JP7396283B2

JP7396283B2 - モータ駆動装置、電動オイルポンプおよびモータ駆動装置の故障検知方法

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Publication number: JP7396283B2
Application number: JP2020535825A
Authority: JP
Inventors: 宏紀横内; 修司遠藤
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2023-12-12
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: US11381186B2; JPWO2020032084A1; US20210297026A1; CN112534710A; WO2020032084A1

Description

本発明は、モータ駆動装置、電動オイルポンプおよびモータ駆動装置の故障検知方法に関する。

近年、自動運転機能を有する自動車や電動自動車等の普及が進み始めている。そのような車両では、いわゆる電動化が進み、油圧機構に代えて、モータや電動ポンプ等が用いられている。

日本国登録特許：特許４０４２０５０号公報

電動ポンプは、自動車等の車両に搭載され、例えば、エンジンや駆動用モータなどの冷却に使われる冷媒を循環させるのに用いられる。（例えば、日本国登録特許：特許４０４２０５０号参照）電動ポンプ等においては、何かしらの要因により故障した場合でも、車両を走行可能にするための冗長機能を持たせることが求められることもある。故障が発生した場合には、故障を検知した上で、当該箇所を切り離し、他の要素にて、その故障箇所の機能を代替させることが考えられる。

しかしながら、故障の検知は、各種のセンサが必要になり、構造の複雑化やコストの増加を招く虞がある。

そこで、本発明では、故障の発生を簡素な構造かつ低コストで容易に検知することができるモータ駆動装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の例示的な一実施形態のモータ駆動装置であって、ロータおよびステータを有するモータと、前記モータに電気的に接続されるインバータと、前記インバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、電圧指令値と、電流指令値と、前記インバータと前記モータとの間を流れる実電流と、に基づいて、少なくとも前記モータのインピーダンスの変化分を推定するインピーダンスオブザーバと、前記電流指令値と、前記インバータと前記モータとの間を流れる前記実電流との差分を算出する比較器と、前記インピーダンスの変化分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合、または、前記比較器が算出した前記差分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合に、故障フラグを出力する故障検出部と、を有し、前記モータは、さらに、前記モータに流れる前記実電流を検出する電流センサを有し、前記インピーダンスの変化分と前記差分とに基づいて、前記電流センサの故障を判定し、前記故障フラグを出力する。

本発明の例示的な一実施形態のモータ駆動装置の故障検知方法であって、インピーダンスオブザーバが、電圧指令値と、電流指令値と、インバータとモータとの間を流れる実電流と、に基づいて、少なくとも前記モータのインピーダンスの変化分を推定するステップと、比較器が、前記電流指令値と、前記インバータと前記モータとの間を流れる前記実電流との差分を算出するステップと、前記モータは、さらに、前記モータに流れる前記実電流を検出する電流センサを有し、故障検出部が、前記インピーダンスの変化分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合、または、前記比較器が算出した前記差分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合に、前記インピーダンスの変化分と前記差分とに基づいて、前記電流センサの故障を判定し、故障フラグを出力するステップと、を備える。

本発明の一つの態様によれば、モータにおける故障の発生を簡素な構造かつ低コストで容易に検知することができる。

図１は、本実施形態の制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態における電流の差分を用いた故障検知システムの構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態におけるインピーダンスの差分を用いた故障検知システムのブロックを示す図である。図４は、本実施形態の変形例の制御システムの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るモータ制御について説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

図１は、制御装置１の構成を示すブロック図の一例である。図１に示す本発明の一実施形態における制御装置１は、インバータ１０と、トルク電流指令変換器２０と、３相電流電圧指令変換器３０と、インピーダンスオブザーバ４０と、差分器５０と、故障検出部６０と、を有する。トルク電流指令変換器２０と、３相電流電圧指令変換器３０と、インピーダンスオブザーバと４０、差分器５０と、故障検出部６０は、モータ制御装置として、マイクロコンピュータ１００（以下、「マイコン」と記載）に搭載される。また、このマイコン１００はインバータ１０を制御する信号を出力し、その信号に基づきモータ２００の駆動を制御する。

本実施形態において、モータ駆動装置は、モータ２００と、制御装置１と、を有する。モータ２００は、ステータと、ステータに対して相対的に回転可能なロータと、を有する。本実施形態のモータ駆動装置は、例えば、電動オイルポンプに用いられる。なお、モータ駆動装置は、電動オイルポンプ以外の用途に用いられてもよい。

モータ２００には、角度センサ２１０が取り付けられる。角度センサ２１０は、ロータの回転角度を検知する。角度センサ２１０は、例えば、磁気抵抗素子とセンサマグネットとを組み合わせたものであってもよく、ホール素子（ホールＩＣを含む）などであってもよい。なお、角度センサは、ロータの回転角度ではなく、ロータの回転速度を検出するものであってもよい。

インバータ１０は、複数のスイッチング素子を有する。インバータ１０は、ステータと、電気的に接続される。本実施形態におけるインバータ１０では、スイッチング素子（ＦＥＴ，Field Effect Transistor）として、例えば、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられる。本実施形態において、モータ２００は３相モータである。そのため、本実施形態におけるインバータ１０は、６個のＦＥＴを有する。

インバータ１０には、さらに、電流センサ２２０が接続される。本実施形態では、電流センサ２２０として、１または複数のシャント抵抗が用いられる。本実施形態では、１つのシャント抵抗から電流を検出する。なお、電流センサ２２０として、いわゆる３シャント抵抗が用いられてもよく、シャント抵抗以外のセンサが用いられてもよい。

制御装置１には、トルク指令値Ｔ^*が入力として与えられる。トルク指令値Ｔ^*は、トルクセンサ２３０によって検出されたトルクの値が図示しないフィルタによる処理後、アシストトルクとして入力されることにより得られる。入力されたトルク指令値Ｔ^*は、トルク電流指令変換器２０に入力される。トルク電流指令変換器２０は、トルク指令値Ｔ^*に対し、ゲインとしてトルク定数を積算する処理を行い、３相の電流指令値Ｉ_ａ ^*、Ｉ_ｂ ^*、Ｉ_ｃ ^*に変換する。

電流指令値Ｉ^*は、トルク電流指令変換器２０から出力され、信号として３相電流電圧指令変換器３０へ入力される。３相電流電圧指令変換器３０は、電流指令値Ｉ^*を、電圧方程式の逆変換により、所定の電圧指令値Ｖ^＊へと変換する。電圧指令値Ｖ^＊は、３相電流電圧指令変換器３０から出力され、デューティに変換後、制御信号としてインバータ１０に入力される。また、電圧指令値Ｖ^＊は、３相電流電圧指令変換器３０から出力され、信号としてインピーダンスオブザーバ４０へも入力される。

インバータ１０は、電圧指令値Ｖ^＊に基づいて、各スイッチング素子を所定のスイッチングパターンにてＯＮ／ＯＦＦ制御信号を生成（ＰＷＭ制御）を行い、所定の電圧および電流をモータ２００に与える。

インバータ１０からモータ２００へと与えられる実電流Ｉは、上述の電流センサ２２０によって３相の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ごとに検出される。検出された３相の実電流Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃは、信号としてインピーダンスオブザーバ４０へと入力される。

インピーダンスオブザーバ４０は、実電流Ｉおよび電圧指令値Ｖ^＊に基づいて、モータ駆動装置におけるインピーダンスの変化分ΔＲを各相ごとに推定することができる。ここで、インピーダンスオブザーバ４０は、例えば、本実施形態におけるモータの制御モデルの逆モデルに基づいた、外乱オブザーバである。しかしながら、インピーダンスオブザーバ４０は、外乱オブザーバ以外のオブザーバであってもよい。また、インピーダンスオブザーバ４０は、実電流Ｉに基づいて、下記の数式１により実電圧Ｖ（実３相電圧）を算出することができる。

数式１において、Ｒ_ｔｈはモータのインピーダンス、ΔＲ_ｔｈはモータのインピーダンス誤差、Ｌはインダクタンスである。また、ＥＭＦは逆起電力である。

各相ごとのインピーダンスの変化分ΔＲ_ｔｈは、３相電流電圧指令変換器３０へ、フィードバックされる。３相電流電圧指令変換器３０は、フィードバックされた各相ごとのインピーダンスの変化分ΔＲ_ｔｈと、電流指令値Ｉ^*と、実電圧Ｖに基づいて、下記の数式２により各相ごとの電圧指令値Ｖ_ａ ^＊、Ｖ_ｂ ^＊、Ｖ_ｃ ^＊を出力する。

数式２に示されるΔＲ_ｔｈａ, ΔＲ_ｔｈｂ, ΔＲ_ｔｈｃには、インピーダンスの温度変動分と故障による変化分が含まれる。ところで、電動オイルポンプでは、冷媒である油の温度を測定している場合が多い。この時、測定した油の温度とモータコイル温度や駆動回路の温度は、温度平衡状態になることから同じ温度となる。したがって、測定した油温を用いて温度によるインピーダンス変化分を除いた値をΔＲ_ｔｈａ, ΔＲ_ｔｈｂ, ΔＲ_ｔｈｃとすることが望ましい。

差分器５０には、電流センサ２２０から検出された実電流Ｉと、トルク電流指令変換器２０から出力された電流指令値Ｉ^*と、が入力される。差分器５０は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩを計算する。

実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲは、信号として故障検出部６０に入力される。故障検出部６０は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲに基づいて、各故障（デューティ故障、シャント抵抗の故障、インバータのＦＥＴの故障、角度センサの故障、モータの構造の故障など）を判定することができる。

例えば、デューティ故障、シャント抵抗の故障、インバータのＦＥＴの故障は、インピーダンスの変化分ΔＲと実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩとを利用して、判定することができる。デューティ故障においては、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩとを累積加算することにより、故障の判定を行う。また、角度センサの故障は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩに基づいて、判定することができる。モータ駆動装置におけるインピーダンスの変化による故障は、インピーダンスの変化分ΔＲに基づいて判定することができる。

さらに故障によって発生するΔＲは、故障自体が電気電子部品ごとに独立して起きることから、ΔＲ_ｔｈａ, ΔＲ_ｔｈｂ, ΔＲ_ｔｈｃの内、１つの相についてのみ変化が現れる。したがって、多数決を行い、所定以上の大きさの変化を示す１相を取り出すことで、故障検出の精度を上げることができる。

なお、故障検出部６０は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲだけでなく、角度センサ２１０の出力値も利用して、上述の故障を判定してもよい。

また、本実施形態では、トルク電流指令変換器２０の出力と３相電流電圧指令変換器３０の出力とが、それぞれ、インピーダンスオブザーバ４０や差分器５０などに、フィードフォワードされている。すなわち、トルク電流指令変換器２０と３相電流電圧指令変換器３０とにより、フィードフォワード制御系が構成されている。

＜ΔＩによる故障検出ロジック＞次に、故障検出部６０における実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩを用いた故障検出のロジックを説明する。図２は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩを用いた故障検知システムの構成を示すブロック図である。まず、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*に対して、角度センサ２１０が検出したロータの回転角度（電気角）に基づいて、３相２軸変換が行われる。ここで、２軸とは、いわゆるｄ－ｑ同期座標系である。ロータが有する永久磁石の磁束(Ｎ極)方向をｄ軸とし、ｄ軸から角度θの正方向に９０度進んだ方向をｑ軸としている。ここでいう角度θは、電気角で表されるものをいう。

上述のように、実電流Ｉは、電流センサ２２０などによって検出される。検出された実電流Ｉは、角度センサ２１０が検出したロータの回転角度（電気角）に基づいて、３相２軸変換が行われる。

３相２軸変換が行われた実電流Ｉ_ＣＮＶの値と、電流指令値Ｉ_ＣＮＶ ^*との比較が行われ、その比較結果に基づいて、故障の判定が行われる。故障があると判定される場合、故障検出部６０は、故障フラグ７０（信号）を出力する。例えば、故障検出部６０は、３相２軸変換が行われた実電流Ｉの値と、電流指令値Ｉ^*との差分ΔIをｄ軸、ｑ軸それぞれについて計算する。続いて、ｄ軸、ｑ軸それぞれについて、目標値となるΔIの差分値ΔＩ_Ｔと実際の差分値ΔＩ_Ａを求める。そして、各軸のΔＩ_ＴとΔＩ_Ａの差を加算する。上記方法により加算された値が所定の閾値を上回る場合（または下回る場合）に、故障と判定する。故障検出部６０から出力された故障フラグ７０に基づいて、制御装置１は、例えば、モータ２００の駆動の停止などを行う。

実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との電流の差分ΔＩを利用した故障検出の一例として、角度センサ２１０の故障検出について、説明する。

角度センサ２１０が故障した場合、故障した角度センサ２１０から出力されるロータの位置情報に基づいて、上述のフィードフォワード制御を含む制御が行われることになる。この場合、故障がない場合の実電流Ｉと故障がある場合の実電流Ｉ_Ｂとの間には、電流値に差が出てくる。実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*とに基づいて、差分ΔＩがｄ軸、ｑ軸それぞれについて計算される。ｄ軸、ｑ軸それぞれについて、目標値となるΔIの差分値ΔＩ_Ｔと実際の差分値ΔＩ_Ａを求め、各軸のΔＩ_ＴとΔＩ_Ａの差を加算した値が所定の閾値を超える場合（または下回る場合）には、角度センサに故障が発生していると判定され、故障フラグが出力される。

なお、３相２軸変換が行われた電流指令値Ｉ_ＣＮＶ ^*（指示電流）に対しては、図４に示すように、さらに検出マージンｍを加算し、３相２軸変換が行われた実電流Ｉ_ＣＮＶの値と、検出マージンｍが加算された電流指令値（Ｉ_ＣＮＶ ^*＋ｍ）との比較を行い、その比較結果に基づいて、角度センサの故障の判定を行ってもよい。検出マージンｍを使うことで、閾値を可変とすることができる。

外乱要因の大きさによって、電流の目標値となるΔIの差分値ΔＩ_Ｔと実際の差分値ΔＩ_Ａが変化する。検出マージンは外乱要因の変化による誤検出・未検出を防ぐため、故障判定閾値を変動させるために使用する。外乱要因には、電源電圧、モータ回転速度、目標トルク、モータ巻線温度、とが含まれる。

＜ΔＲによる故障検出ロジック＞次に、故障検出部６０におけるΔＲを用いた故障検出のロジックを説明する。

インピーダンスオブザーバ４０は、３相の電圧指令値Ｖ_ａ ^＊、Ｖ_ｂ ^＊、Ｖ_ｃ ^＊と実３相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃとの差分を計算する。３相の電圧指令値Ｖ_ａ ^＊、Ｖ_ｂ ^＊、Ｖ_ｃ ^＊と実３相電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃとの差分、および、３相の電流指令値Ｉ_ａ ^*、Ｉ_ｂ ^*、Ｉ_ｃ ^*とに基づいて、数式２において電圧の差分ΔＶを電流指令値Ｉ^*で除することにより、インピーダンスの変化分ΔＲを求める。

算出されたインピーダンスの変化分ΔＲと所定の閾値との比較が行われ、その比較結果に基づいて、故障の判定が行われる。故障検出部６０は、故障が発生していると判定された場合には、故障フラグ７０（信号）を出力する。

インピーダンスの変化分ΔＲを利用した故障判定の一例として、インピーダンス故障について説明する。

ステータは、複数のコイルを有する。インピーダンス故障の一例として、コイルを構成する巻線の断線や、コイルに接続されるバスバ等の変形などがある。

このようなインピーダンスの故障が生じた場合には、故障がない場合におけるインピーダンスと故障がある場合におけるインピーダンスとの間に差分、すなわち、インピーダンスの変化分ΔＲが出てくることになる。故障検出部６０は、インピーダンスの変化分ΔＲが、所定の閾値を超える場合（または下回る場合）には、インピーダンスに故障が生じていると判定し、故障フラグ７０を出力する。

＜ΔＩおよびΔＲによる故障検出ロジック＞上述した故障の判定では、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲのいずれか一方のみを用いていた。しかしながら、実電流Ｉと電流指令値との電流Ｉ^*の差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲの両方を用いて、モータ駆動装置における故障の判定が行われてもよい。

例えば、インバータ１０の制御信号であるデューティに異常があった場合、電流センサに故障が発生した場合、または、インバータ１０が有するスイッチング素子（ＦＥＴなど）に故障が発生した場合には、実電流Ｉ、実電圧Ｖ、インピーダンスＲの各値が、上述の故障がない場合と比較して、変化することになり、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲの両方の値が変化する。

したがって、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との差分ΔＩが所定の閾値を超えた場合（あるいは下回った場合）、かつ、インピーダンスの変化分ΔＲが所定の閾値を超えた場合（あるいは下回った場合）には、インバータ１０の制御信号であるデューティに異常があった場合、電流センサ２２０に故障が発生した場合、および、インバータ１０が有するスイッチング素子（ＦＥＴなど）に故障が発生した場合の少なくともいずれか１つに故障が発生したことになる。すなわち、故障検出部６０は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との電流の差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲの両方の値に基づいて、これらの故障を判定し、故障フラグを出力することができる。

言い換えると、故障検出部６０は、実電流Ｉと電流指令値Ｉ^*との電流の差分ΔＩおよびインピーダンスの変化分ΔＲの少なくともいずれか一方の値に基づいて、デューティの異常、電流センサの故障、スイッチング素子の故障、角度センサの故障、インピーダンスの故障の少なくともいずれか１つを判定することができる。

上述の実施形態では、モータの制御に関するものである。しかしながら、本発明は、当該モータを用いる電動パワーステアリング、電動ポンプや他のアクチュエータなどに用いられてもよい。

本明細書において説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

Claims

モータ駆動装置であって、
ロータおよびステータを有するモータと、
前記モータに電気的に接続されるインバータと、
前記インバータを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
電圧指令値と、電流指令値と、前記インバータと前記モータとの間を流れる実電流と、に基づいて、少なくとも前記モータのインピーダンスの変化分を推定するインピーダンスオブザーバと、
前記電流指令値と、前記インバータと前記モータとの間を流れる前記実電流との差分を算出する比較器と、
前記インピーダンスの変化分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合、または、前記比較器が算出した前記差分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合に、故障フラグを出力する故障検出部と、を有し、
前記モータは、さらに、前記モータに流れる前記実電流を検出する電流センサを有し、
前記インピーダンスの変化分と前記差分とに基づいて、前記電流センサの故障を判定し、前記故障フラグを出力する、モータ駆動装置。
前記インピーダンスの変化分は、前記ステータに発生した故障に起因し、
前記故障検出部は、前記故障フラグを出力する請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記インピーダンスオブザーバは、推定した前記インピーダンスの変化分から、温度による前記インピーダンスの変化分を除く処理を行う、請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
前記インピーダンスオブザーバは、多数決により、故障している相の特定を行う、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
前記モータは、前記ロータの回転位置を検出し、前記ロータの位置情報を出力する角度センサを有し、
前記比較器は、前記位置情報に基づいて、前記実電流に対して３相２軸変換を行い、前記位置情報に基づいて、前記電流指令値に対して３相２軸変換を行う、請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記差分は、前記角度センサの故障に起因する、請求項５に記載のモータ駆動装置。
前記比較器は、前記実電流に対する前記３相２軸変換において、検出マージンを加算する、請求項５または６に記載のモータ駆動装置。
前記故障検出部は、前記インピーダンスの変化分と前記差分とに基づいて、前記インバータを制御する信号であるデューティの異常を判定し、前記故障フラグを出力する、請求項１または請求項７に記載のモータ駆動装置。
前記インバータは、複数のスイッチング素子を有し、前記故障検出部は、前記インピーダンスの変化分と前記差分とに基づいて、前記スイッチング素子の故障を判定し、前記故障フラグを出力する、請求項１または請求項８に記載のモータ駆動装置。
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を有する、電動オイルポンプ。
モータ駆動装置の故障検知方法であって、
インピーダンスオブザーバが、電圧指令値と、電流指令値と、インバータとモータとの間を流れる実電流と、に基づいて、少なくとも前記モータのインピーダンスの変化分を推定するステップと、
比較器が、前記電流指令値と、前記インバータと前記モータとの間を流れる前記実電流との差分を算出するステップと、
前記モータは、さらに、前記モータに流れる前記実電流を検出する電流センサを有し、
故障検出部が、前記インピーダンスの変化分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合、または、前記比較器が算出した前記差分が所定の閾値を超えた場合または下回った場合に、前記インピーダンスの変化分と前記差分とに基づいて、前記電流センサの故障を判定し、故障フラグを出力するステップと、を備える、モータ駆動装置の故障検知方法。