JP6363221B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

電源からの出力をインバータにより交流電圧に変換し、モータを駆動するシステムにおいて、モータへ印加する電圧を制御するために、インバータは高速でスイッチングを行う素子を有している。このスイッチングにより変動する電圧を平滑化するために、インバータと電源の間に平滑コンデンサが配置される。また、電源とインバータとの間には、両者の間の接続を開閉するために、リレーが設けられている。

モータの駆動時には、平滑コンデンサの電圧は電源電圧と略同じになり、ハイブリッド自動車や電気自動車では数１００Vになる。インバータの保守、点検、修理時には、リレーを開状態とした上で平滑コンデンサの電荷をすばやく放出し、作業が安全に行えるようにする必要がある。

特許文献１に、モータに電流を流すことで平滑コンデンサの電荷を放電する方法が提案されている。ロータの磁束方向でありモータ励磁用の永久磁石とともにモータを励磁するd軸電流を非ゼロに、d軸に直行しモータにトルクを付与するq軸電流がゼロとなるように、モータに供給する電流を制御する。モータに供給する電流は、電流センサにより検出したモータに流れている電流値と、目標の電流値の差をゼロに近づけるように動作するフィードバック制御により決定される。

これにより、モータにトルクが発生することなくモータに電流を流すことが可能になり、巻線のインピーダンスで電力が消費されるため、平滑コンデンサの電荷の放電が行われる。

しかしながら、モータ電流を検出する電流センサに検出誤差が有る場合、意図しない電流がモータに流れてしまうおそれがある。意図しない電流とは、q軸電流が非ゼロの電流である。q軸電流が流れるとモータにトルクが発生し、モータが回転してしまうおそれがある。

特開平9-70196号公報

本発明が解決しようとする課題は、平滑コンデンサの放電時にモータのq軸電流が意図せず流れることによってモータにトルクが発生することを低減する。

上記課題を解決するための、本発明に係るモータ制御装置は、リレーを介して電源と接続される平滑コンデンサを有するインバータと、前記インバータと接続されるモータと、前記モータに流れる電流を検出する電流センサと、を有するシステムを制御するモータ制御装置であって、前記電流センサにより検出した電流値に対し、前記電流センサのオフセット誤差による検出誤差を補正する電流センサ補正部と、前記リレーが閉状態となって前記モータが制御できる状態となり、その後、前記システムへの停止要求に応じて前記リレーが遮断されると、前記インバータを介して前記平滑コンデンサに溜まった電荷を前記モータで放電する放電制御部と、を備え、前記電流センサの前記オフセット誤差は温度特性を有し、前記電流センサ補正部は、前記リレーが遮断された後から前記放電制御部による放電制御開始までの間に前記モータの電流が流れていない状態で取得される前記電流センサの検出値を、前記オフセット誤差の値として、前記放電制御部による放電制御時に、前記電流センサの前記検出誤差を補正し、前記放電制御部は、前記放電制御時に、前記電流センサ補正部により補正された前記電流センサの値に基づいて前記モータの電流を制御することで、前記モータにトルクが発生することを低減しながら放電を行う。

本発明により、平滑コンデンサの放電時にモータにトルクが発生することを低減させ、信頼性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態における電源、モータ、平滑コンデンサの放電処理を実施する装置を含むモータ制御システムの概要を説明する図である。 制御装置９０の起動から停止までの流れを説明するフロー図である。 モータ制御システムのリレー２０が開状態となり、放電処理に先んじて行う電流センサ補正処理の流れを説明するフロー図である。 電流値（真値）に対する電流センサ検出値と、検出値に含まれるオフセット誤差の関係を示した図である。 電流値（真値）に対する電流センサ検出値と、オフセット誤差の温度特性を示した図である。 システム起動時に電流センサ補正処理を実施した場合の、システムの起動から停止までのオフセット誤差（温度特性あり）、オフセット誤差補正値、電流値（真値）、補正後電流値を示した図である。 放電処理開始直前に電流センサ補正処理を実施した場合の、システムの起動から停止までのオフセット誤差（温度特性あり） 、オフセット誤差補正値、電流値（真値）、補正後電流値を示した図である。 本発明の第２の実施形態において、モータ制御装置のリレー２０が開状態となり、放電処理に先んじて行う電流センサ補正処理の流れを説明するフロー図である。

本発明の実施するための形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における電源、モータ、平滑コンデンサの放電処理を実施する装置を含むモータ制御システムの概要を説明する図である。

モータ制御システムは、電源１０と、リレー２０と、モータ３０と、モータ３０の磁極位置検出回路４０と、インバータ５０と、平滑コンデンサ６０と、平滑コンデンサ６０の電圧検出回路７０と、モータ３０とインバータ５０間の電流センサ８０と、制御装置９０を備える。

電源１０は、数１００[V]の直流電源であり、ニッケル水素バッテリやリチウムイオンバッテリなどが用いられる。リレー２０は、電源１０とインバータ５０の間に配置される。リレー２０が開状態の時は電源１０とインバータ５０は電気的に遮断され、リレー２０が閉状態の時電源１０とインバータ５０は電気的に接続され電源１０の電力がインバータ５０に供給される。

平滑コンデンサ６０は、電源１０の出力を平滑化し、リレー２０が閉状態のときには電源１０と略同じ電圧となる。平滑コンデンサ６０の電圧値Vdcは、電圧検出回路７０により検出され、制御装置９０へ伝達される。

インバータ５０は、複数個のスイッチングを行うスイッチング素子部５１（たとえばIGBTとダイオード)を内蔵し、電源１０からの電力を直流から三相交流への電力変換を行う。インバータ５０に内蔵されるスイッチング素子部５１は、電源１０の正極側と負極側にそれぞれ３相分ずつ配置され、この合計６つの素子のスイッチングにより発生する電圧のパルス幅を変化させ、所定の電圧をモータ３０へ印加するパルス幅変調方式が可能である。

モータ３０は、３相（ここではＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする）巻線を有するステータと、巻線に電流が流れることで変化する磁束によってトルクが発生するロータの２つの部分から構成される。モータ３０を流れる電流は、電流センサ８０により検出され電流センサ補正部９５へ伝達される。電流センサ８０により検出された電流値Iu,Iv,Iwは、オフセット誤差とよばれる電流センサの検出誤差を含んでいる。

磁極位置検出回路４０は、モータ３０のロータの回転により変化する磁極位置θを検出し、磁極位置θは回転数演算部９１とPI制御部９４へと伝達される。

制御装置９０は、回転数演算部９１と、電流指令生成部９２と、放電制御部９３と、PI制御部９４と、電流センサ補正部９５と、PWM生成部９６から構成され、外部からのトルク指令Trqを受信し、モータ３０へ供給する電流を制御する。

回転数演算部９１は、磁極位置検出回路４０から磁極位置θを取得し、磁極位置θの変化量からモータ回転数ωを生成する。

電流指令生成部９２は、外部から受信したトルク指令Trqに基づいて、指定したトルクを出力するためにd軸とq軸の目標電流値を、モータ回転数ωと平滑コンデンサ６０の平滑コンデンサ電圧Vdcに応じて生成する。

電流センサ補正部９５は、電流センサ８０により検出した電流値Iu,Iv,Iwに対し、電流センサ８０のオフセット誤差に起因する検出誤差を補正する。電流センサ補正部９５により補正された補正後電流値Iu’,Iv’,Iw’は、PI制御部９４で使用される。

PI制御部９４は、 d軸とq軸の目標電流値と、補正後電流値Iu’,Iv’,Iw’をd軸電流とq軸電流に変換した電流値とを比較し、その差分に対しＰＩ演算を施して、電圧指令値を生成する。
ＰＷＭ生成部９６は、電圧指令値と平滑コンデンサ電圧Vdcに基づいて、スイッチング素子部５１をオンオフ制御するためのPWM駆動信号を生成する。
〔放電処理の概要〕
放電制御部９３は、モータ３０の巻き線による放電に必要なd軸とq軸の目標電流値を出力する。リレー２０が開状態となり平滑コンデンサ６０の放電処理を行う場合、放電制御部９３は、PI制御部９４に放電制御部９３から出力された目標電流値が入力されるように切り替えを行う。

図２は、制御装置９０の起動から停止までの流れを説明するフロー図である。

ステップ１０においてシステムが起動すると、ステップ２０においてリレー２０が閉状態となり電源１０とインバータ５０が接続され、平滑コンデンサ６０に電圧が印加される。

モータ３０を制御する準備が完了するとステップ３０に遷移し、モータ３０を制御することができる状態となる。制御装置９０は目標となるトルク指令から電圧指令値を算出し、ＰＷＭ駆動信号の出力制御を行う。

ステップ４０においてシステムへの停止要求が確認されると、PWM駆動信号の出力を停止しステップ５０にてリレー２０は開状態となり、電源１０とインバータ５０は電気的に切り離される。

リレー２０が開状態となり、モータ３０へ流れる電流がゼロとなる状態において、ステップ６０の電流センサ補正処理を行う。電流センサ補正処理は、電流がゼロとなる状態における電流センサ検出値をオフセット誤差補正値として保持する。

電流センサ補正部９５は、電流センサ８０により検出した電流値Iu,Iv,Iwから取得したオフセット誤差補正値分を減算することで、オフセット誤差に起因する検出誤差を補正する。

次に、平滑コンデンサ６０に残っている電荷を放電するためステップ７０の放電処理が実施される。放電処理により平滑コンデンサ電圧Vdcが所定値を下回った場合、ステップ８０において放電処理の完了が確認され、ステップ９０においてシステムは停止する。

電流センサ補正処理の詳細を図３のフロー図により説明する。図３は、モータ制御システムのリレー２０が開状態となり、放電処理に先んじて行う電流センサ補正処理の流れを説明するフロー図である。
ステップ１００において、電流センサ補正処理を起動する。ステップ１１０において、電流センサ補正部９５はモータ３０の電流の状態を判定し、電流が流れていないと判断すると、ステップ１２０で電流センサ検出値を取得する。
ステップ１３０において、電流センサ補正部９５はステップ１２０で取得した電流センサ検出値を、オフセット誤差補正値として設定する。
電流センサ補正部９５は、モータ制御システムが起動中、電流センサ検出値からオフセット誤差補正値を減算することで、オフセット誤差を補正した補正後電流値Iu’,Iv’,Iw’を生成する。 オフセット誤差補正値の初期値は０であり、電流センサ補正処理が実施される毎に更新される。
図４は、電流値（真値）に対する電流センサ検出値と、検出値に含まれるオフセット誤差の関係を示した図である。
電流センサ検出値は、実際に流れている電流量である電流値（真値）に対し、オフセット誤差とよばれる検出誤差が加算されている。オフセット誤差は、電流値（真値）の大小にかかわらず、一定の値となる。オフセット誤差の大きさは、電流センサの個体差により変化する。
〔電流センサオフセット誤差の算出方法〕
これらの関係から、電流センサ８０のオフセット誤差は、電流値（真値）がゼロ、つまり電流が流れてない状態における電流センサ検出値と同じになる。図５は、電流値（真値）に対する電流センサ検出値と、オフセット誤差の温度特性を示した図である。 オフセット誤差は、電流センサの温度により変化する特性を持つ（温度特性）。
図６は、システム起動時に電流センサ補正処理を実施した場合の、システムの起動から停止までのオフセット誤差（温度特性あり）、オフセット誤差補正値、電流値（真値）、補正後電流値を示した図である。ここでは、温度が高いほどオフセット誤差が大きい電流センサについて説明する。
電流センサ８０の温度は、モータ３０の制御可能状態開始（時刻T1) より徐々に上昇し、放電処理開始時（時刻T３）にはシステム起動時（時刻T０〜時刻T1）より高い状態となっている。オフセット誤差は、電流センサ温度と同様に時刻T１より徐々に上昇する。
ここで時刻T5に電流センサ補正処理を実施すると、時刻T5においてオフセット誤差補正値がオフセット誤差（温度特性あり）と同じ値になる。 図６の下部に、電流値（真値）と補正後電流値の関係を示す。

時刻T5において、オフセット誤差補正値が設定され補正後電流値が電流値（真値）と同じとなる。放電処理を開始する時刻T3では、電流センサ温度の上昇に伴い、時刻T5よりオフセット誤差は大きくなる。
これにより、放電処理開始時（時刻T3)において補正後電流値は電流値（真値）と差異があり、モータに意図しない電流が流れトルクが発生してしまう可能性がある。

図７は、放電処理開始直前に電流センサ補正処理を実施した場合の、システムの起動から停止までのオフセット誤差（温度特性あり） 、オフセット誤差補正値、電流値（真値）、補正後電流値を示した図である。

電流センサ補正処理を放電処理開始（時刻T3)の直前に実施することで、放電処理時と略同じの電流センサ温度に対するオフセット誤差を補正可能となる。
これにより、放電開始時（時刻T3)において補正後電流値は電流値（真値）と略同じになり、放電処理にてモータ３０へ意図しない電流が流れることを防止できる。

図８は、本発明の第２の実施形態において、モータ制御装置のリレー２０が開状態となり、放電処理に先んじて行う電流センサ補正処理の流れを説明するフロー図である。

ステップ１００において、電流センサ補正処理が起動すると、ステップ１１１にて平滑コンデンサ電圧Vdcを電圧閾値１に設定する。

ステップ１１２において、ステップ１１１を実施後からの経過時間が時間閾値１を経過したと判定するとステップ１１３へ遷移する。

ステップ１１３において、平滑コンデンサ電圧Vdcが電圧閾値１以下と判定すると、ステップ１２０に遷移する。平滑コンデンサ電圧Vdcが電圧閾値１以下になっていない場合、ステップ１１１に遷移し、現在の平滑コンデンサ電圧Vdcにて電圧閾値１を更新設定する。

ステップ１２０では、電流センサの検出値を取得する。ステップ１３０において、電流センサ補正部９５はステップ１２０で取得した電流センサ検出値を、オフセット誤差補正値として設定する。
電流センサ補正部９５は、モータ制御装置が起動中、電流センサ検出値からオフセット誤差補正値を減算することで、オフセット誤差を補正した補正後電流値Iu’,Iv’,Iw’を生成する。オフセット誤差補正値の初期値は０であり、電流センサ補正処理が実施される毎に更新される。
図１に示される電流センサ補正部９５による電流センサのオフセット誤差補正は、インバータ５０とモータ３０間で、電流が流れていないことが前提となる。制御装置９０は、リレー２０遮断後から放電処理開始までの間で、インバータ５０を制御しモータ３０へ電流を流すことはない。つまり、インバータ５０のスイッチング素子部５１がスイッチング動作をしていないということである。
しかしながら、リレー２０開状態時にモータ３０がまだ回転している状態でモータ３０に誘起電圧が発生した場合に、平滑コンデンサ電圧値Vdcの大きさによっては、インバータ５０のスイッチング素子部５１のダイオードを通って、平滑コンデンサ６０へ電流が流れてしまう。 結果として、平滑コンデンサ電圧Vdcは上昇する。
そこで電流センサ補正部９５は、図８のステップ１１３に示すように、平滑コンデンサ電圧Vdcが上昇していないと判断した場合に、電流センサ補正処理を実施する。
平滑コンデンサ電圧Vdcが上昇していないと判断した場合は、モータ３０の誘起電圧による電圧上昇が発生していない。つまり、モータ３０からインバータ５０を経由して平滑コンデンサ６０に電流が流れていないことを示している。これにより、平滑コンデンサ電圧Vdcの上昇を判定することで、電流センサ補正の実施可否を判断できる。

１０…電源
２０…リレー
３０…モータ
４０…磁極位置検出回路
５０…インバータ
５１…スイッチング素子部
６０…平滑コンデンサ
７０…電圧検出回路
８０…電流センサ
９０…制御装置
９１…回転数演算部
９２…電流指令生成部
９３…放電制御部
９４…PI制御部
９５…電流センサ補正部
Iu，Iv，Iw…電流値
Iu’，Iv’，Iw’…補正後電流値
９６…PWM生成部
Vdc…平滑コンデンサ電圧
Trq…トルク指令
θ…磁極位置
ω…モータ回転数

Claims (2)

1. リレーを介して電源と接続される平滑コンデンサを有するインバータと、前記インバータと接続されるモータと、前記モータに流れる電流を検出する電流センサと、を有するシステムを制御するモータ制御装置であって、
   前記電流センサにより検出した電流値に対し、前記電流センサのオフセット誤差による検出誤差を補正する電流センサ補正部と、
   前記リレーが閉状態となって前記モータが制御できる状態となり、その後、前記システムへの停止要求に応じて前記リレーが遮断されると、前記インバータを介して前記平滑コンデンサに溜まった電荷を前記モータで放電する放電制御部と、
   を備え、
   前記電流センサの前記オフセット誤差は温度特性を有し、
   前記電流センサ補正部は、前記リレーが遮断された後から前記放電制御部による放電制御開始までの間に前記モータの電流が流れていない状態で取得される前記電流センサの検出値を、前記オフセット誤差の値として、前記放電制御部による放電制御時に、前記電流センサの前記検出誤差を補正し、
   前記放電制御部は、前記放電制御時に、前記電流センサ補正部により補正された前記電流センサの値に基づいて前記モータの電流を制御することで、前記モータにトルクが発生することを低減しながら放電を行うモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記電流センサ補正部は、前記平滑コンデンサの電圧変化から前記モータに電流が流れ
   ていない状態を検知するモータ制御装置。

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