JPWO2019240004A1 - Failure diagnosis method, power conversion device, motor module and electric power steering device - Google Patents
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Abstract
本開示の故障診断方法は、少なくとも1つのHブリッジを備える電力変換装置に用いる、Hブリッジの故障を診断する故障診断方法である。当該故障診断方法は、相電流の第1電流正弦波、第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波およびモータの回転速度に基づいて、Hブリッジの故障を監視するための監視信号を生成するステップと、監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成するステップと、プレ故障信号、および、プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成するステップと、を包含する。The failure diagnosis method of the present disclosure is a failure diagnosis method for diagnosing a failure of an H bridge, which is used in a power conversion device including at least one H bridge. The failure diagnosis method monitors the failure of the H bridge based on the first current sine wave of the phase current, the second current sine wave obtained by shifting the phase of the first current sine wave by 90 °, and the rotation speed of the motor. A step to generate a monitoring signal to generate a pre-failure signal, a step to generate a pre-failure signal based on a comparison result between the monitoring signal and a fault level threshold, a pre-failure signal, and enable or disable the pre-failure signal. This includes a step of generating a failure signal indicating whether or not the H bridge has failed by calculating the logical product of the activation signals to be generated.
Description
本開示は、故障診断方法、電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置に関する。 The present disclosure relates to failure diagnostic methods, power converters, motor modules and electric power steering devices.
近年、電動モータ(以下、単に「モータ」と表記する。)、インバータおよびECUが一体化された機電一体型モータが開発されている。特に車載分野において安全性の観点から高い品質保証が要求される。そのため部品の一部が故障した場合でも安全動作を継続できる冗長設計が取り入れられている。冗長設計の一例として、1つのモータに対して2つの電力変換装置を設けることが検討されている。他の一例として、メインのマイクロコントローラにバックアップ用マイクロコントローラを設けることが検討されている。 In recent years, an electric motor (hereinafter, simply referred to as "motor"), an inverter and an ECU integrated with an electric motor have been developed. Especially in the in-vehicle field, high quality assurance is required from the viewpoint of safety. Therefore, a redundant design that can continue safe operation even if a part of the parts breaks down is adopted. As an example of the redundant design, it is considered to provide two power conversion devices for one motor. As another example, it is considered to provide a backup microcontroller as the main microcontroller.
特許文献1は、第1系統および第2系統を有するモータ駆動装置を開示する。第1系統は、モータの第1巻線組に接続され、第1インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。第2系統は、モータの第2巻線組に接続され、第2インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。モータ駆動装置に故障が生じていないとき、第1系統および第2系統の両方を用いてモータを駆動することが可能である。これに対し、第1系統および第2系統の一方、または、第1巻線組および第2巻線組の一方に故障が生じたとき、電源リレーは、電源から、故障した系統、または、故障した巻線組に接続された系統への電力供給を遮断する。故障していない他方の系統を用いてモータ駆動を継続させることが可能である。
特許文献2および3も、第1系統および第2系統を有するモータ駆動装置を開示する。
一方の系統または一方の巻線組が故障したとしても、故障していない系統によってモータ駆動を継続させることができる。
Even if one system or one winding set fails, the motor drive can be continued by the system that has not failed.
Hブリッジの故障、特に、Hブリッジ内のスイッチ素子の開放故障を適切に検出することが望まれている。 It is desired to appropriately detect the failure of the H-bridge, particularly the open failure of the switch element in the H-bridge.
本開示の実施形態は、Hブリッジ内のスイッチ素子の開放故障を適切に診断することが可能な故障診断方法を提供する。 The embodiments of the present disclosure provide a failure diagnosis method capable of appropriately diagnosing an open failure of a switch element in an H bridge.
本開示の例示的な故障診断方法は、電源からの電力を、少なくとも一相の巻線を有するモータに供給する電力に変換する、少なくとも1つのHブリッジを備える電力変換装置に用いる、Hブリッジの故障を診断する故障診断方法であって、電流センサによって測定された相電流の第1電流正弦波、前記第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Hブリッジの故障を監視するための監視信号を生成するステップと、前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成するステップと、前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成するステップと、を包含する。 An exemplary failure diagnosis method of the present disclosure is used in a power conversion device comprising at least one H bridge that converts power from a power source into power supplied to a motor having at least one phase of windings. A fault diagnosis method for diagnosing a fault, the first current sine wave of the phase current measured by the current sensor, the second current sine wave obtained by shifting the phase of the first current sine wave by 90 °, and the motor. A step of generating a monitoring signal for monitoring the failure of the H bridge based on the rotation speed of the above, a step of generating a pre-failure signal based on the result of comparison between the monitoring signal and the threshold value of the failure level, and a step of generating a pre-failure signal. Includes a step of generating a failure signal indicating whether or not the H bridge has failed by calculating the logical product of the pre-failure signal and an activation signal that enables or disables the pre-failure signal. do.
本開示の例示的な電力変換装置は、電源からの電力を、少なくとも一相の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、少なくとも1つのHブリッジと、前記少なくとも1つのHブリッジのスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、電流センサによって測定された相電流の第1電流正弦波、前記第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Hブリッジの故障を監視するための監視信号を生成し、前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成し、前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成する。 An exemplary power conversion device of the present disclosure is a power conversion device that converts power from a power source into power supplied to a motor having at least one phase of winding, and includes at least one H bridge and at least one of the above. A control circuit for controlling the switching operation of the switch element of the H bridge is provided, and the control circuit sets the phase of the first current sine wave of the phase current measured by the current sensor and the phase of the first current sine wave to 90 °. Based on the second current sine wave obtained by shifting and the rotation speed of the motor, a monitoring signal for monitoring the failure of the H bridge is generated, and the comparison result between the monitoring signal and the failure level threshold is obtained. A failure indicating whether or not the H bridge has failed by generating a pre-failure signal based on the above and calculating the logical product of the pre-failure signal and the activation signal that enables or disables the pre-failure signal. Generate a signal.
本開示の例示的な実施形態によれば、Hブリッジ内のスイッチ素子の開放故障を適切に診断することが可能な故障診断方法、電力変換装置、当該電力変換装置を備えるモータモジュールおよび当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置が提供される。 According to an exemplary embodiment of the present disclosure, a failure diagnosis method capable of appropriately diagnosing an open failure of a switch element in an H bridge, a power conversion device, a motor module including the power conversion device, and the motor module. An electric power steering device is provided.
以下、添付の図面を参照しながら、本開示のHブリッジの故障診断方法、電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the H-bridge failure diagnosis method, the power conversion device, the motor module, and the electric power steering device of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in order to avoid unnecessarily redundant explanations below and facilitate understanding by those skilled in the art, unnecessarily detailed explanations may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters and duplicate explanations for substantially the same configuration may be omitted.
本明細書において、電源からの電力を三相(A相、B相、C相)の巻線を有する三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、一相若しくは二相の巻線を有するモータ、または、四相若しくは五相などのn相(nは4以上の整数)の巻線を有するn相モータに供給する電力に変換する電力変換装置、およびその装置に用いるHブリッジの故障診断方法も本開示の範疇である。 In the present specification, an embodiment of the present disclosure is made by exemplifying an electric power conversion device that converts electric power from a power source into electric power supplied to a three-phase motor having three-phase (A-phase, B-phase, C-phase) windings. Will be explained. However, the power from the power supply is supplied to a motor having one-phase or two-phase windings, or an n-phase motor having n-phase (n is an integer of 4 or more) windings such as four-phase or five-phase. A power conversion device that converts electric power and a method for diagnosing a failure of an H-bridge used in the device are also within the scope of the present disclosure.
(実施形態1)
〔1.モータモジュール2000および電力変換装置1000の構造〕
図1は、本実施形態によるモータモジュール2000の典型的なブロック構成を模式的に示している。(Embodiment 1)
[1. Structure of
FIG. 1 schematically shows a typical block configuration of the
モータモジュール2000は、典型的に、インバータユニット100と制御回路300とを有する電力変換装置1000およびモータ200を備える。モータモジュール2000は、モジュール化され、例えば、モータ、センサ、ドライバおよびコントローラを有する機電一体型モータとして製造および販売され得る。
The
電力変換装置1000は、電源101(図2を参照)からの電力をモータ200に供給する電力に変換することが可能である。電力変換装置1000は、モータ200に接続される。例えば、電力変換装置1000は、直流電力を、A相、B相およびC相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。本明細書において、部品(構成要素)同士の間の「接続」とは、主に電気的な接続を意味する。
The
モータ200は、例えば、永久磁石同期モータなどの三相交流モータである。モータ200は、A相の巻線M1、B相の巻線M2およびC相の巻線M3を備え、インバータユニット100の第1インバータ120と第2インバータ130とに接続される。具体的に説明すると、第1インバータ120はモータ200の各相の巻線の一端に接続され、第2インバータ130は各相の巻線の他端に接続される。
The
制御回路300は、例えば、電源回路310と、角度センサ320と、入力回路330と、コントローラ340と、駆動回路350と、ROM360とを備える。制御回路300の各部品は、例えば1枚の回路基板(典型的にはプリント基板)に実装される。制御回路300は、インバータユニット100に接続され、電流センサ150および角度センサ320からの入力信号に基づいてインバータユニット100を制御する。その制御手法として、例えばベクトル制御、パルス幅変調(PWM)または直接トルク制御(DTC)がある。ただし、モータ制御手法(例えばセンサレス制御)によっては、角度センサ320は不要な場合がある。
The
制御回路300は、目的とする、モータ200のロータの位置、回転速度、および電流などを制御してクローズドループ制御を実現できる。なお、制御回路300は、角度センサ320に代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、制御回路300は、目的とするモータトルクを制御できる。
The
本開示は、図1に例示するモータモジュールのブロック構成に限定されず、例えば、第1インバータ120を制御する第1制御回路および第2インバータ130を制御する第2制御回路を含むブロック構成を有し得る。
The present disclosure is not limited to the block configuration of the motor module illustrated in FIG. 1, and includes, for example, a block configuration including a first control circuit for controlling the
電源回路310は、電源101の例えば12Vの電圧に基づいて回路内の各ブロックに必要な電源電圧(例えば3V、5V)を生成する。
The
角度センサ320は、例えばレゾルバまたはホールICである。または、角度センサ320は、磁気抵抗(MR)素子を有するMRセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ320は、ロータの回転角(以下、「回転信号」と表記する。)を検出し、回転信号をコントローラ340に出力する。
The
入力回路330は、電流センサ150によって検出された相電流(以下、「実電流値」と表記する場合がある。)を受け取って、実電流値のレベルをコントローラ340の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をコントローラ340に出力する。入力回路330は、例えばアナログデジタル(AD)変換回路である。
The
コントローラ340は、電力変換装置1000の全体を制御する集積回路であり、例えば、マイクロコントローラまたはFPGA(Field Programmable Gate Array)である。コントローラ340は、インバータユニット100の第1および第2インバータ120、130における各スイッチ素子(典型的には半導体スイッチ素子)のスイッチング動作(ターンオンまたはターンオフ)を制御する。コントローラ340は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してPWM信号を生成し、それを駆動回路350に出力する。
The
駆動回路350は典型的にはプリドライバ(「ゲートドライバ」と呼ばれることもある。)である。駆動回路350は、インバータユニット100の第1および第2インバータ120、130における各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号(ゲート制御信号)をPWM信号に従って生成し、各スイッチ素子のゲートに制御信号を与える。駆動対象が低電圧で駆動可能なモータであるとき、プリドライバは必ずしも必要とされない場合がある。その場合プリドライバの機能はコントローラ340に実装され得る。
The
ROM360は、例えば書き込み可能なメモリ(例えばPROM)、書き換え可能なメモリ(例えばフラッシュメモリ)または読み出し専用のメモリである。ROM360は、コントローラ340に電力変換装置1000を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にRAM(不図示)に一旦展開される。
The
図2を参照しインバータユニット100の具体的な回路構成を説明する。
A specific circuit configuration of the
図2は、本実施形態によるインバータユニット100の回路構成を模式的に示している。
FIG. 2 schematically shows the circuit configuration of the
電源101は、所定の電源電圧(例えば12V)を生成する。電源101として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源101は、AC−DCコンバータまたはDC―DCコンバータであってもよいし、バッテリー(蓄電池)であってもよい。電源101は、図示するように、第1および第2インバータ120、130に共通の単一電源であってもよいし、第1インバータ120用の第1電源(不図示)および第2インバータ130用の第2電源(不図示)を備えていてもよい。
The
図示されていないが、電源101と第1インバータ120の間、および、電源101と第2インバータ130の間にコイルが設けられる。コイルは、ノイズフィルタとして機能し、各インバータに供給する電圧波形に含まれる高周波ノイズ、または各インバータで発生する高周波ノイズを電源101側に流出させないように平滑化する。また、各インバータの電源端子には、コンデンサが接続される。コンデンサは、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサは、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。
Although not shown, coils are provided between the
第1インバータ120は、3個のレグから構成されるブリッジ回路を有する。各レグは、ハイサイドスイッチ素子、ローサイドスイッチ素子およびシャント抵抗を有する。A相レグは、ハイサイドスイッチ素子SW_A1H、ローサイドスイッチ素子SW_A1Lおよび第1シャント抵抗S_A1を有する。B相レグは、ハイサイドスイッチ素子SW_B1H、ローサイドスイッチ素子SW_B1Lおよび第1シャント抵抗S_B1を有する。C相レグは、ハイサイドスイッチ素子SW_C1H、ローサイドスイッチ素子SW_C1Lおよび第1シャント抵抗S_C1を有する。
The
スイッチ素子として、例えば、寄生ダイオードが内部に形成された電界効果トランジスタ(典型的にはMOSFET)、または、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)とそれに並列接続された還流ダイオードとの組み合わせを用いることができる。 As the switch element, for example, a field effect transistor (typically MOSFET) in which a parasitic diode is formed, or a combination of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a freewheeling diode connected in parallel with the isolated gate bipolar transistor (IGBT) can be used. ..
第1シャント抵抗S_A1は、A相の巻線M1を流れるA相電流IAを検出するために用いられ、例えばローサイドスイッチ素子SW_A1LとGNDラインGLの間に接続される。第1シャント抵抗S_B1は、B相の巻線M2を流れるB相電流IBを検出するために用いられ、例えばローサイドスイッチ素子SW_B1LとGNDラインGLの間に接続される。第1シャント抵抗S_C1は、C相の巻線M3を流れるC相電流ICを検出するために用いられ、例えばローサイドスイッチ素子SW_C1LとGNDラインGLの間に接続される。3個のシャント抵抗S_A1、S_B1およびS_C1は第1インバータ120のGNDラインGLと共通に接続されている。
The first shunt resistor S_A1 is used to detect the A-phase current IA flowing through the A-phase winding M1, and is connected, for example, between the low-side switch element SW_A1L and the GND line GL. The first shunt resistor S_B1 is used to detect the B-phase current IB flowing through the B-phase winding M2, and is connected, for example, between the low-side switch element SW_B1L and the GND line GL. The first shunt resistor S_C1 is used to detect a C-phase current IC flowing through the C-phase winding M3, and is connected, for example, between the low-side switch element SW_C1L and the GND line GL. The three shunt resistors S_A1, S_B1 and S_C1 are commonly connected to the GND line GL of the
第2インバータ130は、3個のレグから構成されるブリッジ回路を有する。各レグは、ハイサイドスイッチ素子、ローサイドスイッチ素子およびシャント抵抗を有する。A相レグは、ハイサイドスイッチ素子SW_A2H、ローサイドスイッチ素子SW_A2Lおよびシャント抵抗S_A2を有する。B相レグは、ハイサイドスイッチ素子SW_B2H、ローサイドスイッチ素子SW_B2Lおよびシャント抵抗S_B2を有する。C相レグは、ハイサイドスイッチ素子SW_C2H、ローサイドスイッチ素子SW_C2Lおよびシャント抵抗S_C2を有する。
The
シャント抵抗S_A2は、A相電流IAを検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子SW_A2LとGNDラインGLの間に接続される。シャント抵抗S_B2は、B相電流IBを検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子SW_B2LとGNDラインGLの間に接続される。シャント抵抗S_C2は、C相電流ICを検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子SW_C2LとGNDラインGLの間に接続される。3個のシャント抵抗S_A2、S_B2およびS_C2は、第2インバータ130のGNDラインGLと共通に接続されている。
The shunt resistor S_A2 is used to detect the A-phase current IA, and is connected, for example, between the low-side switch element SW_A2L and the GND line GL. The shunt resistor S_B2 is used to detect the B-phase current IB, and is connected, for example, between the low-side switch element SW_B2L and the GND line GL. The shunt resistor S_C2 is used to detect the C-phase current IC, and is connected, for example, between the low-side switch element SW_C2L and the GND line GL. The three shunt resistors S_A2, S_B2 and S_C2 are commonly connected to the GND line GL of the
上述した電流センサ150は、例えば、シャント抵抗S_A1、S_B1、S_C1、S_A2、S_B2、S_C2および各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路(不図示)を備える。
The above-mentioned
第1インバータ120のA相レグ(具体的には、ハイサイドスイッチ素子SW_A1Hおよびローサイドスイッチ素子SW_A1Lの間のノード)は、モータ200のA相の巻線M1の一端A1に接続され、第2インバータ130のA相レグは、A相の巻線M1の他端A2に接続される。第1インバータ120のB相レグは、モータ200のB相の巻線M2の一端B1に接続され、第2インバータ130のB相レグは、巻線M2の他端B2に接続される。第1インバータ120のC相レグは、モータ200のC相の巻線M3の一端C1に接続され、第2インバータ130のC相レグは、巻線M3の他端C2に接続される。
The A-phase leg of the first inverter 120 (specifically, the node between the high-side switch element SW_A1H and the low-side switch element SW_A1L) is connected to one end A1 of the A-phase winding M1 of the
インバータユニット100は、A相、B相およびC相のHブリッジを備える。各相のHブリッジは、2つのローサイドスイッチ素子、2つのハイサイドスイッチ素子および巻線を有する。例えば、A相のHブリッジは、第1インバータ120側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子SW_A1H、ローサイドスイッチ素子SW_A1L、第2インバータ130側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子SW_A2H、ローサイドスイッチ素子SW_A2L、および、巻線M1を有する。
The
制御回路300(具体的にはコントローラ340)は、以下で説明するHブリッジの故障診断を実行することにより、三相のHブリッジの中から故障したHブリッジを特定することができる。スイッチ素子の故障には、大きく分けて「開放故障」と「短絡故障」とがある。「開放故障」は、FETのソース−ドレイン間が開放する故障(換言すると、ソース−ドレイン間の抵抗rdsがハイインピーダンスになること)を指し、「短絡故障」は、FETのソース−ドレイン間が短絡する故障を指す。本開示において、Hブリッジの故障は、Hブリッジの中のスイッチ素子の開放故障を指す。例えば、A相のHブリッジのハイサイドスイッチ素子SW_A1Hに開放故障が生じた場合、その故障をA相のHブリッジの故障と呼ぶ。 The control circuit 300 (specifically, the controller 340) can identify the failed H-bridge from the three-phase H-bridges by executing the failure diagnosis of the H-bridge described below. The failure of the switch element is roughly classified into "open failure" and "short circuit failure". "Open failure" refers to a failure in which the source and drain of the FET are open (in other words, the resistance rds between the source and drain becomes high impedance), and "short circuit failure" is a failure in which the source and drain of the FET are open. Refers to a short-circuit failure. In the present disclosure, the failure of the H-bridge refers to an open failure of the switch element in the H-bridge. For example, when an open failure occurs in the high side switch element SW_A1H of the A-phase H bridge, the failure is called a failure of the A-phase H bridge.
例えば、制御回路300は、故障したHブリッジを特定すると、故障したHブリッジ以外の二相のHブリッジを用いて二相の巻線を通電するモータ制御に切替えることが可能である。本明細書において、三相の巻線を通電することを「三相通電制御」と呼び、二相の巻線を通電することを「二相通電制御」と呼ぶこととする。
For example, when the failed H bridge is identified, the
〔2.Hブリッジの故障診断方法〕
図3から図8を参照しながら、例えば、図1に示す電力変換装置1000に用いる、Hブリッジの故障を診断する故障診断方法の具体例を説明する。ただし、本開示の故障診断方法は、少なくとも1つのHブリッジを備える電力変換装置、例えばフルブリッジタイプの電力変換装置に好適に用いることができる。[2. H-bridge failure diagnosis method]
With reference to FIGS. 3 to 8, for example, a specific example of a failure diagnosis method for diagnosing a failure of the H bridge used in the
汎用のプリドライバには通常、インバータ内のスイッチ素子の短絡故障を検知する故障検出回路が実装されている。例えば、測定したFETのソース−ドレイン電圧とソース−ドレインしきい値電圧とを比較することで、スイッチ素子の短絡故障は検出される。従って、スイッチ素子の短絡故障の診断は、故障検出回路を実装した駆動回路350を用いて行うことができる。これに対し、開放故障を検知する機能はプリドライバには実装されていない。そのため、スイッチ素子の開放故障を適切に検出する手法が望まれている。
A general-purpose pre-driver is usually equipped with a failure detection circuit that detects a short-circuit failure of a switch element in an inverter. For example, by comparing the measured source-drain voltage of the FET with the source-drain threshold voltage, a short-circuit failure of the switch element is detected. Therefore, the diagnosis of the short-circuit failure of the switch element can be performed by using the
本実施形態は、Hブリッジの4つのスイッチ素子のうちの少なくとも1つに開放故障が生じているかどうかを、回転速度ωおよび相電流のピーク値Ipeakの積に基づいて相毎に診断する故障診断方法を提供する。 In this embodiment, failure diagnosis is performed for each phase to diagnose whether or not at least one of the four switch elements of the H-bridge has an open failure based on the product of the rotation speed ω and the peak value Ipeak of the phase current. Provide a method.
Hブリッジの故障を診断する故障診断方法の概要は下記のとおりである。 The outline of the failure diagnosis method for diagnosing the failure of the H bridge is as follows.
ステップA:電流センサ150によって測定された相電流の第1電流正弦波、第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波およびモータの回転速度ωに基づいて、Hブリッジの故障を監視するための監視信号を相毎に生成する。例えば、監視信号は、測定された相電流のピーク値および回転速度ωの積の二乗によって表される。回転速度ωは、単位時間(例えば1分間)にモータのロータが回転する回転数(rpm)または単位時間(例えば1秒間)にロータが回転する回転数(rps)で表される。
Step A: Based on the first current sine wave of the phase current measured by the
ステップB:監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を相毎に生成する。プレ故障信号は、例えばハイアクティブの信号であり、スイッチ素子の開放故障が生じるとアサートされる信号である。 Step B: A pre-failure signal is generated phase by phase based on the result of comparison between the monitoring signal and the fault level threshold. The pre-failure signal is, for example, a high-active signal, which is a signal asserted when an open failure of a switch element occurs.
ステップC:プレ故障信号、および、プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を相毎に生成する。故障信号は、例えばハイアクティブの信号であり、スイッチ素子の開放故障が生じるとアサートされる信号である。 Step C: By calculating the logical product of the pre-failure signal and the activation signal that enables or disables the pre-failure signal, a failure signal indicating whether or not the H-bridge has failed is generated for each phase. The failure signal is, for example, a high-active signal, which is a signal asserted when an open failure of the switch element occurs.
ステップD:故障診断ユニット800からモータ200を制御するモータ制御ユニット900に故障信号を出力する。
Step D: A failure signal is output from the
上記のステップAからDは、例えば、電流センサ150によって各相電流を測定する周期、すなわちAD変換の周期に同期して繰り返し実行される。
The above steps A to D are repeatedly executed, for example, in synchronization with a cycle in which each phase current is measured by the
本実施形態による故障診断方法を実現するためのアルゴリズムは、例えば特定用途向け集積回路(ASIC)またはFPGAなどのハードウェアのみで実現することもできるし、マイクロコントローラおよびソフトウェアの組み合わせによっても実現することができる。本実施形態では、故障診断の動作主体を制御回路300のコントローラ340として説明する。
The algorithm for realizing the failure diagnosis method according to the present embodiment can be realized only by hardware such as an application specific integrated circuit (ASIC) or FPGA, or can be realized by a combination of a microcontroller and software. Can be done. In the present embodiment, the operation main body of the failure diagnosis will be described as the
図3は、モータ制御全般を行うためのコントローラ340の機能ブロックを例示している。図4Aは、監視信号ユニット810Aの機能ブロックを例示している。図4Bは、監視信号ユニット810Bの機能ブロックを例示している。図4Cは、監視信号ユニット810Cの機能ブロックを例示している。図5は、カットオフ周波数ユニット820、値ユニット830およびアクティベーション信号ユニット840の機能ブロックを例示している。図6は、プレ故障信号ユニット850および故障信号ユニット860の機能ブロックを例示している。
FIG. 3 illustrates a functional block of the
本明細書において、機能ブロック図における各ブロックは、ハードウェア単位ではなく機能ブロック単位で示している。モータ制御およびHブリッジの故障診断に用いるソフトウェアは、例えば、各機能ブロックに対応した特定の処理を実行させるためのコンピュータプログラムを構成するモジュールであり得る。そのようなコンピュータプログラムは、例えばROM360に格納される。コントローラ340は、ROM360から命令を読み出して各処理を逐次実行することができる。
In the present specification, each block in the functional block diagram is shown not in hardware units but in functional block units. The software used for motor control and H-bridge failure diagnosis can be, for example, a module that constitutes a computer program for executing a specific process corresponding to each functional block. Such computer programs are stored, for example, in
コントローラ340は、例えば、故障診断ユニット800およびモータ制御ユニット900を有する。このように、本開示の故障診断は、例えばベクトル制御などのモータ制御と好適に組み合わせることができ、モータ制御の一連の処理の中に組み込むことが可能である。
The
故障診断ユニット800は、入力信号として、モータの回転速度ω、モータ制御に用いるリファレンス電流のピーク値Ipeak_refおよび電流センサ150によって測定された相電流IA、IBおよびICを獲得する。リファレンス電流は電流指令値と呼ばれることもある。故障診断ユニット800は、A、BおよびC相の故障信号PhaseA_FD、PhaseB_FDおよびPhaseC_FDをこれらの入力信号に基づいて生成し、モータ制御ユニット900に出力する。故障信号は、各相のHブリッジが故障しているか否かを示す信号である。
The
モータ制御ユニット900は、例えばベクトル制御を用いて、第1および第2インバータ120、130のスイッチ素子のスイッチング動作の全般を制御するPWM信号を生成する。モータ制御ユニット900は、PWM信号を駆動回路350に出力する。また、モータ制御ユニット900は、故障信号がアサートされると、例えばモータ制御を三相通電制御から二相通電制御に切替えることが可能である。
The
本明細書において、説明の便宜上、各機能ブロックをユニットと表記する場合がある。当然に、各機能ブロックをハードウェアまたはソフトウェアに限定する意図でこれらの表記を解釈してはならない。 In this specification, for convenience of explanation, each functional block may be referred to as a unit. Of course, these notations should not be interpreted with the intention of limiting each functional block to hardware or software.
各機能ブロックはソフトウェアとしてコントローラ340に実装される場合、そのソフトウェアの実行主体は、例えばコントローラ340のコアであり得る。上述したように、コントローラ340は、FPGAによって実現され得る。その場合、全てまたは一部の機能ブロックは、ハードウェアで実現され得る。
When each functional block is implemented as software on the
複数のFPGAを用いて処理を分散させることにより、特定のコンピュータの演算負荷を分散させることができる。その場合、図3から図6に示される機能ブロックの全てまたは一部は、複数のFPGAに分散して実装され得る。複数のFPGAは、例えば車載のコントロールエリアネットワーク(CAN)によって互いに通信可能に接続され、データの送受信を行うことが可能である。 By distributing the processing using a plurality of FPGAs, the computing load of a specific computer can be distributed. In that case, all or part of the functional blocks shown in FIGS. 3 to 6 may be distributed and implemented in a plurality of FPGAs. The plurality of FPGAs are communicably connected to each other by, for example, an in-vehicle control area network (CAN), and data can be transmitted and received.
故障診断ユニット800は、監視信号ユニット810A、810B、810C、カットオフ周波数ユニット820、しきい値ユニット830、アクティベーション信号ユニット840、プレ故障信号ユニット850および故障信号ユニット860を有する。監視信号ユニット810A、810Bおよび810Cは、実質的に同じ機能ブロックから構成される。以下、A相の監視信号ユニット810Aを例に、A相の監視信号ω2Ia_Peak2を生成する処理フローを説明する。
The
図4Aに示すように、監視信号ユニット810Aは、A相のHブリッジの故障を監視するための監視信号ω2Ia_Peak2を生成する。入力信号は、回転速度ωおよび電流センサ150によって測定されたA相の相電流IAである。本実施形態において、相電流の電流波形は、式(1)を用いて表される正弦波である。ここで、Ia_peakは相電流IAのピーク値である。式(1)で表される電流正弦波を第1電流正弦波と呼ぶこととする。
IA=Ia_peak・sin(ωt) 式(1)As shown in FIG. 4A, the
IA = Ia_peak · sin (ωt) Equation (1)
監視信号ユニット810Aは、例えば、プログラマブルローパスフィルタ(以降、「PLPF」と表記する。)801、806、808、810、813、二乗ユニット802、803、807、811、平方根ユニット805、乗算器804、微分ユニット809および加算器812を有する。例えば、二乗ユニット802は、PLPF801でフィルタ処理された第1電流正弦波を二乗する。乗算器804は、二乗ユニット803の出力ω2を二乗ユニット802の出力Ia2に乗算することにより、ω2Ia2を得る。平方根ユニット805は、ω2Ia2の平方根ωIaを演算し、PLPF806はωIaをフィルタ処理する。二乗ユニット807は、フィルタ処理したωIaを再度二乗することにより、フィルタ処理後のω2Ia2を得る。このように、幾つかのローパスフィルタ処理を行うことにより、相電流のノイズを効果的に除去することができる。The
PLPF801、806、808、810および813の各々はカットオフ周波数fcutを有する。図5に示すカットオフ周波数ユニット820は、例えば、ゲインユニット821およびLPF822を有する。カットオフ周波数ユニット820は、回転速度ωおよびゲインの乗算値に基づいてカットオフ周波数fcutを決定する。
Each of PLPF801, 806, 808, 810 and 813 has a cutoff frequency fcut. The
監視信号ユニット810Aは、ω2Ia2の演算に並行して、第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波を取得する演算を行う。位相を90°シフトするとは、初期位相を90°進めるまたは遅らせることを意味する。つまり、第2電流正弦波の位相は、第1電流正弦波のそれに対し90°進むかまたは遅れる。The
位相を90°進める具体例は時間微分である。図4Aのように、監視信号ユニット810Aは、第1電流正弦波を時間微分することにより第2電流正弦波を取得する。監視信号ユニット810Aは、微分ユニット809で微分演算を行う前に相電流IAをPLPF808によりフィルタ処理することが好ましい。このフィルタ処理により、後段の微分演算によって生じ得る、相電流IAに重畳したノイズの増幅を抑制することが可能となる。微分ユニット809は、フィルタ処理した第1電流正弦波を時間微分し、式(2)で表される第2電流正弦波を取得する。すなわち、第1電流正弦波をローパスフィルタ処理した後で時間微分することにより、第2電流正弦波を取得する。ここで、d/dtは微分演算子である。
dIA/dt=ω・Ia_peak・cos(ωt) 式(2)A specific example of advancing the phase by 90 ° is the time derivative. As shown in FIG. 4A, the
dIA / dt = ω ・ Ia_peak ・ cos (ωt) Equation (2)
監視信号ユニット810Aは、第2電流正弦波をPLPF810によりさらにフィルタ処理することが好ましい。さらなるフィルタ処理により、微分演算によって生じ得る、相電流IAに重畳したノイズの増幅をより適切に抑制することが可能となる。二乗ユニット811は、フィルタ処理した第2電流正弦波を二乗することにより、(dIA/dt)2を得る。加算器812は、式(3)に基づいて、ω2Ia2に(dIA/dt)2を加算することにより、A相の監視信号ω2Ia_Peak2を生成する。A相の監視信号ω2Ia_Peak2は、測定された相電流IAのピーク値Ia_peakおよび回転速度ωの積の二乗によって表される。
ω2Ia2+(dIA/dt)2=ω2Ia_peak2・sin2(ωt)+ω2・Ia_peak2・cos2(ωt)=ω2Ia_peak2 式(3)The
ω 2 Ia 2 + (dIA / dt) 2 = ω 2 Ia_peak 2 · sin 2 (ωt) + ω 2 · Ia_peak 2 · cos 2 (ωt) = ω 2 Ia_peak 2 equation (3)
式(3)に基づいて監視信号ω2Ia_Peak2を求めるとき、加算器812に入力する2つの信号ピークの大きさは同程度にしておくことが好ましい。図4Aに示す加算器812の微分演算を含む下側ブランチ(演算パス)において、2回のフィルタ処理を実施する。これに合わせて、加算器812の上側ブランチにおいても2回のフィルタ処理を実施する。これにより、Ia_peak2相当のピークを有する2つの入力信号を加算器812に与えることが可能となる。When obtaining the monitoring signal ω2Ia_Peek2 based on the equation (3), it is preferable that the magnitudes of the two signal peaks input to the
監視信号ユニット810Aは、生成した監視信号ω2Ia_Peak2をPLPF813によってフィルタ処理することが好ましい。この最終段のフィルタ処理によって、後述する故障診断の応答性を向上させることが可能となる。B、C相の監視信号ω2Ib_Peak2、ω2Ic_Peak2は、A相の監視信号ω2Ia_Peak2と同様に生成される。図4B、4Cを参照されたい。
The
上述したとおり、第2電流正弦波の位相は、第1電流正弦波のそれに対し90°遅れていてもよい。位相を90°遅らせる具体例は、時間積分である。図7は、時間積分を用いた監視信号ユニット810Aの機能ブロックを例示している。
As described above, the phase of the second current sine wave may be 90 ° behind that of the first current sine wave. A specific example of delaying the phase by 90 ° is time integration. FIG. 7 illustrates a functional block of the
監視信号ユニット810Aは、微分ユニット809に代えて積分ユニット820を有することができる。監視信号ユニット810Aは、積分ユニット820を用いて第1電流正弦波を時間積分することにより、第2電流正弦波を取得しても構わない。乗算器804は、第2電流正弦波の二乗に回転速度ωの二乗を乗算する。加算器812は、式(4)に基づいて、PLPF806でフィルタ処理した乗算器804の出力を、PLPF810でフィルタ処理した第1電流正弦波の二乗に加算することにより、監視信号ω2Ia_Peak2を生成することができる。
ω2Ia_Peak2=IA2+(ω∫IAdt)2=Ia_peak2 式(4)The
ω2Ia_Peak2 = IA 2 + (ω∫IAdt) 2 = Ia_peak 2 equation (4)
監視信号ユニット810Aにおいて微分演算を行う場合、監視信号ω2Ia_Peak2は、係数に回転速度ωを含むために、特に高速回転時の故障診断が容易になる。積分演算を行う場合、監視信号ω2Ia_Peak2は回転速度ωに依存しないために故障診断を容易に行うことができる。
When the
故障レベルのしきい値FD_Levelは、電流センサ150によって測定された相電流IA、IBおよびICのピーク値Ia_Peak、Ib_PeakおよびIc_Peakの平均値に基づいて決定することができる。図5に示すしきい値ユニット830は、平均値ユニット831およびゲインユニット832を有する。しきい値ユニット830は、監視信号ユニット810Aから出力されたω2Ia_Peak2、監視信号ユニット810Bから出力されたω2Ib_Peak2、および、監視信号ユニット810Cから出力されたω2Ic_Peak2に基づいて故障レベルのしきい値FD_Levelを決定する。例えば、平均値ユニット831は、ω2Ia_Peak2、ω2Ib_Peak2およびω2Ic_Peak2の平均値を演算する。ゲインユニット832はその平均値に可変ゲインを乗算することにより、FD_Levelを決定する。例えば、しきい値ユニット830は、電流および回転速度の関数を適用したルックアップテーブルを用いて実現される。可変ゲインの値は、例えば0.01から0.95の範囲に設定される。しきい値ユニット830によれば、各相のピーク値を用いるために、故障診断処理のための変数を増やす必要がなくなる。
The failure level threshold FD_Level can be determined based on the average of the peak values Ia_Peak, Ib_Peak and Ic_Peak of the phase currents IA, IB and IC measured by the
図5に示すアクティベーション信号ユニット840は、絶対値ユニット841および比較ユニット842を有する。比較ユニット842は、モータの制御に用いるリファレンス電流のピーク値Ipeak_refとリファレンス電流の最小値I_minとの比較結果に基づいてアクティベーション信号Zero_Levelを生成する。アクティベーション信号Zero_Levelは、リファレンス電流がゼロであるか否かを示す信号である。リファレンス電流のピーク値Ipeak_refは、式(5)によって与えられる。absは絶対値の演算子である。
Ipeak_ref=〔(2/3)1/2(Id_ref2+Iq_ref2)1/2〕+〔abs(Iz_ref)/(3)1/2〕 式(5)
ここで、Id_refはdq座標系におけるd軸リファレンス電流であり、Iq_reqはdq座標系におけるq軸リファレンス電流である。Iz_refは、z相のリファレンス電流である。リファレンス電流の最小値I_minは、例えば10mA程度に設定される。The
Ipeak_ref = [(2/3) 1/2 (Id_ref 2 + Iq_ref 2 ) 1/2 ] + [abs (Iz_ref) / (3) 1/2 ] Equation (5)
Here, Id_ref is the d-axis reference current in the dq coordinate system, and Iq_req is the q-axis reference current in the dq coordinate system. Iz_ref is the z-phase reference current. The minimum value I_min of the reference current is set to, for example, about 10 mA.
例えば、アクティベーション信号Zero_Levelはハイアクティブの信号である。アクティベーション信号ユニット840の比較ユニット842は、Ipeak_refがI_min以上であるとき、アクティベーション信号Zero_Levelをアサートする。比較ユニット842は、Ipeak_refがI_min未満であるとき、アクティベーション信号Zero_Levelをネゲートする。
For example, the activation signal Zero_Level is a highly active signal. The
図8は、Hブリッジのスイッチ素子に開放故障が生じた場合のA相の監視信号ω2Ia_Peak2のレベル変化の様子を示している。Hブリッジが正常であるとき、監視信号ω2Ia_Peak2のレベルは、ω2Ia_peak2を示す。Hブリッジのスイッチ素子に開放故障が生じると、監視信号ω2Ia_Peak2のレベルは、故障レベルのしきい値FD_Level未満のゼロに近いレベルまで降下する。その信号レベルは、正常時の信号レベルよりもずっと小さい。本明細書では、この信号レベルの変化に要す時間を「検出時間(Detection Time)」と呼ぶこととする。検出時間が早いほど、故障を検知する感応性または応答性は良い。既に述べたとおり、生成した監視信号ω2Ia_Peak2をPLPFによってフィルタ処理することにより、応答性を向上させることが可能となる。FIG. 8 shows a state of level change of the A-phase monitoring signal ω2Ia_Peak2 when an open failure occurs in the switch element of the H bridge. When H-bridge is normal, the level of the monitoring signal ω2Ia_Peak2 shows ω 2 Ia_peak 2. When an open failure occurs in the switch element of the H-bridge, the level of the monitoring signal ω2Ia_Peek2 drops to a level close to zero below the failure level threshold FD_Level. Its signal level is much lower than the normal signal level. In the present specification, the time required for this change in signal level is referred to as "Detection Time". The earlier the detection time, the better the sensitivity or responsiveness to detect the failure. As described above, the responsiveness can be improved by filtering the generated monitoring signal ω2Ia_Peak2 by PLPF.
図6に示すプレ故障信号ユニット850は、3つの比較器851を有する。3つの比較器851は、A、BおよびC相のプレ故障信号A_Level_FD、B_Level_FDおよびC_Level_FDをそれぞれ生成する。例えば、A相の監視信号ω2Ia_Peak2が故障レベルのしきい値FD_Level未満である場合、A相の比較器851は、Hブリッジは故障状態であることを示すプレ故障信号A_Level_FDを生成する。監視信号ω2Ia_Peak2が故障レベルのしきい値FD_Level以上である場合、A相の比較器851は、Hブリッジは故障状態ではないことを示すプレ故障信号A_Level_FDを生成する。
The
例えば、プレ故障信号A_Level_FDはハイアクティブの信号である。故障が発生すると、プレ故障信号A_Level_FDはアサートされる。アクティベーション信号Zero_Levelは、プレ故障信号A_Level_FDを有効または無効にするために用いられる。プレ故障信号ユニット850は、B、C相のプレ故障信号B_Level_FD、C_Level_FDもA相と同様に生成する。
For example, the pre-failure signal A_Level_FD is a highly active signal. When a failure occurs, the pre-failure signal A_Level_FD is asserted. The activation signal Zero_Level is used to enable or disable the pre-failure signal A_Level_FD. The
図6に示す故障信号ユニット860は、3つのANDユニット861を有する。ANDユニット861は、プレ故障信号、および、アクティベーション信号Zero_Levelの論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を相毎に生成する。例えば、A相のANDユニット861は、A相のプレ故障信号A_Level_FD、および、アクティベーション信号Zero_Levelの論理積を演算することにより、A相のHブリッジが故障しているか否かを示す故障信号PhaseA_FDを生成する。故障信号ユニット860は、B、C相の故障信号PhaseB_FD、PhaseC_FDもA相と同様に生成し、それらをモータ制御ユニット900に出力する。
The
リファレンス電流のピーク値Ipeak_refの絶対値がリファレンス電流の最小値I_min未満である場合、プレ故障信号A_Level_FDを無効にするアクティベーション信号Zero_Levelが生成される。その場合、プレ故障信号A_Level_FDはアサートされた状態であっても、アクティベーション信号Zero_Levelによってマスクされる。例えば、正常時のモータ駆動に、正弦波であるリファレンス電流は周期的にゼロに近い値になる。その結果、監視信号ω2Ia_Peak2のレベルは、故障レベルのしきい値FD_Level未満になり得る。Hブリッジは故障していなくても、プレ故障信号A_Level_FDはアサートされる。これを回避するために、アクティベーション信号Zero_Levelでプレ故障信号A_Level_FDをマスクすることにより、故障信号PhaseA_FDをネゲート状態に維持できる。 When the absolute value of the peak value Ipeak_ref of the reference current is less than the minimum value I_min of the reference current, an activation signal Zero_Level that invalidates the pre-failure signal A_Level_FD is generated. In that case, the pre-failure signal A_Level_FD is masked by the activation signal Zero_Level even in the asserted state. For example, when driving a motor under normal conditions, the reference current, which is a sine wave, periodically becomes a value close to zero. As a result, the level of the monitoring signal ω2Ia_Peek2 can be less than the failure level threshold FD_Level. The pre-failure signal A_Level_FD is asserted even if the H-bridge is not faulty. In order to avoid this, the failure signal PhaseA_FD can be maintained in the negated state by masking the pre-failure signal A_Level_FD with the activation signal Zero_Level.
図9は、三相通電制御に従って電力変換装置1000を制御したときにモータ200のA相、B相およびC相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形(正弦波)を例示している。図10Aは、A相のHブリッジが故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置1000を制御したときにモータ200のB相、C相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示している。横軸は、モータ電気角(deg)を示し、縦軸は電流値(A)を示す。図9、図10Aの電流波形において、電気角30°毎に電流値をプロットしている。Ipkは相電流のピーク値を表す。FIG. 9 illustrates a current waveform (sine wave) obtained by plotting the current values flowing in the A-phase, B-phase, and C-phase windings of the
参考として、図10Bに、B相のHブリッジが故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置1000を制御したときにモータ200のA相、C相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示する。図10Cに、C相のHブリッジが故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置1000を制御したときにモータ200のA相、B相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示する。
For reference, in FIG. 10B, when the B-phase H-bridge fails, the current values flowing in the A-phase and C-phase windings of the
例えば、モータ制御ユニット900は、正常時、つまり、故障信号PhaseA_FD、PhaseB_FDおよびPhaseC_FDの全てがネゲートされている場合、三相通電制御を行う。これに対し、例えば、故障信号PhaseA_FDがアサートされると、モータ制御ユニット900は、故障したA相のHブリッジ以外のB、C相のHブリッジを用いて巻線M2、M3を通電する二相通電制御を行うことができる。これにより、三相のうちの一相のHブリッジが故障したとしても、電力変換装置1000はモータ駆動を継続することができる。
For example, the
以下に、本開示によるHブリッジの故障診断に用いられるアルゴリズムの妥当性を、dSPACE社の”ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)システム”およびMathWorks社のMatlab/Simulinkを用いて検証した結果を示す。この検証には、ベクトル制御により制御を受ける、電動パワーステアリング(EPS)装置に用いる表面磁石型(SPM)モータのモデルが用いられた。電流および回転速度の異なる条件下でA相のHブリッジの故障診断における検出時間を検証した。d軸のリファレンス電流Id_refおよびz相のリファレンス電流Iz_refを0Aに設定し、q軸のリファレンス電流Iq_refを変化させた。 The following shows the results of verifying the validity of the algorithm used for H-bridge failure diagnosis according to the present disclosure using dSPACE's "Rapid Control Prototyping (RCP) System" and MathWorks' Matlab / Simulink. For this verification, a model of a surface magnet type (SPM) motor used in an electric power steering (EPS) device, which is controlled by vector control, was used. The detection time in the failure diagnosis of the A-phase H bridge was verified under different conditions of current and rotation speed. The d-axis reference current Id_ref and the z-phase reference current Iz_ref were set to 0A, and the q-axis reference current Iq_ref was changed.
モータを250、500、750、1000、1500および1700rpmで回転させた場合において、0Aから20Aまでの範囲のリファレンス電流Iq_refに対する検出時間をそれぞれ検証した。 The detection times for the reference current Iq_ref in the range 0A to 20A were verified when the motors were rotated at 250, 500, 750, 1000, 1500 and 1700 rpm, respectively.
図11Aから図11Fは、250、500、750、1000、1500および1700rpmでモータを回転させるときの、リファレンス電流Iq_refに対する検出時間のシミュレーション結果をそれぞれ示している。グラフの縦軸は、検出時間(ms)を示し、横軸は、リファレンス電流Iq_ref(A)を示す。 11A to 11F show the simulation results of the detection time with respect to the reference current Iq_ref when the motor is rotated at 250, 500, 750, 1000, 1500 and 1700 rpm, respectively. The vertical axis of the graph shows the detection time (ms), and the horizontal axis shows the reference current Iq_ref (A).
例えば、車載に搭載されるEPSシステムの規格によれば、20ms以下の検出時間が求められる。シミュレーション結果から、低速回転から高速回転までのモータ駆動範囲、かつ、低トルクから高トルクまでのモータ駆動範囲において、市場要求を十分に満足する検出時間が得られることが分かる。 For example, according to the standard of the EPS system mounted on the vehicle, a detection time of 20 ms or less is required. From the simulation results, it can be seen that a detection time that sufficiently satisfies the market demand can be obtained in the motor drive range from low speed rotation to high speed rotation and in the motor drive range from low torque to high torque.
従来、Hブリッジのスイッチ素子が開放故障した場合、相電流に重畳されるノイズの影響により、開放故障を正確に検出することは困難であった。また、Hブリッジは正常に機能している場合であっても、相電流は正弦波であるので、その電流値は周期的にゼロとなる。そのことが、開放故障を正確に検出することをより一層困難にしていた。 Conventionally, when the switch element of the H bridge has an open failure, it has been difficult to accurately detect the open failure due to the influence of noise superimposed on the phase current. Further, even when the H bridge is functioning normally, since the phase current is a sine wave, its current value becomes zero periodically. This made it even more difficult to accurately detect open failures.
本実施形態によると、相電流のピーク値と回転速度の積の二乗または相電流のピーク値の二乗に基づく監視信号を監視する。これにより、時間依存による相電流の変動を考慮せずにHブリッジの故障を容易に診断することが可能となる。さらに、生成した監視信号をローパスフィルタ処理することにより、故障検知の応答性または感応性を向上させることができる。 According to this embodiment, a monitoring signal based on the square of the product of the peak value of the phase current and the rotation speed or the square of the peak value of the phase current is monitored. This makes it possible to easily diagnose the failure of the H-bridge without considering the fluctuation of the phase current due to time dependence. Further, by low-pass filtering the generated monitoring signal, the responsiveness or sensitivity of failure detection can be improved.
(実施形態2)
図12は、本実施形態による電動パワーステアリング装置3000の典型的な構成を模式的に示す。(Embodiment 2)
FIG. 12 schematically shows a typical configuration of the electric
自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング装置を有する。本実施形態による電動パワーステアリング装置3000は、ステアリングシステム520、および補助トルクを生成する補助トルク機構540を有する。電動パワーステアリング装置3000は運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより運転者の操作の負担は軽減される。
Vehicles such as automobiles generally have an electric power steering device. The electric
ステアリングシステム520は例えばステアリングハンドル521、ステアリングシャフト522、自在軸継手523A、523B、回転軸524、ラックアンドピニオン機構525、ラック軸526、左右のボールジョイント552A、552B、タイロッド527A、527B、ナックル528A、528B、および左右の操舵車輪529A、529Bから構成され得る。
The
補助トルク機構540は例えば、操舵トルクセンサ541、自動車用電子制御ユニット(ECU)542、モータ543および減速機構544などから構成される。操舵トルクセンサ541は、ステアリングシステム520における操舵トルクを検出する。ECU542は操舵トルクセンサ541の検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータ543は駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ543は減速機構544を介してステアリングシステム520に生成した補助トルクを伝達する。
The
ECU542は例えば実施形態1によるコントローラ340および駆動回路350などを有する。自動車ではECUを核とした電子制御システムが構築される。電動パワーステアリング装置3000では例えば、ECU542、モータ543およびインバータ545によって、モータ駆動ユニットが構築される。そのシステムに実施形態1によるモータモジュール2000を好適に用いることができる。
The
本開示の実施形態は、シフトバイワイヤ、ステアリングバイワイヤ、ブレーキバイワイヤなどのエックスバイワイヤおよびトラクションモータなどのモータ制御システムにも好適に用いられる。例えば、本開示の実施形態による故障診断方法を実装したEPSは、日本政府および米国運輸省道路交通安全局(NHTSA)によって定められたレベル0から5(自動化の基準)に対応した自動運転車に搭載され得る。
The embodiments of the present disclosure are also suitably used for X-by-wire such as shift-by-wire, steering-by-wire, brake-by-wire, and motor control systems such as traction motors. For example, an EPS that implements the failure diagnosis method according to the embodiment of the present disclosure is an autonomous vehicle that complies with
本開示の実施形態は、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリング装置などの、各種モータを備える多様な機器に幅広く利用され得る。 The embodiments of the present disclosure can be widely used in various devices including various motors, such as vacuum cleaners, dryers, sealing fans, washing machines, refrigerators and electric power steering devices.
Claims (16)
少なくとも1つのHブリッジを備える電力変換装置に用いる、Hブリッジの故障を診断する故障診断方法であって、
電流センサによって測定された相電流の第1電流正弦波、前記第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Hブリッジの故障を監視するための監視信号を生成するステップと、
前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成するステップと、
前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成するステップと、
を包含する故障診断方法。Converts power from a power source into power to supply to a motor with at least one phase of winding,
A failure diagnosis method for diagnosing a failure of an H bridge used in a power conversion device including at least one H bridge.
Failure of the H-bridge based on the first current sine wave of the phase current measured by the current sensor, the second current sine wave obtained by shifting the phase of the first current sine wave by 90 °, and the rotational speed of the motor. And the steps to generate a monitoring signal to monitor
A step of generating a pre-failure signal based on the result of comparison between the monitoring signal and the failure level threshold value,
A step of generating a failure signal indicating whether or not the H-bridge has failed by calculating the logical product of the pre-failure signal and the activation signal that enables or disables the pre-failure signal.
Failure diagnosis method including.
請求項1から11のいずれかに記載の故障診断方法を各相のHブリッジに実行することにより、Hブリッジの故障を相毎に診断する、故障診断方法。The n-phase H-bridge used in a power conversion device including an n-phase H-bridge that converts power from a power source into power supplied to a motor having n-phase (n is an integer of 3 or more) windings. It is a failure diagnosis method that diagnoses failures phase by phase.
A failure diagnosis method for diagnosing a failure of an H-bridge for each phase by executing the failure diagnosis method according to any one of claims 1 to 11 on the H-bridge of each phase.
少なくとも1つのHブリッジと、
前記少なくとも1つのHブリッジのスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
電流センサによって測定された相電流の第1電流正弦波、前記第1電流正弦波の位相を90°シフトして得られる第2電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Hブリッジの故障を監視するための監視信号を生成し、
前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成し、
前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Hブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成する、電力変換装置。A power conversion device that converts power from a power source into power supplied to a motor having at least one phase of winding.
With at least one H-bridge
A control circuit that controls the switching operation of the switch element of at least one H-bridge, and
With
The control circuit
Failure of the H-bridge based on the first current sine wave of the phase current measured by the current sensor, the second current sine wave obtained by shifting the phase of the first current sine wave by 90 °, and the rotational speed of the motor. Generate a monitoring signal to monitor
A pre-failure signal is generated based on the comparison result between the monitoring signal and the fault level threshold value.
A power conversion device that generates a failure signal indicating whether or not the H-bridge has failed by calculating the logical product of the pre-failure signal and the activation signal that enables or disables the pre-failure signal.
請求項14に記載の電力変換装置と、
を備えるモータモジュール。With the motor
The power conversion device according to claim 14,
Motor module with.
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