JP2007209105A - 電気自動車運転駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車の運転にインバータ駆動のブラシレス電動機を用いる運転駆動装置において、本来なら二重化すべき回転角位置検出部のコストを低減しかつ回転角位置検出の際の故障判定を正しく行い得るようにする。
【解決手段】回転角位置検出部を用いたブラシレス電動機の実回転角位置信号と、故障時に備えるいわゆるセンサレス制御手段からの推定回転角位置信号とを照合するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトリック・ビークル（ＥＶ）やハイブリッド・ビークル（ＨＶ）などと一般に称される電気自動車において、インバータで制御されるブラシレス電動機を駆動するようにしている電気自動車運転駆動装置に関する。

電動機を駆動制御するに当たって、インバータを介して当該電動機を駆動することが行われている。そして、例えば列車の運転に当たって、列車の運転状況に対応すべく、インバータからの出力電圧や出力周波数を可変に制御することが行われている。

この種の制御に当たっては、電動機の速度を検出する速度センサが設けられ、当該速度センサからの検出信号に対応する有速度センサ制御手段がインバータを制御する制御信号を発し、インバータが制御される。そして、速度センサからの検出信号が欠落して速度信号が得られないような場合に、故障検知部からの指示により、いわゆるセンサレス制御手段からの制御信号によってインバータが制御されるように切り換えられる。

なお、当該センサレス制御手段は、前記の速度センサを用いないで、速度センサによる計測値以外の計測値やパラメータから速度を推定し、当該推定速度にもとづいて、前記の制御信号を出力するようにされている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている如き制御システムを、前記の電気自動車に適用するに当たって、当該電気自動車の例えば後輪に対応してインバータ制御の電動機を設けることが考慮される。そして、電気自動車において用いられる電動機として、磁石埋め込み型ブラシレス電動機を用いることが考慮されている。
特開２００３−２６４９０１号公報

前記ブラシレス電動機を用いる場合に、インバータは、当該ブラシレス電動機特に磁石埋め込み型ブラシレス電動機においては、同期機であることから、回転角位置に対応した形で電力供給を行うことが必要であり、当該ブラシレス電動機の回転角位置を検出する回転角位置検出センサを設けることが必要となる。

なお、前記特許文献１に開示される構成に対応する形で、車速などから電動機の回転速度を抽出して、前記回転角位置を得ることも考慮されるが、電気自動車の場合には、電動機と車輪とが所定のギア比によって運用されることから、ミッション等でギア比が変化することがあり、またオートマチック車の場合にはギア比が連続的に変化することもあって、電気自動車の場合には、車速から電動機の回転速度を得るには、ギア比を考慮した形で車速と電動機の回転速度とを対応づける演算ブロックが必要になってしまう。また電気自動車の運転中に電動機が停止していることがあることもあって、車速から電動機の回転速度を得て回転角位置を検出する手法の下では、得られている回転角位置信号からは、当該手法の下で回転角位置を得る構成において故障が生じているか否かを判定することが困難である。このために、前記特許文献１に示される構成に対応する形で、正常な運転制御状態からセンサレス制御の状態に切り換えることが困難である。

したがって、前述のように、電動機の回転角位置を検出する回転角位置センサを備えることが必要となるが、当該回転角位置センサに故障が生じる可能性もあり、当該回転角位置センサを各電動機毎に二重化することが必要となってくる。

電気自動車の後輪に対応して、少なくとも２個の電動機が存在することから、夫々の電動機に対応して存在する回転角位置センサの一方からの出力を、故障した他方の回転角位置センサの代わりに用いることも考えられるが、それはできない。その理由は、車輪とのギア比が一定のインホイール・モータなどの場合（勿論、インホイール・モータでない場合も）でも、内外輪差が生じることや、電動機毎に回転角位置が違うことのためである。

前述のインバータ制御のブラシレス電動機の制御に当たって必要とする回転角位置センサとしては、回転子が１周する回転中における複数の角位置をセンスする必要があり、例えば周知のレゾルバの如き構成を必要とする。このため、二重化しようとすると、回転角位置センサが例えば４台必要となり、コストが嵩んでしまう。

本発明は、特許文献１に対応する形の構成においては、センサレス制御手段を用いて、レゾルバなどの回転角位置センサが故障中にも、センサレス制御の態様に入ってインバータに対して必要とする制御信号を供給する構成が採用されている点を考慮して、コスト増を削減することを目的としている。即ち、回転角位置センサが故障中においても電動機の運転が続行され、車両故障に至らないことを特徴とし、センサレス制御の際に、電動機の回転角位置情報を演算などで推定している点を利用するようにしている。

図１は本発明の概念構成を説明する図である。

図中の符号１はブラシレス電動機、２はインバータ、３はバッテリー、４はコンバータ、５はインバータ制御部、６は切換手段、７は回転角位置検出部を表している。

バッテリー３からの電源電圧はコンバータ４によって所望の直流電圧に変換され、当該直流電圧が、インバータ２によって、所望の出力電圧でかつ所望の出力周波数の交番電圧に変換されて、ブラシレス電動機１が駆動される。

ブラシレス電動機１としては、磁石埋め込み型ブラシレス電動機が用いられる。当該磁石埋め込み型ブラシレス電動機は、周知の如く同期機となるため、当該ブラシレス電動機は回転角位置に対応した形で電力供給されることが必要となる。このために、インバータ２は、前述の所望の出力電圧と所望の出力周波数とを可変に制御すると共に、ブラシレス電動機の回転角位置に対応した電力供給を行うように制御される必要がある。図示のインバータ制御部５は、簡単のために、回転角位置に対応した制御信号が供給されているだけの形で示し、当該回転角位置に対応した電力供給をも行っているものとして描かれている。

回転角位置をセンスするために、周知のレゾルバの如き回転角位置検出部７が設けられ、電動機の一回転の間における複数の回転角位置に対応した信号を発生しており、当該複数の回転角位置に対応した「実回転角位置対応制御信号」が得られている。

一方、前述の特許文献１に対応した形の構成として、「推定回転角位置対応制御信号」を得ており、前述の「実回転角位置対応制御信号」を得ることができなくなった場合に、当該「推定回転角位置対応制御信号」をインバータ制御部５に供給し、電気自動車の運転を継続するようにされている。切換手段６は、両者の信号を選択的に切り換える。

前述の「推定回転角位置対応制御信号」を得るに当たっては、いわばワン・パックの構造にまとめられた「推定回転角位置対応制御信号発生手段（図２で後述する）」が用意されていて、当該「推定回転角位置対応制御信号発生手段」の内部構成の１つとして、「推定回転角位置検出のための手段」が組み込まれている。

本発明においては、当該「推定回転角位置検出のための手段」で得られた「推定回転角位置の信号」を利用するようにする。即ち、前述の如く、本来ならば、レゾルバの如き回転角位置検出部７を二重化すべき所を、前述の「推定回転角位置の信号」を利用するようにして、レゾルバの如き回転角位置検出部７を１個で足りるようにしている。

そして、図示の切換手段６における切り換えに当たっての故障検出の際に、図示の回転角位置検出部７から得られた「実回転角位置」と前述の「推定回転角位置」とを対比して、両者の回転角位置に所定以上の差異が生じた場合に、その旨を、後述する故障判定手段に通知し、故障時に、切換手段６を切り換えるようにしている。

なお、前述の「推定回転角位置」を得るに当たっては、例えば、
（Ａ）図１に示すインバータ２が、ブラシレス電動機１の駆動電流中に、回転角位置の推定を行わせるための高周波（所定の周波数の）信号を重畳させるように制御しておき、出力電流中の当該高周波信号を抽出し、当該抽出結果から、重畳させるために制御したタイミングと当該抽出結果のタイミングとを分析して、回転角位置を推定する方法、
（Ｂ）図１に示すインバータ２の出力側の電圧を検出して、ブラシレス電動機１の内部誘起電圧から当該ブラシレス電動機１自体の回転速度を演算し、当該演算結果の回転速度を積分して回転角位置を演算して推定する方法、
が一般に採用される。なお、推定されて得られた「推定回転角位置信号」は、ブラシレス電動機の１周の回転中の複数の回転角位置を識別できるものであることは言うまでもない。

本発明の場合には、「推定回転角位置対応制御信号」を得るに当たって、推定回転角位置対応制御信号発生手段に内蔵されている手段を利用するようにしており、レゾルバの如く実際の回転角位置を検出する回転角位置検出部７は、１個で足りることになる。また、回転角位置検出部７などの故障を判定するに当たって、２種類の回転角位置信号の値を対比して調べることが出来る。

図２は本発明の要部を表す一実施例構成を示す。

図中の符号１，２，５，６，７は図１に対応し、８は実回転角位置対応制御信号発生手段（「位置センサ情報処理部」が対応する）、９は推定回転角位置対応制御信号発生手段（「センサレス位置推定部」が対応する）、１０は推定回転角位置検出手段、１１は回転角位置対比手段（「位置比較部」が対応する）、１２は故障判定手段（「故障判断ブロック」が対応する）、１３は簡易型検出部を表す。また符号１００は本発明にいう制御装置に対応している。

図１を参照して説明した如く、インバータ２は図１に示されるバッテリー３やコンバータ４を介して、電力が供給される。そして、当該インバータ２からの出力電圧や出力周波数が、電気自動車の運転状況に対応して可変に制御され、かつ、図１を参照して説明した如く、インバータ２は、ブラシレス電動機１の回転角位置に対応するように電力供給を行うようにされる。図示のインバータ制御部５は、これらのための制御を行わせしめるように、インバータ２に対して制御信号を供給している。図２においては、ブラシレス電動機１の回転角位置に対応する制御信号が切換手段６を介して供給され、また電気自動車の運転状況に対する制御を行わせるための信号群（図示の「インバータ制御のための信号群」）が供給されている。当該信号群に対する処理は図示しないデータ処理装置（ＣＰＵ）が担当することもある。

ブラシレス電動機１は、ブラシの存在する電動機の場合においてブラシを介しての電力供給において回転角位置に対応する電力供給が行われているのとは異なり、回転角位置を検出して、当該回転角位置に対応するように電力供給を行う必要があり、周知のレゾルバの如く、１周の回転中での複数の回転角位置を夫々識別して検出できる回転角位置検出部７を必要とする。

図示の回転角位置検出部７は、位置センサ信号を受けて、ブラシレス電動機が実際に回転している間の、複数の回転角位置の信号を検出して実回転角位置対応制御信号発生手段８に送る。実回転角位置対応制御信号発生手段８は、当該供給された信号にもとづいて、複数の回転角位置を識別して個々の回転角位置を識別した形での「実回転角位置対応制御信号」（本発明にいう「第１の制御信号」に該当する）を出力する。図示の回転角位置検出部７からの信号が、ブラシレス電動機１の実際の回転角位置を正しく代表している場合でかつ図示の故障判定手段１２が「非故障状態」を判定している場合には、切換手段６は、前述の第１の制御信号をインバータ制御部５に導いて、電気自動車に対する運転が行われている。

一方、前述の第１の制御信号が正しく得られない場合に備えて、本発明の場合には、前述の特許文献１に対応した形の構成として、推定回転角位置対応制御信号発生手段９が設けられている。

当該推定回転角位置対応制御信号発生手段９は、図示の実回転角位置対応制御信号発生手段８と対になるものであり、ブラシレス電動機の回転子に機械的に結合されて実際の回転角位置を検出するレゾルバの如き回転角位置検出部（図示検出部７に対応するもの）を持ってはいないが、（ｉ）ブラシレス電動機１が回転している間における内部誘起電圧を検出して、当該内部誘起電圧の振幅を分析して回転角位置を推定したり、（ii）ブラシレス電動機１に流れる電流成分の中に高周波信号が重畳されるようにしておいて、当該高周波信号を抽出して回転角位置を推定したりしている。図示の推定回転角位置検出手段１０は当該機能の存在を示したものであり、推定回転角位置対応制御信号発生手段９が、内蔵手段の機能として当該推定した回転角位置信号にもとづいて「推定回転角位置対応制御信号」を発生している。当該「推定回転角位置対応制御信号」（本発明にいう「第２の制御信号」に該当する）を出力する。

言うまでもなく、推定回転角位置検出手段１０は、一回転中の複数の回転角位置を識別して供給する機能をもつものとして図示している。

電気自動車の運転中に、前述した如く、故障判定手段１２が故障を判定した場合には、推定回転角位置対応制御信号発生手段９からの第２の制御信号が、前述の第１の制御信号に代わって、インバータ制御部５に導かれる。当該第２の制御信号が供給される状況の下では、第１の制御信号が供給されている正常状態の下での運転にくらべて、電気自動車の最大パフォーマンスを充分に発揮できない可能性も考えられるが、通常の運転に支障のない程度の高速度での運転は可能である。

このようにして、本発明においては、１台の電動機につきレゾルバの如き回転角位置検出部７を二重化する必要がなくなり、コスト減に大きく貢献する。

更に、本発明においては、電気自動車の運転中に、回転角位置検出部７からの信号の値あるいは前述の第１の制御信号の値と、推定回転角位置検出手段１０からの信号の値あるいは前述の第２の制御信号の値とを対比するようにする。図示の回転角位置対比手段１１は適宜当該対比を行う。そして両者の値が所定の閾値を超えた場合に、回転角位置対比手段１１は、閾値を超えた旨を故障判定手段１２に通知する。故障判定手段１２は、当該通知を受けた信号および／または図示の「電動機運転状況」や「センサ故障」などの指示信号にもとづいて、第２の制御信号を取り入れるべきと判定した場合に、切換手段６を切り換える。

このように回転角位置対比手段１１を設けることができ、あたかもレゾルバの如き回転角位置検出部が二重化されていて、両者のセンス結果の照合を行っている場合と同様に、センス結果の照合が可能となる。

図３は回転角位置対比手段における対比の際のフローチャートを示す。
（Ｓ１）：「センサレス位置」即ち図２における推定回転角位置対応制御信号発生手段９ の側の回転角位置の値と、「現在のセンサ位置」即ち図２における実回転角位置 対応制御信号発生手段８の側の回転角位置との差分を演算する。
（Ｓ２）：差分値が設定許容値（閾値）以下か否かをチェックする。
（Ｓ３）：設定許容値以下である場合には、実回転角位置対応制御信号発生手段８の側が 正常であることを、故障判定手段１２に通知する。
（Ｓ４）：設定許容値を超えている場合には、比較結果がＮＯＴ ＧＯＯＤである旨を通 知する。

〔変形例〕
前述の説明においては、回転角位置対比手段１１は、前述の２つの信号の値を対比しているものとして説明した。当該前述の構成を補足する構成として、本発明において、ブラシレス電動機１の回転自体を検出する簡易型検出部１３を追加して設置することができる。当該簡易型検出部１３としては、例えば回転子の回転に対応して生じるホール効果素子で検出する手段の如き回転判別検出手段であれば足りる。ただ、この種の回転判別検出手段においても、１周の回転の間の基準点が把握可能であり、当該基準点を検出してゆくようにされる。

図４は回転判別検出手段を用いて回転角位置検出部からの信号との照合を行う対比の際のフローチャートを示す。
（Ｓ５）：回転判別検出手段（図中の「簡易センサ」が該当する）からの信号が存在する か否かをチェックする。Ｎｏであれば待機状態に入る。
（Ｓ６）：簡易センサの設定（設置）位置（前述の「基準点」の検出タイミングに該当す る）と、回転角位置検出部７からのセンサ位置信号のタイミングとの差分を演算 する。
（Ｓ７）：当該差分値が設定許容値（閾値）以下か否かをチェックする。
（Ｓ８）：許容値以下である場合には、実回転角位置対応制御信号発生手段８の側が正常 にあることを、故障判定手段１２に通知する。
（Ｓ９）：設定許容値を超えている場合には、比較結果がＮＯＴ ＧＯＯＤである旨を通 知する。

図２に示す故障判定手段１２においては、図示の如く「電動機運転状況」や「センサ故障」などの指示信号を利用することもあるが、前述の図３に示す（Ｓ４）「センサレスとの比較ＮＯＴ ＧＯＯＤ」が通知された場合に、図４に示す（Ｓ９）「簡易センサとの比較ＮＯＴ ＧＯＯＤ」が併せて通知されるか否かをチェックし、少なくとも両者においてＮＯＴ ＧＯＯＤであった場合には、前述の実回転角位置対応制御信号発生手段８の側が障害状況にあることを決める。そして、故障判定手段１２は、図２に示す切換手段６を切り換えて、前述の第２の制御信号の側をインバータ制御部５に導くようにする。

前述の如く、回転判別検出手段（図２に示す簡易型検出部１３に相当する）を付加する構成は、故障判断に当たって、いわば多数決手法を導入しているものとなる。

〔磁石埋め込み型ブラシレス電動機について〕
本明細書において磁石埋め込み型ブラシレス電動機と記述している電動機は、一般に、ＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)として知られているものである。回転子の表面に永久磁石を配置した表面磁石構造の同期電動機（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）に対比されるもので、回転子の表面に永久磁石が現れていないように、回転子の内部に永久磁石を埋め込んでいるものの総称である。

この種の磁石埋め込み型ブラシレス電動機ＩＰＭＳＭにおいては、同期機であるためブラシレス電動機の回転角位置に対応した制御が必要となる。

このために、従来から、この種のブラシレス電動機をインバータを介して駆動するに際しては、回転中の当該電動機の回転角位置を組み込んだ電流制御を行うようにされている。

本発明は、当該磁石埋め込み型のブラシレス電動機を用いることで限定されるものではないが、回転角位置を検出する手段を持つ必要のある電動機制御システムを電気自動車の運転に適用しようとする場合に、本発明においては、周知のレゾルバの如き回転角位置検出部を二重化する際のコスト増を削減するようにしている。

即ち、前述の特許文献１に開示される如き、いわゆるセンサレス制御を導入し、センサレス制御の段階においての、電気自動車の実用上の運転には支障がなく、当該センサレス制御の内部構成において、電動機の回転角位置を推定可能になっている点を利用して、コスト増を削減するようにしている。

そして、更に、本発明においては、回転角位置の検出における故障判定に照合チェックの態勢を可能にしている。

以上説明した如く、本発明においては、電気自動車に対して、特許文献１に開示されるように、いわゆるセンサレス制御に切り換える構成を採用した上で、電動機の回転角位置検出のためのセンサに要するコストを削減することができる。

本発明の概念構成を説明する図である。 本発明の要部を表す一実施例構成を示す。 回転角位置対比手段における対比の際のフローチャートを示す。 回転判別手段を用いて回転角位置検出部からの信号との照合を行う対比の際のフローチャートを示す。

符号の説明

１：ブラシレス電動機
２：インバータ
３：バッテリー
４：コンバータ
５：インバータ制御部
６：切換手段
７：回転角位置検出部
８：実回転角位置対応制御信号発生手段
９：推定回転角位置対応制御信号発生手段
１０：推定回転角位置検出手段
１１：回転角位置対比手段
１２：故障判定手段
１００：制御装置

Claims (3)

1. 出力電圧と出力周波数とを可変に制御されるインバータを備えると共に、当該インバータによって駆動される電動機を備え、
   当該電動機の駆動状態を制御して運転制御される電気自動車の車輪に対応させて前記電動機が設けられ、
   前記インバータに対して、前記電気自動車の走行状態に対応づけて前記出力電圧と前記出力周波数とを制御すると共に、前記電動機の回転角位置に対応して当該電動機に対して当該回転角位置に対応づけられる電力供給を行うよう制御する制御装置を備えた電気自動車運転駆動装置において、
   前記制御装置が、少なくとも、
   前記電動機の実回転角位置を検出する回転角位置検出部と、
   当該回転角位置検出部からの信号にもとづいて、前記インバータに対して、該当する電動機の回転角位置に対応づけられる制御信号を発生する実回転角位置対応制御信号発生手段と、
   前記電気自動車の走行状態にもとづいて前記電動機の回転角位置を推定する推定回転角位置検出手段を有して、当該推定回転角位置検出手段からの信号にもとづいて、前記インバータに対して、該当する電動機の回転角位置に対応づけられる制御信号を発生する推定回転角位置対応制御信号発生手段と、
   を備え、
   当該制御装置が、前記回転角位置検出部の障害時に、前記実回転角位置対応制御信号発生手段からの制御信号に代えて前記推定回転角位置対応制御信号発生手段からの制御信号を、前記インバータに対して供給するよう構成されてなり、
   前記電動機として、磁石埋め込み型ブラシレス電動機が用いられると共に、
   前記回転角位置検出部の障害の判定が、前記推定回転角位置対応制御信号発生手段における推定回転角位置検出手段からの推定回転角位置と、前記回転角位置検出部からの実回転角位置とを対比する対比手段からの対比結果によって行われる
   ことを特徴とする電気自動車運転駆動装置。
2. 出力電圧と出力周波数とを可変に制御されるインバータを備えると共に、当該インバータによって駆動される電動機を備え、
   当該電動機の駆動状態を制御して回転駆動される車輪を有する電気自動車における当該車輪に対応させて前記電動機が設けられ、
   前記インバータに対して、前記電気自動車の走行状態に対応づけて前記出力電圧と前記出力周波数とを制御すると共に、前記電動機の回転角位置に対応して当該電動機に対して当該回転角位置に対応づけられる電力供給を行うよう制御する制御装置を備えた電気自動車運転駆動装置において、
   前記制御装置が、少なくとも、
   前記電動機の実回転角位置を検出する回転角位置検出部と、
   当該回転角位置検出部からの実回転角位置信号にもとづいて、前記インバータに対して、該当する電動機の回転角位置に対応づけられる第１の制御信号を発生する実回転角位置対応制御信号発生手段と、
   前記電気自動車の走行状態にもとづいて前記電動機の回転角位置を推定する推定回転角位置検出手段を有して、当該推定回転角位置検出手段からの推定回転角位置信号にもとづいて、前記インバータに対して、該当する電動機の回転角位置に対応づけられる第２の制御信号を発生する推定回転角位置対応制御信号発生手段と、
   前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とを選択的に切り換える切換手段と、
   前記回転角位置検出部の障害に対応して、前記第１の制御信号から前記第２の制御信号に切り換えさせる故障判定手段と、
   を備えると共に、
   前記電動機として、磁石埋め込み型ブラシレス電動機が用いられると共に、
   当該回転角位置検出部からの実回転角位置信号と、前記推定回転角位置検出手段からの推定回転角位置信号とを対比する回転角位置対比手段をもうけ、
   当該回転角位置対比手段による対比結果にもとづいて、前記故障判定手段が、障害発生を判定して、前記切換手段において、前記第１の制御信号から前記第２の制御信号に切り換えさせる
   ことを特徴とする電気自動車運転駆動装置。
3. 前記回転角位置検出部は、該当するブラシレス電動機の複数の回転角位置を識別できる構成をもつ複数回転角位置識別検出手段で構成され、
   前記回転角位置検出部の他に、更に、前記ブラシレス電動機の回転を判別する回転判別検出手段がもうけられ、
   前記回転角位置対比手段は、前記複数回転角位置識別検出部からの回転角位置信号と、前記回転判別検出手段からの回転検出信号と、前記推定回転角位置検出信号からの推定回転角位置信号との対比結果を、前記故障判定手段に通知する
   ことを特徴とする請求項２記載の電気自動車運転駆動装置。

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