JP5482050B2 - モータ制御装置およびモータの欠相診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置およびモータの欠相診断方法に関する。

従来より、インバータを介してモータを制御する手法が知られている。このようなモータ制御手法では、システムを正常に制御するために、欠相を診断することが行われている。例えば、特許文献１には、モータの起動開始時にロータを初期位置に設定するための初期位置設定期間において各相に流れる電流をモニタすることで、欠相を診断している。

特開２００８−１６１０２１号公報

ところで、特許文献１に開示された手法によれば、初期位置設定期間、すなわち、モータが回転しているときに欠相の診断を行っている。そのため、モータ停止時に欠相の診断を行うことができず、また、モータに不要なトルクや振動が生じてしまう虞がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータに不要なトルクや振動が生じさせることなく欠相の診断を行うことである。

かかる課題を解決するために、本発明は、モータのロータ位相に基づいて、前記モータに注入する電流の位相を電流注入位相として算出し、モータ停止時に、前記電流注入位相に基づいて、前記モータの脱調を条件とする所定周波数以上の高周波電流を前記モータに注入し、高周波電流の注入後における前記モータの各相の電流値に基づいて、当該モータの欠相を判断する。

本発明によれば、ロータ位相に応じて電流注入位相が演算されるので、モータの停止位置に拘わらず各相の全てに電流を供給することができ、モータ停止時に欠相判断が可能になる。また、脱調を条件とする高周波電流が注入されることにより、モータの平均トルクがゼロとなる。これにより、モータにトルクや不要な振動が生じさせることなく欠相の診断を行うことができる。

モータ制御システムの全体構成を模式的に示す説明図 欠相診断の手順を示すフローチャート 高周波ｄｑ軸ピーク電流指令ｉd_s*，ｉq_s*の説明図 ３相の実電流を示す説明図 図４の一部を拡大して示す説明図 図５の３相の実電流に対応する各相の平滑化電流を示す説明図

図１は、本発明の実施形態にかかるモータ制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態にかかるモータ制御システムは、電動車（例えば、電気自動車）の駆動用モータを制御するモータ制御システムである。このモータ制御システムは、モータ１０、インバータ２０および制御ユニット３０を主体に構成されている。

モータ１０は、ロータとステータとを主体に構成されており、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線（本実施形態では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる３つの相巻線）がステータにそれぞれ巻回された永久磁石同期モータである。このモータ１０は、後述するインバータ２０から、３相の交流電力が各相巻線にそれぞれ供給されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により駆動し、これにより、ロータおよびこれに連結された出力軸が回転する。モータ１０の出力軸は、例えば、電気自動車の自動変速機に連結されている。

インバータ２０は、電源２１に接続されており、電源２１からの直流電力を交流電力に変換してモータ１０に供給する。交流電力はモータ１０の各相に対応して生成されており、インバータ２０によって生成された各相の交流電力は、モータ１０にそれぞれ供給される。

インバータ２０は、電源２１の正極側の母線に接続される上アームと、電源２１の負極側の母線に接続される下アームとが直列接続された回路を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して備えている。各相に対応する回路の各アームは、一方向の導通を制御可能な半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタといったスイッチング素子）を主体に構成されており、この半導体スイッチには、還流用ダイオードが逆並列接続されている。

各アームのオンオフ状態、すなわち、半導体スイッチのオンオフ状態（スイッチング動作）は、制御ユニット３０から出力されるＰＷＭ指令（ＰＷＭ制御のデューティー指令）を通じて制御される。個々のアームを構成する半導体スイッチは、制御ユニット３０のＰＷＭ指令によりオンされることにより導通状態となり、オフされることにより非導通状態（遮断状態）となる。

制御ユニット３０は、インバータ２０のスイッチング動作を制御することにより、モータ１０を制御するモータ制御装置である。制御ユニット３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。制御ユニット３０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、モータ１０を制御するための各種の演算を行う。そして、制御ユニット３０は、この演算によって算出された制御信号（ＰＷＭ指令）をインバータ２０に対して出力する。

この制御ユニット３０は、各種のセンサによって検出される情報を取得する（読み込む）ことができる。位置センサ１１（例えば、レゾルバ）は、モータ１０に取り付けられており、モータ１０のロータ位置を表す位置情報を検出する。また、電流センサ１２は、モータ１０における各相の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する（電流検出手段）。

また、本実施形態の特徴の一つとして、制御ユニット３０は、通常のモータ制御に加えて、３相のうちのいずれか一つの相が欠相しているか否かを診断する。この制御ユニット３０は、これを機能的に捉えた場合、電流指令部３１と、高周波化部３２と、電流制御部３３と、２相３相変換部３４と、ＰＷＭ指令部３５と、３相２相変換部３６と、位相検出部３７と、欠相診断部３８とを有している。

電流指令部３１は、欠相の診断時、モータ１０のロータ位相（電気角）θに基づいて、モータ１０に注入する電流の位相を電流注入位相として算出する。ここで、電流指令部３１は、３相電流比が所定比率（１：１／２：１／２）で、かつ、モータ１０（ロータ）の停止位置においてトルクピークが最も小さい位相の電流を、電流注入位相として算出する。具体的には、電流指令部３１は、ロータ位相θに基づいて、高周波ｄｑ軸ピーク電流指令ｉd_s*，ｉq_s*を算出する。

高周波化部３２は、高周波ｄｑ軸ピーク電流指令ｉd_s*，ｉq_s*のそれぞれに所定値（sin（ωｔ））を乗じることにより、高周波ｄｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*を算出する。ここで、「ω」は２πｆであり、周波数ｆは、モータ１０が脱調する周波数に設定されている。

電流制御部３３は、ｄｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*と、ｄｑ軸実電流ｉｄ，ｉｑとの差がそれぞれゼロとなるように、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑを決定する。電流制御部３３は、例えば、ＰＩ制御を用いてｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑを演算する（数式１参照）。

ここで、３相２相変換部３６が、ロータ位相θに基づいて、電流センサ１２によって検出される３相の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを座標変換することにより、ｄｐ軸実電流ｉｄ，ｉｑを演算している。電流制御部３３は、３相２相変換部３６によって演算されるｄｑ軸実電流ｉｄ，ｉｑに基づいて上記の演算を行う。

２相３相変換部３４は、ロータ位相θに基づいて、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑを３相の電圧指令ｖu*，ｖv*，ｖw*に変換する。

ＰＷＭ指令部３５は、例えば、三角波といった周期的に変動するＰＷＭキャリアの信号レベルと、３相の電圧指令ｖu*〜ｖw*との比較に基づいて、インバータ２０の各相の上下アームの半導体スイッチをオンオフするＰＷＭ指令を生成する。そして、ＰＷＭ指令部３５は、ＰＷＭ指令をインバータ２０に対して出力する。インバータ２０は、ＰＷＭ指令に応じて各相の上下アームがスイッチング動作を行うことで所定の電圧をモータ１０に印加し、これにより、モータ１０を駆動する。

位相検出部３７は、位置センサ１１により検出される位置情報に基づいて、ロータ位相（電気角）θ、すなわち、モータ１０のロータの磁極位置を演算している（位相検出手段）。位相検出部３７による演算結果が、電流指令部３１，２相３相変換部３４および３相２相変換部３６にそれぞれ入力されている。

また、本実施形態の特徴の一つとして、欠相診断部３８は、欠相診断の実行時、電流センサ１２によって検出される３相の実電流ｉｕ〜ｉｗに基づいて、欠相の診断を行う。

図２は、本実施形態にかかる欠相診断の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、モータ１０の停止時、例えば、車両の始動時、制御ユニット３０によって実行される。

まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、位相検出部３７は、位置センサ１１の検出結果に基づいて、モータ１０のロータ位相θを検出する。位相検出部３７によって検出されたロータ位相θは、電流指令部３１，２相３相変換部３４および３相２相変換部３６にそれぞれ出力される。

ステップ１１（Ｓ１１）において、電流指令部３１は、ロータ位相θが、図３に示す（１）から（６）のいずれに属するかを判定する（図３参照）。そして、電流指令部３１は、ｄ軸に最も近い相と、他の２相のそれぞれとの電流比が、１：１／２：１／２となるように、高周波ｄｑ軸ピーク電流指令ｉd_s*，ｉq_s*を決定する。具体的には、電流指令部３１は、以下に示すように、ロータ位相θに基づいて、高周波ｄｑ軸ピーク電流指令ｉd_s*，ｉq_s*を決定する。ここで、電流Ｉ１は、電流センサ１２のオフセット誤差等を考慮して、欠相診断を行うのに十分な大きさの電流を与えるものとする。

（１）330°≦θ＜30°・・・Ｕ相：Ｖ相：Ｗ相＝１：1/2：1/2
0°≦θ＜30・・ｉd_s*＝Ｉ１・cosθ，ｉq_s*＝−Ｉ１・sinθ
330°≦θ＜360°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(360°−θ)，ｉq_s*＝Ｉ１・sin(360°−θ)
（２）30°≦θ＜90°・・・Ｕ相：Ｖ相：Ｗ相＝1/2：1/2：１
30°≦θ＜60°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(60°−θ)，ｉq_s*＝Ｉ１・sin(60°−θ)
60°≦θ＜90°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(θ−60°)，ｉq_s*＝−Ｉ１・sin(θ−60°)
（３）90°≦θ＜150°・・・Ｕ相：Ｖ相：Ｗ相＝1/2：１：1/2
90°≦θ＜120°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(120°−θ)，ｉq_s*＝Ｉ１・sin(120°−θ)
120°≦θ＜150°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(θ−120°)，ｉq_s*＝−Ｉ１・sin(θ−120°)
（４）150°≦θ＜210°・・・Ｕ相：Ｖ相：Ｗ相＝１：1/2：1/2
150°≦θ＜180°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(180°−θ)，ｉq_s*＝Ｉ１・sin(180°−θ)
180°≦θ＜210°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(θ−180°)，ｉq_s*＝−Ｉ１・sin(θ−180°)
（５）210°≦θ＜270°・・・Ｕ相：Ｖ相：Ｗ相＝1/2：1/2：１
210°≦θ＜240°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(240°−θ)，ｉq_s*＝Ｉ１・sin(240°−θ)
240°≦θ＜270°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(θ−240°)，ｉq_s*＝−Ｉ１・sin(θ−240°)
（６）270°≦θ＜330°・・・Ｕ相：Ｖ相：Ｗ相＝1/2：１：1/2
270°≦θ＜300°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(300°−θ)，ｉq_s*＝Ｉ１・sin(300°−θ)
300°≦θ＜330°・・ｉd_s*＝Ｉ１・cos(θ−300°)，ｉq_s*＝−Ｉ１・sin(θ−300°)

ステップ１２（Ｓ１２）において、高周波化部３２は、高周波ｄｑ軸ピーク電流指令ｉd_s*，ｉq_s*に基づいて下式に示す演算を行い、高周波ｄｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*を演算する。

ここで、ｆは、モータ１０が脱調する周波数（例えば、500Ｈｚ）であればよく、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。

このようにして演算された高周波ｄｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*は、後段の各要素（電流制御部３３、２相３相変換部３４、ＰＷＭ指令部３５）に出力され、高周波ｄｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*に応じてインバータ２０が制御されることとなる。

ステップ１３（Ｓ１３）において、欠相診断部３８は、電流センサ１２によって検出される３相の実電流ｉｕ〜ｉｗを読み込む。そして、ステップ１４（Ｓ１４）において、欠相診断部３８は、各相の電流を平滑化する。具体的には、欠相診断部３８は、例えば、ローパスフィルタを用いて平滑化を行う（数式３参照）。

ステップ１５（Ｓ１５）において、欠相診断部３８は、各相の平滑化電流Ｉu_c，Ｉv_c，Ｉw_cについて、その絶対値がしきい値αよりも小さいか否かを判断する。このしきい値αは、モータ１０に流す電流Ｉ１を考慮して誤診断しない値に設定されており、実験やシミュレーションを通じて最適値が予め設定されている。

ここで、図４は、３相の実電流を示す説明図であり、図５は、図４の一部を拡大して示す説明図である。また、図６は、図５の３相の実電流に対応する各相の平滑化電流Ｉu_c〜Ｉw_cを示す説明図である。図４〜６において、（ａ）はｕ相実電流ｉｕ（平滑化電流ｉu_c）、（ｂ）はｖ相実電流ｉｖ（平滑化電流ｉv_c）、（ｃ）はｗ相実電流ｉｗ（平滑化電流ｉw_c）を示しており、中央に示す破線のタイミング以降においてＵ相の欠相が生じているものとする。

図６に示すように、平滑化電流は、正常時はほぼゼロを示すが、欠相していた場合には、図６のように、３相の平滑化電流は正負のいずれかにオフセットする。そのため、欠相診断部３８は、ゼロからオフセットしているか否かを判断することにより、欠相が生じているか否かを診断することができる。

すなわち、ステップ１５において否定判定された場合、すなわち、平滑化電流の何れかがしきい値α以上か、もしくは−α以下であった場合には、欠相と判断する（ステップ１６（Ｓ１６））。一方、ステップ１５において肯定判定された場合、すなわち、平滑化電流の絶対値がしきい値αよりも小さい場合には、本ルーチンを抜ける。

このように本実施形態において、制御ユニット３０は、モータ１０のロータ位相θに基づいて、モータ１０に注入する電流の位相を電流注入位相として算出する（算出手段）。また、制御ユニット３０は、モータ停止時に、電流注入位相に基づいて、モータ１０の脱調を条件とする所定周波数以上の高周波電流をモータに注入する（注入手段）。また、制御ユニット３０は、高周波電流の注入後におけるモータ１０の各相の電流値に基づいて、モータ１０の欠相を判断する（診断手段）。特に、本実施形態では、制御ユニット３０は、３相の電流比が１：１／２：１／２で、かつ、モータ１０の停止位置においてトルクピークが最も小さい位相の電流を、電流注入位相として算出する。

かかる構成によれば、ロータ位相θに応じて電流注入位相が演算されるので、モータ１０の停止位置に拘わらず各相の全てに電流を供給することができ、モータ停止時であっても欠相判断が可能になる。また、脱調を条件とする高周波電流が注入されることにより、モータ１０の平均トルクがゼロとなる。これにより、モータ１０にトルクや不要な振動が生じさせることなく欠相の診断を行うことができる。

なお、制御ユニット３０による算出手段の機能は、本実施形態において、電流指令部３１によって担われ、注入手段の機能は、高周波化部３２からＰＷＭ指令部３５までの各要素によって担われ、診断手段の機能は、欠相診断部３８によって担われる。

また、制御ユニット３０は、各相の電流の検出結果を平滑化し、平滑化した各相の電流Ｉu_c〜Ｉw_cの絶対値が所定の判定値（しきい値α）未満の場合に正常判定とし、所定の判定値以上の場合に欠相と判断する。かかる構成によれば、モータ１０の３相電流ｉｕ〜ｉｗを平滑化することで、この平滑化した電流Ｉu_c〜Ｉw_cのオフセットを検出することで欠相の診断を容易に行うことができる。

１０…モータ
１１…位置センサ
１２…電流センサ
２０…インバータ
２１…電源
３０…制御ユニット
３１…電流指令部
３２…高周波化部
３３…電流制御部
３４…相変換部
３５…ＰＷＭ指令部
３６…相変換部
３７…位相検出部
３８…欠相診断部

Claims (4)

1. モータのロータ位相を検出する位相検出手段と、
   前記モータに流れる各相の電流を検出する電流検出手段と、
   検出したロータ位相に基づいて、前記モータに注入する電流の位相を電流注入位相として算出する算出手段と、
   前記モータの停止時に、前記電流注入位相に基づいて、前記モータの脱調を条件とする所定周波数以上の高周波電流を前記モータに注入する注入手段と、
   前記注入手段による高周波電流の注入後における前記モータの各相の電流値に基づいて、当該モータの欠相を判断する診断手段と
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記モータは、３相の永久磁石同期モータであり、
   前記算出手段は、３相の電流比が１：１／２：１／２で、かつ、前記モータの停止位置においてトルクピークが最も小さい位相の電流を、前記電流注入位相として算出することを特徴とする請求項１に記載されたモータ制御装置。
3. 前記診断手段は、各相の電流の検出結果を平滑化し、当該平滑化した各相の電流の絶対値が所定の判定値未満の場合に正常判定とし、前記所定の判定値以上の場合に欠相と判断することを特徴とする請求項１または２に記載されたモータ制御装置。
4. モータのロータ位相に基づいて、前記モータに注入する電流の位相を電流注入位相として算出する第１のステップと、
   前記モータの停止時に、前記電流注入位相に基づいて、前記モータの脱調を条件とする所定周波数以上の高周波電流を前記モータに注入する第２のステップと、
   前記第２のステップによる高周波電流の注入後における前記モータの各相の電流値に基づいて、当該モータの欠相を判断する第３のステップと
   を有することを特徴とするモータの欠相診断方法。
   
   

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