は該モータ３１の磁極位置を検出する磁極位置検出処理手段としてのセンサレス磁極位置検出処理手段、９４は前記磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値に基づいてフェールを検出するフェール判定処理手段である。
【００２６】
図２は本発明の実施の形態における電動車両の駆動制御装置のブロック図、図３は本発明の実施の形態における簡易センサ位置検出方法によって発生させられる位置検出信号のタイムチャート、図４は本発明の実施の形態における実磁極位置と磁極位置検出値との関係を示すタイムチャートである。
【００２７】
図において、１１はエンジン、４５はモータ制御装置、３１は前記エンジン１１のクランクシャフト１２に直結された電動機械としてのモータであり、該モータ３１としてＤＣブラシレスモータを使用することができる。前記モータ３１は、回転自在に配設された図示されないロータ、及び該ロータより径方向外方に配設された図示されないステータを備える。前記ロータは、図示されないシャフトに取り付けられたロータコア、及び該ロータコアの円周方向における複数箇所に配設された永久磁石を備え、該永久磁石のＳ極及びＮ極によって磁極対が構成される。また、前記ステータは、円周方向における複数箇所に、径方向内方に向けて突出させてティースが形成されたステータコア、並びに前記ティースに巻装されたＵ相、Ｖ相及びＷ相のコイルとしてのステータコイルを備える。
【００２８】
そして、前記モータ３１を駆動して電動車両を走行させるために、バッテリ１４からの直流の電流がインバータ４０によってＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに変換され、各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはそれぞれ各ステータコイルに供給される。
【００２９】
そのために、前記インバータ４０は、６個のスイッチング素子としての図示されないトランジスタを備え、各トランジスタを選択的にオン・オフさせることによって、前記各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを発生させることができるようになっている。
【００３０】
ところで、前記各ステータコイルはスター結線されているので、各相のうちの二つの相の電流の値が決まると、残りの一つの相の電流の値も決まる。したがって、各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを制御するために、例えば、所定の二つのステータコイルのリード線にＵ相及びＶ相の電流Ｉｕ、Ｉｖを検出する電流検出部としての電流センサ３３、３４が配設され、該電流センサ３３、３４は、検出電流ｉｕ、ｉｖをモータ制御装置４５のＵＶ−ｄｑ変換部６１に送る。
【００３１】
該モータ制御装置４５には、コンピュータとして機能する図示されないＣＰＵのほかに、データを記録したり、各種のプログラムを記録したりするためのＲＡＭ、ＲＯＭ等の図示されない記録装置が配設される。
【００３２】
そして、前記ＲＯＭには、各種のプログラム、データ等が記録されるようになっているが、プログラム、データ等を外部記憶装置を構成する図示されない記録媒体に記録することもできる。この場合、例えば、前記モータ制御装置４５にフラッシュメモリを配設し、前記記録媒体から前記プログラム、データ等を読み出してフラッシュメモリに記録することもできる。したがって、前記記録媒体を交換することによって、前記プログラム、データ等を更新することもできる。
そして、前記検出電流ｉｕ、ｉｖを受けると、前記モータ制御装置４５の図示されない検出電流算出処理手段は、検出電流算出処理を行い、検出電流ｉｕ、ｉｖに基づいて検出電流ｉｗを算出する。
【００３３】
また、前記モータ制御装置４５の図示されない電動機械回転速度算出処理手段としてのモータ回転速度算出処理手段は、電動機械回転速度算出処理としてのモータ回転速度算出処理を行い、磁極位置検出部４６によって検出された磁極位置θｎ、検出パルス等に基づいて、電動機械回転速度としてのモータ回転速度ＮＭを算出する。
【００３４】
前記車両制御装置の指令値発生処理手段としての指令値発生部は、指令値発生処理を行い、前記車速Ｖ、及び図示されないアクセルセンサによって検出されたアクセル開度αに基づいて電動車両を走行させるのに必要な車両要求トルクＴＯ^*を算出し、該車両要求トルクＴＯ^*に対応させて、電動機械目標トルクとしてのモータ目標トルク（トルク指令値）ＴＭ^*を発生させ、前記モータ制御装置４５に送る。
【００３５】
該モータ制御装置４５のＲＯＭはｄ軸用及びｑ軸用の指令値マップを備える。そして、前記モータ制御装置４５の指令値算出処理手段としてのトルク指令・電流指令変換部４７は、指令値算出処理を行い、電源電圧検出部としてのバッテリ電圧検出センサ１５によって検出されたバッテリ１４の電圧、すなわち、バッテリ電圧ＶＢを読み込むとともに、モータ回転速度ＮＭ及びモータ目標トルクＴＭ^*を読み込み、前記各指令値マップを参照して、前記モータ目標トルクＴＭ^*に対応するｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を第１の指令値及び電流指令値として算出し、前記ｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*をそれぞれ加算器２１及び減算器６３に送る。
【００３６】
そして、前記磁極位置θｎを検出するために、前記ｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*のうちの少なくとも一方、本実施の形態においては、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波成分としての高周波電流Ｉｈが注入される。そのために、モータ制御装置４５に高周波成分発生処理手段としての高周波電流発生部４８が配設され、該高周波電流発生部４８に制御信号ＳＧ１が送られる。該制御信号ＳＧ１は、モータ制御装置４５の図示されない制御信号発生処理手段によって発生させられ、モータ３１の始動を開始する際、又はモータ回転速度が低くなったときにオンにされ、モータ回転速度が高くなり、第１の位置検出部２２における精度が十分に高くなったときにオフにされる。
【００３７】
そして、前記制御信号ＳＧ１がオンになると、高周波電流発生部４８は、高周波成分発生処理を行い、高周波電流Ｉｈを発生させ、加算器２１に送り、該加算器２１において、前記ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈが注入される。その結果、加算器２１から減算器６２にｄ軸電流指令値ｉｄｈ^*が送られる。なお、前記加算器２１によって高周波成分注入部が構成される。
【００３８】
ところで、前記モータ制御装置４５においては、ロータにおける磁極対の方向にｄ軸を、該ｄ軸と直角の方向にｑ軸をそれぞれ採ったｄ−ｑ軸モデル上でベクトル制御演算によるフィードバック制御が行われるようになっている。
【００３９】
そのために、前記モータ制御装置４５は、電流センサ３３、３４から検出電流ｉｕ、ｉｖを読み込み、前記検出電流算出処理手段は、検出電流ｉｗを算出する。前記ＵＶ−ｄｑ変換部６１は、前記検出電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ及び前記磁極位置θｎに基づいて三相／二相変換を行い、検出電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをそれぞれｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑに変換する。
【００４０】
そして、ｄ軸電流ｉｄは減算器６２に送られ、該減算器６２においてｄ軸電流ｉｄと前記ｄ軸電流指令値ｉｄｈ^*とのｄ軸電流偏差Δｉｄが算出され、該ｄ軸電流偏差Δｉｄが電圧指令値発生処理手段としての電圧指令値発生部６４に送られる。一方、ｑ軸電流ｉｑは減算器６３に送られ、該減算器６３においてｑ軸電流ｉｑと前記ｑ軸電流指令値ｉｑ^*とのｑ軸電流偏差Δｉｑが算出され、該ｑ軸電流偏差Δｉｑが前記電圧指令値発生部６４に送られる。
【００４１】
そして、該電圧指令値発生部６４は、前記ｄ軸電流偏差Δｉｄ及びｑ軸電流偏差Δｉｑが零（０）になるように、２軸上のインバータ出力としてのｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*をそれぞれ発生させ、ｄｑ−ＵＶ変換部６７に送る。なお、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*によって第２の指令値及び電圧指令値が構成される。
【００４２】
続いて、前記ｄｑ−ＵＶ変換部６７は、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*及び磁極位置θｎに基づいて二相／三相変換を行い、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*をＵ相、Ｖ相及びＷ相の電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に変換し、該電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*をＰＷＭ発生部６８に送る。該ＰＷＭ発生部６８は、前記各相の電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*及び前記バッテリ電圧ＶＢに基づいて、電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に対応するパルス幅を有するＵ相、Ｖ相及びＷ相のパルス幅変調信号Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗを発生させ、ドライブ回路５１に送る。
【００４３】
該ドライブ回路５１は、前記各相のパルス幅変調信号Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗを受けて、前記トランジスタを駆動するための６個の駆動信号をそれぞれ発生させ、該駆動信号をインバータ４０に送る。該インバータ４０は、前記駆動信号がオンの間だけトランジスタをオンにして各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを発生させ、該各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを前記各ステータコイルに供給する。このように、モータ３１を駆動することによって電動車両を走行させることができる。
【００４４】
なお、前記ＰＷＭ発生部６８、ドライブ回路５１、インバータ４０等によって、モータ３１を駆動する電動機械駆動処理手段としてのモータ駆動処理手段が構成される。
【００４５】
ところで、本実施の形態においては、レゾルバ等の高精度のセンサを使用することなく、磁極位置検出部４６によって磁極位置θｎが検出されるようになっている。そのために、前記磁極位置検出部４６は、第１、第２の位置検出部２２、２３及び選択処理部２４を備える。
【００４６】
前記モータ３１に配設された簡易的な位置センサ４３として、例えば、ＭＲＥ等の磁気抵抗素子が使用され、前記第１の位置検出部２２の第２の磁極位置検出処理手段としての図示されないセンサ磁極位置検出処理手段は、第２の磁極位置検出処理としてのセンサ磁極位置検出処理を行い、第２の検出方法としての簡易センサ位置検出方法によって、第２の検出磁極位置としてのセンサ磁極位置θｋを検出する。
【００４７】
そのために、ロータのシャフトにドラムが取り付けられ、該ドラムに歯が形成され、歯の有無によって図３に示されるように、所定の角度（本実施の形態においては、６０〔°〕）ごとに磁極位置情報としての位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを発生させ、該位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを第１の位置検出部２２に送る。
【００４８】
前記位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗは、それぞれ電気角で１８０〔°〕ごとに信号レベルが切り換わり、互いに電気角で１２０〔°〕ずつ位相をずらして発生させられる。したがって、前記位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗの信号レベルの組合せは６個のパターンから成る。
【００４９】
そして、前記センサ磁極位置検出処理手段の磁極位置検出値取得処理手段は、磁極位置検出値取得処理を行い、前記位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを受け、位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗの信号レベルの組合せに基づいて６個の検出パルスを発生させ、各検出パルスに基づいて電気角の１周期である３６０〔°〕において６ステップの分解能で、検出パルスが発生させられたときの磁極位置を磁極位置検出値θｐとして取得する。
【００５０】
ところで、図４の線Ｌ１１で示されるように、時間が経過し、検出パルスが発生させられるたびに、磁極位置検出値θｐは階段状に変化させられるので、線Ｌ１２で示される実磁極位置と磁極位置検出値θｐとは一致しない。
【００５１】
すなわち、実磁極位置が０〔°〕以上６０〔°〕未満、６０〔°〕以上１２０〔°〕未満、１２０〔°〕以上１８０〔°〕未満、１８０〔°〕以上２４０〔°〕未満、２４０〔°〕以上３００〔°〕未満、及び３００〔°〕以上３６０〔°〕未満の各位置検出可能範囲にあるときの各磁極位置検出値θｐはそれぞれ０、６０、１２０、１８０、２４０、３００〔°〕になる。
【００５２】
そこで、前記センサ磁極位置検出処理手段の補正処理手段は、補正処理を行い、取得された磁極位置検出値θｐを次のように補正してセンサ磁極位置θｋを検出するようにしている。
【００５３】
すなわち、モータ回転速度ＮＭが設定速度ＮＭｓより高い場合、前記補正処理手段は、前記磁極位置検出値θｐを、例えば、そのときのモータ回転速度に基づいて比例計算によって線形補間を行うことにより補正し、補正された磁極位置検出値θｐをセンサ磁極位置θｋとして検出する。すなわち、検出パルスが発生させられてから現在までに経過した時間をτとすると、センサ磁極位置θｋは、
θｋ＝θｐ＋ＮＭ・τ
になる。
【００５４】
また、モータ回転速度ＮＭが設定速度ＮＭｓ以下である場合、磁極位置は前記各位置検出可能範囲のどこかにあるので、誤差を平均的に最小にするため、前記補正処理手段は、前記各磁極位置検出値θｐの中間点をセンサ磁極位置θｋ
θｋ＝θｐ＋３０〔°〕
として検出する。
【００５５】
一方、前記第２の位置検出部２３の第１の磁極位置検出処理手段としての図示されないセンサレス磁極位置検出処理手段９１（図１）は、第１の磁極位置検出処理としてのセンサレス磁極位置検出処理を行い、前述されたように、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈを注入し、第１の検出方法としてのセンサレス位置検出方法によって、第１の検出磁極位置としてのセンサレス磁極位置θｍを検出し、推定する。
【００５６】
そのために、前記センサレス磁極位置検出処理手段９１は、０〜±１８０〔℃〕のうちの所定の磁極位置θｎを初期位置として設定し、該初期位置として設定された磁極位置に基づいて推定ｄ−ｑ座標を想定し、該推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を算出する。
【００５７】
続いて、前記加算器２１によって、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈが注入されると、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*に高周波電圧が発生させられる。この場合、該高周波電圧が発生させられたｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*には、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差によって推定されたセンサレス磁極位置θｍと実磁極位置との誤差情報Ｖｇが含まれる。そこで、前記センサレス磁極位置検出処理手段は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*を読み込み、該ｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２５に通して、高周波成分だけを取り出し、演算値Ｖｄｈとし、該演算値Ｖｄｈの座標を座標変換器４９によって変換して演算値Ｖｃｏｓとした後、該演算値Ｖｃｏｓを更にローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１に通して直流成分（低周波成分）を取り出し、誤差情報Ｖｇを取得する。
【００５８】
続いて、前記センサレス磁極位置検出処理手段は、前記誤差情報Ｖｇを減算器２６に送り、あらかじめ設定された誤差指令値Ｖｓｅと誤差情報Ｖｇとの偏差を算出し、前記誤差指令値Ｖｓｅに零をセットし、誤差情報Ｖｇが零になるように演算を行う。その結果、推定されたセンサレス磁極位置θｍと実磁極位置との差が小さくなって収束し、センサレス磁極位置θｍが電気角で検出される。なお、５２はＰＩＤ演算器（ＰＩＤ）、５３はセンサレス磁極位置θｍを検出するのに伴って速度推定値ωｍを算出する速度推定値算出処理手段としての補償器（Ｋｍ）、５４は速度推定値ωｍを積分してセンサレス磁極位置θｍを算出する積分器（１／ｓ）である。
【００５９】
本実施の形態においては、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈが注入されるようになっているが、ｑ軸電流指令値ｉｑ^*に高周波電流を注入したり、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*のいずれにも高周波電流を注入したりすることができる。
【００６０】
ところで、前記簡易センサ位置検出方法の場合、電気角の１周期において６ステップの分解能で磁極位置を検出するようになっているので、分解能が極めて低く、モータ３１を始動する際のセンサ磁極位置θｋの検出誤差が極めて大きくなってしまう。また、低・中速領域でモータ３１を駆動する場合、モータ回転速度ＮＭの速度変動が大きいので、補正処理を行った場合、センサ磁極位置θｋの検出精度が低くなってしまう。したがって、検出されたセンサ磁極位置θｋに基づいてモータ３１を駆動すると、十分なモータトルクＴＭを発生させることができない。
【００６１】
また、センサレス位置検出方法の場合、モータ回転速度ＮＭが高くなり、高速領域でモータ３１を駆動すると、ステータコイルに供給される電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ等に高周波成分が発生し、該高周波成分とｄ軸電流指令値ｉｄ^*に注入される高周波電流Ｉｈとが干渉し、センサレス磁極位置θｍの検出精度が低くなってしまう。
【００６２】
そこで、モータ３１を始動する際、及びモータ回転速度ＮＭが所定の設定値より低く、低・中速領域でモータ３１を駆動する際にはセンサレス位置検出方法によってセンサレス磁極位置θｍを検出し、モータ回転速度ＮＭが所定の設定値以上になり、高速領域でモータ３１を駆動する際には、選択処理部２４によって磁極位置の検出方法を切り換え、簡易センサ位置検出方法によってセンサ磁極位置θｋを検出するようにしている。
【００６３】
図５は本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の動作を示すメインフローチャート、図６は本発明の実施の形態におけるセンサレス磁極位置検出処理のサブルーチンを示す図、図７は本発明の実施の形態におけるセンサ磁極位置検出処理のサブルーチンを示す図、図８は本発明の実施の形態におけるフェール判定処理のサブルーチンを示す図、図９は本発明の実施の形態におけるフェール判定処理の動作を示すタイムチャートである。
【００６４】
まず、モータ３１が始動されると、モータ制御装置４５の図示されない磁極位置検出処理手段は、磁極位置検出処理を行う。そして、センサレス磁極位置検出処理手段９１（図１）は、センサレス磁極位置θｍを検出する。
【００６５】
そのために、前記センサレス磁極位置検出処理手段９１は、所定の磁極位置θｎを初期位置として設定し、設定された初期位置に基づいて、推定ｄ−ｑ座標を想定し、該推定ｄ−ｑ座標において、モータ３１（図２）を駆動するためのｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を算出する。そして、前記センサレス磁極位置検出処理手段９１の高周波注入処理手段は、高周波注入処理を行い、高周波電流発生部４８に制御信号ＳＧ１を送り、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈを注入してｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*に高周波電圧を発生させる。なお、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*によって高周波注入指令値が構成される。
【００６６】
そして、前記センサレス磁極位置検出処理手段９１の図示されない磁極位置特定処理手段は、磁極位置特定処理を行い、前記ｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*に基づいて、センサレス位置検出方法によってセンサレス磁極位置θｍを特定することにより検出する。
【００６７】
また、前記センサ磁極位置検出処理手段は、センサ磁極位置θｋを検出する。
【００６８】
そのために、前記センサ磁極位置検出処理手段は、前記位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを受け、位置検出信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗの信号レベルの組合せに基づいて６個の検出パルスを発生させ、各検出パルスに基づいて電気角の１周期である３６０〔°〕において６ステップの分解能で、検出パルスが発生させられたときの磁極位置を磁極位置検出値θｐとして取得する。
【００６９】
続いて、前記補正処理手段は、補正処理を行い、モータ回転速度ＮＭを読み込み、取得された磁極位置検出値θｐをモータ回転速度ＮＭに基づいて補正してセンサ磁極位置θｋを検出する。
【００７０】
そして、センサレス磁極位置θｍ及びセンサ磁極位置θｋが検出されると、前記選択処理部２４は、選択処理を行い、始動時における磁極位置θｎとしてセンサレス磁極位置θｍを設定し、該磁極位置θｎをＵＶ−ｄｑ変換部６１及びｄｑ−ＵＶ変換部６７に送る。続いて、前記モータ制御装置４５の図示されない駆動処理手段は、駆動処理を行い、磁極位置θｎに基づいてモータ３１を駆動する。
【００７１】
ところで、該モータ３１を始動する際、又は低・中速領域でモータ３１を駆動しているときに、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈを注入する際の信号系にノイズが入ったり、モータ３１の実磁極位置が急激に変化したりして、センサレス位置検出方法によってセンサレス磁極位置θｍを正確に検出することができなくなり、フェールが発生すると、モータ３１が脱調することがあり、モータ３１を安定して駆動することができなくなってしまう。
【００７２】
そこで、モータ制御装置４５のフェール判定処理手段９４は、フェール判定処理を行い、センサレス位置検出方法によってセンサレス磁極位置θｍを正確に検出することができなくなり、フェールが検出されたかどうかを判断する。そのために、前記フェール判定処理手段９４の図示されない磁極位置取得処理手段は、磁極位置取得処理を行い、センサレス磁極位置θｍを読み込む。次に、前記フェール判定処理手段９４は、前記補償器５３によって算出された速度推定値ωｍを読み込む。
【００７３】
そして、フェール判定処理手段９４の図示されないフェール検出処理手段は、フェール検出処理を行い、前記速度推定値ωｍが負の値を採り、かつ、その状態で一定の時間が経過したかどうかどうかを判断し、前記速度推定値ωｍが負の値を採り、かつ、その状態で一定の時間が経過した場合に、フェールを検出する。
【００７４】
ところで、前記センサレス位置検出方法においては、ロータの円周方向における永久磁石と、永久磁石がなく空間が形成された部分とは磁束の分布特性からみて等価であるので、０〜±１８０〔°〕の電気角の範囲でセンサレス磁極位置θｍが検出されることになるが、検出されたセンサレス磁極位置θｍがＮ極に属するものであるかＳ極に属するものであるか分からない。そこで、モータ３１の始動時に、センサレス磁極位置θｍが検出されると、検出されたセンサレス磁極位置θｍについてＮＳ判定が行われ、Ｎ極に属するものであるかＳ極に属するものであるかの判定が行われる。
【００７５】
ところが、センサレス磁極位置θｍに基づいてモータ３１を駆動しているときに、何らかの原因で、ｄ軸電流指令値ｉｄ^*に高周波電流Ｉｈを注入する際の信号系にノイズが入ったり、モータ３１の実磁極位置が急激に変化したりすると、センサレス磁極位置θｍの極性が反転されて検出されることがある。この場合、モータ３１を駆動しているときの実磁極位置をθｒとすると、実磁極位置θｒとセンサレス磁極位置θｍとの関係は、図９の上半部に示されるようになり、例えば、タイミングｔ１でセンサレス磁極位置θｍが実磁極位置θｒから大きく乖（かい）離してしまう。
【００７６】
ところが、センサレス磁極位置θｍの極性が反転されて検出されても、検出されたセンサレス磁極位置θｍによってモータ３１を駆動することが可能であり、モータ３１は逆方向に回転しようとする。したがって、クランクシャフト１２を介して直結されたエンジン１１に逆方向の力が加わり、エンジン１１に損傷を与えてしまう。
【００７７】
これに対して、モータ３１を駆動しているときの実際のモータ回転速度ＮＭ、すなわち、実モータ回転速度をωｒとしたとき、実モータ回転速度ωｒと速度推定値ωｍとの関係は、図９の下半部に示されるようになる。この場合、例えば、タイミングｔ１でセンサレス磁極位置θｍの極性が反転されて検出されると、速度推定値ωｍは一旦（いったん）正の大きな値を採った後、急激に負の値を採り、その後、負の値を採り続ける。
【００７８】
したがって、前述されたように、速度推定値ωｍを算出すると、センサレス磁極位置θｍの極性が反転されて検出されたときに、直ちにフェールを検出することができる。
【００７９】
そして、モータ制御装置４５は、フェール判定処理の判定結果に基づいて、フェールが検出されたかどうかを判断し、フェールが検出されると、モータ制御装置４５の図示されない停止処理手段は、停止処理を行い、直ちにモータ３１を停止させる。また、フェールが検出されない場合、前記モータ制御装置４５の図示されない切換条件成立判断処理手段は、切換条件成立判断処理を行い、モータ回転速度ＮＭ及び前記ｑ軸電圧指標値Ｖｑ^*を読み込み、モータ回転速度ＮＭに基づいて、磁極位置の第１の切換条件が成立したかどうかを判断する。
【００８０】
そのために、前記切換条件成立判断処理手段は、モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ１以上であるかどうかを判断する。そして、モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ１以上である場合、切換条件成立判断処理手段は、磁極位置θｎの第１の切換条件が成立したと判断し、前記選択処理部２４の図示されない切換処理手段は、切換処理を行い、磁極位置θｎの設定をセンサレス磁極位置θｍからセンサ磁極位置θｋに切り換える。
【００８１】
そして、前記選択処理部２４は、センサ磁極位置θｋを磁極位置θｎとして設定し、該磁極位置θｎをＵＶ−ｄｑ変換部６１及びｄｑ−ＵＶ変換部６７に送る。続いて、前記駆動処理手段は、磁極位置θｎに基づいてモータ３１を駆動する。
【００８２】
次に、前記切換条件成立判断処理手段は、モータ回転速度ＮＭに基づいて磁極位置θｎの第２の切換条件が成立したかどうかを判断する。
【００８３】
そのために、前記切換条件成立判断処理手段は、モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ２（＜ＮＭｔｈ１）より低く、かつ、モータ３１が停止させられていないかどうかを判断し、モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ２より低く、かつ、モータ３１が停止させられていない場合に、切換条件成立判断処理手段は、磁極位置の第２の切換条件が成立したと判断し、前記切換処理手段は、磁極位置θｎの設定をセンサ磁極位置θｋからセンサレス磁極位置θｍに切り換える。
【００８４】
そして、前記選択処理部２４は、センサレス磁極位置θｍを磁極位置θｎとして設定し、該磁極位置θｎをＵＶ−ｄｑ変換部６１及びｄｑ−ＵＶ変換部６７に送る。続いて、前記駆動処理手段は、磁極位置θｎに基づいてモータ３１を駆動する。
【００８５】
このように、モータ３１を始動する際、及び低・中速領域でモータ３１を駆動する際にはセンサレス磁極位置θｍに基づいて、高速領域でモータ３１を駆動する際には磁極位置の検出方法を切り換え、簡易センサ位置検出方法によってセンサ磁極位置θｋを検出するようにしている。
【００８６】
したがって、モータ３１を始動する際、及び低・中速領域でモータ３１を駆動する際に、モータ回転速度ＮＭの速度変動が大きくても、センサレス磁極位置θｍが磁極位置θｎとして設定されるので、磁極位置θｎの検出精度を高くすることができる。その結果、検出された磁極位置θｎに基づいてモータ３１を駆動したときに十分なモータトルクＴＭを発生させることができる。また、高速領域でモータ３１を駆動する際に、ステータコイルに供給される電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ等に高周波成分が発生しても、センサ磁極位置θｋが磁極位置θｎとして設定されるので、磁極位置θｎの検出精度を高くすることができる。
【００８７】
そして、モータ３１を始動する際、及び低・中速領域でモータ３１を駆動しているときに、センサレス磁極位置θｍの極性が反転されて検出されたときに、直ちにフェールを検出することができ、モータ３１が停止させられる。したがって、モータ３１を安定して駆動することができる。
【００８８】
なお、本実施の形態においては、磁極位置θｎの設定をセンサレス磁極位置θｍからセンサ磁極位置θｋに切り換える際、及びセンサ磁極位置θｋからセンサレス磁極位置θｍに切り換える際の各設定値ＮＭｔｈ１、ＮＭｔｈ２にヒステリシスを持たせ、磁極位置θｎの設定をセンサレス磁極位置θｍからセンサ磁極位置θｋに切り換える際の設定値ＮＭｔｈ１は、センサ磁極位置θｋからセンサレス磁極位置θｍに切り換える際の設定値ＮＭｔｈ２より大きくされる。
【００８９】
次に、図５のフローチャートについて説明する。
ステップＳ１センサレス磁極位置検出処理を行う。
ステップＳ２センサ磁極位置検出処理を行う。
ステップＳ３センサ磁極位置θｋが磁極位置θｎとして設定されているかどうかを判断する。センサ磁極位置θｋが磁極位置θｎとして設定されている場合はステップＳ１２に、設定されていない場合はステップＳ４に進む。
ステップＳ４センサレス磁極位置θｍを磁極位置θｎとして設定する。
ステップＳ５モータ３１を駆動する。
ステップＳ６フェール判定処理を行う。
ステップＳ７フェールが検出されたかどうかを判断する。フェールが検出された場合はステップＳ８に、検出されなかった場合はステップＳ９に進む。
ステップＳ８モータ３１を停止させ、処理を終了する。
ステップＳ９モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ１以上であるかどうかを判断する。モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ１以上である場合はステップＳ１０に進み、モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ１より小さい場合はステップＳ１に戻る。
ステップＳ１０切換処理を行う。
ステップＳ１１センサ磁極位置θｋを磁極位置θｎとして設定する。
ステップＳ１２モータ３１を駆動する。
ステップＳ１３モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ２より小さいかどうかを判断する。モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ２より小さい場合はステップＳ１４に進み、モータ回転速度ＮＭが設定値ＮＭｔｈ２以上である場合はステップＳ１に戻る。
ステップＳ１４モータ３１が停止させられたかどうかを判断する。モータ３１が停止させられた場合は処理を終了し、停止させられていない場合はステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５切換処理を行い、ステップＳ１に戻る。
【００９０】
次に、図６のフローチャートについて説明する。
ステップＳ１−１高周波電流Ｉｈを注入する。
ステップＳ１−２センサレス磁極位置θｍを検出し、リターンする。
【００９１】
次に、図７のフローチャートについて説明する。
ステップＳ２−１検出パルスを発生させる。
ステップＳ２−２磁極位置検出値θｐを取得する。
ステップＳ２−３モータ回転速度ＮＭを読み込む。
ステップＳ２−４磁極位置検出値θｐを補正し、リターンする。
【００９２】
次に、図８のフローチャートについて説明する。
ステップＳ６−１センサレス磁極位置θｍを読み込む。
ステップＳ６−２速度推定値ωｍが０より小さいかどうかを判断する。速度推定値ωｍが０より小さい場合はステップＳ６−３に、速度推定値ωｍが０以上である場合はリターンする。
ステップＳ６−３一定の時間が経過したかどうかを判断する。一定の時間が経過した場合はステップＳ６−４に進み、経過していない場合はステップＳ６−２に戻る。
ステップＳ６−４フェールを検出し、リターンする。
【００９３】
本実施の形態においては、高周波成分として高周波電流Ｉｈを注入するようにしているが、高周波成分として高周波電圧を注入することもできる。また、高周波電流Ｉｈ及び高周波電圧は、正弦波であっても、パルス波であってもよい。
【００９４】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、電動機械制御装置においては、エンジンのクランクシャフトに直結された電動機械と、該電動機械の磁極位置を検出する磁極位置検出処理手段と、前記磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値が負の値を採るかどうかによって前記磁極位置検出処理手段の異常を検出するフェール判定処理手段とを有する。
そして、前記磁極位置検出処理手段は、あらかじめ設定された所定の磁極位置に基づいて想定された推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を発生させ、前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高調波電流を注入することによってｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を発生させ、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値に含まれる誤差情報を零にするように制御を行うことによって前記磁極位置を検出する。
【００９６】
この場合、前記磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値が負の値を採るかどうかによって前記磁極位置検出処理手段の異常が検出されるので、電動機械を始動する際、又は低・中速領域で電動機械を駆動しているときに、磁極位置の極性が反転して検出された場合、直ちに前記磁極位置検出処理手段の異常を検出することができる。その結果、電動機械を安定して駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における電動車両の駆動制御装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態における簡易センサ位置検出方法によって発生させられる位置検出信号のタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における実磁極位置と磁極位置検出値との関係を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の動作を示すメインフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態におけるセンサレス磁極位置検出処理のサブルーチンを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるセンサ磁極位置検出処理のサブルーチンを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態におけるフェール判定処理のサブルーチンを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態におけるフェール判定処理の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
３１モータ
４５モータ制御装置
９１センサレス磁極位置検出処理手段
９４フェール判定処理手段

Claims

エンジンのクランクシャフトに直結された電動機械と、該電動機械の磁極位置を検出する磁極位置検出処理手段と、前記磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値が負の値を採るかどうかによって前記磁極位置検出処理手段の異常を検出するフェール判定処理手段とを有するとともに、前記磁極位置検出処理手段は、あらかじめ設定された所定の磁極位置に基づいて想定された推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を発生させ、前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高調波電流を注入することによってｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を発生させ、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値に含まれる誤差情報を零にするように制御を行うことによって前記磁極位置を検出することを特徴とする電動機械制御装置。
前記磁極位置検出処理手段の異常が検出されたときに前記電動機械を停止させる停止処理手段を有する請求項１に記載の電動機械制御装置。
エンジンのクランクシャフトに直結された電動機械の磁極位置を検出し、該磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値が負の値を採るかどうかによって前記磁極位置の検出の異常を検出するとともに、前記磁極位置は、あらかじめ設定された所定の磁極位置に基づいて想定された推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を発生させ、前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高調波電流を注入することによってｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を発生させ、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値に含まれる誤差情報を零にするように制御を行うことによって検出されることを特徴とする電動機械制御方法。
コンピュータを、エンジンのクランクシャフトに直結された電動機械の磁極位置を検出する磁極位置検出処理手段、及び前記磁極位置を検出するのに伴って算出される速度推定値が負の値を採るかどうかによって前記磁極位置検出処理手段の異常を検出するフェール判定処理手段として機能させるとともに、前記磁極位置検出処理手段は、あらかじめ設定された所定の磁極位置に基づいて想定された推定ｄ−ｑ座標においてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を発生させ、前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のうちの少なくとも一方に高調波電流を注入することによってｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を発生させ、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値に含まれる誤差情報を零にするように制御を行うことによって前記磁極位置を検出することを特徴とするプログラム。