(57)【要約】交流モータ駆動中におけるモータケーブルの異常状態を、特別な回路を使用せずに、演算処理装置にて検知可能なモータ制御装置を提供する。交流モータと、モータケーブルを介してモータ電流により交流モータを駆動するインバータと、交流モータのモータケーブルに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出器を備えたモータ制御装置において、モータ電流検出器より検出したモータ電流からモータケーブルの相間短絡や断線等の異常を演算処理装置を用いて検知する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流モータと、
モータケーブルを介してモータ電流により前記交流モータを駆動するインバータと、
前記交流モータに接続された前記モータケーブルに流れる前記モータ電流を検出するモータ電流検出器と、
前記モータ電流検出器により検出された前記モータ電流に基づき、前記モータケーブルの異常であることを検知する演算処理装置とを有することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の交流モータ制御装置において、
前記モータケーブルの前記異常は、相間短絡状態であり、
前記異常であることは、前記モータ電流の振幅値の大きさに基づいて判定し、
前記演算処理装置は、前記異常であることを前記交流モータの駆動中に検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータは、３相の電流により制御されるものであり、
前記モータ電流検出器は、前記３相の電流のうちいずれか２相の電流を用いて該２相の電流を略同時にサンプリングすることにより前記相間短絡状態であるか否かの判定を行うことを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項４】
請求項２記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータ制御装置は、前記相間短絡状態である相を特定することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項５】
請求項３記載の交流モータ制御装置において、
略同時にサンプリングした前記２相の電流が、あらかじめ設定した所定値を超える状態を所定時間継続した場合に、前記２相の前記モータケーブルが相間短絡状態であると判定することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項６】
請求項５記載の交流モータ制御装置において、
前記３相は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相であり、
前記相間短絡状態であるか否かの判定は、Ｕ−Ｖ相間，Ｖ−Ｗ相間，Ｗ−Ｕ相間の全てにおいて実施されることを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項７】
請求項２記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータ制御装置は、前記モータ電流検出器で検出した前記モータ電流と制御内部電流指令値とを比較することにより前記相間短絡状態を検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項８】
請求項１記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータ制御装置は、前記モータケーブルの断線または未接続を検知し、
前記演算処理装置は、前記異常状態であることを前記交流モータの駆動中に検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項９】
請求項１記載の交流モータ制御装置において、
前記演算処理装置は、前記交流モータを制御するものであることを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１０】
請求項１記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータ制御装置は、前記モータケーブルの異常を検知する前記演算処理装置とは別の第２演算処理装置を有し、
前記第２演算処理装置は、前記交流モータを制御するものであることを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１１】
複数のモータ電流で駆動される交流モータと、
複数のモータケーブルを介して前記複数のモータ電流により前記交流モータを駆動するインバータと、
前記交流モータに接続された前記複数のモータケーブルにそれぞれ流れる前記複数のモータ電流を検出するモータ電流検出器と、
前記モータ電流検出器により検出された前記複数のモータ電流を保存する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記モータ電流とあらかじめ決定された所定値とを比較し、前記複数のモータ電流値のうち少なくとも２つのモータ電流値が該所定値より大きい場合に、異常状態であると判定する演算処理装置とを有することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の交流モータ制御装置において、
前記複数のモータ電流は、Ｕ相電流，Ｖ相電流、及び、Ｗ相電流であり、
前記異常状態は、前記モータケーブルの相間短絡状態であり、
前記演算処理装置は、前記異常状態であることを前記交流モータの駆動中に検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータ制御装置は、ソフトウエアを用いて前記異常状態であることを検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１４】
複数のモータ電流で駆動される交流モータと、
複数のモータケーブルを介して前記複数のモータ電流により前記交流モータを駆動するインバータと、
前記交流モータに接続された前記複数のモータケーブルにそれぞれ流れる前記複数のモータ電流を検出するモータ電流検出器と、
前記モータ電流検出器により検出された前記複数のモータ電流を保存する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記モータ電流とあらかじめ決定された所定値とを比較し、前記複数のモータ電流値のうち少なくとも１つのモータ電流値が該所定値より小さい場合に、異常状態であると判定する演算処理装置とを有することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の交流モータ制御装置において、
前記複数のモータ電流は、Ｕ相電流，Ｖ相電流、及び、Ｗ相電流であり、
前記異常状態は、前記モータケーブルの断線状態であり、
前記演算処理装置は、前記異常状態であることを前記交流モータの駆動中に検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の交流モータ制御装置において、
前記交流モータ制御装置は、ソフトウエアを用いて前記異常状態であることを検知することを特徴とする交流モータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、モータと電力変換器との間を接続するケーブルの異常検出に関し、特に、交流モータ制御装置の異常検出に関する。
【背景技術】  従来から、モータとインバータとの間を接続するケーブルまたはモータ回路の断線や相間短絡等の異常を検出する方法がある。かかる方法としては、モータ駆動停止中にモータ回路に低い電圧を印加して、このときのインバータ直流部に流れる電流を診断パターンに基づいて診断判定する技術（特開平６−６６９０１号公報）や、短絡電流が継続する時間を計測し、この継続時間が所定時間より長い場合に短絡故障であると判断する技術（特開平１０−１９１５５１号公報）がある。
前者の技術は、モータ駆動前にモータに対して微弱電圧を印加して、そのときのＤＣ電流パターンから相間短絡を検出するという技術である。これは、モータ駆動前に相間短絡を検知することが可能であるが、モータ駆動中での相間短絡検知はできないという欠点がある。
また、後者の技術は、ＤＣモータにのみ適用可能な技術である。このため、時々刻々と電流値が変化する交流モータの場合には、この技術を適用するのは困難である。
本発明の目的は、交流モータ駆動中におけるモータケーブルの異常状態（相間短絡，ケーブル断線等）を、特別な回路を設けることなく、演算処理装置にて検知することができるモータ制御装置を提供することにある。
【発明の開示】
本発明の交流モータ制御装置のうち代表的な一つは、交流モータと、モータケーブルを介してモータ電流により交流モータを駆動するインバータと、交流モータに接続されたモータケーブルに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出器と、モータ電流検出器により検出されたモータ電流に基づき、モータケーブルの異常であることを検知する演算処理装置とを有する。
また、本発明の交流モータ制御装置のうち代表的な他の一つは、複数のモータ電流で駆動される交流モータと、複数のモータケーブルを介して複数のモータ電流により交流モータを駆動するインバータと、交流モータに接続された複数のモータケーブルにそれぞれ流れる複数のモータ電流を検出するモータ電流検出器と、モータ電流検出器により検出された複数のモータ電流を保存する記憶手段と、記憶手段に記憶されたモータ電流とあらかじめ決定された所定値とを比較し、複数のモータ電流値のうち少なくとも２つのモータ電流値が所定値より大きい場合に、異常状態であると判定する演算処理装置とを有する。
また、本発明の交流モータ制御装置のうち代表的な他の一つは、複数のモータ電流で駆動される交流モータと、複数のモータケーブルを介して複数のモータ電流により交流モータを駆動するインバータと、交流モータに接続された複数のモータケーブルにそれぞれ流れる複数のモータ電流を検出するモータ電流検出器と、モータ電流検出器により検出された複数のモータ電流を保存する記憶手段と、記憶手段に記憶されたモータ電流とあらかじめ決定された所定値とを比較し、複数のモータ電流値のうち少なくとも１つのモータ電流値が所定値より小さい場合に、異常状態であると判定する演算処理装置とを有する。
本発明によれば、低コストで迅速な異常検知を可能にする交流モータ制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】  第１図は本発明の一実施例である相間短絡検知を行うモータ制御装置を備えた電気自動車の駆動システム構成図。
第２図は本発明の一実施例である相間短絡検知を実施するフローチャート。
第３図は本発明における相間短絡時の相電流を説明する図。
第４図は本発明の他の一実施例である相間短絡検知を行うモータ制御装置を備えた電気自動車の駆動システム構成図。
第５図は本発明の他の一実施例である相間短絡検知を実施するフローチャート。
第６図は本発明の他の一実施例である相断線検知を行うフローチャート。
第７図は本発明の他の一実施例である相断線検知を行う判定時間の最適値についての説明図。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】  相間短絡検知を行うための一実施例を第１図〜第３図に基づいて説明する。まず、電気自動車用駆動制御システムに基づき、本発明のモータケーブル状態の異常検知方法を述べる。
第１図に示すのは、本実施例におけるモータ制御装置を備えた電気自動車用駆動システムの構成図である。交流モータ１（同期電動機）は、永久磁石型同期モータである。電力変換器であるインバータ回路２は、バッテリ４を電源として動作する。交流モータ１は、インバータ回路２を介して電力の供給を受ける。交流モータ１には、回転センサとしてのエンコーダ等の速度検出部６と、磁極位置を検出する磁極位置センサ等の位相演算部７が備えられている。これらは、交流モータ１の回転数と位相の情報をそれぞれ制御装置に伝達する。
インバータ回路２には、バッテリ４から直流電流が入力される。インバータ回路２の直流電流入力側には、バッテリ４の電圧を平滑化するコンデンサ３と、バッテリ４の電圧を測定するバッテリ電圧検出部５が接続される。バッテリ電圧検出部５は、検出したバッテリ４の電圧値を電流指令決定部９に伝達する。
インバータ回路２からは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相交流電流が出力される。このインバータ回路２の交流電流出力側には、交流モータ１に入力される交流電流であるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電流値を検出する電流検出部１３がある。電流検出部１３より検出した３相交流電流は、位相演算部７にて演算された位相角θに基づき、３相２相変換部１２においてｄｑ軸変換される。このｄｑ軸変換値は、電流制御演算部１０の入力側に伝達される。
電流指令決定部９は、速度指令検出部６より出力された回転数Ｎ、バッテリ電圧検出部５により検出されたバッテリ４の電圧、及び、トルク指令処理部８により処理されたトルク指令τ＊に基づいて、ｄｑ軸電流指令を出力する。
電流制御演算部１０は、電流指令決定部９から出力されたｄｑ軸電流指令、３相２相変換部１２によりｄｑ軸変換された電流検出値、及び、速度検出部６により出力された回転数Ｎに基づき、ＰＩ制御によりｄｑ軸電圧指令を演算する。電流制御演算部１０にて演算されたｄｑ軸電圧指令は、位相演算部７により演算された位相角θに基づき、２相３相変換部１１において３相交流電圧指令を演算する。
２相３相変換部１１の内部には、ＰＷＭ信号制御部（図示しない）がある。ＰＷＭ信号演算部は、３相交流電流指令をインバータ回路２の内部にあるスイッチング素子を制御するためのスイッチング制御信号に変換する。このスイッチング制御信号は、インバータ回路２の内部にある各相のスイッチング素子に供給される。
電流検出部１３により検出された３相交流電流は、ケーブル状態検知部１４へ入力される。ケーブル状態検知部１４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の交流電流値を常時同時サンプリングする。このサンプリング値は、例えば、演算処理装置の内部にある記憶装置に保存される。このとき、サンプリング周期は、交流モータ１の駆動周波数より十分に短いものであることが望ましい。
交流モータ１とインバータ回路２との間に流れる電流は、交流モータ１とインバータ回路２とを接続するモータケーブルに相間短絡や断線等の異常が発生している場合と、正常動作している場合とでは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相各相の位相関係や電流振幅値に差異が生じる。本実施例では、一例として、モータ電流の振幅値の変化に基づく異常判定を説明する。
第３図に、通常時と相間短絡時の相電流の比較図を示す。モータケーブルが相間短絡状態にある場合、モータの相間インダクタンスは極小になる。このため、短絡相モータ電流は、第３図（ｂ）に示すとおり、指令値に対して過大となり、電流フィードバックコントロールにより発振状態となる。一例として、第３図（ａ）に示す正常時における電流波形１８の振幅値を比較すると、短絡時の短絡相電流波形１９の振幅値は２倍以上となる。
モータ電流のこの相違を利用して、サンプリングしたＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相電流データのうち、所定時間分のサンプリングデータをピックアップすることにより、相間短絡を検知することができる。
第２図に、本実施例における相間短絡検知方法のフローチャートを示す。サンプリングしたＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相電流データに基づき、相間短絡状態が生じていることを検知する。ここで、サンプリングした各相の電流データは、演算処理装置の内部にある記憶装置に保存されている。また、短絡状態（異常状態）であるか否かの判定基準となる電流値をあらかじめ決定しておき、その値を記憶装置に保存しておく。このため、サンプリングした電流データと基準電流値とを演算処理装置にて比較することにより、短絡状態であるか否かを検知することができる。
まず、診断開始時には、Ｕ相の電流値を判定する状態１５にあり、Ｕ相電流があらかじめ決められた所定値を超えているか否かを判定する。この状態において、Ｕ相電流が所定値を超えていると判定された場合には、次に、Ｖ相の電流値を判定する状態１６へと状態が遷移する。
Ｖ相の電流値を判定する状態１６においては、Ｖ相電流が所定値を超えているか否かを判定する。ここでＶ相電流が所定値を超えていると判定された場合には、Ｕ−Ｖ相間が短絡状態（ショート状態）であると判定する。
一方、Ｖ相の電流値を判定する状態１６において、Ｖ相電流が所定値以下であると判定された場合には、次に、Ｗ相の電流値を判定する状態１７へと遷移する。ここで、Ｗ相電流が所定値を超えていると判定された場合には、Ｕ−Ｗ相間が短絡状態であると判定する。Ｗ相電流が所定値以下であると判定された場合には、診断開始の状態へと遷移する。
また、Ｕ相の電流値を判定する状態１５にある場合に、Ｕ相電流が所定値以下であると判定された場合には、次に、Ｗ相の電流値を判定する状態１７′へと状態が遷移する。Ｗ相電流が所定値以下であると判定された場合には、診断開始の状態へと遷移する。一方、Ｗ相電流が所定値を超えていると判定された場合には、Ｖ相の電流値を判定する状態１６′へと状態が遷移する。
Ｖ相の電流値を判定する状態１６′において、Ｖ相電流が所定値を超えていると判定された場合には、Ｖ−Ｗ相間が短絡状態であると判定する。一方、Ｖ相電流が所定値以下であると判定された場合には、診断開始の状態へと遷移する。
本実施例では、異常状態の検知をより確実なものとするため、電流の所定値を超える状態が所定時間継続した場合に、相間短絡状態であると判定するようにすることがより好ましい。
モータケーブルが短絡している場合、インバータから見たモータ巻線のインダクタンスおよび抵抗は極めて小さい。従って、モータ電流は急激に増大し、モータ電流の検出値は指令値に対して過大となる。また、短絡相間において、各々の位相角は片方の短絡相を基準とすると、もう片方の短絡相はほぼ逆相となる。この関係を利用し、モータ電流値を電流検出器等により演算処理装置の内部に取込み、その電流の振幅値および位相関係を判定することによって、モータケーブルの短絡状態（異常状態）を検知することができる。
この場合、演算処理装置の演算速度が十分速いものを用いれば、異常状態の早期検知が可能であるため、インバータおよびモータへの過大電流による機器破壊や意図しないトルクの発生を抑制できる。
また、本実施例では、既存のモータ制御用の演算処理装置等を用いることがより好ましい。既存の演算処理装置等を用いれば、ケーブル異常用の回路を特別に設ける必要がないため、コストパフォーマンスに優れる。ただし、異常検知用の演算処理装置を、モータ制御用の演算処理装置とは別に設けて実施することも可能である。
以上のとおり、サンプリングしたＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電流データのうち、所定時間分のデータをサンプリングし、各層の電流データを確認することにより、モータケーブルの相間（Ｕ−Ｖ相，Ｕ−Ｗ相，Ｖ−Ｗ相）短絡状態を検知することができる検知方法、及び、この検知方法を実行する交流モータ制御装置を提供することができる。
【実施例２】  相間短絡検知を行うための他の一実施例を第４図及び第５図に基づいて説明する。第４図に示すのは、本実施例におけるモータ制御装置を備えた電気自動車用駆動システムの構成図である。本実施例のモータ制御装置において、実施例１のモータ制御装置と同じ部分については、その説明を省略する。
第４図に示すモータ制御装置を備えた電気自動車の駆動システムにおいて、交流モータ２０，インバータ回路２１，コンデンサ２２，バッテリ２３，バッテリ検出部２４，速度検出部２５，位相演算部２６，トルク指令処理部２７，電流指令決定部２８，電流制御演算部２９，２相３相変換部３０，３相２相変換部３１、及び、電流検出部３２については、第１図のシステムと同一である。第４図では、２相１相変換部３３、及び、ケーブル状態検知部３４が存在する点で、第１図のシステムとは異なる。
第４図のシステムにおいて、電流検出部３２により検出された３相交流電流は、３相２相変換部３１によってｄｑ軸電流に変換される。ここで、２相１相変換部３３において数式１が実行されることにより、ｄｑ軸電流は、相検出電流の実効値であるＩ＾ｒｍｓ３５に変換される。
【数１】
2006112033.tif 000002
一方、電流指令決定部２８から出力されるｄｑ軸電流指令値を、上記同様、２相１相変換部３３において数式２を実行することにより、相電流指令の実効値Ｉ＊ｒｍｓ３６に変換する。
【数２】
2006112033.tif 000003
ここで、モータケーブルが相間短絡状態である場合、モータの相間インダクタンスは極小になる。このため、短絡相モータ電流が指令値に対して過大になるということは、前述のとおりである。つまり、モータ電流を実効値で判断すると、検出電流実効値Ｉ＾ｒｍｓ３５は、電流指令実効値Ｉ＊ｒｍｓ３６に対してオフセットが発生する。
第５図に、本実施例の相間短絡検知方法のフローチャートを示す。本図に示すように、相電流指令の実効値Ｉ＊ｒｍｓ４０と相検出電流の実効値Ｉ＾ｒｍｓ４１をオフセット算出器４３によりオフセット値ΔＩｒｍｓを算出する。このオフセット値ΔＩｒｍｓ４３が所定値を超える場合には、このときを相間短絡状態であると判定する。ここで、２相１相変換部３３より算出した相検出電流の実効値Ｉ＾ｒｍｓ３５に対して、フィルタ処理を施すことがより好ましい。
【実施例３】  次に、ケーブル断線の異常検知を行う一実施例を第１図，第６図および第７図を参照して説明する。
第１図に示すモータ制御装置を備えた電気自動車の駆動システムにおいて、ケーブル状態検知部１４では、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の交流電流を常時同時サンプリングする。サンプリングした値は、例えば、演算処理装置の内部にある記憶装置に保存する。
ここで、モータケーブルが断線状態である場合には、断線相の検出電流値は、理論上０Ａとなる。そこで、サンプリングしたＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電流データのうち、所定時間分のサンプリングデータをピックアップする。
第６図に、本実施例における断線検知方法のフローチャートを示す。第６図に示すとおり、駆動電流値を判定する状態５０において、モータの駆動電流値があらかじめ決定された所定値以上である場合には、その状態が保持される。一方、電流指令が所定値以上の状態で、駆動電流が所定値より小さいと判定された場合には、Ｕ相電流値を判定する状態５１へと状態が遷移する。
Ｕ相電流値を判定する状態５１において、Ｕ相電流が所定値より小さい場合には、Ｕ相が断線状態であると判定する。一方、Ｕ相電流が所定値以上の場合には、Ｖ相電流値を判定する状態５２へと状態が遷移する。
Ｖ相電流値を判定する状態５２において、Ｖ相電流が所定値より小さい場合には、Ｖ相が断線状態であると判定する。一方、Ｖ相電流が所定値以上の場合には、Ｗ相電流値を判定する状態５３へと状態が遷移する。
Ｗ相電流値を判定する状態５３において、Ｗ相電流が所定値より小さい場合には、Ｗ相が断線状態であると判定する。一方、Ｗ相電流が所定値以上の場合には、判定開始の状態へと遷移する。
また、第７図に、断線検知における判定時間の最適値を説明した図を示す。本図よりわかるとおり、電流データのサンプリング時間は、少なくとも、モータ駆動周波数の１／２以上であることが望ましい。
このように、所定時間分のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電流データをサンプリングして、各相の電流状態を判定することにより、モータケーブルの断線状態の検知方法、及び、その検知方法を実行する交流モータ制御装置を実現することができる。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、相間短絡検知方法や断線検知方法において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の電流値の判定順序を変更することや、電流の振幅値の代わりに電流の位相を異常判定として用いることは、当然に本発明の範囲内にあるものである。
【図１】
2006112033.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006112033.tif 000009
【図７】
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【国際調査報告】
2006112033.tif 000011
2006112033.tif 000012