(57)【要約】【課題】インバータ回路のスイッチング素子が故障した場合に、故障の態様に応じた適正な制御により負荷を継続して駆動できるようにする。【解決手段】モータ駆動装置１００は、インバータ回路１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の故障を検出する故障検出部３３を備えている。故障検出部３３が、Ｃ相上段のスイッチング素子Ｑ５が導通しない故障を検出し、ダイオードＤ５が導通しない故障を検出しなかった場合は、故障したスイッチング素子Ｑ５と対をなすスイッチング素子Ｑ６と、他の相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４とを用いてモータＭを駆動する。一方、故障検出部３３が、Ｃ相上段のスイッチング素子Ｑ５が導通しない故障とダイオードＤ５が導通しない故障を共に検出した場合は、故障したスイッチング素子Ｑ５と対をなすスイッチング素子Ｑ６をオフ状態に維持し、他の相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いてモータＭを駆動する。【選択図】図１
2015192526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相以上の複数相の各相ごとに設けられた上下一対のアームを有し、各相の上アームと下アームのそれぞれにスイッチング素子が設けられたインバータ回路と、
前記各スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部と、を備え、
前記各スイッチング素子には、電源に対して逆方向となるようにダイオードが並列に接続されており、
前記各スイッチング素子のオン・オフに基づいて、電源から前記インバータ回路を介して負荷に電流が供給される負荷駆動装置において、
前記スイッチング素子の故障、および当該スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードの故障を検出する故障検出手段をさらに備え、
前記制御部は、
前記故障検出手段が、ある相の上下いずれかのアームに設けられたスイッチング素子が導通しない故障を検出し、かつ、当該スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードが導通しない故障を検出しなかった場合は、前記故障したスイッチング素子と対をなす当該相のスイッチング素子、および他の相の各スイッチング素子をそれぞれオン・オフ制御し、
前記故障検出手段が、ある相の上下いずれかのアームに設けられたスイッチング素子が導通しない故障を検出し、かつ、当該スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードが導通しない故障を検出した場合は、前記故障したスイッチング素子と対をなす当該相のスイッチング素子をオフ状態に維持するとともに、他の相の各スイッチング素子をオン・オフ制御することを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
前記負荷の端子電圧を検出する第１電圧検出手段をさらに備え、
前記故障検出手段は、前記インバータ回路が力行状態から回生状態に切り替わったタイミングで、前記第１電圧検出手段により検出された電圧が閾値電圧を超えるサージ電圧か否かを判定し、前記電圧がサージ電圧である場合に、前記スイッチング素子と、当該スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードとが共に故障したと判定することを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の負荷駆動装置において、
前記故障検出手段は、前記タイミングで検出された前記負荷の端子電圧をサージ電圧と判定した回数が所定回数連続した場合に、前記スイッチング素子と、当該スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードとが共に故障したと判定することを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の負荷駆動装置において、
前記スイッチング素子の両端の電圧を検出する第２電圧検出手段をさらに備え、
前記故障検出手段は、前記制御部が前記スイッチング素子をオン制御している状態で、前記第２電圧検出手段により検出された当該スイッチング素子の両端の電圧が所定値以上である場合に、当該スイッチング素子が故障したと判定することを特徴とする負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータなどの負荷を駆動する装置に関し、特に、スイッチング素子のオン・オフ動作によって負荷へ電流を供給するインバータ回路を備えた負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、車両に搭載される電動パワーステアリング装置においては、ハンドルの操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与えるために、３相ブラシレスモータなどの電動式モータが設けられる。このモータを駆動する装置として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御方式によるモータ駆動装置が知られている。
【０００３】
一般に、ＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置は、所定のデューティを持ったＰＷＭ信号により駆動されるインバータ回路を備えている。インバータ回路は、上アームと下アームにそれぞれスイッチング素子を有する上下一対のアームが相数だけ設けられた、ブリッジ回路から構成されている。そして、ＰＷＭ信号に基づく各スイッチング素子のオン・オフ動作により、電源からインバータ回路を通ってモータへ電流が供給され、モータが駆動される。
【０００４】
このようなモータ駆動装置において、スイッチング素子の故障により、インバータ回路のいずれかの相に異常が発生した場合は、モータの駆動を停止させるのが一般的な制御方法である。しかるに、電動パワーステアリング装置の場合は、異常発生時にモータを直ちに停止させると、操舵補助力が突然得られなくなって、運転に支障が生じる。そこで、いずれかの相のスイッチング素子が故障した場合でも、モータの駆動を継続できるようにしたモータ駆動装置が提案されている（たとえば特許文献１〜４）。
【０００５】
特許文献１では、通電不良の発生時に、故障したスイッチング素子を特定し、当該素子と対をなすスイッチング素子を介して通電不良相に通電が可能な、回転角範囲を特定する。そして、その回転角範囲において各相に正弦波電流を通電することにより、モータの駆動を継続する。
【０００６】
特許文献２では、スイッチング素子がオープン故障（オフのままになる故障）した場合に、故障したスイッチング素子が使用される領域においても、合成電圧ベクトルを固定したベクトル制御を実行することにより、モータの駆動を継続する。
【０００７】
特許文献３では、スイッチング素子の故障が検出された場合に、２相の出力電流の波形がそれぞれ正弦波に近づくように、故障していない残りのスイッチング素子を動作させることにより、モータの駆動を継続する。
【０００８】
特許文献４では、１相に断線などの異常が発生した場合に、正常な２相の目標電流値を算出し、これらの目標電流値に基づいて生成した電圧指令値をインバータ駆動回路へ与えることにより、モータの駆動を継続する。
【０００９】
たとえば、６個のスイッチング素子を有する３相のインバータ回路において、１相の上下いずれかのスイッチング素子が故障した場合、残りの２相の４個のスイッチング素子だけを用いてモータの駆動を継続する方式（以下、「２相方式」という）と、上記４個のスイッチング素子に加えて、故障が発生した相の正常な１個のスイッチング素子も用いてモータの駆動を継続する方式（以下、「準３相方式」という）とがある。特許文献１〜３は準３相方式の例であり、特許文献４は２相方式の例である。２相方式の場合は、故障が発生した相全体を切り離すが、準３相方式の場合は、故障したスイッチング素子のみを切り離す。準３相方式は、２相方式に比べてモータ電流のリップル成分が少ないため、操舵性能が向上するという利点を有している。
【００１０】
図１０は、電動パワーステアリング装置に用いられる、従来のモータ駆動装置の一例を示している。モータ駆動装置２００は、インバータ回路１０、駆動回路２０、および制御部３０を備えている。モータＭは、操舵補助力を与えるためのアシストモータである。電源Ｖｄは、車両に搭載されたバッテリから供給される直流電源である。
【００１１】
インバータ回路１０は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有する３相ブリッジ回路から構成される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなり、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ６を有している。これらのダイオードＤ１〜Ｄ６は、ＦＥＴのドレイン・ソース間の寄生ダイオードであって、電源Ｖｄ（正極）に対して逆方向となるように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と並列に接続されている。上段のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と、下段のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６との各接続点は、電路を介してモータＭに接続されている。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６とグランドＧとの間には、モータＭに流れる電流を検出するための電流検出抵抗Ｒｓが設けられている。
【００１２】
制御部３０は、電流検出抵抗Ｒｓで検出されたモータ電流の値と、図示しないトルクセンサで検出された操舵トルク値から算出した目標電流値との偏差に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するためのＰＷＭ信号のデューティを演算する。駆動回路２０は、制御部３０から与えられるデューティの値に基づき、６種類のＰＷＭ信号を生成し、各ＰＷＭ信号をスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートへ印加する。このＰＷＭ信号によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオン・オフすることでインバータ回路１０が動作し、電源Ｖｄからインバータ回路１０を介して、モータＭに電流が供給される。
【００１３】
図１１は、インバータ回路１０の動作を表したタイムチャートである。（ａ）、（ｂ）はＡ相上段のスイッチング素子Ｑ１に与えられるＰＷＭ信号と素子Ｑ１の動作、（ｃ）、（ｄ）はＡ相下段のスイッチング素子Ｑ２に与えられるＰＷＭ信号と素子Ｑ２の動作、（ｅ）、（ｆ）はＣ相上段のスイッチング素子Ｑ５に与えられるＰＷＭ信号と素子Ｑ５の動作、（ｇ）、（ｈ）はＣ相下段のスイッチング素子Ｑ６に与えられるＰＷＭ信号と素子Ｑ６の動作、（ｉ）はＡ相のモータ端子電圧、（ｊ）はＣ相のモータ端子電圧を示している。ＰＷＭ信号の「Ｈ」はハイレベル、「Ｌ」はローレベルを表している。なお、説明を簡単にするため、Ｂ相については図示を省略している。
【００１４】
図１１において、時刻ｔ１〜ｔ２の区間Ｔ１は、力行（りきこう）区間である。この区間Ｔ１では、（ｂ）、（ｈ）のようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ６がオン状態となり、（ｄ）、（ｆ）のようにスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ状態となることによって、図１２Ａの破線で示すような経路で、電源ＶｄからモータＭに電流が流れる。
【００１５】
時刻ｔ２〜ｔ３の区間Ｔ２は、下段回生区間である。この区間Ｔ２では、（ｄ）、（ｈ）のようにスイッチング素子Ｑ２、Ｑ６がオン状態となり、（ｂ）、（ｆ）のようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５がオフ状態となることによって、図１２Ｂの破線で示すような経路で、モータＭのインダクタンスに蓄えられたエネルギーの放出に基づく回生電流が流れる。
【００１６】
時刻ｔ３〜ｔ４の区間Ｔ３は、再び力行区間となり、（ｂ）、（ｈ）のようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ６がオン状態となり、（ｄ）、（ｆ）のようにスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ状態となることによって、図１２Ｃ（図１２Ａと同じ）の破線で示すような経路で、電源ＶｄからモータＭに電流が流れる。
【００１７】
時刻ｔ４〜ｔ５の区間Ｔ４は、上段回生区間である。この区間Ｔ４では、（ｂ）、（ｆ）のようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ５がオン状態となり、（ｄ）、（ｈ）のようにスイッチング素子Ｑ２、Ｑ６がオフ状態となることによって、図１２Ｄの破線で示すような経路で、モータＭのインダクタンスに蓄えられたエネルギーの放出に基づく回生電流が流れる。
【００１８】
時刻ｔ５〜ｔ６の区間Ｔ５は、再び力行区間となり、以後、区間Ｔ１〜Ｔ４と同様のパターンが繰り返される。
【００１９】
上記のようなインバータ回路１０において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のいずれかがオフ（非導通）状態に固定され、オン（導通）しなくなるような故障が発生することがある。この故障を、本明細書では「オフ故障」と呼ぶ（特許文献２の「オープン故障」も同義）。
【００２０】
図１０のように、ダイオードＤ１〜Ｄ６が並列に接続されたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を用いた場合、オフ故障には２つのタイプがある。１つは、スイッチング素子とダイオードのいずれもが導通しなくなる故障である（以下、「完全オフ故障」という）。これは、たとえばＦＥＴのドレイン側やソース側に断線が発生して、スイッチング素子とダイオードの双方が切断状態となったような場合の故障である。もう１つは、ダイオードは正常でありスイッチング素子だけが導通しなくなる故障である（以下、「不完全オフ故障」という）。これは、たとえばＦＥＴのゲートが地絡したり、ＦＥＴ本体が破損したりした場合の故障である。
【００２１】
図１３は、インバータ回路１０のＣ相上段に「完全オフ故障」が発生した場合の、上段回生時の状態を示している。このとき、スイッチング素子Ｑ５が異常（非導通）状態にあるため、回生電流がスイッチング素子Ｑ５を通ってインバータ回路１０を流れることはできない。また、ダイオードＤ５も異常（非導通）状態にあるため、回生電流がダイオードＤ５を通ってインバータ回路１０を流れることはできない。
【００２２】
図１４は、インバータ回路１０のＣ相上段に「不完全オフ故障」が発生した場合の、上段回生時の状態を示している。このとき、スイッチング素子Ｑ５が異常（非導通）状態にあるため、回生電流がスイッチング素子Ｑ５を通ってインバータ回路１０を流れることはできない。しかしながら、ダイオードＤ５は正常であるため、破線で示すような経路で、回生電流がダイオードＤ５を通ってインバータ回路１０を流れる。
【００２３】
図１３のようにＣ相上段に完全オフ故障が発生している状態下では、図１５（ｊ）に破線で示したように、力行状態から上段回生状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ４）で、Ｃ相のモータ端子電圧（スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の接続点の電圧）に正方向のサージ電圧が発生する。これは、時刻ｔ４でＣ相下段のスイッチング素子Ｑ６（正常）がオフした瞬間に、モータＭのインダクタンスに蓄えられたエネルギーが、回生電流として吸収されずに、サージ電圧となって現われるためである。そして、このサージ電圧の電圧値がスイッチング素子Ｑ６の耐圧を超えると、スイッチング素子Ｑ６が破壊される。
【００２４】
したがって、Ｃ相上段が完全オフ故障の状態にある場合に、Ｃ相下段の正常なスイッチング素子Ｑ６をオン・オフさせて、前述の準３相方式による駆動を行おうとしても、スイッチング素子Ｑ６が破壊してしまうと、準３相方式による駆動は不可能となる。この場合は、結局２相方式による駆動へ切り替える必要があるが、従来は、準３相方式と２相方式のいずれを採用すべきかを判断する手段がなかった。
【００２５】
一方、Ｃ相上段が不完全オフ故障の状態にある場合は、上段回生時に回生電流が流れるので、Ｃ相のモータ端子電圧にサージ電圧が発生することはない。したがって、この場合に、Ｃ相下段のスイッチング素子Ｑ６をオン・オフさせずに、Ｃ相を完全に切り離して２相方式による駆動を行うことは、無駄であるばかりでなく、準３相方式に比べてモータ電流のリップル成分が増加して好ましくない。
【００２６】
図１６は、インバータ回路１０のＡ相下段に「完全オフ故障」が発生した場合の、下段回生時の状態を示している。このとき、スイッチング素子Ｑ２が異常（非導通）状態にあるため、回生電流がスイッチング素子Ｑ２を通ってインバータ回路１０を流れることはできない。また、ダイオードＤ２も異常（非導通）状態にあるため、回生電流がダイオードＤ２を通ってインバータ回路１０を流れることはできない。
【００２７】
図１７は、インバータ回路１０のＡ相下段に「不完全オフ故障」が発生した場合の、下段回生時の状態を示している。このとき、スイッチング素子Ｑ２が異常（非導通）状態にあるため、回生電流がスイッチング素子Ｑ２を通ってインバータ回路１０を流れることはできない。しかしながら、ダイオードＤ２は正常であるため、破線で示すような経路で、回生電流がダイオードＤ２を通ってインバータ回路１０を流れる。
【００２８】
図１６のようにＡ相下段に完全オフ故障が発生している状態下では、図１８（ｉ）に破線で示したように、力行状態から下段回生状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ２）で、Ａ相のモータ端子電圧（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点の電圧）に負方向のサージ電圧が発生する。これは、時刻ｔ２でＡ相上段のスイッチング素子Ｑ１（正常）がオフした瞬間に、モータＭのインダクタンスに蓄えられたエネルギーが、回生電流として吸収されずに、サージ電圧となって現われるためである。そして、この負方向のサージ電圧により、スイッチング素子Ｑ１のソース電位が低下する結果、スイッチング素子Ｑ１は半オン状態（オンとオフの中間状態）となる。このため、サージ電圧に基づく大電流がスイッチング素子Ｑ１を通って電源Ｖｄ側へ流れ、スイッチング素子Ｑ１は、この大電流による電力損失（発熱）が過大になると破壊される。
【００２９】
したがって、Ａ相下段が完全オフ故障の状態にある場合に、Ａ相上段の正常なスイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせて、前述の準３相方式による駆動を行おうとしても、スイッチング素子Ｑ１が破壊してしまうと、準３相方式による駆動は不可能となる。この場合も、結局２相方式による駆動へ切り替える必要があるが、従来は、準３相方式と２相方式のいずれを採用すべきかを判断する手段がなかった。
【００３０】
一方、Ａ相下段が不完全オフ故障の状態にある場合は、下段回生時に回生電流が流れるので、Ａ相のモータ端子電圧にサージ電圧が発生することはない。したがって、この場合に、Ａ相上段のスイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせずに、Ａ相を完全に切り離して２相方式による駆動を行うことは、無駄であるばかりでなく、準３相方式に比べてモータ電流のリップル成分が増加して好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開２０１０−８２６号公報
【特許文献２】特開２００５−９４８７３号公報
【特許文献３】特開２００９−７１９７５号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００５／０９１４８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は、インバータ回路のスイッチング素子が故障した場合に、故障の態様に応じた適正な制御により負荷を継続して駆動することが可能な負荷駆動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明に係る負荷駆動装置は、インバータ回路と、制御部と、故障検出手段とを備えている。インバータ回路は、３相以上の複数相の各相ごとに設けられた上下一対のアームを有している。各相の上アームと下アームのそれぞれには、スイッチング素子が設けられている。各スイッチング素子には、電源に対して逆方向となるようにダイオードが並列に接続されている。制御部は、各スイッチング素子のオン・オフを制御する。スイッチング素子がオン・オフすることにより、電源からインバータ回路を介して負荷に電流が供給される。故障検出手段は、スイッチング素子の故障、および当該スイッチング素子に並列接続されたダイオードの故障を検出する。
【００３４】
故障検出手段が、ある相の上下いずれかのアームに設けられたスイッチング素子が導通しない故障を検出し、かつ、当該スイッチング素子に並列接続されたダイオードが導通しない故障を検出しなかった場合は、制御部は、故障したスイッチング素子と対をなす当該相のスイッチング素子、および他の相の各スイッチング素子をそれぞれオン・オフ制御する。この場合は、前述した「不完全オフ故障」に該当し、３相であれば、正常な２相のスイッチング素子と、故障が発生した１相における正常なスイッチング素子とを用いて、前述した「準３相方式」による負荷駆動が行われる。
【００３５】
一方、故障検出手段が、ある相の上下いずれかのアームに設けられたスイッチング素子が導通しない故障を検出し、かつ、当該スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードが導通しない故障を検出した場合は、制御部は、故障したスイッチング素子と対をなす当該相のスイッチング素子をオフ状態に維持するとともに、他の相の各スイッチング素子をオン・オフ制御する。この場合は、前述した「完全オフ故障」に該当し、３相であれば、正常な２相のスイッチング素子だけを用いて、前述した「２相方式」による負荷駆動が行われる。
【００３６】
以上のように、ある相で発生したオフ故障が「完全オフ故障」の場合は、故障した相全体を切り離すことで、当該相の正常なスイッチング素子が破壊されたとしても、残りの相で負荷を継続して駆動することができる。また、オフ故障が「不完全オフ故障」の場合は、故障したスイッチング素子のみを切り離すことで、負荷電流におけるリップル成分の増加を抑制しつつ、負荷を継続して駆動することができる。このようにして、スイッチング素子の故障の態様に応じた適正な制御により、負荷の駆動を継続することが可能となる。
【００３７】
本発明において、負荷の端子電圧を検出する第１電圧検出手段を設けてもよい。この場合、故障検出手段は、インバータ回路が力行状態から回生状態に切り替わったタイミングで、第１電圧検出手段により検出された電圧が閾値電圧を超えるサージ電圧か否かを判定する。そして、上記電圧がサージ電圧である場合に、故障検出手段は、スイッチング素子と、当該スイッチング素子に並列接続されたダイオードとが共に故障したと判定する。
【００３８】
本発明において、故障検出手段は、上記タイミングで検出された負荷の端子電圧をサージ電圧と判定した回数が所定回数連続した場合に、スイッチング素子と、当該スイッチング素子に並列接続されたダイオードとが共に故障したと判定してもよい。
【００３９】
本発明において、スイッチング素子の両端の電圧を検出する第２電圧検出手段を設けてもよい。この場合、故障検出手段は、制御部がスイッチング素子をオン制御している状態で、第２電圧検出手段により検出された当該スイッチング素子の両端の電圧が所定値以上である場合に、当該スイッチング素子が故障したと判定する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、インバータ回路のスイッチング素子が故障した場合に、故障の態様に応じた適正な制御により負荷を継続して駆動することが可能な負荷駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。
【図２】Ｃ相上段に完全オフ故障が発生した場合のインバータ回路の状態を示した図である。
【図３】Ｃ相上段に不完全オフ故障が発生した場合のインバータ回路の状態を示した図である。
【図４】図２の状態でＣ相のモータ端子電圧にサージが発生した場合のタイムチャートである。
【図５】Ａ相下段に完全オフ故障が発生した場合のインバータ回路の状態を示した図である。
【図６】Ａ相下段に不完全オフ故障が発生した場合のインバータ回路の状態を示した図である。
【図７】図５の状態でＡ相のモータ端子電圧にサージが発生した場合のタイムチャートである。
【図８】故障検出の手順を示したフローチャートである。
【図９】スイッチング素子の両端電圧を検出するための回路例である。
【図１０】従来のモータ駆動装置の回路図である。
【図１１】図１０のモータ駆動装置の動作を示したタイムチャートである。
【図１２Ａ】力行状態でのインバータ回路の電流経路を示した図である。
【図１２Ｂ】下段回生状態でのインバータ回路の電流経路を示した図である。
【図１２Ｃ】力行状態でのインバータ回路の電流経路を示した図である。
【図１２Ｄ】上段回生状態でのインバータ回路の電流経路を示した図である。
【図１３】Ｃ相上段に完全オフ故障が発生した場合の回生電流の経路を示した図である。
【図１４】Ｃ相上段に不完全オフ故障が発生した場合の回生電流の経路を示した図である。
【図１５】図１３の状態でＣ相のモータ端子電圧にサージが発生した場合のタイムチャートである。
【図１６】Ａ相下段のスイッチング素子に完全オフ故障が発生した場合の回生電流の経路を示した図である。
【図１７】Ａ相下段のスイッチング素子に不完全オフ故障が発生した場合の回生電流の経路を示した図である。
【図１８】図１６の状態でＡ相のモータ端子電圧にサージが発生した場合のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分または対応する部分には同一符号を付してある。以下では、負荷駆動装置として、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動装置を例に挙げる。
【００４３】
最初に、モータ駆動装置の構成を、図１を参照しながら説明する。図１において、モータ駆動装置１００は、インバータ回路１、駆動回路２、制御部３、電圧検出回路４、５、６、および抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を備えている。モータＭは、操舵補助力を与えるためのアシストモータであって、たとえば３相ブラシレスモータからなる。モータＭに電力を供給する電源Ｖｄは、車両に搭載されたバッテリから供給される直流電源である。
【００４４】
インバータ回路１は、各相の上下一対のアームにそれぞれスイッチング素子が設けられた３相ブリッジ回路から構成される。詳しくは、Ａ相の上アームａ１にはスイッチング素子Ｑ１が設けられ、Ａ相の下アームａ２にはスイッチング素子Ｑ２が設けられている。Ｂ相の上アームｂ１にはスイッチング素子Ｑ３が設けられ、Ｂ相の下アームｂ２にはスイッチング素子Ｑ４が設けられている。Ｃ相の上アームｃ１にはスイッチング素子Ｑ５が設けられ、Ｃ相の下アームｃ２にはスイッチング素子Ｑ６が設けられている。
【００４５】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、ｎチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴからなり、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ６を有している。これらのダイオードＤ１〜Ｄ６は、ＦＥＴのドレインｄ・ソースｓ間の寄生ダイオードであって、電源Ｖｄ（正極）に対して逆方向となるように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と並列に接続されている。上アームａ１、ｂ１、ｃ１に設けられたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と、下アームａ２、ｂ２、ｃ２に設けられたスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６との各接続点は、それぞれ電路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを介してモータＭに接続されている。
【００４６】
スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６とグランドＧとの間には、モータＭに流れる電流（モータ電流）を検出するための電流検出抵抗Ｒｓが設けられている。モータ電流により生じる電流検出抵抗Ｒｓの両端の電圧は、図示しない演算増幅器などを介して制御部３に入力される。
【００４７】
制御部３は、マイクロコンピュータから構成されており、Ａ／Ｄ変換部３１、デューティ演算部３２、故障検出部３３、およびメモリ３４を有している。Ａ／Ｄ変換部３１は、制御部３に入力される電圧その他の物理量のアナログ値をデジタル値に変換する。デューティ演算部３２は、電流検出抵抗Ｒｓで検出されたモータ電流の値と、図示しないトルクセンサで検出された操舵トルク値から算出した目標電流値との偏差に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するためのＰＷＭ信号のデューティを演算する。故障検出部３３は、電圧検出回路４、５、６や、後述する電圧検出回路７（図９）で検出された電圧に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の故障を検出する（詳細は後述）。メモリ３４には、故障検出部３３での故障判定のための閾値などが記憶されている。
【００４８】
駆動回路２は、制御部３から与えられるデューティの値に基づき、６種類のＰＷＭ信号を生成し、各ＰＷＭ信号をスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートｇへ印加する。ＰＷＭ信号のレベルが「Ｈ」（High）の区間では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオンし、ＰＷＭ信号のレベルが「Ｌ」（Low）の区間では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオフする。ＰＷＭ信号によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオン・オフすることで、インバータ回路１が動作し、電源Ｖｄからインバータ回路１を介して、モータＭに電流が供給される。
【００４９】
電圧検出回路４〜６は、モータＭの各相の端子電圧を検出する。詳しくは、電圧検出回路４は、分圧回路を構成する抵抗Ｒ４、Ｒ５からなり、Ａ相のモータ端子電圧Ｖａ（電路Ｌａの電圧）を検出する。電圧検出回路５は、分圧回路を構成する抵抗Ｒ６、Ｒ７からなり、Ｂ相のモータ端子電圧Ｖｂ（電路Ｌｂの電圧）を検出する。電圧検出回路６は、分圧回路を構成する抵抗Ｒ８、Ｒ９からなり、Ｃ相のモータ端子電圧Ｖｃ（電路Ｌｃの電圧）を検出する。なお、抵抗Ｒ４〜Ｒ９の抵抗値は、モータＭの内部抵抗値に比べて、十分大きな値となっている。
【００５０】
抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はプルアップ抵抗であって、それぞれ電路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃと電源Ｖｄとの間に接続されている。これらの抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値も、モータＭの内部抵抗値に比べて、十分大きな値となっている。
【００５１】
以上の構成において、電圧検出回路４、５、６は、本発明における「第１電圧検出手段」の一例である。故障検出部３３は、本発明における「故障検出手段」の一例である。モータＭは、本発明における「負荷」の一例である。
【００５２】
次に、上述したモータ駆動装置１００の動作について説明する。インバータ回路１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６やダイオードＤ１〜Ｄ６が故障していない場合の動作については、図１１および図１２Ａ〜図１２Ｄと同じであるので、説明を省略する。以下、故障が発生した場合の動作について説明する。（なお、故障の検出方法については後述する。）
【００５３】
図２は、Ｃ相上段に「完全オフ故障」が発生した場合の、インバータ回路１の状態を示している。この場合は、図１３においても述べた通り、スイッチング素子Ｑ５とダイオードＤ５が共に異常（非導通）状態にあるため、上段回生時に回生電流がインバータ回路１を流れることはできない。そして、図４（ｊ）に破線で示したように、力行状態から上段回生状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ４）で、Ｃ相のモータ端子電圧に正方向のサージ電圧が発生する。このサージ電圧の電圧値がスイッチング素子Ｑ６の耐圧を超えると、スイッチング素子Ｑ６が破壊する。
【００５４】
そこで、図２の場合には、故障が発生したＣ相上段のスイッチング素子Ｑ５と対をなす、Ｃ相下段のスイッチング素子Ｑ６をオフ状態に維持する。詳しくは、図４（ｇ）に示すように、上段回生状態から力行状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ５）において、Ｃ相下段のＰＷＭ信号を「Ｈ」にせずに「Ｌ」のままとし（あるいはＰＷＭ信号そのものを停止し）、図４（ｈ）に示すように、スイッチング素子Ｑ６をオフ状態のままとする。一方、故障が発生していないＡ相とＢ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対しては、ＰＷＭ信号によるオン・オフ制御を継続する。したがって、図２では、故障が発生したＣ相全体（スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６）が切り離され、Ａ相およびＢ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いて、前述した「２相方式」によるモータ駆動が行われる。これにより、サージ電圧に起因してスイッチング素子Ｑ６が破壊した場合でも、モータＭの駆動を継続することができる。
【００５５】
図３は、Ｃ相上段に「不完全オフ故障」が発生した場合の、インバータ回路１の状態を示している。この場合は、図１４においても述べた通り、スイッチング素子Ｑ５のみが異常（非導通）状態にあり、ダイオードＤ５は正常なので、上段回生時に回生電流がインバータ回路１を流れる。したがって、図４（ｊ）に示したサージ電圧は発生せず、スイッチング素子Ｑ６が破壊するおそれはない。
【００５６】
そこで、図３の場合には、故障が発生したＣ相上段のスイッチング素子Ｑ５と対をなす、Ｃ相下段のスイッチング素子Ｑ６をオフ状態に維持せず、通常通りオン・オフ制御する。詳しくは、図４（ｇ）に示すように、上段回生状態から力行状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ５）で、破線のようにＣ相下段のＰＷＭ信号を「Ｈ」にし、図４（ｈ）の破線で示すように、スイッチング素子Ｑ６をオンさせる。そして、以降もスイッチング素子Ｑ６へのＰＷＭ信号の印加を継続して、スイッチング素子Ｑ６をオン・オフ制御する。一方、故障が発生していないＡ相とＢ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対しては、ＰＷＭ信号によるオン・オフ制御を継続する。したがって、図３では、故障が発生したＣ相上段のスイッチング素子Ｑ５のみが切り離され、これと対をなすＣ相下段のスイッチング素子Ｑ６と、Ａ相およびＢ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４とを用いて、前述した「準３相方式」によるモータ駆動が行われる。これにより、モータ電流のリップル成分を抑制しつつ、モータＭの駆動を継続することができる。
【００５７】
図５は、Ａ相下段に「完全オフ故障」が発生した場合の、インバータ回路１の状態を示している。この場合は、図１６においても述べた通り、スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２が共に異常（非導通）状態にあるため、下段回生時に回生電流がインバータ回路１を流れることはできない。そして、図７（ｉ）に破線で示したように、力行状態から下段回生状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ２）で、Ａ相のモータ端子電圧に負方向のサージ電圧が発生する。その結果、スイッチング素子Ｑ１はソース電位が低下して半オン状態となり、サージ電圧による大電流がスイッチング素子Ｑ１に流れると、スイッチング素子Ｑ１が破壊する。
【００５８】
そこで、図５の場合には、故障が発生したＡ相下段のスイッチング素子Ｑ２と対をなす、Ａ相上段のスイッチング素子Ｑ１をオフ状態に維持する。詳しくは、図７（ａ）に示すように、下段回生状態から力行状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ３）において、Ａ相上段のＰＷＭ信号を「Ｈ」にせずに「Ｌ」のままとし（あるいはＰＷＭ信号そのものを停止し）、図７（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態のままとする。一方、故障が発生していないＢ相とＣ相のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６に対しては、ＰＷＭ信号によるオン・オフ制御を継続する。したがって、図５では、故障が発生したＡ相全体（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２）が切り離され、Ｂ相およびＣ相のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を用いて、「２相方式」によるモータ駆動が行われる。これにより、サージ電圧に起因してスイッチング素子Ｑ１が破壊した場合でも、モータＭの駆動を継続することができる。
【００５９】
図６は、Ａ相下段に「不完全オフ故障」が発生した場合の、インバータ回路１の状態を示している。この場合は、図１７においても述べた通り、スイッチング素子Ｑ２のみが異常（非導通）状態にあり、ダイオードＤ２は正常なので、下段回生時に回生電流がインバータ回路１を流れる。したがって、図７（ｉ）に示したサージ電圧は発生せず、スイッチング素子Ｑ１が破壊するおそれはない。
【００６０】
そこで、図６の場合には、故障が発生したＡ相下段のスイッチング素子Ｑ２と対をなす、Ａ相上段のスイッチング素子Ｑ１をオフ状態に維持せず、通常通りオン・オフ制御する。詳しくは、図７（ａ）に示すように、下段回生状態から力行状態に切り替わったタイミング（時刻ｔ３）で、破線のようにＡ相上段のＰＷＭ信号を「Ｈ」にし、図７（ｂ）の破線で示すように、スイッチング素子Ｑ１をオンさせる。そして、以降もスイッチング素子Ｑ１へのＰＷＭ信号の印加を継続して、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフ制御する。一方、故障が発生していないＢ相とＣ相のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６に対しては、ＰＷＭ信号によるオン・オフ制御を継続する。したがって、図６では、故障が発生したＡ相下段のスイッチング素子Ｑ２のみが切り離され、これと対をなすＡ相上段のスイッチング素子Ｑ１と、Ｂ相およびＣ相のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６とを用いて、「準３相方式」によるモータ駆動が行われる。これにより、モータ電流のリップル成分を抑制しつつ、モータＭの駆動を継続することができる。
【００６１】
以上のように、本実施形態によれば、いずれかの相で発生したオフ故障が「完全オフ故障」の場合（図２、図５）は、故障した相全体を切り離し、正常な２相のスイッチング素子を用いた「２相方式」による駆動を採用する。また、いずれかの相で発生したオフ故障が「不完全オフ故障」の場合（図３、図６）は、故障したスイッチング素子のみを切り離し、当該素子と対をなすスイッチング素子と、正常な２相のスイッチング素子とを用いた「準３相方式」による駆動を採用する。このように、スイッチング素子のオフ故障の態様に応じた駆動方式を選択することにより、適正な制御の下でモータＭを継続して駆動することができる。
【００６２】
図８は、故障を検出する手順を示したフローチャートである。本フローチャートの各ステップは、制御部３を構成するマイクロコンピュータによって実行される。
【００６３】
ステップＳ１では、インバータ回路１の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のドレイン・ソース間の電圧を検出する。図１では図示を省略したが、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の両端には、図９に示すように、電圧検出回路７が設けられている。図９では、スイッチング素子Ｑ１に設けられた電圧検出回路７のみが示されているが、他のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ６にも、同様の電圧検出回路７がそれぞれ設けられている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓは、この電圧検出回路７によって検出される。電圧検出回路７で検出された電圧は、制御部３へ入力される。電圧検出回路７は、本発明における「第２電圧検出手段」の一例である。
【００６４】
ドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓの検出にあたっては、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートｇに、タイミングをずらせながらオン信号（Ｈレベル信号）を印加する。そして、オン信号が印加されている状態、すなわち制御部３がスイッチング素子をオン制御している状態で、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓを、電圧検出回路７により順次検出してゆく。このとき、スイッチング素子にオフ故障が発生してなければ、当該素子はオン信号によって導通（オン）状態にあるから、ドレイン・ソース間には僅かな電圧しか現れない。これに対して、スイッチング素子にオフ故障が発生していると、オン信号の印加にもかかわらず当該素子は非導通（オフ）状態にあるから、ドレイン・ソース間には大きな電圧が現れる。したがって、電圧検出回路７で検出された電圧の値が所定値以上である場合に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にオフ故障が発生したと判定することができる。
【００６５】
ステップＳ２では、故障検出部３３が、ステップＳ１で検出されたドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓに基づいて、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６におけるオフ故障の有無を判定する。これにより、オフ故障が発生している場合は、故障したスイッチング素子と、故障した相およびアームが特定される。判定の結果、オフ故障が発生していない場合（ステップＳ２；ＮＯ）は、ステップＳ８へ進み、通常の３相方式によりモータＭを駆動する。一方、オフ故障が発生している場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）は、ステップＳ３へ進む。
【００６６】
ステップＳ３では、駆動回路２からＰＷＭ信号を出力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン・オフ制御してインバータ回路１を駆動する。
【００６７】
ステップＳ４では、インバータ回路１が力行状態から回生状態へ切り替わった時の、オフ故障が発生した相のモータ端子電圧（図１のＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ）を、電圧検出回路４、５、６により検出する。たとえば、図２および図３の場合は、Ｃ相の上段のスイッチング素子Ｑ５にオフ故障が発生しているので、力行状態から上段回生状態へ切り替わった時（図４の時刻ｔ４）の、Ｃ相のモータ端子電圧Ｖｃ（図４（ｊ））を、電圧検出回路６により検出する。また、図５および図６の場合は、Ａ相の下段のスイッチング素子Ｑ２にオフ故障が発生しているので、力行状態から下段回生状態へ切り替わった時（図７の時刻ｔ２）の、Ａ相のモータ端子電圧Ｖａ（図７（ｉ））を、電圧検出回路４により検出する。
【００６８】
ステップＳ５では、ステップＳ４で検出されたモータ端子電圧が、閾値電圧を超えるサージ電圧か否かを判定する。図２や図５の場合（完全オフ故障）は、スイッチング素子とダイオードが共に異常（非導通）となって回生電流が流れないので、図４（ｊ）や図７（ｉ）のように、モータ端子電圧にサージ電圧が現れる。一方、図３や図６の場合（不完全オフ故障）は、正常なダイオードを介して回生電流が流れるので、モータ端子電圧にサージ電圧は現れない。
【００６９】
そこで、ステップＳ５での判定の結果、モータ端子電圧がサージ電圧である場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）は、完全オフ故障が発生したと判断し、ステップＳ６へ進んで、２相方式によるモータ駆動へ移行する。すなわち、オフ故障したスイッチング素子と対をなすスイッチング素子をオフ状態に維持して、故障した相全体を切り離し、残りの２相のスイッチング素子でモータＭの駆動を継続する。
【００７０】
一方、ステップＳ５での判定の結果、モータ端子電圧がサージ電圧でない場合（ステップＳ５；ＮＯ）は、不完全オフ故障が発生したと判断し、ステップＳ７へ進んで、準３相方式によるモータ駆動へ移行する。すなわち、オフ故障したスイッチング素子と対をなすスイッチング素子をオフ状態にすることなく、当該素子と残りの２相のスイッチング素子とでモータＭの駆動を継続する。
【００７１】
なお、ステップＳ４、Ｓ５を何回か反復して、検出されたモータ端子電圧がサージ電圧と判定された回数を計数し、その回数が所定回数連続した場合に、完全オフ故障が発生したと判断するようにしてもよい。
【００７２】
また、ステップＳ２、Ｓ５において故障が検出された場合に、制御部３がそれらの故障を報知するための警報を出力し、この警報に基づいてランプを点灯させたり、表示部に故障の表示をさせたりしてもよい。
【００７３】
本発明では、上述した実施形態以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。
【００７４】
前記実施形態では、インバータ回路１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６として、寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６を有するＦＥＴを用いたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、ＦＥＴに代えてトランジスタを用い、各トランジスタに、電源Ｖｄに対して逆方向となるダイオードを並列接続してもよい。また、スイッチング素子として、ＦＥＴやトランジスタ以外に、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などを用いることも可能である。
【００７５】
前記実施形態では、インバータ回路１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としてｎチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いたが、これに代えて、ｐチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いてもよい。
【００７６】
前記実施形態では、制御部３とは別に駆動回路２を設けたが、駆動回路２を制御部３の中に組み込んでもよい。
【００７７】
前記実施形態では、モータＭとして３相モータを例に挙げたが、本発明は、４相以上の多相モータを駆動する装置にも適用することができる。また、前記実施形態では、モータＭとしてブラシレスモータを例に挙げたが、本発明は、これ以外のモータを駆動する装置にも適用することができる。
【００７８】
前記実施形態では、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動装置に本発明を適用した例を挙げたが、本発明は、これ以外のモータ駆動装置にも適用することができる。さらに、前記実施形態では、負荷としてモータＭを例に挙げたが、本発明は、モータ以外の負荷を駆動する装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１    インバータ回路
２    駆動回路
３    制御部
４、５、６  電圧検出回路（第１電圧検出手段）
７    電圧検出回路（第２電圧検出手段）
３３  故障検出部（故障検出手段）
１００  モータ駆動装置（負荷駆動装置）
ａ１、ｂ１、ｃ１  上アーム
ａ２、ｂ２、ｃ２  下アーム
Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード
Ｑ１〜Ｑ６  スイッチング素子
Ｖｄ  電源
Ｍ    モータ（負荷）
【図１】
2015192526.tif 000003
【図２】
2015192526.tif 000004
【図３】
2015192526.tif 000005
【図４】
2015192526.tif 000006
【図５】
2015192526.tif 000007
【図６】
2015192526.tif 000008
【図７】
2015192526.tif 000009
【図８】
2015192526.tif 000010
【図９】
2015192526.tif 000011
【図１０】
2015192526.tif 000012
【図１１】
2015192526.tif 000013
【図１２Ａ】
2015192526.tif 000014
【図１２Ｂ】
2015192526.tif 000015
【図１２Ｃ】
2015192526.tif 000016
【図１２Ｄ】
2015192526.tif 000017
【図１３】
2015192526.tif 000018
【図１４】
2015192526.tif 000019
【図１５】
2015192526.tif 000020
【図１６】
2015192526.tif 000021
【図１７】
2015192526.tif 000022
【図１８】
2015192526.tif 000023