JP2023106979A - 回転角センサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角センサの異常検出精度が向上された回転角センサの異常診断装置を実現する。【解決手段】異常診断装置４００は、モータ３００に設けられる回転角センサ（レゾルバ）３２０から出力される正弦信号および余弦信号に基づいて、回転角センサ３２０の異常の有無を判定する。回転角センサ３２０に入力される励磁信号の周期の６倍以上のサンプリング周期で、正弦信号および余弦信号を取得する高速データ取得部４０１と、高速データ取得部４０１にて得られた正弦信号および余弦信号のデータを各々２乗して加算し、２乗和演算結果を算出する２乗和演算部４０３と、２乗和演算部４０３の演算結果に基づいて、回転角センサ３２０の異常の有無を判定する異常判定部４０５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、回転角センサの異常診断装置に関する。

近年、自動車の電動化に伴い、主機及び補機(ブレーキ・パワステなど)に永久磁石同期モータ (ＰＭＳＭ)を適用した車両が普及している。ＰＭＳＭの制御では、回転角センサからの情報が必要不可欠である。回転角センサの信頼性の向上を図るためには、回転角センサの値を使用する際に回転角センサの信号の妥当性を担保する必要がある。

特許文献１には、レゾルバ（回転角センサ）の入力信号である励磁信号の１周期において、複数の時点においてサンプリングされた励磁成分、正弦波成分および余弦波成分の値に基づいて、励磁信号との位相ズレを検出する技術が記載されている。位相ズレ検出は励磁信号の所定角度時の余弦波成分の有無により検出している。

特開２０２０－１９０５３３号公報

レゾルバには励磁信号が入力されるが、しかしながら、特許文献１に記載技術においては、レゾルバの励磁信号の周期に関しては、異常が存在しないことを前提としている。

しかしながら、レゾルバの励磁信号の周期に関しても、異常の有無を検出し、回転センサ信号の妥当性を担保して、回転角センサのさらなる信頼性を向上することが求められる。

本発明は、上述した内容に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転角センサの異常検出精度が向上された回転角センサの異常診断装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

モータに設けられる回転角センサから出力される正弦信号および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、前記回転角センサに入力される励磁信号の周期の６倍以上のサンプリング周期で、前記正弦信号および前記余弦信号を取得する高速データ取得部と、前記高速データ取得部にて得られた前記正弦信号および前記余弦信号のデータを各々２乗して加算し、２乗和演算結果を算出する２乗和演算部と、前記２乗和演算部の演算結果に基づいて、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。

本発明によれば、回転角センサの異常検出精度が向上された回転角センサの異常診断装置を実現することができる。
上記以外の、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。

本発明の一実施例である異常診断装置により回転角センサであるレゾルバが接続されたモータ制御装置の概略構成図である。 本発明の一実施例である異常診断装置４００の概略構成を示す図である。 データバッファ部に保存されるバッファデータの格納方法の説明図である。 本発明の原理を説明するために、励磁信号と、振幅変調された正弦成分および余弦成分との関係を示す図である。 正弦成分と余弦成分の２乗和特性について説明するためのグラフである。 励磁信号と２乗和信号との関係を説明するグラフである。 励磁信号と２乗和信号との関係を説明するグラフである。 異常診断装置における異常判定部の動作フローチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の形態は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

図１は、本発明の一実施例である異常診断装置４００により回転角センサであるレゾルバ３２０が接続されたモータ制御装置１００の概略構成図である。

図１において、モータ制御装置１００は、モータ３００に接続されている。モータ駆動装置１００は、電流制御部１１０と、インバータ１３０と、回転位置検出部１５０と、励磁部１６０とを有している。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。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、ロータ３１０の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）が入力されて、振幅変調された互いに位相が９０°ずれた２相の信号Ｓｎ１（正弦波信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ））、Ｃｎ１（余弦波信号（ｃｏｓθｓｉｎωｔ））を出力する（θ：モータの回転角）。

電流制御部１１０は、上位制御装置（図示せず）にて作成される電流指令値に追従するように、パルス幅変調（ＰＷＭ）により作成されるドライブ信号を作成する。電流制御部１１０は、電流センサ１７０によって検出されるモータ電流値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を、回転位置検出部１５０によって検出されるモータ３００の回転角度θに応じた３相のモータ電圧指令値を演算する。

上述した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（Ｓｎ１，Ｃｎ１）に応じて回転位置検出部１５０に入力される信号は、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、サンプリングすることにより変調分が取り除かれる。

回転位置検出部１５０は、変調分が取り除かれた２相信号に基づいて、モータ３００の回転角θを算出する。なお、異常診断装置４００は、レゾルバ３２０の出力信号を受信し、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。

異常診断装置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。

図２は、本発明の一実施例である異常診断装置４００の概略構成を示す図である。

図２において、レゾルバ３２０からの振幅変調された二つの出力信号Ｓｎ１およびＣｎ１を異常診断装置４００に取り込む。上記二つの出力信号Ｓｎ１およびＣｎ１信号は、まずＡＤ変換部（高速データ取得部）４０１にて励磁信号の周期の６倍以上のサンプリング周期にてＡＤ変換して取得する。

６倍以上のサンプリング数は、後述する２乗和演算におけるピーク周期を計測する為の最低サンプル数を確保するための値となるが、波形再現精度向上のためには好ましくは１０倍以上あっても良い。

ＡＤ変換部４０１にてサンプリングされたデータＳｎ２およびＣｎ２はデータバッファ部４０２にて励磁周期１周期分を保存する。このとき、各信号と共にＡＤ変換時の時刻、例えばフリーランニングタイマ値Ｔ１もバッファ部４０２に保存する。

なお、後述するが、データバッファ部４０２に保存されるバッファデータは、各々配列として保存することによりインデックスでの管理が可能となる。

データバッファ部４０２からの二つの出力信号Ｓｎ２Ｂ及びＣｎ２Ｂは２乗和演算器４０３により、インデックス毎に２乗和演算し、同様に配列としてデータを保存する。

２乗和演算部４０３による２乗和演算にて得られたデータＳＱ１はピークＩｎｄｅｘ検出部４０４において、振幅山を抽出する。ピークＩｎｄｅｘ検出部４０４には、データバッファ部４０２で保存されたフリーランニングタイマ値Ｔ１をＴ１ＢとしてピークＩｎｄｅｘ検出部４０４に出力する。

振幅山を検出する方法の一例として、以下のピーク値探索方法を使用しても良い。

つまり、ピーク値探索方法は、例えば連なるインデックスで３つずつデータを抽出し、そのデータをデータ１、データ２、データ３とした場合、以下の条件（１）が成立するデータ２を選択しても良い
条件（１）：データ１＜データ２ ＆ データ２＞データ３
上記条件（１）にて得られたデータのインデックスを用いて、周期を算出するための連続するピーク値である振幅山値Ｐｋ１および振幅山値Ｐｋ２を抽出する。また、振幅山値が発生したＡＤ変換時刻データＴｐｋ１およびＴｐｋ２も抽出する。

振幅山値Ｐｋ１、振幅山値Ｐｋ２、ＡＤ変換時刻データＴｐｋ１およびＡＤ変換時刻データＴｐｋ２は、異常判定部４０５に出力される。そして、異常判定部４０５にて、２乗和データＳＱ１の周期（２乗和周期ｆｓｑｒ）を次式（１）により導く。

２乗和周期ｆｓｑｒ＝１／（Ｔｐｋ２－Ｔｐｋ１） ・・・ （１）
異常判定部４０５は、上記２乗和周期ｆｓｑｒとシステムが期待する励磁周期とを比較し、異常か否かを判定して、異常判定Ｊ１を出力する。異常判定Ｊ１は、適切な表示装置等により報知することが可能である。

図３は、データバッファ部４０２に保存されるバッファデータの格納方法の説明図である。

ＡＤ変換部４０１にてサンプリングされたデータＳｎ２は、正弦成分テーブル５０１に時系列にて所定のデータ分を格納する。データには、それぞれＩｎｄｅｘを割り当てることで、データ探索を容易にする。なお、バッファデータが所定数のデータで埋まった場合は、時系列的に古いデータから上書きで保存されるものとする。

同様に、ＡＤ変換部４０１にてサンプリングされたデータＣｎ２は余弦成分テーブル５０２に時系列にて所定のデータ分を格納する。

さらに、ＡＤ変換部４０１にてサンプリングされた際のタイムスタンプは、ＡＤ変換タイムスタンプテーブル５０３に時系列にて所定のデータ分を格納する。

また、２乗和演算部４０３にて各Ｉｎｄｅｘにおける正弦成分と余弦成分との２乗和データＳＱ１は２乗和テーブル５０４に時系列にて所定のデータ分を格納する。

なお、本実施例ではデータバッファ部４０２に保存されるデータサイズを１０としているが、実運用においては励磁周期１周期におけるＡＤ変換サンプル数に応じてサイズを変更すれば良い。

図４は、本発明の原理を説明するために、励磁信号（ｓｉｎωｔ）と、振幅変調された正弦成分Ｓｎ１および余弦成分Ｃｎ１との関係を示す図である。図４には、レゾルバ３２０に励磁信号（ｓｉｎωｔ）を与えた際の励磁信号数周期分の振幅変調された正弦成分Ｓｎ１および余弦成分Ｃｎ１との任意時間帯における拡大図が示されている。

図４において、励磁信号周波数と振幅変調された正弦成分Ｓｎ１および余弦成分Ｃｎ１の周波数は、回路構成上、基本的には同一周波数となる。（多少の位相差は生ずる）。

従って、正弦成分Ｓｎ１および余弦成分Ｃｎ１の周波数を観測すれば励磁周期の健全性が観測できるはずである。

しかしながら、図４における拡大された波形のように、観測タイミングによっては振幅が小さい区間（正弦成分Ｓｎ１であるｓｉｎ成分の振幅が小さい）が存在する為、この区間において波形の周波数を観測することが出来ないか、困難である。

図４に示した例では、正弦成分Ｓｎ１であるｓｉｎ成分の振幅が小さくなるタイミングでの観測を示したが、余弦成分Ｃｎ１も同様に振幅が小さくなるタイミングが存在する。

次に、本発明の基本となるレゾルバ３２０の出力の２つの振幅変調波の正弦成分Ｓｎ１と余弦成分Ｃｎ１の２乗和特性について説明する。

図５は、正弦成分Ｓｎ１と余弦成分Ｃｎ１の２乗和特性について説明するためのグラフである。

レゾルバ３２０に入力される励磁信号（ｓｉｎωｔ）は所定振幅および所定周波数にて設定される。

一方、励磁信号（ｓｉｎωｔ）にて振幅変調されレゾルバ３２０から出力される信号の正弦成分Ｓｎ１と余弦成分Ｃｎ１は、レゾルバ３２０の角度位置に応じて振幅が変動する波形となる。

各信号成分は、正弦成分Ｓｎ１＝ｓｉｎθｓｉｎωｔであり、余弦成分Ｃｎ１＝ｃｏｓθｓｉｎωｔである。

特に、正弦成分Ｓｎ１ではレゾルバ３２０の角度が０度、１８０度、・・・では略振幅０になり、逆に、余弦成分Ｃｎ１ではレゾルバ３２０の角度が９０度、２７０度、・・・では略振幅０になる。これは角度における正弦成分および余弦成分の振幅に準ずる。

一方、正弦成分Ｓｎ１と余弦成分Ｃｎ１を２乗和して算出した信号Ｓｑｒ１（２乗和演算結果）は、以下の式（２）で示す成分となる。

Ｓｑｒ１＝（ｓｉｎωｔ）^２（ｓｉｎθ^２＋ｃｏｓθ^２） ・・・（２）
三角関数の基本公式より以下の式（３）が成立する。

Ｓｑｒ１＝（ｓｉｎωｔ）^２ ・・・（３）
上記式（３）より、正弦成分Ｓｎ１や余弦成分Ｃｎ１とは異なり、２乗和信号Ｓｑｒ１はレゾルバ３２０の角度に依らず一定振幅の正弦波特性が得られる。

また、図６及び図７に示すように、２乗和した信号Ｓｑｒ１は、励磁信号（ｓｉｎωｔ）に同期（連動）した一定振幅の正弦波であり、また、倍角の式となることから、信号Ｓｑｒ１の周波数ｆｓｑｒは、励磁信号周波数ｆｅｘｃの丁度２倍となる。

本発明は、励磁信号に対して、周期が２倍で、一定振幅の２乗和した信号Ｓｑｒ１を利用して、回転角センサであるレゾルバ３２０の異常診断を行う。

図８は、異常診断装置４００における異常判定部４０５の動作フローチャートである。

図８のステップＳ１において、異常判定部４０５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、異常判定部４０５は、ピークＩｎｄｅｘ検出部４０４において取得した振幅山値Ｐｋ１および振幅山値Ｐｋ２を取り込む。

次に、ステップＳ３において、異常判定部４０５は、ピークＩｎｄｅｘ検出部４０４において取得した振幅山値Ｐｋ１および振幅山値Ｐｋ２のＩｎｄｅｘに応じたＡＤ変換時間ｔｐｋ１およびＡＤ変換時間ｔｐｋ２（ＡＤ変換時刻データＴｐｋ１およびＡＤ変換時刻データＴｔｐｋ２に対応する ）を取り込む。

次に、ステップＳ４において、異常判定部４０５は、Ｓ３にて取得したＡＤ変換時間ｔｐｋ１およびＡＤ変換時間ｔｐｋ２より、２乗和信号周期ｆｓｑｒを算出する（算出式は前述）。

次に、ステップＳ５において、異常判定部４０５は、ステップＳ４にて取得した２乗和信号周期ｆｓｑｒの１／２の値が、励磁部１６０よりレゾルバ３２０に入力した励磁信号周期の上限値ｆｅｘｃｍａｘ値未満、或いは下限値ｆｅｘｃｍｉｎ超であるかを判定して、励磁信号の周期に異常があるか否かを判定する。

ステップＳ５において、条件成立時はステップＳ６において、励磁信号周期に異常は無いと判定して、周期異常フラグを０（異常なし）に設定する。

一方、ステップＳ５において条件不成立時はステップＳ７において、励磁信号周期に異常ありと判定して、周期異常フラグを１（異常あり）に設定する。

更に、ステップＳ８において、異常判定部４０５は、ステップＳ２にて取得した２乗和信号の振幅山値Ｐｋ１又は振幅山値Ｐｋ２が、上限値Ｐｋｍａｘ値未満、或いは下限値Ｐｋｍｉｎ超であるか否かを判定し、レゾルバ３２０の出力信号Ｓｎ１及びＣｎ１の振幅値に異常が有るか否かを判定する。

ステップＳ８において、上記条件成立時は、ステップＳ９において、振幅異常フラグを０（異常なし）に設定し、一連の動作を終了する。

一方、ステップＳ８において、上記条件不成立時は、ステップＳ１０において、振幅異常フラグを１（異常あり）に設定し、一連の動作を停止する。

なお、ステップＳ５～Ｓ７およびステップＳ８～Ｓ１０はそれぞれ独立させて終了させても良い。

また、異常判定部４０５の異常判定Ｊ１を適切な表示装置（図示せず）に表示することが可能である。

以上のように、本発明によれば、回転角センサであるレゾルバ３２０の出力信号Ｓｎ１及びＣｎ１を２乗和して、２乗和データを得て、２乗和データのピーク値Ｐｋ１及びピーク値Ｐｋ２を検出して得られたピーク周期が異常か否かを判定するとともに、ピーク値Ｐｋ１またはピーク値Ｐｋ２が異常か否かを判定するように構成している。

よって、回転角センサの異常検出精度が向上された回転角センサの異常診断装置を実現することができる。

また、レゾルバ３２０の出力信号Ｓｎ１及びＣｎ１を２乗和して、２乗和信号を得ることにより、角度位置によらず、所定振幅の正弦波及び余弦波を取得することができる。これにより、角度位置によらず、励磁信号や正弦波信号及び余弦信号の異常有無を判定することができる。

なお、上述した実施例では、励磁信号ｓｉｎωｔの周期を２乗和信号のピーク値Ｐｋ１及びＰｋ２により算出するように構成したが、２乗和信号の０値を検出して０値の周期を励磁信号ｓｉｎωｔの周期として算出することも可能である。

１００・・・モータ駆動装置、１１０・・・電流制御部、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、３１０・・・ロータ、３２０・・・レゾルバ、４００・・・異常診断装置、４０１・・・ＡＤ変換部、４０２・・・データバッファ部、４０３・・・２乗和演算部、４０４・・・ピークインデックス検出部、４０５・・・異常判定部、５０１・・・正弦成分テーブル、５０２・・・余弦成分テーブル、５０３・・・ＡＤ変換タイムスタンプテーブル、５０４・・・２乗和テーブル

Claims (5)

1. モータに設けられる回転角センサから出力される正弦信号および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、
   前記回転角センサに入力される励磁信号の周期の６倍以上のサンプリング周期で、前記正弦信号および前記余弦信号を取得する高速データ取得部と、
   前記高速データ取得部にて得られた前記正弦信号および前記余弦信号のデータを各々２乗して加算し、２乗和演算結果を算出する２乗和演算部と、
   前記２乗和演算部の演算結果に基づいて、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、
   前記異常判定部は、前記２乗和演算部の演算結果に基づいて、前記励磁信号の周期に異常が有るか否を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。
3. 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、
   前記異常判定部は、前記２乗和演算結果に基づいて、得られるピーク周期により前記励磁信号の周期が異常か否かを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。
4. 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、
   前記異常判定部は、前記２乗和演算結果に基づいて、得られる０値の周期により前記励磁信号の周期が異常か否かを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。
5. 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、
   前記異常判定部は、前記２乗和演算結果に基づいて、得られるピーク値により前記正弦信号および前記余弦信号の振幅値が異常か否かを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。

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