JP6269328B2 - 同期モータの制御装置、及び、これを備える車両制御システム - Google Patents

Description

本発明は、同期モータの駆動を制御する同期モータの制御装置に関する。

従来、レゾルバ等の位置センサで検出したロータ位置情報に基づいて、フィードバック制御等における座標変換演算等の制御演算を行う同期モータの制御装置が知られている。この種の同期モータの制御装置では、位置センサが検出するロータの磁極位置と実際の磁極位置とにオフセットズレが生じると、同期モータの駆動制御を正常に行うことができなくなる。
そこで、例えば特許文献１に記載されたエレベータの制御装置では、ｄ軸電流指令値をゼロとする前提でベクトル制御の操作量であるｄ軸電圧の絶対値（｜Ｖｄ’｜）を監視し、ｄ軸電圧の絶対値が所定の閾値を越えたとき、磁極位置がずれていると判断する。

特開２００９−２８０３１８号公報

特許文献１の制御装置はエレベータ用のモータに適用されるものであるため、モータの動作領域は低回転領域に限られ、また、大容量で一定電圧の電源が使用されることを前提としている。
一方、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動力源である主機モータとして使用される同期モータは、低回転から高回転までの広い回転数領域で動作し、また、電源電圧の変動が大きい。そして高回転領域では、逆起電力を抑制するため、負のｄ軸電流を流すように指令する弱め界磁制御が用いられる。

ここで、特許文献１に記載された磁極位置ずれ検出の技術を、弱め界磁制御を行う同期モータに適用しようとすると、磁極位置が正常であっても負のｄ軸電流によってｄ軸電圧の絶対値が増加するため、磁極位置ずれによるｄ軸電圧の絶対値の増加と判別することができない。したがって、特許文献１の技術の適用対象は、弱め界磁を必要としない低回転領域で動作する同期モータに限られ、車両の主機モータのように、弱め界磁制御領域を含む広い回転数領域で動作する同期モータには適用することができない。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、位置センサのオフセットズレを広い回転数領域で好適に検出する同期モータの制御装置を提供することにある。

本発明は、同期モータに設けられた位置センサから取得したロータ位置の情報を用いて制御演算を行い、インバータのスイッチング状態を操作して同期モータの駆動を制御する同期モータの制御装置に係る発明である。この同期モータの制御装置は、制御器と、位相算出手段と、オフセットズレ検出手段とを備える。

制御器は、電流又はトルクの指令値と検出値もしくは推定値との偏差が入力され、検出値もしくは推定値が指令値に追従するように、インバータへ出力する電圧指令値を演算する。
位相算出手段は、制御器が出力した電圧指令値、又は、電流検出値に基づいて算出された電圧算出値について、ｄｑ軸座標における電圧ベクトルの位相を算出する。
オフセットズレ検出手段は、位相算出手段が算出した電圧位相算出値（α）に基づいて位置センサのオフセットズレを検出する。

同期モータは、典型的にはロータに永久磁石が取り付けられた永久磁石型同期モータであり、ＩＰＭＳＭ（埋込永久磁石式同期モータ）、ＳＰＭＳＭ（表面永久磁石式同期モータ）のいずれでもよい。位置センサは、永久磁石の磁極位置を検出するものであり、例えばレゾルバである。オフセットズレとは、永久磁石の実際の磁極位置と位置センサが検出する磁極位置とが正常な角度範囲を超えて回転方向にずれることをいう。本明細書では、「オフセットズレ」を一体の用語として「ずれ」の部分を含めて片仮名で表記する。
なお、本発明において位置センサのゲインずれは考慮しない。したがって、検出位置の時間変化量である回転速度又は回転数は正常であることを前提とする。

位置センサのオフセットズレが生ずると、三相軸の固定座標系において基準軸の位置がずれるため、回転座標系であるｄｑ軸においても基準軸がオフセットする。したがって、電流検出値から電圧方程式等を用いて算出されるｄｑ軸電圧算出値ベクトル、或いは、電流検出値に基づくフィードバック制御演算によって制御器が出力するｄｑ軸電圧指令値ベクトルの位相にも影響が及ぶ。
本発明ではこの点に着目し、オフセットズレ検出手段が算出した電圧位相算出値に基づいて位置センサのオフセットズレを検出することを特徴とする。これにより、弱め界磁制御を行う高回転領域を含めて、位置センサのオフセットズレを広い回転数領域で好適に検出することができる。

また、本発明の同期モータの制御装置は、同期モータのトルクを含む運転条件に応じた電圧位相正常値（αｎ）を予め記憶している正常値記憶手段を備える。オフセットズレ検出手段は、位相算出手段が算出した電圧位相算出値と電圧位相正常値とを比較し、電圧位相算出値と電圧位相正常値との差分である位相偏差（Δα）に基づいて、位置センサのオフセットズレを検出する。
同期モータのトルク、回転数、電源電圧等の運転条件に応じた電圧位相正常値を予めマップ等に記憶しておくことで、電圧位相算出値と電圧位相正常値とを比較し、位置センサのオフセットズレを簡便かつ迅速に検出することができる。

また、本発明の同期モータの制御装置は、同期モータのｑ軸電流又はトルクが所定の閾値以下のとき「ゼロトルク状態」であると判定するゼロトルク判定手段を備え、オフセットズレ検出手段は、ゼロトルク判定手段によってゼロトルク状態であると判定されたとき、位置センサのオフセットズレを判断する処理を実行するようにしてもよい。
所定の閾値は、装置の分解能や演算誤差を考慮し、実質的に０［Ａ］又は０［Ｎｍ］に近いと考えられる値を設定するとよい。Ｖｄ軸を位相の基準とした場合、ゼロトルク状態での電圧位相正常値は約９０°、すなわちＶｑ軸にほぼ一致する角度となるため、オフセットズレの判断において、電圧位相算出値が９０°に近い範囲内であるか否かを判断すればよい。これにより、参照するマップの範囲が絞られるため、演算負荷を大幅に低減することができる。

さらに本発明の同期モータの制御装置は、オフセットズレ検出手段によって位置センサのオフセットズレが検出されたとき、位相偏差に基づき、位置センサが検出した位置検出値を補正するオフセットズレ補正手段を備えてもよい。
また、本発明の同期モータの制御装置を備えるハイブリッド自動車の車両制御システムでは、位相偏差の絶対値が所定値以上のときを「位置センサ異常モード」として、同期モータの駆動を停止し、エンジンによる走行に切り替えるようにしてもよい。

本発明の各実施形態による同期モータの制御装置が適用されるハイブリッド自動車の車両制御システムの概略構成図。 本発明の第１実施形態による同期モータの制御装置のブロック図。 ｄｑ軸座標における電圧ベクトル図を説明する図。 位置センサのオフセットズレを説明する模式図。 本発明の第２実施形態による同期モータの制御装置のブロック図。 電圧方程式とｄｑ軸電圧ベクトル図との関係を説明する図。 本発明の第３実施形態による同期モータの制御装置のブロック図。 位置センサ異常判定のメインフローチャート。 位置センサ異常モード処理のサブフローチャート。 本発明の第４実施形態による同期モータの制御装置のブロック図。 位置センサ異常モード処理のサブフローチャート。

以下、本発明の同期モータの制御装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
各実施形態の同期モータの制御装置は、ハイブリッド自動車の駆動を制御する車両制御システムにおいて、駆動力源であるモータジェネレータ（以下「ＭＧ」と記す。）の駆動を制御する装置である。最初に車両制御システムの概略構成について、図１を参照して説明する。図１に示すものは、いわゆるシリーズパラレルハイブリッド自動車である。図１にて一点鎖線で囲んだ符号１００の部分が「車両制御システム」を示す。また、車両制御システム１００を構成するＭＧ−ＥＣＵ２０が「同期モータの制御装置」に該当する。

［車両制御システムの構成］
図１に示すように、シリーズパラレルハイブリッド自動車は、車両の動力源として、エンジン８１及び２つのＭＧ５１、５２を備える。エンジン８１、第１ＭＧ５１、及び第２ＭＧ５２は、動力分割機構８４により接続されている。エンジン８１は例えば４気筒のガソリンエンジンである。エンジン８１の動力は、動力分割機構８４で二系統に分割され、その一方の動力でデファレンシャルギア機構８６、車軸８７を介して車輪８８を駆動し、もう一方の動力で第１ＭＧ５１に発電させる。

ＭＧ５１、５２は、トルクを受けて回生電力を発生する発電機としての機能、及び、力行動作により電力を消費してトルクを発生する電動機としての機能を兼ね備える。本実施形態では、第１ＭＧ５１は主に発電機として機能し、第２ＭＧ５２は主に電動機として機能する。第１ＭＧ５１及び第２ＭＧ５２は、永久磁石式同期型の三相交流電動機であり、特許請求の範囲に記載の「同期モータ」に相当する。なお、ＩＰＭＳＭ（埋込永久磁石式同期モータ）、ＳＰＭＳＭ（表面永久磁石式同期モータ）のいずれでもよい。

第１ＭＧ５１及び第２ＭＧ５２は、それぞれ、第１インバータ４３及び第２インバータ４４に接続されている。また、第１インバータ４３及び第２インバータ４４は、昇圧コンバータ４２を介してバッテリ４１に接続されている。バッテリ４１は、ニッケル水素、リチウムイオン電池等の充放電可能な蓄電装置である。なお、バッテリに代えて電気二重層キャパシタ等を直流電源に用いてもよい。
昇圧コンバータ４２は、バッテリ４１から入力される直流電圧Ｖｉｎを昇圧し、昇圧電圧ＶＨをコンバータ第１インバータ４３及び第２インバータ４４に出力する。第１インバータ４３及び第２インバータ４４は、複数のスイッチング素子のオンオフが操作されることで、直流電力と三相交流電力とを相互に変換する。

第１ＭＧ５１が発電した三相交流電力は、第１インバータ４３で直流電力に変換され、昇圧コンバータ４２を経由してバッテリ４１に回生される。
第２ＭＧ５２は、第２インバータ４４が変換した三相交流電力を用いて力行動作によりトルクを出力する。第２ＭＧ５２による駆動力は、プロペラ軸８５、デファレンシャルギア機構８６、車軸８７を介して車輪８８に伝達される。

第１ＭＧ５１及び第２ＭＧ５２のロータ近傍には、それぞれ第１ＭＧ５１のロータ位置（電気角）θｇ、及び第２ＭＧ５２のロータ位置（電気角）θを検出する位置センサ５３、５４が設けられる。後の説明の都合により、第１ＭＧ５１の位置θｇには添え字「ｇ」を付し、第２ＭＧ５２の位置θには添え字を付さないで記す。
本実施形態の位置センサ５３、５４はレゾルバであり、ロータの永久磁石の磁気位置を検出する。位置センサ５３、５４により検出された位置θｇ、θの信号は、「同期モータの制御装置」としてのＭＧ−ＥＣＵ２０に出力される。

車両制御システム１００は、動力源のＭＧ５１、５２に対応するＭＧ−ＥＣＵ２０、動力源のエンジン８１に対応するエンジンＥＣＵ８０、及び、全体を統括するハイブリッドＥＣＵ（以下、「ＨＶ−ＥＣＵ」と記す。）９０を含む。
ＭＧ−ＥＣＵ２０は、ＨＶ−ＥＣＵ９０からのトルク指令値ｔｒｑ^*、位置センサ５３、５４からの位置信号等に基づいて、昇圧コンバータ４２及びインバータ４３、４４のスイッチング動作を操作することで、第１ＭＧ５１及び第２ＭＧ５２の駆動を制御する。
エンジンＥＣＵ８０は、図示しないクランク角センサから入力されるクランク角信号等に基づいてクランク軸８３のクランク角やエンジン回転速度等の情報を取得し、エンジン８１の運転を制御する。エンジン８１及びエンジンＥＣＵ８０は、後述の第３実施形態において、特許請求の範囲に記載の「他の動力源」及び「他動力源制御装置」に相当する。

ＨＶ−ＥＣＵ９０は、アクセル信号、ブレーキ信号、シフト信号、車速信号等が入力され、取得した情報に基づいて車両の運転状態を総合的に判断する。ＨＶ−ＥＣＵ９０は、ＭＧ−ＥＣＵ２０及びエンジンＥＣＵ８０との間で情報を通信し、ＭＧ５１、５２、及びエンジン８１が生成する駆動力を調停する。その結果、ハイブリッド自動車は、主に第２ＭＧ５２の力行動作によるＥＶ走行、エンジン８１による走行、第２ＭＧ５２とエンジン８１との両方による走行を切り替え可能である。

［ＭＧ−ＥＣＵの構成］
上述のようにＭＧ−ＥＣＵ２０は、昇圧コンバータ４２、第１インバータ４３及び第２インバータ４４のスイッチング動作を操作する。しかし、以下では特に、「位置センサ５４から取得した位置θに基づく制御演算により、第２インバータ４４を操作して第２ＭＧ５２の駆動を制御する機能」にのみ着目して説明し、昇圧コンバータ４２の昇圧制御、及び、第１ＭＧ５１の駆動制御に関する説明を省略する。それに伴い、第２インバータ４４を単に「インバータ４４」といい、第２ＭＧ５２を単に「ＭＧ５２」という。

ここで、位置センサ５４が検出するロータの磁極位置と実際の磁極位置との間にオフセットズレが生じたと仮定する。なお、オフセットズレの詳細については後述する。
例えば特許文献１に記載されたエレベータの制御に関する従来技術によると、ｄ軸電流指令値をゼロとする前提でベクトル制御の操作量であるｄ軸電圧の絶対値を監視し、ｄ軸電圧の絶対値が所定の閾値を超えたとき、磁極位置がずれていると判断する。
しかし、エレベータ用のモータは動作領域が低回転領域に限られ、また、大容量で一定電圧の電源が使用されることを前提としているのに対し、ハイブリッド自動車において主に力行動作に用いられるＭＧ５２は、低回転から高回転までの広い回転数領域で動作し、また、電源電圧の変動が大きい。そして高回転領域では、逆起電力を抑制するため、負のｄ軸電流を流すように指令する弱め界磁制御が用いられる。

弱め界磁制御を行うと、磁極位置が正常であっても負のｄ軸電流によってｄ軸電圧の絶対値が増加するため、磁極位置ずれによるｄ軸電圧の絶対値の増加と判別することができない。したがって、ＭＧ５２のように弱め界磁制御領域を含む広い回転数領域で動作する同期モータには、特許文献１によるオフセットズレ検出技術を適用することができない。

そこで、本発明の「同期モータの制御装置」である各実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０は、弱め界磁制御を行う高回転領域を含めた広い回転数領域で、位置センサ５４のオフセットズレを好適に検出するための構成を特徴としている。
以下、オフセットズレの検出、及び、検出後の処置に関して、実施形態毎に説明する。ここで、ＭＧ−ＥＣＵ２０の符号について、第１〜第４実施形態に対応して「２０１」〜「２０４」を付す。また、複数の実施形態において実質的に同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図２〜図４を参照して説明する。
図２に示すように、第１実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０１は、周知の電流フィードバック制御の構成として、電流指令演算部２１、減算器２２、制御器２３、逆ｄｑ変換部２４、ｄｑ変換部２５を有している。また、ｄｑ軸電流からトルクを推定する場合に周知であるトルク推定部２６をさらに有してもよい。

電流指令演算部２１は、ＨＶ−ＥＣＵ９０から取得したトルク指令値ｔｒｑ^*に基づき、マップや数式等を用いてｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を演算する。
減算器２２は、ｄｑ変換部２５からフィードバックされるｄｑ軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑをｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*から減算してｄｑ軸電流偏差を算出する。
制御器２３は、ｄｑ軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑを、それぞれ指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*に追従させるように、ＰＩ制御演算等によってｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を算出する。
逆ｄｑ変換部２４は、位置センサ５４から取得した位置θを用いて、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を、三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に変換する。

三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に基づくインバータ４４のスイッチング状態の操作については、例えば周知のＰＷＭ制御による。インバータ４４がＰＷＭ制御等により、所望の三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＭＧ５２に印加することによって、トルク指令値ｔｒｑ^*に応じたトルクが出力されるようにＭＧ５２の駆動が制御される。
詳しくは、ＭＧ５２の要求トルクに対応する変調率に応じて正弦波ＰＷＭ制御と過変調ＰＷＭ制御モードとが切り替えられる。過変調ＰＷＭ制御モードでは、制御器２３と逆ｄｑ変換部２４との間の電圧振幅補正部にて、三相電圧指令値の振幅を正弦波から歪ませるように補正する。

ｄｑ変換部２５は、インバータ４４からＭＧ５２へ接続される電力線に設けられた電流センサ６１、６２から相電流検出値が入力される。本実施形態では、Ｖ相、Ｗ相に設けられた電流センサ６１、６２からＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの検出値が入力され、残るＵ相の電流Ｉｕをキルヒホッフの法則に基づいて推定している。他の実施形態では、どの二相の電流を検出してもよく、三相の電流を検出してもよい。或いは、一相の電流検出値に基づいて他の二相の電流を推定する技術を採用してもよい。
ｄｑ変換部２５は、位置センサ５４から取得した位置θを用いて、三相電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑにｄｑ変換し、減算器２２にフィードバックする。

トルク推定部２６は、ｄｑ軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑ及び回路定数に基づき、式（１）を用いてトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔを算出する。例えば、本明細書の最後に「その他の実施形態」として記載したトルクフィードバック制御では、トルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔをトルク指令値ｔｒｑ^*に対してフィードバックする。

ｔｒｑ＿ｅｓｔ＝ｐｍ×｛Ｉｑ×φα＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ｝・・・（１）
ただし、
ｐｍ：電動機の極対数
φα：永久磁石の電機子鎖交磁束
Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス

このように、三相軸とｄｑ軸との座標変換を伴うベクトル制御では、位置センサ５４が検出した位置θの情報は少なくとも、ｄｑ変換部２５及び逆ｄｑ変換部２４の変換演算に用いられる。
ここで、位置センサ５４が検出する位置θと、実際のロータの磁極位置とにオフセットズレが生じることを仮定する。オフセットズレとは、ＭＧ５２のロータに取り付けられた永久磁石の実際の磁極位置と、位置センサ５４が検出する磁極位置とが正常な角度範囲を超えて回転方向にずれることをいう。位置センサ５４のオフセットズレが生ずると三相軸の固定座標系において基準軸の位置がずれるため、回転座標系であるｄｑ軸においても基準軸がオフセットする。

仮にオフセットズレが生じると、まずｄｑ変換部２５が演算する電流検出値Ｉｄ、Ｉｑが誤った値となる。そして、誤った電流検出値Ｉｄ、Ｉｑがフィードバックされることにより、制御器２３が演算するｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*にも誤差の影響が及ぶ。さらに、逆ｄｑ変換部２４での演算にて再び誤差が重畳されるため、インバータ４４に指令される三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*は、正規の値から相当乖離したものになる。よって、ＭＧ５２の制御を正常に行うことができなくなる。

そこで、本実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０１は、位置センサ５４のオフセットズレを検出するための特有の構成として、位相算出手段３１、正常値記憶手段３２、及び、オフセットズレ検出手段３５等を有している。
位相算出手段３１は、ｄｑ軸座標における電圧ベクトルの位相を算出する。特に本実施形態では、制御器２３が演算したｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*の位相を算出する。
図３に示すように、本明細書では、ｄｑ軸座標のｄ軸を基準とする電圧ベクトルの位相を「電圧位相α」と定義する。したがって、Ｖｑ軸の正方向は位相９０°に相当し、Ｖｄ軸の負方向は位相１８０°に相当する。指令電圧ベクトルの大きさＶ^*ａｍｐは、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*の二乗和平方根（√（Ｖｄ^*2＋Ｖｑ^*2））で表される。

正常値記憶手段３２は、ＭＧ５２の運転条件に応じた電圧位相正常値αｎを予め記憶している。具体的には、ＭＧ５２のトルクｔｒｑ及び回転数ωに応じた電圧位相正常値αｎを実験やシミュレーションによって求め、マップとして記憶する。なお、トルクｔｒｑ、回転数ω以外に、インバータ４４へ入力される昇圧電圧ＶＨ等を引数に加えてもよい。
図２に示す例では、正常値記憶手段３２は、トルク指令値ｔｒｑ^*、及び、微分器５５からの回転数ωを取得する。なお、破線で示すように、トルク指令値ｔｒｑ^*に代えて、トルク推定部２６が推定したトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔを取得してもよい。

ここで、回転数ωは、位置センサ５４が検出した位置θを微分器５５で微分して得られる値である。本実施形態では位置センサ５４のゲインずれは考慮しないため、仮にオフセットズレが生じていたとしても回転数ωは正常であることを前提とする。
また、本来「ω」は電気角速度［ｄｅｇ／ｓ］を表す記号であるが、電気角速度に比例定数を乗じることで回転数［ｒｐｍ］に換算されることから、本明細書では「回転数ω」と記す。

位相比較部３４では、位相算出手段３１が算出した電圧位相算出値αと電圧位相正常値αｎとを比較し、電圧位相算出値αと電圧位相正常値αｎとの差分である位相偏差Δαを算出する。オフセットズレ検出手段３５は、位相偏差Δαに基づいて、位置センサ５４のオフセットズレを検出する。

ここで、「オフセットズレ」の例について図４を参照する。図４では、ＭＧ５２がトルクを出力する状態と、実質的にトルクを出力しない「ゼロトルク状態」とを間欠的に繰り返すときの挙動を模式的に示す。図４（ａ）は、位置センサ５４の正常時におけるＭＧ５２のトルクと電圧位相αとの関係を示し、図４（ｂ）は、位置センサ５４にオフセットズレが発生した異常時におけるＭＧ５２のトルクと電圧位相αとの関係を示す。いずれの場合も電圧位相αは、ＭＧトルクの変化と連動して変化している。

図４（ａ）に示す正常時には、ＭＧトルクがゼロのときの電圧位相αは、９０°を中心とする正常範囲に入っている。一方、図４（ｂ）に示す異常時には、電圧位相が全体的にオフセットし、ＭＧトルクがゼロのときの電圧位相αは正常範囲から外れている。仮に電圧位相正常値を９０°とすると、ＭＧトルクがゼロのときの電圧位相αと正常値９０°との差が「オフセットズレ」に相当する。なお、図４（ｂ）の例示とは逆に、正常値の負側にオフセットズレが生じる場合もある。

このように本実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０１は、誤ったフィードバック電流Ｉｄ、Ｉｑを基に制御器２３が演算したｄｑ軸電圧ベクトルの位相αに基づいて位置センサ５４のオフセットズレを検出する。したがって、ｄ軸電流指令値をゼロとする前提でｄ軸電圧Ｖｄに基づいて磁極ずれを検出する特許文献１の従来技術に対し、弱め界磁制御を行う高回転領域を含めて、位置センサのオフセットズレを広い回転数領域で好適に検出することができる。

また、本実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０１は、ＭＧ５２のトルクｔｒｑや回転数ωの運転条件に応じた電圧位相正常値αｎを予め記憶している正常値記憶手段３２を有しており、電圧位相算出値αと電圧位相正常値αｎとを比較することで、位置センサ５４のオフセットズレを簡便かつ迅速に検出することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の同期モータの制御装置について、図５、図６を参照して説明する。
図５に示すように、第２実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０２において、位相算出手段３１は、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑ及びＭＧ５２の回転数ωに基づき電圧方程式を用いて算出したｄｑ軸電圧Ｖｄ、Ｖｑから電圧位相αを算出する。ここで、本実施形態で用いる電圧方程式は、特許請求の範囲に記載の「モータモデルによる計算式」の一例に相当する。
また、ＭＧ−ＥＣＵ２０２は、現在のＭＧ５２が実質的にトルクを出力しない「ゼロトルク状態」であるか否かを判定するゼロトルク判定手段３３を備える。そして、ゼロトルク判定手段３３によって「ゼロトルク状態である」と判定されたとき、位置センサ５４のオフセットズレを判断する処理を実行することを特徴とする。

まず電圧方程式は、過渡状態を示す電流微分項を無視すれば、式（２．１）、（２．２）で表される。
Ｖｄ＝Ｒ×Ｉｄ−ω×Ｌｑ×Ｉｑ ・・・（２．１）
Ｖｑ＝Ｒ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ＋ω×φα・・・（２．２）
ただし、
Ｒ：電機子抵抗
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
φα：永久磁石の電機子鎖交磁束（逆起電圧定数）
ここで、回路定数である抵抗Ｒ及びインダクタンスＬｄ、Ｌｑは温度変化や経時劣化を無視すれば定数として扱うことができる。

周知のように、ＩＰＭＳＭの力行動作にて最大トルク特性を得るためのｄｑ軸電流は、Ｉｄ＜０、Ｉｑ＞０となる。したがって、電圧方程式に基づくｄｑ軸電圧の算出値Ｖｄ＿ｃａｌ、Ｖｑ＿ｃａｌは、図６（ａ）のように図示される。また、ｄｑ軸電圧算出値Ｖｄ＿ｃａｌ、Ｖｑ＿ｃａｌより、電圧ベクトルの大きさＶａｍｐ及び位相αが求められる。位相αは、９０°より大きく１８０°より小さい範囲の値となる。
高回転領域では、Ｒ＜＜ωＬとなることから、「−ωＬｑＩｑ」及び「ωＬｄＩｄ」項の寄与度が相対的に大きくなる。さらに弱め界磁制御により負のｄ軸電流Ｉｄを大きくすると、電圧位相αは、より１８０°に近づく傾向となる。

一方、ｑ軸電流Ｉｑ≒０のとき、上記の式（１）からも明らかなようにＭＧ５２のトルクはゼロとなる。ここで、本明細書において片仮名の「ゼロ」は、厳密な０［Ｎｍ］に限らず、装置の分解能やＭＧ５２及び動力伝達系の初動摩擦等を考慮し、実質的にトルクを発生しない範囲を意味する。
ゼロトルク状態で、Ｉｄ＜０、Ｉｑ≒０のとき、電圧方程式に基づくｄｑ軸電圧の算出値Ｖｄ＿ｃａｌ、Ｖｑ＿ｃａｌは、図６（ｂ）のように図示される。すなわち、図６（ａ）においてｄ軸電圧算出値Ｖｄ＿ｃａｌに寄与する「−ωＬｑＩｑ」項、及び、ｑ軸電圧算出値Ｖｑ＿ｃａｌに寄与する「ＲＩｑ」項を無視することができる。
この場合、高回転領域では「ωφα」項が支配的となるため、弱め界磁制御により負のｄ軸電流Ｉｄを流したとしても、電圧位相αは９０°に近い角度となる。

要するに、ゼロトルク状態での電圧位相正常値αｎは理論的に約９０°、すなわちＶｑ軸にほぼ一致する角度となる。したがって、ゼロトルク状態で位置センサ５４のオフセットズレを判断するようにした場合、位相算出値が９０°付近にあるか否かを判定することで、オフセットズレを容易に検出することができる。
本実施形態はこの点に着目し、ゼロトルク判定手段３３にて「ゼロトルク状態である」と判定されたとき、位置センサ５４のオフセットズレを判断する処理を実行する。

ゼロトルク判定手段３３は、ｑ軸電流Ｉｑ又はトルク指令値ｔｒｑ^*が所定の閾値以下のとき「ゼロトルク状態である」と判定する。所定の閾値は、装置の分解能、初動摩擦や演算誤差を考慮し、実質的に０［Ａ］又は０［Ｎｍ］に近いと考えられる値を設定するとよい。なお、破線で示すように、トルク指令値ｔｒｑ^*に代えて、トルク推定部２６が推定したトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔに基づいて判定してもよい。
ゼロトルク判定手段３３は、現在のＭＧ５２の動作状態が「ゼロトルク状態」であると判定すると、位相比較手段３４に対し、電圧位相算出値αと電圧位相正常値αｎとを比較するように指令する。それ以外は、第１実施形態と同様である。

第１実施形態では、制御器２３が生成した電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*から電圧位相αを算出するのに対し、第２実施形態では、ｄｑ変換部２５による位置θを用いる座標変換演算において位置θの誤差の影響をより直接的に受けるｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて、電圧方程式を用いて算出したｄｑ軸電圧Ｖｄ、Ｖｑから電圧位相αを算出する。したがって、第１実施形態に対し、位置センサ５４のオフセットズレをより敏感に検出することができる。

また、第２実施形態では、ゼロトルク判定手段３３によって現在のＭＧ５２の動作状態が「ゼロトルク状態である」と判定されたとき、位相比較手段３４にて、電圧位相算出値αと電圧位相正常値αｎとが比較される。言い換えれば、ＭＧ５２がトルクを出力しなくなるタイミングを待って、位置センサ５４のオフセットズレを判断する処理を実行する。
そのため、オフセットズレの判断において、電圧位相算出値αが９０°に近い範囲内であるか否かを判断すればよい。これにより、参照するマップの範囲が絞られるため、演算負荷を大幅に低減することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態の同期モータの制御装置について、図７〜図９を参照して説明する。
図７に示すように、第３実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０３は、第２実施形態に対し、さらにオフセットズレ補正手段３６を備えている。オフセットズレ補正手段３６は、オフセットズレ検出手段３５によって位置センサ５４のオフセットズレが検出されたとき、位相偏差Δαに応じた角度を加算器３７にて加算することで、位置センサ５４が検出した位置検出値θを補正し、位置補正値θｃを出力する。

これにより、補正後の位置θｃがｄｑ変換部２５及び逆ｄｑ変換部２４に入力されることとなり、正しい座標変換演算による適正なモータ制御が実行可能となる。
ただし、磁極のずれがある限界を超えると、位置θを補正して正常な制御をすることが不能となる。そこで、位相偏差Δαの絶対値が所定値以上の場合、「補正が不能である」と判断するようにしてもよい。

次に、ＭＧ−ＥＣＵ２０３による位置センサ異常判定のフローについて、図８のメインフローチャート及び図９のサブフローチャートを参照して説明する。以下のフローチャートの説明で記号「Ｓ」はステップを意味する。
Ｓ１では、ＭＧ５２が駆動中であるか判定し、駆動中の場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、以下のステップに進む。

Ｓ２では、ゼロトルク判定手段３３により、ｑ軸電流Ｉｑ又はトルクｔｒｑが所定の閾値以下の「ゼロトルク状態」であるか否か判定する。ゼロトルク状態であれば（Ｓ２１：ＹＥＳ）、以下のステップにて位置センサ５４の異常判定を実施する。ゼロトルク状態でなければ（Ｓ２１：ＮＯ）、ゼロトルク状態になるまで位置センサ５４の異常判定を実施しない。
なお、上記第１実施形態のようにゼロトルク判定手段３３を有しない形態では、Ｓ２を省略し、ＭＧ５２がトルクを出力している状態で異常判定を実施してもよい。

次に、異常判定ステップであるＳ３では、位相算出手段３１が算出した電圧位相算出値αを正常値記憶手段３２が記憶している正常値αｎと比較し、正常範囲内であるか否か判断する。電圧位相算出値αが正常範囲内である場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、Ｓ４にて、位置センサ５４は正常であると判定する。

また、電圧位相算出値αが正常範囲外である場合（Ｓ３：ＮＯ）、Ｓ５にて、オフセットズレの補正が可能であるか否か判断する。位相偏差Δαの絶対値が所定値未満であって補正が可能な場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、Ｓ６にて、オフセットズレ補正手段３６により位置センサ５４が検出した位置θを補正する。そして、補正した位置θｃを用いて座標変換演算を行い、ＭＧ５２の駆動制御を継続する。

一方、位相偏差Δαの絶対値が所定値以上であって補正が不能な場合（Ｓ５：ＮＯ）、Ｓ７０の「位置センサ異常モード処理」に移行し、基本的に位置センサ５４を使用しない制御を実施する。この「位置センサ異常モード処理」の一例を図９のサブフローチャートに示す。なお、他の実施形態では、補正可否を判断するＳ５を省略し、Ｓ３にてＮＯの場合、直接Ｓ７０に移行してもよい。
図９に示す例では、ＭＧ−ＥＣＵ２０３は、Ｓ７１にてＭＧ５２の駆動を停止する。
ここで「駆動を停止する」とは、異常な位置センサ５４からの誤った位置情報に基づくインバータ４４のスイッチング動作、すなわち積極的な力行動作を停止することをいう。これにより、位置センサ５４が異常状態のまま駆動することによるＭＧ５２の「暴走」を防止することができる。また、例えば、ＭＧ回転が高く逆起電圧がバッテリ電圧より高い場合等、必要に応じて、慣性での回転を強制制動する処理を併用してもよい。

また、ＭＧ−ＥＣＵ２０３を含む車両制御システム１００（図１参照）は、ＭＧ５２の駆動を停止する旨の情報をＭＧ−ＥＣＵ２０３から取得すると、「他動力源駆動装置」としてのエンジンＥＣＵ８０に対しエンジン走行に切り替えるように指令する（Ｓ７２）。これにより、ハイブリッド自動車の走行を継続することができる。
このとき、運転者に対して位置センサ５４の異常を知らせる警告ランプ等を表示するようにしてもよい。これにより、運転者は、異常を認識しつつ、エンジン走行によりディーラー等までの退避走行を行うことができる。

（第４実施形態）
第４実施形態の同期モータの制御装置について、図１０、図１１を参照して説明する。
図１０に示すように、第４実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０４は、第３実施形態に対し、さらに位置推定手段２７を備えている。位置推定手段２７は、周知の位置センサレス技術を用いて、電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*、及び、電流検出値Ｉｄ、ＩｑからＭＧ５２のロータ位置θｅｓｔを推定し、逆ｄｑ変換部２４及びｄｑ変換部２５に出力する。
なお、「同期モータの位置センサレス制御技術」は、例えば、特許第３４１１８７８号公報等に開示されている。

第３実施形態の位置センサ異常判定のフローに対し、第４実施形態では、図８のメインフローチャートは同様であり、オフセットズレ補正が不能の場合（Ｓ５：ＮＯ）の「位置センサ異常モード処理」のみが異なる。
図１１のＳ７３に示すように、第４実施形態では、位置センサ異常モード処理として、位置推定手段２７による位置センサレス制御によりＭＧ５２の駆動を継続することができる。したがって、エンジン８１等の他動力源を持たない電気自動車や、他動力源への切替に制限がある場合にも有効である。
もちろんこの場合も、運転者に対して位置センサ５４の異常を知らせる警告ランプ等を表示し、早期の点検修理を促すようにすることが好ましい。

（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態のＭＧ−ＥＣＵ２０１〜２０４の図２、５、７、１０では、電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*に対して電流検出値Ｉｄ、Ｉｑをフィードバックする電流フィードバック制御の例を示している。この他、ＭＧ−ＥＣＵは、トルク指令値ｔｒｑ^*に対して、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑ及び回転数ωから推定したトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔ、又はトルクセンサで直接検出したトルク検出値をフィードバックするトルクフィードバック制御によりＭＧの駆動を制御してもよい。

（イ）正常値記憶手段３２又はゼロトルク判定手段３３が取得するトルク値は、トルク指令値ｔｒｑ^*、又は、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑから推定したトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔに代えて、トルクセンサで直接検出したトルク検出値としてもよい。

（ウ）上記第２〜第４実施形態では、位相算出手段３１は、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑ及び回転数ωに基づき電圧方程式を用いて算出したｄｑ軸電圧の位相αを算出する。その他、電圧方程式以外の「モータモデルによる計算式」を用いて電圧位相αを算出するようにしてもよい。例えば、三相モータモデルによる計算式は、式（３）で表される。

ただし、
Ｒ：電機子抵抗
Ｐ：微分演算子
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
φα：永久磁石の電機子鎖交磁束（逆起電圧定数）
電圧方程式ではｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに位置θの情報があるのに対し、この三相モータモデルによる計算式では、誘起電圧の項に位置θの情報がある。式（３）を用いて三相電圧を計算し、ｄｑ変換することにより、ｄｑ軸電圧の電圧位相を算出することができる。
なお、電圧方程式や三相モデルによる計算式は、マップを参照することにより計算してもよい。

（エ）上記実施形態で「同期モータ」として例示したＭＧは、電動機としての機能及び発電機としての機能を併せ持つ所謂モータジェネレータであったが、他の実施形態では、発電機としての機能を持たなくてもよい。また、「同期モータ」は、三相交流電動機に限らず、三相以上の多相交流電動機であってもよい。

（オ）本発明の同期モータの制御装置が電動車両に適用される場合、その電動車両は、上記実施形態で例示したように動力源としてエンジンと２つのＭＧを備えるハイブリッド自動車に限らず、エンジンと１つのＭＧを備えるハイブリッド自動車、或いは、ＭＧのみを備える電気自動車であってもよい。
また、エンジンは、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジン、気化燃料エンジン等であってもよい。或いは、ＭＧの電力源として燃料電池を用いてもよい。
さらに、異常判定される同期モータ以外の「他の動力源」は、エンジンに限らず、例えば冗長モータ等としてもよい。

（カ）本発明の同期モータの制御装置は、車両の主機モータ以外に、車両の補機用モータや、車両以外の昇降機、一般機械等に用いられる同期モータの制御装置として適用されてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

２０、２０１〜２０４：ＭＧ−ＥＣＵ（同期モータの制御装置）、
２３：制御器、
３１：位相算出手段、
３２：正常値記憶手段、
３３：ゼロトルク判定手段、
３４：位相比較部、
３５：オフセットズレ検出手段、
３６：オフセットズレ補正手段、
４４：第２インバータ（インバータ）、
５２：第２ＭＧ（同期モータ）、
５４：位置センサ、
１００：車両制御システム。

Claims (9)

1. 同期モータ（５２）に設けられた位置センサ（５４）から取得したロータ位置（θ）の情報を用いて制御演算を行い、インバータ（４４）のスイッチング状態を操作して前記同期モータの駆動を制御する同期モータの制御装置（２０１〜２０４）であって、
   電流又はトルクの指令値と検出値もしくは推定値との偏差が入力され、前記検出値もしくは推定値が前記指令値に追従するように、前記インバータへ出力する電圧指令値を演算する制御器（２３）と、
   前記制御器が出力した電圧指令値、又は、電流検出値に基づいて算出された電圧算出値について、ｄｑ軸座標における電圧ベクトルの位相を算出する位相算出手段（３１）と、
   前記位相算出手段が算出した電圧位相算出値（α）に基づいて前記位置センサのオフセットズレを検出するオフセットズレ検出手段（３５）と、
   前記同期モータのトルクを含む運転条件に応じた電圧位相正常値（αｎ）を予め記憶している正常値記憶手段（３２）と、
   を備え、
   前記オフセットズレ検出手段は、
   前記位相算出手段が算出した前記電圧位相算出値と前記電圧位相正常値とを比較して得られた前記電圧位相算出値と前記電圧位相正常値との差分である位相偏差（Δα）に基づいて、前記位置センサのオフセットズレを検出することを特徴とする同期モータの制御装置。
2. 前記同期モータのｑ軸電流又はトルクが所定の閾値以下のときゼロトルク状態であると判定するゼロトルク判定手段（３３）を備え、
   前記オフセットズレ検出手段は、
   前記ゼロトルク判定手段によってゼロトルク状態であると判定されたとき、前記位置センサのオフセットズレを判断する処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の同期モータの制御装置。
3. 前記位相算出手段は、
   電流検出値及び前記同期モータの回転数に基づき、モータモデルによる計算式を用いて算出したｄｑ軸電圧の電圧位相を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の同期モータの制御装置。
4. 前記オフセットズレ検出手段によって前記位置センサのオフセットズレが検出されたとき、前記位相偏差に基づき、前記位置センサが検出した位置検出値を補正するオフセットズレ補正手段（３６）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の同期モータの制御装置。
5. 前記位相偏差の絶対値が所定値以上のとき、前記オフセットズレ補正手段による補正が不能であると判断することを特徴とする請求項４に記載の同期モータの制御装置。
6. 前記制御器が出力した電圧指令値、及び、電流検出値からロータ位置を推定する位置推定手段（２７）を備え、
   前記位相偏差の絶対値が所定値以上のとき、前記位置推定手段が推定した位置推定値を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の同期モータの制御装置。
7. 前記位相偏差の絶対値が所定値以上のとき、前記同期モータの駆動を停止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の同期モータの制御装置。
8. 前記同期モータを含む複数の動力源を搭載した車両の駆動を制御する車両制御システム（１００）であって、
   請求項７に記載の同期モータの制御装置と、
   前記複数の動力源のうち前記同期モータ以外の他の動力源を制御する他動力源制御装置（８０）と、を備え、
   前記位相偏差の絶対値が所定値以上のとき、前記同期モータの駆動を停止し、前記他の動力源により車両を走行させることを特徴とする車両制御システム。
9. 前記他の動力源としてエンジン（８１）を備えるハイブリッド自動車に適用され、
   前記位相偏差の絶対値が所定値以上のとき、前記同期モータの駆動を停止し、前記エンジンにより車両を走行させることを特徴とする請求項８に記載の車両制御システム。

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