JP6070925B2 - 電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、センサレス制御の正常・異常に応じて磁極位置推定値または磁極位置検出値を使い分けるようにした電動機駆動システム、及び、この電動機駆動システムを搭載した電気自動車に関するものである。

同期電動機の駆動システムを小型化し、コストを低減するために、回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器を用いずに運転する、いわゆるセンサレス制御方法が提案されている。
周知のように、センサレス制御方法は、電動機の端子電圧や電機子電流などの情報から回転子の磁極位置を推定演算し、磁極位置推定値に基づいて電流を制御することにより電動機のトルク制御や速度制御を実現するものである。

上記のセンサレス制御方法を利用した電動機駆動システムとして、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載された従来技術が知られている。
特許文献１には、磁極位置検出器と、センサレス制御を用いた磁極位置推定器とを備え、通常は、磁極位置検出器からの位置検出値に基づいて電動機を駆動し、磁極位置検出器に異常が発生した場合に、磁極位置推定器による位置推定値に基づいた制御に切り替えて電動機を駆動するモータ制御装置が記載されている。
また、特許文献２には、磁極位置検出器からの磁極位置検出値と、センサレス制御による磁極位置推定値とを照合し、磁極位置検出値と磁極位置推定値との偏差が所定値を超えたら磁極位置検出器の故障と判断する電気自動車運転駆動装置が記載されている。

特開２００１-１１２２８２号公報（段落[０００７]，[００１１]、図１等） 特開２００７-２０９１０５号公報（段落[００１３]〜[００２０]、図１，図２等）

特許文献１に記載された従来技術では、磁極位置情報を二重化することにより信頼性が向上する反面、磁極位置検出器、異常検出器、磁極位置推定器等が必要であるためシステムが大型化し、高価になる。
また、特許文献２に記載された従来技術では、センサレス制御による磁極位置推定値が正常であることを前提として磁極位置検出器の異常を判断している。このため、センサレス制御自体が不安定になった場合には磁極位置推定値の精度が低下するので、磁極位置検出器の異常を誤判定するおそれがあり、その結果、電動機が暴走する場合もある。

一方、センサレス制御アルゴリズムを備え、かつ、磁極位置検出器を持たない電動機駆動システムは、磁極位置検出器を用いた従来の駆動システムに比べて小型化、低価格化が可能であると共に、位置検出器の故障がゼロになることにより故障率が低減され、耐環境性も向上する等の利点がある。
しかしながら、センサレス制御の信頼性が実証されていない場合、電気自動車（ＥＶ）のように安全性が強く求められる電動機駆動システムへの採用には踏み切ることができない。

そこで、本発明の解決課題は、安全性を確保しつつセンサレス制御アルゴリズムの信頼性を実証可能な電動機駆動システムを実現し、更には、上記の信頼性が実証された電動機駆動システムを搭載することによって安全性を高めた電気自動車を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電源の直流電力を電力変換器により交流電力に変換して同期電動機に供給することにより前記電動機のトルクまたは速度を制御する電動機駆動システムであって、前記電力変換器を制御するための制御装置が、前記電動機の磁極位置推定値を生成するセンサレス制御アルゴリズムを備え、前記センサレス制御アルゴリズムの正常時には前記磁極位置推定値を用いて前記電力変換器を制御する電動機駆動システムにおいて、
前記センサレス制御アルゴリズムが第１の異常判定手段を備え、前記第１の異常判定手段により前記センサレス制御アルゴリズムが異常と判定された時に、前記制御装置は、前記磁極位置推定値に代えて、前記電動機に付加された磁極位置検出手段による磁極位置検出値を用いて前記電力変換器を制御すると共に、前記制御装置は、前記センサレス制御アルゴリズムの異常発生前後の所定期間における前記センサレス制御アルゴリズムの情報を記憶する記憶手段を有するものである。
これにより、センサレス制御の動作が何らかの原因によって不安定となった場合、磁極位置検出手段による正常な磁極位置情報に基づく制御に切り替えて電動機の運転を継続することができる。従って、本発明によれば、電動機の急加速、急停止などの暴走を回避し、安全性を確保した状態でセンサレス制御の実証試験を行うことができる。
また、本発明によれば、センサレス制御アルゴリズムが異常となった原因の解析が可能になり、センサレス制御の信頼性向上に役立つ。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、前記記憶手段に記憶される情報が、前記センサレス制御アルゴリズムの入出力データ（電動機の電機子電流検出値及び電圧指令値、磁極位置推定値等）を含むものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電動機駆動システムにおいて、第１の異常判定手段により正常と判定されて信頼性が実証された前記センサレス制御アルゴリズムを備えると共に、前記磁極位置検出手段を除去したものである。
これにより、磁極位置センサのない電動機駆動システムを構成することができると共に、システム全体の小型化、低価格化、故障率の低減、耐環境性の向上が可能になり、請求項４に記載したごとく、電気自動車に最適な電動機駆動システムを実現することができる。

本発明によれば、制御装置に設けた第１の異常判定手段により、センサレス制御アルゴリズムの信頼性（正常・異常）を検証することができる。また、信頼性が実証された前記アルゴリズムを電動機駆動システムに備えることにより、磁極位置検出手段を有する駆動システムに比べて小型化、低価格化、故障率の低減、耐環境性の向上が可能であり、電気自動車の安全性向上にも寄与することができる。

ｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を示す図である。 本発明に係る電動機駆動システムの第１参考形態を示す構成図である。 図２におけるセンサレス制御アルゴリズムの第１実施例の構成図である。 図２におけるセンサレス制御アルゴリズムの第２実施例の構成図である。 本発明に係る電動機駆動システムの第２参考形態を示す構成図である。 本発明に係る電動機駆動システムの実施形態を示す構成図である。 図６におけるデータ記憶手段の構成図である。 図６におけるデータ記憶手段の動作を示すタイムチャートである。 本発明に係る電動機駆動システムの第３参考形態を示す構成図である。 本発明に係る電動機駆動システムの第４参考形態を示す構成図である。 本発明に係る電動機駆動システムの第５参考形態を示す構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
なお、以下の各形態は本発明を永久磁石形同期電動機のトルクを制御する電動機駆動システムに適用した場合のものである。

まず、永久磁石形同期電動機のセンサレス制御について説明する。
いわゆるセンサレス制御は、回転子の磁極位置（ｄ，ｑ軸座標上の位置）が直接検出できないため、これを推定回転座標系（γ，δ軸座標）に置き換えて同期電動機のトルク、速度等を制御する。図１は、ｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を示したものであり、永久磁石形同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸とし、前記ｄ軸に対する推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義する。
ただし、図１において、ω_ｒはｄ，ｑ軸の電気角速度、ω_１はγ，δ軸の電気角速度（＝速度推定値）である。また、θ_ｅｒｒはｄ，ｑ軸を基準としたγ，δ軸間の角度であり、数式１によって表される。

次に、図２は、本発明の第１参考形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
図２において、電動機駆動システムは、主回路と制御装置４Ａとから構成されている。ここで、主回路は、永久磁石形同期電動機１、インバータ等の電力変換器２及び直流電源３と、センサレス制御の信頼性を実証するために付加される磁極位置検出器３０とによって構成される。また、制御装置４Ａは、本発明の特徴であるセンサレス制御アルゴリズム２０を備えている。

次いで、制御装置４Ａの構成及び作用を説明する。
図２の制御装置４Ａにおいて、電流指令演算器１２は、電動機１の出力トルクをトルク指令値τ^＊に制御するためのγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を演算する。ｕ相電流検出器５ｕ、ｗ相電流検出器５ｗは各相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗを出力し、これらの電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗは電流座標変換器６に入力される。電流座標変換器６は、磁極位置推定値θ_１（または磁極位置検出値θ_ｒ）を用いて、電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗをγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換する。

電流指令演算器１２から出力されたγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸電流検出値ｉ_γとの偏差が減算器１１ａにより求められ、この偏差をγ軸電流調節器１０ａが増幅してγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊が演算される。同様に、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差が減算器１１ｂにより求められ、この偏差をδ軸電流調節器１０ｂが増幅してδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊が演算される。これらのγ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、電圧座標変換器９により、磁極位置推定値θ_１（または磁極位置検出値θ_ｒ）を用いて相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

電圧検出回路７は、直流電源３から電力変換器２に供給される直流電圧Ｅ_ｄｃを検出する。ＰＷＭ回路８は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊と直流電圧検出値Ｅ_ｄｃとから、電力変換器２の出力電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器２は、ゲート信号に基づいて内部のＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を制御することにより、電動機１の端子電圧が相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に一致するように制御し、電動機１の出力トルクがトルク指令値τ^＊に一致するように制御する。

磁極位置検出器３０の出力信号は磁極位置演算器３１に入力されており、この磁極位置演算器３１により演算された磁極位置検出値θ_ｒが切替スイッチ手段３２の一方の入力端子に加えられている。また、切替スイッチ手段３２の他方の入力端子には、センサレス制御アルゴリズム２０により生成される磁極位置推定値θ_１が加えられている。
切替スイッチ手段３２は、センサレス制御アルゴリズム２０から出力されるフラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}により、磁極位置推定値θ_１または磁極位置検出値θ_ｒの何れかを選択して電流座標変換器６及び電圧座標変換器９に出力するように構成されている。
センサレス制御アルゴリズム２０は、下記の構成により、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊及びγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに基づいて磁極位置推定値θ_１及びフラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}を生成する。

次に、センサレス制御に拡張誘起電圧を用いた場合の、センサレス制御アルゴリズム２０の第１実施例を図３に基づいて説明する。なお、図３では、センサレス制御アルゴリズムを符号２０Ａにて示す。
図３において、センサレス制御アルゴリズム２０Ａは、拡張誘起電圧演算器２１、位置推定誤差演算器２２、速度推定器２３、磁極位置推定器２４、及び異常判定器２５により構成されている。
拡張誘起電圧演算器２１は、数式２に示すように、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δ、速度推定値ω_１、及び電動機定数に基づいて、拡張誘起電圧を演算する。

位置推定誤差演算器２２は、数式３により、γ，δ軸拡張誘起電圧ｅ_ｅｘγ，ｅ_ｅｘδから磁極位置誤差推定値（以下、位置誤差推定値という）δ_ｅｅｘを演算する。

速度推定器２３はＰＩ調節器によって構成されており、この速度推定器２３は、数式４により、上記の位置誤差推定値δ_ｅｅｘを増幅して速度推定値ω_１を演算する。

磁極位置推定器２４は、数式５により、速度推定値ω_１を積分して磁極位置推定値θ_１を演算する。

一方、異常判定器２５は、数式６に示すごとく、何らかの理由によりセンサレス制御アルゴリズム２０Ａが異常となった場合にフラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}を“１”に制御し、上記アルゴリズム２０Ａの正常時にはフラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}を“０”に制御する。

再び図２に戻って、切替スイッチ手段３２は、フラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}が“０”の場合には、センサレス制御アルゴリズム２０Ａの前記磁極位置推定器２４からの磁極位置推定値θ_１を選択し、フラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}が“１”の場合には、磁極位置演算器３１からの磁極位置検出値θ_ｒを選択する。
すなわち、センサレス制御アルゴリズム２０Ａの異常時には、電流座標変換器６及び電圧座標変換器９で使用する磁極位置を磁極位置推定値θ_１から磁極位置検出値θ_ｒに切り替えることにより、電動機１のトルク制御を継続して実行する。

次に、図４はセンサレス制御アルゴリズムの第２実施例を示している。この図４では、センサレス制御アルゴリズムを符号２０Ｂにて示す。
この第２実施例では、異常判定器２５における異常判定に前述した数式２，数式３を用いており、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに基づいて演算された位置誤差推定値δ_ｅｅｘによってセンサレス制御アルゴリズム２０Ｂの異常判定を行い、フラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}を制御する。
ここで、位置誤差推定値δ_ｅｅｘは、電動機のｄ軸と推定γ軸との角度差の推定値であり、磁極位置検出器３０による情報を用いずに、センサレス制御アルゴリズム２０Ｂの入力情報だけからセンサレス制御の異常判定を行うことができる。

異常判定器２５における異常判定方法の具体例を説明すると、数式７に示すように、位置誤差推定値δ_ｅｅｘの絶対値が所定角度θ_{ｅｒｒｍａｘ}を超えたときに、センサレス制御アルゴリズム２０Ｂが異常（ｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}＝“１”）であると判断する。

次いで、図５は、本発明の第２参考形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
この形態における制御装置４Ｂは、図２に示した制御装置４Ａにアラーム発生器４０を付加したものである。このアラーム発生器４０は、センサレス制御アルゴリズム２０の異常発生時（ｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}＝“１”）に第１のアラームａｌａｒｍ_１（警報音、ランプ等）を発生させ、運転者に注意を喚起する。
これにより、運転者は、センサレス制御アルゴリズム２０が異常となり、電流座標変換器６及び電圧座標変換器９で使用する磁極位置が磁極位置推定値θ_１から磁極位置検出値θ_ｒに切り替わったことを認識可能である。よって、運転者は、電動機駆動システムを自らの操作によって安全に停止させることができる。

図６は、本発明の実施形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
この実施形態における制御装置４Ｃは、メモリからなるデータ記憶手段５０を備えている。このデータ記憶手段５０は、フラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}に基づいて、センサレス制御アルゴリズム２０の異常発生前後の所定期間における上記アルゴリズム２０の入出力データ（図６では、θ_１，ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊，ｉ_γ，ｉ_δ）を記憶する。

データ記憶手段５０は、図７に示すように、ＣＰＵ内部のＲＡＭ（Random Access Memory）またはＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等のメモリ５１を使いて所定期間のデータを記憶可能なリングバッファ５２を構成すると共に、ディレイ要素５３を備えている。
まず、センサレス制御アルゴリズム２０の正常時（ｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}＝“０”）において、リングバッファ５２の先頭アドレスからリアルタイムにデータを順次書き込む。なお、リングバッファ５２のすべてのアドレスにデータを書き終えたらリングバッファ５２の先頭アドレスに戻り、データを上書きする。そして、センサレス制御アルゴリズム２０に異常（ｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}＝“１”）が発生したら、フラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}をディレイ要素５３により所定の時間だけ遅延させた信号ｆｌｇ_{ｄｅｌａｙ}を生成し、この信号ｆｌｇ_{ｄｅｌａｙ}が“１”になったらリングバッファ５２へのデータ書き込みを停止させる。
これにより、図８に示すように、センサレス制御アルゴリズム２０の異常発生前後における所定期間のデータを記憶することができる。なお、図８に示した「データ」は、前記入出力データ（θ_１，ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊，ｉ_γ，ｉ_δ）のうちの何れかを概念的に示したものである。

図９は、本発明の第３参考形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
この形態における制御装置４Ｄは、図２の制御装置４Ａに、磁極位置検出器３０の異常を判定する第２の異常判定器３３を設け、磁極位置検出器３０に異常（断線を含む）が発生したことを磁極位置演算器３１を介して異常判定器３３が検出し、数式８に示すようにフラグｆｌｇ_Ｓｅｒｒを出力する。なお、異常判定器３３は、磁極位置検出器３０の出力信号を直接取り込んでも良い。

この形態では、磁極位置検出器３０が異常（ｆｌｇ_Ｓｅｒｒ＝“１”）となっても、センサレス制御アルゴリズム２０からのフラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}（＝“０”）に従い、センサレス制御による磁極位置推定値θ_１を用いて電動機１の駆動を継続する。これにより、運転中に磁極位置検出器３０に異常が発生しても、電動機１を急停止させることなく、運転者の意図した操作により安全に停止させることができる。

次に、図１０は、本発明の第４参考形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
この形態における制御装置４Ｅは、図９の制御装置４Ｄにおける異常判定器３３の出力側に第２のアラーム発生器４１を設け、磁極位置検出器３０の異常時（ｆｌｇ_Ｓｅｒｒ＝“１”）に第２のアラームａｌａｒｍ_２（警報音、ランプ等）を発生して運転者に注意を喚起する。これにより、運転者は、磁極位置検出器３０に異常が発生したことを認識でき、電動機駆動システムを運転者の意図した操作により安全に停止させることができる。

図１１は、本発明の第５参考形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
この形態では、まず、前述した各形態の何れかによりセンサレス制御アルゴリズム２０の信頼性を実証する。すなわち、フラグｆｌｇ_{ＳＬｅｒｒ}＝“０”を確認してセンサレス制御アルゴリズム２０が正常であることを確認した場合に、各形態における磁極位置検出器３０、磁極位置演算器３１、切替スイッチ手段３２、アラーム発生器４０，４１、データ記憶手段５０、異常判定器３３等を用いずに、図１１に示すような制御装置４Ｆを構成する。なお、図１１の主回路及び制御装置４Ｆの各構成要素には、前記各形態と同一の符号を付してある。

この場合、センサレス制御アルゴリズムの信頼性が実証されているので、磁極位置検出器３０に依存せずに電動機１を駆動することができ、システム全体の小型化、低価格化が図れると共に、磁極位置検出器の故障を考慮する必要がないため故障率が低減され、耐環境性の向上も図ることができる。
なお、この形態に係る電動機駆動システムは、例えば電気自動車に搭載することが望ましい。その場合、直流電源３には車載のバッテリを用いればよく、トルク指令値τ^＊は、アクセルやブレーキの踏み込み量に基づいて電流指令演算器１２に与えればよい。

本発明に係る電動機駆動システムは、電気自動車等の輸送機械だけでなく、各種の産業機器・設備にも利用することができる。

１ 永久磁石形同期電動機
２ 電力変換器
３ 直流電源
４Ａ〜４Ｆ 制御装置
５ｕ ｕ相電流検出器
５ｗ ｗ相電流検出器
６ 電流座標変換器
７ 電圧検出回路
８ ＰＷＭ回路
９ 電圧座標変換器
１０ａ γ軸電流調節器
１０ｂ δ軸電流調節器
１１ａ，１１ｂ 減算器
１２ 電流指令演算器
２０，２０Ａ，２０Ｂ センサレス制御アルゴリズム
２１ 拡張誘起電圧演算器
２２ 位置推定誤差演算器
２３ 速度推定器
２４ 磁極位置推定器
２５ センサレス制御の異常判定器
３０ 磁極位置検出器
３１ 磁極位置演算器
３２ スイッチ
３３ 磁極位置検出器の異常判定器
４０ センサレス制御のアラーム発生器
４１ 磁極位置検出器のアラーム発生器
５０ データ記憶手段
５１ メモリ
５２ リングバッファ
５３ ディレイ要素

Claims (4)

1. 直流電源の直流電力を電力変換器により交流電力に変換して同期電動機に供給することにより前記電動機のトルクまたは速度を制御する電動機駆動システムであって、前記電力変換器を制御するための制御装置が、前記電動機の磁極位置推定値を生成するセンサレス制御アルゴリズムを備え、前記センサレス制御アルゴリズムの正常時には前記磁極位置推定値を用いて前記電力変換器を制御する電動機駆動システムにおいて、
   前記センサレス制御アルゴリズムが第１の異常判定手段を備え、前記第１の異常判定手段により前記センサレス制御アルゴリズムが異常と判定された時に、前記制御装置は、前記磁極位置推定値に代えて、前記電動機に付加された磁極位置検出手段による磁極位置検出値を用いて前記電力変換器を制御すると共に、前記制御装置は、前記センサレス制御アルゴリズムの異常発生前後の所定期間における前記センサレス制御アルゴリズムの情報を記憶する記憶手段を有することを特徴とする電動機駆動システム。
2. 請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
   前記記憶手段に記憶される情報が、前記センサレス制御アルゴリズムの入出力データを含むことを特徴とする電動機駆動システム。
3. 請求項１または２に記載した電動機駆動システムにおいて、
   第１の異常判定手段により正常と判定されて信頼性が実証された前記センサレス制御アルゴリズムを備えると共に、前記磁極位置検出手段を除去したことを特徴とする電動機駆動システム。
4. 請求項３に記載した電動機駆動システムを搭載したことを特徴とする電気自動車。

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