JPWO2018216149A1 - 回転角度検出装置および交流回転機制御装置 - Google Patents

Abstract

回転角度センサと、回転角度信号および異常信号を出力する入力回路と、あらかじめ設定された演算タイミングで回転角度検出値に基づいて回転角度演算値および回転速度演算値を演算する演算処理部と、回転角度演算値および回転速度演算値に基づいて、演算タイミング以降の回転角度推定値を算出する回転角度推定処理部とを備え、演算処理部は、異常信号を受信した場合には、回転角度検出値の代わりに、回転角度推定値に基づいて回転角度演算値および回転速度演算値を演算する。

Description

本発明は、モータの回転角度の検出するセンサに接触不良等が発生した場合に対応できる回転角度検出装置、および交流回転機制御装置に関するものである。

ブラシレスモータの制御においては、モータの回転角に応じてモータのコイルに電圧を印加する必要があるため、回転角度センサが必要である。回転角度センサとしては、従来から、その単純な構成に起因する堅牢さ、耐環境性から、レゾルバが広く用いられている。

現在の検出回転角度と前回の検出回転角度との偏差に基づいて、回転角度センサの異常を検出する従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この特許文献１に係るレゾルバの異常時回転角度推定装置は、現在の検出回転角度と前回の検出回転角度との偏差が所定値以上の場合には、ＡＤ変換の異常と判定する。そして特許文献１に係るレゾルバの異常時回転角度推定装置は、ＡＤ変換の異常と判定した場合には、前回の検出回転角度に対して前回の回転角度変化量に基づく推定値を加算することで、現在の検出回転角度を推定している。

特許６００５３９３号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。回転角度の検出に当たっては、出力回転角度が内部のフィルタ処理で行われる外付けのＲＤＣ（レゾルバ―デジタルコンバータ） ＩＣ等を用いる場合がある。このＲＤＣ ＩＣは、レゾルバ信号が接触不良等で正しく信号を読み取れない状態が発生した場合にも、演算処理装置（以降、マイコンと称す）に対して、フィルタ処理後の回転角度が出力されることが考えられる。

この場合、外付けＲＤＣ ＩＣの有する故障診断機能は、通信またはデジタル信号を介して、異常の発生をマイコンに通知する。ただし、この異常の検出には、一定の時間を要する。このため、異常の通知を受けてから、マイコンが角度推定を開始しても、推定した回転角度が、実際の回転角度と大きく乖離するという問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、回転角度センサの異常が発生した場合にも、従来装置と比較して、より迅速に、より正確に回転角度推定値を出力することのできる回転角度検出装置および交流回転機制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係る回転角度検出装置は、交流回転機の回転角度を検出する回転角度センサと、回転角度センサからの出力信号を受信し、回転角度信号を出力するとともに、出力信号の異常を検出した場合には異常信号を出力する入力回路と、回転角度信号に基づいて、回転角度を検出する回転角度検出処理部と、あらかじめ設定された演算タイミングで回転角度検出処理部により検出された回転角度検出値に基づいて交流回転機の制御に用いる回転角度演算値および回転速度演算値を演算する演算処理部と、回転角度演算値および回転速度演算値に基づいて、演算タイミング以降の回転角度推定値を算出する回転角度推定処理部とを備え、演算処理部は、入力回路から異常信号を受信した場合には、回転角度検出処理部により検出された回転角度検出値の代わりに、出力信号の異常が検出されていない演算タイミングで回転角度推定処理部により算出された回転角度推定値に基づいて回転角度演算値および回転速度演算値を演算するものである。

また、本発明に係る交流回転機制御装置は、本発明の回転角度検出装置と、演算処理部で演算された回転角度演算値および回転速度演算値に基づいて、交流回転機を制御する駆動回路とを備えたものである。

本発明によれば、外付けＲＤＣ ＩＣ等を用いる場合、回転角度センサの信号線の接触不良等により、入力回路が回転角度センサの信号を正しく読み取れない異常状態となり、外付けＲＤＣ ＩＣがその異常状態を一定時間後にマイコンに通知した場合であっても、あらかじめ定めた過去の時点の、正常状態時における回転角度および回転速度を起点に推定された回転角度を、異常状態を検知した時点で用いることができる構成を備えている。この結果、回転角度センサの異常が発生した場合にも、従来装置と比較して、より迅速に、より正確に回転角度推定値を出力することのできる回転角度検出装置および交流回転機制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１による交流回転機の車載用電子制御装置の構成例を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態１における回転角度推定処理部１４による一連処理を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１における電子制御装置１による作用、効果を説明するためのタイミングチャートを示した図である。

以下、本発明の回転角度検出装置および交流回転機制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による交流回転機の車載用電子制御装置の構成例を示す回路ブロック図である。図１に示した電子制御装置１は、回転角度センサ３の検出結果に基づいて交流回転機２の回転数を制御している。

電子制御装置は、直流電源４が接続されているとともに、演算処理装置１０、駆動回路２０、および入力回路３０を備えて構成されている。また、演算処理装置１０は、回転角度検出処理部１１、異常検出処理部１２、演算処理部１３、回転角度推定処理部１４、および制御処理部１５を含んで構成されている。

ここで、演算処理装置１０および入力回路３０を備えた構成は、回転角度検出装置に相当する。また、交流回転機２を制御対象とする電子制御装置１は、交流回転機制御装置に相当する。

図１に示した本実施の形態１における電子制御装置１は、特に、以下の構成を設けた点に特徴を備えている。
・入力回路３０により出力される回転角度ＳＧ１に基づいて、あらかじめ定めた周期で回転角度の推定を行う回転角度推定処理部１４。
・入力回路３０から出力される異常信号に基づいて、入力回路３０の異常を検出する異常検出処理部１２。
・モータ制御に用いる回転角度信号として、正常時には回転角度検出処理部１１の演算結果を用い、異常時には回転角度推定処理部１４の演算結果を用いる演算処理部１３。

このような構成により、本実施の形態１に係る電子制御装置１は、レゾルバ信号の異常発生から所定時間経過後に入力回路３０の異常を検出した場合であっても、異常が発生する前において推定された回転角度推定処理部１４の信号を用いて回転角度を演算することができる。このため、本実施の形態１に係る電子制御装置１は、レゾルバ信号に異常が発生した場合にも、精度のよい回転角度推定値に迅速に切り替えることが可能となる。

次に、図１のブロック図に従って、本実施の形態１における電子制御装置の具体的な動作を詳細に説明する。図１に示す電子制御装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車の電動車両に搭載され、駆動源および発電機として動作する交流回転機２を制御する。

電子制御装置１は、演算処理装置１０と駆動回路２０が設けられており、演算処理装置１０が生成するＰＷＭ信号を、駆動回路２０によって３相交流電圧に変換し、交流回転機２に印加する。

電子制御装置１は、交流回転機２の角度を検出するための回転角度センサ３が接続されている。入力回路３０は、レゾルバ信号からデジタル回転角度信号ＳＧ１を生成する。この入力回路３０は、例えば、外付けＲＤＣ ＩＣに相当する。入力回路３０で生成されたデジタル回転角度信号ＳＧ１は、演算処理装置１０内の回転角度検出処理部１１に入力される。

また、入力回路３０は、自身が有する異常検知処理の機能により、レゾルバ信号に異常が発生した場合には、異常信号ＳＧ２を生成する。入力回路３０の異常検知処理は、異常が発生してから検出するまでに、数ｍｓ〜数十ｍｓの時間（例えば、２０ｍｓ）を要する。入力回路３０で生成された異常信号ＳＧ２は、演算処理装置１０内の異常検出処理部１２に入力される。

演算処理装置１０内の回転角度検出処理部１１は、デジタル回転角度信号ＳＧ１に基づいて、交流回転機２の回転角度を、例えば、１００マイクロ秒毎に周期的に検出する。また、演算処理部１３は、回転角度検出処理部１１により検出された角度の時間変化から、交流回転機２の回転速度ωを演算する。

演算処理装置１０内の異常検出処理部１２は、入力回路３０から異常信号ＳＧ２を取得することで、回転角度センサ３の異常を検出する。異常検出処理部１２の異常検出処理は、異常が発生してから検出するまでに数ｍｓ〜数十ｍｓの時間（例えば、２０ｍｓ）を要する。

演算処理装置１０内の回転角度推定処理部１４は、演算処理部１３によって計算された過去の回転角度を用いて、現在の回転角度を推定する。

図２は、本発明の実施の形態１における回転角度推定処理部１４による一連処理を示したフローチャートである。まず初めに、ステップＳ１０１において、回転角度推定処理部１４は、推定処理の開始タイミングであるか否かを判断する。そして、回転角度推定処理部１４は、推定処理の開始タイミングであると判断した場合には、ステップＳ１０２の処理に進み、推定処理の開始タイミングでないと判断した場合には、ステップＳ１０４の処理に進む。

ステップＳ１０２に進んだ場合には、回転角度推定処理部１４は、演算処理部１３によって演算された回転角度を、推定回転角度θeとして取得する。さらに、ステップＳ１０３において、回転角度推定処理部１４は、演算処理部１３によって演算された回転速度を、回転速度Δθとして取得する。

一方、開始タイミングでないとしてステップＳ１０４に進んだ場合には、回転角度推定処理部１４は、開始タイミングにおいてＳ１０２により取得された回転角度、およびステップＳ１０３により取得された回転速度を用いて、回転角度を推定する。

ここで、回転角度推定処理部１４の演算周期をＴ、演算回数がｎ回目の推定回転角度をθｅ_nとするとき、θｅ_nは、次式によって推定できる。
θｅ_n＝Ｍｏｄ（θｅ_n-1＋ΔθＴ、２π）［ｒａｄ］
ここで、Ｍｏｄ（Ｍｏｄｕｌｏ）は、剰余演算である。

演算処理装置１０内の演算処理部１３は、回転角度検出処理部１１によって検出された回転角度からフィルタを通して、回転角速度を演算する。

演算処理部１３は、フィルタとして、例えば、ＰＬＬフィルタを有している。ＰＬＬフィルタは、ゲインＫｐ、Ｋｉを調整することにより、回転角度センサ３の出力信号上に発生する瞬間的なノイズをフィルタすることができる。

演算処理部１３は、回転角度センサ３の断線等により、異常検出処理部１２から異常が通知された場合には、回転角度推定処理部１４の回転角度推定値θｅを回転速度ωの演算に利用する。

例えば、回転角度センサ３の断線等により、回転角度センサ３の出力信号に振動的なノイズが発生する場合には、演算処理部１３は、回転角度推定値θｅを回転角速度の演算に用いることで、回転角速度を予測値に収束させることができる。

演算処理装置１０内の制御処理部１５は、演算処理部１３から出力される回転角度、回転速度を利用して、交流回転機２を制御する。

なお、ここで説明した開始タイミングは、異常検出処理部１２から異常が通知された場合に、その直近の過去の時点であり、かつ、回転角度センサ３が正常状態である時点で、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３が実行できればよい。従って、開始タイミングは、実際に回転角度センサ３の出力信号の異常が発生してから、入力回路３０により異常信号が出力されるまでの遅延時間を考慮して、適切な周期で設定することができる。

次に、上記のように構成された本実施の形態１における電子制御装置１の作用および効果について説明する。図３は、本発明の実施の形態１における電子制御装置１による作用、効果を説明するためのタイミングチャートを示した図である。図３は、交流回転機２の回転速度が一定の状態で、回転角度センサ３の出力信号に断線が発生した場合のタイミングチャートを示している。

この図３では、上段から順に、次の（ａ）〜（ｇ）の７つの信号状態の時間変化を示している。
（ａ）交流回転機実回転角度
（ｂ）レゾルバ信号異常発生状態
（ｃ）レゾルバ異常検出信号
（ｄ）ＲＤＣ ＩＣ出力角度
（ｅ）回転角度推定値
（ｆ）ＰＬＬ出力角度
（ｇ）回転速度

図３の時刻ｔ１１は、先の図２で示したフローチャートにおける回転角度推定処理の開始タイミングに相当する。したがって、時刻ｔ１１以降の回転角度推定値は、時刻ｔ１１において演算された回転角度と回転速度に基づいて、推定される。

時刻ｔ１２にて回転角度センサ３の出力信号に異常が発生すると、（ｄ）に示すように、回転角度に振動的なノイズが発生する。この影響により、（ｆ）に示した演算処理部１３内のＰＬＬ出力角度は、（ｅ）の回転角度推定値と乖離する。さらに、（ｆ）に示しように、ＰＬＬ出力角度は、破線のように大きく乱れ、回転速度も一定を保てなくなり、（ｇ）に示す破線のように、推定値から乖離していく。

時刻ｔ１３にて、異常検出処理部１２により回転角度センサ３の出力信号の異常が検出されると、演算処理装置１０は、演算処理部１３内のＰＬＬフィルタの入力信号を、（ｄ）のＲＤＣ ＩＣ出力角度から、時刻ｔ１１以降に演算された（ｅ）の回転角度推定値に切り換える。

これにより、（ｆ）に示したＰＬＬ出力角度は、回転角度推定処理部１４で推定された（ｅ）の回転角度推定値に近似する。さらに、演算処理部１３は、回転角度推定処理部１４で推定された回転角度推定値に基づいて算出した回転速度を用いることで、回転数変動も抑制することができる。

上記により、断線等による回転角度センサ３の出力信号の異常が発生した場合であっても、異常が発生する前の、あらかじめ定めた過去の時点における回転角度、回転速度を起点に回転角度および回転速度を推定演算することにより、精度よく推定された回転速度迅速に切り替えることが可能となる。

なお、以上の実施の形態では、単相交流回転機を制御対象とする場合を例示したが、本発明は、このような形態に限定されるものでない。交流回転機として、より多くの相を有する交流回転機に対して、本発明の回転角度検出装置および交流回転機制御装置を適用してもよい。

１ 電子制御装置、２ 交流回転機、３ 回転角度センサ、４ 直流電源、１０ 演算処理装置、１１ 回転角度検出処理部、１２ 異常検出処理部、１３ 演算処理部、１４ 回転角度推定処理部、１５ 制御処理部、２０ 駆動回路、３０ 入力回路。

Claims (5)

1. 交流回転機の回転角度を検出する回転角度センサと、
   前記回転角度センサからの出力信号を受信し、回転角度信号を出力するとともに、前記出力信号の異常を検出した場合には異常信号を出力する入力回路と、
   前記回転角度信号に基づいて、回転角度を検出する回転角度検出処理部と、
   あらかじめ設定された演算タイミングで前記回転角度検出処理部により検出された回転角度検出値に基づいて前記交流回転機の制御に用いる回転角度演算値および回転速度演算値を演算する演算処理部と、
   前記回転角度演算値および前記回転速度演算値に基づいて、前記演算タイミング以降の回転角度推定値を算出する回転角度推定処理部と
   を備え、
   前記演算処理部は、前記入力回路から前記異常信号を受信した場合には、前記回転角度検出処理部により検出された回転角度検出値の代わりに、前記出力信号の異常が検出されていない演算タイミングで前記回転角度推定処理部により算出された回転角度推定値に基づいて前記回転角度演算値および前記回転速度演算値を演算する
   回転角度検出装置。
2. 前記演算タイミングは、実際に前記出力信号の異常が発生してから前記入力回路により前記異常信号が出力されるまでの遅延時間に基づいて設定される
   請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記演算処理部は、前記回転角度センサからの出力信号に含まれるノイズをフィルタリング処理するフィルタを有し、前記回転角度検出値に対して前記フィルタリング処理を実行した後に前記回転角度演算値および前記回転速度演算値を演算する
   請求項１または２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記演算処理部は、前記入力回路から前記異常信号を受信した場合には、前記回転角度推定処理部により算出された前記回転角度推定値に対して前記フィルタリング処理を実行した後に前記回転角度演算値および前記回転速度演算値を演算する
   請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された回転角度検出装置と、
   前記演算処理部で演算された前記回転角度演算値および前記回転速度演算値に基づいて、前記交流回転機を制御する駆動回路と
   を備えた交流回転機制御装置。

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