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JP2861680B2 - 電気自動車用故障検出法及びそれを用いたフェールセイフ制御方法 - Google Patents

電気自動車用故障検出法及びそれを用いたフェールセイフ制御方法

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JP2861680B2
JP2861680B2 JP4273983A JP27398392A JP2861680B2 JP 2861680 B2 JP2861680 B2 JP 2861680B2 JP 4273983 A JP4273983 A JP 4273983A JP 27398392 A JP27398392 A JP 27398392A JP 2861680 B2 JP2861680 B2 JP 2861680B2
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信義 武藤
良三 正木
力 大前
三四郎 小原
祥太郎 内藤
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0038Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to sensors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電気自動車用故障検出法
及びそれを用いたフェールセイフ制御方法に係り、特に
交流電動機によって駆動される電気自動車に好適な電気
自動車用故障検出法及びそれを用いたフェールセイフ制
御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に電気自動車は、電力を供給するバ
ッテリーの直流電源を可変電圧,可変周波数の交流電源
に変換するPWMインバータと、三相交流電動機と、こ
の三相交流電動機に設けられた速度センサと、この三相
交流電動機の巻線に流れる電流を検出するための複数個
の電流センサとからなる駆動系と、アクセル開度に応じ
て三相交流電動機のトルク指令を決定するトルク指令演
算手段と、このトルク指令及び前記回転角速度に基づい
て三相交流電動機の巻線に流れる電流の大きさ、位相を
決定する交流電流指令演算手段と、交流電流指令に三相
の交流電流が追従するように交流電圧指令を決定する電
流制御手段と、この交流電圧指令に基づいてPWMイン
バータに印加するゲート信号を決定するPWM信号発生
手段とで駆動系の制御手段を構成している。
【0003】このような電気自動車では、アクセル開度
を通して運転者から発せられるトルク指令並びに電流セ
ンサから検出される電流、及び速度センサから検出され
る回転角速度に基づいてトルク制御系を構成している。
そのため、特平開3−277101号公報に開示されているよ
うにセンサを二重系にして、一方のセンサに故障が生じ
たら他方のセンサに切り替え、この補助のセンサから得
られる情報を基に電動機を駆動するようにして走行の安
全を確保していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のようにセンサを
多重系していくとセンシング自体の信頼性は向上する
が、検出された信号を引き込むケーブルやコネクタの端
子が増えるため必ずしも制御系全体としての信頼度が上
がるとは限らない。
【0005】また幾ら多重系にしたとしても、故障原因
によっては補助となるべき他のセンサに不具合が発生し
ている場合もある。この場合補助手段の切り替え方によ
っては危険を伴うこともあり得る等の問題があった。
【0006】本発明の目的は、容易かつ確実に行える電
気自動車用故障検出法及び故障検出装置を提供すること
にある。
【0007】本発明の他の目的は、センサの故障の態様
に応じて運転を継続可能ならしめる電気自動車のフェー
ルセイフ制御方法及び制御装置を提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、電力を
供給するバッテリーと、該バッテリーの直流電源を可変
電圧、可変周波数の交流電源に変換するPWMインバー
タと、三相交流電動機と、該三相交流電動機のシャフト
に対応して設けられた速度センサと、該三相交流電動機
の巻線に流れる電流を検出するための3個の電流センサ
とからなる駆動系と、アクセル開度に応じて前記三相交
流電動機のトルク指令を決定するトルク指令演算手段
と、該トルク指令及び前記回転角速度に基づいて前記三
相交流電動機の巻線に流れる電流の大きさ、位相を決定
する交流電流指令演算手段と、該交流電流指令に前記三
相の交流電流が追従するように交流電圧指令を決定する
電流制御手段と、該交流電圧指令に基づいて前記PWM
インバータに印加するゲート信号を決定するPWM信号
発生手段とで駆動系を制御する手段を構成してなる三相
交流電動機を可変速駆動する電気自動車のフェールセイ
フ制御方法において、前記3個の電流センサのうち幾つ
の電流センサが故障したかを判定し、前記3個の電流セ
ンサのうち何れかの一つの電流センサのみが故障した場
合、該故障した電流センサの電流を他の二つの正常な電
流センサから得られた二つの電流から推定して該推定電
流を前記電流制御手段の制御に用い、前記電流センサが
2個以上故障であることが判明したときは、前記交流電
流指令演算手段及び電流制御手段を前記トルク指令演
算手段から得られるトルク指令と前記速度センサから得
られる前記三相交流電動機の回転角速度により前記交流
電圧指令を求める交流電圧指令演算手段に切り替え、該
交流電圧指令演算手段からえられた交流電圧指令に基づ
いて前記PWMインバータに印加するゲート信号を決定
するようにしたことにある。
【0009】本発明の他の特徴は、電力を供給するバッ
テリーと、該バッテリーの直流電源を可変電圧、可変周
波数の交流電源に変換するPWMインバータと、三相交
流電動機と、該三相交流電動機のシャフトに対応して設
けられた速度センサと、該三相交流電動機の巻線に具備
される3個の電流センサとからなる駆動系と、アクセル
開度に応じて前記三相交流電動機のトルク指令を決定す
るトルク指令演算手段と、該トルク指令及び前記回転角
速度に基づいて前記三相交流電動機の巻線に流れる電流
の大きさ、位相を決定する交流電流指令演算手段と、該
交流電流指令に前記三相の交流電流が追従するように交
流電圧指令を決定する電流制御手段と、該交流電圧指令
に基づいて前記PWMインバータに印加するゲート信号
を決定するPWM信号発生手段とで駆動系を制御する手
段を構成してなる三相交流電動機を可変速駆動する電気
自動車のフェールセイフ制御装置において、前記3個の
電流センサのうち幾つの電流センサが故障したかを判定
する電流センサ故障検出手段と、該電流センサ故障検出
手段の判定結果に基づいて、前記3個の電流センサのう
ち何れかの一つの電流センサのみが故障した場合、該故
障した電流センサの電流を他の二つの正常な電流センサ
から得られた二つの電流から推定して該推定電流を前記
電流制御手段の制御に用い、前記電流センサが2個以上
故障であることが判明した場合は、前記交流電流指令演
算手段及び電流制御手段を前記トルク指令演算手段か
ら得られるトルク指令と前記速度センサから得られる前
記三相交流電動機の回転角速度により前記交流電圧指令
を求める交流電圧指令演算手段に切り替える手段とを備
え、前記電流センサが2個以上故障である場合は、該交
流電圧指令演算手段からえられた交流電圧指令に基づい
て前記PWMインバータに印加するゲート信号を決定す
ることにある。
【0010】ここで、『センサの故障態様を検出する』
とは、電流センサにあっては、3相交流電流をセンシン
グする電流センサの中で例えばU相電流センサのみ故障
しているのか、それともU,V相2相の電流センサが故
障しているのか、或いは全てのセンサが故障しているの
か否かの状態を検出することをいう。また、速度センサ
の場合においては、ロータリエンコーダのA相,B相の
2相信号の中何れの相の信号が故障しているのか、或い
は2相とも故障しているのか否かの状態を検出すること
をいう。
【0011】
【作用】本発明では、まず、センサ故障検出手段によっ
て電流センサ,速度センサの故障態様が検出される。こ
の結果、何れも異常がないということになれば電流セン
サ及び速度センサから得られた3相交流電流、A,B2
相のパルスを基に、回転角速度検出手段,トルク指令演
算手段,交流電流指令演算手段,電流制御手段、PWM
信号発生手段によって通常のトルク制御系が構成され、
トルク指令に基づいた3相交流電流指令が発生され電動
機のトルクが制御される。
【0012】3個の電流センサの内何れか一つのみが故
障の場合は正常な2個の電流センサによって故障した電
流センサの電流を推定し、通常のトルク制御系によって
電動機のトルク制御をそのまま続行する。
【0013】2個以上の電流センサが故障であることが
検出されると、交流電流指令演算手段,電流制御手段に
基づくトルク制御を止め、交流電流指令演算手段に基づ
くトルク制御系が構成され、交流電流指令に基づいて電
動機のトルクを制御する。なお、システムの構成として
バッテリー電流が取り込めるようになっている場合には
モータトルクを推定し、この推定トルクがトルク指令に
一致するように交流電圧指令の大きさと角周波数が決定
される。この際、速度センサが正常の場合には回転角速
度検出手段から得られる回転角速度も使用してこれら前
記の大きさと角周波数の二つの値が決定される。速度セ
ンサに異常が発生した場合には回転角速度設定手段から
得られる回転角速度を使って前記の二つの値が決定され
る。
【0014】センサ故障検出手段によって速度センサの
うち1相のみが故障であると判定されたときは、残り1
相を使って回転角速度検出手段によって電動機の回転角
速度が検出される。この回転角速度をもとに、トルク指
令演算手段,交流電流指令演算手段,電流制御手段,P
WM信号発生手段等によって上記の通常のトルク制御系
が構成され、電動機のトルクが制御される。全ての速度
センサが故障に至たり、電流センサが正常な場合には3
相の交流電流からモータトルクを推定し、この推定トル
クとトルク指令とからモータのすべり角周波数を決定
し、このすべり角周波数と回転角速度設定手段から得ら
れた回転角速度設定値とから交流電圧指令の角周波数及
び大きさを決定する。この結果得られた交流電圧指令に
基づいてPWM 信号を発生し、モータのトルクを制御し、
運転を継続する。
【0015】センサ故障検出手段によって、電流セン
サ,速度センサ何れも故障したと判定されると、トルク
指令演算手段及び回転角速度設定手段から得られたそれ
ぞれトルク指令、回転角速度の設定値を基に交流電圧指
令の大きさ、角周波数が決定され、この結果得られた交
流電圧指令に基づいてPWM信号が発生され、モータの
トルクを制御して危険状態から回避するのに必要な最低
限の運転を継続する。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面をもとに説明す
る。図1は速度センサ,電流センサ検出手段を有し、交
流電流指令を基本にして縮退運転を行う場合の構成例で
ある。PWMインバータ20によってバッテリー10の
直流電圧から可変周波数、可変電圧の3相交流電圧を形
成し、三相交流電動機40のトルクを制御する。ここ
で、30は、交流電動機40の1次巻線に流れる3相交
流の1次電流(iu,iv,iw)を検出する3個の電流
センサ,50は、交流電動機40のシャフトに取り付け
られた速度センサである。140は制御モード切替制御
手段であり、電流センサ故障検出・補償手段60,電流
制御手段70、交流電流指令発生手段80、エンコーダ
故障検出手段90及び回転角速度検出手段100を含
む。電流センサ故障検出・補償手段60は、3個の電流
センサの故障を検出して故障したセンサを補償する。電
流制御手段70は、電流センサ故障検出・補償手段60
を通して検出される前記1次電流を所定の値に制御す
る。交流電流指令発生手段80は、電流制御手段70に
対する指令(iu*,iv*,iw*)を発生する。
【0017】エンコーダ故障検出手段90は、速度セン
サ50から出力される相互に90度位相差をもつA相,
B相パルスから速度センサ(ロータリエンコーダ)の故
障態様を検出する。回転角速度検出手段100は、A
相,B相パルスから交流電動機40の回転角速度ωMを
検出する。110は、アクセル120に基づいたトルク
指令τM*を発生するトルク指令演算手段,122は故障
表示手段である。130は、電流制御手段70の出力信
号(Eu*,Ev*,Ew*)に基づいてPWM信号を形成す
るPWM信号発生手段である。
【0018】図2はセンサの故障態様に応じて制御モー
ド切替制御手段140がどの様にトルク制御を実行して
いくかを示している。電流センサ,速度センサいずれも
が正常な場合(1A,2A)は、電流制御系を基本とし
たトルク制御系(3A)が実行されている。これがトル
ク制御を行う上で理想的な制御系になっている。即ち、
トルク指令に基づいて誘導電動機のベクトル制御条件を
満足するように電動機の回転角速度,すべり角周波数
(トルク電流),2次磁束(励磁電流)全てが管理され
効率の良いトルク制御が行われている。
【0019】電流センサの故障が発生すると、2相以上
のセンサが故障しているか否かを判定し(1A,1
B)、1相のみの故障の場合は、その故障した電流セン
サから得るべき電流を、残りの2個の電流センサから得
られる電流を使って推定し(1C)、速度センサの故障
如何を問わず電流制御系を基本としたトルク制御を実行
する(2A〜2E,3A)。
【0020】電流センサが2相以上故障の時は(1A,
1B)、トルク指令を基に交流電圧指令を発生させ、ト
ルク制御系を構成し、運転を継続する(4A)。この場
合、速度センサの故障の態様、バッテリー電流を利用で
きるか否かによって交流電圧指令の形成法は異なる。こ
れについては後ほど詳述する。
【0021】以上説明したように、センサの故障態様に
応じてトルク指令によって形成されるトルク制御系を、
交流電流指令に基づくトルク制御から交流電圧指令に基
づくトルク制御に、制御系の構造を変えていくことによ
ってトルク制御の性能は劣化するものの運転は継続でき
る。即ち、センサの故障態様に応じた縮退運転が可能に
なる。
【0022】図3は図1の各手段の具体的な構成、特に
制御モード切替制御手段140の交流電流指令発生手段
80を導入し得られるトルク制御の詳細構成を示したも
のである。アクセル開度演算手段121によってアクセ
ルの踏み込んだ量に対応する量が演算され、この結果に
基づきトルク演算手段110によって三相交流電動機4
0に与えられるべきトルク指令τM*が求められる。該ト
ルク指令τM* とモータトルクτM との偏差を加減算器
111で求め、PI(比例+積分)補償器で構成される
モータトルクレギュレーター112,リミッター113
を通してトルク電流指令It*に変換される。
【0023】ここでモータトルクτM は、電流センサ3
1,32,33から検出されたiu,iv,iwを電流セ
ンサ検出・補償手段60を通して得られた3相の交流電
流iu´,iv´,iw´ をd−q変換して得られたトル
ク電流It,励磁電流Imを使って(数1)より求める。
励磁電流指令Im*は次のようにして決定される。
【0024】 τM=(3/2)・P・(M2/M+l2)・Im・It ・・・ (数1) ただし、P:極数 M:励磁インダクタンス l2:2次漏れインダクタンス 磁束パターン発生器82Gで速度センサ50,エンコー
ダ故障検出手段90,回転角速度検出手段100を経由
して得られる回転角速度ωM に対応してモータの2次回
路に発生すべき磁束φR*を発生する。磁束パターン発生
器82Gでは、交流電動機40の回転角速度が基底速度
以下では一定に、基底速度以上は回転角速度に反比例し
た磁束パターンを発生する。乗算器810において磁束
φR*に(数2)より決まる負荷率αを乗じて2次磁束指
令φ* が求められる。
【0025】 α=It*/It0 ・・・・・ (数2) ただし、It0:定格のトルク電流 次に、加減算器820により、該2次磁束指令φ* と交
流電動機40の2次回路に発生している2次磁束を(数
3)より推定したφ2 との偏差をもとめ、PI補償器8
30の出力から励磁電流指令Im*を発生する。
【0026】 φ2=(M・Im*)/(1+T2・s) ・・・・・ (数3) ただし、T2(=(M+12)/r2):2次時定数 r2:2次抵抗 以上のようにして得られたトルク電流指令It*及び励磁
電流指令Im*を使って、(数4),(数5)を実行する
演算器80B及び演算器80Cより、それぞれすべり角
周波数ωs,位相θ1が求められる。
【0027】 ωs=ks・(It*/Im*) ・・・・・ (数4) ただし、ks=r2/(M+12) θ1=tan~1(It*/Im*) ・・・・・ (数5) 交流電流指令の角周波数(1次角周波数)ω1*は、加算
器82によりすべり角周波数ωs と回転角速度ωM との
加算を実行してもとめられる。交流電流指令の瞬時位相
は1次角周波数ω1*の積分を積分器82Dで実行するこ
とによりもとめられる。
【0028】交流電流指令の位相は、上記瞬時位相と位
相θ1 とを加算器80Dで加算してもとめ、該交流電流
指令の大きさは演算器80Aの演算によりもとめられ
る。電流指令発生器80では、これらの値に基づいて三
相の交流電流指令iu*,iv*,iw*を発生する。これら
の交流電流指令に3相の交流電流iu´,iv´,iw´
が追従するように、加減算器740,750,760及
びPI補償器710,720,730からなる電流制御
手段70によってPWM信号を発生するための基準信号
u*,Ev*,Ew*を発生する。
【0029】PWM信号発生手段130では該基準信号
と三角波を比較してPWM信号をもとめ、この結果得ら
れたPWM信号を基にPWMインバータ20のアームを
構成する6個パワー素子のゲート信号を形成する。
【0030】以上はセンサが正常状態で交流電流指令を
発生してトルク制御を行う場合であり、図4の左の部分
の処理によってトルク制御が実行される。すなわち、セ
ンサが正常な場合(60A),アクセル開度取り込み
(60B),トルク指令演算(60C),交流電流指令
演算(60D),電流制御(60E),交流電圧指令演
算(60F),PWM発生処理(60R)の各処理が行
われる。
【0031】ステップ60Aでセンサの故障があること
が検出されると、運転者に警告され(60H)、センサ
が2個以上故障しているか否かがチェックされる(60
J)。この結果、1個のみ故障したことが分かると故障
したセンサの電流を正常な残りの2個センサによって検
出し(60I)、前記図4の左の部分の処理(60A,
60B,60C,60D,60E,60F,60R)を
実行してトルク制御の性能の劣化を抑制する。
【0032】ステップ60Jで2個以上故障と判定され
ると、制御モード切り替え信号を発生して交流電圧指令
によるトルク制御に切り替えられる。
【0033】図5は電流センサ30のうち2個以上が故
障した場合の縮退運転をするためブロック図を示したも
のである。2個以上故障したことが電流センサ故障検出
・補償手段60よりわかると、電流センサ故障検出信号
が切り替え器81に入る。そして、アクセル120、ア
クセル開度検出手段121の情報を基にトルク指令演算
手段110によって得られたトルク指令τM*が、交流電
流指令演算手段80にかわって交流電圧指令演算手段8
2に入力される。
【0034】82はトルク指令τM*と回転角速度検出手
段100から得られたωmとによって3相の交流電圧指
令(図5ではU相の電圧指令VU*のみ示す。)を形成す
る。該交流電圧指令はPWM信号発生手段130に導入
され、搬送波(一般に、3角波、図示せず)と比較され
PWM信号を形成する。該PWM信号に基づいて、PW
Mインバ−タ20は制御される。PWMインバ−タ20
ではバッテリ−10から得られた直流電圧を交流電圧指
令に対応した交流電圧を発生し、3相誘導電導機に、供
給して運転を継続する。
【0035】なお、電流センサの故障が1個以下の場合
はトルク指令τM*は交流電流指令発生手段80に導入さ
れ、3相交流電流指令(図ではU相の電流指令iu*のみ
示す。)を発生する。3相誘導電動機の1次巻線に流れ
る3相の交流電流(iu´・・・・・)が該電流指令に
一致するように電流制御手段70から交流電圧指令を発
生する。PWM信号発生手段130では該交流電圧指令
に基づいて、2個以上故障の場合と同様、搬送波との比
較によりPWM信号を形成し、PWMインバ−タ20か
ら交流電圧を発生し、3相誘導電動機40を駆動する。
【0036】電流センサが2個以上故障の場合(60
J)、更に縮退運転の時の性能を劣化させないようにす
るために、直流電流(バッテリー電流)を利用可能か否
かをチェックする(60K)。可能な場合には、モータ
トルクを推定し(60L),すべり周波数を演算し(6
0M),アクセル開度を取り込み(60N),トルク指
令の演算を行う(60O)。さらに前記60F,60R
の各処理を実行してトルク制御を行う。直流電流のセン
シングが不可能な場合には、回転角速度から磁束指令を
算出し(60P),トルク指令を取り込み、すべり角周
波数を演算し(60Q)、さらに前記ステップ60N,
600,60F,60Rの各処理を実行してトルク制御
を行う。両者の差は実際のすべり角周波数に如何に近い
値を使って制御を行うかにある。後に詳述するように前
者の場合はモータのトルク相当の値を推定できるため、
実際に近いすべり角周波数が得られる。
【0037】次に図6を使って相別電流センサ故障検出
法の原理を説明する。先ず、停止中の場合、初期の電流
投入処理によってDCレベルのチェックを行う(630
A)。正常な場合は、三相電流の総和が零か否かを調べ
(630B)、零の場合は正常と判定する(630
F)。この値が所定の値を越えている場合は電流制御系
の入力偏差過大乃至出力異常が見られるかを各相の電流
制御系でチェックし、異常が認められる相の電流センサ
が故障していると判定する(630G)。これに基づい
て、更に異常が1相のみか2相以上か判定し(630
H)、1相のみ異常がみられる場合は故障相の電流を残
り2個のセンサから推定して、該推定電流に切り替えて
電流制御系を構成して運転を継続する(630I,63
0J)。
【0038】2相以上故障の場合には、制御モード切り
替え信号を発生して電圧指令によるトルク制御系に切り
替える(630K)。
【0039】図7にその具体的構成を示す。すなわち、
加算器610,比較器620によって3相分の電流の総
和のチェックが行われ、異常があると、電流センサ故障
検出信号を発生し、相別電流センサ故障検出器630に
よって各相センサの異常を対応する電流制御手段70の
入力及び出力信号の異常から判定する。1相のみの場
合、故障相の電流を各相センサ故障補償器640,65
0,660によって補償して電流制御手段70の電流制
御系に入力して電流制御によるトルク制御を実行する。
相別電流センサ故障検出器630によって2相以上セン
サが故障していると判定されると、2相以上の電流セン
サ故障判定手段670により制御モード切りかえ信号を
発生して交流電圧指令によるトルク制御系に切り替え
る。
【0040】次に、電流センサの故障によって交流電圧
指令によるトルク制御を行う場合を図8及び図9を使っ
て説明する。図8は、バッテリー10からPWMインバ
ータ20に流れ込む直流電流(バッテリー電流)が利用
できる場合の交流電圧指令を発生するまでの構成を表わ
している。トルク指令演算手段110によりトルク指令
τM*を求め、該τM*と(数6)に基づいてモータトルク
検出手段82Aにより求められたモータトルクτM との
偏差を加減算器82Bによりもとめ、該偏差を基にPI
補償器で構成されるトルク制御手段82Cによりすべり
角周波数ωs を演算する。
【0041】 τM=ED・ID/ωM ・・・・・ (数6) ただし、ED:バッテリー電圧 ID:バッテリー電流(直流電流) 交流電圧指令の角周波数(1次角周波数)ω1*はすべり
角周波数ωs と回転角速度ωM との加算を加算器82D
により実行してもとめられる。交流電圧指令の瞬時位相
は1次角周波数ω1*の積分を積分器82Dで実行するこ
とによりもとめられる。交流電圧指令の大きさV1*は回
転角速度ωM に対応して磁束指令パータン発生手段82
Gから得られた磁束φR*と1次角周波数ω1*との積を乗
算手段82Eにより求める。該V1*と上記の瞬時位相と
から3相の交流電圧指令Vu*,Vv*,Vw*を交流電圧発
生手段82Hにより発生する。該交流電圧指令はPWM
信号発生手段130に導かれPWM信号を発生し、これ
に基づいてトルクが制御される。
【0042】図9はバッテリー電流が利用できない場合
のトルク制御の構成を示したものである。図8のトルク
制御法に対して、すべり角周波数ωs を求める手法が異
なる以外は同じである。すべり角周波数ωs は、磁束指
令パータン発生手段82Gから得られた磁束φR*とトルク
指令演算手段110から得られたトルク指令τM*を使っ
て、数7により求める。
【0043】 ωs=k・τM*/φR* 2 ・・・・・ 数7 ただし、k=2r2/3P このようにして求められたすべり角周波数ωs にはモー
タ(負荷)側の情報が反映されてないため、図8のトル
ク制御に比べて性能は落ちるが、トルク指令に基づいた
一応の制御が可能になるため運転は継続できることにな
る。
【0044】次に速度センサが故障した場合のトルク制
御について述べる。まず、速度センサの故障検出法につ
いて述べる。図10はエンコーダのA,Bの2相のうち
何れか1相が故障した場合の検出法、図11はその構成
を示したものである。
【0045】A相信号故障検出手段91は2つのDタイ
プのフリップフロップD−F.F1(91A),D−F.F2
(91B)、2つのRSフリップフロップRS1(91
C),RS2(91D)及びデコーダ92で構成され
る。フリップフロップ91A,91B,91C,及びデ
コーダ92が‘0’レベル、フリップフロップ91B,
91D,及びデコーダ92が‘1’レベルの各異常を検
出する。
【0046】図10のタイムチャートを使って上記の構
成の動作を説明する。
【0047】ここで用いているDタイプのフリップフロ
ップはクロック端子CKに入る信号の立ち上がりのタイ
ミングでデータ端子Dに入力されたデータを取り込む。
従って、図に示すように正常にA相,B相の信号が変化
していると、フリップフロップD−F.F1の出力信号
Qは‘1’レベルのままになっている。A相の信号があ
る時点で信号A′で示すように‘0’レベルになったま
まの状態、即ち、‘0’レベル異常が生じると、フリッ
プフロップD−F.F1の出力信号Qはt2で‘0’レ
ベルになるため、RSフリップフロップRS1の出力信
号Qは‘1’レベルになってA相信号の‘0’レベル異
常が検出され、この検出信号はデコーダ92の出力端子
1を通して得られる。なお、この部分ではA相信号の
‘1’レベル異常はD−F.F1の出力信号の正常な場
合と同じになるので検出はできない。これは91B,9
1D,92で構成される部分で検出される。
【0048】A相信号が信号A″のように、ある時点で
‘1’レベルのままになると、RSフリップフロップR
S2の出力信号Qは‘1’レベルになってA相信号の
‘1’レベル異常が検出される。この検出信号はデコー
ダ92の出力端子2を通して得られる。
【0049】B相信号故障検出手段92も、A相信号故
障検出手段91と全く同様な構成即ち、2つのDタイプ
のフリップフロップD−F.F1(93A),D−F.
F2(93B)、2つのRSフリップフロップRS1
(93C),RS2(93D)及びデコーダ92からな
り、‘0’及び‘1’レベル異常の検出についても同様
である。
【0050】次にA相,B相信号の何れもが故障した場
合でも検出できる必要がある。その構成は図11の下段
のDタイプのフリップフロップD−F.F5(94
A),タイマー1(94B)で示されるA相故障検出信
号IRQ1を形成する部分と、最下段のDタイプのフリ
ップフロップD−F.F6(95A),タイマー2(9
5B)で構成されるB相故障検出信号IRQ2を形成す
る部分からなる。D−F.F5,D−F.F6は分周器
でA相,B相の信号を1/2に分周する。分周された信
号の立ち上がり時点から次の立ち上がり時点まで時間を
クロックパルスによってタイマー1及びタイマー2で計
測する。この間隔が所定の値を越えると、速度センサか
ら信号が発生していないと判断して故障検出信号IRQ
1,IRQ2を発生する。
【0051】次に速度センサが故障したと判定されたと
きのトルク制御についてのべる。A相,B相何れか1つ
が故障した場合は回転角速度検出手段から得られた回転
角速度の2倍の値を実際に電動機が回転している角速度
ωM として、電流センサが正常の場合には電流制御系を
基本としたトルク制御を行い、異常の場合には電圧制御
を基本としたトルク制御が行う。
【0052】速度センサから全ての信号がでなくなった
場合は予め用意された回転角速度設定手段から基準とな
る回転角速度を取り込み、この基にトルク制御を実行す
る。
【0053】この場合2通りのトルク制御が考えられ
る。電流センサから電流を取り込める場合には、前述し
たトルク制御系を基本に、すべり角周波数,トルク電流
指令及び回転角速度設定値から回転角速度を推定するベ
クトル制御を実行する。このベクトル制御としては一般
に速度センサレスベクトル制御として知られている公知
技術を使えばよく、ここではその詳細は省略する。
【0054】次に、速度センサ,電流センサ何れもが故
障している場合のトルク制御について図12を使って説
明する。このトルク制御はトルク指令演算手段110か
ら得られるトルク指令τM*と回転角速度設定手段82J
から得られる回転角速度設定値 ωR に基づいて行われ
るオープンループ制御である。電圧指令を得る演算方法
としては、このωR を使用する以外は、図9に示した方
法と同じである。
【0055】
【発明の効果】本発明によれば、三相交流電動機のトル
ク制御を実行する上で重要な役目をしている3個の電流
センサのうち何個の電流センサに異常が発生したかを判
定し、1個故障した場合と、2個以上の電流センサに異
常が生じた場合とで制御方式を変え、故障の如何にかか
わらず、常にアクセル開度に応じた電動機のトルク指令
を決定するため、電気自動車の運転性を大きく阻害する
ことがない。また、1個故障した場合には、残りの2個
の正常な電流センサの出力を利用して電流制御を継続す
るのため、故障に伴うショックの少ない運転を継続でき
る。このように、電流センサの故障の数に応じて制御方
式を段階的に切り替えるため、電気自動車の運転性を阻
害せず、安全性を向上させることができるという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のトルク制御を行う基本構成図。
【図2】本発明の原理を説明するフローチャート。
【図3】電流制御系を基本としたトルク制御を行うため
のブロック図。
【図4】電流センサ故障態様に応じたトルク制御を行う
手法を説明するフローチャート。
【図5】電流センサ故障時の縮退運転を可能ならしめる
トルク制御の基本構成図。
【図6】相別電流センサ故障を検出する手法を説明する
図。
【図7】図6の手法を実現する制御ブロック図。
【図8】バッテリー電流を用いた電流センサ異常時の交
流電圧指令を発生するブロック図。
【図9】バッテリー電流を用いないで電流センサ異常時
の交流電圧指令を発生するブロック図。
【図10】速度センサの1相故障の態様を検出する方法
を説明するタイムチャート。
【図11】速度センサの1相故障及び全相故障を検出す
る回路構成図。
【図12】速度センサ,電流センサ何れも故障した場合
のトルク制御を行うための交流電圧発生回路構成図。
【符号の説明】
10…バッテリー、20…インバータ、30…電流セン
サ、40…三相交流電動機、50…速度センサ、60…
電流センサ故障検出・補償手段、70…電流制御手段、
80…交流電流指令発生手段、90…エンコーダ故障検
出手段、100…回転角速度検出手段、110…トルク
指令演算手段、120…アクセル、122…故障表示手
段、130…PWM信号発生手段、140…制御モード
切替制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小原 三四郎 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社 日立製作所 自動車機器事業部内 (72)発明者 内藤 祥太郎 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社 日立製作所 自動車機器事業部内 (56)参考文献 特開 平2−266884(JP,A) 特開 平4−45078(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B60L 3/00 - 3/12 B60L 9/00 - 9/32 B60L 15/00 - 15/28 H02P 5/408 - 5/412

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力を供給するバッテリーと、該バッテ
    リーの直流電源を可変電圧、可変周波数の交流電源に変
    換するPWMインバータと、三相交流電動機と、該三相
    交流電動機のシャフトに対応して設けられた速度センサ
    と、該三相交流電動機の巻線に流れる電流を検出するた
    めの3個の電流センサとからなる駆動系と、アクセル開
    度に応じて前記三相交流電動機のトルク指令を決定する
    トルク指令演算手段と、該トルク指令及び前記回転角速
    度に基づいて前記三相交流電動機の巻線に流れる電流の
    大きさ、位相を決定する交流電流指令演算手段と、該交
    流電流指令に前記三相の交流電流が追従するように交流
    電圧指令を決定する電流制御手段と、該交流電圧指令に
    基づいて前記PWMインバータに印加するゲート信号を
    決定するPWM信号発生手段とで駆動系を制御する手段
    を構成してなる三相交流電動機を可変速駆動する電気自
    動車のフェールセイフ制御方法において、前記3個の電流センサのうち幾つの電流センサが故障し
    たかを判定し、 前記3個の電流センサのうち何れかの一つの電流センサ
    のみが故障した場合、該故障した電流センサの電流を他
    の二つの正常な電流センサから得られた二つの電流から
    推定して該推定電流を前記電流制御手段の制御に用い、 前記電流センサが2個以上故障であることが判明した
    は、前記交流電流指令演算手段及び電流制御手段を
    前記トルク指令演算手段から得られるトルク指令と前記
    速度センサから得られる前記三相交流電動機の回転角速
    度により前記交流電圧指令を求める交流電圧指令演算手
    段に切り替え、該交流電圧指令演算手段からえられた交
    流電圧指令に基づいて前記PWMインバータに印加する
    ゲート信号を決定するようにしたことを特徴とするフェ
    ールセイフ制御方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、一つの相の巻線を流
    れる相電流を検出する電流センサが故障していると判断
    された時、該相電流を残りの二つ正常な電流センサから
    得られる他の二つの相電流から推定された交流電流を前
    記電流制御手段に導入し、該交流電流が前記交流電流指
    令に追従するように前記PWMインバータに印加するゲ
    ート信号を決定するようにしたことを特徴とするフェー
    ルセイフ制御方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、交流電圧指
    令演算手段は、前記回転角速度に基づいて前記交流電動
    機の二次回路に発生する二次磁束を決定する二次磁束指
    令演算手段、該二次磁束指令演算手段から得られた二次
    磁束指令と前記トルク指令とからすべり角周波数を決定
    するすべり角周波数演算手段、該すべり角周波数演算手
    段から得られたすべり角周波数と前記回転角速度とから
    PWMインバータの一次角周波数指令を決定する一次角
    周波数演算手段、該一次角周波数指令と前記二次磁束指
    令とから交流電圧指令の大きさを決定する一次電圧演算
    手段及び前記一次角周波数指令から交流電圧指令の位相
    を決定する位相演算手段を有して前記トルク指令に対応
    した交流電圧指令を発生することを特徴とするフェール
    セイフ制御方法。
  4. 【請求項4】 請求項1または2において、交流電圧指
    令演算手段は、手動で前記回転角速度を決定する回転角
    速度演算手段、該回転角速度に基づいて前記交流電動機
    の二次回路に発生する二次磁束を決定する二次磁束指令
    演算手段、該二次磁束指令演算手段から得られた二次磁
    束指令と前記トルク指令とからすべり角周波数を決定す
    るすべり角周波数演算手段、該すべり角周波数演算手段
    から得られたすべり角周波数と前記回転角速度とからイ
    ンバータの一次角周波数指令を決定する一次角周波数演
    算手段、該一次角周波数指令と前記二次磁束指令とから
    交流電圧指令の大きさを決定する一次電圧演算手段及び
    前記一次角周波数指令から交流電圧指令の位相を決定す
    る位相演算手段を有して前記トルク指令に対応した交流
    電圧指令を発生することを特徴とするフェールセイフ制
    御方法。
  5. 【請求項5】 請求項1または2において、交流電圧指
    令演算手段は、前記回転角速度に基づいて前記交流電動
    機の二次回路に発生する二次磁束を決定する二次磁束指
    令演算手段、該二次磁束指令演算手段から得られた二次
    磁束指令と前記トルク指令とからすべり角周波数を決定
    するすべり角周波数演算手段、該すべり角周波数演算手
    段から得られたすべり角周波数と前記回転角速度とから
    インバータの一次角周波数指令を決定する一次角周波数
    演算手段、該一次角周波数指令と前記二次磁束指令とか
    ら前記交流電圧指令の大きさを決定する一次電圧演算手
    段及び前記一次角周波数指令から前記交流電圧指令の位
    相を決定する位相演算手段を有して前記トルク指令に対
    応した交流電圧指令を発生することを特徴とするフェー
    ルセイフ制御方法。
  6. 【請求項6】 請求項1または2において、手動で前記
    回転角速度を決定する回転角速度演算手段、該回転角速
    度に基づいて前記交流電動機の二次回路に発生する二次
    磁束を決定する二次磁束指令演算手段、該二次磁束指令
    演算手段から得られた二次磁束指令と前記トルク指令と
    からすべり角周波数を決定するすべり角周波数演算手
    段、該すべり角周波数演算手段から得られたすべり角周
    波数と前記回転角速度とからインバータの一次角周波数
    指令を決定する一次角周波数演算手段、該一次角周波数
    指令と前記二次磁束指令とから前記交流電圧指令の大き
    さを決定する一次電圧演算手段及び前記一次角周波数指
    令から前記交流電圧指令の位相を決定する位相演算手段
    を有して前記トルク指令に対応した交流電圧指令を発生
    することを特徴とするフェールセイフ制御方法。
  7. 【請求項7】 請求項1または2において、速度センサ
    の異常はエンコーダから出力される信号の異常を検出
    し、異常が検出されたら、前記三相交流電動機のトルク
    指令に比例する量と該三相交流電動機のトルクに比例す
    る量から該三相交流電動機の回転角速度を推定すること
    を特徴とするフェールセイフ制御方法。
  8. 【請求項8】 請求項7において、トルク指令に比例す
    る量及びトルクに比例する量としてそれぞれトルク電流
    指令及びトルク電流としたことを特徴とするフェールセ
    イフ制御方法。
  9. 【請求項9】 請求項7において、エンコーダが異常で
    あると判定され、前記三相交流電動機の回転角速度が推
    定されると、該回転角速度から前記三相交流電動機の二
    次磁束指令を決定し、該二次磁束指令と前記トルク指令
    とからすべり角周波数を決定し、該すべり角周波数と前
    記回転角速度から前記PWMインバータの一次角周波数
    を決めて運転を継続することを特徴とするフェールセイ
    フ制御方法。
  10. 【請求項10】 電力を供給するバッテリーと、該バッ
    テリーの直流電源を可変電圧、可変周波数の交流電源に
    変換するPWMインバータと、三相交流電動機と、該三
    相交流電動機のシャフトに対応して設けられた速度セン
    サと、該三相交流電動機の巻線に具備される3個の電流
    センサとからなる駆動系と、アクセル開度に応じて前記
    三相交流電動機のトルク指令を決定するトルク指令演算
    手段と、該トルク指令及び前記回転角速度に基づいて前
    記三相交流電動機の巻線に流れる電流の大きさ、位相を
    決定する交流電流指令演算手段と、該交流電流指令に前
    記三相の交流電流が追従するように交流電圧指令を決定
    する電流制御手段と、該交流電圧指令に基づいて前記P
    WMインバータに印加するゲート信号を決定するPWM
    信号発生手段とで駆動系を制御する手段を構成してなる
    三相交流電動機を可変速駆動する電気自動車のフェール
    セイフ制御装置において、 前記3個の電流センサのうち幾つの電流センサが故障し
    たかを判定する電流センサ故障検出手段と、 該電流センサ故障検出手段の判定結果に基づいて、前記
    3個の電流センサのうち何れかの一つの電流センサのみ
    が故障した場合、該故障した電流センサの電流を他の二
    つの正常な電流センサから得られた二つの電流から推定
    して該推定電流を前記電流制御手段の制御に用い、前記
    電流センサが2個以上故障であることが判明した場合
    は、前記交流電流指令演算手段及び電流制御手段を、前
    記トルク指令演算手段から得られるトルク指令と前記速
    度センサから得られる前記三相交流電動機の回転角速度
    により前記交流電圧指令を求める交流電圧指令演算手段
    に切り替える手段とを備え、 前記電流センサが2個以上故障である場合は、該交流電
    圧指令演算手段からえられた交流電圧指令に基づいて前
    記PWMインバータに印加するゲート信号を決定するこ
    とを特徴とするフェールセイフ制御装置。
  11. 【請求項11】 請求項10において、交流電圧指令演
    算手段は、前記回転角速度に基づいて前記交流電動機の
    二次回路に発生する二次磁束を決定する二次磁束指令演
    算手段、該二次磁束指令演算手段から得られた二次磁束
    指令と前記トルク指令とからすべり角周波数を決定する
    すべり角周波数演算手段、該すべり角周波数演算手段か
    ら得られたすべり角周波数と前記回転角速度とからイン
    バータの一次角周波数指令を決定する一次角周波数演算
    手段、該一次角周波数指令と前記二次磁束指令とから交
    流電圧指令の大きさを決定する一次電圧演算手段及び前
    記一次角周波数指令から交流電圧指令の位相を決定する
    位相演算手段を有し、前記トルク指令に対応した交流電
    圧指令を発生することを特徴とするフェールセイフ制御
    装置。
  12. 【請求項12】 請求項10において、交流電圧指令演
    算手段は、手動で前記回転角速度を決定する回転角速度
    演算手段、該回転角速度に基づいて前記交流電動機の二
    次回路に発生する二次磁束を決定する二次磁束指令演算
    手段、該二次磁束指令演算手段から得られた二次磁束指
    令と前記トルク指令とからすべり角周波数を決定するす
    べり角周波数演算手段、該すべり角周波数演算手段から
    得られたすべり角周波数と前記回転角速度とからインバ
    ータの一次角周波数指令を決定する一次角周波数演算手
    段、該一次角周波数指令と前記二次磁束指令とから交流
    電圧指令の大きさを決定する一次電圧演算手段及び前記
    一次角周波数指令から交流電圧指令の位相を決定する位
    相演算手段を有し、前記トルク指令に対応した交流電圧
    指令を発生することを特徴とするフェールセイフ制御装
    置。
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