JP5605312B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転機に流れる電流の検出値を入力とし、前記回転機の電気角速度情報によらずに回転機のトルクを推定する制御用推定手段を備え、該制御用推定手段によって推定されるトルクを指令値にフィードバック制御すべく前記回転機に接続された交流電圧印加回路の出力電圧を操作する回転機の制御装置に関する。

この種の制御装置としては、たとえば下記特許文献１に見られるように、式「φ・ｉｄ＋Ｐ（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ」に基づき推定されるトルクとトルク指令値との差に基づき、トルク制御の異常の有無を診断するものも提案されている。なお、トルクの推定手法としては、他にもたとえば電機子鎖交磁束数φとして特定の値を想定したマップに基づくものもある。

特開２００７−１６６８２１号公報

ただし、上記式やマップを用いる場合、電動機の永久磁石の磁力が減少する異常が生じる場合等にあっては、電機子鎖交磁束定数φが変化するため、トルクの推定精度が大きく低下する。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、回転機に流れる電流の検出値を入力とし、前記回転機の電気角速度情報によらずに回転機のトルクを推定する制御用推定手段を備え、該制御用推定手段によって推定されるトルクを指令値にフィードバック制御すべく前記回転機に接続された交流電圧印加回路を操作する新たな回転機の制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

第１の発明は、回転機に流れる電流の検出値を入力とし、前記回転機の電気角速度情報によらずに回転機のトルクを推定する制御用推定手段を備え、該制御用推定手段によって推定されるトルクを指令値にフィードバック制御すべく前記回転機に接続された交流電圧印加回路の出力電圧を操作する回転機の制御装置において、前記操作される出力電圧、前記回転機を流れる電流の検出値および前記回転機の電気角速度を入力とし、前記交流電圧印加回路の電力を前記回転機の電気角速度で除算した値に基づき前記回転機のトルクを推定する診断用推定手段と、前記診断用推定手段によって推定されるトルクと、前記制御用推定手段によって推定されるトルクとの比較に基づき、前記フィードバック制御の異常の有無を診断する診断手段と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、診断用推定手段と制御用推定手段とが互いに独立にトルクを推定する。ここで、これらトルク推定手段による推定値が相違する場合、フィードバック制御手段に利用される制御用推定手段に異常が生じており、ひいてはフィードバック制御に異常が生じていると考えられる。上記発明では、この点に鑑み、診断手段を備えることで、フィードバック制御の異常の有無を診断することができる。

なお、前記回転機は、永久磁石を備えるものであることが望ましい。

この場合、制御用診断手段は、回転機の電機子鎖交磁束定数についての情報に基づき構成されるものとなる。したがって、永久磁石の磁束が減少する異常が生じる場合等にあっては、正確なトルクを推定することができない。一方、診断用推定手段は、回転機の電機子鎖交磁束定数情報とは独立にトルクを推定するものである。このため、これら一対の推定手段によって推定されるトルク同士に相違が生じる場合、磁束の異常等によって制御用診断手段がトルクを正確に推定できない状況であると判断することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記診断用推定手段の入力パラメータは、前記回転機を流れる電流のベクトルノルム、および前記電流のベクトルと前記操作される出力電圧のベクトルとの位相差を含み、前記電流のベクトルノルムおよび前記操作される出力電圧の積と前記位相差とから把握される前記交流電圧印加回路の実効電力を前記回転機の電気角速度で除算した値に基づく前記回転機のトルクを推定することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記電流のベクトルノルムは、ｄｑ座標成分から算出されることを特徴とする。

上記発明では、直流成分を用いることで、電流ベクトルノルムを容易に算出することができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記診断手段は、前記診断用推定手段によって推定されるトルクと前記指令値との乖離度合いに基づきトルク制御の異常の有無を診断する機能をさらに有することを特徴とする。

上記発明では、診断用推定手段によって推定されるトルクと指令値との差に基づき、回転機の実際のトルクが指令値どおりに制御されているか否かを診断することができる。ここで、トルクが指令値どおりに制御されていない場合、フィードバック制御の演算系が正常に機能していないためにトルクが指令値とならない異常であるのか、それ以外の要因による異常であるのか等、複数の要因が存在する。この点、上記発明では、診断用推定手段と制御用推定手段とのそれぞれで推定されるトルク同士に差がある場合、フィードバック制御の演算系が正常に機能していないためにトルクが指令値とならない異常であると識別できる。

一実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるＭＧＥＣＵの処理を示すブロック図。 同実施形態にかかる診断用トルクの算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる異常診断処理の手順を示す流れ図。

以下、本発明にかかる回転機の制御装置を車載主機としての回転機の制御装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるシステム構成図を示す。

図示されるように、モータジェネレータ１０は、車載主機としての３相の電動機兼発電機であり、駆動輪１４に機械的に連結されている。詳しくは、モータジェネレータ１０の回転軸１０ａは、電子制御式のクラッチＣ１およびトランスミッション１２を介して駆動輪１４に機械的に連結されている。なお、本実施形態では、モータジェネレータ１０として、埋め込み磁石同期機（ＩＰＭＳＭ）を想定している。

モータジェネレータ１０の回転軸１０ａは、さらに電子制御式のクラッチＣ２を介して内燃機関（エンジン１６）に機械的に連結されている。

モータジェネレータ１０は、インバータＩＮＶを介して端子電圧が所定の高電圧（たとえば１００Ｖ以上）となる高電圧バッテリ１８に接続されている。一方、インバータＩＮＶは、スイッチング素子Ｓ＊ｐ，Ｓ＊ｎ（＊＝ｕ，ｖ，ｗ）の直列接続体を３組備えており、これら各直列接続体の接続点がモータジェネレータ１０のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子Ｓ＊ｐ，Ｓ＊ｎとして、本実施形態では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられている。そして、これらにはそれぞれ、ダイオードＤ＊ｐ，Ｄ＊ｎが逆並列に接続されている。

本実施形態では、モータジェネレータ１０やインバータＩＮＶの状態を検出する検出手段として、以下のものを備えている。まず、インバータＩＮＶの入力電圧（電源電圧ＶＤＣ）を検出する電圧センサ２０を備えている。また、モータジェネレータ１０のＶ相およびＷ相を流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ２２，２４を備えている。さらに、モータジェネレータ１０の回転角度θ（電気角）を検出するレゾルバ等の回転角度センサ２６を備えている。

上記各種センサの検出値は、図示しないインターフェースを介して低圧システムを構成するモータジェネレータ用電子制御装置（ＭＧＥＣＵ３０）に取り込まれる。ＭＧＥＣＵ３０は、上位の制御装置であるハイブリッド用電子制御装置（ＨＶＥＣＵ３２）との間でＣＡＮ通信等によってデータの授受を行う。特に、ＭＧＥＣＵ３０は、ＨＶＥＣＵ３２から通知されるトルクの基本指令値Ｔｒ０に基づき、モータジェネレータ１０のトルクを制御する。これは、上記各種センサの検出値に基づき、インバータＩＮＶを操作する操作信号を生成して出力することで実行される。ここで、インバータＩＮＶのスイッチング素子Ｓ＊ｐ，Ｓ＊ｎを操作する信号が、操作信号ｇ＊ｐ，ｇ＊ｎである。

図２に、上記インバータＩＮＶの操作信号の生成に関する処理のブロック図を示す。

２相変換部４０では、電流センサ２２，２４のそれぞれによって検出された電流ｉｖ，ｉｗを、ｄｑ座標系の実電流ｉｄ，ｉｑに変換する。位相・振幅算出部４２では、実電流ｉｄ，ｉｑのベクトルノルム（振幅）と、ベクトルの位相とを算出する。ここで、ベクトルのノルムは、ベクトルの各成分の２乗の和の平方根によって定義される。制御用トルク推定部４６では、振幅・位相算出部４２において算出された実電流ｉｄ，ｉｑの振幅および位相に基づき、トルクの推定値（制御用推定トルクＴｅ）をマップ演算する。このマップは、たとえば、下記の式（ｃ１）を前提とするものであって且つ、ｄ軸インダクタンスＬｄやｑ軸インダクタンスＬｑが電流に応じて変化することを考慮した値を算出するものとすればよい。

Ｔｅ＝φ・ｉｄ＋Ｐ（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ …（ｃ１）
もっとも、これに代えて、実験等によって電流とトルクとの関係を求めることで作成されたマップであってもよい。

偏差算出部４８では、上記ＨＶＥＣＵ３２から出力される基本指令値Ｔｒ０に基づくトルク指令値Ｔｒと制御用推定トルクＴｅとの差を算出する。そして、位相設定部５０では、制御用推定トルクＴｅをトルク指令値Ｔｒにフィードバック制御するための操作量として位相δを算出する。この位相δは、制御用推定トルクＴｅとトルク指令値Ｔｒとの差を入力とする比例要素と積分要素との各出力の和として算出されるものである。

ノルム設定部５２では、トルク指令値Ｔｒおよび電気角速度ωとインバータＩＮＶの出力電圧ベクトルのノルムＶｎとの関係を記憶したマップを用い、トルク指令値Ｔｒおよび電気角速度ωを入力としてノルムＶｎを設定する。

そして、操作信号生成部５４では、上記位相設定部５０の設定する位相δと、上記ノルム設定部５２の出力するノルムＶｎと、電源電圧ＶＤＣと、回転角度θとに基づき、操作信号ｇ＊ｐ，ｇ＊ｎを生成する。詳しくは、操作信号生成部５４は、変調率毎に、電気角の１回転周期分の操作信号波形をマップデータとして記憶している。もっとも、操作信号波形の対称性に鑑み、「１／４」周期分のマップデータを記憶して且つ、対称性に基づきこれから１回転周期分の操作信号波形を算出するようにしてもよい。

操作信号生成部５４では、電源電圧ＶＤＣとノルムＶｎとに基づき、変調率を算出し、これに応じて、該当する操作信号波形を選択する。ここで、上記変調率の上限は、矩形波制御時の変調率である「１．２７」とされている。このため、変調率が最大値「１．２７」となる場合には、操作信号波形として、矩形波制御時の波形である電気角の１回転周期に高電位側のスイッチング素子Ｓ＊ｐがオン状態とされる期間と低電位側のスイッチング素子Ｓ＊ｎがオン状態とされる期間との一対の期間を、それぞれ１回ずつとする波形（１パルス波形）が選択される。

こうして操作信号波形が選択されると、操作信号生成部５４では、この波形の出力タイミングを上記位相設定部５０の設定する位相δに基づき設定することで、操作信号を生成する。

次に、モータジェネレータ１０の制御の際しての異常の有無の診断処理について説明する。本実施形態では、モータジェネレータ１０のトルクが正常でないか否かの異常を診断するに際し、モータジェネレータ１０の正しいトルク（診断用推定トルクＴｄｅ）を、診断用トルク推定部５６において算出する。そして、トルク異常診断部５８では、トルク指令値Ｔｒと診断用推定トルクＴｄｅとの比較に基づき、モータジェネレータ１０のトルクが正常であるか否かを診断する。一方、ＦＢ演算系異常診断部６０では、制御用推定トルクＴｅと診断用推定トルクＴｄｅとの比較に基づき、フィードバック制御の演算系の異常の有無を診断する。

ここで、診断用トルク推定部５６は、「トルク×電気角速度ω＝電力」の関係に鑑み、インバータＩＮＶの出力する電力を電気角速度ωで除算することでトルクを推定するものである。このため、モータジェネレータ１０の永久磁石の磁束が変化した場合であっても、トルクの推定精度に影響しない。この意味で、診断用トルク推定部５６は、制御用トルク推定部４６によって算出される制御用推定トルクＴｅよりも精度の高いトルクを推定することができる。

この診断用推定トルクＴｄｅとトルク指令値Ｔｒとが大きく乖離する場合、モータジェネレータ１０のトルクがトルク指令値Ｔｒどおりに制御されていない異常が生じていると判断できる。

一方、診断用推定トルクＴｄｅと制御用推定トルクＴｅとが大きく乖離している場合、フィードバック制御量としての制御用推定トルクＴｅに異常が生じている等、フィードバック制御の演算系に異常が生じていると判断することができる。ちなみに、この異常とは、たとえば永久磁石の磁束が減少する異常等によって、制御用トルク推定部４６が正しいトルクを推定することができなくなる異常等である。なお、この際には、診断用推定トルクＴｄｅとトルク指令値Ｔｒとの間にも乖離が生じる。しかし、診断用推定トルクＴｄｅとトルク指令値Ｔｒとの間に乖離が生じることからは、異常の要因を絞り込むことができない。なぜなら、この異常の要因が永久磁石の磁束の減少等に限らないからである。このように、ＦＢ演算系異常診断部６０とトルク異常診断部５８とを備えることで、異常の要因を特定しやすくなるメリットがある。

ちなみに、フィードバック制御量として診断用推定トルクＴｄｅを採用しない理由は、演算負荷が大きくなるためである。すなわち、診断用推定トルクＴｄｅの算出には、１電気角周期よりも短い時間間隔で変動する電気角速度ωを算出することが望ましいが、短い時間間隔で変動する電気角速度ωの算出処理を行う場合、演算負荷が大きくなる。これは、回転角度センサ２６の検出値に電気角に依存した誤差があるためであり、短い時間間隔で変動する電気角速度ωを精度良く算出するには、この誤差を補正したうえで回転角度の変化速度を算出する必要があるためである。

図３に、本実施形態にかかる診断用推定トルクＴｄｅの算出処理の手順を示す。この処理は、ＭＧＥＣＵ３０において、たとえば所定周期でくり返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、実電流ｉｄ，ｉｑと、回転角度θとを取得する。続くステップＳ１２においては、先の図２のノルム設定部５２によって設定されるノルムＶｎを取得する。続くステップＳ１４においては、電気角速度ωを算出する。続くステップＳ１６においては、実電流ｉｄ，ｉｑのベクトルと指令電圧との位相差Δを算出する。ここで、実電流ｉｄ，ｉｑの位相は、たとえば「ａｒｃｔａｎ｛ｉｑ／（−ｉｄ）｝」によって算出すればよい。また、指令電圧の位相は、位相設定部５０の出力する位相δとすればよい。続くステップＳ１８においては、実効電力ＥＰを算出する。これは、「ＥＰ＝Ｖｎ・Ｉａ・ｃｏｓΔ」である。なお、ここでは、電流ベクトルのノルムＩａを用いている。続くステップＳ２０においては、診断用推定トルクＴｄｅを、実効電力ＥＰを電気角速度ωで除算することで算出する。ここで、実効電力ＥＰを用いるのは、モータジェネレータ１０に出力される電力のうち、トルクに寄与するのは実効電力部分であることに鑑み、モータジェネレータ１０に出力される電力のうちの無効電力分を除外するためである。

なお、上記ステップＳ２０の処理が完了する場合、この一連の処理を一旦終了する。

図４に、本実施形態にかかる診断処理の手順を示す。この処理は、ＭＧＥＣＵ３０によってたとえば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ３０において、ＨＶＥＣＵ３２からトルクの基本指令値Ｔｒ０を受信する。続くステップＳ３２においては、基本指令値Ｔｒ０を補正することで、トルク指令値Ｔｒを算出する。これは、基本指令値Ｔｒ０に、モータジェネレータ１０の電気損失を補償するための補正量Ｔｌｅと、モータジェネレータ１０の機械損失を補償するための補正量Ｔｌｍと、エンジン１６側からモータジェネレータ１０の回転軸１０ａに加えられる周期的な負荷トルクを補償するための補正量Ｔｂとを加算することで行うことができる。

ここで、モータジェネレータ１０の電気損失は、回転子や固定子の銅損や、鉄損等である。一方、モータジェネレータ１０の機械損失は、回転軸１０ａとその軸受け部分との摩擦等、機械的な要因により生じる損失等である。また、負荷トルクとは、クランク軸の回転に伴ってエンジン１６内のピストンが上昇、下降を周期的に繰り返す際に生じる回転を妨げる力のことである。なお、負荷トルクは、クラッチＣ２の締結状態時に限って生じるものである。

上記電気損失を補償するための補正量Ｔｌｅは、たとえばモータジェネレータ１０のトルク、電気角速度ωおよび電源電圧ＶＤＣに応じてマップ演算すればよい。また、機械損失を補償するための補正量Ｔｌｍや負荷トルクを補償するための補正量Ｔｂは、電気角速度等に応じてマップ演算すればよい。

続くステップＳ３４では、ノルムＶｎを算出する。この処理は、先の図２に示すノルム設定部５２の処理である。本実施形態では、この図に示す一連の処理の周期を、位相δの更新周期よりも長く設定している。換言すれば、ノルムＶｎの更新処理を、位相δの更新周期よりも長く設定している。続くステップＳ３６においては、制御用推定トルクＴｅと、診断用推定トルクＴｄｅとを取得する。

そしてステップＳ３８においては、診断用推定トルクＴｄｅとトルク指令値Ｔｒとの差の絶対値が規定値ΔＴ１未満であるか否かを判断する。この処理は、モータジェネレータ１０の実際のトルクがトルク指令値Ｔｒに制御されているか否かを判断するためのものである。ここで規定値ΔＴ１は、フィードバック制御が正常になされている場合に生じうる実際のトルクとトルク指令値Ｔｒとの差の上限値と、診断用推定トルクＴｄｅの推定誤差との和よりも大きい値に設定される。そして、ステップＳ３８において否定判断される場合、ステップＳ４０において、モータジェネレータ１０の実際のトルクがトルク指令値Ｔｒから大きく乖離する異常が生じていると判断する。

上記ステップＳ３８において肯定判断される場合やステップＳ４０の処理が完了する場合には、ステップＳ４２に移行する。ステップＳ４２においては、診断用推定トルクＴｄｅと制御用推定トルクＴｅとの差の絶対値が規定値ΔＴ２未満であるか否かを判断する。この処理は、フィードバック制御の演算系の異常の有無を判断するためのものである。そして、ステップＳ４２において否定判断される場合、ステップＳ４４においてフィードバック制御の演算系の異常があると判断する。

なお、上記ステップＳ４２において肯定判断される場合や、ステップＳ４４の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。ちなみに、異常判断される場合、たとえばインバータＩＮＶのスイッチング素子ｇ＊＃を全てオフ操作する処理（インバータＩＮＶのシャットダウン処理）や、ＨＶＥＣＵ３８に通知する処理等を行う。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「診断用推定手段について」
ｄｑ軸上の電流（実電流ｉｄ，ｉｑ）に基づきベクトルノルムを算出するものに限らず、たとえばαβ軸上で電流ベクトルのノルムを算出するものであってもよい。この際、電流ベクトルの位相については、電流ベクトルの方向と回転角度θから把握されるｄ軸方向よりも９０度進角した方向との位相差として算出すればよい。

また、電流ベクトルと電圧ベクトルとそれらの位相差とに基づき実効電力を算出するものに限らず、たとえば各相の電圧と電流との積に基づき実効電力を算出するものであってもよい。

さらに、実効電力を算出する手段と、算出された実効電力を電気角速度ωで除算することで診断用推定トルクＴｄｅを算出する手段とを備えるものに限らない。たとえば、実電流のベクトルノルムＩａ、ノルムＶｎ、位相差Δおよび電気角速度ωと、診断用推定トルクＴｄｅとの関係を定めたマップを備え、ベクトルノルムＩａ、ノルムＶｎ、位相差Δおよび電気角速度ωを入力として診断用推定トルクＴｄｅをマップ演算するものであってもよい。

「制御用推定手段について」
実電流ｉｄ，ｉｑのみを入力パラメータとするものに限らず、たとえばモータジェネレータ１０の温度を入力パラメータに加えたものであってもよい。これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄやｑ軸インダクタンスＬｑの温度依存性を加味してより高精度の推定を行うことができる。

マップを用いるものに限らず、上記の式（ｃ１）を用いるものであってもよい。

「診断手段について」
診断用推定トルクＴｄｅとトルク指令値Ｔｒとの比較に基づく診断を行わなくてもよい。

「トルク指令値Ｔｒについて」
機械損失を補償するための補正量Ｔｌｍ、モータ損失を補償するための補正量Ｔｌｅ、および負荷トルクを補償するための補正量Ｔｂによって補正された基本指令値Ｔｒ０に限らない。たとえばこれら３つの補正量のいずれか１つのみによって補正されたものであってもよい。またたとえば、ＨＶＥＣＵ３８からの指令が回転速度の指令値である場合、これに応じてＭＧＥＣＵ３０においてトルク指令値Ｔｒを算出するようにしてもよい。

「交流電圧印加回路について」
交流電圧印加回路としては、直流電圧源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続するスイッチング素子を備える直流交流変換回路（インバータＩＮＶ）に限らない。たとえば特願２００８−３０８２５号に記載されているように、回転機の各端子に接続されるコンバータであってもよい。

「回転機について」
パラレルハイブリッド車の主機に限らず、たとえばパラレルシリーズハイブリッド車の主機であってもよい。また、ハイブリッド車にも限らず、車載主機のエネルギ供給源として電気エネルギを蓄積する手段のみを備える電気自動車や燃料電池車に搭載される主機であってもよい。もっとも、主機にも限らない。

永久磁石を備える同期機としては、ＩＰＭＳＭに限らず、たとえば表面磁石同期機（ＳＰＭＳＭ）等であってもよい。

回転機としては３相回転機に限らず、たとえば５相等、４相以上の回転機であってもよい。

上記実施形態では、回転機として、固定子巻線がスター結線されたものを想定したが、これに限らず、デルタ結線されたものであってもよい。

１０…モータジェネレータ、１６…エンジン、５６…診断用トルク推定部。

Claims (4)

1. 永久磁石を備える回転機に流れる電流の検出値を入力とし、前記回転機の電機子鎖交磁束が特定の値であることを前提に、前記回転機の電気角速度情報によらずに回転機の制御用トルクを推定する制御用推定手段を備え、該制御用推定手段によって推定される制御用トルクを指令値にフィードバック制御すべく前記回転機に接続された交流電圧印加回路の出力電圧を操作する回転機の制御装置において、
   前記操作される出力電圧、前記回転機を流れる電流の検出値および前記回転機の電気角速度を入力とし、前記交流電圧印加回路の電力を前記回転機の電気角速度で除算した値に基づき前記回転機の診断用トルクを推定する診断用推定手段と、
   前記診断用推定手段によって推定される診断用トルクと、前記制御用推定手段によって推定される制御用トルクとの比較に基づき、前記永久磁石の磁力が減少することによる前記フィードバック制御の異常の有無を診断する診断手段と、
   を備えることを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記診断用推定手段の入力パラメータは、前記回転機を流れる電流のベクトルノルム、および前記電流のベクトルと前記操作される出力電圧のベクトルとの位相差を含み、前記電流のベクトルノルムおよび前記操作される出力電圧の積と前記位相差とから把握される前記交流電圧印加回路の実効電力を前記回転機の電気角速度で除算した値に基づく前記回転機の診断用トルクを推定することを特徴とする請求項１記載の回転機の制御装置。
3. 前記電流のベクトルノルムは、ｄｑ座標成分から算出されることを特徴とする請求項２記載の回転機の制御装置。
4. 前記診断手段は、前記診断用推定手段によって推定される診断用トルクと前記指令値との乖離度合いに基づきトルク制御の異常の有無を診断する機能をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。

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