JP5910460B2 - 断線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電流によって駆動される回転機に適用される断線検出装置に関する。

この種の装置としては、下記特許文献１に見られるように、ブラシレスＤＣモータの電力供給線の断線を検出するものが知られている。詳しくは、ＤＣモータに供給される交流電流の少なくとも１相の電流値がほぼ０アンペアであるとの条件を含む所定の条件を定義し、上記所定の条件が規定時間継続して成立すると判断された場合、電力供給線の断線が生じている旨判断する。

特許第３８０１４７１号公報

ここで、上記規定時間は、断線の誤検出を回避するために設定されている。つまり、電力供給線の断線が生じていない場合においても、ＤＣモータに流れる電流はゼロクロスする。このため、断線が生じていない正常時において電流がゼロクロスすることと、実際に断線が生じた場合に電流が０アンペアになることとを判別することが要求される。この要求に答えるべく、規定時間が設定されている。

ここで、正常時においてＤＣモータに流れる電流が０アンペア近傍を通過する時間は、ＤＣモータの回転速度が高いほど短くなる。このため、ＤＣモータの低速度領域において、実際に断線が生じていないにもかかわらず断線が誤検出されることを回避すべく、規定時間は、低速度領域に対応した比較的長い時間に設定されている。こうした設定がなされると、ＤＣモータの高速度領域において、実際に断線が生じてから断線を検出するまでの時間が長くなる。すなわち、断線を迅速に検出可能なＤＣモータの回転速度領域が制約されることとなる。

こうした事態を回避すべく、例えば、ＤＣモータの回転速度が高いほど規定時間を短く設定することも考えられる。しかしながら、この場合であっても、ＤＣモータの低速度領域においては、規定時間を短くすることができず、実際に断線が生じてから断線を検出するまでの時間が長くなり得る。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転機に適用され、断線を迅速に検出することのできる断線検出装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１記載の発明は、交流電流によって駆動される回転機（１０）に適用され、前記回転機の駆動指示がなされているとの条件を含む所定の実行条件が成立しているか否かを判断する実行判断手段（３６）と、前記実行判断手段によって前記実行条件が成立していると判断される状況下において、前記回転機に流れる線電流の絶対値が０よりも大きい規定電流以下であってかつ、該線電流の変化速度の絶対値が０よりも高い規定速度以下であることに基づき、前記回転機を含む電流流通経路の断線が生じている旨判断する断線判断手段（３６）と、を備えることを特徴とする。

交流電流によって駆動される回転機において、上記電流流通経路の断線が生じていない場合、回転機に流れる線電流の変化速度は、回転機に流れる線電流が小さいときに高くなる一方、上記線電流が大きいときに低くなる。これに対し、断線が生じる場合、回転機に流れる線電流に加えて、上記線電流の変化速度が０となる。こうした点に鑑み、本発明者は、回転機に流れる線電流に加えて、線電流の変化速度を断線の検出に用いることで、実際に断線が生じてから断線が生じている旨の判断を確定させるまでの時間を短縮できることを見出した。

そこで、上記発明では、断線判断手段を備えた。このため、上記電流流通経路の断線が実際に生じてから断線を検出するまでの時間を短縮することができる。さらに、上記発明によれば、断線を迅速に検出可能な回転機の回転速度領域が制約されることを回避することもできる。

一実施形態にかかるモータジェネレータの制御システムの構成図。 一実施形態にかかる断線検出処理の手順を示すフローチャート。 一実施形態にかかる断線検出処理を示すタイムチャート。 比較技術にかかる断線検出処理を示すタイムチャート。

以下、本発明にかかる断線検出装置を車載主機として内燃機関及び回転機を備えるハイブリッド車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に示すように、高電圧システムを構成する車載主機としてのモータジェネレータ１０は、多相ブラシレスＤＣモータであり、具体的には、３相の永久磁石同期モータ（埋め込み磁石同期モータ又は表面磁石同期モータ）である。モータジェネレータ１０のステータは、Ｕ相コイル１０ｕ、Ｖ相コイル１０ｖ及びＷ相コイル１０ｗを備えており、これらコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗは、それぞれの一端同士が中性点で接続されることによりY結線されている。

モータジェネレータ１０は、インバータＩＮＶを介して高電圧バッテリ１２及びコンデンサ１４に接続されている。高電圧バッテリ１２は、端子電圧が例えば百Ｖ以上となる直流電源である。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は、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。なお、本実施形態では、これらスイッチング素子Ｓ￥＃（＃＝ｐ，ｎ）として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いている。また、これらスイッチング素子Ｓ￥＃にはそれぞれ、フリーホイールダイオードＤ￥＃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、モータジェネレータ１０の回転角（電気角θ）を検出する回転角度センサ１６（例えばレゾルバ）を備えている。また、モータジェネレータ１０のＶ相，Ｗ相のそれぞれに流れるＶ相電流，Ｗ相電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１８ｖ，１８ｗを備えている。ここで、電流センサ１８ｖ，１８ｗとしては、例えば、カレントトランスや抵抗器を備えるものを採用することができる。さらに、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。

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電圧システムを構成する制御装置２２に取り込まれる。制御装置２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）やメモリを備え、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにて実行するソフトウェア処理手段である。制御装置２２は、モータジェネレータ１０の制御量（出力トルク）をその指令値（指令トルクＴｒ＊）に制御すべく、これら各種センサの検出値に基づき、インバータＩＮＶが備えるスイッチング素子Ｓ￥＃を操作する操作信号ｇ￥＃を生成して出力する。

詳しくは、指令トルクＴｒ＊を実現するための指令電流とモータジェネレータ１０に流れる電流とが一致するように、スイッチング素子Ｓ￥＃を操作する。すなわち、本実施形態では、モータジェネレータ１０の出力トルクが最終的な制御量となるものであるが、出力トルクを制御すべく、モータジェネレータ１０に流れる電流を直接の制御量として、これを指令電流に制御する。特に、本実施形態では、モータジェネレータ１０に流れる電流を指令電流に制御すべく、電流ベクトル制御を行う。以下、制御装置２２が行う処理のうち電流ベクトル制御に関する処理について説明する。

Ｕ相電流算出部２４は、キルヒホッフの法則に基づき、電流センサ１８ｖ，１８ｗによって検出されたＶ相電流，Ｗ相電流（以下、Ｖ相電流検出値ｉｖ，Ｗ相電流検出値ｉｗ）からＵ相電流を算出する電流算出手段である。以下、こうして算出されたＵ相電流を、Ｕ相電流算出値ｉｕと称すこととする。

２相変換部２６は、回転角度センサ１６によって検出された電気角θに基づき、Ｕ相電流算出値ｉｕ，Ｖ相電流検出値ｉｖ，Ｗ相電流検出値ｉｗを回転座標系の電流であるｄ軸電流ｉｄｒと、ｑ軸電流ｉｑｒとに変換する。また、指令電流算出部２８は、指令トルクＴｒ＊に基づき、回転座標系の電流の指令値であるｄ軸指令電流ｉｄ＊と、ｑ軸指令電流ｉｑ＊とを算出する。なお、本実施形態において、指令トルクＴｒ＊は、制御装置２２とは別の制御装置であってかつ車両制御を統括する上位の制御装置から入力される。

指令電圧算出部３０は、ｄ軸電流ｉｄｒ，ｑ軸電流ｉｑｒをｄ軸指令電流ｉｄ＊，ｑ軸指令電流ｉｑ＊にフィードバック制御するための操作量としてｄ，ｑ軸上の指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を算出する。具体的には、ｄ軸電流ｉｄｒ及びｄ軸指令電流ｉｄ＊の偏差Δｉｄに基づく比例積分制御によってｄ軸上の指令電圧Ｖｄ＊を算出してかつ、ｑ軸電流ｉｑｒ及びｑ軸指令電流ｉｑ＊の偏差Δｉｑに基づく比例積分制御によってｑ軸上の指令電圧Ｖｑ＊を算出する。

３相変換部３２は、電気角θに基づき、ｄ，ｑ軸上の指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊をモータジェネレータ１０の固定座標系における３相の指令電圧Ｖ￥＊（￥＝ｕ，ｖ，ｗ）に変換する。これら指令電圧Ｖ￥＊は、ｄ，ｑ軸電流ｉｄｒ，ｉｑｒを指令電流ｉｄ＊，ｉｑ＊にフィードバック制御するための操作量となる。

操作部３４は、インバータＩＮＶの３相の出力電圧を指令電圧Ｖ￥＊を模擬した電圧とするための上記操作信号ｇ￥＃を生成する。本実施形態では、電圧センサ２０によって検出されるインバータＩＮＶの入力電圧ＶＤＣにて指令電圧Ｖ￥＊を規格化したものと、キャリア（例えば、三角波信号やのこぎり波信号）との大小比較に基づく正弦波ＰＷＭ処理によって操作信号ｇ￥＃を生成する。操作部３４は、生成された操作信号ｇ￥＃を図示しないインターフェースを介してインバータＩＮＶに出力する。これにより、モータジェネレータ１０のＵ，Ｖ、Ｗ相のそれぞれには、モータジェネレータ１０の電気角で互いに位相が１２０度ずれた正弦波状の電圧が印加され、電気角で互いに位相が１２０度ずれた正弦波状の相電流が流れることとなる。すなわち、モータジェネレータ１０は、交流電流によって駆動される。

次に、制御装置２２の断線検出部３６によって実行される本実施形態にかかる断線検出処理について説明する。ここで、断線とは、高電圧バッテリ１２の正極端子から、インバータＩＮＶ及びモータジェネレータ１０を介して高電圧バッテリ１２の負極端子に至る電流流通経路の断線のことである。上記断線には、具体的には例えば、モータジェネレータ１０内の断線（例えば、コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗのオープン故障）や、モータジェネレータ１０とインバータＩＮＶとを接続するケーブルの断線、インバータＩＮＶ内の断線（例えば、スイッチング素子Ｓ￥＃のオープン故障）が含まれる。

図２に、上記断線検出処理の手順を示す。なお、この処理は、断線検出部３６によって例えば所定の演算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Ｓ１０において、断線判断フラグＦの値が「０」であるか否かを判断する。ここで、断線判断フラグＦは、「０」によって断線が生じていないことを示し、「１」によって断線が生じていることを示す。なお、断線判断フラグＦの初期値は「０」に設定されている。

ステップＳ１０において肯定判断された場合には、ステップＳ１２に進み、断線検出の実行条件が成立しているか否かを判断する。本実施形態では、上記実行条件を、電流センサ１８ｖ，１８ｗのいずれもが正常であるとの条件、及び指令トルクＴｒ＊が規定トルクＴα以上であるとの条件の論理積が真であるとの条件とする。ここで、電流センサに関する条件は、後述するステップＳ１４において、実際には断線が生じていないにもかかわらず、断線が生じている旨誤判断されたり、実際には断線が生じているにもかかわらず、断線が生じていない旨誤判断されたりする事態を回避するための条件である。

また、指令トルクＴｒ＊に関する条件は、後述するステップＳ１４において、断線が実際には生じていないにもかかわらず、断線が生じている旨誤判断される事態を回避するための条件である。つまり、指令トルクＴｒ＊が小さいと、断線が生じていない場合であっても、相電流ｉ￥（Ｕ相電流算出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖ、Ｗ相電流検出値ｉｗ：￥＝ｕ，ｖ，ｗ）の絶対値及び相電流ｉ￥の変化速度（以下、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥）の絶対値の双方がともに小さくなる。この場合、断線が生じていないにもかかわらず、ステップＳ１４において肯定判断されるおそれがある。こうした事態を回避すべく、指令トルクＴｒ＊に関する条件が設定される。

なお、指令トルクＴｒ＊に関する条件が、モータジェネレータ１０の駆動指示がなされているか否かを判断するための条件に相当する。また、電流センサ１８ｖ，１８ｗが正常であるか否かの判断手法としては、例えば、電流センサの出力値（ＡＤ変換値）がその上限値又は下限値に張り付いていないか否かを判断する手法を採用することができる。

ステップＳ１２において肯定判断された場合には、ステップＳ１４に進み、相電流ｉ￥の絶対値が規定電流Ｉα（＞０）以下であるとの条件、及び電流変化速度Ｉｄｏｔ￥の絶対値が規定速度Ｖα（＞０）以下であるとの条件の論理積が真であるか否かを判断する。この処理は、断線が生じているか否かを判断するための処理である。ここで、断線検出に電流変化速度Ｉｄｏｔ￥を用いるのは、以下の理由による。

相電流ｉ￥及び電流変化速度Ｉｄｏｔ￥の位相が９０°ずれていることから、断線が生じていない場合、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥は、相電流ｉ￥が小さいときに高くなる一方、相電流ｉ￥が大きいときに低くなる。これに対し、断線が生じる場合、相電流ｉ￥に加えて、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥が０となる。具体的には例えば、Ｖ相コイル１０ｖのオープン故障が生じた場合、Ｖ相電流の絶対値及びＶ相電流の変化速度の絶対値が０となる。このため、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥は、実際に断線が生じてから断線が生じている旨の判断を早期に確定させるためのパラメータとなる。したがって、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥を断線検出に用いることとした。

ちなみに、上記規定電流Ｉαや規定速度Ｖαは、例えば、０よりやや大きい値に設定すればよい。また、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥は、例えば、今回の演算周期における相電流ｉ￥から前回の演算周期における相電流ｉ￥を減算した値を演算周期で除算することで算出すればよい。

なお、本実施形態では、上述したように、モータジェネレータ１０としてＹ結線されたものを用いていることから、相電流と線電流とが等しくなる。このため、本実施形態において、相電流ｉ￥の絶対値が規定電流Ｉα以下であることは、線電流の絶対値が規定電流Ｉα以下であることと同じであり、また、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥の絶対値が規定速度Ｖα以下であることは、線電流の変化速度の絶対値が規定速度Ｖα以下であることと同じである。

上記ステップＳ１２、Ｓ１４において否定判断された場合には、ステップＳ１６に進み、カウンタＴｃｎｔを初期化する。一方、上記ステップＳ１４において肯定判断された場合には、ステップＳ１８に進み、カウンタＴｃｎｔを１インクリメントする。

続くステップＳ２０では、カウンタＴｃｎｔが規定値Ｃα（＞０）以上となったか否かを判断する。この処理は、断線の検出精度を高めるための処理である。つまり、例えば、相電流ｉ￥にノイズが混入することにより、実際には断線が生じていないにもかかわらず、上記ステップＳ１４において肯定判断されることで断線の誤検出が生じ得る。こうした事態を回避すべく、本ステップの処理を設ける。

ステップＳ２０において肯定判断された場合には、断線が生じた旨の判断を確定し、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、断線判断フラグＦの値を「１」とする。

上記ステップＳ１０において否定判断された場合や、ステップＳ２２の処理が完了した場合には、ステップＳ２４に進み、フェールセーフ処理を行う。本実施形態では、フェールセーフ処理として、上記上位の制御装置に対して断線が生じている旨を通知する通知処理を行う。これにより、上位の制御装置において、例えば、走行動力源を内燃機関のみとする指示がなされる。

なお、上記ステップＳ２０において否定判断された場合や、ステップＳ１６、Ｓ２４の処理が完了した場合には、この一連の処理を一旦終了する。

次に、図３に、本実施形態にかかる断線検出処理の一例を示す。詳しくは、図３（ａ）は、断線の実行条件が成立しているか否かの推移を示し、図３（ｂ）は、断線の発生の有無の推移を示している。また、図３（ｃ）は、相電流ｉ￥の推移を示し、図３（ｄ）は、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥の推移を示し、図３（ｅ）は、カウンタＴｃｎｔの推移を示し、図３（ｆ）は、断線判断フラグＦの値の推移を示す。

図示される例では、時刻ｔ１において断線検出の実行条件が成立し、その後、時刻ｔ２において、実際に断線が生じる。このため、相電流ｉ￥が０に向かって低下し始め、その後時刻ｔ３において、相電流ｉ￥の絶対値が規定電流Ｉα以下となってかつ、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥の絶対値が規定速度Ｖα以下となったと判断される。このため、カウンタＴｃｎｔのカウントアップが開始される。

その後、カウンタＴｃｎｔが規定値Ｃαに到達する時刻ｔ４において、断線判断フラグＦの値が「１」とされる。

続いて、図４を用いて、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥を用いない断線検出処理（以下、比較技術）について説明する。詳しくは、比較技術は、先の図２のステップＳ１４において、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥に関する条件を除去した技術である。なお、図４（ａ）〜図４（ｅ）は、先の図３（ａ）〜図３（ｃ），図３（ｅ），図３（ｆ）に対応している。

図示されるように、比較技術では、断線が生じていない場合であっても、相電流ｉ￥のゼロクロスタイミング近傍の期間において相電流ｉ￥が規定電流Ｉα以下となることから、カウンタＴｃｎｔがカウントアップされる（時刻ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ５〜ｔ６，ｔ７〜ｔ８参照）。このため、断線が生じていない場合において相電流ｉ￥が規定電流Ｉα以下となることと、実際に断線が生じた場合に相電流ｉ￥が規定電流Ｉα以下となることとを判別することが要求される。この要求に答えるべく、規定値Ｃαは、以下のように設定されている。

詳しくは、相電流ｉ￥のゼロクロスタイミング近傍の期間は、モータジェネレータ１０の回転速度が高いほど短くなる。このため、モータジェネレータ１０の低速度領域において、断線が生じていないにもかかわらず断線が誤検出されることを回避する上では、規定値Ｃαを、低速度領域に対応した比較的大きい値に設定することとなる。こうした設定がなされると、モータジェネレータ１０の高速度領域において、実際に断線が生じてから断線を検出するまでの時間（時刻ｔ９〜ｔ１０）が長くなる。すなわち、断線を迅速に検出可能なモータジェネレータ１０の回転速度領域が制約されることとなる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）相電流ｉ￥及び電流変化速度Ｉｄｏｔ￥を用いた断線検出処理を行った。このため、断線が実際に生じてから断線を検出するまでの時間を短縮することができる。さらに、上記断線検出処理によれば、断線を迅速に検出可能なモータジェネレータ１０の回転速度領域が制約されることを回避することもできる。

（２）カウンタＴｃｎｔが規定値Ｃαに到達したと判断された場合、断線が生じていると判断した。すなわち、先の図２のステップＳ１４において肯定判断される状態が規定時間経過すると判断された場合、断線が生じている旨判断した。このため、断線の検出精度を高めることができる。

（３）断線が生じている旨判断された場合、その旨を外部に通知する通知処理を行った。これにより、適切なフェールセーフを実現することなどができる。

（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記実施形態において、Ｕ相電流算出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖ及びＷ相電流検出値ｉｗのうち１又は２つを用いた断線検出処理を行ってもよい。

・上記実施形態の図２のステップＳ１４において、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥に関する条件を、相電流ｉ￥の変化量の絶対値が規定量（＞０）以下となるとの条件に代えてもよい。これは、図２に示す処理が所定の演算周期で繰り返し実行されることに鑑み、相電流ｉ￥の変化量の絶対値が規定量以下となると判断されることをもって、電流変化速度Ｉｄｏｔ￥が規定速度Ｖα以下となると判断できることに基づく。

・上記実施形態の図２のステップＳ１８、Ｓ１６、Ｓ２０の処理を除去してもよい。この場合であっても、断線を検出することはできる。

・上記実施形態において、Ｕ相電流を検出する電流センサを備え、この電流センサによって検出されたＵ相電流（Ｕ相電流検出値）に基づく断線検出処理を行ってもよい。

・相電流の検出値に基づき指令電圧を算出する制御手法としては、電流ベクトル制御に限らず、例えば、瞬時電流値制御であってもよい。

・モータジェネレータ１０の駆動指示がなされているとの条件としては、上記実施形態に例示したものに限らない。例えば、モータジェネレータ１０の出力トルクにｑ軸電流ｉｑｒが大きく寄与することから、ｑ軸指令電流ｉｑ＊の絶対値が所定以上であるとの条件であってもよい。

・「直流電源」としては、高電圧バッテリ１２に限らない。例えば、高電圧バッテリ１２とインバータＩＮＶとの間に昇圧コンバータが介在するシステムを採用する場合、昇圧コンバータが直流電源となる。

・モータジェネレータ１０を３相交流電源に直接接続する構成を採用してもよい。

・「回転機」としては、Ｙ結線されたものに限らず、Δ結線されたものであってもよい。この場合、回転機に流れる線電流に基づく断線検出処理を行えばよい。また、「回転機」としては、永久磁石同期モータに限らず、例えば、界磁巻線型同期モータであってもよい。さらに、「回転機」としては、同期モータに限らず、誘導モータであってもよい。

・回転機としては、３相回転機に限らず、例えば、４相以上の回転機であってもよい。また、回転機としては、車載主機としての回転機に限らず、空調用の圧縮機を駆動する回転機であってもよい。この場合、回転機の制御量としては、トルクに限らず、回転速度であってもよい。このとき、先の図２のステップＳ１２において、指令トルクＴｒ＊に関する条件を、回転速度の指令値が所定値以上であるとの条件に代えればよい。さらに、「回転機」としては、車両に搭載されるものに限らない。

１０…モータジェネレータ、３６…断線検出部。

Claims (4)

1. 交流電流によって駆動される回転機（１０）に適用され、
   前記回転機の駆動指示がなされているとの条件を含む所定の実行条件が成立しているか否かを判断する実行判断手段（３６）と、
   前記実行判断手段によって前記実行条件が成立していると判断される状況下において、前記回転機に流れる線電流の絶対値が０よりも大きい規定電流以下であってかつ、該線電流の変化速度の絶対値が０よりも高い規定速度以下であることに基づき、前記回転機を含む電流流通経路の断線が生じている旨判断する断線判断手段（３６）と、
   を備えることを特徴とする断線検出装置。
2. 前記断線判断手段は、前記線電流の絶対値が前記規定電流以下であってかつ、前記線電流の変化速度の絶対値が前記規定速度以下である状態が規定時間継続されたことに基づき、前記断線が生じている旨判断することを特徴とする請求項１記載の断線検出装置。
3. 前記回転機は、インバータ（ＩＮＶ）を介して直流電源（１２）に接続され、
   前記断線判断手段は、前記回転機、前記インバータ及び前記直流電源を含む電流流通経路の断線が生じている旨判断することを特徴とする請求項１又は２記載の断線検出装置。
4. 前記断線判断手段によって前記断線が生じている旨判断された場合、その旨を外部に通知する通知手段（３６）を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の断線検出装置。

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