JP6439658B2 - 電圧センサ異常診断装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1に開示された電圧センサの故障診断装置は、バッテリ電圧センサによって検出されるバッテリ電圧VBfと、インバータ電圧センサによって検出されるインバータ電圧VIfとの差の絶対値が所定値より大きいとき、いずれかの電圧センサに故障が発生していると判断する。
また、各相の相電流と相電圧との積の三相和である第1出力推定値と、モータのトルク及び回転数の積に基づいて算出した第2出力推定値とを比較し、出力推定値の差の絶対値が所定値より大きいとき、インバータ電圧センサに故障が発生していると判定する。
本発明の電圧センサ異常診断装置は、低回転領域判定部(43)と、入力電圧推定値算出部(451、452)と、異常判定部(46)とを備える。
入力電圧推定値算出部は、低回転領域において、インバータ入力電圧の推定値である入力電圧推定値(Vin_est)を算出する。
異常判定部は、入力電圧センサによる検出値である入力電圧センサ値(Vin_sns)と入力電圧推定値との差の絶対値が電圧閾値(Vth)より大きいとき、入力電圧センサが異常であると判定する。
また、ハイブリッド自動車等のモータジェネレータ駆動システムに適用される場合、車両停止時や起動直後等の、駆動力がほぼ発生しない領域で異常診断を実施することができる。したがって、異常と判定された場合、車両をそのまま停止させることができる。
また、入力電圧推定値算出部(451)は、制御電圧指令振幅(Vamp_ctrl)から理論電圧指令振幅(Vamp_thr)を差し引いた電圧指令振幅偏差(ΔVamp)に変換係数を乗じて、入力電圧推定値(Vin_est)を算出する。
ここで、制御電圧指令振幅は、フィードバック制御により演算される制御電圧指令の振幅であり、スイッチング素子対のON期間同士の間に設けられるデッドタイム分の電圧補正量が補正されている。また、理論電圧指令振幅は、モータモデル式を用いて演算される理論電圧指令の振幅である。
また、異常診断の実施を低回転領域に限定するため、予め実測等により求めたデッドタイム補正量を用い、変換係数を定数として入力電圧推定値を算出することができる。
なお、第一の態様では、例えば交流モータ駆動停止時において、「インバータ入力部に設けられたコンデンサの残電荷を交流モータに熱として放電させるディスチャージ処理」の実行中に異常診断を実施することが好ましい。
入力電圧推定値算出部(452)は、二相通電位置で二相に流れる直流電流(Idc)、並びに、インバータ及び交流モータを含む回路の抵抗成分、インダクタンス成分、及び容量成分の回路定数に基づいて入力電圧推定値を算出する。
第二の態様では、ディスチャージ処理時以外にも、交流モータ駆動中の低回転領域において、トルク発生有無に関わらず異常診断を実施することができる。
また、以下の第1実施形態及び第2実施形態を包括して「本実施形態」という。
まず、MG駆動システム全体の構成について図1を参照して説明する。図1には、一つのMGを備えるシステムを例示する。ハイブリッド自動車100に搭載されたMG駆動システム90は、「直流電源」としてのバッテリ11の直流電力をインバータ60で三相交流電力に変換してMG80に供給し、MG80を駆動するシステムである。
電源リレー12は、バッテリ11からインバータ60への電力供給を遮断可能である。言い換えれば、電源リレー12の接続中に、インバータ60の駆動が可能となる。
このシステムでは、バッテリ11とインバータ60との間に昇圧コンバータを備えておらず、バッテリ11の出力電圧が直接インバータ60に入力される。平滑コンデンサ16は、インバータ60の入力部に設けられ、インバータ入力電圧Vinを平滑化する。
入力電圧センサ5は、インバータ入力電圧Vinを検出する。入力電圧センサ5による検出値を、以下、「入力電圧センサ値Vin_sns」と記す。
回転角センサ85は例えばレゾルバである。電気角演算部86は、レゾルバ角θmから電気角θeを演算する。図1では、電気角演算部86をMG制御装置20の外部に記載しているが、MG制御装置20の内部で電気角θeを演算してもよい。
そこで、MG制御装置20は、入力電圧センサ5の異常を診断する電圧センサ異常診断装置40を含む。なお、本明細書で扱う電圧センサは入力電圧センサ5のみであるため、単に「電圧センサ異常診断装置」という。また、図中では「入力電圧センサ」を「Vinセンサ」というようにも記載する。
ところで、一般に電圧センサの異常には出力が0又は上限値に張り付く異常もあるが、張り付き異常は、周知技術により容易に判定可能である。一方、センサ値が実値に対し、例えば数〜数十%ずれるゲイン異常やオフセット異常の出力特性異常は判定が難しい。
そこで本実施形態では、張り付き異常は既に初期診断により除外されていることを前提とし、ゲイン異常やオフセット異常の出力特性異常を診断対象とする。
以下、実施形態毎に、詳しい構成及び作用効果を説明する。実施形態毎のMG制御装置20及び電圧センサ異常診断装置40の符号について、第1実施形態では「201」及び「401」とし、第2実施形態では「202」及び「402」とする。
第1実施形態によるMG制御装置201及び電圧センサ異常診断装置401の構成を図2に示す。MG制御装置201は、一般的な電流フィードバック制御及びPWM制御の構成として、電流指令演算部21、電流減算器22、電圧指令演算部23、2相3相変換部25、PWM信号生成部26、及び、3相2相変換部31を有する。
またMG制御装置201は、本実施形態に特有の構成として、理論電圧指令演算部24、制御電圧指令振幅算出部27及び理論電圧指令振幅算出部28を有する。図2では、これら三つのブロックを電圧センサ異常診断装置401の外に図示しているが、三つのブロックの一部又は全部が電圧センサ異常診断装置401に含まれるものとしてもよい。
電流指令演算部21は、車両制御回路10から入力されたトルク指令trq*に基づき、マップや数式を用いてdq軸電流指令Id*、Iq*を演算する。
電流減算器22は、dq軸電流指令Id*、Iq*と、3相2相変換部31からフィードバックされるdq軸電流Id、Iqとの電流偏差ΔId、ΔIqを算出する。
2相3相変換部25は、電気角θeに基づき、dq軸電圧指令Vd*、Vq*を三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換する。
図3に、入力電圧Vinと、スイッチング周期Tswにおける指令Dutyとの関係を示す。PWM制御では、スイッチング周期Tswは、PWMキャリア信号のキャリア周期に一致する。スイッチング周期Tsw中にデッドタイムDTが存在することにより、実際のON時間は、指令Dutyに対応するON時間よりも短くなる。図3の斜線部分の面積は、デッドタイムDTと入力電圧Vinとの積を示す。
V_dead=(√3)×(DT/Tsw)×Vin ・・・(1)
本実施形態では、デッドタイム補正量V_deadに着目して入力電圧推定値Vin_estを算出し、入力電圧センサ5の異常判定を行う。その詳細については後述する。
3相2相変換部31は、電気角θeに基づき、三相電流をdq軸電流Id、Iqに変換し、電流減算器22にフィードバックする。
理論電圧指令演算部24は、「モータモデル式」としての電圧方程式を用いて、理論電圧指令Vd_thr、Vq_thrを演算する。電圧方程式は式(2.1)、(2.2)で表され、dq軸電流値及び電気角速度に基づいてdq軸電圧値を算出する式である。
Vd=R×Id+Ld×(d/dt)Id−ω×Lq×Iq ・・・(2.1)
Vq=R×Iq+Lq×(d/dt)Iq+ω×Ld×Id+ω×φ
・・・(2.2)
R:巻線抵抗
Ld、Lq:d軸インダクタンス、q軸インダクタンス
ω:電気角速度(又は回転数)
φ:逆起電圧定数
また、MG80の機器定数である巻線抵抗R、dq軸インダクタンスLd、Lq及び逆起電圧定数φは、固定値としてもよいし、計算で算出してもよい。また、実際の特性に近い値や実測値をマップ化しておき、トルク指令trq*又はdq軸電流指令Id*、Iq*に基づいて演算してもよい。
Vd_thr=R×Id*−ω×Lq×Iq* ・・・(3.1)
Vq_thr=R×Iq*+ω×Ld×Id*+ω×φ ・・・(3.2)
Vd_thr≒R×Id* ・・・(3.3)
Vq_thr≒R×Iq* ・・・(3.4)
異常診断中にMG80を回転させたくない場合、q軸電流指令Iq*≒0とすることが好ましい。このとき、式(3.4)より、q軸理論電圧指令Vq_thr≒0となる。
また、図2に破線で示すように、理論電圧指令Vd_thr、Vq_thrをフィードフォワード項(図中「FF項」として、電圧指令演算部23により演算されるフィードバック項に加算してもよい。言い換えれば、MG制御装置201において応答性向上のためにフィードフォワード項を用いる構成では、理論電圧指令振幅算出部28は、フィードフォワード項の値を用いて理論電圧指令振幅Vamp_thrを算出することができる。
Vamp_ctrl=√(Vd*2+Vq*2) ・・・(4.1)
理論電圧指令振幅算出部28は、理論電圧指令Vd_thr、Vq_thrに基づき、式(4.2)により、理論電圧指令振幅Vamp_thrを算出する。
Vamp_thr=√(Vd_thr2+Vq_thr2) ・・・(4.2)
一般に理論電圧指令ベクトルは、式(3.1)、(3.2)の各項に対応する逆起電圧ベクトル(ω×φ)、巻線抵抗電圧(R×I)、同期インダクタンス電圧(ω×L×I)の合成ベクトルとして表される。ただし低回転領域では、式(3.3)、(3.4)のように、巻線抵抗電圧(R×I)が支配的となる。また、q軸電流指令Iq*≒0とすると、理論電圧指令ベクトルは、ほぼ負のd軸成分のみで表され、ベクトルの大きさが理論電圧指令振幅Vamp_thrである。
制御電圧指令ベクトルは、理論電圧指令ベクトルと位相が同じであり、振幅Vamp_ctrlが理論電圧指令振幅Vamp_thrよりもわずかに大きい。
ΔVamp=Vamp_ctrl−Vamp_thr=V_dead ・・・(5)
第1実施形態の電圧センサ異常診断装置401は、低回転領域判定部43、入力電圧推定値算出部451、及び異常判定部46を有する。図中、「入力電圧推定値」を「Vin推定値」と記載する。
低回転領域判定部43は、MG80の回転数ωが実質的にゼロに等しい領域、すなわち「ω≒0」である低回転領域にあることを判定し、入力電圧推定値算出部451に通知する。なお、低回転領域は、例えば回転数ωが100rpm未満の領域に相当する。
また、図2に破線で示すように、一構成例での入力電圧推定値算出部451は、PWM信号生成部26からスイッチング周期Tsw及びデッドタイムDTを取得してもよい。
Vin_est=K×ΔVamp ・・・(6.2)
K=Tsw/{(√3)×DT} ・・・(6.3)
入力電圧推定値算出部451は、式(6.2)により、制御電圧指令振幅Vamp_ctrlから理論電圧指令振幅Vamp_thrを差し引いた電圧指令振幅偏差ΔVampに変換係数Kを乗じて入力電圧推定値Vin_estを算出する。
MG制御では、まず、外部からのトルク指令trq*に基づいて演算された電流指令Id*、Iq*に対し相電流Iv、Iwがフィードバックされ、制御電圧指令Vd*、Vq*が演算される。傍系では、電流指令Id*、Iq*に対し及び回転数ω(≒0)に基づき、理論電圧指令振幅Vamp_thrが演算される。
また、少し戻り、制御電圧指令Vd*、Vq*の変化に伴い、制御電圧指令振幅Vamp_ctrlは、正の相関で変化する。この箇所を「#2」とする。
#1及び#2は、後述の説明にて参照される箇所である。
枠外の右側は、指令Dutyに基づくインバータ60の実際の駆動による出力を示す。インバータ60に実際に入力される入力電圧実値Vin_actと指令Dutyとの積が相電圧Vuvwとして出力される。
制御電圧指令振幅Vamp_ctrlとは、MG制御においてフィードバック制御により生成される制御電圧指令Vd*、Vq*の振幅に相当する。入力電圧センサ値Vin_snsが用いられることなく、デッドタイム補正量V_deadが自動的に補正された電圧値となる。
図6の縦軸は、上から順に、トルク指令trq*、入力電圧Vinのセンサ値Vin_sns、実値Vin_act及び推定値Vin_est、制御電圧指令振幅Vamp_ctrl及び理論電圧指令振幅Vamp_thr、並びに異常信号を示す。
ここでは、「ω≒0」の低回転領域であり、且つトルク指令trq*がゼロでない場合を想定する。トルク指令trq*は、この異常診断期間におけるMG要求出力が漸増していることを示している。
入力電圧推定値Vin_estに対し電圧閾値Vthをオフセットした範囲を図中に細い二点鎖線で示す。入力電圧推定値Vin_estとセンサ値Vin_snsとの差の絶対値が電圧閾値Vth以下である状態を入力電圧センサ5の正常範囲と考える。
その後、時点t_occに異常が発生する。ここでは、センサ値Vin_snsが実値Vin_actより大きくなる異常が発生した場合を想定する。
図5の#1に参照されるように、分母となるセンサ値Vin_snsが大きくなると、指令Dutyは小さくなる。指令Dutyが絞られるため、MG80へ電流が流れなくなる。すると、電流フィードバック制御により、次回の演算時t_fbに、制御電圧指令Vd*、Vq*が大きくなるように演算される。
S31では、低回転領域判定部43は、現在のMG80の回転数ωが低回転領域にあるか否か判断し、NOの場合、処理を終了する。
S31では、低回転領域判定部43は、例えばこのディスチャージ処理が実行されている状態を、異常診断可能な「低回転領域」として認識する。つまり、ディスチャージ処理の実行中であれば、次のステップに進む。
S36では、入力電圧推定値算出部451は、取得情報を用いて、式(6.2)により、入力電圧推定値Vin_estを算出する。
なお、異常状態が連続して確定時間に達した場合のみ異常を確定するか、或いは、異常状態が中断しても、ある期間中の累積時間が確定時間に達した場合にも異常を確定するか等の詳細なロジックは、適宜設定してよい。
(1)特許文献1(特許第4793058号公報)に開示された従来技術では、各相の相電流と相電圧との積の三相和である第1出力推定値と、モータのトルク及び回転数の積に基づいて算出した第2出力推定値とを比較し、インバータ入力電圧センサの異常を判定する。この判定方法では、モータのトルク及び回転数が安定した状態で異常を判定しないと、誤判定が生じるおそれがある。また、ハイブリッド自動車や電気自動車のMG駆動システムに適用される場合、インバータに高電圧が入力され、MGの駆動力が発生している領域でしか異常判定することができない。
さらに、ハイブリッド自動車や電気自動車のMG駆動システム90に適用される場合、車両停止時や起動直後等の、駆動力がほぼ発生しない領域で異常診断を実施することができる。したがって、異常と判定された場合、車両をそのまま停止させることができる。
それに対し、本実施形態では、入力電圧センサの異常判定のためにバッテリ電圧信号を用いる必要がない。したがって、バッテリ11の出力電圧が直接インバータ60に入力されるシステムにおいて、バッテリ電圧センサの設定、及び、バッテリ電圧信号の通信が不要となる。
ディスチャージ処理の実行中、電流指令演算部21は、コンデンサ16の残電荷を熱として消費させるためのd軸電流指令Id*を非ゼロとし、MG80にトルクを発生させるq軸電流指令Iq*をゼロとするように電流指令を演算する。これにより、ディスチャージ処理の実行中に車両が不意に動くことを回避しつつ、コンデンサ16の残電荷を好適に消費させることができる。
第2実施形態によるMG制御装置202及び電圧センサ異常診断装置402の構成を図8に示す。
MG制御装置202は、第1実施形態のMG制御装置201に対し、理論電圧指令演算部24、制御電圧指令振幅算出部27及び理論電圧指令振幅算出部28を有しない。電圧センサ異常診断装置402は、第1実施形態の電圧センサ異常診断装置401に対し、更に二相通電位置判定部44を有する。また、入力電圧推定値算出部452は、電流センサ72、73によって検出された相電流検出値Iv、Iwを取得する点が異なる。その他、実質的に同一の構成については、図8に、図2と同一の符号を付して説明を省略する。
ここで、MG80の停止位置に応じて、三相のうち一相(例えばU相)の軸に電流位相が直交するとき、図9(a)に示すように、その一相に流れる相電流Iuがゼロとなる。それ以外のとき、図9(b)に示すように、三相に非ゼロの相電流が流れる。
図9(a)の二相通電位置では、非ゼロである二相の電流Iw、Ivは符号が反転した関係となる。また、正の相電流Iwの収束値、又は、負の相電流Ivの収束値の絶対値である直流電流Idcは、バッテリ電流に等しくなる。
また、図10に、インバータ60及びMG80を含むRLC回路を示す。このRLC回路において、抵抗成分R及びインダクタンス成分Lは、主にMG80の巻線81、82、83の抵抗及びインダクタンスに起因し、容量成分Cは、コンデンサ16の容量、スイッチング素子の接合容量、その他の浮遊容量等に起因する。
入力電圧推定値算出部452は、上記の直流電流Idc及び回路定数R、L、Cに基づいてRLC回路方程式を解き、入力電圧推定値Vin_estを算出する。
S41では、低回転領域判定部43は、現在のMG80の回転数ωが低回転領域にあるか否か判断し、NOの場合、処理を終了する。第2実施形態の異常診断は、ディスチャージ処理時以外にも、MG駆動中の低回転領域において、トルク発生有無に関わらず実施することができる。
S42でNOの場合、S43では、電流指令演算部21が演算したq軸電流指令Iq*に基づき、MG80を二相通電位置まで回転させるようにq軸電流Iqが通電される。S43の実行後、再びS42の判定がされる。
(1)図1には、一つのMGを備えたシステム構成を例示しているが、本発明は、二つ以上のMGを備えたシステムにも同様に適用可能である。具体的には、主に発電機として機能するMG1、及び、主に電動機として機能するMG2を備えたシリーズパラレル方式のハイブリッド自動車等に適用することができる。その場合、MG1、MG2をそれぞれ駆動する二つのインバータが並列に設けられており、インバータ入力電圧Vinは、二つのインバータに共通に入力される。したがって、いずれか一方のMGの通電を制御する回路に電圧センサ異常診断装置を設けることにより、異常診断が可能である。
その場合、昇圧制御のためにバッテリ電圧情報が必要となるため、基本的にバッテリ電圧センサを無くすことはできない。ただし、低回転領域でインバータ入力電圧センサの異常診断が可能であるという効果については、上記実施形態と同様に得られる。
さらに、ハイブリッド自動車や電気自動車のMG駆動システムに限らず、一般機械用等、どのような用途のモータ駆動システムに適用されてもよい。
p:微分演算子
R:巻線抵抗
L:自己インダクタンス
M:相互インダクタンス
ω:電気角速度(又は回転数)
φ:逆起電圧定数
なお、L、Mの添え字は、相、又は相間を示す。
201、202・・・MG制御装置(モータ制御装置)、
401、402・・・電圧センサ異常診断装置、
43・・・低回転領域判定部、
451、452・・・入力電圧推定値算出部、
46・・・異常判定部、
5 ・・・入力電圧センサ、
60・・・インバータ
80・・・MG(交流モータ)。
Claims (8)
- 直流電源(11)に接続されたインバータ(60)が供給する交流電力により駆動される三相以上の多相の交流モータ(80)の通電を制御するモータ制御装置(201、202)に適用され、前記インバータに入力されるインバータ入力電圧(Vin)を検出する入力電圧センサ(5)の異常を診断する電圧センサ異常診断装置であって、
前記交流モータの回転数が実質的にゼロに等しい領域である低回転領域にあることを判定する低回転領域判定部(43)と、
前記低回転領域において、前記インバータ入力電圧の推定値である入力電圧推定値(Vin_est)を算出する入力電圧推定値算出部(451、452)と、
前記入力電圧センサによる検出値である入力電圧センサ値(Vin_sns)と前記入力電圧推定値との差の絶対値が電圧閾値(Vth)より大きいとき、前記入力電圧センサが異常であると判定する異常判定部(46)と、
を備える電圧センサ異常診断装置。 - 前記モータ制御装置(201)は、電流フィードバック制御により演算された電圧指令に基づいて演算され、前記インバータを構成する複数の上下アームのスイッチング素子対をスイッチング周期において相補的にON/OFFするスイッチング信号により、前記インバータのスイッチング動作を操作するものであり、
前記入力電圧推定値算出部(451)は、
フィードバック制御により演算される制御電圧指令の振幅であり、前記スイッチング素子対のON期間同士の間に設けられるデッドタイム分の電圧補正量が補正された制御電圧指令振幅(Vamp_ctrl)から、モータモデル式を用いて演算される理論電圧指令の振幅である理論電圧指令振幅(Vamp_thr)を差し引いた電圧指令振幅偏差(ΔVamp)に変換係数を乗じて、入力電圧推定値を算出する請求項1に記載の電圧センサ異常診断装置。 - 前記交流モータは三相交流モータであり、
前記モータ制御装置は、三相軸をdq軸に変換するベクトル制御を行うものであり、
前記モータモデル式は、dq軸電流値及び電気角速度に基づいてdq軸電圧値を算出する電圧方程式である請求項2に記載の電圧センサ異常診断装置。 - 前記交流モータの回転数が前記低回転領域であり、前記モータ制御装置が演算するd軸電流指令又はq軸電流指令の少なくとも一方が非ゼロのとき、前記入力電圧センサの異常診断を実施する請求項3に記載の電圧センサ異常診断装置。
- 前記交流モータの回転数が前記低回転領域であり、前記モータ制御装置が演算するd軸電流指令が非ゼロ、且つ、q軸電流指令がゼロのとき、前記入力電圧センサの異常診断を実施する請求項4に記載の電圧センサ異常診断装置。
- 前記インバータと前記直流電源との間に電力経路を遮断可能な電源リレー(12)が設けられ、前記インバータの入力部にコンデンサ(16)が設けられたシステムにおいて前記交流モータの通電を制御するモータ制御装置に適用され、
前記電源リレーによる電力経路の遮断後、前記コンデンサの残電荷を前記交流モータに熱として放電させるディスチャージ処理を前記モータ制御装置が実行中に、前記入力電圧センサの異常診断を実施する請求項5に記載の電圧センサ異常診断装置。 - 前記交流モータは三相交流モータであり、
前記低回転領域において、三相のうち一相に流れる相電流がゼロとなり、他の二相に流れる相電流が非ゼロとなる回転位置を二相通電位置とすると、
前記入力電圧推定値算出部(452)は、
前記二相通電位置で二相に流れる直流電流(Idc)、並びに、前記インバータ及び前記交流モータを含む回路の抵抗成分、インダクタンス成分、及び容量成分の回路定数に基づいて入力電圧推定値を算出する請求項1に記載の電圧センサ異常診断装置。 - 前記交流モータの回転位置が前記二相通電位置とは異なるとき、前記交流モータを前記二相通電位置まで回転させるトルクを発生するq軸電流を指令するように、前記モータ制御装置に通知する請求項7に記載の電圧センサ異常診断装置。
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