JPH11160101A - 回転センサ及びそれを用いた永久磁石型同期機の制御装置及び回転センサの故障判定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】コスト増を招かずに回転センサの故障判定を行
うことのできる手段及びそれを用いた同期電動機の制御
装置を提供する。 【課題を解決するための手段】回転体の位相の相対位置
を検出するエンコーダと前記回転体の絶対位置を検出す
る磁極位置センサとを有し、前記磁極位置センサはそれ
ぞれが１２０゜＋位相公差（但し、位相公差の絶対値は
３０゜を超えないものとする）ずつ位相のずれた３相の
出力信号を発生し、前記エンコーダと磁極位置センサの
出力に基づき前記回転体の絶対位相を検出する回転セン
サにおいて、前記エンコーダ及び前記磁極位置センサの
出力信号の合理性チェックにより、前記回転センサの故
障を判定する故障判定手段を有する。合理性チェックの
例として、回転体の回転数が所定回転数以下で、かつ、
前記磁極位置センサの出力信号のパターンが、正常時に
現れる所定の遷移以外の変化をしたとき前記回転センサ
を故障と判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の絶対位相
を検出する回転センサの故障検出手段及び故障判定方法
に係り、特に同期機（同期電動機もしくは同期発電機）
の制御装置に用いて好適な磁極位置センサを含む回転セ
ンサの故障検出手段及び故障判定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用を初め、広い分野に普及している
同期機は、一般に電動機等の絶対位相を検知するために
回転センサが使われている。同期機の制御装置に用いら
れる回転センサとしては、回転体の位相の相対位置を検
出するエンコーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁
極位置センサとを有し、前記磁極位置センサはそれぞれ
が１２０゜＋位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０
゜を超えないものとする）ずつ位相のずれた３相の出力
信号を発生し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力
に基づき前記回転体の絶対位相を検出するように構成さ
れている。

【０００３】同期機の制御装置は回転センサによって得
られた電動機等の位相情報に基づいて、同期機の運転を
制御するが、回転センサが故障すると同期機の位相情報
が不明となり運転不能に陥る。特開平０５−０８３９７
７号公報に記載された同期電動機駆動装置では、同期電
動機の界磁位置に同期した信号の異常を検出する手段と
して、同期電動機に供給される有効電力を検出し同期電
動機のトルク指令と回転数から求めた有効電力指令値と
比較することにより、位相の誤検知を判定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】回転体の位相の相対位
置を検出するエンコーダと前記回転体の絶対位置を検出
する磁極位置センサとを備え、前記回転体の絶対位相を
検出する回転センサにおいて、故障の結果発生する現象
は、信号の位相ずれ・デューティのずれ・ノイズ等によ
る誤パルスの重畳若しくはパルス欠け・信号レベルの固
定が考えられる。

【０００５】上記従来技術による検出方法によれば、同
期電動機の同期位相を与える位置検出器の故障あるいは
その信号伝送装置に故障が発生した場合、速やかにその
異常を検知することができる。しかしながら、有効電力
検出のために本来電動機を駆動するのに必要な装置の他
に新たなセンサ等を必要とするためコスト増を招く。

【０００６】本発明の目的は、コスト増を招かずに故障
判定を行うことのできる回転センサ及びそれを用いた同
期機の制御装置及び回転センサの故障判定方法を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、回転体
の位相の相対位置を検出するエンコーダと前記回転体の
絶対位置を検出する磁極位置センサとを有し、前記磁極
位置センサはそれぞれが１２０゜＋位相公差（但し、位
相公差の絶対値は３０゜を超えないものとする）ずつ位
相のずれた３相の出力信号を発生し、前記エンコーダと
磁極位置センサの出力に基づき前記回転体の絶対位相を
検出する回転センサにおいて、前記エンコーダ及び前記
磁極位置センサの出力信号の合理性チェックにより、前
記回転センサの故障を判定する故障判定手段を有するこ
とにある。

【０００８】本発明の他の特徴は、前記合理性チェック
の手段として、前記回転センサの出力信号を検知し、該
出力信号のパターンがすべて低もしくはすべて高のと
き、前記磁極位置センサを故障と判定する故障判定手
段、換言すると信号レベル異常判定手段を有することに
ある。

【０００９】本発明の他の特徴は、前記合理性チェック
の手段として、回転体の回転数が所定回転数以下で、か
つ、前記磁極位置センサの出力信号のパターンが、正常
時に現れる所定の遷移以外の変化をしたとき前記回転セ
ンサを故障と判定する故障判定手段、換言すると磁極領
域移行異常判定手段を有することにある。

【００１０】本発明の他の特徴は、前記合理性チェック
の手段として、前記回転センサ信号から磁極の存在範囲
を６０゜の範囲で求め、前記磁極位置センサで検出した
位相と比較し両者の差の絶対値が３０゜＋所定値以上の
角度のとき前記回転センサを故障と判定する故障判定手
段、換言すると角度認識異常判定手段を有することにあ
る。

【００１１】本発明の他の特徴は、前記合理性チェック
の手段として、前記磁極位置センサ信号のエッジ発生時
点で、前記回転センサの検出した位相と位相真値の差の
絶対値が所定値以上の角度のとき前記回転センサを故障
と判定する故障判定手段、換言するとＷ相割り込み時角
度認識異常判定手段を有することにある。

【００１２】本発明の他の特徴は、回転体の位相の相対
位置を検出するエンコーダと前記回転体の絶対位置を検
出する磁極位置センサとを有し、前記磁極位置センサは
それぞれが１２０゜＋位相公差（但し、位相公差の絶対
値は３０゜を超えないものとする）ずつ位相のずれた３
相の出力信号を発生し、前記エンコーダと磁極位置セン
サの出力に基づき前記回転体の絶対位相を検出する回転
センサの故障判定方法において、前記エンコーダ及び前
記磁極位置センサの出力信号の合理性チェックにより、
前記回転センサの故障を判定することにある。

【００１３】本発明によれば、前記エンコーダ及び前記
磁極位置センサの出力信号の合理性チェックを行なうこ
とにより、例えば、磁極位置センサの信号不良を監視す
ることにより、あるいは、磁極位置センサ信号と位相検
出器の検出位相を常時比較することにより回転センサの
故障を判定することができる。すなわち、同期電動機の
位相検出用回転センサの出力信号の特性を利用して該回
転センサ故障判定を行うので、故障検出のために新たな
センサ等を必要とせず、コスト増を招かずに故障判定を
行うことのできる回転センサ及び故障検知方法及びそれ
を用いた同期機の制御装置を提供することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図によって本発明の実施例
を説明する。まず、図１は、本発明の一実施例を適用し
た電気車用駆動制御システムの構成を示すものである。
１は永久磁石型同期電動機でありバッテリー７を電源と
し、電力変換器として逆変換器すなわちインバータ２を
用いる。永久磁石型同期電動機１には、回転センサとし
て回転角度センサであるエンコーダ３及び磁極位置を検
出する磁極位置センサ４が直結されている。電動機制御
装置５は、エンコーダ３と磁極位置センサ４の出力に基
づき同期電動機の位相の演算を行う機能を有する。一
方、駆動システム制御部１１は、電動機１がアクセルペ
タル及びブレーキペタルの操作量に対応したトルクを発
生するように制御するために、前記操作量に応じた電動
機トルク指令τＭ＊を電動機制御装置５に送る。電動機
制御装置５は、電動機トルク指令τＭ＊、同期電動機の
位相及び電流検出器６で検出された電流値に基づいてｄ
ｑ軸電流指令値や交流電圧指令値を生成するｄｑ軸電流
制御機能と、この交流電圧指令値に基づいてインバータ
２を制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成機能
を備えている。

【００１５】電動機制御装置５は、さらに、エンコーダ
３と磁極位置センサ４の出力及び位相演算手段の出力に
基づいてエンコーダ３や磁極位置センサ４の出力異常を
判定するセンサ故障判定機能を備えている。

【００１６】インバータ２は、６個のパワー素子（ＩＧ
ＢＴ）と各パワー素子に並列に接続されたダイオードを
用いて構成され、電動機１のＵ、Ｖ、Ｗ各相の巻線に流
れる電流を制御する３相ブリッヂ回路と、１個の平滑コ
ンデンサとを備えている。

【００１７】図２に、永久磁石型同期電動機１の制御を
行う電動機制御装置５の詳細機能ブロック図を示す。電
動機制御装置５は、３／２相変換手段２０２、ＩｄＩｑ
電流制御手段２０４、２／３相変換手段２０６、ＰＷＭ
制御手段２０８及び位相演算手段２１０、速度演算手段
２１２を備えている。入力側がエンコーダ３に接続され
た速度演算手段２１２は、速度演算処理を行い回転数ω
を出力する。入力側がエンコーダ３及び磁極位置検出手
段４に接続された位相演算手段２１０は、位相演算を行
い、位相角を出力する。

【００１８】電動機制御装置５は、また、Ｉｑテーブル
２２４及びＩｄテーブル２２６を含む電流指令発生手段
２２０を備えている。電動機制御装置５は、さらに、位
相演算手段２１０と磁極位置センサ４の出力に基づいて
エンコーダ３や磁極位置センサ４の異常を判定するセン
サ故障判定手段２３０を備えている。このセンサ故障判
定手段２３０は、角度認識異常判定手段２３２、磁極領
域移行異常判定手段２３４、信号レベル異常判定手段２
３６、Ｗ相割り込み時角度認識異常判定手段２３８及び
システム停止手段２３９を備えている。位相演算手段２
１０及びセンサ故障判定手段２３０は、メモリＲＯＭに
記録されたプログラムと、このプログラムを読み出しプ
ログラムの手順に沿って所定の処理を実行するＣＰＵ
と、前記プログラムや、処理に必要な関数、定数、デー
タ等を記録するメモリを含むコンピュータによって構成
される。

【００１９】電動機制御装置５において、２／３相変換
処理２０６、３相／２相座標変換手段２０２の座標変換
処理で使用する位相角θ１は、位相演算手段２１０にお
いて、電動機１の誘起電圧と同位相の信号を出力する磁
極位置センサ４、回転角度信号を出力するエンコーダ３
の各出力から算出する。

【００２０】図３に、（ａ）磁極位置センサ４の出力信
号、（ｂ）電動機１の誘起電圧Ｅ０、（ｃ）電動機制御
装置５内部の位相角θ１の位相関係を示す。磁極位置セ
ンサ４の出力信号である磁極位置信号Ｐｓ３は、電動機
１の誘起電圧Ｅ０に同期している。また、磁極位置セン
サ出力信号Ｐｓ３の立ち下がりエッジは、正転時位相１
８０°、逆転時位相０°の位置で発生する。位相演算手
段２１０の出力である位相角θ１は、鋸波状波信号とな
り、後述するように、常に位相が誘起電圧Ｅ０に同期す
るように処理される。

【００２１】図２に戻り、電動機制御装置５において、
トルク分電流に相当するｑ軸電流の指令値Ｉｑ* は、ト
ルク指令値τＭ* と回転数をもとにＩｑ制御手段２２４
で算出する。一方、ｄ軸電流の指令値Ｉｄ*も、トルク
指令値τＭ*と回転数をもとに、Ｉｄ制御手段２２６で
算出する。このようにして、電動機制御装置におけるＩ
ｄ、Ｉｑテーブル２２４、２２６は、トルク指令値τＭ
０と回転数をもとに高効率制御に要求される電流指令値
Ｉｑ* 、Ｉｄ* を算出する。

【００２２】３／２相座標変換手段２０２は、電流検出
器６で検出した電動機電流の３相交流電流を３／２相の
座標変換処理を行いｄ、ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑを算出す
る。これらの検出値Ｉｄ、Ｉｑと指令値Ｉｄ*、Ｉｑ*
をもとに、ＩｄＩｑ電流制御手段２０４は、比例あるい
は比例積分電流制御処理を行い、電圧指令値Ｖｄ*、Ｖ
ｑ*を算出する。

【００２３】さらに、２／３相変換手段２０６におい
て、２／３相の座標変換を行い３相交流電圧指令値ＶＵ
* 、ＶＶ* 、ＶＷ* を算出する。ＰＷＭ制御手段２０８
は、この電圧指令値ＶＵ* ，ＶＶ*，ＶＷ* から三角波
信号の搬送波信号との比較処理を行って、ＰＷＭ信号を
発生し、インバータ２を駆動する。このようにして電動
機１にＰＷＭ制御された電圧を印加することにより、電
動機電流が電流指令値Ｉｑ* 、Ｉｄ* に一致するように
制御する。

【００２４】電動機１の出力トルクは（１）式で示され
る。 τＭ＝Ｐｎ［｛Ｅ０＋（１−ρ）ＬｄＩｄ｝Ｉｑ］ …（１） ただし、Ｐｎは定数、ρはＬｑとＬｄの比、Ｅ０は誘起
電圧である。

【００２５】（１）式において、右辺第１項は同期トル
ク、第２項はリアクタンストルクである。同期トルク及
びリアクタンストルクの和が発生トルクτＭである。こ
のように（１）式のρが１よりも大きい逆突極特性をも
つ同期電動機は進み角βが４５度付近で最大トルクを発
生するので、この角度以上で制御される。

【００２６】次に、磁極位置センサ及び位相演算手段２
１０の詳細を図に基づき説明する。

【００２７】まず、図４に本発明の実施例で用いられる
回転センサの一例を示す。回転センサは、円板１２に形
成された１度間隔のスリット１３を通して光の送受信を
行う光送受素子１４を含むエンコーダ３と、円板に４個
所形成されたスリット１５を通して光の送受信を行う光
送受素子１６を含む磁極位置センサ４とから構成されて
いる。

【００２８】エンコーダ３は、図５の(ｂ)に示すよう
に、Ｅ１、Ｅ２の２相の信号を出力する。磁極位置セン
サは、図５の(ａ)に示すように、１２０゜ずつ位相のず
れたＰｓ１、Ｐｓ２、Ｐｓ３の３相の出力信号を回転セ
ンサ１回転で４周期発生する８極機である。本実施例に
おいて回転センサの使用する最大回転速度は267「rev/s」
とする。

【００２９】以下、磁極位置センサ出力信号Ｐｓ１，Ｐ
ｓ２，Ｐｓ３のレベルのセットをＰｓと略す。

【００３０】位相演算手段２１０は、図６の機能図に示
したように、位相カウンタ２１２でエンコーダ３の信号
パルスを計数し計数値Ｚを求め、ラッチ処理２１４で磁
極位置センサの出力信号Ｐｓ３の立ち下がりエッジに同
期してＰＳ及び前記計数値ＺをメモリＡにラッチし、位
相同期処理２１６でメモリＡのデータに基づき位相演算
処理２１８で使用する補正量Ｍｃの更新を行う。そし
て、位相演算処理２１８で、計数値をＺとし補正量Ｍｃ
に基づき補正を行い位相角θ１を得る。位相演算手段２
１０はロジック回路などによりハード的に構成すること
もできるが、本実施例では、コンピュータとプログラム
によって構成した例について説明する。

【００３１】位相演算処理２１８の処理を図７のフロー
図で説明する。位相演算処理では、ステップ１（図中で
はＳ１と記してあり、以下同様とする。）で位相カウン
タ２１２の出力の前記計数値Ｚを読み込み、ステップ２
で位相同期処理部２１６において演算する補正量Ｍｃの
データ読み込みを行う。最後に、ステップ３で、 位相角θ１＝Ｚ−Ｍｃ により、前記計数値Ｚに対して補正量Ｍｃだけ位相の補
正を行い、位相角θ１を得る。

【００３２】次に、図８に示すフローにより，ラッチ処
理２１４について説明する。このラッチ処理は、磁極位
置センサの出力信号Ｐｓ３の立ち下がりエッジでのみ起
動される。ラッチ処理は、ステップ１１で位相カウンタ
より前記計数値Ｚを読み込み、次に、ステップ１２でＰ
ｓを読み込み、さらに、ステップ１３で、前記計数値Ｚ
及びＰｓ及びメモリＡの更新を示すゼロBitデータをメ
モリＡに記録する。

【００３３】次に、図９に示すフローにより、位相同期
処理２１６について説明する。この位相同期処理には、
Ｗ相割り込み時角度認識異常判定手段２３８の機能も含
まれている。最初に、ステップ２１でメモリＡのデータ
を読出してレジスタＲＥＳ１に保持した後、ステップ２
２でメモリＡのビットをすべて１とする。次に、メモリ
Ａの更新判定のためステップ２３でレジスタＲＥＳ１の
ビットがすべて１となっているか判定を行い、すべて１
の場合メモリＡの更新がなされていないため処理を終了
する。レジスタＲＥＳ１のビットにゼロ値が含まれる場
合、つまり、前述した図８の処理が起動しメモリＡが更
新している場合、以下の処理を継続する。まず、ステッ
プ２４でレジスタＲＥＳ１に保持していたデータ内の位
相計数値Ｚに基づき、磁極位置センサ出力信号Ｐｓ３の
立ち下がりエッジが発生した時点での位相(位相θ２')
を演算する。次に、ステップ２５でレジスタＲＥＳ１に
保持していたデータ内のＰｓのパターンから正転の判定
を行い、Ｐｓのパターンによる正転の判定において、Ｐ
ｓレベルが正転でない場合、ステップ２６でＰｓレベル
が逆転なのかどうかの判定を行う。正転の場合、ラッチ
処理起動時の位相真値は１８０°であるので、ステップ
２７で位相の誤差を、（１８０°−位相θ２）として求
める。逆転の場合、 ラッチ処理起動時の位相真値は０
°であるので、ステップ２８で位相の誤差を（０°−位
相θ２）として求める。 Ｐｓのパターンが正逆転のい
ずれでもない場合、ステップ２９で誤差を０とする。

【００３４】次に、ステップ３０で誤差の絶対値が所定
値以内かどうかの判定を行う。ここでは、所定値を４０
°とした。もし、誤差の絶対値が４０°よりも大きけれ
ば、ステップ３１で磁極位置センサの割り込み時の角度
認識に異常ありと判定し、もし割り込み時の誤差の絶対
値が４０°以内ならば、ステップ３２で０より大きく１
以下の値Ｋにより調整量を、 調整量＝誤差×Ｋ として求め、さらに、ステップ３３で位相の補正量Ｍｃ
を Ｍｃ［ｋ］＝Ｍｃ［ｋ−１］＋調整量 として更新する。

【００３５】このように、Ｗ相割り込み時認識角度異常
の判定手段は、磁極位置センサ信号の特定相の信号のエ
ッジ発生時点の位相角と位相真値の差の絶対値が所定値
以上の角度のとき前記回転センサを故障と判定する。実
用上は、磁極位置センサ信号の特定相の信号のエッジ発
生時点の位相角と位相真値の差の絶対値が所定値以上の
角度であることを、複数回確認して判定するのが望まし
い。磁極位置センサの割り込み時の位相認識に故障あり
と判定された場合、その結果をシステム停止手段２３９
に送り、システム停止の処理を行う。

【００３６】次に、図１０、図１１に示すフェイル判定
処理のフローにより、信号レベル異常判定手段２３６、
磁極領域移行異常判定手段２３４及び、角度認識異常判
定手段２３２の処理について説明する。

【００３７】このフェイル判定処理は、後述する理由の
ため０.１ｍｓ毎に起動される。最初に、ステップ４１
で位相カウンタ２１２が出力する位相計数値Ｚを読出し
たのち、ステップ４２で位相同期処理２１６で求めた補
正量Ｍｃを読み出す。そして、ステップ４３で次の式 位相θａ＝Ｚ−Ｍｃ の演算により位相θａを求める。次に信号レベル異常判
定の処理を行なう。まず、ステップ４４でＰｓのデータ
を読出す。さらに、ステップ４５で１サンプリング前の
ＰｓのデータＢを読出す。次にステップ４６〜ステップ
５０で、Ｐｓが、Ｈｉ，Ｌｏ，Ｈｉ（以下、Ｍｄ０モー
ドと記す。）、Ｈｉ，Ｌｏ，Ｌｏ（以下、Ｍｄ１モード
と記す。）、Ｈｉ，Ｈｉ，Ｌｏ（以下、Ｍｄ２モードと
記す。）、Ｌｏ，Ｈｉ，Ｌｏ（以下、Ｍｄ３モードと記
す。）、Ｌｏ，Ｈｉ，Ｈｉ（以下、Ｍｄ４モードと記
す。）、Ｌｏ，Ｌｏ，Ｈｉ（以下、Ｍｄ５モードと記
す。）のいずれのモードか順次チェックする。いずれに
も該当しない場合、ステップ６４で信号レベル異常（ｆ
ａｉｌ）と判定し、結果をシステム停止手段２３９に送
り、システム停止の処理を行う。

【００３８】磁極位置センサ信号は３相あるので、信号
レベルの組み合わせパターン数は８個（＝２×２×２）
存在するが、磁極位置センサ信号の位相が１２０゜ずつ
ずれている場合には、磁極位置センサが正常であれば、
信号レベルが（Hi、Hi、Hi）もしくは（Lo、Lo、Lo）の
組み合わせパターンになることはない。しかし、図１２
（ａ）に実線で示すように、例えば１相が故障で信号レ
ベルが常時Loとなると、信号レベルとして（Lo、Lo、L
o）の組み合わせパターンを生ずる。また、図１３の
（ａ）に実線で示すように、例えば１相が故障で信号レ
ベルが常時Hi となると、信号レベルとして（Hi、Hi、H
i）の組み合わせパターンを生ずる。

【００３９】そこで、信号レベル異常判定手段２３６
は、磁極位置センサ信号の出力信号を検知し、この出力
信号のパターンがすべてLoもしくはすべてHiのとき、す
なわち、（Hi、Hi、Hi）もしくは（Lo、Lo、Lo）の組み
合わせパターンのとき、磁極位置センサ信号を故障（Fa
il）と判定する。実用上は、ノイズなどによる誤検出を
防ぐために、（Hi、Hi、Hi）もしくは（Lo、Lo、Lo）の
組み合わせパターンを複数連続して検出した場合、故障
と判定するのが望ましい。

【００４０】磁極位置センサの３相の信号出力Ｐｓ１，
Ｐｓ２，Ｐｓ３のデューティがそれぞれ正確にＨｉ幅５
０％Ｌｏ幅５０％となっていれば、電気角１周する間に
磁極位置センサ信号出力Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３の組み
合わせパターンは、前述したように６つのパターン（Ｍ
ｄ０〜Ｍｄ５モード）が現れ、この６パターンにより電
気角１周つまり、３６０度は正確に６０度毎の等間隔領
域に分割できる。

【００４１】しかし、図１４の（ａ）に示すように、磁
極位置センサがHi、 Loのレベルに関して正常であった
としても、例えば１相が故障で信号レベルのHiとLoのデ
ィューティが１８０度より短くなったり長くなったりす
ると、図１４の（ａ）のＡ１領域（Ｐｓ１＝Ｈｉ，Ｐｓ
２＝Ｈｉ，Ｐｓ３＝Ｌｏ）とＡ２領域（ＰＳ１＝Ｌｏ，
ＰＳ２＝Ｈｉ，ＰＳ３＝Ｌｏ）の様に、電気角１周が等
間隔に分割できなくなる。もし、等間隔の時間サンプリ
ングＴｍでＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳのパターン遷移を監視
するとし、回転センサの最大回転速度Ｓも ｜Ｓ×Ｔｍ×Ｐ／２｜＜｜６０゜｜ ・・・・（２） Ｐ：回転センサの極数 の関係を満たしていれば、サンプリング時間Ｔｍで回転
センサは６０゜以上回転する事はない。本実施例では、
回転センサの最大回転速度Ｓは２６７[rev/s]、回転セ
ンサの極数Ｐは８極であることから、式（２）を満たす
サンプリングＴｍとして、このフェイル判定処理を０．
１[ms]毎に起動する。このとき、磁極位置センサの３相
出力のぞれぞれのデューティが正確にＨｉ幅５０％、Ｌ
ｏ幅５０％なら、Ｐｓのパターンは、以下 I)〜VI)の
遷移をとる。

【００４２】I) 今回サンプル時Ｍｄ０モードのとき、
次回サンプル時のモードは、必ずＭｄ５，Ｍｄ０，Ｍｄ
１のいずれか II) 今回サンプル時Ｍｄ１モードのとき、次回サンプル
時のモードは、必ずＭｄ０，Ｍｄ１，Ｍｄ２のいずれか III)今回サンプル時Ｍｄ２モードのとき、次回サンプル
時のモードは、必ずＭｄ１，Ｍｄ２，Ｍｄ３のいずれか IV) 今回サンプル時Ｍｄ３モードのとき、次回サンプル
時のモードは、必ずＭｄ２，Ｍｄ３，Ｍｄ４のいずれか V) 今回サンプル時Ｍｄ４モードのとき、次回サンプル
時のモードは、必ずＭｄ３，Ｍｄ４，Ｍｄ５のいずれか VI) 今回サンプル時Ｍｄ５モードのとき、次回サンプル
時のモードは、必ずＭｄ４，Ｍｄ５，Ｍｄ０のいずれか 磁極位置センサのデューティが異常なら、上記したI)〜
VI)以外の遷移を行う場合が存在する。

【００４３】図１０の位相同期処理のフローにもどっ
て、 次に、磁極領域移行の異常判定処理を行なう。す
なわち、 ＰｓのパターンがＭｄ０のときは、ステップ
５２で処置０を行う。処置０は、図１１のフローで文字
ｉを０に置き換えたものである。また、Ｍｄ-1は、Ｍｄ
５を意味する。図１１に示すように、Ｓ８１で１サンプ
リング前のＰｓのデータＰｓＢがＭｄ０かどうか比較
し、 該当しないときは、ステップ８２で１サンプリン
グ前のＰｓのデータＰｓＢがＭｄ５（＝Ｍｄ-１）かど
うか比較し、該当しないときは、次に、ステップ８３で
Ｍｄ１かどうか比較することにより、Ｐｓのパターンが
正しく遷移したかチェックを行っている。いずれにも該
当しないときは、ステップ８４で磁極位置センサ移行異
常（ｆａｉｌ）として処理する。 Ｍｄ５、 Ｍｄ１に該
当すれば処理を継続し、図１０のフローに戻って、ステ
ップ５８で後に述べる誤差１の演算を行う。同様に、Ｐ
ｓのパターンがＭｄ１、Ｍｄ２、Ｍｄ３、Ｍｄ４、Ｍｄ
５のときも、図１１に示すように、ステップ８１で１サ
ンプリング前のＰｓレベルのデータＰｓＢかどうか比較
し、該当しないときは、ステップ８２で１サンプリング
前のＰｓレベルのデータＰｓＢかどうか比較し、該当し
ないときは、ステップ８３で１サンプリング前のＰｓレ
ベルのデータＰｓＢかどうか比較し、ＰｓＢレベルのパ
ターンが所定の遷移パターンのいずれにも該当しないと
きは、ステップ８４で磁極位置センサ移行異常（ｆａｉ
ｌ）として処理し図１０のフローに戻り、ステップ５９
からステップ６３のいずれか１つを行う。次に、ステッ
プ６５でデータＢにＰｓレベルを書き込む。

【００４４】このように、磁極領域移行異常判定手段
は、回転体(磁極位置センサ)の回転数が所定回転数以下
で、Ｐｓのパターンが、前述したI)〜VI)以外の変化を
したとき、前記磁極位置センサを故障と判定し、結果を
システム停止手段２３９に送り、システム停止処理を行
う。

【００４５】以上の各診断は、主に回転センサの中の磁
極位置センサの異常に起因するものであるが、他方、
回転センサの中のエンコーダ３のパルス信号の不良に基
づく異常に対する診断も必要である。

【００４６】例えば、前記位相計数値Ｚから求める位相
角θ１と、磁極位置センサの出力信号位相が同期してい
ないと、図１５に示すように本来ならば実線に示すよう
な位相関係になるべきところが、破線のような位相にな
ってしまう。この位相角θ１とＰｓの位相ずれは、磁極
位置センサの出力信号の不良によっても発生するが、主
にエンコーダ３のパルス信号の不良により発生する。同
期ずれの診断は角度認識異常判定手段２３２によって行
う。

【００４７】次に、図１０の位相同期処理のフローに戻
って、すでに述べた図１１の処置に続いて行う誤差１の
演算は、ＰｓのパターンがＭｄ０のときはステップ５８
で、 誤差１＝位相−３０゜ として誤差１を求める。同様に、 Ｐｓレベルのパター
ンが、 Ｍｄ１のときは、ステップ５９で誤差１＝位相− ９０゜ Ｍｄ２のときは、ステップ６０で誤差１＝位相−１５０゜ Ｍｄ３のときは、ステップ６１で誤差１＝位相−２１０゜ Ｍｄ４のときは、ステップ６２で誤差１＝位相−２７０゜ Ｍｄ５のときは、ステップ６３で誤差１＝位相−３３０゜ とする。

【００４８】ここでは、磁極位置センサの出力信号か
ら、モータ位相を６つの領域に分割し、 領域の中心値
θhと先に求めた位相θaから、 誤差１＝θa −θh ………（３） により誤差１を求めている。磁極位置センサ出力信号か
ら特定できるモータ位相の領域範囲θｊとθｊの中心値
θhは、 Ｍｄ０のとき、θｊ は ０゜〜 ６０゜の範囲、θh＝ ３０゜ Ｍｄ１のとき、θｊ は ６０゜〜１２０゜の範囲、θh＝ ９０゜ Ｍｄ２のとき、θｊ は１２０゜〜１８０゜の範囲、θh＝１５０゜ Ｍｄ３のとき、θｊ は１８０゜〜２４０゜の範囲、θh＝２１０゜ Ｍｄ４のとき、θｊ は２４０゜〜３００゜の範囲、θh＝２７０゜ Ｍｄ５のとき、θｊ は３００゜〜３６０゜の範囲、θh＝３３０゜ の関係にあり、Ｐｓのパターンにより式（３）中のθh
を切り換えている。

【００４９】続いて、ステップ６６で誤差１の絶対値が
（３０゜＋所定値１）より大きいか判断する。誤差１の
絶対値が（３０゜＋所定値１）より小さいときは、ステ
ップ６８でカウンタＦをゼロクリア（ Ｆ［ｋ］＝０）
し、誤差１の絶対値が（３０゜＋所定値１）より大きい
ときは、ステップ６７でカウンタＦに１を加え（ Ｆ
［ｋ］＝Ｆ［ｋ−１］＋１ ）、ステップ６７に続いて
ステップ６９でカウンタＦが所定値２より大きいか否か
をチェックし、カウンタＦが大きければステップ７０で
角度異常の故障と判定し、結果をシステム停止手段２３
９に送り、システム停止処理を行う。ステップ６９の結
果、カウンタＦが小さい場合は、そのまま処理を終了す
る。

【００５０】以上、本発明の実施例として、同期電動機
の位相検出用回転センサを例にして説明したが、本発明
は同期機用回転センサに限定されるものではない。例え
ば、産業用ロボットのアームの絶対回転角度を検出する
回転センサ（角度センサ）や、リンク機構等における関
節の絶対回転量を測定する回転センサ等、回転体の絶対
位置を検知する回転センサに広く適用できるものであ
る。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、同期機等の位相検出用
回転センサの出力信号の特性を利用して該回転センサの
故障判定を行うので、故障検出のために新たなセンサ等
を必要とせず、コスト増を招かずに故障判定を行うこと
のできる回転センサ及び故障判定方法を提供することが
できる。

【００５２】また、本発明を同期機の制御装置に用いた
場合、回転センサの故障により異常なトルクを発生する
前にシステムを停止できる。特に、本発明を電気車走行
用の同期機の制御装置に用いた場合は、回転センサの故
障を速やかに検知し電気車を安全に停止させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例になる電動機制御装置を備え
た電気車の駆動システム構成を示す図。

【図２】図１の電動機制御装置の詳細機能ブロック図。

【図３】磁極位置センサ信号出力Ｐｓ３、モータ誘起電
圧Ｅ０、図２の電動機制御装置内部の位相角θ１、θ２
の位相関係を示す図。

【図４】本発明が適用される回転センサの構成例を示す
図。

【図５】回転センサ出力信号の一例を示す図。

【図６】図２の電動機制御装置内の位相検出手段の構成
例を示す。

【図７】本発明による位相演算処理のフローを示す図。

【図８】本発明によるラッチ処理のフローを示す図。

【図９】本発明による位相同期処理のフローを示す図。

【図１０】本発明によるフェイル判定処理のフローを示
す図。

【図１１】図１１中の処理の一部のフローを示す図。

【図１２】回転センサの故障時の信号の一例を示す図。

【図１３】回転センサの故障時の信号の一例を示す図。

【図１４】回転センサの故障時の信号の一例を示す図。

【図１５】回転センサの故障時の信号の一例を示す図。

【符号の説明】

５…電動機制御装置、２０２…３／２相変換手段、２０
４…Ｉｄ Ｉｑ電流制御手段、２０６…２／３相変換手
段、２０８…ＰＷＭ制御手段、２１０…位相演算手段、
２１２…速度演算手段、２２４…Ｉｑ制御手段、２２６
…Ｉｄ制御手段、２２０…電流指令発生手段、２３０…
センサ故障判定手段、２３２…角度認識異常判定手段、
２３４…磁極領域移行異常判定手段、２３６…信号レベ
ル異常判定手段、２３８…Ｗ相割り込み時角度認識異常
判定手段、２３９…システム停止手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大津 英一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記エンコーダ及び前記磁極位置センサの出力信号の合
   理性チェックにより、前記回転センサの故障を判定する
   故障判定手段を有することを特徴とする回転センサ。
2. 【請求項２】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記磁極位置センサの出力信号を検知し、該出力信号の
   パターンがすべて“Ｌo”もしくはすべて“Ｈi”のと
   き、前記回転センサを故障と判定する故障判定手段を有
   することを特徴とする回転センサ。
3. 【請求項３】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記回転体の回転数が所定回転数以下で、かつ、前記磁
   極位置センサの出力信号のパターンが、正常時に現れる
   所定の遷移以外の変化をしたとき前記回転センサを故障
   と判定する故障判定手段を有することを特徴とする回転
   センサ。
4. 【請求項４】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記磁極位置センサ信号から磁極の存在範囲を６０゜の
   範囲で求め、前記回転センサで検出した位相と比較し両
   者の差の絶対値が３０゜＋所定値以上の角度のとき前記
   回転センサを故障と判定する故障判定手段を有すること
   を特徴とする回転センサ。
5. 【請求項５】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記回転センサ信号のエッジ発生時点で、前記回転セン
   サの検出した位相と位相真値の差の絶対値が所定値以上
   の角度のとき前記回転センサを故障と判定する故障判定
   手段を有することを特徴とする回転センサ。
6. 【請求項６】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記磁極位置センサ信号から磁極の存在範囲を６０゜の
   範囲で求め、前記回転センサで検出した位相と比較し両
   者の差の絶対値が３０゜＋所定値以上の角度のとき前記
   回転センサを故障と判定する第１の故障判定手段と、 前記回転センサ信号のエッジ発生時点で、前記回転セン
   サの検出した位相と位相真値の差の絶対値が所定値以上
   の角度のとき前記回転センサを故障と判定する第２の故
   障判定手段とを有することを特徴とする回転センサ。
7. 【請求項７】回転体の位相の相対位置を検出するエンコ
   ーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置センサ
   とを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜＋
   位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えない
   ものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
   し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
   記回転体の絶対位相を検出する回転センサにおいて、 前記磁極位置センサ信号から磁極の存在範囲を６０゜の
   範囲で求め、前記回転センサで検出した位相と比較し両
   者の差の絶対値が３０゜＋所定値以上の角度のとき前記
   回転センサを故障と判定する第１の故障判定手段と、 前記回転センサ信号のエッジ発生時点で、前記回転セン
   サの検出した位相と位相真値の差の絶対値が所定値以上
   の角度のとき前記回転センサを故障と判定する第２の故
   障判定手段と、 前記磁極位置センサの出力信号を検知し、該出力信号の
   パターンがすべて“Ｌo”もしくはすべて“Ｈi”のと
   き、前記回転センサを故障と判定する第３の故障判定手
   段とを有することを特徴とする回転センサ。
8. 【請求項８】回転センサを用いた永久磁石型同期機と、
   前記同期機を駆動する電力変換器と、前記同期機のｄ軸
   電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生手段
   と、前記ｄ、ｑ軸電流指令と前記同期機の電流検出値を
   もとにｄｑ軸電圧指令値を生成し、座標変換処理を行っ
   て交流電圧指令値を生成するｄｑ軸電流制御手段と、前
   記交流電圧指令値から前記電力変換器のパワー素子を駆
   動する信号を出力するＰＷＭ制御手段とを備えた同期機
   の制御装置であって、前記回転センサが該エンコーダと
   該３相出力磁極位置センサからなる回転センサの出力に
   基づき永久磁石型同期機の位相を検出するものにおい
   て、 前記請求項２，３，４，５のいずれかに記載の前記回転
   センサ故障判定手段を１つもしくは複数個用いたことを
   特徴とする永久磁石型同期機の制御装置。
9. 【請求項９】回転センサを用いた永久磁石型同期機と、
   前記同期機を駆動する電力変換器と、前記同期機のｄ軸
   電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生手段
   と、前記ｄ、ｑ軸電流指令と前記同期機の電流検出値を
   もとにｄｑ軸電圧指令値を生成し、座標変換処理を行っ
   て交流電圧指令値を生成するｄｑ軸電流制御手段と、前
   記交流電圧指令値から前記電力変換器のパワー素子を駆
   動する信号を出力するＰＷＭ制御手段とを備えた制御装
   置による電気車の制御装置であって、前記請求項２，
   ３，４，５のいずれかに記載の前記回転センサ故障判定
   手段を１つもしくは複数個用いたことを特徴とする電気
   車の制御装置。
10. 【請求項１０】回転体の位相の相対位置を検出するエン
    コーダと前記回転体の絶対位置を検出する磁極位置セン
    サとを有し、前記磁極位置センサはそれぞれが１２０゜
    ＋位相公差（但し、位相公差の絶対値は３０゜を超えな
    いものとする）ずつ位相のずれた３相の出力信号を発生
    し、前記エンコーダと磁極位置センサの出力に基づき前
    記回転体の絶対位相を検出する回転センサの故障判定方
    法において、 前記エンコーダ及び前記磁極位置センサの出力信号の合
    理性チェックにより、前記回転センサの故障を判定する
    ことを特徴とする回転センサの故障判定方法。