JP6464995B2 - 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。
ここで、モータ制御装置は、「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、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、インバータのスイッチング動作を操作するものである。
入力電圧推定値算出部は、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。
本発明の一態様では、交流モータは三相交流モータであり、変換係数は、下式で算出される。ここで、変換係数をK、スイッチング周期をTsw、デッドタイムをDTとする。
K=Tsw/{(√3)×DT}
また、交流モータは三相交流モータであり、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るとすると、モータモデル式として、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が用いられる。
また、本発明では、入力電圧センサ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。特に、バッテリの出力電圧が直接インバータに入力されるシステムでは、バッテリ電圧センサの設置、及び、バッテリ電圧信号の通信が不要となる。
[システム構成]
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。
一実施形態のMG制御装置20及び電圧センサ異常診断装置40の構成を図2に示す。
MG制御装置20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20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40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40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)
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20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)
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、ベクトルの大きさが理論電圧指令振幅Vamp_thrである。なお、ベクトルの位相Vψをq軸基準で示しているが、d軸基準で位相を定義してもよい。
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)
電圧センサ異常診断装置40は、入力電圧推定値算出部45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。
入力電圧推定値算出部45は、制御電圧指令振幅算出部27から制御電圧指令振幅Vamp_ctrlを取得し、理論電圧指令振幅算出部28から理論電圧指令振幅Vamp_thrを取得する。また、入力電圧推定値算出部45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を取得する。
Vin_est=K×ΔVamp ・・・(6.2)
K=Tsw/{(√3)×DT} ・・・(6.3)
入力電圧推定値算出部45は、式(6.1)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。
また、入力電圧センサ5の異常判定が確定したとき、異常判定部46は、破線で示すように入力電圧推定値Vin_estをPWM信号生成部26に出力してもよい。
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。
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。
以下のステップのうち、S23〜S28については、各実行主体を特定する。S21、S22については、電圧センサ異常診断装置40全体を実行主体とする。またS29は、特別にMG制御装置20を実行主体とする。
S22では、電圧センサ異常診断装置40は、現在のシステム状態が安定領域にあるか否か判断する。
安定領域として設定する変化率の範囲や監視期間は、各パラメータの誤差範囲や制御装置の分解能等に応じて適宜設定してよい。
入力電圧推定値算出部45は、S23及びS24で、制御電圧指令振幅算出部27から制御電圧指令振幅Vamp_ctrlを取得し、理論電圧指令振幅算出部28から理論電圧指令振幅Vamp_thrを取得する。また、入力電圧推定値算出部45は、S25で、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を取得する。S23、S24、S25は順不同とする。
S27では、異常判定部46は、入力電圧センサ値Vin_sns及び入力電圧推定値Vin_estを取得し、それら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5が異常であると判定する。そして、入力電圧センサ値Vin_snsと推定値Vin_estとの差の絶対値が電圧閾値Vthより大きい異常状態が所定の確定時間以上にわたって継続したか否か判断する。S27でYESの場合、S28で、異常判定部46は入力電圧センサ5の異常を確定する。
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。
S29では、MG制御装置20は、入力電圧センサ値Vin_snsに代えて、入力電圧推定値Vin_estを用いて、MG80の駆動を継続することができる。例えばハイブリッド自動車では、退避走行を継続することができる。
なお、他の実施形態においてモータ駆動を継続するニーズが低いシステムに適用される場合等には、入力電圧センサ5の異常が確定されたとき、モータ駆動を停止してもよい。
(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、電圧値を直接評価していないため、広い電圧領域で異常判定精度を一様に確保することが困難である。
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。
(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、インバータ入力電圧センサの異常判定精度を広い電圧領域で確保する効果については、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。
20・・・MG制御装置(モータ制御装置)、
40・・・電圧センサ異常診断装置、
45・・・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 (7)
- 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(20)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、
前記モータ制御装置は、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、
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(Vin_est)を算出する入力電圧推定値算出部(45)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、
前記交流モータは三相交流モータであり、
前記変換係数をK、スイッチング周期をTsw、デッドタイムをDTとすると、
前記変換係数は、下式で算出される電圧センサ異常診断装置。
K=Tsw/{(√3)×DT} - 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(20)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、
前記モータ制御装置は、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、
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(Vin_est)を算出する入力電圧推定値算出部(45)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、
前記交流モータの駆動条件の変化率が所定範囲内の領域である安定領域において、前記入力電圧センサの異常診断を実施する電圧センサ異常診断装置。 - 前記安定領域は、電圧指令又は電流指令の変化率が所定範囲内の領域である請求項2に記載の電圧センサ異常診断装置。
- 前記交流モータは三相交流モータであり、
前記変換係数をK、スイッチング周期をTsw、デッドタイムをDTとすると、
前記変換係数は、下式で算出される請求項2または3に記載の電圧センサ異常診断装置。
K=Tsw/{(√3)×DT} - 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1〜4のいずれか一項に記載の電圧センサ異常診断装置。 - 前記モータ制御装置は、dq軸電流指令値をdq軸電流値とする電圧方程式を用いて、dq軸電圧指令のフィードフォワード項を演算するものであり、
前記理論電圧指令振幅は、前記フィードフォワード項の値を用いて算出される請求項5に記載の電圧センサ異常診断装置。 - 前記モータ制御装置は、PWM制御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、
前記スイッチング周期は、PWMキャリア信号のキャリア周期に一致する請求項1〜6のいずれか一項に記載の電圧センサ異常診断装置。
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