WO2006112033A1 - 交流モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

交流モータ駆動中におけるモータケーブルの異常状態を、特別な回路を使用せずに、演算処理装置にて検知可能なモータ制御装置を提供する。交流モータと、モータケーブルを介してモータ電流により交流モータを駆動するインバータと、交流モータのモータケーブルに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出器を備えたモータ制御装置において、モータ電流検出器より検出したモータ電流からモータケーブルの相間短絡や断線等の異常を演算処理装置を用いて検知する。

Description

交流モータ制御装置

技術分野

明

本発明は、 モータと電力変換器との間を接続するケーブルの異常検出 に関し、 特に、 交流モータ制御装置の異常検出に関する。

背景技術

従来から、 モ一夕とインバ一夕との間を接書続するケ一ブルまたはモー 夕回路の断線や相間短絡等の異常を検出する方法がある。 かかる方法と しては、 モータ駆動停止中にモータ回路に低い電圧を印加して、 このと きのィンバ一夕直流部に流れる電流を診断パターンに基づいて診断判定 する技術 （特開平 6— 6 6 9 0 1号公報） や、 短絡電流が継続する時間 を計測し、 この継続時間が所定時間より長い場合に短絡故障であると判 断する技術 （特開平 1 0 — 1 9 1 5 5 1号公報） がある。

前者の技術は、 モータ駆動前にモータに対して微弱電圧を印加して、 そのときの D C電流パターンから相間短絡を検出するという技術である。 これは、 モータ駆動前に相間短絡を検知することが可能であるが、 モー 夕駆動中での相間短絡検知はできないという欠点がある。

また、 後者の技術は、 D Cモータにのみ適用可能な技術である。 この ため、 時々刻々と電流値が変化する交流モー夕の場合には、 この技術を 適用するのは困難である。

本発明の目的は、 交流モータ駆動中におけるモータケ一ブルの異常状 態 （相間短絡， ケーブル断線等） を、 特別な回路を設けることなく、 演 算処理装置にて検知することができるモータ制御装置を提供することに ある。

発明の開示

本発明の交流モータ制御装置のうち代表的な一つは、 交流モータと、 モータケーブルを介してモータ電流により交流モータを駆動するィンバ

—夕と、 交流モ一夕に接続されたモ一タケ一ブルに流れるモー夕電流を 検出するモータ電流検出器と、 モータ電流検出器により検出されたモー 夕電流に基づき、 モータケ一ブルの異常であることを検知する演算処理 装置とを有する。

また、 本発明の交流モータ制御装置のうち代表的な他の一つは、 複数 のモータ電流で駆動される交流モータと、 複数のモータケーブルを介し て複数のモータ電流により交流モータを駆動するィンバ一夕と、 交流モ 一夕に接続された複数のモ一夕ケーブルにそれぞれ流れる複数のモータ 電流を検出するモータ電流検出器と、 モータ電流検出器により検出され た複数のモータ電流を保存する記憶手段と、 記憶手段に記憶されたモ一 タ電流とあらかじめ決定された所定値とを比較し、 複数のモー夕電流値 のうち少なく とも 2つのモータ電流値が所定値より大きい場合に、 異常 状態であると判定する演算処理装置とを有する。

また、 本発明の交流モータ制御装置のうち代表的な他の一つは、 複数 のモータ電流で駆動される交流モータと、 複数のモータケーブルを介し て複数のモータ電流により交流モータを駆動するィンバ一夕と、 交流モ 一夕に接続された複数のモータケーブルにそれぞれ流れる複数のモータ 電流を検出するモータ電流検出器と、 モ一夕電流検出器により検出され た複数のモー夕電流を保存する記憶手段と、 記憶手段に記憶されたモー 夕電流とあらかじめ決定された所定値とを比較し、 複数のモ一夕電流値 のうち少なく とも 1つのモータ電流値が所定値より小さい場合に、 異常 状態であると判定する演算処理装置とを有する。

本発明によれば、 低コス トで迅速な異常検知を可能にする交流モー夕 制御装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

第 1図は本発明の一実施例である相間短絡検知を行うモー夕制御 装置を備えた電気自動車の駆動システム構成図。

第 2図は本発明の一実施例である相間短絡検知を実施するフロー チャー ト。

第 3図は本発明における相間短絡時の相電流を説明する図。

第 4図は本発明の他の一実施例である相間短絡検知を行うモー夕 制御装置を備えた電気自動車の駆動システム構成図。

第 5図は本発明の他の一実施例である相間短絡検知を実施するフ ローチャー 卜。

第 6図は本発明の他の一実施例である相断線検知を行う フローチ ヤー 卜。

第 7図は本発明の他の一実施例である相断線検知を行う判定時間 の最適値についての説明図。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施形態について、 図面を参照しながら説明する。

(実施例 1 )

相間短絡検知を行うための一実施例を第 1 図〜第 3 図に基づい て説明する。 まず、 電気自動車用駆動制御システムに基づき、 本発 明のモータケーブル状態の異常検知方法を述べる。

第 1 図に示すのは、 本実施例におけるモー夕制御装置を備えた電 気自動車用駆動システムの構成図である。 交流モー夕 1 (同期電動 機） は、 永久磁石型同期モー夕である。 電力変換器であるインバー 夕回路 2 は、 バッテリ 4 を電源として動作する。 交流モー夕 1 は、 イ ンバー夕回路 2 を介して電力の供給を受ける。 交流モ一夕 1 には、 回転センサとしてのエンコーダ等の速度検出部 6 と、 磁極位置を検 出する磁極位置センサ等の位相演算部 7が備えられている。 これら は、 交流モータ 1 の回転数と位相の情報をそれぞれ制御装置に伝達 する。

ィ ンバ一夕回路 2 には、 バッテリ 4から直流電流が入力される。 イ ンバー夕回路 2 の直流電流入力側には、 バッテリ 4 の電圧を平滑 化するコンデンサ 3 と、 バッテリ 4の電圧を測定するバッテリ電圧 検出部 5が接続される。 バッテリ電圧検出部 5 は、 検出したバッテ リ 4 の電圧値を電流指令決定部 9に伝達する。

インパー夕回路 2からは、 U相， V相， W相の 3相交流電流が出力さ れる。 このインバー夕回路 2の交流電流出力側には、 交流モータ 1 に入 力される交流電流である U相， V相， W相の各電流値を検出する電流検 出部 1 3がある。 電流検出部 1 3より検出した 3相交流電流は、 位相演 算部 7にて演算された位相角 Θに基づき、 3相 2相変換部 1 2において d q軸変換される。 この 軸変換値は、 電流制御演算部 1 0の入力側 に伝達される。

電流指令決定部 9は、 速度指令検出部 6 よ り出力された回転数 N、 パッテリ電圧検出部 5 によ り検出されたバッテリ 4 の電圧、 及び、 トルク指令処理部 8 によ り処理された トルク指令 て *に基づいて、 d q軸電流指令を出力する。

電流制御演算部 1 0 は、 電流指令決定部 9 から出力された d Q軸 電流指令、 3相 2相変換部 1 2 によ り d Q軸変換された電流検出値、 及び、 速度検出部 6 によ り出力された回転数 Nに基づき、 P I 制御 により d q軸電圧指令を演算する。 電流制御演算部 1 0 にて演算さ れた d Q軸電圧指令は、 位相演算部 7 によ り演算された位相角 Θ に 基づき、 2相 3相変換部 1 1 において 3相交流電圧指令を演算する。

2相 3相変換部 1 1 の内部には、 P W M信号制御部（図示しない） がある。 P W M信号演算部は、 3相交流電流指令をインバ一タ回路 2 の内部にあるスィ ツチング素子を制御するためのスィ ツチング 制御信号に変換する。 このスイ ッチング制御信号は、 イ ンバー夕回 路 2 の内部にある各相のスィ ツチング素子に供給される。

電流検出部 1 3 によ り検出された 3相交流電流は、 ケーブル状態 検知部 1 4へ入力される。ケーブル状態検知部 1 4は、 U相， V相， W相の交流電流値を常時同時サンプリ ングする。 このサンプリ ング 値は、 例えば、 演算処理装置の内部にある記憶装置に保存される。 このとき、 サンプリ ング周期は、 交流モ一タ 1 の駆動周波数よ り十 分に短いものである ことが望ましい。

交流モータ 1 とインバー夕回路 2との間に流れる電流は、 交流モータ 1 とィンバータ回路 2 とを接続するモ一タケ一ブルに相間短絡や断線等 の異常が発生している場合と、 正常動作している場合とでは、 U相， V 相， W相各相の位相関係や電流振幅値に差異が生じる。 本実施例では、 一例として、 モータ電流の振幅値の変化に基づく異常判定を説明する。

第 3図に、 通常時と相間短絡時の相電流の比較図を示す。 モ一タケ一 ブルが相間短絡状態にある場合、 モータの相間ィンダクタンスは極小に なる。 このため、 短絡相モータ電流は、 第 3図 （b ) に示すとおり、 指 令値に対して過大となり、 電流フィードバックコントロールにより発振 状態となる。 一例として、 第 3図 （ a ) に示す正常時における電流波形 1 8の振幅値を比較すると、 短絡時の短絡相電流波形 1 9の振幅値は 2 倍以上となる。

モータ電流のこの相違を利用して、 サンプリングした U相， V相， W 相の各相電流データのうち、 所定時間分のサンプリングデータをピック ァップすることにより、 相間短絡を検知することができる。

第 2図に、 本実施例における相間短絡検知方法のフローチヤ一トを示 す。 サンプリングした U相， V相， W相の各相電流データに基づき、 相 間短絡状態が生じていることを検知する。 ここで、 サンプリングした各 相の電流データは、 演算処理装置の内部にある記憶装置に保存されてい る。 また、 短絡状態 （異常状態） であるか否かの判定基準となる電流値 をあらかじめ決定しておき、 その値を記憶装置に保存しておく。 このた め、 サンプリングした電流データと基準電流値とを演算処理装置にて比 較することにより、 短絡状態であるか否かを検知することができる。

まず、 診断開始時には、 U相の電流値を判定する状態 1 5にあり、 U 相電流があらかじめ決められた所定値を超えているか否かを判定する。 この状態において、 U相電流が所定値を超えていると判定された場合に は、 次に、 V相の電流値を判定する状態 1 6へと状態が遷移する。

V相の電流値を判定する状態 1 6 においては、 V相電流が所定値 を超えているか否かを判定する。 ここで V相電流が所定値を超えて いると判定された場合には、 U— V相間が短絡状態 （ショー ト状態） であると判定する。

一方、 V相の電流値を判定する状態 1 6 において、 V相電流が所 定値以下であると判定された場合には、 次に、 W相の電流値を判定 する状態 1 7へと遷移する。 こ こで、 W相電流が所定値を超えてい ると判定された場合には、 U— W相間が短絡状態であると判定する。 W相電流が所定値以下であると判定された場合には、 診断開始の状 態へと遷移する。

また、 U相の電流値を判定する状態 1 5 にある場合に、 U相電流 が所定値以下であると判定された場合には、 次に、 W相の電流値を 判定する状態 1 7 ' へと状態が遷移する。 W相電流が所定値以下で ある と判定された場合には、 診断開始の状態へと遷移する。 一方、 W相電流が所定値を超えていると判定された場合には、 V相の電流 値を判定する状態 1 6 ' へと状態が遷移する。

V相の電流値を判定する状態 1 6 ' において、 V相電流が所定値 を超えていると判定された場合には、 V— W相間が短絡状態である と判定する。 一方、 V相電流が所定値以下であると判定された場合 には、 診断開始の状態へと遷移する。

本実施例では、 異常状態の検知をより確実なものとするため、 電流の 所定値を超える状態が所定時間継続した場合に、 相間短絡状態であると 判定するようにすることがより好ましい。

モ—タケ—ブルが短絡している場合、 インパー夕から見たモータ巻線 のインダクタンスおよび抵抗は極めて小さい。 従って、 モ一タ電流は急 激に増大し、 モータ電流の検出値は指令値に対して過大となる。 また、 短絡相間において、 各々の位相角は片方の短絡相を基準とすると、 もう 片方の短絡相はほぼ逆相となる。 この関係を利用し、 モータ電流値を電 流検出器等により演算処理装置の内部に取込み、 その電流の振幅値およ び位相関係を判定することによって、 モ一夕ケーブルの短絡状態 （異常 状態） を検知することができる。

この場合、 演算処理装置の演算速度が十分速いものを用いれば、 異常 状態の早期検知が可能であるため、 ィンバ一夕およびモ一夕への過大電 流による機器破壊や意図しないトルクの発生を抑制できる。

また、 本実施例では、 既存のモータ制御用の演算処理装置等を用いる ことがより好ましい。 既存の演算処理装置等を用いれば、 ケ一ブル異常 用の回路を特別に設ける必要がないため、 コス トパフォ一マンスに優れ る。 ただし、 異常検知用の演算処理装置を、 モータ制御用の演算処理装 置とは別に設けて実施することも可能である。

以上のとおり、 サンプリ ングした U相， V相， W相の各電流デ一 夕のうち、 所定時間分のデータをサンプリ ングし、 各層の電流デ一 夕を確認するこ とにより、 モータケ一ブルの相間 （ U— V相， U— W相， V— W相）短絡状態を検知することができる検知方法、及び、 この検知方法を実行する交流モータ制御装置を提供する こ とがで きる。

(実施例 2 )

相間短絡検知を行う ための他の一実施例を第 4 図及び第 5 図に 基づいて説明する。 第 4図に示すのは、 本実施例におけるモー夕制 御装置を備えた電気自動車用駆動システムの構成図である。 本実施 例のモー夕制御装置において、 実施例 1 のモータ制御装置と同じ部 分については、 その説明を省略する。

第 4 図に示すモ一夕制御装置を備えた電気自動車の駆動システ ムにおいて、 交流モータ 2 0 , インバ一夕回路 2 1 , コンデンサ 2 2 , ノ ッ テ リ 2 3 ， ノ ッ テ リ検出部 2 4， 速度検出部 2 5 , 位相 演算部 2 6， トルク指令処理部 2 7 , 電流指令決定部 2 8 , 電流制 御演算部 2 9 , 2相 3相変換部 3 0 , 3相 2相変換部 3 1 、 及び、 電流検出部 3 2 については、 第 1 図のシステムと同一である。 第 4 図では、 2相 1相変換部 3 3 、 及び、 ケーブル状態検知部 3 4が存 在する点で、 第 1 図のシステムとは異なる。

第 4図のシステムにおいて、 電流検出部 3 2 により検出された 3 相交流電流は、 3相 2相変換部 3 1 によって d Q軸電流に変換され る。 こ こで、 2相 1 相変換部 3 3 において数式 1 が実行される こ と によ り、 軸電流は、 相検出電流の実効値である I ~ r m s 3 5 に変換される。

I ~ r m s =(d軸検出電流² + Q軸検出電流²) ·⁵ … （数式 1 ) 一方、 電流指令決定部 2 8から出力される d Q軸電流指令値を、 上 記同様、 2相 1相変換部 3 3 において数式 2 を実行するこ とによ り、 相電流指令の実効値 I ^ r m s 3 6 に変換する。

r m s二（d軸電流指令 ² + Q軸電流指令 ²)° ·⁵ …（数式 2 ) こ こで、 モータケーブルが相間短絡状態である場合、 モータの相 間イ ンダクタンスは極小になる。 このため、 短絡相モータ電流が指 令値に対して過大になる という ことは、 前述のとおりである。 つま り、 モータ電流を実効値で判断すると、 検出電流実効値 I r m s 3 5 は、電流指令実効値 I * r m s 3 6 に対してオフセッ トが発生す る。

第 5 図に、 本実施例の相間短絡検知方法のフローチャー トを示す。 本図に示すように、相電流指令の実効値 I ' r m s 4 0 と相検出電流 の実効値 I - r m s 4 1 をオフセッ ト算出器 4 3 によ り オフセッ ト値 Δ Ι r m s を算出する。 このオフセッ ト値 Δ Ι r m s 4 3が所 定値を超える場合には、 このときを相間短絡状態であると判定する。 こ こで、 2相 1相変換部 3 3 よ り算出した相検出電流の実効値

I r m s 3 5 に対して、 フィ ルタ処理を施すことがより好ましい。 (実施例 3 )

次に、 ケーブル断線の異常検知を行う 実施例を第 1 図， 第 6 図 および第 7図を参照して説明する。

第 1 図に示すモータ制御装置を備えた電気自動車の駆動システ ムにおいて、 ケーブル状態検知部 1 4では、 U相， V相， W相の各 相の交流電流を常時同時サンプリ ングする。 サンプリ ングした値は、 例えば、 演算処理装置の内部にある記憶装置に保存する。

こ こで、 モータケ一ブルが断線状態である場合には、 断線相の検 出電流値は、 理論上 0 Aとなる。 そこで、 サンプリ ングした U相， V相， W相の電流データのうち、 所定時間分のサンプリ ングデータ をピックアップする。

第 6 図に、 本実施例における断線検知方法のフローチャー トを示 す。 第 6 図に示すとおり、 駆動電流値を判定する状態 5 0 において、 モータの駆動電流値があ らかじめ決定された所定値以上である場 合には 、 その状態が保持される。 方 電流指令が所定値以上の状 で、 駆動電流が所定値よ 小さいと判定された場合には、 U相電 流値を判定する状態 5 1 へと状態が遷移する

u相電流値を判定する状態 5 1 に いて U相電流が所定値より 小さい場合には、 U相が断線状態でめると判定する。 一方、 U相 流が所定値以上の場合には V相 流値を判定する状態 5 2へと状 台 ¾が遷移する。

V相電流値を判定する状態 5 2 において V相電流が所定値より 小さい場合には、 V相が断線状態であると判定する。 一方、 V相電 流が所定値以上の場合には W相 流値を判定する状態 5 3へと状 態が遷移する。 1

W相電流値を判定する状態 5 3 において、 W相電流が所定値よ り 小さい場合には、 W相が断線状態であると判定する。 一方、 W相電 流が所定値以上の場合には、 判定開始の状態へと遷移する。

また、 第 7 図に、 断線検知における判定時間の最適値を説明した 図を示す。 本図よりわかるとおり 、 電流データのサンプリ ング時間 は、 少なく とも、 モータ駆動周波数の 1 Z 2以上であることが望ま しい。

このよう に、 所定時間分の U相， V相， W相の電流デ一夕をサン プリ ングして、 各相の電流状態を判定する ことにより、 モータケ一 ブルの断線状態の検知方法、 及び、 その検知方法を実行する交流モ —夕制御装置を実現する こ とができる。

以上、 本発明の実施例について詳細に説明したが、 本発明は上記実施 例に限定されるものではなく、 その技術思想の範囲内で種々の変形が可 能である。 例えば、 相間短絡検知方法や断線検知方法において、 U相， V相， W相の各相の電流値の判定順序を変更することや、 電流の振幅値 の代わりに電流の位相を異常判定として用いることは、 当然に本発明の 範囲内にあるものである。

Claims

2 請 求 の 範 囲

1 . 交流モータと、

モータケーブルを介してモ—夕電流により前記交流モータを駆動する ィンバー夕と、

前記交流モータに接続された前記モータケーブルに流れる前記モー夕 電流を検出するモー夕電流検出器と、

前記モー夕電流検出器により検出された前記モータ電流に基づき、 前 記モー夕ケーブルの異常であることを検知する演算処理装置とを有する ことを特徴とする交流モー夕制御装置。

2 . 請求項 1記載の交流モー夕制御装置において、

前記モー夕ケーブルの前記異常は、 相間短絡状態であり、

前記異常であることは、 前記モー夕電流の振幅値の大きさに基づいて 判定し、

前記演算処理装置は、 前記異常であることを前記交流モータの駆動中 に検知することを特徴とする交流モー夕制御装置。

3 . 請求項 2記載の交流モータ制御装置において、

前記交流モータは、 3相の電流により制御されるものであり、 前記モー夕電流検出器は、 前記 3相の電流のうちいずれか 2相の電流 を用いて該 2相の電流を略同時にサンプリングすることにより前記相間 短絡状態であるか否かの判定を行う ことを特徴とする交流モータ制御装 置。

4 . 請求項 2記載の交流モータ制御装置において、

前記交流モータ制御装置は、 前記相間短絡状態である相を特定するこ とを特徴とする交流モー夕制御装置。

5 . 請求項 3記載の交流モータ制御装置において、 略同時にサンプリングした前記 2相の電流が、 あらかじめ設定した所 定値を超える状態を所定時間継続した場合に、 前記 2相の前記モータケ 一ブルが相間短絡状態であると判定することを特徴とする交流モー夕制 御装置。

6 . 請求項 5記載の交流モー夕制御装置において、

前記 3相は、 U相， V相， W相であり、

前記相間短絡状態であるか否かの判定は、 U— V相間， V— W相間， W— U相間の全てにおいて実施されることを特徴とする交流モータ制御 装置。

7 . 請求項 2記載の交流モータ制御装置において、

前記交流モー夕制御装置は、 前記モータ電流検出器で検出した前記モ 一夕電流と制御内部電流指令値とを比較することにより前記相間短絡状 態を検知することを特徴とする交流モー夕制御装置。

8 . 請求項 1記載の交流モー夕制御装置において、

前記交流モータ制御装置は、 前記モータケ一ブルの断線または未接続 を検知し、

前記演算処理装置は、 前記異常状態であることを前記交流モータの駆 動中に検知することを特徴とする交流モー夕制御装置。

9 . 請求項 1記載の交流モータ制御装置において、

前記演算処理装置は、 前記交流モータを制御するものであることを特 徵とする交流モータ制御装置。

1 0 . 請求項 1記載の交流モータ制御装置において、

前記交流モー夕制御装置は、 前記モータケーブルの異常を検知する前 記演算処理装置とは別の第 2演算処理装置を有し、

前記第 2演算処理装置は、 前記交流モータを制御するものであること 4

を特徴とする交流モータ制御装置。

1 1 . 複数のモー夕電流で駆動される交流モータと、

複数のモー夕ケーブルを介して前記複数のモー夕電流により前記交流 モータを駆動するィンバ一夕と、

前記交流モータに接続された前記複数のモータケーブルにそれぞれ流 れる前記複数のモータ電流を検出するモータ電流検出器と、

前記モータ電流検出器により検出された前記複数のモータ電流を保存 する記憶手段と、

前記記憶手段に記憶された前記モータ電流とあらかじめ決定された所 定値とを比較し、 前記複数のモ一夕電流値のうち少なく とも 2つのモー 夕電流値が該所定値より大きい場合に、 異常状態であると判定する演算 処理装置とを有することを特徴とする交流モータ制御装置。

1 2 . 請求項 1 1記載の交流モータ制御装置において、

前記複数のモータ電流は、 U相電流， V相電流、 及び、 W相電流であ り、

前記異常状態は、 前記モータケ一ブルの相間短絡状態であり、 前記演算処理装置は、 前記異常状態であることを前記交流モータの駆 動中に検知することを特徴とする交流モータ制御装置。

1 3 . 請求項 1 2記載の交流モー夕制御装置において、

前記交流モータ制御装置は、 ソフ トウエアを用いて前記異常状態であ ることを検知することを特徴とする交流モータ制御装置。

1 4 . 複数のモータ電流で駆動される交流モータと、

複数のモータケーブルを介して前記複数のモー夕電流により前記交流 モ一夕を駆動するィンバ一夕と、

前記交流モータに接続された前記複数のモータケーブルにそれぞれ流 れる前記複数のモータ電流を検出するモ一夕電流検出器と、 前記モータ電流検出器により検出された前記複数のモータ電流を保存 する記憶手段と、

前記記憶手段に記憶された前記モータ電流とあらかじめ決定された所 定値とを比較し、 前記複数のモ一夕電流値のうち少なく とも 1つのモー タ電流値が該所定値より小さい場合に、 異常状態であると判定する演算 処理装置とを有することを特徴とする交流モータ制御装置。

1 5 . 請求項 1 4記載の交流モータ制御装置において、

前記複数のモー夕電流は、 U相電流， V相電流、 及び、 W相電流であ り、

前記異常状態は、 前記モ一夕ケーブルの断線状態であり、

前記演算処理装置は、 前記異常状態であることを前記交流モータの駆 動中に検知することを特徴とする交流モータ制御装置。

1 6 . 請求項 1 5記載の交流モ一夕制御装置において、

前記交流モータ制御装置は、 ソフ トウエアを用いて前記異常状態であ ることを検知することを特徴とする交流モ一夕制御装置。