WO2020145069A1 - モータの回転角センサの異常診断装置並びにモータ制御装置 - Google Patents

モータの回転角センサの異常診断装置並びにモータ制御装置 Download PDF

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佐藤　弘明
安島　俊幸
永呉 岸本
恒平 明円
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load

Definitions

  • the present invention relates to an abnormality diagnosis device that diagnoses an abnormality of a rotation angle sensor that detects a rotation angle of a motor, and a motor control device including the abnormality diagnosis device.
  • the main motor in an electric vehicle is equipped with a sensor such as a resolver to detect the rotation angle of the motor.
  • a disconnection failure of the sine/cosine winding of a resolver is detected from the calculation result of the square root sum of squares of the sine/cosine signal, or a means for estimating the rotation angle is provided separately from the resolver, and the two are compared. It is detected (for example, see Patent Document 1).
  • the Hilbert transformer is used to delay (or advance) the phase of the sine/cosine signal output from the sine/cosine winding by 90 degrees.
  • the rotation angle is estimated from the signal to detect the abnormality of the resolver. Therefore, it takes time to detect the disconnection failure. Further, it is difficult to shift the phase by 90 degrees while accurately preserving the amplitude by the Hilbert transform at any rotation speed of the motor. For this reason, the accuracy of failure detection may decrease or erroneous detection may occur due to manufacturing variations in resolvers and operating states of the motor.
  • the present invention provides an abnormality diagnosis device for a rotation angle sensor that can improve the accuracy and reliability of failure detection of a motor rotation angle sensor such as a resolver, and a motor control device including the abnormality diagnosis device.
  • an abnormality diagnosis device for a rotation angle sensor uses a first sine signal or a first cosine signal extracted from a two-phase signal output from a rotation angle sensor provided in a motor. Based on at least one of the first sine signal and the first cosine signal, the first electrical angle is calculated based on whether the rotation angle sensor is abnormal or not. Based on at least one of the electrical angle calculation unit, the second cosine signal calculated from the first sine signal, and the second sine signal calculated from the first cosine signal, the second A second electrical angle calculation unit that calculates an electrical angle and an abnormality determination unit that determines whether or not there is an abnormality in the rotation angle sensor based on the first electrical angle and the second electrical angle are provided.
  • a motor control device is based on a motor, a rotation angle sensor provided in the motor, an inverter for supplying electric power to the motor, and a two-phase signal output from the rotation angle sensor. And a control unit for controlling the inverter, the abnormality of the rotation angle sensor based on the first sine signal or the first cosine signal extracted from the two-phase signal output from the rotation angle sensor.
  • the abnormality diagnosis device is provided with an abnormality diagnosis device for determining the presence or absence of the rotation angle sensor, and the abnormality diagnosis device is the rotation angle sensor abnormality diagnosis device according to the present invention.
  • the accuracy and reliability of failure detection of the rotation angle sensor of the motor can be improved.
  • the structure of the motor control apparatus which is one embodiment is shown.
  • the structure of the abnormality detection part in FIG. 1 is shown.
  • the example of a waveform of each signal in an abnormality detection part is shown.
  • the example of a waveform of each signal in an abnormality detection part is shown.
  • FIG. 1 shows the configuration of a motor control device that is an embodiment of the present invention.
  • the motor control device 500 has a motor 300, a motor drive device 100, and an abnormality detection unit 400.
  • the motor drive device 100 has a current detection unit 120, a current control unit 110, an inverter 130, a rotational position detection unit 150, and an excitation unit 160.
  • the battery 200 is a DC voltage source of the motor drive device 100.
  • the DC power stored in the battery 200 is converted by the inverter 130 of the motor drive device 100 into three-phase AC power of variable voltage/variable frequency.
  • the inverter 130 supplies the three-phase AC power to the motor 300.
  • the motor 300 is a synchronous motor that is rotationally driven by the supply of three-phase AC power.
  • a permanent magnet synchronous motor is applied as the motor 300.
  • a resolver 320 is attached to the motor 300 as a rotation angle sensor in order to control the phase of the three-phase AC voltage according to the phase of the induced voltage of the motor 300.
  • the resolver 320 receives the excitation signal (sin ⁇ t) from the excitation unit 160 and outputs two-phase signals (sin ⁇ sin ⁇ t, cos ⁇ sin ⁇ t) whose phases are shifted by 90° ( ⁇ : rotation angle of the motor). It should be noted that the amplitude of the signal is omitted in the mathematical expressions showing each signal in the figure.
  • the resolver 320 is composed of an iron core and a winding wire, it has excellent resistance to use environment, but a GMR sensor or a sensor using a Hall element may be applied as the rotation angle sensor.
  • the motor drive device 100 has a current control function for controlling the output of the motor 300, but in the present embodiment, so-called vector control is applied as follows.
  • the current detection unit 120 uses three-phase motor current values (Iu, Iv, Iw) detected by a current sensor (for example, CT (Current Transformer)) to rotate the motor detected by a rotation position detection unit 150 described later.
  • the dq conversion is performed according to the angle ⁇ , and the dq axis current detection value (Id, Iq) is output.
  • the current control unit 110 matches the dq-axis current detection value (Id, Iq) with the dq-axis current command value (Id*, Iq*) created by the host controller (not shown).
  • a dq-axis voltage command (Vd*, Vq*) is created and output.
  • the dq axis voltage command (Vd*, Vq*) is converted into a three-phase motor voltage command (Vu*, Vv*, Vw*) according to the rotation angle ⁇ , and the three-phase motor voltage command is converted.
  • a drive signal created by pulse width modulation (PWM) as a modulated wave is created. The drive signal controls ON/OFF of the semiconductor switch element that forms the main circuit of the inverter 130, so that the inverter 130 outputs three-phase voltages (Vu, Vv, Vw) according to the motor voltage command.
  • PWM pulse width modulation
  • the rotational position detector 150 calculates the rotation angle ⁇ of the motor based on S1 and C1.
  • the rotational position detecting unit 150 calculates a known means, for example, a means using a PLL (Phase Locked Loop), a means using numerical data of trigonometric functions (sin, cos, tan), and an arc tangent (tan ⁇ 1 ).
  • the rotation angle ⁇ of the motor is calculated by using such means.
  • the signals S1 and C1 are two phases of the resolver 320 at a timing ( ⁇ /2, 3 ⁇ /2, 5 ⁇ /2,%) That is an odd multiple of ⁇ /2 in terms of electrical angle in the excitation signal (sin ⁇ t). Of the output signal is sampled.
  • a sample and hold circuit for example, can be applied to the extraction of the signals S1 and C1.
  • the abnormality detection unit 400 receives the two signals S1 and C1 extracted from the output signal of the resolver 320, and detects the presence or absence of abnormality in the resolver 320 based on these signals.
  • the abnormality detection unit 400 detects an abnormality, it outputs an abnormality determination signal J1 for notifying the host controller (not shown) of the abnormality of the resolver 320.
  • the host control device Upon receiving the abnormality determination signal J1 from the abnormality detection unit 400, the host control device transmits an abnormal stop command signal to the motor drive device 100.
  • the motor drive device 100 receives the abnormal stop command signal, the drive of the inverter 130 is stopped, or the electric connection between the battery 200 and the inverter 130 is cut off to stop the motor 300.
  • FIG. 2 shows the configuration of the abnormality detection unit 400 in FIG.
  • the abnormality detection unit 400 includes a first electrical angle calculation unit 410, a second electrical angle calculation unit 420, and an abnormality determination unit 430.
  • the first electric angle calculation unit 410 calculates the first electric angle TH1 based on the signals S1 and C1 extracted from the output signal of the resolver 320.
  • the second electrical angle calculation unit 420 inputs a signal (C2) obtained by differentiating the signal S1 with respect to time and a signal (S2) obtained by multiplying the signal C1 by “ ⁇ 1” to invert the positive/negative and then differentiating with time.
  • the second electrical angle TH2 is calculated based on the signals S2 and C2.
  • the abnormality determination unit 430 receives the first electrical angle TH1 and the second electrical angle TH2 as input signals, determines whether there is an abnormality in the resolver 320 based on these signals, and outputs the determination result, that is, the abnormality determination signal J1. Is output.
  • the abnormality determination unit 430 determines whether or not there is an abnormality in the resolver 320 by determining whether the first electrical angle TH1 and the second electrical angle TH2 match.
  • the abnormality determination unit 430 determines that the resolver 320 is normal and outputs an abnormality determination signal J1 indicating normality.
  • the abnormality determination unit 430 determines that the resolver 320 is abnormal and outputs an abnormality determination signal J1 indicating abnormality.
  • FIG. 3 shows a waveform example of each signal (S1, C1, S2, C2, TH1, TH2) in the abnormality detection unit 400. Note that at time T1 in FIG. 3, a disconnection fault has occurred in the sin winding of the resolver 320 (the winding that outputs the signal sin ⁇ sin ⁇ t (amplitude omitted) during normal operation).
  • the abnormality determination unit 430 can detect the abnormality early when the resolver 320 has an abnormality by determining the presence or absence of the abnormality of the resolver 320 depending on whether TH1 and TH2 match. it can. As a result, when an abnormality occurs in the resolver 320, the motor control device 500 can be stopped early.
  • the amplitude may change depending on the rotation angle even in the normal state.
  • the state of each signal (S1, C1, S2, C2, TH1, TH2) in the abnormality detection unit 400 when an abnormality occurs in the resolver 320 will be described.
  • FIG. 4 shows a waveform example of each signal (S1, C1, S2, C2, TH1, TH2) in the abnormality detection unit 400.
  • the amplitudes of S1 and C1 fluctuate within a range of ⁇ 10% depending on the rotation angle. Note that at time T1 in FIG. 4, a disconnection fault has occurred in the sin winding of the resolver 320 (the winding that outputs the signal sin ⁇ sin ⁇ t (amplitude omitted) during normal operation).
  • the abnormality detection unit 400 can detect the presence or absence of abnormality of the resolver with high accuracy and reliability. it can.
  • the abnormality determination unit 430 including means for determining whether there is an abnormality in the resolver and preventing erroneous detection, and the operation of the abnormality detection unit 400 including this abnormality determination unit 430.
  • FIG. 5 shows a configuration example of the abnormality determination unit 430 in FIG.
  • the abnormality determination unit 430 includes an absolute value calculation unit 431, a threshold value determination unit 432, and a normal frequency and abnormal frequency counting unit 433.
  • the absolute value calculation unit 431 calculates the absolute value of the difference between the first electrical angle TH1 and the second electrical angle TH2.
  • the threshold determination unit 432 determines whether the absolute value of the difference between TH1 and TH2 calculated by the absolute value calculation unit 431 is equal to or larger than a predetermined threshold.
  • the normal number and abnormal number counting unit 433 counts (counts) the number of times that the resolver is detected to be normal and the number of times that the resolver is detected to be abnormal, based on the determination result of the threshold value determination unit 432. ..
  • the normal count/abnormality count unit 433 determines that the number of times detected as abnormal is equal to or larger than a predetermined threshold value, it outputs an abnormality determination signal J1 indicating that the resolver 320 is abnormal.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the abnormality detection unit 400 including the abnormality determination unit 430 shown in FIG.
  • step S1 the abnormality detection unit 400 starts the operation of detecting the presence/absence of abnormality of the resolver 320.
  • step S2 the abnormality detection unit 400 acquires a signal S1 that is a sine signal (related to sin ⁇ ) and a signal C1 that is a cosine signal (related to cos ⁇ ). Further, based on the acquired S1 and C1, the first electrical angle calculation unit 410 in the abnormality detection unit 400 calculates the first electrical angle TH1.
  • step S3 the abnormality detection unit 400 calculates a signal S2 which is a sine signal by multiplying C1 by "-1" and time differentiating "-C1" by a differentiator. Further, the abnormality detection unit 400 calculates the signal C2, which is a cosine signal, by differentiating S1 with time using another differentiator.
  • step S4 the second electrical angle calculation unit 420 in the abnormality detection unit 400 calculates the second electrical angle TH2 based on S2 and C2 calculated in step S3.
  • step S5 the absolute value calculation unit 431 included in the abnormality determination unit 430 of the abnormality detection unit 400 calculates the absolute value (
  • step S6 the threshold determination unit 432 included in the abnormality determination unit 430 determines whether the absolute value of the difference between TH1 and TH2 calculated in step S6 is equal to or greater than a preset threshold. If this absolute value is greater than or equal to the threshold value (YES in step S6), then step S7 is executed. If it is smaller than the threshold value (NO in step S6), then step S10 is executed.
  • step S7 the normal frequency and abnormal frequency counting section 433 provided in the abnormality determining section 430 determines that the absolute value of the difference between TH1 and TH2 is greater than or equal to the threshold value in step S6, so the resolver 320 is abnormal. If it is determined that the abnormal number (abnormal determination number) is counted up once, the normal number (normal determination number) already counted at the present time is reset. When step S7 is executed, then step S8 is executed.
  • step S8 the normal/abnormal number counting unit 433 determines whether or not the number of abnormalities already counted at this time (abnormality determination number) is equal to or greater than a preset threshold value. If the number of abnormalities is greater than or equal to the threshold value (YES in step S8), then step S9 is executed, and if smaller than the threshold value (NO in step S8), the abnormality detection unit 400 ends the series of operations.
  • step S9 the normal frequency and abnormal frequency counting unit 433 determines that the abnormal frequency is equal to or greater than the threshold value in step S8. Therefore, it is determined that the abnormality of the resolver 320 has occurred, and the abnormality of the resolver 320 is determined as the abnormal stop processing. If it shows, the abnormality determination signal J1 is transmitted to the host controller.
  • step S9 the abnormality detection unit 400 ends the series of operations.
  • step S10 the normal frequency and abnormal frequency counting unit 433 determines that the resolver 320 is normal because the absolute value of the difference between TH1 and TH2 is determined to be smaller than the threshold value in step S6.
  • the normal count (normal judgment count) is incremented by one.
  • step S11 the normal count and abnormal count counting unit 433 determines whether or not the normal count (normal determination count) already counted at this point is equal to or greater than a preset threshold value. If the number of normal times is equal to or more than the threshold value (YES in step S11), step S12 is executed next, and if it is smaller than the threshold value (NO in step S11), the abnormality detection unit 400 ends the series of operations.
  • step S12 the normal count/abnormal count counting unit 433 determines that the normal count is equal to or greater than the threshold in step S11, and therefore the resolver 320 is determined to be normal and is already counted at this time. Reset the error count (error count).
  • step S8 is executed next.
  • the abnormality detection unit 400 ends a series of operations.
  • the number of times an abnormality is detected and the number of times a normality is detected are respectively counted, and based on these numbers. , Resolver 320 abnormality and normality are determined. As a result, erroneous detection of abnormality can be prevented, and highly accurate abnormality detection can be performed.
  • the first sine signal S1 for example, Asin ⁇
  • the first sine signal S1 for example, Asin ⁇
  • the first cosine signal C1 for example, Acos ⁇ (normal), Bcos ⁇ +C (abnormal): A ⁇ B
  • a first electrical angle calculation unit 410 that calculates the first electrical angle TH1, a second cosine signal C2 that is calculated from S1 by time differentiation, and a second sine signal that is calculated from C1 by time differentiation.
  • a second electrical angle calculation unit 420 that calculates a second electrical angle TH2 based on at least one of the signals of S2, and an abnormality determination unit that determines whether there is an abnormality in the resolver 320 based on TH1 and TH2.
  • the presence or absence of abnormality of the resolver can be detected with high accuracy or high reliability by including 430.
  • the difference of the cosine signal with respect to the predetermined time width and the difference of the sine signal with respect to the predetermined time width may be used.
  • each electrical angle is not limited to arc tangent (tan ⁇ 1 : arctangent) calculation, and arc sine (sin ⁇ 1 : arc sine) calculation or arc cosine (cos ⁇ 1 : arc cosine) calculation may be used. ..
  • the present embodiment can be applied to not only the resolver 320 but also a rotation angle sensor that outputs a two-phase signal.
  • the present embodiment can be applied to a GMR sensor or the like.
  • the first and second electric angles are calculated, but not limited to the electric angle, a map for calculating a physical quantity according to S1 and C1 or other functions may be used.
  • the motor may be a winding field type synchronous motor.
  • 100...Motor drive device 110...Current control unit, 120...Current detection unit, 130... Inverter, 150... Rotational position detection part, 160... Excitation part, 200... Battery, 300... Motor, 320... Resolver, 400... Abnormality detecting section, 410... First electrical angle computing section, 420... Second electrical angle computing section, 430... Abnormality determination unit, 431... Absolute value calculation unit, 432... Threshold value determination unit, 433... Normal number and abnormal number counting unit, 500... Motor control device

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Abstract

回転角センサの異常診断装置は、モータに設けられる回転角センサ（３２０）の出力信号から抽出される第１の正弦信号（Ｓ１）または第１の余弦信号（Ｃ１）に基づいて回転角センサの異常の有無を判定し、第１の正弦信号と第１の余弦信号の少なくとも一方の信号に基づいて第１の電気角（ＴＨ１）を演算する第１の電気角演算部（４１０）と、第１の正弦信号から演算される第２の余弦信号（Ｃ２）と第１の余弦信号から演算される第２の正弦信号（Ｓ２）の内の少なくとも一方の信号に基づいて第２の電気角（ＴＨ２）を演算する第２の電気角演算部（４２０）と、第１および第２の電気角に基づいて、回転角センサの異常を判定する異常判定部（４３０）とを備える。これにより、モータの回転角センサの故障検出の精度や信頼性を向上できる。

Description

モータの回転角センサの異常診断装置並びにモータ制御装置
　本発明は、モータの回転角を検出する回転角センサの異常を診断する異常診断装置並びにこれを備えるモータ制御装置に関する。
　電動化車両における主機モータでは、モータの回転角を検出するためにレゾルバなどのセンサが設けられている。
　レゾルバを使用したモータの回転角検出システムでは、レゾルバの故障を早期に検知することが要求される。レゾルバの故障としては、レゾルバ出力巻線である正弦・余弦巻線の断線故障の比率が高い。一般に、レゾルバの正弦・余弦巻線の断線故障は、正弦・余弦信号の二乗和平方根の計算結果から検知したり、レゾルバとは別に、回転角を推定する手段を設け、両者を比較することにより検知したりする（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９－１８３０３４号公報
　レゾルバの正弦・余弦巻線の断線故障検知に対しては、レゾルバの製造ばらつきやモータの運転状態に依らず確実に検知できることや、誤検知しないことが要求される。
　これに対し、前述の特許文献１に記載の従来技術では、ヒルベルト変換器を使用して、正弦・余弦巻線から出力される正弦・余弦信号の位相を９０度遅らせた（あるいは進ませた）信号から回転角を推定して、レゾルバの異常を検知する。このため、断線故障の検知に時間を要する。また、あらゆるモータの回転数において、ヒルベルト変換により、正確に振幅を保存したまま位相を９０度ずらすことは難しい。このため、レゾルバの製造ばらつきやモータの運転状態によって、故障検知の精度が低下したり、誤検知が発生したりする。
　そこで、本発明は、レゾルバなどのモータ回転角センサの故障検出の精度や信頼性を向上できる回転角センサの異常診断装置並びにこれを備えるモータ制御装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明による回転角センサの異常診断装置は、モータに設けられる回転角センサから出力される２相信号から抽出される第１の正弦信号または第１の余弦信号に基づいて回転角センサの異常の有無を判定するものであって、第１の正弦信号と第１の余弦信号の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第１の電気角を演算する第１の電気角演算部と、第１の正弦信号から演算される第２の余弦信号と、第１の余弦信号から演算される第２の正弦信号の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第２の電気角を演算する第２の電気角演算部と、第１の電気角および第２の電気角に基づいて、回転角センサの異常の有無を判定する異常判定部と、を備える。
　また、上記課題を解決するために、本発明によるモータ制御装置は、モータと、モータに設けられる回転角センサと、モータに電力を与えるインバータと、回転角センサから出力される２相信号に基づいて、インバータを制御する制御部と、を備えるものであって、回転角センサから出力される２相信号から抽出される第１の正弦信号または第１の余弦信号に基づいて回転角センサの異常の有無を判定する異常診断装置を備え、異常診断装置は上記本発明による回転角センサの異常診断装置である。
　本発明によれば、モータの回転角センサの故障検出の精度や信頼性を向上できる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
一実施形態であるモータ制御装置の構成を示す。 図１における異常検知部の構成を示す。 異常検知部における各信号の波形例を示す。 異常検知部における各信号の波形例を示す。 図２における異常判定部の構成例を示す。 図５に示す異常判定部を含む異常検知部の動作を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
　図１は、本発明の一実施形態であるモータ制御装置の構成を示す。
　モータ制御装置５００は、モータ３００とモータ駆動装置１００と異常検知部４００を有している。
　モータ駆動装置１００は、電流検出部１２０、電流制御部１１０、インバータ１３０、回転位置検出部１５０、励磁部１６０を有している。
　バッテリ２００は、モータ駆動装置１００の直流電圧源である。バッテリ２００に蓄電される直流電力は、モータ駆動装置１００のインバータ１３０によって、可変電圧・可変周波数の３相交流電力に変換される。インバータ１３０は、この３相交流電力をモータ３００に供給する。
　モータ３００は、３相交流電力の供給により回転駆動される同期モータである。なお、モータ３００として、例えば、永久磁石同期モータが適用される。
　モータ３００には、モータ３００の誘起電圧の位相に合わせて３相交流電圧の位相を制御するために、回転角センサとしてレゾルバ３２０が取り付けられている。レゾルバ３２０は、励磁部１６０からの励磁信号（sinωt）を受けて、互いに位相が９０°ずれた２相の信号（sinθsinωt、cosθsinωt)を出力する（θ：モータの回転角）。なお、図中において各信号を示す数式では、信号の振幅は省略している。
　レゾルバ３２０は、鉄心と巻線とから構成されるので、耐使用環境性に優れているが、回転角センサとしては、ＧＭＲセンサや、ホール素子を用いたセンサを適用してもよい。
　モータ駆動装置１００は、モータ３００の出力を制御するための電流制御機能を有しているが、本実施形態では、次のように、いわゆるベクトル制御が適用される。
　電流検出部１２０は、電流センサ（例えば、ＣＴ（Current Transformer））によって検出される３相のモータ電流値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を、後述する回転位置検出部１５０によって検出されるモータの回転角度θに応じてｄｑ変換して、ｄｑ軸電流検出値（Ｉｄ，Ｉｑ）を出力する。電流制御部１１０は、ｄｑ軸電流検出値（Ｉｄ，Ｉｑ）と、上位制御装置（図示せず）にて作成されるｄｑ軸電流指令値（Ｉｄ＊，Ｉｑ＊）とが一致するように、ｄｑ軸電圧指令（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）を作成して出力する。
　インバータ１３０においては、ｄｑ軸電圧指令（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）を回転角度θに応じて３相のモータ電圧指令（Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）に変換し、３相のモータ電圧指令を変調波とするパルス幅変調（ＰＷＭ）により作成されるドライブ信号が作成される。このドライブ信号によって、インバータ１３０における主回路を構成する半導体スイッチ素子をオン／オフ制御することにより、インバータ１３０は、モータ電圧指令に応じて３相の電圧（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を出力する。
　レゾルバ３２０の二つの出力信号（sinθsinωt，cosθsinωt）に応じて回転位置検出部１５０に入力される信号Ｓ１およびＣ１は、振幅をそれぞれＣおよびＳとすると、本実施形態においては、通常状態ではＣ＝Ｓ（＝Ａ）であるため、Ｓ１＝Ｓsinθ＝Ａsinθ、Ｃ１＝Ｃcosθ＝Ａcosθである。回転位置検出部１５０は、Ｓ１およびＣ１に基づいて、モータの回転角θを算出する。なお、回転位置検出部１５０は、公知の手段、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いる手段、三角関数（sin，cos，tan）の数値データを用いる手段、アークタンジェント（tan-1）を算出する手段などを用いて、モータの回転角θを算出する。
　なお、信号Ｓ１，Ｃ１は、励磁信号（sinωt）における電気角にしてπ／２の奇数倍のタイミング（π／２，３π／２，５π／２，・・・）で、レゾルバ３２０の２相の出力信号をサンプリングすることにより抽出される。信号Ｓ１，Ｃ１の抽出には、例えば、サンプル・ホールド回路が適用できる。
　異常検知部４００は、レゾルバ３２０の出力信号から抽出される２つの信号Ｓ１，Ｃ１を受信し、これらの信号に基づいてレゾルバ３２０における異常の有無を検知する。異常検知部４００は、異常を検知すると、上位制御装置（図示せず）にレゾルバ３２０の異常を通知する異常判定信号Ｊ１を出力する。上位制御装置は、異常検知部４００から異常判定信号Ｊ１を受けると、モータ駆動装置１００に対して異常停止指令信号を送信する。モータ駆動装置１００は、異常停止指令信号を受けると、インバータ１３０の駆動を停止したり、バッテリ２００とインバータ１３０の電気的接続を遮断したりすることにより、モータ３００を停止させる。
　図２は、図１における異常検知部４００の構成を示す。
　図２に示すように、異常検知部４００は、第１の電気角演算部４１０と、第２の電気角演算部４２０と、異常判定部４３０とを備えている。
　第１の電気角演算部４１０は、レゾルバ３２０の出力信号から抽出された信号Ｓ１およびＣ１に基づいて、第１の電気角ＴＨ１を演算する。
　第２の電気角演算部４２０は、信号Ｓ１を時間微分した信号（Ｃ２）と、信号Ｃ１に「－１」を乗じて正負を反転してから時間微分した信号（Ｓ２）を入力し、入力した信号Ｓ２およびＣ２に基づいて第２の電気角ＴＨ２を演算する。
　異常判定部４３０は、第１の電気角ＴＨ１と、第２の電気角ＴＨ２とを入力信号とし、これらの信号に基づいてレゾルバ３２０の異常の有無を判定し、判定結果である異常判定信号Ｊ１を出力する。
　本実施形態において、第１の電気角演算部４１０は、アークタンジェント（tan-1）演算部である。すなわち、第１の電気角演算部４１０は、信号Ｓ１（＝Ａsinθ（正常時））およびＣ１（＝Ａcosθ（正常時））に基づいて、アークタンジェント演算によって回転角θを演算して、演算したθを第１の電気角ＴＨ１として出力する。例えば、第１の電気角演算部４１０は、Ｓ１／Ｃ１（＝tanθ（正常時））を演算し、演算したＳ１／Ｃ１に基づいて、予め設定されるアークタンジェントの演算式や、θとtanθの関係を示す表データなどを用いて、θ（＝tan-1(S1/C1)）を演算する。
　本実施形態において、第２の電気角演算部４２０は、アークタンジェント（tan-1）演算部である。すなわち、第２の電気角演算部４２０は、信号Ｓ２（＝d(-C1)/dt=d(-Ａcosθ)/dt=Ａ(dθ/dt)・sinθ＝Ａωｍsinθ（正常時）（ωｍはモータの角速度）およびＣ２（＝d(S1)/dt=d(Ａsinθ)/dt=Ａ(dθ/dt)・cosθ＝Ａωｍcosθ（正常時））に基づいて、アークタンジェント演算によって回転角θを演算して、演算したθを第２の電気角ＴＨ２として出力する。例えば、第１の電気角演算部４１０は、Ｓ２／Ｃ２（＝tanθ）を演算し、演算したＳ２／Ｃ２に基づいて、予め設定されるアークタンジェントの演算式や、θとtanθの関係を示す表データなどを用いて、θ（＝tan-1(S2/C2)）を演算する。
　レゾルバ３２０が正常に動作している場合、信号Ｓ１の振幅（Ｓ）と信号Ｃ１の振幅（Ｃ）は等しく（Ｓ＝Ｃ＝Ａ（正常時））、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２は一致する。また、レゾルバ３２０が異常に動作している場合、信号Ｓ１の振幅（Ｓ）と信号Ｃ１の振幅（Ｃ）は異なるため（後述の図３参照）、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２は異なる。そこで、異常判定部４３０は、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２は一致するか否かを判定することによって、レゾルバ３２０の異常の有無を判定する。
　すなわち、異常判定部４３０は、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２が一致する場合、レゾルバ３２０は正常であると判定し、正常を示す異常判定信号Ｊ１を出力する。また、異常判定部４３０は、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２が一致せず異なる場合、レゾルバ３２０は異常であると判定し、異常を示す異常判定信号Ｊ１を出力する。
　ここで、レゾルバ３２０に異常が発生する場合における、異常検知部４００における各信号（Ｓ１，Ｃ１，Ｓ２，Ｃ２，ＴＨ１，ＴＨ２）の状態について説明する。
　図３は、異常検知部４００における各信号（Ｓ１，Ｃ１，Ｓ２，Ｃ２，ＴＨ１，ＴＨ２）の波形例を示す。なお、図３中の時刻Ｔ１において、レゾルバ３２０のsin巻線（正常時に信号sinθsinωt（振幅省略）を出力する巻線）に断線故障が発生している。
　図３に示すように、時刻Ｔ１までは、レゾルバ３２０は正常に動作しているので、Ｓ１はＡsinθ、Ｃ１はＡcosθである。この場合、Ｃ１の時間微分であるＳ２はＡωｍsinθとなり、Ｓ１の時間微分であるＣ２はＡωｍcosθとなる。このとき、第１の電気角ＴＨ１、第２の電気角ＴＨ２はともにtan-1(sinθ/cosθ)となり、図３中の「角度ＴＨ」が示すように、ＴＨ１とＴＨ２は一致している。
　断線故障が発生した時刻Ｔ１以降、Ｓ１は、例えばＢsinθ＋Ｃのように、正常時とは振幅が異なるとともに、オフセットを有する。なお、Ｃ１は、正常時と同様にＡcosθである。したがって、ＴＨ１＝tan-1(S1/C1)=tan-1{(Bsinθ+C)/(Acosθ)}となる。また、Ｃ１の時間微分であるＳ２はＡωｍsinθとなり、Ｓ１の時間微分であるＣ２はＢωｍcosθとなる。したがって、ＴＨ２＝tan-1(S2/C2)=tan-1{(Asinθ/(Bcosθ)}となり、ＴＨ２はＴＨ１とは一致しない。この場合、図３中の「角度ＴＨ」が示すように、ＴＨ１とＴＨ２は一致せず、異なる波形を描く。
　図３に示すように、レゾルバ３２０が正常である場合、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２は一致するが、断線故障が発生すると、即座に、ＴＨ１とＴＨ２との間に不一致が生じる。したがって、異常判定部４３０は、ＴＨ１とＴＨ２は一致するか否かに応じてレゾルバ３２０の異常の有無を判定することにより、レゾルバ３２０に異常が発生した場合には早期に異常を検知することができる。これにより、レゾルバ３２０に異常が発生した場合、早期にモータ制御装置５００を停止させることができる。
　また、S2/C2=(dC1/dt)/(dS1/dt)であるから、レゾルバの異常時に、Ｃ１およびＳ１の振幅やオフセットが、互いに異なれば、S1/C1とS2/C2は異なる。したがって、使用するレゾルバごとに、製造ばらつきによる出力信号の大きさにばらつきがあっても、同じレゾルバであれば、異常時に、S1/C1とS2/C2は異なる。これにより、本実施形態によれば、レゾルバの製造ばらつきがあっても、確実に異常を検知することができる。
　なお、レゾルバ３２０のcos巻線およびsin巻線の出力信号に応じた信号Ｃ１，Ｓ１においては、正常時であっても、回転角に依存して振幅が変化する場合がある。次に、このようなレゾルバ３２０に異常が発生する場合における、異常検知部４００における各信号（Ｓ１，Ｃ１，Ｓ２，Ｃ２，ＴＨ１，ＴＨ２）の状態について説明する。
　図４は、異常検知部４００における各信号（Ｓ１，Ｃ１，Ｓ２，Ｃ２，ＴＨ１，ＴＨ２）の波形例を示す。本波形例では、レゾルバの正常時において、回転角に応じてＳ１、Ｃ１の振幅が±１０％の範囲内で変動する場合を示している。なお、図４中の時刻Ｔ１において、レゾルバ３２０のsin巻線（正常時に信号sinθsinωt（振幅省略）を出力する巻線）に断線故障が発生している。
　図４に示すように、正常時において、信号Ｓ１の振幅が±１０％の範囲内で変動する場合、Ｓ１を時間微分した信号Ｃ２も±１０％の範囲内で変動する。信号Ｃ１およびＳ２についても同様である。このため、図４中の「角度ＴＨ」が示すように、正常時において、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２は一致する。なお、断線故障時においては、図３の場合と同様に、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２は一致せず、互いに異なる。したがって、正常時において、信号Ｓ１およびＣ１の振幅の大きさが時間的に変動する場合においても、本実施形態における異常検知部４００によって、高精度かつ確実にレゾルバの異常の有無を検知することができる。
　次に、レゾルバの異常の有無を判定するとともに、誤検知を防止する手段を備えた異常判定部４３０の構成およびこの異常判定部４３０を含む異常検知部４００の動作について説明する。
　図５は、図２における異常判定部４３０の構成例を示す。
　異常判定部４３０は、絶対値算出部４３１と、閾値判定部４３２と、正常回数および異常回数カウント部４３３とを備える。
　絶対値算出部４３１は、第１の電気角ＴＨ１と第２の電気角ＴＨ２の差分の絶対値を算出する。
　閾値判定部４３２は、絶対値算出部４３１によって算出されるＴＨ１とＴＨ２の差分の絶対値が所定の閾値以上であるかを判定する。
　正常回数および異常回数カウント部４３３は、閾値判定部４３２の判定結果に基づいて、レゾルバが正常であると検知された回数と、レゾルバが異常であると検知された回数とを計数（カウント）する。正常回数および異常回数カウント部４３３は、異常であると検知された回数が所定の閾値以上であると判定すると、レゾルバ３２０が異常であることを示す異常判定信号Ｊ１を出力する。
　図６は、図５に示す異常判定部４３０を含む異常検知部４００の動作を示すフローチャートである。
　ステップＳ１において、異常検知部４００は、レゾルバ３２０の異常の有無を検知する動作を開始する。
　次に、ステップＳ２において、異常検知部４００は、正弦信号（sinθと関係）である信号Ｓ１と余弦信号（cosθと関係）である信号Ｃ１を取得する。さらに、取得されたＳ１，Ｃ１に基づいて、異常検知部４００における第１の電気角演算部４１０は、第１の電気角ＴＨ１を算出する。
　次に、ステップＳ３において、異常検知部４００は、Ｃ１に「－１」を乗じてから微分器によって「－Ｃ１」を時間微分することにより、正弦信号である信号Ｓ２を算出する。また、異常検知部４００は、他の微分器によって、Ｓ１を時間微分することにより、余弦信号である信号Ｃ２を算出する。
　次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出されたＳ２，Ｃ２に基づいて、異常検知部４００における第２の電気角演算部４２０は、第２の電気角ＴＨ２を算出する。
　次に、ステップＳ５において、異常検知部４００における異常判定部４３０が備える絶対値算出部４３１は、ＴＨ１とＴＨ２との差分の絶対値（｜ＴＨ１－ＴＨ２｜）を算出する。
　次に、ステップＳ６において、異常判定部４３０が備える閾値判定部４３２は、ステップＳ６で算出されたＴＨ１とＴＨ２との差分の絶対値が、予め設定される閾値以上であるかを判定する。この絶対値が閾値以上であれば（ステップＳ６のＹＥＳ）、次にステップＳ７が実行され、閾値よりも小さければ（ステップＳ６のＮＯ）、次にステップＳ１０が実行される。
　ステップＳ７において、異常判定部４３０が備える正常回数および異常回数カウント部４３３は、ステップＳ６でＴＨ１とＴＨ２との差分の絶対値が閾値以上であると判定されているので、レゾルバ３２０が異常であると判定されたとして、異常回数（異常判定回数）を１回カウントアップするとともに、現時点ですでにカウントされている正常回数（正常判定回数）をリセットする。ステップＳ７が実行されると、次にステップＳ８が実行される。
　ステップＳ８において、正常回数および異常回数カウント部４３３は、現時点ですでにカウントされている異常回数（異常判定回数）が予め設定される閾値以上であるかを判定する。異常回数が閾値以上であれば（ステップＳ８のＹＥＳ）、次にステップＳ９が実行され、閾値よりも小さければ（ステップＳ８のＮＯ）、異常検知部４００は一連の動作を終了する。
　ステップＳ９において、正常回数および異常回数カウント部４３３は、ステップＳ８で異常回数が閾値以上であると判定したので、レゾルバ３２０の異常の発生が確定されたとして、異常停止処理としてレゾルバ３２０の異常を示すと異常判定信号Ｊ１を上位制御装置へ送信する。ステップＳ９が実行されると、異常検知部４００は一連の動作を終了する。
　ステップＳ１０において、正常回数および異常回数カウント部４３３は、ステップＳ６でＴＨ１とＴＨ２との差分の絶対値が閾値よりも小さいと判定されているので、レゾルバ３２０が正常であると判定されたとして、正常回数（正常判定回数）を１回カウントアップする。ステップＳ１０が実行されると、次にステップＳ１１が実行される。
　ステップＳ１１において、正常回数および異常回数カウント部４３３は、現時点ですでにカウントされている正常回数（正常判定回数）が予め設定される閾値以上であるかを判定する。正常回数が閾値以上であれば（ステップＳ１１のＹＥＳ）、次にステップＳ１２が実行され、閾値よりも小さければ（ステップＳ１１のＮＯ）、異常検知部４００は一連の動作を終了する。
　ステップＳ１２において、正常回数および異常回数カウント部４３３は、ステップＳ１１で正常回数が閾値以上であると判定したので、レゾルバ３２０が正常であることが確定されたとして、現時点ですでにカウントされている異常回数（異常判定回数）をリセットする。ステップＳ１２が実行されると、次にステップＳ８が実行される。異常検知部４００は一連の動作を終了する。
　図５に示した異常判定部４３０の構成および図６に示した異常検知部４００の動作によれば、異常が検知された回数および正常が検知された回数をそれぞれカウントし、これら回数に基づいて、レゾルバ３２０の異常および正常が確定される。これにより、異常の誤検知が防止され、確度の高い異常検知ができる。
　上述のように、本実施形態によれば、余弦信号および正弦信号からそれぞれ正弦信号および余弦信号を演算できることから、レゾルバが出力する２相信号から抽出される第１の正弦信号Ｓ１（例えば、Ａsinθ（正常時）、Ｂsinθ＋Ｃ（異常時）：Ａ≠Ｂ）と第１の余弦信号Ｃ１（例えば、Ａcosθ（正常時）、Ｂcosθ＋Ｃ（異常時）：Ａ≠Ｂ）の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第１の電気角ＴＨ１を演算する第１の電気角演算部４１０と、Ｓ１から時間微分によって演算される第２の余弦信号Ｃ２と、Ｃ１から時間微分によって演算される第２の正弦信号Ｓ２の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第２の電気角ＴＨ２を演算する第２の電気角演算部４２０と、ＴＨ１およびＴＨ２に基づいて、レゾルバ３２０の異常の有無を判定する異常判定部４３０とを備えることにより、レゾルバの異常の有無を高精度で、もしくは高い信頼性で検知することができる。
　なお、時間微分に替えて、所定の時間幅に対する余弦信号の差分、および所定の時間幅に対する正弦信号の差分を用いてもよい。
　また、各電気角は、アークタンジェント（tan-1：逆正接）演算に限らず、アークサイン（sin-1：逆正弦）演算やアークコサイン（cos-1：逆余弦）演算を用いてもよい。アークサイン（sin-1：逆正弦）演算やアークコサイン（cos-1：逆余弦）演算を用いる場合は、Ｃ１およびＳ１の正常時における振幅の大きさを示す情報（Ａ）を取得し、例えば、TH1=cos-1(C1/A)とTH2=cos-1(C2/A)に基づいてレゾルバ３２０の異常の有無を判定したり、TH1=sin-1(S1/A)とTH2=sin-1(S2/A)に基づいてレゾルバ３２０の異常の有無を判定したりする。
　また、本実施形態は、レゾルバ３２０に限らず、２相信号を出力する回転角センサに適用できる。例えば、本実施形態は、ＧＭＲセンサなどにも適用できる。
　なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
　例えば、上記実施形態では、第１および第２の電気角が演算されたが、電気角に限らず、Ｓ１とＣ１に応じた物理量を演算するマップや、その他の関数でも良い。
　また、モータは、巻線界磁型の同期モータでもよい。
１００…モータ駆動装置、１１０…電流制御部、１２０…電流検出部、
１３０…インバータ、１５０…回転位置検出部、１６０…励磁部、
２００…バッテリ、３００…モータ、３２０…レゾルバ、
４００…異常検知部、４１０…第１の電気角演算部、４２０…第２の電気角演算部、
４３０…異常判定部、４３１…絶対値算出部、４３２…閾値判定部、
４３３…正常回数および異常回数カウント部、５００…モータ制御装置

Claims (15)

  1. 　モータに設けられる回転角センサから出力される２相信号から抽出される第１の正弦信号または第１の余弦信号に基づいて前記回転角センサの異常の有無を判定する回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第１の正弦信号と前記第１の余弦信号の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第１の電気角を演算する第１の電気角演算部と、
    　前記第１の正弦信号から演算される第２の余弦信号と、前記第１の余弦信号から演算される第２の正弦信号の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第２の電気角を演算する第２の電気角演算部と、
    　前記第１の電気角および前記第２の電気角に基づいて、前記回転角センサの異常の有無を判定する異常判定部と、を備えることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  2. 　請求項１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第１の電気角演算部は前記第１の正弦信号に基づいて、前記第１の電気角を演算し、かつ前記第２の電気角演算部は前記第２の正弦信号に基づいて、前記第２の電気角を演算するか、もしくは、
    　前記第１の電気角演算部は前記第１の余弦信号に基づいて、前記第１の電気角を演算し、かつ前記第２の電気角演算部は前記第２の余弦信号に基づいて、前記第２の電気角を演算することを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  3. 　請求項１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第１の電気角演算部は前記第１の正弦信号および前記第１の余弦信号に基づいて、前記第１の電気角を演算し、かつ前記第２の電気角演算部は前記第２の正弦信号および前記第２の余弦信号に基づいて、前記第２の電気角を演算することを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  4. 　請求項１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第２の余弦信号は、前記第１の正弦信号の時間微分によって演算され、前記第２の正弦信号は、前記第１の余弦信号の時間微分によって演算されることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  5. 　請求項１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記異常判定部は、
    　前記第１の電気角と前記第２の電気角が一致する場合、前記回転角センサが正常であると判定し、
    　前記第１の電気角と前記第２の電気角が異なる場合、前記回転角センサが異常であると判定することを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  6. 　請求項５に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第１の正弦信号の振幅と前記第１の余弦信号の振幅は、前記回転角センサが正常の場合、大きさが同じであり、前記回転角センサが異常の場合、大きさが異なることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  7. 　請求項１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記異常判定部は、前記回転角センサの異常判定回数をカウントし、前記異常判定回数が所定の閾値以上である場合、前記回転角センサが異常であることを示す異常判定信号を出力することを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  8. 　請求項７に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記異常判定部は、前記回転センサの正常判定回数をカウントし、前記正常判定回数が所定の閾値以上である場合、前記異常判定回数をリセットすることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  9. 　請求項３に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第１の正弦信号、前記第１の余弦信号、前記第２の正弦信号および前記第２の余弦信号を、それぞれ、Ｓ１、Ｃ１、Ｓ２およびＣ２とすると、前記第１の電気角演算部は、tan-1(S1/C1)により前記第１の電気角を演算し、前記第２の電気角演算部は、tan-1(S2/C2)により前記第２の電気角を演算することを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  10. 　請求項９に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記Ｓ２は、dC1/dtに基づいて演算され、前記Ｃ２は、dS1/dtに基づいて演算されることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  11. 　請求項２に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第１の電気角演算部は、前記第１の正弦信号に基づいて、逆正弦演算を用いて前記第１の電気角を演算し、かつ前記第２の電気角演算部は前記第２の正弦信号に基づいて、前記逆正弦演算を用いて前記第２の電気角を演算するか、もしくは、
    　前記第１の電気角演算部は前記第１の余弦信号に基づいて、逆余弦演算を用いて前記第１の電気角を演算し、かつ前記第２の電気角演算部は前記第２の余弦信号に基づいて、前記逆余弦演算を用いて前記第２の電気角を演算することを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  12. 　請求項１１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記第２の余弦信号は、前記第１の正弦信号の時間微分によって演算され、前記第２の正弦信号は、前記第１の余弦信号の時間微分によって演算されることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  13. 　請求項１に記載の回転角センサの異常診断装置において、
    　前記回転角センサはレゾルバであることを特徴とする回転角センサの異常診断装置。
  14. 　モータと、
    　前記モータに設けられる回転角センサと、
    　前記モータに電力を与えるインバータと、
    　前記回転角センサから出力される２相信号に基づいて、前記インバータを制御する制御部と、を備えるモータ制御装置において、
    　前記回転角センサから出力される前記２相信号から抽出される第１の正弦信号または第１の余弦信号に基づいて前記回転角センサの異常の有無を判定する異常診断装置を備え、
    　前記異常診断装置は、
    　前記第１の正弦信号と前記第１の余弦信号の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第１の電気角を演算する第１の電気角演算部と、
    　前記第１の正弦信号から演算される第２の余弦信号と、前記第１の余弦信号から演算される第２の正弦信号の内の少なくとも一方の信号に基づいて、第２の電気角を演算する第２の電気角演算部と、
    　前記第１の電気角および前記第２の電気角に基づいて、前記回転角センサの異常の有無を判定する異常判定部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
  15. 　請求項１４に記載のモータ制御装置において、
    　前記異常診断装置が、前記回転角センサが異常であると判定すると、前記モータを停止させせることを特徴とするモータ制御装置。
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