JP2009207315A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相毎に電流センサを設けることなくモータの異常状態を正確、且つ、安価に検知する。
【解決手段】モータ実消費電力演算部１４がモータ３の実消費電力量Ｐｍｏｔを演算し、モータ推定消費電力演算部１３がモータ３の推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊を演算し、モータ異常診断部１５が実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊とを比較し、比較結果に基づいてモータ制御装置の異常状態を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両を駆動するモータの動作を制御するモータ制御装置に関する。

従来より、車両を駆動する３相モータのＵ相，Ｖ相，及びＷ相の相電流を相毎に設けられた電流センサにより検出し、検出された各相電流を目標電流値に近づけるようにフィードバック制御することにより、３相モータの動作を制御するモータ制御装置が知られている。このようなモータ制御装置では、相電流の和が原理上正常時にはゼロになることから、相電流の和をモニタすることにより、インバータの故障や電力供給ラインの断線等の３相モータの異常状態を検知するようにしている。ところがこのようなモータ制御装置では、電流センサを各相に配置しなければならないために、モータ制御装置を安価に構成することが難しい。このような背景から、電流センサと比較して安価な電圧センサを各相に配置してオープンループ制御することにより、電流センサの出力に頼らずに３相モータの異常状態を検知するモータ制御装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−５０８０３号公報

しかしながら、電圧センサを利用して３相モータの異常状態を検知するようにした場合、電圧センサが配置されている位置より下流側で断線が発生した時には断線状態を検知することができない。具体的には、インバータと３相モータとを電気的に接続する電力供給ラインが断線した時、断線位置よりインバータに近い側に電圧センサが配置されている場合には、電圧センサにより検出される電圧値は正常時と変わらないために、電力供給ラインの断線状態を検知することはできない。さらに電圧センサを利用して３相モータの異常状態を検知するようにした場合には、ＣＰＵ等の制御装置側に電圧センサの数分だけ電圧センサからのアナログ出力をデジタル変換するためのＡ／Ｄ入力ポートを設けなければならないために、モータ制御装置をより安価に構成することが難しい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、各相に電流センサを設けることなくモータの異常状態を確実、且つ、安価に検知可能なモータ制御装置を提供することにある。

本発明に係るモータ制御装置は、モータの実消費電力量を検出する検出手段と、モータの消費電力量を推定する推定手段と、検出手段により検出された実消費電力量と推定手段により推定された消費電力量を比較し、比較結果に基づいてモータの異常状態を検知する検知手段とを備える。

本発明に係るモータ制御装置によれば、各相に電流センサを設けることなくモータの異常状態を確実、且つ、安価に検知することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となるモータ制御装置の構成とその異常状態検知方法について説明する。なお本実施形態は本発明をブラシレス３相ＤＣモータの制御装置に適用したものであるが、本発明はこれに限定されることはなく一般的なブラシ付きＤＣモータや他の多相モータにも適用できる。

〔モータ制御装置の構成〕
本発明の一実施形態となるモータ制御装置は、図１に示すように、電源装置１からの供給電圧をインバータ２を介して３相モータ（以下、モータと略記）３に供給することによりモータ３の動作を制御するものであり、電流センサ４と、電圧センサ５と、回転数センサ６と、モータコントローラ７とを主な構成要素として備える。電源装置１は、オルタネータやバッテリにより構成され、電力供給ライン８を介してインバータ２に直流電力を供給する。インバータ２は、モータコントローラ７からのインバータ制御信号に従って３相電力供給ライン９を介してモータ３の各相に３相交流電力を供給する。モータ３は、インバータ２から供給される３相交流電力により駆動され、図示しない差動装置とタイヤを介して路面にトルクを伝達することにより車両を走行させる。

電流センサ４は、電源装置１とインバータ２を結ぶ電力供給ライン８に配置され、電源装置１からインバータ２に出力される直流電流Ｉｄｃを検出する。電圧センサ５は、電力供給ライン８に配置され、電源装置１からインバータ２に出力される直流電圧Ｖｄｃを検出する。なお詳しくは後述するが、電流センサ４と電圧センサ５は実際にモータ３に供給される電力（モータ３の実際の消費電力）を演算するために配置されている。従って電源装置１とインバータ２との間に電気的負荷やバッテリ等のモータ３に実際に供給される電力を変化させる要因となる機器が接続されている場合には、この機器が消費又は供給する電力に影響されずにモータ３に実際に供給される電力を正確に演算するために、電流センサ４と電圧センサ５は上述した機器とインバータ２との間、換言すればインバータ２の入力電流と入力電圧のみを検出できる位置に設ける必要がある。

回転数センサ６は、モータ３に配置され、モータ３の回転数Ｎｍを検出する。なおモータ３の回転数Ｎｍは、回転数センサを用いる方法ではなく、モータ３の３相の誘起電圧から算出する等、その他の方法により検出してもよい。モータコントローラ７は、マイクロプロセッサ等の公知の演算処理装置により構成され、内部のＣＰＵがコンピュータプログラムを実行することにより、目標駆動トルク生成部１１，インバータ制御信号生成部１２，モータ推定消費電力演算部１３，モータ実消費電力演算部１４，及びモータ異常診断部１５として機能する。

目標駆動トルク生成部１１は、車両のアクセルペダル開度や車輪速等からモータ３の目標駆動トルクＴｍ＊を演算する。インバータ制御信号１２は、目標駆動トルク生成部１１により演算された目標駆動トルクＴｍ＊をモータ３に出力させるようにインバータ制御信号を生成してインバータ２の動作を制御する。目標駆動トルク生成部１１及びインバータ制御信号生成部１２以外の各部の機能については後述する。モータコントローラ７は、電流センサ４，電圧センサ５，及び回転数センサ６の検出結果に基づいて、モータ３の動作を制御すると共にモータ制御装置の異常状態を検知する。

〔異常状態検知処理〕
本発明の一実施形態となるモータ制御装置は、以下に示す異常状態検知処理を実行することにより、３相電力供給ライン９の断線，モータ３内部のコイルの断線，インバータ２の故障，短絡等の異常状態を検知する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この異常状態検知処理を実行する際のモータ制御装置の動作の流れについて説明する。

図２に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオフ状態からオン状態に切り換えられたタイミングで開始となり、異常状態検知処理はステップＳ１の処理に進む。なおこの異常状態検知処理は所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。所定周期毎とは、モータ制御中又はモータ回転角度等によるものとする。

ステップＳ１の処理では、モータ実消費電力演算部１４が、電流センサ４と電圧センサ５を介して電源装置１からインバータ２に出力される直流電流Ｉｄｃと直流電圧Ｖｄｃを検出し、モータ推定消費電力演算部１３が、回転数センサ６を介してモータ３の回転数Ｎｍを検出する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、異常状態検知処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、モータ実消費電力演算部１４が、ステップＳ１の処理により検出された直流電流Ｉｄｃと直流電圧Ｖｄｃを乗算することによりモータ３の実消費電力量Ｐｍｏｔを演算する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、異常状態検知処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、モータ推定消費電力演算部１３が、ステップＳ１の処理により検出されたモータ３の回転数Ｎｍと、目標駆動トルク生成部１１により生成される目標駆動トルクＴｍ＊を用いてモータ３の消費電力量を推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊として演算する。より具体的には、モータ３のマッチング時に、試験により複数の異なる目標駆動トルクＴｍ＊毎のモータ３の消費電力量Ｐｍｏｔ及び回転数Ｎｍを測定し、測定結果に基づいてモータ３の目標駆動トルクＴｍ＊及び回転数Ｎｍと測定された実消費電力Ｐｍｏｔとの対応関係を示す図３に示すようなマップを作成し、作成したマップを演算処理装置内部のＲＯＭ等の記憶部に格納しておく。

そしてモータ推定消費電力演算部１３は、モータ３の回転数Ｎｍと目標駆動トルクＴｍ＊に対応する消費電力量を推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊としてマップから読み出す。なお、モータ３の駆動方式の違い等の原因によってモータ３の目標駆動トルクＴｍ＊及び回転数Ｎｍと消費電力量Ｐｍｏｔとの対応関係を１枚のマップで表すことができない場合、１枚のマップを基準として消費電力量Ｐｍｏｔを補正して推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊を算出する補正処理を行う、又は複数のマップを用意する（例えばモータ駆動方式として正弦波方式と矩形波方式を併用している場合には各方式毎にマップを用意する）ことにより、推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊を演算することが望ましい。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、異常状態検知処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、モータ異常診断部１５が、モータ制御装置が異常状態にあるか否かを判定するための異常判定閾値αを算出する。この異常判定閾値αは、モータ３のマッチング時に測定されたモータの実消費電力量Ｐｍｏｔのデータのばらつきの程度、及びモータ駆動時のインバータ２やモータ３の温度変化に伴う動特性の変化を考慮して設定する。異常判定閾値αは、定数であってもよいし、マップやテーブル（例えば目標駆動トルクＴｍ＊及び温度Ｔと異常判定閾値αとの対応関係を示すもの）から読み出される値であってもよい。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、異常状態検知処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、モータ異常診断部１５が、ステップＳ２の処理により演算された実消費電力量ＰｍｏｔとステップＳ３の処理により推定された推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差分値の絶対値を演算し、演算値がステップＳ４の処理により算出された異常判定閾値α以上であるか否かを判別する。判別の結果、演算値が異常判定閾値α未満である場合、モータ異常診断部１５は、ステップＳ６の処理としてモータ制御装置は正常な状態にあると判定し、一連の異常状態検知処理を終了する。一方、演算値が異常判定閾値α以上である場合には、モータ異常診断部１５は、異常状態検知処理をステップＳ７の処理に進める。

ステップＳ７の処理では、モータ異常診断部１５が、モータ制御装置が異常状態にあると判定する。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、異常状態検知処理はステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ８の処理では、インバータ制御信号生成部１２が、モータ３が目標駆動トルクＴｍｏｘ＊を正常に出力できる状態にないと判断し、モータ３の駆動を停止することにより異常に伴い振動が発生することや異常状態が進行することを抑制する。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、一連の異常状態検知処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態となるモータ制御装置では、モータ実消費電力演算部１４がモータ３の実消費電力量Ｐｍｏｔを演算し、モータ推定消費電力演算部１３がモータ３の推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊を演算し、モータ異常診断部１５が実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊とを比較し、比較結果に基づいてモータ制御装置の異常状態を判定するので、各相に電流センサを設けることなくモータ３の異常状態を確実、且つ、安価に検知することができる。

また電流センサを利用して相電流を検出することによりモータの異常状態を検知する場合、相電流がモータの回転数に合わせて非常に高速な正弦波電流になっているので、高性能な（Ａ／Ｄ変換速度が速い）演算処理装置を使用しないと相電流を読み取ることができない。またモータが高速回転している場合には、相電流の読み込みタイミングがずれることにより、異常状態を正確に診断できなくなる。このため電流センサを利用して相電流を検出することによりモータの異常状態を検知する場合、モータの回転数Ｎｍを一定値以下にしなければならず、モータの全ての回転数領域、換言すればモータを駆動する車両の全ての走行領域で異常状態を検知することができない。

これに対し本発明の一実施形態となるモータ制御装置では、上述のように、正常時には相電流程の高速な変化が見られない直流電流と直流電圧をモニタすることにより異常状態を検知するので、車両がどのような状態であっても、換言すれば、モータが加速状態や高速回転状態であっても異常状態を検知することができる。より具体的には、本発明の一実施形態となるモータ制御装置によれば、図３に示すマップ上の全てのエリアでモータの異常状態を検知することができる。

本発明の一実施形態となるモータ制御装置が検知可能な異常状態としては、３本の３相電力供給ライン９のうち、１本が断線している場合，３本の３相電力供給ライン９のうち、２本が断線している場合，３本の３相電力供給ライン９の全てが断線している場合，モータ３内部のコイルが断線している場合，インバータ２が故障している場合，及び短絡が発生している場合等がある。

一般に、３本の３相電力供給ライン９のうち、１本が断線している場合、モータ３は残りの２本の３相電力供給ライン９により駆動できるため、モータ３の回転数Ｎｍだけでは異常状態を検知することができない。しかしながらこの場合、図４に示すように、３相で駆動した場合と比較して直流電流Ｉｄｃが目標電流値からずれ、実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差が大きくなる（図４に示す領域Ａ内）ので、本発明の一実施形態となるモータ制御装置によれば異常状態を検知することができる。

３本の３相電力供給ライン９のうち、２本が断線している場合、残りの１相の３相電力供給ライン９だけではモータを駆動できず、直流電流Ｉｄｃが流れないので、実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差が大きくなり、異常状態を検知することができる。また３本の３相電力供給ライン９の全てが断線している場合、各相がオープンになり全く電流を流すことができず、直流電流Ｉｄｃが流れないので、実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差が大きくなり、異常状態を検知することができる。

モータ３内部のコイルが断線している場合、３相電力供給ライン９の断線時と同様に実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差が大きくなるので、異常状態を検知することができる。またインバータ２が故障している場合、インバータ２の出力電圧波形が正常時と異なるようになるので、３相で駆動した場合と比較して直流電流Ｉｄｃが目標電流値からずれ、実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差が大きくなるので、本発明の一実施形態となるモータ制御装置によれば異常状態を検知することができる。また短絡が発生している場合には、モータ３を介さずに直流電流Ｉｄｃが流れ、一度に大電流が流れる、若しくは不安定になるので、実消費電力量Ｐｍｏｔと推定消費電力量Ｐｍｏｔ＊の差が大きくなり、異常状態を検知することができる。

〔車両の構成〕
上記実施形態の車両駆動装置は例えば図６に示すようなハイブリッド車両に適用することができる。本ハイブリッド車両では、図６に示すように、内燃機関のエンジン２１で前後輪の一方の主駆動輪２２が回転駆動され、モータ２３によって前後輪の後方の従駆動輪２４が選択的に回転駆動される。すなわち、エンジン２１で得られた動力はエンジン側クラッチ２５，変速機２６，及びデファレンシャルギア２７を介して主駆動輪２２の車軸に伝達され、車輪に取り付けられた主駆動輪２２が回転駆動される。一方、モータ２３で得られた回転駆動力は回転数センサ２８，吸収部材２９，モータ側クラッチ３０，及びデファレンシャルギア３１を介して従駆動輪２４側の車軸に選択的に伝達され、車軸に取り付けられた従駆動輪２４が選択的に回転駆動される。従って、モータ側クラッチ３０が締結状態にあっては車両は四輪駆動される一方、モータ側クラッチ３０が非締結状態にあっては車両は二輪駆動される。

回転数センサ２８は、モータ２３の回転数を計測し、計測した回転数を後述するモータコントロールユニット３３と車両コントロールユニット３５に与え、モータ３３の回転速度（ωｍ）を算出する際に用いられる。吸収部材２９は、例えばスプリング等から構成され、モータ側クラッチ３０の締結時に締結衝撃を緩和する。

エンジン２１には、ベルト等を介して発電機３２が連結されている。この発電機３２は、エンジン２１で得られた動力で回転駆動され、車両コントロールユニット３５の制御の元に所望の直流電力を発電する。モータ２３には、モータ２３の温度を計測する温度センサ（図示せず）が設けられ、この温度センサで計測されたモータ温度はモータコントロールユニット３３及び車両コントロールユニット３５に与えられる。

モータコントロールユニット３３は、発電機３２で得られた直流電力をモータ２３に供給される交流電力に変換するインバータからなるドライブユニット３４を含み、回転数センサ２８で計測されたモータ回転数，温度センサで計測されたモータ温度，及びモータ２３に要求される要求トルク（τ）を入力し、これらの値と車両コントロールユニット３５の制御の下にモータ２３を駆動制御する。モータ２３に要求される要求トルクは、アクセルペダルの踏み込み量やスロットル開度に応じて求められた車両全体としてのトルクからエンジン２１側に要求されるトルクを差し引いた値として算出される。

車両コントロールユニット３５は、車両の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ，記憶装置，入出力装置等を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。車両コントロールユニット３５は、回転数センサ２８，モータ３３の温度センサ，及び車両の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号と予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、モータ側クラッチ３０，発電機３２，及びモータコントロールユニット３３を含む本ハイブリッド車両の構成要素に指令を送り、車両の運転／停止に必要な全ての動作を統括管理して制御する。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば本実施形態では、演算値が異常判定閾値α以上である場合、モータ異常診断部１５は直ちにモータ制御装置が異常状態にあると判定したが、図５のフローチャートに示すように、演算値が異常判定閾値α以上である場合に、演算値が異常判定閾値α以上である時間を計測するための継続時間計測タイマのカウントアップを開始し（ステップＳ１８）、継続時間計測タイマによる計測時間を参照して演算値が異常判定閾値α以上である状態が一定時間経過したか否かを判別し（ステップＳ１７）、演算値が異常判定閾値α以上である状態が一定時間経過したタイミングでモータ制御装置が異常状態にあると判定してもよい。このような処理によれば、ノイズ等の影響によって異常状態が誤検知されることを防止し、異常状態の検知精度を高めることができる。このように、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明は、車両を駆動するモータの動作を制御するモータ制御装置に適用できる。

本発明の一実施形態となるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態となる異常状態検知処理の流れを示すフローチャート図である。 モータの目標駆動トルク及び回転数と推定消費電力量との対応関係を示すマップの一例である。 ３本の３相電力供給ラインのうち、１本が断線した場合における、モータ目標回転数，直流電圧，直流電流，及びモータ実消費電力量の時間変化を示す図である。 図２に示す異常状態検知処理の応用例の流れを示すフローチャート図である。 本発明に係る車両駆動装置が適用されるハイブリッド車両の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１：電源装置
２：インバータ
３：モータ
４：電流センサ
５：電圧センサ
６：回転数センサ
７：モータコントローラ
１１：目標駆動トルク生成部
１２：インバータ制御信号生成部
１３：モータ推定消費電力演算部
１４：モータ実消費電力演算部
１５：モータ異常診断部

Claims (4)

1. 車両を駆動するモータの動作を制御するモータ制御装置であって、
   前記モータの実消費電力量を検出する検出手段と、
   前記モータの消費電力量を推定する推定手段と、
   前記検出手段により検出された実消費電力量と前記推定手段により推定された消費電力量とを比較し、比較結果に基づいて前記モータの異常状態を検知する検知手段と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記推定手段は、
   前記モータの回転数を検出するモータ回転数検出手段と、
   前記モータの目標駆動トルク値を算出する算出手段とを備え、
   前記モータ回転数検出手段により検出された回転数と前記算出手段により算出された目標駆動トルク値に基づいて前記モータの消費電力量を推定すること
   を特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記判定手段は、前記検出手段により検出された実消費電力量と前記推定手段により推定された消費電力量の差が所定値以上である場合に、前記モータが異常状態であると判定することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載のモータ制御装置において、
   前記検出手段、前記推定手段、及び前記判定手段は、前記モータが駆動される車両の全走行領域において動作することを特徴とするモータ制御装置。

Images