JP2010246327A - インバータの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の大型化ならびにコストの増大を抑制し得るインバータの故障診断装置を提供することを課題とする。
【解決手段】トルク指令値とモータ４の電気角周波数に基づいて、ｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値を演算する電流指令部２２と、モータ４の磁極位置を検出する磁極位置検出部２７と、電流指令部２２で得られたｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値に基づいて、電流相差角を演算し、電流相差角と磁極位置検出部２７で検出された磁極位置との和を演算し、その演算和がモータ４に供給される電流の電流振幅における頂点を含んで所定の範囲にあるか否かを判別し、所定の範囲にある場合にはモータ４に供給された電流の絶対値と予め設定された故障診断値とを比較し、電流の絶対値が故障診断値よりも小さい場合にはインバータ３を構成するスイッチング素子がオープン故障しているものと診断するオープン故障診断部２９とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置としてのインバータの故障、特にスイッチング素子の開放（オープン）故障を診断するインバータの故障診断装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、インバータのスイッチング素子のゲートパルス信号と、インバータの出力電流の極性信号との論理積を演算し、演算で得られた論理積と、インバータの出力電流の極性信号に対応する極性の電流を一定の閾値で波形整形して得られる電流信号とを比較し、両者が不一致の場合にインバータの故障予知信号を出力する技術が開示されている。

特開平７−１６３１５５号公報

上記従来のインバータの故障予知装置においては、ゲートパルス信号と出力電流の極性信号との論理積を演算する回路、インバータの出力電流の極性信号に対応する極性の電流を一定の閾値で波形整形する回路、演算で得られた論理積と波形整形で得られた電流信号とを比較する回路等の故障予知のための専用のハードウェアが必要となり、構成の大型化やそれにともなってコストの増大を招くおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化ならびにコストの増大を抑制し得るインバータの故障診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、電流相差角と磁極位置との和が、モータに供給される電流における電流振幅の頂点を含んで所定の範囲にあり、かつモータに供給された電流の絶対値が故障診断値よりも小さい場合にはインバータを構成するスイッチング素子がオープン故障しているものと診断することを特徴とする。

本発明によれば、故障診断する際の演算等を実施する専用のハードウェアを用いることなくインバータを構成するスイッチング素子のオープン故障を診断することにより、構成の大型化ならびにコストの増大を抑制することが可能となる。

本発明の実施例１に係るインバータの故障診断装置を含むモータ駆動システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るの故障診断処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るの故障診断処理の手順を示すフローチャートである。 モータの諸電流のベクトル図である。 （θ＋γ）の値とモータのＶ相の実電流（ｉｖ）との関係を示し、駆動電流と診断範囲との関係を示す図である。 モータの各相電流の正常時と異常時との電流波形を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係るインバータの故障診断装置を含むモータ駆動システムの構成を示す図である。この実施例１の故障診断装置は、例えば車両に駆動力を供給するモータに駆動電力を供給制御するインバータを構成するスイッチング素子のオープン故障を診断する装置として機能し、モータ駆動システムは、大別して外部コントローラ１、モータコントローラ２、インバータ（ＩＮＶ）３ならびにモータ（ＭＧ）４を備えて構成されている。

外部コントローラ１は、モータコントローラ２の外部からモータコントローラ２にモータ４が出力する目標トルクを指令するトルク指令値Ｔｍを与える。

モータコントローラ２は、トルクリミット部２１、電流指令部２２、電流制御部２３、２相３相変換部２４、ＰＷＭ変換部２５、３相２相変換部２６、磁極位置検出部２７、モータ電気角周波数検出部２８ならびにオープン故障診断部２９を備えて構成されている。

トルクリミット部２１は、外部コントローラ１から与えられたトルク指令値Ｔｍ、およびオープン故障診断部２９から与えられたトルクリミット値Ｔｌｉｍ１，Ｔｌｉｍ２を受けて、Ｔｌｉｍ２≦Ｔｍ≦Ｔｌｉｍ１の場合はトルクリミット部２１の出力Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｔｍとし、Ｔｌｉｍ２＞Ｔｍの場合には出力Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｔｌｉｍ２とし、Ｔｍ＞Ｔｌｉｍ１の場合には出力Ｔ＿ｒｅｆ＝Ｔｌｉｍ１とし、それぞれの出力をトルク制限が施された後のトルク指令値として電流指令部２２に与える。

電流指令部２２は、トルクリミット部２１から与えられたトルク指令値Ｔ＿ｒｅｆ，電気角周波数ωならびに磁極位置θに基づいて、予め用意されて記憶された電流テーブルを参照して、モータをベクトル制御する際の２相直流電流となるｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定する。設定されたｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊は、電流制御部２３に与えられる。

電流制御部２３は、ｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊とモータ４の実電流ｉｄ，ｉｑとの差がゼロとなるように、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を次式（１）のＰＩ制御における演算式を用いて演算する。

上式において、Ｋｐｄ，Ｋｐｑはｄ軸，ｑ軸比例ゲイン、Ｋｉｄ，Ｋｉｑはｄ軸，ｑ軸積分ゲインである。演算で得られたｄ軸，ｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊は、２相３相変換部２４に与えられる。

２相３相変換部２４は、モータ４の磁極位置θに基づいて、電流制御部２３から与えられたｄ軸，ｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を３相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，
ｖｗ＊に変換する。変換で得られた３相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊は、ＰＷＭ変換部２５に与えられる。

ＰＷＭ変換部２５は、３相交流の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊と例えば１０ｋＨｚ程度の搬送波（一般に三角波）とを比較することで、インバータ３のスイッチング素子をＰＷＭ制御によりスイッチング制御する際のスイッチング信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を生成する。生成されたスイッチング信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊は、インバータ３に与えられる。

３相２相変換部２６は、磁極位置θに基づいて、インバータ３からモータ４に供給制御される３相交流の実電流を検出する電流検出器６で得られた３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを２相直流のｄ軸，ｑ軸の実電流ｉｄ，ｉｑに変換する。変換で得られた実電流ｉｄ，ｉｑは、電流制御部２３に与えられる。

磁極位置検出部２７は、モータ４に取り付けられたレゾルバ等の回転位置検出器（ＰＳ）７で検出された回転位置に基づいて、モータ４の磁極位置θを検出する。検出された磁極位置θは電流指令部２２、２相３相変換部２４ならびに３相２相変換部２６に与えられる。

モータ電気角周波数検出部２８は、先の回転位置検出器７で検出された回転位置に基づいて、モータ４の電気角周波数ωを検出する。検出された電気角周波数ωは、電流指令部２２ならびに電流制御部２３に与えられる。

オープン故障診断部２９は、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊、磁極位置θ、電気角周波数ω、３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づいて、インバータ３を構成するスイッチング素子のオープン故障を診断する。また、オープン故障診断部２９は、オープン故障を検出した場合には、先に触れたトルクリミット値Ｔｌｉｍ１，Ｔｌｉｍ２をトルクリミット部２１に与えることでモータ４の運転範囲を制限してモータ４の運転を継続制御する。

このようなモータコントローラ２は、本システム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、入出力装置等の資源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。モータコントローラ２は、先に説明したトルク指令値Ｔｍ、３相交流の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ等を読み込み、読み込んだ各信号ならびに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、以下に説明する故障診断処理を含むモータ駆動制御に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

したがって、オープン故障診断部２９は、モータ４駆動制御するモータコントローラ２とは別体として、スイッチング素子のオープン故障を専ら診断する専用のハードウェハとして設けられたものではなく、ソフトウェアにより以下に説明するフローチャートに示す処理を実行することで故障診断を行う手段としてモータコントローラ２に組み込まれたものである。

インバータ３は、バッテリ５から与えられる直流電力を３相の交流電力に変換する電力変換器として機能し、変換で得られた３相の交流電力をモータ４に供給制御し、モータ４を駆動制御する。インバータ３は、ＰＷＭ変換部２５から与えられたスイッチング信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊にしたがってＩＧＢＴ等の電力変換素子（スイッチング素子）をスイッチング制御することで電力変換を行い、この電力変換を行うスイッチング素子が本発明の特徴となるオープン故障診断の診断対象となっている。

モータ４は、インバータ３から供給制御される３相の交流電力に基づいて、外部から与えられた目標トルクが出力されるように駆動制御されて、得られた駆動力が車両等の駆動輪に与えられる。

次に、図２ならびに図３に示すフローチャートを参照して、オープン故障診断部２９の故障診断の手順を説明する。なお、図２ならびに図３に示す一連の処理フローは、予め設定された周期で繰り返し実行される。

図２において、先ず電流指令部２２から与えられる電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて、図４に示す電流相差角γを次式（２）を用いて演算する（ステップＳ１０１）。

（数２）
ｉｄ＊＝０の場合には、γ＝９０°
ｉｄ＊≠０の場合には、γ＝ｔａｎ^−１（ｉｑ＊／ｉｄ＊） ・・・（２）
図２に戻って、電流相差角の演算後、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて、電流指令実効値ｉ１を次式（３）を用いて演算する（ステップＳ１０２）。

（数３）
ｉ１＝（ｉｄ＊^２＋ｉｑ＊^２）^１／２／３^１／２ ・・・（３）
その後、図３に示す処理フローに移行し、現在のモータ４の駆動状態において、インバータ３のスイッチング素子がオープン故障すると、トルクリップルの影響が大きい状態であるか否かを判定する。すなわち、先のステップＳ１０２で示す処理で得られた電流指令実効値ｉ１が、予め設定された所定値（故障診断値）ｉｍ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。判定の結果、所定値以上の場合にはトルクリップルの影響があるものとして、以下の故障診断を実施する。

ここで、トルクリップルは、モータの回転速度（モータの電気角周波数ω）が低いと影響度が大きく、モータの回転速度が高いと平均化されて影響度が低くなる。したがって、上記所定値ｉｍは電気角周波数ωに応じて、予め実験的に求めて用意され、モータの回転数が低くなる程小さく設定される。なお、モータの運転状況を把握できるパラメータであれば、電流指令実効値に代えて、トルク指令値等であってもよい。

一方、先のステップＳ２０１で示す判定処理において、電流指令実効値ｉ１が所定値未満の場合には、トルクリップルの影響がほとんどないものと判断し、オープン故障が生じている可能性が高いものと推定判断した回数をカウントする異常カウンタをクリアして（ステップＳ２０２）、一連の処理を終了する。

次に、先のステップＳ２０１で示す処理に続いて、磁極位置検出部２７で検出した磁極位置θと、先のステップＳ１０１で示す演算で得られた電流相差角γとの和（θ＋γ）を演算する。（ステップＳ２０３）。その後、演算結果の（θ＋γ）の値が、故障診断する範囲に入っているか否かを判別する（ステップＳ２０４）。

故障診断の範囲は、各相の電流における電流振幅の頂点αを中心として、電流指令実効値ｉ１に基づいて決定する。電流振幅の頂点αは、図４に示すｉ軸、ｑ軸電流、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流の電流ベクトル図を参照すると、Ｕ相では（θ＋γ）が０°もしくは１８０°のときであり、Ｖ相では（θ＋γ）が１２０°もしくは２４０°のときであり、Ｗ相では（θ＋γ）が６０°もしくは３００°のときである。

また、故障診断の範囲は、各相の電流指令実効値ｉ１における瞬時電流が故障診断に足に十分供給されている範囲で実施する。ここでは、例えばＶ相の実電流ｉｖと（θ＋γ）との関係を表した図５に示すように、電流指令実効値ｉ１が、先に説明した所定値ｉｍ以上の範囲では故障診断に足に十分な電流がモータ４に供給されているものとする。ここで、例えばｉ１＝ｉｍとすると、電流振幅の頂点αからの診断範囲となるＡは、
ｔａｎ^−１（ｉ１／ｉｍ）＝ ４５°となる。

したがって、先のステップＳ２０３の演算結果の（θ＋γ）の値が、故障を診断する範囲に入っているか否かは、すなわちステップＳ２０４で示す判別処理では、（α−４５）＜（θ＋γ）＜（α＋４５）であるか否かを判別することになり、電流振幅の頂点αは、Ｕ相では０°または１８０°となり、Ｖ相では１２０°または２４０°となり、Ｗ相では６０°または３００°となり、（θ＋γ）の値が電流振幅の頂点αの前後４５°の範囲で故障診断を実施することになる。なお、この実施例では、故障診断を実施する際に上述したように診断範囲を設定したが、電流振幅の頂点αで故障診断を行うようにしてもかまわない。

なお、図５に示すように、モータの実電流、すなわち電流指令実効値もしくはトルク指令値が大きくなる程、診断を実施する電流の位相範囲、すなわち診断範囲を広げることが可能となる。例えば、図５に示すように、電流が小の場合には電流振幅の頂点（（θ＋γ）＝１２０°）を中心に前後（Ａ１×２）°の範囲が診断範囲となるのに対して、電流が大の場合には小の場合と同様の電流振幅の頂点αを中心に前後（Ａ２（＞Ａ１）×２）°の範囲が診断範囲となる。

図３のフローチャートに戻って、先のステップＳ２０４で示す判別処理の結果、（α−４５）＜（θ＋γ）＜（α＋４５）が成立している場合には、続いてインバータ３を構成するスイッチング素子によりモータ４に駆動電流が供給されているか否かを判別する（ステップＳ２０５）。一方、（α−４５）＜（θ＋γ）＜（α＋４５）が成立していない場合には、故障診断に足に十分な電流がモータ４に供給されていないものと判断して診断範囲外とし、故障診断を実施しない。

インバータ３を構成するスイッチング素子、例えばＵ相下アームのスイッチング素子がオープン故障している場合には、正常の場合に比べてＵ相の実電流ｉｕは図６に示すように供給されなくなる。したがって、ステップＳ２０５で示すオープン故障の判別処理では、電流検出器６で検出された実電流の絶対値｜ｉ｜（Ｕ相の診断の場合はｉｕ、Ｖ相の診断の場合はｉｖ、Ｗ相の診断の場合はｉｗ）がｉｍ未満であるか否か（｜ｉ｜＜ｉｍ）を判別する。

判別の結果、未満である場合（｜ｉ｜＜ｉｍ）には、スイッチング素子がオープン故障している可能性が高いものと推定し、異常カウンタをカウントアップする一方（ステップＳ２０６）、未満でない場合にはオープン故障はしていないものと推定して異常カウンタをクリアする（ステップＳ２０２）。

その後、図３に示す一連のこれまでの処理の結果、すなわちオープン故障しているか否かの判別結果に基づいて、異常カウンタの値がオープン故障しているか否かを確定するために予め設定された設定値（故障確定値）以上であるか否かを判別する（ステップＳ２０７）。判別の結果、異常カウンタ値≧設定値の場合は、オープン故障しているものと確定する一方（ステップＳ２０７）、異常カウンタ値＜設定値の場合には、オープン故障していないものと確定して、一連の処理を終了する。

スイッチング素子がオープン故障しているものと確定した場合には、トルクリップルの影響が大きい運転領域を使用せず、トルクリップルの影響が少ない運転領域でモータ４の駆動運転を継続する。すなわち、電流指令実効値ｉ１が先の所定値ｉｍ未満の範囲となるようにトルクリミット値Ｔｌｉｍ１（＞０），Ｔｌｉｍ２（＜０）を設定する。

以上説明したように、この実施例１では、ソフトウェアにより上述した手順を実行する故障診断手段をモータコントローラ２に組み込むことで、従来のようにゲートパルス信号と極性信号との論理積を演算する論理回路等を含む故障診断を専ら実施する専用のハードウエア構成を用いることなく、インバータ３を構成するスイッチング素子のオープン故障を診断することが可能となる。これにより、故障診断装置が搭載される回路基板の大型化を回避することが可能となり、構成の大型化ならびにコストの増大を抑制することができる。

また、モータの回転速度が低くなる程、電流指令実効値ｉ１と比較される所定値ｉｍの値を小さくすることで、トルクリップルの影響度が大きくなる低い回転数でのオープン故障をより検出しやすくすることができる。

さらに、電流指令実効値が小さい場合、すなわちトルクリップルの影響が小さい場合には、故障診断を実施しないようにしているので、オープン故障が発生しても、トルクリップルの影響が小さい状況での故障診断を省略することができ、オープン故障が発生している場合であってもモータ４を継続して駆動運転することができる。

また、スイッチング素子のオープン故障が確定した場合には、トルクリップルの影響が少ない電流範囲となるようにトルクリミット値を変更することで、故障後であってもモータ４を継続して運転することが可能となる。

さらに、オープン故障が複数回連続して検出された場合に、オープン故障が発生しているものと確定することで、故障診断の精度を高めることができる。

１…外部コントローラ
２…モータコントローラ
３…インバータ
４…モータ
５…バッテリ
６…電流検出器
７…回転位置検出器
２１…トルクリミット部
２２…電流指令部
２３…電流制御部
２４…２相３相変換部
２５…ＰＷＭ変換部
２６…３相２相相変換部
２７…磁極位置検出部
２８…モータ電気角周波数検出部
２９…オープン故障診断部

Claims (4)

1. ベクトル制御により駆動されるモータに交流電力を供給するインバータを構成するスイッチング素子のオープン故障を診断するインバータの故障診断装置において、
   トルク指令値と前記モータの電気角周波数に基づいて、ｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
   前記電流指令値演算手段で得られたｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値に基づいて、電流相差角を演算する電流相差角演算手段と、
   前記モータの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
   前記電流相差角演算手段で得られた電流相差角と前記磁極位置検出手段で検出された磁極位置との和を演算し、その演算和が前記モータに供給される電流における電流振幅の頂点を含んで所定の範囲にあるか否かを判別し、所定の範囲にある場合には前記モータに供給された電流の絶対値と予め設定された故障診断値とを比較し、電流の絶対値が故障診断値よりも小さい場合には前記スイッチング素子がオープン故障しているものと診断する診断手段と
   を有することを特徴とするインバータの故障診断装置。
2. 前記故障診断値は、前記モータの回転数が低くなる程小さく設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載のインバータの故障診断装置。
3. 前記電流指令値演算手段で得られたｄ軸電流指令値ならびにｑ軸電流指令値に基づいて、電流指令実効値を演算する電流指令実効値演算手段と、
   前記電流指令実効値演算手段で得られた電流指令実効値と前記故障診断値とを比較して、電流指令実効値が故障診断値よりも小さい場合には、診断を実施しない診断実施判別手段と
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載のインバータの故障診断装置。
4. 前記診断手段は、電流の絶対値が故障診断値よりも小さい場合が予め設定された複数回検出された場合には、前記スイッチング素子がオープン故障しているものと診断する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータの故障診断装置。

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