JP5488924B2 - 車両のモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の動力源となる３相の交流モータと、該交流モータを駆動する３相電圧型のインバータとを備えた車両のモータ制御装置に関する発明である。

近年、低燃費、低排気エミッションの社会的要請から車両の動力源として交流モータを搭載した電気自動車やハイブリッド車が注目されている。このような電気自動車やハイブリッド車においては、二次電池等からなる直流電源に接続された３相電圧型のインバータで直流電圧を交流電圧に変換して３相の交流モータを駆動するようにしたもがある。

このようなモータ制御システムにおいては、インバータの各相のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、正常時（故障発生前）と同じように各相のスイッチング素子のオン／オフの制御を継続すると、スイッチング素子の短絡故障が発生した相に過電流が流れる可能性がある［図８（ａ）参照］。

この対策として、例えば、特許文献１（特開２００８−２２００４５号公報）に記載されているように、インバータの各相のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に、その短絡故障が発生したスイッチング素子と同じアーム側の全てのスイッチング素子をオン状態（導通状態）にすると共に短絡故障が発生したスイッチング素子と異なるアーム側の全てのスイッチング素子をオフ状態（遮断状態）にするようにインバータを制御する３相オン制御を実行することで、各相にほぼ均等に電流が流れるようにしたものがある［図８（ｂ）参照］。

特開２００８−２２００４５号公報

しかし、上記特許文献１のように、インバータの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合に３相オン制御を実行するシステムでは、各相のスイッチング素子のオン／オフ状態が固定されるため、交流モータのトルクを制御することができず、運転者の加速要求等に応じて交流モータのトルク指令値が変化しても、それに対応することができないという欠点がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、インバータの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合でも、交流モータのトルクを制御することができる車両のモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車両の動力源となる３相の交流モータと、該交流モータを駆動する３相電圧型のインバータとを備えた車両のモータ制御装置において、インバータの各相のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、各相のスイッチング素子のオン／オフにより選択される電圧ベクトルのうちの短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間（以下「２相変調可能な電気角区間」という）では２相変調で電圧制御して交流モータのトルクを制御するようにインバータを制御し、２相変調可能な電気角区間以外の電気角区間では１相変調で電圧制御するようにインバータを制御する２相及び１相変調制御を実行する短絡故障時制御手段を備えた構成としたものである。

インバータの各相のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合には、各相のスイッチング素子のオン／オフにより選択される電圧ベクトルのうちの一部の電圧ベクトル（短絡故障が発生したスイッチング素子がオン状態となる電圧ベクトル）しか使用することができない。このため、短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトル（ゼロ電圧ベクトル以外の電圧ベクトル）に対応する電気角区間が所定角度範囲に制限されるが、この電気角区間では、スイッチング素子の短絡故障が発生した相以外の残りの２相のスイッチング素子のオン／オフを制御する２相変調で電圧制御することができる。

この点に着目して、本発明は、インバータの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間（２相変調可能な電気角区間）では２相変調で電圧制御して交流モータのトルクを制御するようにインバータを制御し、２相変調可能な電気角区間以外の電気角区間（１相変調可能な電気角区間）では１相変調で電圧制御するようにインバータを制御する２相及び１相変調制御を実行する。このようにすれば、インバータの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合でも、２相及び１相変調制御によって交流モータのトルクをある程度制御することが可能となり、運転者の加速要求等に応じて交流モータのトルク指令値が変化しても、それに対応することができる。

本発明は、インバータの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、常に２相及び１相変調制御を実行するようにしても良いが、請求項２のように、短絡故障が発生したときに、交流モータのトルク指令値が０よりも大きい場合には２相及び１相変調制御を実行し、交流モータのトルク指令値が０以下の場合には短絡故障が発生したスイッチング素子と同じアーム側の全てのスイッチング素子をオン状態にすると共に短絡故障が発生したスイッチング素子と異なるアーム側の全てのスイッチング素子をオフ状態にするようにインバータを制御する３相オン制御を実行するようにしても良い。

このようにすれば、インバータの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、交流モータのトルク指令値が０よりも大きい場合（例えば力行トルク要求時）には、トルク制御を優先して、２相及び１相変調制御を実行することで、トルク指令値に応じて交流モータのトルクを制御して、運転者の加速要求等に対応することができる。一方、交流モータのトルク指令値が０以下の場合（例えば回生トルク要求時）には、トルク安定化を優先して、３相オン制御を実行することで、交流モータのトルク変動を抑制して、運転者に不快なトルク変動を与えないようにできる。

図１は本発明の一実施例におけるハイブリッド車の駆動システムの概略構成を示す図である。 図２は交流モータの制御システムの概略構成を示す図である。 図３は各相のスイッチング素子のオン／オフにより選択される電圧ベクトルを説明する図である。 図４は短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間を説明する図である。 図５は２相及び１相変調制御を説明する図である。 図６は２相及び１相変調制御の実行例を示すタイムチャートである。 図７は短絡故障時制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 図８は従来の問題を説明するタイムチャートである。

以下、本発明を実施するための形態をハイブリッド車に適用して具体化した一実施例を説明する。

まず、図１に基づいてハイブリッド車の駆動システムの概略構成を説明する。
車両の動力源として、内燃機関であるエンジン１１と交流モータ１２とが搭載されている。エンジン１１の出力軸（クランク軸）の動力が交流モータ１２を介して変速機１３に伝達され、この変速機１３の出力軸の動力がデファレンシャルギヤ機構１４や車軸１５等を介して車輪１６に伝達される。変速機１３は、例えば、トルクコンバータと変速機構により構成され、複数の変速段の中から変速段を段階的に切り換える有段変速機であっても良いし、無段階に変速するＣＶＴ（無段変速機）であっても良い。

また、エンジン１１の動力を車輪１６に伝達する動力伝達経路のうちの、エンジン１１と交流モータ１２との間には、動力伝達を断続するための第１のクラッチ１７が設けられ、交流モータ１２と変速機１３との間には、動力伝達を断続するための第２のクラッチ１８が設けられている。これらの第１及び第２のクラッチ１７，１８は、油圧駆動式の油圧クラッチであっても良いし、電磁駆動式の電磁クラッチであっても良い。第１及び第２のクラッチ１７，１８を両方とも解放状態（動力伝達しない状態）することで、交流モータ１２が自由回転可能な状態（交流モータ１２が動力伝達系から切り離されて、交流モータ１２が回転しても動力伝達系に影響を及ぼさない状態）にすることができる。

また、交流モータ１２を駆動するインバータ１９がバッテリ２０に接続され、交流モータ１２がインバータ１９を介してバッテリ２０と電力を授受するようになっている。モータ制御用の電子制御回路（以下「ＭＧ−ＥＣＵ」と表記する）２１は、車両の運転状態等に応じてインバータ１９を制御して交流モータ１２の運転を制御する。

次に、図２に基づいて交流モータ１２の制御システムの概略構成を説明する。
二次電池等からなる直流電源であるバッテリ２０には、リレー２８，２９が接続され、一方のリレー２９と並列にプリチャージ用の抵抗２６とリレー２７が接続されている。システム電源ライン３１とアースライン３２との間には、システム電圧を平滑化する平滑コンデンサ３３や、３相電圧型のインバータ１９が接続され、このインバータ１９で交流モータ１２が駆動される。尚、インバータ１９に平滑コンデンサ３３が組み込まれた構成としても良い。また、リレー２８，２９と平滑コンデンサ３３との間に昇圧コンバータを接続した構成としても良い。

交流モータ１２は、例えば、３相永久磁石式同期モータで、永久磁石が内装されたものであり、ロータの回転位置θ（回転角度）を検出するロータ回転位置センサ３４が搭載されている。３相電圧型のインバータ１９には、６つのスイッチング素子３５〜４０（上アームの各相の３つのスイッチング素子３５，３７，３９と、下アームの各相の３つのスイッチング素子３６，３８，４０）が設けられ、各スイッチング素子３５〜４０に、それぞれ還流ダイオード４１〜４６が並列に接続されている。

このインバータ１９は、ＭＧ−ＥＣＵ２１から出力される各スイッチング素子駆動信号ＵＵ，ＵＬ，ＶＵ，ＶＬ，ＷＵ，ＷＬに基づいて、システム電源ライン３１の直流電圧を３相の交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗに変換して交流モータ１２を駆動する。交流モータ１２のＵ相に流れるＵ相電流ｉu がＵ相電流センサ４７によって検出され、交流モータ１２のＷ相に流れるＷ相電流ｉw がＷ相電流センサ４８によって検出される。

ＭＧ−ＥＣＵ２１は、車両の通常運転中に、交流モータ１２の出力トルクが目標トルク（トルク指令値）となるようにインバータ１９を制御して交流モータ１２に印加する交流電圧を調整するトルク制御を実行する。このトルク制御では、ハイブリッドＥＣＵ（図示せず）から出力されるトルク指令値と、交流モータ１２のＵ相電流ｉu とＷ相電流ｉw （電流センサ４７，４８の出力信号）と、交流モータ１２のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ３４の出力信号）とに基づいて、例えば正弦波ＰＷＭ制御方式で各スイッチング素子駆動信号ＵＵ，ＵＬ，ＶＵ，ＶＬ，ＷＵ，ＷＬを生成してインバータ１９に出力する。

具体的には、まず、交流モータ１２のロータ回転座標として設定されたｄ−ｑ座標系において、ｄ軸電流ｉd とｑ軸電流ｉq をそれぞれ独立にフィードバック制御するｄｑ軸電流Ｆ／Ｂ制御を実行する。

このｄｑ軸電流Ｆ／Ｂ制御では、交流モータ１２のトルク指令値と回転速度とに基づいて、指令電流（ｄ軸電流指令値Ｉd ，ｑ軸電流指令値Ｉq ）をマップ又は数式等により演算する。また、交流モータ１２のＵ相電流ｉu とＷ相電流ｉw （電流センサ４７，４８の出力信号）と、交流モータ１２のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ３４の出力信号）とに基づいて、交流モータ１２に流れる電流の検出値である検出電流（ｄ軸電流検出値ｉd ，ｑ軸電流検出値ｉq ）を演算する。

この後、ｄ軸電流指令値Ｉd とｄ軸電流検出値ｉd との偏差Δｉd が小さくなるようにＰＩ制御等によりｄ軸電圧指令値Ｖd を演算すると共に、ｑ軸電流指令値Ｉq とｑ軸電流検出値ｉq との偏差Δｉq が小さくなるようにＰＩ制御等によりｑ軸電圧指令値Ｖq を演算して、指令電圧（ｄ軸電圧指令値Ｖd ，ｑ軸電圧指令値Ｖq ）を求める。

このようにｄｑ軸電流Ｆ／Ｂ制御により求めた指令電圧（ｄ軸電圧指令値Ｖd ，ｑ軸電圧指令値Ｖq ）と、交流モータ１２のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ３４の出力信号）とに基づいて、三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw を演算した後、これらの三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw を、例えばＰＷＭ制御方式で各スイッチング素子駆動信号ＵＵ，ＵＬ，ＶＵ，ＶＬ，ＷＵ，ＷＬに変換し、これらの各スイッチング素子駆動信号ＵＵ，ＵＬ，ＶＵ，ＶＬ，ＷＵ，ＷＬをインバータ１８に出力する。

ところで、６つのスイッチング素子３５〜４０を有するインバータ１９を搭載したシステムでは、図３に示すように、インバータ１９の各相のスイッチング素子３５〜４０のオン／オフの組み合わせに応じて８種類の電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７を選択することができ、そのうちの２種類がゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７となり、残りの６種類が有効電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６となる。尚、図３中の○印はスイッチング素子のオン状態を示し、無印はスイッチング素子のオフ状態を示す。

しかし、インバータ１９の各相のスイッチング素子３５〜４０のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合には、各相のスイッチング素子３５〜４０のオン／オフにより選択される電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７のうちの一部の電圧ベクトル（短絡故障が発生したスイッチング素子がオン状態となる電圧ベクトル）しか使用することができない。例えば、Ｕ相の上アームのスイッチング素子３５の短絡故障が発生した場合には、Ｕ相の上アームのスイッチング素子３５がオン状態となる電圧ベクトル（つまり３種類の有効電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６と１種類のゼロ電圧ベクトルＶ７）しか使用することができない。

このため、図４に示すように、短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトル（例えば有効電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６）に対応する電気角区間が所定角度範囲（例えば１２０度の範囲）に制限されるが、この電気角区間では、スイッチング素子の短絡故障が発生した相（例えばＵ相）以外の残りの２相（例えばＶ相とＷ相）のスイッチング素子のオン／オフを制御する２相変調で電圧制御することができる。

この点に着目して、本実施例では、ＭＧ−ＥＣＵ２１により後述する図７の短絡故障時制御ルーチンを実行することで、インバータ１９の１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間（２相変調可能な電気角区間）では、スイッチング素子の短絡故障が発生した相以外の残りの２相のスイッチング素子のオン／オフを制御する２相変調で電圧制御して交流モータ１２のトルクを制御するようにインバータ１９を制御し、２相変調可能な電気角区間以外の電気角区間（１相変調可能な電気角区間）では、スイッチング素子の短絡故障が発生した相以外の残りの２相のうちのいずれか１相のスイッチング素子のオン／オフを制御する１相変調で電圧制御するようにインバータ１９を制御する「２相及び１相変調制御」を実行する。

例えば、図５に示すように、Ｕ相の上アームのスイッチング素子３５の短絡故障が発生した場合には、２相及び１相変調制御を次のようにして実行する。
３相の電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw を、それぞれ図５（ｂ）に示す波形で設定する。この場合、Ｕ相の電圧指令値Ｖu は全ての電気角（０〜３６０度）で一定値となるように設定されている。また、Ｖ相の電圧指令値Ｖv は１相変調可能な電気角区間の前半（例えば１５０〜２７０度）で一定値となり、Ｗ相の電圧指令値Ｖw は１相変調可能な電気角区間の後半（例えば２７０〜３０度）で一定値となるように設定されている。これらの３相の電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw をＰＷＭ制御方式で３相の６アーム電圧指令信号に変換してインバータ１９に出力する。

これにより、２相変調可能な電気角区間の前半（例えば３０〜９０度）では２つの有効電圧ベクトルＶ１，Ｖ６とゼロ電圧ベクトルＶ７を用いて電圧制御するように、Ｖ相とＷ相のスイッチング素子３７〜４０のオン／オフを制御する２相変調で電圧制御して交流モータ１２のトルクを制御する。また、２相変調可能な電気角区間の後半（例えば９０〜１５０度）では２つの有効電圧ベクトルＶ１，Ｖ２とゼロ電圧ベクトルＶ７を用いて電圧制御するように、Ｖ相とＷ相のスイッチング素子３７〜４０のオン／オフを制御する２相変調で電圧制御して交流モータ１２のトルクを制御する。

２相変調で電圧制御するときには、例えば、ｄｑ軸電流Ｆ／Ｂ制御を実行して指令電圧を求め、この指令電圧に基づいて三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw の振幅と位相を設定する。

一方、１相変調可能な電気角区間の前半（例えば１５０〜２７０度）では１つの有効電圧ベクトルＶ２とゼロ電圧ベクトルＶ７を用いて電圧制御するように、Ｗ相のスイッチング素子３９，４０のオン／オフを制御する１相変調で電圧制御して電流を低減する。また、１相変調可能な電気角区間の後半（例えば２７０〜３０度）では１つの有効電圧ベクトルＶ６とゼロ電圧ベクトルＶ７を用いて電圧制御するように、Ｖ相のスイッチング素子３７，３８のオン／オフを制御する１相変調で電圧制御して電流を低減する。

１相変調で電圧制御するときには、例えば、ｄｑ軸電流Ｆ／Ｂ制御を実行して指令電圧を求め、この指令電圧に基づいて三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw の振幅と位相を設定する。或は、交流モータ１２の各相の電流の指令値と検出値との偏差が小さくなるように指令電圧を演算する３相電流Ｆ／Ｂ制御を実行し、この３相電流Ｆ／Ｂ制御により求めた指令電圧に基づいて三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw の振幅と位相を設定するようにしても良い。また、三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw の振幅と位相を２相変調から１相変調に切り替わる直前の値に保持するようにしても良い。或は、三相電圧指令値Ｖu ，Ｖv ，Ｖw の振幅と位相を予め設定した固定値としても良い。

以上説明した２相及び１相変調制御では、１相変調で電圧制御するときには交流モータ１２のトルクをあまり精度良く制御することができないが、２相変調で電圧制御するときには交流モータ１２のトルクを比較的精度良く制御することができ、これらの２相変調の電圧制御と１相変調の電圧制御を交互に繰り返し実行するため、図６に示すように、多少のトルク変動が発生するものの全体的には交流モータ１２のトルクをある程度制御することが可能となる。
以下、ＭＧ−ＥＣＵ２１が実行する図７の短絡故障時制御ルーチンの処理内容を説明する。

図７に示す短絡故障時制御ルーチンは、ＭＧ−ＥＣＵ２１の電源オン中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう短絡故障時制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、インバータ１９の各相のスイッチング素子３５〜４０のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したか否かを、例えば、図示しない故障診断ルーチンによる故障診断結果に基づいて判定する。
このステップ１０１で、スイッチング素子の短絡故障が発生していないと判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を行うことなく。本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、インバータ１９の各相のスイッチング素子３５〜４０のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したと判定された場合には、ステップ１０２に進み、交流モータ１２のトルク指令値が０よりも大きいか否かを判定する。

このステップ１０２で、交流モータ１２のトルク指令値が０よりも大きいと判定された場合（例えば力行トルク要求時）には、トルク制御を優先した方が良いと判断して、ステップ１０３に進み、２相及び１相変調制御を実行する。この２相及び１相変調制御では、短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間（２相変調可能な電気角区間）では２相変調で電圧制御して交流モータ１２のトルクを制御するようにインバータ１９を制御し、２相変調可能な電気角区間以外の電気角区間（１相変調可能な電気角区間）では１相変調で電圧制御するようにインバータ１９を制御する。

一方、上記ステップ１０２で、交流モータ１２のトルク指令値が０以下であると判定された場合（例えば回生トルク要求時）には、トルク安定化を優先した方が良いと判断して、ステップ１０４に進み、３相オン制御を実行する。この３相オン制御では、短絡故障が発生したスイッチング素子と同じアーム側の全てのスイッチング素子をオン状態にすると共に短絡故障が発生したスイッチング素子と異なるアーム側の全てのスイッチング素子をオフ状態にするようにインバータ１９を制御する。

以上説明した本実施例では、インバータ１９の１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間（２相変調可能な電気角区間）では２相変調で電圧制御して交流モータ１２のトルクを制御するようにインバータ１９を制御し、２相変調可能な電気角区間以外の電気角区間（１相変調可能な電気角区間）では１相変調で電圧制御するようにインバータ１９を制御する２相及び１相変調制御を実行するようにしたので、インバータ１９の１つのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合でも、２相及び１相変調制御によって交流モータ１２のトルクをある程度制御することが可能となり、運転者の加速要求等に応じて交流モータ１２のトルク指令値が変化しても、それに対応することができる。

しかも、本実施例では、インバータ１９の１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、常に２相及び１相変調制御を実行するのではなく、交流モータ１２のトルク指令値が０よりも大きい場合（例えば力行トルク要求時）に、トルク制御を優先して、２相及び１相変調制御を実行するようにしたので、トルク指令値に応じて交流モータ１２のトルクを制御して、運転者の加速要求等に対応することができ、一方、交流モータ１２のトルク指令値が０以下の場合（例えば回生トルク要求時）には、トルク安定化を優先して、３相オン制御を実行するようにしたので、交流モータ１２のトルク変動を抑制して、運転者に不快なトルク変動を与えないようにできる。

しかしながら、本発明は、インバータ１９の１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、常に２相及び１相変調制御を実行するようにしても良い。
また、上記実施例では、エンジンと交流モータの両方を動力源とするハイブリッド車に本発明を適用したが、これに限定されず、交流モータのみを動力源とする電気自動車に本発明を適用しても良い。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…交流モータ、１３…変速機、１６…車輪、１９…インバータ、２０…バッテリ、２１…ＭＧ−ＥＣＵ（短絡故障時制御手段）、３５〜４０…スイッチング素子

Claims (2)

1. 車両の動力源となる３相の交流モータと、該交流モータを駆動する３相電圧型のインバータとを備えた車両のモータ制御装置において、
   前記インバータの各相のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子の短絡故障が発生したときに、前記各相のスイッチング素子のオン／オフにより選択される電圧ベクトルのうちの前記短絡故障の発生時に使用可能な有効電圧ベクトルに対応する電気角区間（以下「２相変調可能な電気角区間」という）では２相変調で電圧制御して前記交流モータのトルクを制御するように前記インバータを制御し、前記２相変調可能な電気角区間以外の電気角区間では１相変調で電圧制御するように前記インバータを制御する２相及び１相変調制御を実行する短絡故障時制御手段を備えていることを特徴とする車両のモータ制御装置。
2. 前記短絡故障時制御手段は、前記短絡故障が発生したときに、前記交流モータのトルク指令値が０よりも大きい場合には前記２相及び１相変調制御を実行し、前記交流モータのトルク指令値が０以下の場合には前記短絡故障が発生したスイッチング素子と同じアーム側の全てのスイッチング素子をオン状態にすると共に前記短絡故障が発生したスイッチング素子と異なるアーム側の全てのスイッチング素子をオフ状態にするように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の車両のモータ制御装置。

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