JP6516878B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機制御装置に関するもので、特には電流検出系統の故障を検出できる電動機制御装置に関するものである。

電流検出手段を複数備えた電動機制御装置において、一部の電流検出手段が故障した場合でも電動機の駆動を継続する要求があり、この要求を実現するためには故障した電流検出手段を特定する技術が必要である。また、故障箇所が分かれば、交換、修理などの保守が容易になる。

この種の電動機制御装置として、従来、例えば特開２００７−０８２３１３号公報（特許文献１）に開示されているように、電動機制御装置の電流制御器に故障診断用の電流指令値を入力し、電流制御器で生成される電圧指令値から電流検出手段が故障しているか否かを判定するものがある。

特開２００７−０８２３１３号公報

特許文献１に開示された電動機制御装置のような例では、故障診断用の電流指令値を電流制御器に入力し、電流制御器から出力される電圧指令値が正常時に想定される電圧指令値に対して大きいか否かで故障を判別している。このため、電流制御の時定数で決まる応答時間より長い時間待機して、電流指令値に対する電圧指令値の反応を待つ必要がある。また、特許文献１に開示された技術では、電圧指令値の大きさで故障を判別するため、電流検出手段が故障した相を判別することができない課題がある。

一般に、３相各相に電流検出手段を持つシステムでは、１相の電流検出手段が故障した場合に、残り２相の正常な電流検出手段の情報から故障した相の電流を推定して制御を継続することができる。しかし、特許文献１に開示された技術では、故障した電流検出手段の相を判別できないため、電流検出手段の故障を検知した後は電動機の駆動を停止している。

この発明は、前記のような従来装置の問題点に鑑みてなされたもので、システムに電流検出部の故障が発生した場合に、早く、正確に、電流検出部の故障箇所を特定できる電動機制御装置を提供することを目的とするものである。

この発明による電動機制御装置は、多相巻線の電動機を制御する制御ユニットを備えた電動機制御装置であって、前記制御ユニットは前記電動機に電力を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路の駆動指令として電圧指令値を出力する電流制御部と、前記電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の故障箇所を特定する故障相特定部と、を備え、
前記故障相特定部は、前記電動機の回転周波数より高い周波数をもつテスト電圧指令を生成するテスト電圧指令生成部を有し、前記テスト電圧指令を駆動指令として前記インバータ回路を駆動したときの電流検出値に含まれる前記テスト電圧指令の高周波数成分の大きさまたは位相が、所定の範囲内にあるか否かを判定し、前記所定の範囲内に無い相に故障が発生したと判定することを特徴とする。

この発明による電動機制御装置によれば、テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路を駆動し、各相の電流検出値に含まれるテスト電圧の周波数成分の信号を閾値と比較することにより、３相のうち故障した電流検出部を精度よく特定することができ、その結果、故障した相以外の正常相に流れる電流検出値を使用して電動機の駆動を継続することができる。また、これに加えて故障診断用の信号を電圧指令値として生成するため、テスト電圧指令の周波数を電流制御部の応答速度に制限されず決められ、電流制御が応答するのを待つことなく、故障診断用の電圧指令に対する電流の応答を直接計測して故障を診断できるので、速く電流検出部の故障箇所を特定することができる。
この発明の前記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、更に明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電動機制御装置の故障相特定の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態１による電動機制御装置のテスト電圧指令を矩形波とした場合を示す図である。 この発明の実施の形態１による電動機制御装置のテスト電圧指令を正弦波とした場合を示す図である。 この発明の実施の形態１による電動機制御装置の故障相特定処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態４による電動機制御装置の故障相特定処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態５による電動機制御装置の故障発生時の電流波形の例を示す図である。 この発明の実施の形態５による電動機制御装置の故障発生時の電流波形の例を示す図である。 この発明の実施の形態５による電動機制御装置の故障相特定処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態５による電動機制御装置の故障相特定処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態６による電動機制御装置の全体構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態７による電動機制御装置の故障相特定処理のフローチャートである。

以下、この発明による電動機制御装置の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示す回路図である。図１において、装置は電動機１と、例えばマイクロコンピュータ、あるいはメモリー等で構成される部分を含む制御ユニット２から主に構成されており、この制御ユニット２の外部にはバッテリ３が配置されている。電動機１はここでは３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）ブラシレスモータとして説明するが、３相以上の多相巻線モータであってもよい。また、電動機１の出力軸近傍に、電動機１の回転角度を検出する回転角度センサ４が配置されている。制御ユニット２は、電動機１を駆動するための電圧指令値を生成する電流制御部５と、電動機１に電力を供給するいわゆるインバータ回路６と、電動機１へ供給している電流を検出する電流検出部７と、回転角度センサ４の情報を検出する回転角度検出回路８とを搭載している。

電流制御部５は、回転角度検出回路８の回転位置、所望のトルクを実現するための電流指令値、および電流検出部７による実電流値に応じてフィードバック制御を行い、電圧指令値として駆動指令を演算する。また、フィードバック制御において、回転角度検出回路８の回転位置に応じて３相巻線への電流供給タイミング、つまりインバータ回路６の制御タイミングを判定している。

インバータ回路６は、図１に示すように３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に対して上下アーム９ａ、９ｂにスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６（以降の説明では、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６と記述する。）が直列に２個ずつ計６個と、電動機１に流れる電流を検出するためにシャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗが下アーム９ｂの各相にそれぞれ直列の位置に配置されている。シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗの上流側端子がそれぞれ独立に電流検出部７に接続され、各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが検出される。なお、電流検出部７はインバータ回路６に内蔵されてもよい。また、インバータ回路６のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６は、駆動指令をＰＷＭ変調部１０によって変調することで生成されるスイッチング信号により、オン、オフ駆動が繰り返されている。

更に、制御ユニット２には、例えばマイクロコンピュータ、あるいはメモリー等で構成された異常検知部１１、テスト電圧指令生成部１２、切替部１３、故障相特定部１４が搭載されている。この異常検知部１１、テスト電圧指令生成部１２、切替部１３、故障相特定部１４の動作については後述する。

以上のように構成された装置で、電流検出部系の故障を検出する方法を図２により説明する。ここで、電流検出部系の故障とは、電流検出部７が出力する電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づくものであり、シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗ、電流検出部７の故障、例えば断線、出力不能も含まれるものである。

図２は、実施の形態１による電動機制御装置の故障相特定部１４の動作を説明するフローチャートである。
図２において、まずステップＳ１で、異常検知部１１によって各相の電流検出値、または上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の電圧に基づいて電流検出部７が出力する電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの異常を検知する。

異常検知部１１は、例えば、全相上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３がオフ、全相下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオフとなるタイミングの電流検出部７の出力が、過大であると判定する閾値より大きい場合、または全相上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３がオン、全相下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオフとなるタイミングの電流検出部７の出力が、閾値より大きい場合に、上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６、もしくは電流検出部７に異常が発生したと判定する。この現象は電流検出部７の出力が上限値もしくは下限値に固着する故障が発生した場合、あるいは上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のいずれかが駆動指令に関わらず、常時オン状態となる短絡故障が発生した場合の現象である。

また、電流検出値を用いた異常検知だけでは、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の短絡故障と電流検出部７の故障とを区別できず、電流検出部７の故障を誤って判定する可能性がある。そのため、異常検知部１１では、上下アーム９ａ、９ｂの各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の高電位側と低電位側の電位差を検出し、インバータ回路６の駆動指令がオンの状態で前記電位差がスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン電圧より大きい場合に、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６に故障が発生したと判定する。この現象はスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が短絡故障し、上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が同時にオンするタイミングで流れる短絡電流によりスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６に発生する電圧降下が原因である。

以上のように、異常検知部１１により、電流検出値による判定で異常と判定し、かつ、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の電圧による判定は異常で無いと判定された場合のみ、電流検出部７の異常であると判定し、ステップＳ３に移行する。

なお、異常検知部１１が異常を検知していない状態では、電流検出部７が全相正常な状態であると判断し、電流制御部５が出力する電圧指令値を電動機１の駆動指令としてインバータ回路６を駆動するステップＳ２に移行する。

ステップＳ３では、インバータ回路６の全てのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を所定の待機時間オフ状態に制御する。これは、異常検知部１１で異常が検知された時点で電動機１に流れている電流を減衰させ、後述するテスト電圧指令値に対して流れる電流を正確に検出するためである。電流検出部７が出力できる上限値または下限値の電流が流れている状態では、テスト電圧指令に対して正確に電流が検出されないため、故障した電流検出部７を特定できない可能性がある。全スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をオフにする期間は、電動機１に流れている電流とテスト電圧指令値に対して流れる電流の合計が電流検出部７の上限値未満であるか、もしくは下限値より大きければ良く、例えば、待機時間を電動機１の電気時定数の５０％に設定する。

次に、テスト電圧指令生成部１２によりテスト電圧指令を生成するステップＳ４に移行し、切替部１３によりインバータ回路６の駆動指令を電流制御部５が出力する電圧指令値からテスト電圧指令に切り替える。

テスト電圧指令に対して電動機１に流れる電流は、テスト電圧指令と電動機巻線のインピーダンス、テスト電圧指令の周波数から、次の（１）式で計算できる。なお、（１）式中のＲａは電動機１の巻線抵抗値、Ｌａは電動機１のインダクタンス、ωはテスト電圧指令の角周波数、ＶＨはテスト電圧指令の振幅である。なお、（１）式はＵ相に流れる電流ＩＵＨについて計算した式であるが、Ｖ相、Ｗ相についても同様に計算できる。テスト電圧指令の振幅は電流検出部７によって電流が正常に検出できているか否かを判別するため、例えば、電動機１に流れる電流がインバータ定格電流の１０％となるテスト電圧の振幅を選択する。

また、テスト電圧指令の周波数が高いほど故障相を特定する時間が短縮されるが、テスト電圧指令の最高周波数は制御ユニット２の演算周期で制限される。例えば、演算周期が１００μｓの場合、テスト電圧指令を図３に示す各相１２０度の位相差を持つ三相の矩形波とすると、実現できる最高周波数は１６６６．６７Ｈｚとなる。また、テスト電圧指令の周波数は電動機１の回転周波数より高い必要があるため、テスト電圧指令の最低周波数は電動機１の最高回転周波数より高い値とする必要がある。例えば、最高回転周波数が２００Ｈｚの電動機では、テスト電圧指令を２００Ｈｚより高い周波数に設定する。

また、テスト電圧指令波形は矩形波だけでなく、図４に示すように正弦波状の波形でも同様の手順で故障相特定が可能である。なお、図４は演算周期２５μｓで生成した正弦波の例である。

図２に戻り、ステップＳ４において、切替部１３でインバータ回路６の駆動指令をテスト電圧指令に切り替えた後、誘起電圧が判定条件を満たしているか否かを判定するステップＳ５に移行する。テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動する場合、テスト電圧指令の周波数成分を除くとインバータ回路６の三相端子電圧が同じ値であるので、電動機１の誘起電圧による電流が電流検出部７に流れる。

この電流は誘起電圧の振幅に比例して増加するため、誘起電圧の状態によって電流検出部７の出力が上限値より大きい値、もしくは下限値未満となり飽和する可能性がある。電流検出部７の出力が飽和した状態では、テスト電圧指令に対して流れる電流が検出できないため、ステップＳ５の判定で、誘起電圧の状態が、誘起電圧によって流れる電流とテスト電圧指令に対して流れる電流の和が電流検出部７の出力の上限値以下、もしくは下限値以上となる判定条件を満たしているか否かを判定する。このステップＳ５が、誘起電流判定手段に相当する。

なお、誘起電圧の状態が判定条件を満たしているか否かを判定する手法として、例えば、電動機１の回転速度が閾値以下であるか否かを判定する方法がある。また、電流検出部７の出力が飽和すると、電流検出値が三相平衡状態ではなくなることから、各相の電流検出値の総和が零に相当する閾値以下であるか否かで誘起電圧の状態を判定してもよい。

ステップＳ５で誘起電圧が判定閾値以下であると判定した後、所定の待機時間経過後にステップＳ６の電流検出処理に移行する。この待機時間は、電動機巻線の電気時定数により、電動機１に印加する電圧に対して電流の応答が遅れる影響を除去するために必要であり、ステップＳ４で駆動指令を切り替えた後、電動機１の電気時定数の期間待機してからステップＳ６の電流検出を開始することにより、電動機１に流れる電流を正確に検出できる。

また、図１のように下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６と直列にシャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗを配置し、シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗの上流側に接続した電流検出部７でインバータ回路６の各相に流れる電流を検出する構成では、上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３がオフ、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオンとなるタイミングの電流検出部７の出力を下オン電流として取得し、上アーム９ａスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３がオン、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオフとなるタイミングの電流検出部７の出力を下オフ電流として取得し、異常検知処理および故障相特定処理に利用する。

次にステップＳ７で、電流検出値に含まれるテスト電圧指令の周波数成分である高周波電流を演算する。
故障相特定部１４では、テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動したときの高周波電流を利用するため、電流検出値からテスト電圧指令の周波数成分を抽出する操作が必要となる。電流検出値からテスト電圧の周波数成分を抽出する手法として、ノッチフィルタを利用する方法がある。この方法では、元の電流検出値から、テスト電圧指令の周波数に反共振点を持つノッチフィルタに電流検出値を通して得られる信号を差し引くことにより、テスト電圧指令の周波数成分の信号を抽出する。この手法で得られる信号は交流量であるため、次の（２）式のように実効値演算を行い、閾値と比較する。（２）式中で、Ｕ相の高周波電流をＩＵＨとし、Ｔはテスト電圧指令の周期とする。なお、（２）式はＵ相に関する計算式であるが、Ｖ相、Ｗ相も同様に計算する。

また、高周波電流の実効値は、電流検出値のフーリエ解析によりテスト電圧指令の周波数成分として求めることもできる。

次に、ステップＳ８に示す各相の高周波電流の実効値を用いた故障相特定処理について説明する。
故障相特定処理では、各相の検出電流から抽出したテスト電圧の周波数成分の高周波電流の実効値が所定の範囲内にあるか否かを判定し、故障相を特定する。所定の範囲とは、前記（１）式、（２）式より算出したテスト電圧指令に対して電動機巻線に流れる高周波電流の最大値と最小値の範囲であり、電動機１の巻線インピーダンスの温度特性と製造上のばらつき、電流検出部７の計測誤差とを考慮して設定する。例えば、３相中１相の電流検出部７の出力が上限値に固着する故障が発生している場合、故障している相の高周波電流の実効値は零となり、所定の範囲外となるため異常と判定し、正常な残りの２相の高周波電流の実効値は所定の範囲内となることから、異常と判定したこの相の電流検出部７が故障していると判定できる。

また、故障判定処理では、高周波電流の実効値が所定の範囲内にあるか否かを判定するため、電流検出部７の出力が上限値もしくは下限値に固着する故障だけでなく、電流検出部７の出力が中立値に固着する故障、もしくは電流検出部７の入力信号に対する出力の増幅率が異常となる故障を正確に判別できる。

また、故障相特定部１４により、３相中１相の電流検出部７が故障していると判定した場合、残り２相の正常な電流検出部７の情報から故障した相の電流を推定して制御を継続できる。

図５に故障相特定処理のフローチャートを示す。まずステップＳ９で、Ｕ相の高周波電流の実効値が所定の範囲内にあるか否かを判定する。ステップＳ９の条件判定が成立した場合、ステップＳ１０のＶ相の高周波電流の実効値が所定の範囲にあるか否かを判定する。ステップＳ１０の条件判定も成立した場合、ステップＳ１１に移行し、Ｗ相の高周波電流の実効値が所定の範囲にあるか否かを判定する。ステップＳ１１の判定が成立しない場合、３相中でＷ相のみが異常であると判定されたため、Ｗ相の電流検出部７が故障していると判定し、故障相特定処理を終了する。

また、ステップＳ１０の条件判定が成立しない場合、ステップＳ１２に移行し、Ｗ相の高周波電流の実効値が所定の範囲内にあるか否かを判定し、条件判定が成立する場合は、３相中Ｖ相のみが異常であると判定されるため、Ｖ相の電流検出部７の故障であると判定し、故障相特定処理を終了する。

また、ステップＳ９の条件判定が成立しない場合、ステップＳ１３のＶ相の高周波電流実効値が所定の範囲にあるか否かを判定し、条件判定が成立する場合はステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４ではＷ相の高周波電流の実効値が所定の範囲にあるか否かを判定し、条件判定が成立する場合は３相中Ｕ相のみが異常であると判定されたため、Ｕ相の電流検出部７が故障していると判定し、故障相特定処理を終了する。

なお、ステップＳ１１の条件判定が成立する場合は３相全てが正常と判定されるため、故障相不定と判定する。また、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４のいずれかの条件判定が成立しない場合は、２相以上の電流検出部７が故障しているため故障相不定と判定する。

前記のように、実施の形態１による電動機制御装置は、多相巻線の電動機１とこれを制御するための制御ユニット２を備えた電動機制御装置であって、制御ユニット２は、電動機１に電力を供給するインバータ回路６と、インバータ回路６の駆動指令として電圧指令値を出力する電流制御部５と、電動機１の各相に流れる電流を検出する電流検出部７と、電流検出部７の故障箇所を特定する故障相特定部１４とを備え、故障相特定部１４は、電動機１の回転周波数より高い周波数を持つテスト電圧指令を生成するテスト電圧指令生成部１２を有し、前記テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動したときの電流検出値に含まれる前記テスト電圧指令の周波数成分の大きさまたは位相が、所定の範囲内にあるか否かを判定し、前記所定の範囲内に無い相に故障が発生したと判定するように構成したので、電流検出部７の故障箇所を正確に特定できるといった従来にない効果が得られる。

また、制御ユニット２は、電動機１、インバータ回路６または電流検出部７に異常が発生したことを検知する異常検知部１１を備え、異常検知部１１が異常を検知していない場合は電流制御部５から出力される電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動し、異常検知部１１が異常を検知した場合はテスト電圧指令生成部１２が生成するテスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動し、故障相特定部１４は異常検知部１１が異常を検知した場合に故障相の判定を開始するように構成したので、電流制御のフィードバックループが遮断された状態となり、テスト電圧指令から電流検出値までの応答を直接計測して故障を診断できるため、電流制御部５によるフィードバック制御の応答時間に制限されず、高い周波数のテスト電圧指令で高速に故障相を特定できるという従来にない効果が得られる。

更に、電流制御部５が故障している場合のみテスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動するため、故障相特定部１４は電流検出部７が正常な状態では電動機１の駆動に影響を与えず、電流検出部７が正常な状態では電動機１を滑らかに制御できる。

また、故障相特定部１４は、電動機１の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下か否かを判定する誘起電流判定手段を備え、誘起電圧によって流れる電流が閾値以下と判定した場合に、電流検出部７の故障が発生したと判定するため、誘起電流によって電流検出部７の出力が飽和することでテスト電圧に対する電流を正確に検出できなくなる状態を回避し、電流検出部７の故障相を正確に特定できる。

また、前記誘起電流判定手段は、電動機１の回転速度に基づいて、電動機１の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下か否かを判定するように構成したので、誘起電圧が大きくなり、インバータ回路６の故障と電流検出部７の故障を誤判定する可能性のある状態を、回転速度で判別できるためシステムの構成を簡素にできる。

また、インバータ回路６は、電動機１の各相に対応する上下アーム９ａ、９ｂにスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を備えるとともに、各相の下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６に直列に電流検出部７を備え、故障相特定部１４は、全ての下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオンのときに検出した各相の電流に基づいて、前記テスト電圧指令の周波数成分の大きさまたは位相を演算するように構成したので、電流検出部７の出力が上限値もしくは下限値に固着する故障だけでなく、電流検出部７の出力が中立値に固着する故障、もしくは電流検出部７の入力信号に対する出力の増幅率が異常となる故障も判別できるという従来にない効果が得られる。

また、全ての下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオンのときに検出した各相の電流から、上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障した場合にインバータ回路６に流れる短絡電流を検出できるため、電流検出値からインバータ回路６の故障を検知できる。

更に、全ての下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオフのときに検出した各相の電流に基づいて、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の故障と電流検出部７の故障を判別するように構成したので、全ての下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオンのときに検出した各相の電流だけでは判別が困難な電流検出部７の出力が中立値に固着する故障とスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の故障を正確に判別することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による電動機制御装置について説明する。この実施の形態２は、実施の形態１で説明した図２のステップＳ４に示す、異常検知部１１が異常を検知した場合の駆動指令の切替処理を変更したものである。

実施の形態１では異常検知部１１が電流検出部７の異常を検知した場合、インバータ回路６の駆動指令を切替部１３によりテスト電圧指令に切り替える方法について説明した。実施の形態２では、異常検知部１１が異常を検知した場合に、電流制御部５が出力する電圧指令値にテスト電圧指令値を加算することにより、インバータ回路６の駆動指令を生成する。実施の形態２のように、電流制御部５が出力する電圧指令値にテスト電圧指令値を加算する場合、電流検出部７の出力の上限値もしくは下限値より大きな電流が流れ、高周波電流を正確に検出できない可能性がある。そこで、異常検知部１１が異常を検知した時点で、電流制御部５が出力する電圧指令値に上限値と下限値の制限を設定し、テスト電圧指令値を加算した場合に電動機１に流れる電流が、電流検出部７の出力の上限値もしくは下限値に到達しない駆動指令によってインバータ回路６を駆動する。

前記のように、実施の形態２の制御ユニット２は、電動機１、インバータ回路６または電流検出部７に異常が発生したことを検知する異常検知部１１を備え、異常検知部１１が異常を検知していない場合は、電流制御部５から出力される電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動し、異常検知部１１が異常を検知した場合は電流制御部５から出力される電圧指令に前記テスト電圧指令を加算した値を駆動指令としてインバータ回路６を駆動するように構成したので、異常検知部１１が異常を検知してから故障相特定処理に移行する際の駆動指令の変動が実施の形態１と比較して小さくなり、故障相特定処理によって発生する電動機１の出力変動を抑制できるといった従来にない効果が得られる。

また、故障相特定部１４は、電動機１の回転周波数より高い周波数を持つテスト電圧指令を生成するテスト電圧指令生成部１２を有し、実施の形態１と同様に、インバータ回路６を駆動したときの電流検出値に含まれる前記テスト電圧指令の周波数成分の大きさまたは位相が、所定の範囲内にあるか否かを判定し、この所定の範囲内に無い相に故障が発生したと判定するように構成したので、故障した電流検出部７を正確に特定できる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による電動機制御装置について説明する。実施の形態３は、実施の形態１で説明した、図２のステップＳ７に示す各相の検出電流値からテスト電圧の周波数成分を抽出する処理を変更したものである。実施の形態１では、各相の電流検出値から抽出したテスト電圧の周波数成分の大きさを閾値と比較することで故障相を特定したが、実施の形態３のように高周波電流の位相情報を用いて故障相を特定することもできる。

高周波電流の位相情報の抽出手法として、例えば、高周波電流をテスト電圧指令の位相から生成した正弦波および余弦波のそれぞれと乗算し、正弦波と乗算した信号と余弦波と乗算した信号をそれぞれ一周期分積算し、この積算値の比に基づいて位相情報を得るものがある。電流検出部７に故障が発生している場合、テスト電圧に対して流れる高周波電流が電流検出部７の出力に現れないため、テスト電圧と高周波電流の位相差は電流検出部７が正常である場合と比較して増加する。したがって、高周波電流から演算した位相差情報が、電流検出部７が正常な場合の位相差と一致するか否かを判別することにより、正常時の位相差と一致しない相の電流検出部７が故障したことを特定できる。

前記のように、実施の形態３の故障相特定部１４は、電動機１の回転周波数より高い周波数を持つテスト電圧指令を生成するテスト電圧指令生成部１２を有し、前記テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動したときの電流検出値に含まれる前記テスト電圧指令の周波数成分の位相が、所定の範囲内にあるか否かを判定し、この所定の範囲内に無い相に故障が発生したと判定するように構成したので、故障した電流検出部７を正確に特定できるといった従来にない効果が得られる。また、実施の形態３のように構成しても、実施の形態１との違いは図２のステップＳ７の高周波電流の信号処理とステップＳ８の電流検出部７の故障相特定処理の閾値設定のみであり、その他のステップＳ１からＳ６、Ｓ８の故障相特定の処理は全く同じものを利用できる。したがって、実施の形態１と同様な効果が得られる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による電動機制御装置について説明する。実施の形態１では、異常検知部１１が異常を検知し、故障相特定処理に移行した後は異常検知部１１による検知を行わないが、実施の形態４では、テスト電圧指令によってインバータ回路６を駆動している期間も異常検知部１１による異常の検知を継続する。

実施の形態１では、テスト電圧指令によってインバータ回路６を駆動している期間にインバータ回路６の故障が発生した場合、異常検知部１１による異常が検知されないため、例えば、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の短絡故障が発生した場合は上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が同時にオンすることでインバータ回路６に定格電流以上の電流が流れ、インバータ回路６が破壊される可能性がある。そこで、図６のステップＳ１ｂで示すように、テスト電圧指令によりインバータ回路６を駆動する期間も異常検知部１１によって異常の検知を行い、異常検知部１１が異常を検知した時点でインバータ回路６の駆動を停止し、インバータ回路６と電動機１の破壊を防ぐ。

なお、ステップＳ１ｂでは、実施の形態１で説明した異常検知部１１のうち、上下アーム９ａ、９ｂの各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の高電位側と低電位側の電位差を検出し、インバータ回路６の駆動指令がオンの状態で前記電位差がスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン電圧より大きい場合に、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６に故障が発生したと判定する異常検知手法を適用する。

前記のように、実施の形態４の制御ユニット２は、電動機１、インバータ回路６または電流検出部７に異常が発生したことを検知する異常検知部１１を備え、異常検知部１１が異常を検知していない場合は電流制御部５から出力される電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動し、異常検知部１１が異常を検知した場合はテスト電圧指令生成部１２が生成するテスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動し、故障相特定部１４は異常検知部１１が異常を検知した場合に故障相の判定を開始するように構成したので、インバータ回路６の故障と電流検出部７の故障を誤判定することなく、電流検出部７の故障相特定処理へ移行できる。

更に、実施の形態４のように、故障相特定処理中も異常検知を行うことにより、テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動している期間に発生したインバータ回路６の故障を検知できるため、故障相特定処理中にインバータ回路６の故障が発生した場合に、電動機制御装置を破壊することなくインバータ回路６の駆動を停止することができるといった従来にない効果が得られる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５による電動機制御装置について説明する。実施の形態５は、実施の形態４で説明したテスト電圧指令によりインバータ回路６を駆動している期間の異常検知処理を変更したものである。実施の形態５では、テスト電圧指令でインバータ回路６を駆動しているときの各相の電流検出値の総和をとり、インバータ回路６の故障を判別する。

実施の形態５の詳細を図７、図８に基づいて説明する。テスト電圧指令でインバータ回路６を駆動している状態で、上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障した場合、この相のインバータ回路６の出力端子が常時バッテリ３の高電位側と接続されるため、正常な残りの２相と比較してスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が故障した相はインバータ回路６の出力電圧が大きくなる。そのため、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障した場合、故障した相の下オン電流は電流検出部７の出力下限値に固着し、正常な２相の下オン電流は負側に偏る。

一方、電流検出部７の出力が上限値、下限値、中立値に固着する故障では各相のインバータ回路６の出力電圧の差が小さいため、正常な２相の下オン電流に偏りが出ない。そのため、電流検出部７の出力が上限値に固着する故障が発生した場合の各相の下オン電流の総和１６と、電流検出部７の出力が下限値に固着する故障が発生した場合の各相の下オン電流の総和１７は、３相中１相の上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障した場合の各相の下オン電流の総和１８と比較して大きい。したがって、各相の下オン電流の総和が、上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障していると判定する閾値以下の場合、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障していると判定できる。

また、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障した場合、故障した相と正常な残りの２相のインバータ回路６の出力電圧に現れる差が小さいため、各相の下オン電流の総和１９の絶対値は、電流検出部７の出力が上限値もしくは下限値に固着する故障が発生した場合の各相の下オン電流を総和した値の絶対値と比較して小さい。したがって、各相の下オン電流を総和した値の絶対値が、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障していると判定する閾値以下であるとき、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障していると判定する。

一方、電流検出部７の出力が中立値に固着する故障では、各相の下オン電流の総和が下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障した場合と略一致するため、各相の下オン電流の総和では下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の短絡故障と電流検出部７の出力が中立値に固着する故障を判別できない。そのため、各相の下オフ電流の総和を利用して下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の短絡故障と電流検出部７の出力が中立値に固着する故障を区別する。

電流検出部７の出力が中立値に固着する故障では、下オフ電流を検出するタイミングでシャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗに電流が流れないため、各相の下オフ電流の総和２０は電流検出部７の出力の中立値に相当する零Ａとなる。一方、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障している場合、下オフ電流を検出するタイミングで上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６がオンとなり貫通電流が流れるため、各相の下オフ電流の総和２１は零Ａより大きくなる。したがって、各相の下オフ電流の総和をとり、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障していると判定する閾値以上であるとき、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障していると判定する。

図９および図１０のステップＳ１ｃ以降に、実施の形態５で示した異常検知処理のフローチャートを示す。まず、ステップＳ６ｂで各相の下オン電流と下オフ電流を検出し、ステップＳ６ｃで各相の下オン電流と下オフ電流の総和を演算する。

次に、ステップＳ１ｃで下オン電流の総和が上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が短絡故障していると判定する閾値以下の場合、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の短絡故障と判定し、インバータ回路６の駆動を停止する。ステップＳ１ｃの判定条件が成立しない場合、ステップＳ１ｄに移行する。

ステップＳ１ｄで下オン電流の総和の絶対値が下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障していると判定する閾値以下の場合、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の短絡故障と判定し、インバータ回路６の駆動を停止する。ステップＳ１ｄの判定条件が成立しない場合、ステップＳ１ｅに移行する。

ステップＳ１ｅで下オフ電流の総和が下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が短絡故障していると判定する閾値以上の場合、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の短絡故障と判定し、インバータ回路６の駆動を停止する。ステップＳ１ｅの判定条件が成立しない場合、上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が故障していないと判定してステップＳ７に移行し、電流検出部７の故障相特定処理を開始する。

実施の形態５に示す電流検出値の総和を利用した異常検知は、電動機１の誘起電圧によって流れる電流が増大すると、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の故障と電流検出部７の故障を誤判定する可能性がある。そのため、実施の形態５では、電動機１の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下であるか否かを判定し、この電流が閾値以下である場合のみステップＳ１ｃ以降の処理へ移行する。

前記のように、実施の形態５の故障相特定部１４は、各相の電流検出値の総和を演算し、閾値より小さいか否かを判定し、三相の電流検出値の和の絶対値が閾値より小さい場合に、電流検出部７が故障したと判定するように構成したので、インバータ回路６の故障と電流検出部７の故障を判別できるという従来にない効果が得られる。

また、故障相特定部１４は、電動機１の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下か否かを判定する誘起電流判定手段を備え、誘起電圧によって流れる電流が閾値以下と判定した場合に、電流検出部７の故障が発生したと判定するように構成したので、誘起電流によってインバータ回路６の故障と電流検出部７の故障を誤判定する状態を回避し、電流検出部７の故障を正確に判別できるという従来にない効果が得られる。

更に、実施の形態５のように、故障相特定処理中も異常検知を行うことにより、テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動している期間に発生したインバータ回路６の故障を検知できるため、故障相特定処理中にインバータ回路６に故障が発生した場合に電動機制御装置を破壊することなく停止することができる。

また、前記誘起電流判定手段は、電動機１の回転速度に基づいて、電動機１の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下か否かを判定するように構成したので、誘起電圧が増加し、インバータ回路６の故障と電流検出部７の故障を誤判定する可能性のある状態を回転速度で判別できるため、システムの構成を簡素にできる。

また、インバータ回路６は、電動機１の各相に対応する上下アーム９ａ、９ｂにスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を備えるとともに、各相の下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６に直列に電流検出部７を備え、故障相特定部１４は、全ての下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオンのときに検出した各相の電流の総和を演算する構成にしたので、各相の電流検出値だけでは判別が困難なインバータ回路６の故障と電流検出部７の故障を判別できるといった従来にない効果が得られる。

また、インバータ回路６は、電動機１の各相に対応する上下アーム９ａ、９ｂにスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を備えるとともに、各相の下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６に直列に電流検出部７を備え、故障相特定部１４は、全ての下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオフのときに検出した各相の電流の総和を演算する構成にしたので、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の短絡故障と電流検出部７が中立に固着する故障を判別できるといった従来にない効果が得られる。

実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６による電動機制御装置について説明する。実施の形態１では、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６と直列に配置されたシャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗを用いた電流検出部７を例に説明したが、実施の形態６では、図１１に示すように、電流検出部７ｂ（ＣＴ１、ＣＴ２、ＣＴ３）を、インバータ回路６と電動機１を接続する各相の電力線に配置する。なお、その他の構成については実施の形態１と同様である。

実施の形態１では、上アーム９ａのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３がオフ、下アーム９ｂのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６がオンとなるタイミングの電流検出部７の出力を取得したが、実施の形態６では、上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の状態に関わらず、電流検出部７ｂは電動機１に流れる電流を常時検出できる。

前記のように、実施の形態６の故障相特定部１４は、電動機１の回転周波数より高い周波数を持つテスト電圧指令を生成するテスト電圧指令生成部１２を有し、前記テスト電圧指令を駆動指令としてインバータ回路６を駆動したときの電流検出値に含まれる前記テスト電圧指令の周波数成分の大きさまたは位相が、所定の範囲内にあるか否かを判定し、この所定の範囲内に無い相に故障が発生したと判定するように構成したので、故障した電流検出部７ｂを正確に特定できる。

更に、実施の形態６では、電流検出部７ｂの出力を取得するタイミングが上下アーム９ａ、９ｂのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン、オフ状態に依存しないため、図２のステップＳ６に示す各相の電流検出処理が実施の形態１と比較して簡素にできる。また、実施の形態１との違いは電流検出のタイミングだけであり、故障相特定部１４に関する部分は全く同じものを利用できる。したがって、実施の形態１と同様な効果が得られる。

実施の形態７．
次に、この発明の実施の形態７による電動機制御装置について説明する。本実施の形態は、実施の形態１で説明した図２のステップＳ１に示す電流検出部７の故障相特定処理の開始条件を変更したものである。

実施の形態１では、電流制御部５が出力する電圧指令値を電動機１の駆動指令としてインバータ回路６を駆動している状態で、異常検知部１１が電流検出部７の異常を検知した場合にステップＳ３の故障相特定処理を開始したが、電動機制御装置が始動した時点で故障相特定処理を開始することもできる。
実施の形態７では、図１２のステップＳ１０に示すように電動機制御装置が始動した時点で、テスト電圧指令をインバータ回路６の駆動指令に設定するステップＳ１１に移行する。

次に、ステップＳ１２で各相の電流検出部７の電流検出値を取得し、ステップＳ１３において異常検知部１１が電流検出部７の異常を検知した場合、ステップＳ１４の電流検出部７の故障相特定処理へ移行する。また、ステップＳ１３で電流検出部７が異常でないと判定した場合は判定処理を終了し、インバータ回路６の駆動指令を電流制御部５が出力する電圧指令値に切り替える。

実施の形態７のように、電流制御部５が出力する電圧指令値でインバータ回路６を駆動する前に故障相特定処理を実施することにより、故障した電流検出部７の電流検出値により電動機１が異常な挙動をすることなく、故障した相以外の正常相に流れる電流検出値を使用して電動機１を駆動することができる。

以上、実施の形態１から７による電動機制御装置について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (8)

1. 多相巻線の電動機を制御する制御ユニットを備えた電動機制御装置であって、前記制御ユニットは前記電動機に電力を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路の駆動指令として電圧指令値を出力する電流制御部と、前記電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の故障箇所を特定する故障相特定部と、を備え、
   前記故障相特定部は、前記電動機の回転周波数より高い周波数をもつテスト電圧指令を生成するテスト電圧指令生成部を有し、前記テスト電圧指令を駆動指令として前記インバータ回路を駆動したときの電流検出値に含まれる前記テスト電圧指令の高周波数成分の大きさまたは位相が、所定の範囲内にあるか否かを判定し、前記所定の範囲内に無い相に故障が発生したと判定することを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記制御ユニットは、前記電動機、前記インバータ回路、または前記電流検出部に異常が発生したことを検知する異常検知部を備え、
   前記異常検知部が異常を検知していない場合は前記電流制御部から出力される電圧指令を駆動指令として前記インバータ回路を駆動し、前記異常検知部が異常を検知した場合は前記テスト電圧指令生成部が生成するテスト電圧指令を駆動指令として前記インバータ回路を駆動し、
   前記故障相特定部は前記異常検知部が前記インバータ回路または前記電流検出部の異常を検知した場合に故障相の判定を開始することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記故障相特定部は、各相の電流検出値の総和を演算し、閾値より小さいか否かを判定し、三相の電流検出値の和が閾値より小さい場合に、前記電流検出部が故障したと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
4. 前記故障相特定部は、前記電動機の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下か否かを判定する誘起電流判定手段を備え、前記誘起電圧によって流れる電流が閾値以下と判定した後に、前記電流検出部の故障相の特定を開始することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電動機制御装置。
5. 前記誘起電流判定手段は、前記電動機の回転速度に基づいて、前記電動機の誘起電圧によって流れる電流が閾値以下か否かを判定することを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
6. 前記インバータ回路は、前記電動機の各相に対応する上下アームにスイッチング素子を備えるとともに、各相の下アームのスイッチング素子に直列に接続された前記電流検出部を備え、前記故障相特定部は、前記下アームの全てのスイッチング素子がオンのときに検出した各相の電流に基づいて、前記テスト電圧指令の周波数成分の大きさまたは位相を演算することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電動機制御装置。
7. 前記故障相特定部は、前記下アームの全てのスイッチング素子がオフのときに検出した各相の電流に基づいて、前記上下アームに備えられたスイッチング素子の故障と前記電流検出部の故障を判別することを特徴とする請求項６に記載の電動機制御装置。
8. 前記インバータ回路は、前記電動機の各相に対応する上下アームにスイッチング素子を備えるとともに、各相の下アームのスイッチング素子に直列に接続された前記電流検出部を備え、前記故障相特定部は、前記下アームの全てのスイッチング素子がオフのときに検出した各相の電流に基づいて、前記上下アームに備えられたスイッチング素子の故障と前記電流検出部の故障を判別することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電動機制御装置。

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