JP5402403B2 - 電動機制御システム - Google Patents

Description

本発明は、多相の交流電力により駆動する電動機を制御する電動機制御システムに関する。

従来より、インバータといった電力変換手段のスイッチング動作を制御することにより電動機の出力トルクを制御する電動機制御システムが知られている。電力変換手段を構成するスイッチング素子のうち１つの素子がオープン故障するか、モータとインバータ間をつなぐ電線のうち１つが断線する（欠相故障）と、故障相に電流を流すことができなくなる。この場合、残りの相でモータを駆動させる必要があり、走行を継続することは充分可能であるが、モータトルクに脈動成分が含まれるため、回転に滑らかさを欠くことや、微弱な振動が発生することがある。

例えば、特許文献１には、電力変換装置の故障発生を検出する手法が開示されている。かかる手法によれば、回転座標上におけるｄ軸電流およびｑ軸電流の電流変化率を演算し、変化率が設定値を超えた時に、欠相検知信号を出力する。

特開２００３−３４８８９８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、どこかの相において故障が発生したということを検出することができるものの、故障した相がどこかという具体的な故障箇所までは特定することができないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、故障箇所を含め電力変換手段の故障を検出することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、電流検出手段によって検出される各相の相電流に基づいて、電動機のｄ軸電流およびｑ軸電流をそれぞれ検出し、当該検出されるｄ軸電流またはｑ軸電流がゼロ状態となることを検出する。そして、ゼロ状態が検出された場合に、回転角検出手段によって検出された電動機の回転角に基づいて、電力変換手段における故障箇所を特定する故障検出を行う。

本発明によれば、ｄ軸電流またはｑ軸電流のゼロ状態と、その際のモータの回転角との組み合わせには、故障箇所に応じた一定のパターンが存在するため、これらの要素を考慮することにより、電力変換手段の故障箇所を特定することができる。

第１の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図 三相インバータでモータを駆動した時の正常時の瞬時空間電流ベクトルの説明図 Ｕ相の上アームＵＰが故障（例えば、オープン故障）した際の電流ベクトルの軌跡を示す説明図 力行・正回転時に各アームがオープン故障した場合の電流ベクトルＩ’の軌跡を示す説明図 第１の実施形態にかかる制御装置３０を機能的に捉えた場合のブロック構成図 電流ベクトル軌跡がｄ軸あるいはｑ軸と直交する時の電気角の一覧を示す説明図 ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑと、モータ１０の電気角θとの推移を示す説明図 第２の実施形態にかかる制御装置３０を機能的に捉えた場合のブロック構成図

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、電動車（例えば、電気自動車）の駆動用モータに適用されたモータ制御システムについて説明を行う。このモータ制御システムは、モータ１０、インバータ２０および制御装置３０を主体に構成されている。

モータ１０は、ロータとステータとを主体に構成されており、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線（本実施形態では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる３つの相巻線）がステータに巻回された永久磁石同期電動機である。このモータ１０は、インバータ２０から三相の交流電流が各相巻線にそれぞれ供給されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により駆動する。これにより、ロータおよびこれに連結された出力軸が回転する。モータ１０の出力軸は、例えば、電動車の自動変速機に連結されている。

インバータ２０は、バッテリ２１に接続されており、バッテリ２１からの直流電力を交流電力に変換してモータ１０に供給する電力変換手段である。この交流電力はモータ１０の各相に対応して生成され、各相の交流電力は、モータ１０にそれぞれ供給される。ここで、バッテリ２１は、所定容量の電力を蓄電可能に構成されており、直流電源として機能する。バッテリ２１としては、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池などを用いることができる。

インバータ２０は、バッテリ２１の正極側の母線に接続される上アーム（スイッチング手段）と、バッテリ２１の負極側の母線に接続される下アーム（スイッチング手段）とが直列接続された回路を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して備えている。図１において、ＵＰ，ＶＰ，ＷＰは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応する上アームを示し、ＵＮ，ＶＮ，ＷＮは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応する下アームを示している。上アームＵＰ〜ＷＰおよび下アームＵＮ〜ＷＮは、一方向の導通を制御可能な半導体スイッチ２２（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタ）を主体に構成されており、個々の半導体スイッチ２２には、還流用ダイオード２３が逆並列接続されている。各アームＵＰ〜ＷＮのオンオフ状態、すなわち、半導体スイッチ２２のオンオフ状態（スイッチング動作）は、制御装置３０から出力されるＰＷＭ信号を通じて制御される。個々のアームＵＰ〜ＷＮを構成する半導体スイッチ２２は、制御装置３０のＰＷＭ信号を通じてオンされることにより導通状態となり、オフされることにより非導通状態（遮断状態）となる。

制御装置３０は、インバータ２０の各アームＵＰ〜ＷＮのスイッチング動作を制御することにより、モータ１０の出力トルクを制御する。制御装置３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。制御装置３０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、インバータ２０を制御するための演算を行う。そして、制御装置３０は、この演算によって算出された制御信号（ＰＷＭ信号）をインバータ２０に対して出力する。

制御装置３０は、例えば、ＰＷＭ波電圧駆動といった制御方式により、インバータ２０のスイッチング動作、具体的には、上下アームＵＰ〜ＷＮに対応する個々の半導体スイッチ２２のオンオフ状態を相毎に制御する。ＰＷＭ波電圧駆動は、直流電圧からＰＷＭ波電圧を生成してモータ１０に印加する、具体的には、キャリア電圧と正弦波制御電圧とに基づいてＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ制御のデューティー指令値を算出することで等価的な正弦波交流電圧をモータ１０に印加する駆動方式である。制御装置３０は、外部から与えられるトルク指令およびモータ１０の回転数（電気角速度）、各相の電流値とに基づいて、各相に関する正弦波制御電圧を演算し、これにより、インバータ２０のスイッチング動作を制御する。

ここで、制御装置３０には、各種センサからのセンサ信号が入力されている。電流センサ１１は、モータ１０におけるＵ相およびＶ相の電流Ｉｕ，Ｉｖをそれぞれ検出する。なお、三相の電流は総和がゼロとなる関係を有するため、制御装置３０は、Ｕ相およびＶ相の電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて、残りのＷ相の電流を検出することができる。回転角センサ１２は、例えば、レゾルバやロータリエンコーダであり、モータ１０のロータ位置を表す位置情報に基づいて、モータ１０の電気的な位相θ（電気角）、すなわち、モータ１０の回転角を検出している。

また、本実施形態の特徴の一つとして、制御装置３０は、上述した通常のモータ制御とともに、インバータ２０のいずれかのアームＵＰ〜ＷＮにおいてスイッチング素子が開状態（オフ状態）のまま固着する、いわゆる、オープン故障や、モータ１０とインバータ２０との間を接続する各相の電線のいずれかが断線する、いわゆる、欠相故障を検出する（故障検出）。以下、制御装置３０による故障検出の具体的な処理内容の説明に先立ち、本実施形態にかかる故障検出の概念について説明する。

図２は、三相インバータでモータを駆動した時の正常時の瞬時空間電流ベクトルの説明図である。ここで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に流れる電流（瞬時値）をＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗとする。図２に示すように、三相の電流総和がゼロの条件の下、三相電流を座標変換したニ相電流の座標系（αβ座標系）を置く。α軸を実軸、β軸を虚軸とした場合、複素平面上において、瞬時空間電流ベクトルＩ’は、下式により表現される。

モータが一定トルクで回転している場合、電流ベクトルＩ’は、Ｕ相電流基本ベクトルから角度θで大きさ｜I｜のベクトルとなる。θはモータの電気角と等しく、モータは電気角速度ωで回転している（θ＝ωｔ（ｔ：時間））。この場合、電流ベクトルＩ’は、ＵＶＷ座標軸上で同じ角速度で回転しており、その軌跡は円を描く。ロータ上の座標であるｄｑ座標軸はθと同期して回転しており、電流ベクトルＩ’はｄｑ座標軸に対して静止しており、固定ベクトルとなる。

ここで、ｄｑ軸座標系は、モータの機械的な回転速度の整数倍の電気的な回転速度で回転するｄ軸とｑ軸とから成る直交座標系である。３相同期モータにおいて、ｄｑ軸座標系はモータ回転に同期して回転する。ｄｑ軸座標系により、モータの固定子巻線に供給される電流は、界磁分電流（ｄ軸電流）とトルク分電流（ｑ軸電流）とに分けてベクトル表示される。

図３は、Ｕ相の上アームＵＰが故障（例えば、オープン故障）した際の電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。ここで、Ｕ相の上アームＵＰがオープン故障したとする。オープン故障に到る要因としては、上アームＵＰを形成するＩＧＢＴなどのスイッチング素子本体の過電圧・過電流による破壊や、スイッチング素子のドライブ回路の故障などが挙げられる。ここで、Ｕ相電流Ｉｕの符号をインバータからモータに対して流れる場合を正とする。また、上アームＵＰがオープン故障する直前に、Ｕ相電流Ｉｕが負だったとする（Ｉｕ＜０（モータからインバータへ電流が流れ込むシーン）。

上アームＵＰのスイッチング素子のオープン故障後であっても、上アームＵＰの還流ダイオード、もしくは、Ｕ相下アームＵＮのスイッチング素子および還流ダイオードをスイッチングすることにより、正常時と同様にＵ相電流Ｉｕを流すことが可能となる。このためオープン故障直後も、図２と同じように、ＵＶＷ相静止座標に対して瞬時電流ベクトルＩ’は暫くモータと同期しながら回転し、その先端軌跡は円弧を描くことになる。この場合、Ｕ相電流Ｉｕは時間に対して正弦波となる。

そして、Ｕ相電流Ｉｕが０Ａをまたいで正の方向に上昇するところまでモータの回転が進んだとする。しかしながら、この時、Ｕ相は上アームＵＮのスイッチング素子がオープン故障しているため、これをオン状態にすることができないため、電源の直流電圧をモータのＵ相コイルに印加することができない。その結果、Ｕ相電流Ｉｕは０Ａ近傍に張り付くことになり、それ以上上昇することができない。この場合、モータの三相電流の和がバランスする条件より、Ｖ相電流ＩｖとＷ相電流Ｉｗとの和はゼロになる。よって、Ｉｖ＝−Ｉｗとなり、数式１により、空間電流ベクトルＩ’は下式のようになる。

同数式から分かるように、電流ベクトルＩ’は、虚数成分だけになり、β軸の成分だけを持つことを示している。よって、電流ベクトルＩ’の軌跡は、ロータの回転と共にβ軸を直線状に移動する。そのため、回転が進むと、電流ベクトルＩ’は、β軸上を図３の点ａから原点（点ｂ）、点ｃと移動する。そして、点ｃ近傍においては、再び、Ｕ相の下アームＵＮのスイッチング素子をオン／オフすることにより、Ｕ相コイルに電圧を印加し、負のＵ相電流を流し、電流ベクトルＩ’をα＜０の領域にすることが可能になる。この結果、再び電流ベクトルＩ’はβ軸から離れ、原点を中心に回転するようになる。その結果モータの回転と共に、図３の点ｃ、点ｄ、点ａと移動する。そして、点ａに移動後、再びＵ相電流Ｉｕが０Ａに張り付き、電流ベクトルＩ’の軌跡はβ軸上を動くようになり、上述した状態を繰り返すこととなる。

このように、Ｕ相がオープン故障した時の電流ベクトルＩ’の軌跡は、モータ電流が三相に流れる半円状の曲線軌跡と、ＵＷ相の二相に流れる直線軌跡から構成される。

ここで、電流ベクトルＩ’のｑ軸成分であるｑ軸電流Ｉｑが正で、電気角速度ωが正となる力行の正回転状態を考える。この場合、ｄ軸電流Ｉｄがゼロの状態でモータを制御していれば、電流ベクトルＩ’がβ軸上にあるのは、電気角θが１８０°から３６０°のシーンである。また、電流ベクトルＩ’のｄ軸成分であるｄ軸電流Ｉｄが負の弱め界磁制御を行っていた場合、電流ベクトルＩ’がβ軸上にあるのは、電気角θが１８０°−δから３６０°＋δのシーンである。ここで、δは、動作正常時のｄｑ座標軸上での電流ベクトル位相角である（Ｉｄ＝Ｉａsinδ，Ｉｑ＝ｉａcosδ）。

また、電気角θが２７０°のときに電流ベクトルＩ’がβ軸上にある場合を考える。この時、ｄ軸ベクトルはβ軸の負の方向を向き、ｑ軸ベクトルはα軸の正の方向を向いてβ軸と直交している。そして、電流ベクトルＩ’はβ軸上にあり、ｑ軸と直交しているため、この時のｑ軸電流Ｉｑはゼロになる。同様に、電気角θが１８０°のときはｄ軸と電流ベクトルＩ’が直交しているため、ｄ軸電流Ｉｄはゼロになる。

このように、Ｕ相の上アームＵＰが故障している時、電気角θが２７０°でｑ軸電流は０になり、電気角θが１８０°でｄ軸電流は０になることが分かる。これは、図２に示すように、正常動作時に電流ベクトルＩ’が円弧を描くように制御している場合、つまりはｄｑ軸電流が一定になるように制御している場合であれば、制御方法に依存せず成立する。

図４は、力行・正回転時に各アームがオープン故障した場合の電流ベクトルＩ’の軌跡を示す説明図である。各アームＵＰ〜ＷＮのいずれかがオープン故障している場合、電流ベクトルＩ’の軌跡は、図３の時と同様に、半円状の曲線軌跡と直線軌跡とから構成される。この時、故障箇所が異なると、電流ベクトルＩ’が直線になる電気角範囲が変化する。例えば、Ｕ相下アームＵＮがオープン故障した場合、電流ベクトルＩ’の軌跡が直線状になるのは、電気角θが０°から１８０°の場合となる。そして、電気角θが９０°でｑ軸と電流ベクトル軌跡が直交するため、ｑ軸電流は０になる。

同様に、Ｖ相上アームＶＰがオープン故障した場合、電流ベクトルＩ’の軌跡が直線状になるのは、電気角θが３００°から１２０°の場合となる。そして、電気角θが３０°でｑ軸と電流ベクトル軌跡が直交するため、ｑ軸電流は０になる。また、Ｖ相下アームＶＮがオープン故障した場合、電流ベクトルＩ’の軌跡が直線状になるのは、電気角θが１２０°から３００°の場合となる。そして、電気角θが２１０°でｑ軸と電流ベクトル軌跡が直交するため、ｑ軸電流は０になる。

さらに、Ｗ相上アームＷＰがオープン故障した場合、電流ベクトルＩ’の軌跡が直線状になるのは、電気角θが６０°から２４０°の場合となる。そして、電気角θが３０°でｑ軸と電流ベクトル軌跡が直交するため、ｑ軸電流は０になる。また、Ｖ相下アームＶＮがオープン故障した場合、電流ベクトルＩ’の軌跡が直線状になるのは、電気角θが１２０°から３００°の場合となる。そして、電気角θが２１０°でｑ軸と電流ベクトル軌跡が直交するため、ｑ軸電流は０になる。

このように、各故障箇所に応じた電流ベクトルＩ’の特有の軌跡となるため、ｄｑ軸が電流ベクトルＩ’の軌跡と直交する角度も故障箇所に応じて変わることとなる。そのため、特定の電気角でｄｑ軸電流がゼロ近辺になることが分かれば、インバータのオープン故障の相を特定することが可能になる。

図５は、第１の実施形態にかかる制御装置３０を機能的に捉えた場合のブロック構成図である。以下、本実施形態にかかる制御装置３０による故障検出の処理について説明する。本実施形態の特徴の一つである故障検出との関係において、制御装置３０は、これを機能的に捉えた場合、三相二相変換部３１と、ｄ軸電流ゼロクロス検出部３２と、ｑ軸電流ゼロクロス検出部３３と、異常判定部３４とを有している。

三相二相変換部３１は、電流センサ１１によって検出される三相電流Ｉｕ〜Ｉｗ（実質的には、三相のうちの二相の電流Ｉｕ，Ｉｖ）と、回転角センサ１２から得られる電気角θに基づいて、下式を用いて座標変換を行い、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑを演算する。

演算されたｄ軸電流Ｉｄは、ｄ軸電流ゼロクロス検出部３２とに出力されるとともに、ｑ軸電流Ｉｑは、ｑ軸電流ゼロクロス検出部３３に出力される。

ｄ軸電流ゼロクロス検出部３２およびｑ軸電流ゼロクロス検出部３３のそれぞれは、入力されるｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態になることを検出し、検出時には検出フラグＦｄ，Ｆｑを異常判定部３４に出力する。

ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２、３３の構成としては、例えば、入力されたｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑの絶対値が所定の判定閾値よりも小さいことを検出する方法を用いる。すなわち、ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２、３３は、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが厳密にゼロであること検出するのみならず、概ねゼロと見なせる範囲をゼロ状態として検出する。この場合、判定閾値としては、電流センサ１１のばらつきや、電流のサンプリング周期などを考慮して、上述の制御概念を前提に、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが概ねゼロであるとみなせる範囲の値を判定閾値として選択することができる。また、電流センサ１１や回転角センサ１２の検出値に含まれるノイズによってゼロ状態を誤検出しないように、適当なマージンを持たせるように判定閾値を設定してもよい。

異常判定部３４は、ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２，３３から検出フラグＦｄ，Ｆｑが出力された場合、回転角センサ１２から読み込んだモータ１０の電気角θに基づいて、故障検出を行う。具体的には、図３，４で説明したように、異常判定部３４は、検出フラグＦｄ，Ｆｑの出力に対応する電気角θが、電流ベクトル軌跡がｄ軸あるいはｑ軸と直交する時の電気角であるか否かを判定する。これにより、異常判定部３４は、故障の発生と、故障箇所とを特定する。ここで、異常判定部３４は、図６に示すように、故障部位を特定するために電気角の一覧（マップ）を保持しており、当該一覧に基づいて、故障検出を行う。ここで、図６は、電流ベクトル軌跡がｄ軸あるいはｑ軸と直交する時の電気角の一覧を示す説明図である。

なお、異常時の電流ベクトル軌跡がｄ軸あるいはｑ軸と直交する時の電気角と、現在の電気角θとが等しい場合だけでなく、現在の電気角θが特定の角度範囲内であることを条件に故障を検出してもよい。この場合、判定に用いる角度範囲は、異常時の電流ベクトル軌跡がｄ軸あるいはｑ軸と直交する時の電気角を含み、更に回転角センサ１２のばらつき、誤差や、サンプル周期、センサノイズを考慮した適当なマージンを含むように設定することが好ましい。

図７は、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑと、モータ１０の電気角θとの推移を示す説明図である。同図において、（ａ）は正常時の推移を示し、（ｂ）はＵ相上アームＵＰの推移を示し、（ｃ）はＶ相上アームＶＰの推移を示し、（ｄ）はＵ相下アームＵＮの推移を示す。同図に示すデータは、ｄ軸電流Ｉｄを負、ｑ軸電流Ｉｑを正で弱め界磁制御をしながら力行、正回転でモータ１０を動作させた状態を示している。また、同図では、モータ動作開始から一定時間（時間Ａ）の経過後に故障が発生するように設定している。

同図に示すように、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑは故障発生前には一定値で動作しているが、故障発生後はどの波形も大きく変動している。例えば、（ｂ）に示すように、Ｕ相上アームＵＰが故障した場合、電気角θが１８０°でｄ軸電流Ｉｄがゼロ状態となり、電気角θが２７０°でｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態となる。また、Ｖ相上アームＶＰが故障した場合、電気角θが３００°でｄ軸電流Ｉｄがゼロ状態となり、電気角θが３０°でｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態となっている。さらに、Ｕ相下アームＵＮが故障した場合、電気角θが０°でｄ軸電流Ｉｄがゼロ状態となり、電気角θが９０°でｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態となる。

これらの状態は、図６に示した電流ベクトル軌跡とｄｑ軸とが直交する角度と一致している。このように、ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２，３３がゼロ状態を検出した時の電気角θに基づいて、異常判定部３４が故障箇所を検出することが可能となる。

このように本実施形態において、制御装置３０によれば、三相二相変換部３１は、電流センサ１１（相電流検出手段）によって検出される各相の相電流Ｉｕ〜Ｉｗに基づいて、モータ１０のｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑをそれぞれ検出する（ｄｑ軸電流検出手段）。また、ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２、３３は、ｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態となることを検出する（ゼロ状態検出手段）。また、異常判定部３４は、ｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑのゼロ状態が検出された場合に、回転角センサ１２（回転角検出手段）によって検出されたモータ１０の回転角θに基づいて、インバータ２０における故障箇所を特定する故障検出を行う（特定手段）。

かかる構成によれば、ｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑのゼロ状態と、その際のモータ１０の回転角θとに基づいて、インバータ２０に故障が発生したことだけでなく、故障箇所を含めて検出することが可能となる。また、従来手法によれば、故障を１回検出するためには、モータが確実に１回転以上することが必要であった。これに対し、本実施形態によれば、単にモータ１０の電気角（回転角）θが所定角度を通過した時の電流が、特定範囲内にあるかどうかを判断するだけで故障を検出できるので、モータ１０が１回転未満でも故障検出を行うことができる。弱め界磁制御を行ってｄ軸電流Ｉｄがゼロでなければ、モータ１０の１回転中にｄ軸電流Ｉｄがゼロになるタイミングと、ｑ軸電流Ｉｑがゼロになるタイミングとで、２回故障を検出する機会がある。そのため、モータ１０が低速回転しているようなシーンでも、故障検出を迅速かつ正確に行うことができる。

また、本実施形態によれば、異常判定部３４は、ｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑがゼロ状態となった場合におけるモータ１０の電気角θと故障箇所との対応関係を規定したマップを参照し、インバータ２０における故障箇所を特定する。かかる構成によれば、マップを参照することにより、故障箇所の特定が可能となるので、簡易な構成で故障検出を実現することができる。

また、本実施形態において、ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２、３３は、検出されるｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑの絶対値が、ゼロ状態を判定する所定の判定閾値よりも小さい場合に、ゼロ状態を検出する。また、異常判定部３４は、マップに記載される電動機の回転角を含む所定角度範囲に、回転角センサ１２によって検出されるモータ１０の回転角θが含まれる場合に、このマップにおいて対応する故障箇所を特定する。かかる構成によれば、電流センサ１１のばらつきや、電流のサンプリング周期など、また、回転角センサ１２のばらつき、誤差や、サンプル周期、センサノイズを考慮して故障検出を行うことができるので、故障検出の精度向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態にかかる制御装置３０を機能的に捉えた場合のブロック構成図である。本実施形態にかかる制御装置３０が第１の実施形態のそれと相違する点は、故障の誤検出を抑制する内部処理を追加した点である。なお、第１の実施形態と共通する点については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図８に示すように、制御装置３０は、これを機能的に捉えた場合、三相二相変換部３１と、ｄ軸電流ゼロクロス検出部３２と、ｑ軸電流ゼロクロス検出部３３と、電流目標値生成部３５と、電流予測部３６と、異常判定部３７とを有している。この制御装置３０は、インバータ２０が正常動作しているにもかかわらず、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑがゼロ状態になった時に故障と誤検出しないように構成されている。

三相二相変換部３１は、電流センサ１１によって検出される三相電流Ｉｕ〜Ｉｗ（実質的には、三相のうちの二相の電流Ｉｕ，Ｉｖ）と、回転角センサ１２から得られる電気角θに基づいて、数式３に示す演算式を用いて座標変換を行い、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑを演算する。演算されたｄ軸電流Ｉｄは、ｄ軸電流ゼロクロス検出部３２とに出力されるとともに、ｑ軸電流Ｉｑは、ｑ軸電流ゼロクロス検出部３３に出力される。

ｄ軸電流ゼロクロス検出部３２およびｑ軸電流ゼロクロス検出部３３のそれぞれは、入力されるｄ軸電流Ｉｄまたはｑ軸電流Ｉｑのゼロ状態を検出し、検出時には検出フラグＦｄ，Ｆｑを異常判定部３４に出力する。

電流目標値生成部３５は、モータ１０で必要なトルクを発生するようインバータ２０のスイッチング動作を制御するためのｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Iq*を演算する。例えば、電流目標値生成部３５は、モータ１０に要求されるトルク指令値およびモータ１０の電気角速度ωと、ｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Iq*との対応関係を記述したマップを保持しており、トルク指令値および電気角速度ωに基づいて、ｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Iq*を演算する。演算されたｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Iq*は、電流予測部３６に出力される。

電流予測部３６は、ｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Iq*に基づいて、インバータ２０に故障がなく正常に動作した際（非故障時）のｄｑ軸電流をｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcとして予測する。例えば、ＰＩ制御と、電圧非干渉制御とを用いて、モータ１０を制御するような場合、ｄｑ軸電流の応答波形は一次遅れ系になると考えられる。そこで、本実施形態の電流予測部３６は、「ωｃ／（ｓ＋ωｃ）」で表されるローパスフィルタにｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Iq*を入力することにより、ｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcを演算する。予測されたｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcは、異常判定部３７に出力される。

異常判定部３７は、ｄｑ軸電流ゼロクロス検出部３２，３３から検出フラグＦｄ，Ｆｑが出力された場合、回転角センサ１２から読み込んだモータ１０の電気角θに基づいて、故障検出を行う。具体的には、図３，４で説明したように、異常判定部３４は、検出フラグＦｄ，Ｆｑの出力に対応する電気角θが、電流ベクトル軌跡がｄ軸あるいはｑ軸と直交する時の電気角であるか否かを判定する。これにより、異常判定部３４は、故障の発生と、故障箇所とを特定する。ここで、異常判定部３４は、図６に示すように、故障部位を特定するために電気角の一覧を保持しており、当該一覧に基づいて、故障検出を行う。

また、本実施形態において、異常判定部３７は、ｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcの絶対値が閾値εよりも小さい場合には、故障判定を実施しない。すなわち、異常判定部３７は、ｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcが閾値ε以上の時に、上述した手法により故障検出を行う。

このように本実施形態において、制御装置３０は、モータ１０に要求されるトルク指令から特定されるｄ軸電流指令値Ｉd*およびｑ軸電流指令値Ｉq*に基づいて、インバータ２０の非故障時におけるモータ１０のｄ軸電流およびｑ軸電流をｄ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcとして予測する（予測手段）。この場合、異常判定部３４は、ｄ軸電流予測値Ｉdcまたはｑ軸電流予測値Ｉqcがゼロ状態の場合には、故障検出を行わない。

かかる構成によれば、ｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcがゼロ近辺の場合は、故障検出をマスクするため、インバータ２０が正常な状態においてｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑがゼロ近傍になる時に故障と誤検出するのを抑制することができる。例えば、モータ１０を力行状態から回生状態に変更するためにトルクを正から負にする時などには、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑは、インバータ２０に故障が発生していなくても過渡的にゼロ近傍の値をとることがある。このｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑがゼロ近傍になる時の電気角θが図６に示す角度と重なった場合には、故障と誤検出する可能性がある。しかしながら、本実施形態によれば、このような不都合を生じることなく、有効に故障検出を行うことができる。

なお、本実施形態形態では、一次ローパスフィルタでｄｑ軸電流目標値Ｉd*，Ｉq*からｄｑ軸電流予測値Ｉdc，Ｉqcを求めたが、予測手法はこれに限定されるものではなく、様々な手法を用いることが可能である。

なお、上述した各実施形態では、モータ１０の正回転の場合について述べたが、モータ１０が逆回転する場合でも、同様の考え方で故障発生と故障箇所との検出が可能である。また、上述した各実施形態では、永久磁石同期電動機と三相インバータとにおける故障検出について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、多相のインバータや他の交流モータ（巻線型同期モータ、誘導モータなど）の組み合わせついても同様の構成で故障を検出することができる。

１０…モータ
１１…電流センサ
１２…回転角センサ
２０…インバータ
２１…バッテリ
２２…半導体スイッチ
２３…還流用ダイオード
３０…制御装置
３１…三相二相変換部
３２…ｄ軸電流ゼロクロス検出部
３３…ｑ軸電流ゼロクロス検出部
３４…異常判定部
３５…電流目標値生成部
３６…電流予測部
３７…異常判定部

Claims (4)

1. 多相の交流電力により駆動する電動機を制御する電動機制御システムにおいて、
   電源の正極側に接続される上アームと前記電源の負極側に接続される下アームとが直列接続された回路を前記電動機の各相に対応して備えて、前記電源からの直流電力を相毎の交流電力に変換して前記電動機に出力する電力変換手段と、
   前記電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記電動機の各相の相電流を検出する相電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出される前記各相の相電流に基づいて、前記電動機のｄ軸電流およびｑ軸電流をそれぞれ検出するｄｑ軸電流検出手段と、
   前記ｄｑ軸電流検出手段によって検出されるｄ軸電流またはｑ軸電流がゼロ状態となることを検出するゼロ状態検出手段と、
   前記ゼロ状態検出手段によってゼロ状態が検出された場合に、前記回転角検出手段によって検出された前記電動機の回転角に基づいて、前記電力変換手段における故障箇所を特定する故障検出を行う特定手段と
   を有することを特徴とする電動機制御システム。
2. 前記特定手段は、ｄ軸電流またはｑ軸電流がゼロ状態となった場合における前記電動機の回転角と故障箇所との対応関係を規定したマップを参照し、前記電力変換手段における故障箇所を特定することを特徴とする請求項１に記載された電動機制御システム。
3. 前記ゼロ状態検出手段は、前記ｄｑ軸電流検出手段によって検出されるｄ軸電流またはｑ軸電流の絶対値が、前記ゼロ状態を判定する所定の判定閾値よりも小さい場合に、前記ゼロ状態を検出し、
   前記特定手段は、前記マップに記載される前記電動機の回転角を含む所定角度範囲に、前記回転角検出手段によって検出される前記電動機の回転角が含まれる場合に、前記マップにおいて対応する故障箇所を特定することを特徴とする請求項２に記載された電動機制御システム。
4. 前記電動機に要求されるトルク指令から特定されるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて、前記電力変換手段の非故障時における電動機のｄ軸電流およびｑ軸電流を予測する予測手段をさらに有し、
   前記特定手段は、前記予測手段によって予測される前記電動機のｄ軸電流またはｑ軸電流がゼロ状態の場合には、前記故障検出を行わないことを特定する請求項１から３のいずれかに記載された電動機制御システム。

Images