JP6591089B2 - 回転機の制御装置及びそれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
前記インバータは、前記直流電源の正極側に接続される高電位側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される低電位側のスイッチング素子とが直列接続され、各相の直列接続の接続点が対応する相の前記巻線に接続される直列回路を、前記m相の各相に対応してmセット設け、
前記制御回路は、前記巻線に流す電流指令を演算する電流指令演算部と、前記電流指令に基づいて前記巻線に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、前記電圧指令に基づいて前記スイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部と、前記スイッチング素子のそれぞれを強制的に遮断状態に切り替える素子遮断部と、前記素子遮断部の故障を判定する遮断故障判定部と、を備え、
前記遮断故障判定部は、前記m相の内の1つの相を診断対象相として決定し、前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、前記診断対象相の前記巻線を流れる電流が、前記インバータから前記巻線に流れる方向である正になる駆動状態において、前記素子遮断部に指令して前記診断対象相の前記高電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させる高電位側強制遮断、又は前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、前記診断対象相の前記巻線を流れる電流が、前記巻線から前記インバータに流れる方向である負になる駆動状態において、前記素子遮断部に指令して前記診断対象相の前記低電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させる低電位側強制遮断を実行し、
前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行したときの、電流又は電圧の検出値に基づいて、前記素子遮断部の故障を判定するものである。
前記回転機の駆動力を車両の操舵装置に伝達する駆動力伝達機構と、を備えたものである。
実施の形態1に係る回転機3の制御装置1(以下、単に制御装置1と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る回転機3及び制御装置1の概略構成図である。制御装置1は、回転機3と直流電源2との間で電力変換を行う、複数のスイッチング素子を備えたインバータ17と、スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路4と、を備えている。
回転機3は、m相の巻線(mは2以上の自然数)を有している。本実施の形態では、m=3とされており、1番目の相、2番目の相、3番目の相の巻線が設けられている。以下では、1番目の相をU相、2番目の相をV相、3番目の相をW相と称する。3相の巻線は、スター結線されている。
制御回路4は、インバータ17を制御することにより、回転機3の制御を行う制御回路である。図1に示すように、制御回路4は、トルク指令演算部12、電流指令演算部5、電圧指令演算部6、スイッチング信号生成部7、素子遮断部8、遮断故障判定部9、回転情報演算部10、電流検出部11等の機能部を備えている。制御回路4が備える各機能部5〜12等は、制御回路4が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御回路4は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。記憶装置91として、演算処理装置90からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)や、演算処理装置90からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)等が備えられている。入力回路92は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置90に入力するA/D変換器等を備えている。出力回路93は、スイッチング素子等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置90から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。本実施の形態では、入力回路92には、電流センサ22、電圧センサ23、角度検出センサ24、トルクセンサ63等が接続されている。出力回路93には、インバータ17(スイッチング素子又はスイッチング素子のゲート駆動回路)等が接続されている。
<回転情報演算部10>
回転情報演算部10は、回転機3の回転情報を検出する。回転情報演算部10は、ロータの回転軸に設けられた角度検出センサ24の出力信号に基づいて、ロータの電気角θ及び電気角速度を検出する。
トルク指令演算部12は、回転機3に出力させるトルク指令を演算する。本実施の形態では、トルク指令演算部12は、トルクセンサ63の出力信号に基づいて検出した操舵トルク等に基づいて、操舵トルクを補助するアシストトルクをトルク指令として演算する。
電流指令演算部5は、3相巻線に流す電流指令を演算する。本実施の形態では、電流指令演算部5は、3相巻線に流す電流をdq軸回転座標系で表したd軸電流指令Id*及びq軸電流指令Iq*を演算するdq軸電流制御を実行する。dq軸回転座標は、回転機3のロータの磁束方向に定めたd軸及びd軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる回転座標とされている。本実施の形態では、ロータの磁束方向は、ロータに設けられた永久磁石のN極の向きとされている。電気角θは、U相(1番目の相)の巻線を基準としたd軸の進み角とされている。すなわち、d軸位置が、U相の巻線位置に一致しているときに、電気角θが0degになる。
電流検出部11は、電流センサ22の出力信号に基づいて、インバータ17から回転機3の各相の巻線に流れる3相電流Iu、Iv、Iwを検出する。電流検出部11は、各相の巻線に流れる3相電流Iu、Iv、Iwを、電気角θに基づいて3相2相変換及び回転座標変換を行って、dq軸回転座標系で表したd軸電流Id及びq軸電流Iqに変換する。
電圧指令演算部6は、電流指令に基づいて巻線に印加する電圧指令を演算する。本実施の形態では、電圧指令演算部6は、遮断故障判定を行わない通常制御を行う場合は、dq軸電流Id、Iqが、dq軸電流指令Id*、Iq*に近づくように、回転機3に印加する電圧の指令信号をdq軸回転座標系で表したd軸電圧指令Vd*及びq軸電圧指令Vq*を、PI制御等により変化させる電流フィードバック制御を行う。
スイッチング信号生成部7は、電圧指令に基づいてスイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成する。スイッチング信号生成部7は、3相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に基づいてパルス幅変調制御(PWM(Pulse Width Modulation)制御)を行って、3相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に応じたデューティ比のパルス幅を持つスイッチング信号Qup〜Qwnを生成する。本実施の形態では、スイッチング信号生成部7は、図7に示すように、3相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*のそれぞれと、直流電源2の直流電圧Vdcの振動幅を有し、キャリア周期Tcで振動するキャリア波C1(三角波)とを比較し、各相について、交流電圧指令がキャリア波C1を上回った場合は、高電位側のスイッチング素子をオンさせると共に低電位側のスイッチング素子をオフさせるスイッチング信号を生成する。スイッチング信号生成部7は、スイッチング信号Qup〜Qwnをインバータ17に出力し、インバータ17の各スイッチング素子をオンオフさせる。なお、3相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に対して、空間ベクトル変調や2相変調など公知の変調方法を用いて変調した3相電圧指令に基づいてスイッチング信号が生成されてもよい。
素子遮断部8は、各スイッチング素子を強制的に遮断状態に切り替えるフェールセーフ機構である。素子遮断部8は、各種入力信号から異常を検出したときなどに、異常内容に対応するスイッチング素子を強制的に遮断状態に切り替える。例えば、スイッチング素子を流れる電流が異常になった場合に、電流が異常になったスイッチング素子を強制的に遮断状態に切り替え、回転機3から異常なトルクが出力されるのを防止する。また、素子遮断部8は、後述する遮断故障判定を行う場合は、遮断故障判定部9の指令に従って、故障診断対象に係るスイッチング素子を強制的に遮断状態に切り替える。
遮断故障判定部9は、素子遮断部8の故障を判定する。遮断故障判定部9は、3相の内の1つの相を診断対象相として決定し、素子遮断部8に指令して、診断対象相の高電位側又は低電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させ、遮断させたときの電流又は電圧の検出値に基づいて素子遮断部8の故障を判定する遮断故障判定を実行する。
<診断対象相の巻線を流れる電流が正の場合>
まず、診断対象相の巻線を流れる電流が、インバータ17から巻線に流れる方向である正になる駆動状態における、遮断故障判定の原理について説明する。遮断前に回転機3が回転している状態で、dq軸回転座標系においてd軸電流が10Arms、q軸電流が0Arms流れているとき、3相電流Iu、Iv、Iwは、図4のようになる。横軸は電気角θである。また、微小回転では電圧と電流の位相はほとんど差が無いため、3相電圧Vu、Vv、Vwは図5のようになる。ここで、rmsは、二乗平均平方根(root mean square)であり、実効値を表す。
次に、診断対象相の巻線を流れる電流が、巻線からインバータ17に流れる方向である負になる駆動状態について説明する。図4及び図5において電気角θが180degであり、診断対象相とされたU相の巻線を流れるU相電流Iuが負になる遮断前の駆動状態の、PWMキャリア1周期Tcのスイッチング素子20U〜21Wのオンオフ動作を図17に示す。時刻t1からt2までの電圧ベクトルはV7であり、時刻t2からt3までの電圧ベクトルはV4であり、時刻t3からt4までの電圧ベクトルはV0であり、時刻t4からt5までの電圧ベクトルはV4であり、時刻t5からt6までの電圧ベクトルはV7である。
以上で説明した遮断故障判定の原理に基づいて、遮断故障判定部9が以下で説明するように構成されている。遮断故障判定部9は、素子遮断部8によりスイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、診断対象相の巻線を流れる電流が、正になる駆動状態において、素子遮断部8に指令して診断対象相の高電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させる高電位側強制遮断を実行する。ここで、インバータ17から巻線に流れる電流の方向を正としている。遮断故障判定部9は、高電位側強制遮断を実行したときの、電流又は電圧の検出値に基づいて素子遮断部8の故障を判定する遮断故障判定を実行する。
実施の形態2に係る制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転機3及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電流指令演算部5が設定する遮断故障判定用のdq軸電流指令Id*、Iq*の設定方法が異なる。
まず、本実施の形態に係る遮断故障判定用のdq軸電流指令Id*、Iq*の設定原理について説明する。図23に示すように、d軸電流Id及びq軸電流Iqを合成した電流ベクトルIの、q軸に対する位相角をβとする。なお、d軸電流指令Id*及びq軸電流指令Iq*についても、同様である。
まず、本実施の形態に係る、dq軸電流指令Id*、Iq*を設定する第1の構成について説明する。振動する出力トルク差Tdiffの絶対値が大きい場合、遮断状態となったときに回転機3が回転する可能性があるので、振動する出力トルク差Tdiffの絶対値が、小さいほど回転機3の挙動に表れ難い。式(13)において、位相角βが±π/2のときにcosβが0になり、出力トルク差Tdiffが0を中心に正負均等に振動し、出力トルク差Tdiffの絶対値が最小となる。したがって、電流ベクトルIの位相角βが±π/2になるとき、すなわち、遮断前のq軸電流Iqが0になり、d軸電流Idが0以外の値になるとき、出力トルク差Tdiffが最小になる。
次に、本実施の形態に係る、dq軸電流指令Id*、Iq*を設定する第2の構成について説明する。図4には、第1の構成のように、d軸電流Idが10Armsの一定値であり、q軸電流Iqが0Armsである場合の3相電流Iu、Iv、Iwが示されている。この場合は、診断対象相であるU相電流Iuが正になり、U相の高電位側強制遮断が実行される期間は、電気角θが−π/2からπ/2になる期間(270degから360deg及び0degから90degの間)だけであり、U相の高電位側強制遮断を実行できる期間が限定される。このことは、式(6)において、位相角βを±π/2に設定した場合の、U相電流Iuの算出式からも理解できる。
実施の形態3に係る制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転機3及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電流指令演算部5が設定する遮断故障判定用のdq軸電流指令Id*、Iq*の設定方法が異なる。
実施の形態4に係る制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転機3及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、遮断故障判定において、診断対象相の低電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させる低電位側強制遮断が実行される点が異なる。
実施の形態5に係る制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転機3及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、診断対象相の低電位側のスイッチング素子が遮断される点と、電流指令演算部5が設定する遮断故障判定用のdq軸電流指令Id*、Iq*の設定方法が異なる。
まず、本実施の形態に係る、dq軸電流指令Id*、Iq*を設定する第1の構成について説明する。式(13)に示した、遮断前の駆動状態の出力トルクTと遮断状態の出力トルクToffとの出力トルク差Tdiffの絶対値が大きい場合、遮断状態となったときに回転機が回転する可能性があるので、振動する出力トルク差Tdiffの絶対値が、小さいほど回転機3の挙動に表れ難い。式(13)より、位相角βが±π/2のときに出力トルク差Tdiffの絶対値が最小となる。したがって、電流ベクトルIの位相角βが±π/2になるとき、すなわち、遮断前のq軸電流Iqが0になり、d軸電流Idが0以外の値になるとき、出力トルク差Tdiffが最小になる。
次に、本実施の形態に係る、dq軸電流指令Id*、Iq*を設定する第2の構成について説明する。図4には、第1の構成のように、d軸電流Idが10Armsの一定値であり、q軸電流Iqが0Armsである場合の3相電流Iu、Iv、Iwが示されている。この場合は、診断対象相であるU相電流Iuが負になり、U相の低電位側強制遮断が実行される期間は、電気角θがπ/2から3π/2になる期間(90degから270degの間)だけであり、U相の低電位側強制遮断を実行できる期間が限定される。このことは、式(6)において、位相角βを±π/2に設定した場合の、U相電流Iuの算出式からも理解できる。
実施の形態6に係る制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転機3及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、診断対象相の低電位側のスイッチング素子が遮断される点と、電流指令演算部5が設定する遮断故障判定用のdq軸電流指令Id*、Iq*の設定方法が異なる。
Claims (15)
- m相の巻線(mは2以上の自然数)を有する回転機と直流電源との間で電力変換を行う、複数のスイッチング素子を備えたインバータと、
前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、を備え、
前記インバータは、前記直流電源の正極側に接続される高電位側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される低電位側のスイッチング素子とが直列接続され、各相の直列接続の接続点が対応する相の前記巻線に接続される直列回路を、前記m相の各相に対応してmセット設け、
前記制御回路は、
前記巻線に流す電流指令を演算する電流指令演算部と、
前記電流指令に基づいて前記巻線に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に基づいて前記スイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング素子のそれぞれを強制的に遮断状態に切り替える素子遮断部と、
前記素子遮断部の故障を判定する遮断故障判定部と、を備え、
前記遮断故障判定部は、前記m相の内の1つの相を診断対象相として決定し、
前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、前記診断対象相の前記巻線を流れる電流が、前記インバータから前記巻線に流れる方向である正になる駆動状態において、前記素子遮断部に指令して前記診断対象相の前記高電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させる高電位側強制遮断、又は前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、前記診断対象相の前記巻線を流れる電流が、前記巻線から前記インバータに流れる方向である負になる駆動状態において、前記素子遮断部に指令して前記診断対象相の前記低電位側のスイッチング素子を強制的に遮断させる低電位側強制遮断を実行し、
前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行したときの、電流又は電圧の検出値に基づいて、前記素子遮断部の故障を判定する回転機の制御装置。 - 前記遮断故障判定部は、前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、前記診断対象相の前記巻線の印加電圧が、前記m相の巻線の印加電圧の平均値よりも大きくなる駆動状態において、前記高電位側強制遮断を実行し、又は前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合に、前記診断対象相の前記巻線の印加電圧が、前記m相の巻線の印加電圧の平均値よりも小さくなる駆動状態において、前記低電位側強制遮断を実行する請求項1に記載の回転機の制御装置。
- 前記電流指令演算部は、前記回転機のロータの磁束方向に定めたd軸及び前記d軸よりπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系上で、d軸電流指令及びq軸電流指令を演算するdq軸電流制御を実行し、
前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行するときは、前記q軸電流指令を0に設定し、前記d軸電流指令を0以外の値に設定する請求項1又は2に記載の回転機の制御装置。 - 前記電流指令演算部は、i番目の相が前記診断対象相に決定され、1番目の相の巻線を基準としたd軸の進み角を電気角として、
前記高電位側強制遮断を実行するときは、前記電気角が、−π/2+2π(i−1)/mからπ/2+2π(i−1)/mの間にある場合は、前記d軸電流指令を正の値に設定し、それ以外の場合は、前記d軸電流指令を負の値に設定し、
前記低電位側強制遮断を実行するときは、前記電気角が、−π/2+2π(i−1)/mからπ/2+2π(i−1)/mの間にある場合は、前記d軸電流指令を負の値に設定し、それ以外の場合は、前記d軸電流指令を正の値に設定する請求項3に記載の回転機の制御装置。 - 前記電流指令演算部は、前記回転機のロータの磁束方向に定めたd軸及び前記d軸よりπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系上で、d軸電流指令及びq軸電流指令を演算するdq軸電流制御を実行し、
i番目の相が前記診断対象相に決定され、1番目の相の巻線を基準としたd軸の進み角を電気角θとして、
前記高電位側強制遮断を実行するときは、−πから0の間の値に設定された位相調整定数Kを用いて、前記d軸電流指令及び前記q軸電流指令を合成した電流ベクトルの、前記q軸に対する位相角が、K+2π(i−1)/m−θになるように、前記d軸電流指令及び前記q軸電流指令を設定し、
前記低電位側強制遮断を実行するときは、0からπの間の値に設定された位相調整定数Kを用いて、前記電流ベクトルの前記q軸に対する位相角が、K+2π(i−1)/m−θになるように、前記d軸電流指令及び前記q軸電流指令を設定する請求項1又は2に記載の回転機の制御装置。 - 前記電流指令演算部は、前記高電位側強制遮断を実行するときは、−π/2に設定されている前記位相調整定数Kを用い、
前記低電位側強制遮断を実行するときは、π/2に設定されている前記位相調整定数Kを用いる請求項5に記載の回転機の制御装置。 - 前記電流指令演算部は、前記回転機のロータの磁束方向に定めたd軸及び前記d軸よりπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系上で、d軸電流指令及びq軸電流指令を演算するdq軸電流制御を実行し、
前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行するときは、前記回転機のロータの回転軸にかかる機械損失トルクの絶対値を、前記q軸電流指令を前記回転機の出力トルクに換算するトルク定数で除算した値以下に、前記q軸電流指令の絶対値を設定する請求項1から6のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。 - 前記電流指令演算部は、前記回転機のロータの磁束方向に定めたd軸及び前記d軸よりπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系上で、d軸電流指令及びq軸電流指令を演算するdq軸電流制御を実行し、
前記スイッチング素子が強制的に遮断されていない場合の前記回転機の出力トルクと、前記スイッチング素子が強制的に遮断されている場合の前記回転機の出力トルクとの出力トルク差の絶対値が、前記回転機のロータの回転軸にかかる機械損失トルクの絶対値以下になるように、前記q軸電流指令を設定する請求項1から7のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。 - 前記遮断故障判定部は、前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行したときの、前記巻線に印加される電圧の検出値に基づいて、前記素子遮断部の故障を判定する請求項1から8のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記遮断故障判定部は、前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行したときの、前記高電位側のスイッチング素子を流れる電流の検出値、又は前記低電位側のスイッチング素子を流れる電流の検出値に基づいて、前記素子遮断部の故障を判定する請求項1から8のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記遮断故障判定部は、前記高電位側強制遮断又は前記低電位側強制遮断を実行したときの、前記巻線に流れる電流の検出値に基づいて、前記素子遮断部の故障を判定する請求項1から8のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記電圧指令演算部は、前記スイッチング素子を強制的に遮断した後に、電流の検出値を用いずに、前記電圧指令を演算する請求項1から11のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記電圧指令演算部は、前記スイッチング素子を強制的に遮断する前に演算した前記電圧指令を保持し、前記スイッチング素子を強制的に遮断したときに、保持した値を前記電圧指令に設定する請求項1から12のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記回転機は、車両の操舵装置の操舵トルクを補助する電動パワーステアリング装置の駆動用の回転機とされ、
前記制御回路は、通常制御の実行時に、車両の操舵装置の操舵トルクを補助するトルクを前記回転機に出力させる請求項1から13のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。 - 請求項1から14のいずれか一項に記載の回転機の制御装置と、
前記回転機と、
前記回転機の駆動力を車両の操舵装置に伝達する駆動力伝達機構と、
を備えた電動パワーステアリング装置。
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