(57)【要約】本開示の実施形態に係る故障診断方法は、電源１０１からの電力をモータ２００に供給する電力に変換する電力変換装置１０００の故障を診断する。故障診断方法は、少なくとも１つのＨブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定するステップと、第１ローサイドスイッチ素子と第２ハイサイドスイッチ素子との組、および第２ローサイドスイッチ素子と第１ハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定するステップと、故障したパートがあるかの判定結果および故障した組があるかの判定結果に基づいて、故障したスイッチ素子があるか判定するステップと、を包含する。
2019220783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの電力を、少なくとも一相の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置の故障を診断する故障診断方法であって、
前記電力変換装置は、
各々が第１ハイサイドスイッチ素子、第１ローサイドスイッチ素子、第２ハイサイドスイッチ素子および第２ローサイドスイッチ素子を有する少なくとも１つのＨブリッジ、
を備え、
前記故障診断方法は、
前記少なくとも１つのＨブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定するステップと、
前記第１ローサイドスイッチ素子と前記第２ハイサイドスイッチ素子との組、および前記第２ローサイドスイッチ素子と前記第１ハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定するステップと、
前記故障したパートがあるかの判定結果および前記故障した組があるかの判定結果に基づいて、前記第１ハイサイドスイッチ素子、前記第１ローサイドスイッチ素子、前記第２ハイサイドスイッチ素子および前記第２ローサイドスイッチ素子の中に故障したスイッチ素子があるか判定するステップと、
を包含する、故障診断方法。
【請求項２】
前記第１ローサイドスイッチ素子の両端電圧を示す第１実電圧と、前記第２ローサイドスイッチ素子の両端電圧を示す第２実電圧と、飽和電圧と、ｄｑ座標系におけるｄ軸電圧およびｑ軸電圧に基づいて決定される電圧ピーク値とを獲得するステップをさらに包含する、請求項１に記載の故障診断方法。
【請求項３】
前記飽和電圧は、前記ｄｑ座標系におけるｄ軸電流、ｑ軸電流および前記モータの回転速度に基づいて決定される、請求項２に記載の故障診断方法。
【請求項４】
前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流に基づいて決定される電流値および前記モータの回転速度の入力と、前記飽和電圧とを関連付けるルックアップテーブルを用いて、前記飽和電圧を決定する、請求項２または３に記載の故障診断方法。
【請求項５】
前記故障したパートがあるか判定するステップにおいて、前記第１実電圧、前記第２実電圧、前記飽和電圧および前記電圧ピーク値に基づいて、前記故障したパートがあるか判定する、請求項２から４のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項６】
前記獲得するステップは、前記モータの制御時に前記少なくとも一相の巻線に与えるターゲットの電圧値を示す電圧指令値と、ｄｑ座標系における電流振幅のピーク値を示す電流ピーク指令値とを獲得するステップを含む、請求項２から５のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項７】
前記故障した組があるか判定するステップにおいて、前記電圧ピーク値、前記電圧指令値、前記電流ピーク指令値に基づいて、前記故障した組があるか判定する、請求項６に記載の故障診断方法。
【請求項８】
前記モータはｎ相（ｎは３以上の整数）の前記巻線を有し、
前記電力変換装置はｎ個の前記Ｈブリッジを有する、請求項１から７のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項９】
前記故障したパートがあるか判定するステップにおいて、前記ｎ個のＨブリッジそれぞれのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定し、
前記故障した組があるか判定するステップにおいて、前記ｎ個のＨブリッジそれぞれの前記第１ローサイドスイッチ素子と前記第２ハイサイドスイッチ素子との組、および前記第２ローサイドスイッチ素子と前記第１ハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定する、請求項８に記載の故障診断方法。
【請求項１０】
前記故障したパートがあるか判定するステップにおいて、前記Ｈブリッジのハイサイドおよびローサイドの全てのパートの故障の有無を判定する前に故障したパートがあると判定した場合は、残りのパートの故障の有無の判定は行わない、請求項８に記載の故障診断方法。
【請求項１１】
前記故障した組があるか判定するステップにおいて、全ての前記組の故障の有無を判定する前に故障した組があると判定した場合は、残りの組の故障の有無の判定は行わない、請求項８または１０に記載の故障診断方法。
【請求項１２】
前記故障したパートがあるか判定するステップにおいて故障があると判定した場合、
前記ｎ個のＨブリッジの２ｎ−１個の組について、前記故障した組があるか判定するステップを実行する、請求項８、１０、１１のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項１３】
前記故障した組があるか判定するステップにおいて故障があると判定した場合、
前記ｎ個のＨブリッジのハイサイドおよびローサイドのうちの２ｎ−１個のパートについて、前記故障したパートがあるか判定するステップを実行する、請求項８、１０から１２のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項１４】
前記故障したスイッチ素子があるか判定するステップは、前記故障したパートがあるかの判定結果および前記故障した組があるかの判定結果に基づいて、前記第１ハイサイドスイッチ素子、前記第１ローサイドスイッチ素子、前記第２ハイサイドスイッチ素子および前記第２ローサイドスイッチ素子のうちのどのスイッチが故障したか判定するステップを含む、請求項１から１３のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項１５】
前記故障したスイッチ素子を特定した場合に、前記故障したスイッチ素子を示す故障信号を出力するステップをさらに包含する、請求項１４に記載の故障診断方法。
【請求項１６】
電源からの電力を、少なくとも一相の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、
各々が第１ハイサイドスイッチ素子、第１ローサイドスイッチ素子、第２ハイサイドスイッチ素子および第２ローサイドスイッチ素子を有する少なくとも１つのＨブリッジと、
前記少なくとも１つのＨブリッジの動作を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記少なくとも１つのＨブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定し、
前記第１ローサイドスイッチ素子と前記第２ハイサイドスイッチ素子との組、および前記第２ローサイドスイッチ素子と前記第１ハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定し、
前記故障したパートがあるかの判定結果および前記故障した組があるかの判定結果に基づいて、前記第１ハイサイドスイッチ素子、前記第１ローサイドスイッチ素子、前記第２ハイサイドスイッチ素子および前記第２ローサイドスイッチ素子の中に故障したスイッチ素子があるか判定する、電力変換装置。
【請求項１７】
モータと、
請求項１６に記載の電力変換装置と、
を備えるモータモジュール。
【請求項１８】
請求項１７に記載のモータモジュールを備える電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、故障診断方法、電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動モータ（以下、単に「モータ」と表記する。）、インバータおよびＥＣＵが一体化された機電一体型モータが開発されている。特に車載分野において、安全性の観点から高い品質保証が要求される。そのため、部品の一部が故障した場合でも安全動作を継続できる冗長設計が取り入れられている。冗長設計の一例として１つのモータに対して２つの電力変換装置を設けることが検討されている。他の一例としてメインのマイクロコントローラにバックアップ用マイクロコントローラを設けることが検討されている。【０００３】
特許文献１は、第１系統および第２系統を有するモータ駆動装置を開示する。第１系統は、モータの第１巻線組に接続され、第１インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。第２系統は、モータの第２巻線組に接続され、第２インバータ部、電源リレーおよび逆接続保護リレーなどを有する。モータ駆動装置に故障が生じていないとき、第１系統および第２系統の両方を用いてモータを駆動することが可能である。これに対し、第１系統および第２系統の一方、または、第１巻線組および第２巻線組の一方に故障が生じたとき、電源リレーは、電源から、故障した系統、または、故障した巻線組に接続された系統への電力供給を遮断する。故障していない他方の系統を用いてモータ駆動を継続させることが可能である。【０００４】
特許文献２および３も、第１系統および第２系統を有するモータ駆動装置を開示する。一方の系統または一方の巻線組が故障したとしても、故障していない系統によってモータ駆動を継続させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国公開公報：特開２０１６−３４２０４号公報
【特許文献２】日本国公開公報：特開２０１６−３２９７７号公報
【特許文献３】日本国公開公報：特開２００８−１３２９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の技術では、電力変換装置が備えるスイッチ素子の故障を適切に検出することが求められていた。【０００７】
本開示の実施形態は、電力変換装置が備えるスイッチ素子の故障を適切に診断することが可能な故障診断方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の例示的な故障診断方法は、電源からの電力を、少なくとも一相の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置の故障を診断する故障診断方法であって、前記電力変換装置は、各々が第１ハイサイドスイッチ素子、第１ローサイドスイッチ素子、第２ハイサイドスイッチ素子および第２ローサイドスイッチ素子を有する少なくとも１つのＨブリッジ、を備え、前記故障診断方法は、前記少なくとも１つのＨブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定するステップと、前記第１ローサイドスイッチ素子と前記第２ハイサイドスイッチ素子との組、および前記第２ローサイドスイッチ素子と前記第１ハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定するステップと、前記故障したパートがあるかの判定結果および前記故障した組があるかの判定結果に基づいて、前記第１ハイサイドスイッチ素子、前記第１ローサイドスイッチ素子、前記第２ハイサイドスイッチ素子および前記第２ローサイドスイッチ素子の中に故障したスイッチ素子があるか判定するステップと、を包含する。【０００９】
本開示の例示的な電力変換装置は、電源からの電力を、少なくとも一相の巻線を有するモータに供給する電力に変換する電力変換装置であって、前記電力変換装置は、各々が第１ハイサイドスイッチ素子、第１ローサイドスイッチ素子、第２ハイサイドスイッチ素子および第２ローサイドスイッチ素子を有する少なくとも１つのＨブリッジと、前記少なくとも１つのＨブリッジの動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記少なくとも１つのＨブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定し、前記第１ローサイドスイッチ素子と前記第２ハイサイドスイッチ素子との組、および前記第２ローサイドスイッチ素子と前記第１ハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定し、前記故障したパートがあるかの判定結果および前記故障した組があるかの判定結果に基づいて、前記第１ハイサイドスイッチ素子、前記第１ローサイドスイッチ素子、前記第２ハイサイドスイッチ素子および前記第２ローサイドスイッチ素子の中に故障したスイッチ素子があるか判定する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の例示的な実施形態によると、電力変換装置が備えるスイッチ素子の故障を適切に診断することが可能な故障診断方法、電力変換装置、当該電力変換装置を備えるモータモジュールおよび当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態に係るモータモジュールを模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、実施形態に係るインバータユニットを模式的に示す回路図である。
【図３Ａ】図３Ａは、Ａ相のＨブリッジを示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、Ｂ相のＨブリッジを示す模式図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、Ｃ相のＨブリッジを示す模式図である。
【図４】図４は、モータ制御全般を行うコントローラを示す機能ブロック図である。
【図５】図５は、Ａ相のＨブリッジのローサイドおよびハイサイドの故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図６】図６は、Ｂ相のＨブリッジのローサイドおよびハイサイドの故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図７】図７は、Ｃ相のＨブリッジのローサイドおよびハイサイドの故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図８】図８は、相の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図９】図９は、相の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１０】図１０は、システム電圧と電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさの比較による故障診断を行う原理を説明するための回路モデルを示す図である。
【図１１】図１１は、相の故障診断を行うための機能ブロックの変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、Ａ相のスイッチ素子の組の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１３】図１３は、Ｂ相のスイッチ素子の組の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１４】図１４は、Ｃ相のスイッチ素子の組の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１５】図１５は、Ａ相のスイッチ素子の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１６】図１６は、Ｂ相のスイッチ素子の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１７】図１７は、Ｃ相のスイッチ素子の故障診断を行うための機能ブロックを示す図である。
【図１８】図１８は、回転速度ωおよび電流振幅値から飽和電圧Ｖｓａｔを決定するルックアップテーブルを示す模式図である。
【図１９】図１９は、三相通電制御に従って電力変換装置を制御したときにモータのＡ相、Ｂ相およびＣ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を例示するグラフである。
【図２０】図２０は、Ａ相が故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置を制御したときにモータのＢ相、Ｃ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示するグラフである。
【図２１】図２１は、Ｂ相が故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置を制御したときにモータのＣ相、Ａ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示するグラフである。
【図２２】図２２は、Ｃ相が故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置を制御したときにモータのＡ相、Ｂ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示するグラフである。
【図２３】図２３は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した場合の実電圧ＶＡ１（上側）および実電圧ＶＡ２（下側）のシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図２４】図２４は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した場合の実電圧ＶＢ１（上側）および実電圧ＶＢ２（下側）のシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図２５】図２５は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した場合の実電圧ＶＣ１（上側）および実電圧ＶＣ２（下側）のシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図２６】図２６は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した場合の実電圧ＶＡ１（上側）および実電圧ＶＡ２（下側）のシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図２７】図２７は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した場合の実電圧ＶＢ１（上側）および実電圧ＶＢ２（下側）のシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図２８】図２８は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した場合の実電圧ＶＣ１（上側）および実電圧ＶＣ２（下側）のシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図２９】図２９は、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆのシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図３０】図３０は、電圧指令値ＶＢ＿ｒｅｆのシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図３１】図３１は、電圧指令値ＶＣ＿ｒｅｆのシミュレーション結果の波形を示すグラフである。
【図３２】図３２は、例示的な実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示のスイッチ素子の故障診断方法、電力変換装置、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
【００１３】
本明細書において、電源からの電力を、三相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の巻線を有する三相モータに供給する電力に変換する電力変換装置を例にして、本開示の実施形態を説明する。ただし、電源からの電力を、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータに供給する電力に変換する電力変換装置、およびその装置に用いるスイッチ素子の故障診断方法も本開示の範疇である。
【００１４】
（実施形態１）
〔１．モータモジュール２０００および電力変換装置１０００の構造〕
図１は、本実施形態によるモータモジュール２０００の典型的なブロック構成を模式的に示している。
【００１５】
モータモジュール２０００は、典型的に、インバータユニット１００と制御回路３００とを有する電力変換装置１０００およびモータ２００を備える。モータモジュール２０００は、モジュール化され、例えば、モータ、センサ、ドライバおよびコントローラを有する機電一体型モータとして製造および販売され得る。
【００１６】
電力変換装置１０００は、電源１０１（図２を参照）からの電力をモータ２００に供給する電力に変換することが可能である。電力変換装置１０００は、モータ２００に接続される。例えば、電力変換装置１０００は、直流電力を、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することが可能である。本明細書において、部品（構成要素）同士の間の「接続」とは、主に電気的な接続を意味する。
【００１７】
モータ２００は、例えば三相交流モータである。モータ２００は、Ａ相の巻線Ｍ１、Ｂ相の巻線Ｍ２およびＣ相の巻線Ｍ３を備え、インバータユニット１００の第１インバータ１２０と第２インバータ１３０とに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１２０はモータ２００の各相の巻線の一端に接続され、第２インバータ１３０は各相の巻線の他端に接続される。
【００１８】
制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、角度センサ３２０と、入力回路３３０と、コントローラ３４０と、駆動回路３５０と、ＲＯＭ３６０とを備える。制御回路３００の各部品は、例えば１枚の回路基板（典型的にはプリント基板）に実装される。制御回路３００は、インバータユニット１００に接続され、電流センサ１５０および角度センサ３２０からの入力信号に基づいてインバータユニット１００を制御する。その制御手法として、例えばベクトル制御、パルス幅変調（ＰＷＭ）または直接トルク制御（ＤＴＣ）がある。ただし、モータ制御手法（例えばセンサレス制御）によっては、角度センサ３２０は不要な場合がある。
【００１９】
制御回路３００は、目的とする、モータ２００のロータの位置、回転速度、および電流などを制御してクローズドループ制御を実現できる。制御回路３００は、角度センサ３２０に代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、制御回路３００は、目的とするモータトルクを制御できる。
【００２０】
電源回路３１０は、電源１０１の例えば１２Ｖの電圧に基づいて回路内の各ブロックに必要な電源電圧（例えば３Ｖ、５Ｖ）を生成する。
【００２１】
角度センサ３２０は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。または、角度センサ３２０は、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ３２０は、ロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号をコントローラ３４０に出力する。
【００２２】
入力回路３３０は、電流センサ１５０によって検出された相電流（以下、「実電流値」と表記する場合がある。）を受け取って、実電流値のレベルをコントローラ３４０の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をコントローラ３４０に出力する。入力回路３３０は、例えばアナログデジタル（ＡＤ）変換回路である。
【００２３】
コントローラ３４０は、電力変換装置１０００の全体を制御する集積回路であり、例えば、マイクロコントローラまたはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）である。コントローラ３４０は、インバータユニット１００の第１および第２インバータ１２０、１３０における各スイッチ素子（典型的には半導体スイッチ素子）のスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御する。コントローラ３４０は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してＰＷＭ信号を生成し、それを駆動回路３５０に出力する。
【００２４】
駆動回路３５０は、典型的にはプリドライバ（「ゲートドライバ」と呼ばれることもある。）である。駆動回路３５０は、インバータユニット１００の第１および第２インバータ１２０、１３０における各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号（ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各スイッチ素子のゲートに制御信号を与える。駆動対象が低電圧で駆動可能なモータであるとき、プリドライバは必ずしも必要とされない。その場合、プリドライバの機能はコントローラ３４０に実装され得る。
【００２５】
ＲＯＭ３６０は、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ３６０は、コントローラ３４０に電力変換装置１０００を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。
【００２６】
図２を参照しインバータユニット１００の具体的な回路構成を説明する。
【００２７】
図２は、本実施形態によるインバータユニット１００の回路構成を模式的に示している。
【００２８】
電源１０１は、所定の電源電圧（例えば１２Ｖ）を生成する。電源１０１として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源１０１は、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。電源１０１は、図示するように、第１および第２インバータ１２０、１３０に共通の単一電源であってもよいし、第１インバータ１２０用の第１電源（不図示）および第２インバータ１３０用の第２電源（不図示）を備えていてもよい。
【００２９】
図示されていないが、電源１０１と第１インバータ１２０の間、および、電源１０１と第２インバータ１３０の間にコイルが設けられる。コイルは、ノイズフィルタとして機能し、各インバータに供給する電圧波形に含まれる高周波ノイズ、または各インバータで発生する高周波ノイズを電源１０１側に流出させないように平滑化する。また、各インバータの電源端子には、コンデンサが接続される。コンデンサは、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサは、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。
【００３０】
第１インバータ１２０は、３個のレグから構成されるブリッジ回路を有する。各レグは、ハイサイドスイッチ素子、ローサイドスイッチ素子およびシャント抵抗を有する。Ａ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌおよび第１シャント抵抗Ｓ＿Ａ１を有する。Ｂ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｌおよび第１シャント抵抗Ｓ＿Ｂ１を有する。Ｃ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｌおよび第１シャント抵抗Ｓ＿Ｃ１を有する。
【００３１】
スイッチ素子として、例えば、寄生ダイオードが内部に形成された電界効果トランジスタ（典型的にはＭＯＳＦＥＴ）、または、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とそれに並列接続された還流ダイオードとの組み合わせを用いることができる。
【００３２】
第１シャント抵抗Ｓ＿Ａ１は、Ａ相の巻線Ｍ１を流れるＡ相電流ＩＡ１を検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１ＬとＧＮＤラインＧＬの間に接続される。第１シャント抵抗Ｓ＿Ｂ１は、Ｂ相の巻線Ｍ２を流れるＢ相電流ＩＢ１を検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１ＬとＧＮＤラインＧＬの間に接続される。第１シャント抵抗Ｓ＿Ｃ１は、Ｃ相の巻線Ｍ３を流れるＣ相電流ＩＣ１を検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１ＬとＧＮＤラインＧＬの間に接続される。３個のシャント抵抗Ｓ＿Ａ１、Ｓ＿Ｂ１およびＳ＿Ｃ１は、第１インバータ１２０のＧＮＤラインＧＬと共通に接続されている。
【００３３】
第２インバータ１３０は、３個のレグから構成されるブリッジ回路を有する。各レグは、ハイサイドスイッチ素子、ローサイドスイッチ素子およびシャント抵抗を有する。Ａ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌおよびシャント抵抗Ｓ＿Ａ２を有する。Ｂ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｌおよびシャント抵抗Ｓ＿Ｂ２を有する。Ｃ相レグは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｌおよびシャント抵抗Ｓ＿Ｃ２を有する。
【００３４】
シャント抵抗Ｓ＿Ａ２は、Ａ相電流ＩＡ２を検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２ＬとＧＮＤラインＧＬの間に接続される。シャント抵抗Ｓ＿Ｂ２は、Ｂ相電流ＩＢ２を検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２ＬとＧＮＤラインＧＬの間に接続される。シャント抵抗Ｓ＿Ｃ２は、Ｃ相電流ＩＣ２を検出するために用いられ、例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２ＬとＧＮＤラインＧＬの間に接続される。３個のシャント抵抗Ｓ＿Ａ２、Ｓ＿Ｂ２およびＳ＿Ｃ２は、第２インバータ１３０のＧＮＤラインＧＬと共通に接続されている。
【００３５】
上述した電流センサ１５０は、例えば、シャント抵抗Ｓ＿Ａ１、Ｓ＿Ｂ１、Ｓ＿Ｃ１、Ｓ＿Ａ２、Ｓ＿Ｂ２、Ｓ＿Ｃ２および各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を備える。
【００３６】
第１インバータ１２０のＡ相レグ（具体的には、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌの間のノード）は、モータ２００のＡ相の巻線Ｍ１の一端Ａ１に接続され、第２インバータ１３０のＡ相レグは、Ａ相の巻線Ｍ１の他端Ａ２に接続される。第１インバータ１２０のＢ相レグは、モータ２００のＢ相の巻線Ｍ２の一端Ｂ１に接続され、第２インバータ１３０のＢ相レグは、巻線Ｍ２の他端Ｂ２に接続される。第１インバータ１２０のＣ相レグは、モータ２００のＣ相の巻線Ｍ３の一端Ｃ１に接続され、第２インバータ１３０のＣ相レグは、巻線Ｍ３の他端Ｃ２に接続される。
【００３７】
図３Ａは、Ａ相のＨブリッジＢＡの構成を模式的に示している。図３Ｂは、Ｂ相のＨブリッジＢＢの構成を模式的に示している。図３Ｃは、Ｃ相のＨブリッジＢＣの構成を模式的に示している。
【００３８】
インバータユニット１００は、Ａ相、Ｂ相およびＣ相のＨブリッジＢＡ、ＢＢおよびＢＣを備える。Ａ相のＨブリッジＢＡは、第１インバータ１２０側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌ、第２インバータ１３０側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌ、および、巻線Ｍ１を有する。
【００３９】
Ｂ相のＨブリッジＢＢは、第１インバータ１２０側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｌ、第２インバータ１３０側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｌ、および、巻線Ｍ２を有する。
【００４０】
Ｃ相のＨブリッジＢＣは、第１インバータ１２０側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｌ、第２インバータ１３０側のレグにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｌ、および、巻線Ｍ３を有する。
【００４１】
制御回路３００（具体的にはコントローラ３４０）は、以下で説明する故障診断を実行することにより、電力変換装置１０００内の故障したスイッチ素子を特定することができる。
【００４２】
例えば制御回路３００は、故障したスイッチ素子を特定すると、故障したスイッチ素子を含むＨブリッジ以外の二相のＨブリッジを用いて二相の巻線に通電するモータ制御に切替えることが可能である。本明細書では、三相の巻線に通電することを「三相通電制御」と呼び、二相の巻線に通電することを「二相通電制御」と呼ぶ。以下、故障診断の詳細を説明する。
【００４３】
〔２．故障診断方法〕
図４から図１８を参照しながら、例えば、図１に示す電力変換装置１０００のスイッチ素子の故障の有無を診断する故障診断方法の具体例を説明する。本開示の故障診断方法は、少なくとも１つのＨブリッジを備える電力変換装置、例えばフルブリッジタイプの電力変換装置に好適に用いることができる。本明細書中において、スイッチ素子の故障は、スイッチ素子のオープン故障を指す。オープン故障とは、スイッチ素子が常時ハイインピーダンスになる故障である。本明細書では、例えばＡ相のＨブリッジのスイッチ素子に故障が生じることを、Ａ相の故障と呼ぶ場合がある。
【００４４】
本実施形態の故障診断方法の概要は、下記のとおりである。
【００４５】
故障診断では、ＨブリッジＢＡ、ＢＢ、ＢＣのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定する。また、ローサイドスイッチ素子とハイサイドスイッチ素子との組の中に故障した組があるか判定する。これらの判定結果に基づいて、電力変換装置１０００が備えるハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の中に故障したスイッチ素子があるか判定する。
【００４６】
故障診断では、例えばｄｑ座標系において表現される電流および電圧と、ローサイドスイッチ素子の両端電圧を示す実電圧と、モータの回転速度ωとを獲得する。ｄｑ座標系において表現される電流および電圧は、ｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑ、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを含む。ｄｑ座標系において、零相に対応した軸をｚ軸として表している。回転速度ωは、単位時間（例えば１分間）にモータのロータが回転する回転数（ｒｐｍ）または単位時間（例えば１秒間）にロータが回転する回転数（ｒｐｓ）で表される。
【００４７】
図３Ａから図３Ｃを用いて、スイッチ素子の実電圧を説明する。
【００４８】
Ａ相、Ｂ相およびＣ相のＨブリッジＢＡ、ＢＢおよびＢＣのそれぞれに対し、第１実電圧および第２実電圧を定義する。第１実電圧は、各相のＨブリッジにおいて、第１インバータ１２０側のレグにおける第１ローサイドスイッチ素子の両端電圧を示す。換言すると、第１実電圧は、第１インバータ１２０側のレグにおける第１ハイサイドスイッチ素子と第１ローサイドスイッチ素子の間のノード電位に相当する。第２実電圧は、第２インバータ１３０側のレグにおける第２ローサイドスイッチ素子の両端電圧を示す。換言すると、第２実電圧は、第２インバータ１３０側のレグにおける第２ハイサイドスイッチ素子と第２ローサイドスイッチ素子の間のノード電位に相当する。スイッチ素子の両端電圧は、スイッチ素子であるＦＥＴのソース−ドレイン間の電圧Ｖｄｓに等しい。
【００４９】
Ａ相のＨブリッジＢＡに対し、第１実電圧は、図３Ａに示すローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌの両端電圧ＶＡ１を指し、第２実電圧は、図３Ａに示すローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌの両端電圧ＶＡ２を指す。Ｂ相のＨブリッジＢＢに対し、第１実電圧は、図３Ｂに示すローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｌの両端電圧ＶＢ１を指し、第２実電圧は、図３Ｂに示すローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｌの両端電圧ＶＢ２を指す。Ｃ相のＨブリッジＢＣに対し、第１実電圧は、図３Ｃに示すローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｌの両端電圧ＶＣ１を指し、第２実電圧は、図３Ｃに示すローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｌの両端電圧ＶＣ２を指す。
【００５０】
次に、獲得した、ｄｑ座標系の電流および電圧、第１実電圧、第２実電圧および回転速度等に基づいて、故障を診断する。
【００５１】
故障しているスイッチ素子があると判定した場合、スイッチ素子の故障を示す故障信号を生成し、後述するモータ制御ユニットに出力する。例えば、故障信号は、故障が生じるとアサートされる信号である。
【００５２】
上記の故障診断は、例えば、電流センサ１５０によって各相電流を測定する周期、すなわちＡＤ変換の周期に同期して繰り返し実行される。
【００５３】
本実施形態による故障診断方法を実現するためのアルゴリズムは、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはＦＰＧＡなどのハードウェアのみで実現することもできるし、マイクロコントローラおよびソフトウェアの組み合わせによっても実現することができる。本実施形態では、故障診断の動作主体を制御回路３００のコントローラ３４０とする。
【００５４】
図４は、モータ制御全般を行うためのコントローラ３４０の機能ブロックを例示している。図５は、Ａ相のＨブリッジＢＡのローサイドおよびハイサイドの故障診断を行うための機能ブロックを例示している。
【００５５】
本明細書において、機能ブロック図における各ブロックは、ハードウェア単位ではなく機能ブロック単位で示される。モータ制御および故障診断に用いるソフトウェアは、例えば、各機能ブロックに対応した特定の処理を実行させるためのコンピュータプログラムを構成するモジュールであり得る。そのようなコンピュータプログラムは、例えばＲＯＭ３６０に格納される。コントローラ３４０は、ＲＯＭ３６０から命令を読み出して各処理を逐次実行することができる。
【００５６】
コントローラ３４０は、例えば、故障診断ユニット８００およびモータ制御ユニット９００を有する。このように、本開示の故障診断は、モータ制御（例えばベクトル制御）と好適に組み合わせることができ、モータ制御の一連の処理の中に組み込むことが可能である。
【００５７】
故障診断ユニット８００は、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑ、およびモータ２００の回転速度ωを獲得する。故障診断ユニット８００は、さらに、第１実電圧ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＣ１、第２実電圧ＶＡ２、ＶＢ２およびＶＣ２を獲得する。
【００５８】
例えば、故障診断ユニット８００は、Ｖｐｅａｋを獲得するプレ演算ユニット（不図示）を有し得る。プレ演算ユニットは、クラーク変換を用いて、電流センサ１５０の測定値に基づいて取得された三相電流Ｉａ、ＩｂおよびＩｃを、αβ固定座標系における、α軸上の電流Ｉαおよびβ軸上の電流Ｉβに変換する。プレ演算ユニットは、パーク変換（ｄｑ座標変換）を用いて、電流Ｉα、Ｉβを、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。プレ演算ユニットは、電流ＩｄおよびＩｑに基づいてｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑを取得し、取得したＶｄ、Ｖｑから下記式（１）に基づいて電圧ピーク値Ｖｐｅａｋを算出する。または、プレ演算ユニットは、ベクトル制御を行うモータ制御ユニット９００から、Ｖｐｅａｋの算出に必要なＶｄ、Ｖｑを受け取ることも可能である。例えば、プレ演算ユニットは、電流センサ１５０によって各相電流を測定する周期に同期してＶｐｅａｋを獲得する。
Ｖｐｅａｋ＝（２／３）１／２（Ｖｄ２＋Ｖｑ２）１／２      式（１）
【００５９】
故障診断ユニット８００は、ルックアップテーブル９４０（図１８）を参照して、電流Ｉｄ、Ｉｑおよび回転速度ωに基づいて飽和電圧Ｖｓａｔを決定する。
【００６０】
図１８は、回転速度ωおよび電流振幅値から飽和電圧Ｖｓａｔを決定するルックアップテーブル（ＬＵＴ）９４０を模式的に示している。ＬＵＴ９４０は、ｄ軸電流およびｑ軸電流に基づいて決定される電流振幅値（Ｉｄ２＋Ｉｑ２）１／２およびモータ２００の回転速度ωの入力と、飽和電圧Ｖｓａｔとの関係を関連付ける。
【００６１】
回転速度ωは、例えば角度センサ３２０からの回転信号に基づいて算出される。または、回転速度ωは、例えば公知のセンサレス制御手法を用いて推定することができる。各スイッチ素子の実電圧は、例えば駆動回路（プリドライバ）３５０によって測定される。
【００６２】
表１は、故障診断に用いることが可能なＬＵＴ９４０の構成を例示している。モータ制御では、一般的にＩｄはゼロとして扱われる。そのため、電流振幅値はＩｑに等しくなる。表１には、Ｉｑ（Ａ）を記載している。飽和電圧Ｖｓａｔは、獲得された電流振幅値Ｉｑおよび回転速度ωから決定される。あるいは、飽和電圧Ｖｓａｔとして、例えば、駆動前に予め設定した値を用いてもよい。例えば、飽和電圧Ｖｓａｔとして、システムに依存する一定の値（例えば０．１Ｖ程度）を用いてもよい。
【００６３】
【表１】
2019220783.tif 000003
【００６４】
故障診断ユニット８００は、ｄｑ座標系において表現される電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆおよび電圧ピーク値Ｖｐｅａｋを獲得する。また、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆ、ＶＢ＿ｒｅｆおよびＶＣ＿ｒｅｆを獲得する。
【００６５】
故障診断ユニット８００は、上述した実電圧、電圧ピーク値、飽和電圧、電流ピーク指令値、電圧指令値に基づいてスイッチ素子の故障の有無を診断する。
【００６６】
故障診断ユニット８００は、故障したスイッチ素子を示す故障信号を診断結果に基づいて生成し、モータ制御ユニット９００に出力する。
【００６７】
モータ制御ユニット９００は、例えばベクトル制御を用いて、第１および第２インバータ１２０、１３０のスイッチ素子のスイッチング動作の全般を制御するＰＷＭ信号を生成する。モータ制御ユニット９００は、ＰＷＭ信号を駆動回路３５０に出力する。また、モータ制御ユニット９００は、例えば故障信号がアサートされると、モータ制御を三相通電制御から二相通電制御に切替えることが可能である。
【００６８】
本明細書において、説明の便宜上、各機能ブロックをユニットと表記する場合がある。当然に、各機能ブロックをハードウェアまたはソフトウェアに限定解釈する意図で、これらの表記を用いてはいない。
【００６９】
各機能ブロックはソフトウェアとしてコントローラ３４０に実装される場合、そのソフトウェアの実行主体は例えばコントローラ３４０のコアであり得る。上述のように、コントローラ３４０はＦＰＧＡによって実現され得る。その場合、全てまたは一部の機能ブロックはハードウェアで実現され得る。
【００７０】
複数のＦＰＧＡを用いて処理を分散させることにより、特定のコンピュータの演算負荷を分散できる。その場合、図４から図１８に示される機能ブロックの全てまたは一部は、複数のＦＰＧＡに分散して実装され得る。複数のＦＰＧＡは、例えば車載のコントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）によって互いに通信可能に接続され、データの送受信を行うことができる。
【００７１】
（Ｈブリッジのハイサイドおよびローサイドの故障診断）
図５は、Ａ相のＨブリッジＢＡのローサイドおよびハイサイドの故障の有無を診断する故障診断ユニット８１０Ａを示している。図６は、Ｂ相のＨブリッジＢＢのローサイドおよびハイサイドの故障の有無を診断する故障診断ユニット８１０Ｂを示している。図７は、Ｃ相のＨブリッジＢＣのローサイドおよびハイサイドの故障の有無を診断する故障診断ユニット８１０Ｃを示している。故障診断ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃは、実質的に同じ機能ブロックを有するが、入力される実電圧が互いに異なる。故障診断ユニット８００は、図５、図６、図７に示す故障診断ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃを有する。
【００７２】
故障診断ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃのそれぞれは乗算器８１１、８１２と、加算器８１３、８１４、８１５と、比較器８１６、８１７と、論理回路ＯＲ８１８とを有する。故障診断ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃのそれぞれは乗算器８２１、８２２と、加算器８２３、８２４、８２５と、比較器８２６、８２７と、論理回路ＯＲ８２８とをさらに有する。
【００７３】
まず、図５を用いて、Ａ相のＨブリッジＢＡのローサイドおよびハイサイドの故障の有無の診断処理を説明する。
【００７４】
乗算器８１１は、電圧ピーク値Ｖｐｅａｋに定数「−１／２」を乗算する。乗算器８１２は、飽和電圧Ｖｓａｔに定数「−１」を乗算する。加算器８１３は、乗算器８１１および８１２の出力値を加算する。加算器８１４は、実電圧ＶＡ１と加算器８１３の出力値とを加算して、下記式（２）で表される故障診断電圧ＶＡ１Ｌ＿ＦＤを算出する。
ＶＡ１Ｌ＿ＦＤ＝ＶＡ１−〔（Ｖｐｅａｋ／２）＋Ｖｓａｔ〕  式（２）
【００７５】
比較器８１６は、“ＶＡ１Ｌ＿ＦＤ”と“ゼロ”とを比較する。比較器８１６は、ＶＡ１Ｌ＿ＦＤがゼロ以下である（ＶＡ１Ｌ＿ＦＤ≦０）場合、実電圧ＶＡ１は正常であることを示す“０”を論理回路ＯＲ８１８に出力する。比較器８１６は、ＶＡ１Ｌ＿ＦＤがゼロより大きい（ＶＡ１Ｌ＿ＦＤ＞０）場合、実電圧ＶＡ１は異常であることを示す“１”を論理回路ＯＲ８１８に出力する。
【００７６】
同様に、加算器８１５は、実電圧ＶＡ２と加算器８１３の出力値とを加算して、故障診断電圧ＶＡ２Ｌ＿ＦＤを算出する。
【００７７】
比較器８１７は、“ＶＡ２Ｌ＿ＦＤ”と“ゼロ”とを比較する。比較器８１７は、ＶＡ２Ｌ＿ＦＤがゼロ以下である（ＶＡ２Ｌ＿ＦＤ≦０）場合、実電圧ＶＡ２は正常であることを示す“０”を論理回路ＯＲ８１８に出力する。比較器８１７は、ＶＡ２Ｌ＿ＦＤがゼロより大きい（ＶＡ２Ｌ＿ＦＤ＞０）場合、実電圧ＶＡ２は異常であることを示す“１”を論理回路ＯＲ８１８に出力する。
【００７８】
論理回路ＯＲ８１８は、比較器８１６、８１７の出力信号の論理和をとる。論理回路ＯＲ８１８は、Ａ相のＨブリッジＢＡのローサイドの故障の有無を示す故障信号ＡＬ＿ＦＤを出力する。
【００７９】
比較器８１６、８１７の出力信号が全て“０”である場合、論理回路ＯＲ８１８は、正常を示す“０”を故障信号ＡＬ＿ＦＤとして出力する。比較器８１６、８１７の出力信号の少なくとも１つが“１”である場合、論理回路ＯＲ８１８は、故障を示す“１”を故障信号ＡＬ＿ＦＤとして出力する。
【００８０】
例えば、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌがオープン故障した場合、そのスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌはオン状態でも電流はほとんど流れない。スイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌに電流がほとんど流れないためにスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌに余分な電圧が掛かる。実電圧ＶＡ１は大きくなり、ＶＡ１＿ＦＤ＞０となる。
【００８１】
乗算器８２１は、電圧ピーク値Ｖｐｅａｋに定数「１／２」を乗算する。乗算器８２２は、飽和電圧Ｖｓａｔに定数「１」を乗算する。加算器８２３は、乗算器８２１および８２２の出力値を加算する。加算器８２４は、実電圧ＶＡ１と加算器８２３の出力値とを加算して、下記式（３）で表される故障診断電圧ＶＡ１Ｈ＿ＦＤを算出する。
ＶＡ１Ｈ＿ＦＤ＝ＶＡ１＋〔（Ｖｐｅａｋ／２）＋Ｖｓａｔ〕  式（３）
【００８２】
比較器８２６は、“ＶＡ１Ｈ＿ＦＤ”と“ゼロ”とを比較する。比較器８２６は、ＶＡ１Ｈ＿ＦＤがゼロ以上である（ＶＡ１Ｈ＿ＦＤ≧０）場合、実電圧ＶＡ１は正常であることを示す“０”を論理回路ＯＲ８２８に出力する。比較器８２６は、ＶＡ１Ｈ＿ＦＤがゼロ未満（ＶＡ１Ｈ＿ＦＤ＜０）の場合、実電圧ＶＡ１は異常であることを示す“１”を論理回路ＯＲ８２６に出力する。
【００８３】
同様に、加算器８２５は、実電圧ＶＡ２と加算器８２３の出力値とを加算して、故障診断電圧ＶＡ２Ｈ＿ＦＤを算出する。
【００８４】
比較器８２７は、“ＶＡ２Ｈ＿ＦＤ”と“ゼロ”とを比較する。比較器８２７は、ＶＡ２Ｈ＿ＦＤがゼロ以上である（ＶＡ２Ｈ＿ＦＤ≧０）場合、実電圧ＶＡ２は正常であることを示す“０”を論理回路ＯＲ８２８に出力する。比較器８２７は、ＶＡ２Ｈ＿ＦＤがゼロ未満（ＶＡ２Ｈ＿ＦＤ＜０）場合、実電圧ＶＡ２は異常であることを示す“１”を論理回路ＯＲ８２８に出力する。
【００８５】
論理回路ＯＲ８２８は、比較器８２６、８２７の出力信号の論理和をとる。論理回路ＯＲ８２８は、Ａ相のＨブリッジＢＡのハイサイドの故障の有無を示す故障信号ＡＨ＿ＦＤを出力する。
【００８６】
比較器８２６、８２７の出力信号が全て“０”である場合、論理回路ＯＲ８２８は、正常を示す“０”を故障信号ＡＨ＿ＦＤとして出力する。比較器８２６、８２７の出力信号の少なくとも１つが“１”である場合、論理回路ＯＲ８２８は、故障を示す“１”を故障信号ＡＨ＿ＦＤとして出力する。
【００８７】
図６に示す故障診断ユニット８１０Ｂは、故障診断ユニット８１０Ａと同様の処理を実行し、Ｂ相のＨブリッジＢＢのローサイドおよびハイサイドの故障の有無を診断する。故障診断ユニット８１０Ｂには、実電圧ＶＡ１、ＶＡ２の代わりに、実電圧ＶＢ１、ＶＢ２が入力される。論理回路ＯＲ８１８は、Ｂ相のＨブリッジＢＢのローサイドの故障の有無を示す故障信号ＢＬ＿ＦＤを出力する。論理回路ＯＲ８２８は、Ｂ相のＨブリッジＢＢのハイサイドの故障の有無を示す故障信号ＢＨ＿ＦＤを出力する。故障診断ユニット８１０Ｂのそれ以外の処理は故障診断ユニット８１０Ａと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００８８】
図７に示す故障診断ユニット８１０Ｃは、故障診断ユニット８１０Ａと同様の処理を実行し、Ｃ相のＨブリッジＢＣのローサイドおよびハイサイドの故障の有無を診断する。故障診断ユニット８１０Ｃには、実電圧ＶＡ１、ＶＡ２の代わりに、実電圧ＶＣ１、ＶＣ２が入力される。論理回路ＯＲ８１８は、Ｃ相のＨブリッジＢＣのローサイドの故障の有無を示す故障信号ＣＬ＿ＦＤを出力する。論理回路ＯＲ８２８は、Ｃ相のＨブリッジＢＣのハイサイドの故障の有無を示す故障信号ＣＨ＿ＦＤを出力する。故障診断ユニット８１０Ｃのそれ以外の処理は故障診断ユニット８１０Ａと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００８９】
（相の故障診断）
故障診断ユニット８００は図８に示す相の故障を診断するための故障診断ユニット８３０を有する。故障診断ユニット８３０は電圧ピーク値Ｖｐｅａｋ、電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆ、ＶＢ＿ｒｅｆ、ＶＣ＿ｒｅｆを用いて、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の故障を診断する。
【００９０】
図９は、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の故障を診断する故障診断ユニット８３０を例示するブロック図である。故障診断ユニット８３０は、例えば、ゲインユニット８３１、リミット判定ユニット８３２、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）８３３、加算器８３４、乗算器８３５、絶対値演算器８３６Ａ、８３６Ｂ、８３６Ｃ、加算器８３７Ａ、８３７Ｂ、８３７Ｃ、信号生成ユニット８３８Ａ、８３８Ｂおよび８３８Ｃを有する。
【００９１】
ゲインユニット８３１は、電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆにゲインＲを乗算する。電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆは、ｄｑ座標系における電流振幅のピーク値を示し、具体的には下記式（４）に基づいて算出される。ここで、Ｉｄｒｅｆは、ｄ軸上のｄ軸電流指令値を示し、Ｉｑｒｅｆは、ｑ軸上のｑ軸電流指令値を示し、Ｉｚｒｅｆは、零相電流指令値を示す。ａｂｓ（Ｘ）はＸの絶対値を示す。ゲインＲは、Ｈブリッジを含む回路システム全体の電気的特性を表す。例えば、ゲインＲは、スイッチ素子のデッドタイムの影響など考慮して決定され、回路全体の抵抗〔Ω〕に相当する。
Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ＝（２／３）１／２（Ｉｄｒｅｆ２＋Ｉｑｒｅｆ２）１／２＋ａｂｓ（Ｉｚｒｅｆ）／３１／２        式（４）
【００９２】
例えば、コントローラ３４０のコアは、角度センサ３２０により検出された回転速度および速度指令値に基づいて電流指令値Ｉｄｒｅｆ、ＩｑｒｅｆおよびＩｚｒｅｆを決定し、故障診断ユニット８００に出力する。例えば、プレ演算ユニット（不図示）が、電流指令値Ｉｄｒｅｆ、ＩｑｒｅｆおよびＩｚｒｅｆに基づいてＩｐｅａｋ＿ｒｅｆを算出し、ゲインユニット８３１に出力する。ゲインユニット８３１は、Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒをリミット判定ユニット８３２に出力する。
【００９３】
リミット判定ユニット８３２は、電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆとゲインＲの積の大きさが許容範囲にあるか否かを判定する。つまり、リミット判定ユニット８３２は、Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒが許容範囲にあるかどうかを判定する。許容範囲は、通常動作時の入力電圧の上限値を意味する。
【００９４】
電圧ピーク値Ｖｐｅａｋを加算する後段の演算を実行する前に、電圧ピーク値Ｖｐｅａｋを汎用ＬＰＦ８３３によってローパスフィルタ処理することが好ましい。これにより、基本波のみによって表される電圧ピーク値Ｖｐｅａｋを取得することが可能となる。
【００９５】
加算器８３４はリミット判定ユニット８３２からの出力（Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ）およびＬＰＦ８３３からの出力Ｖｐｅａｋを加算する。加算器８３４はＩｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ＋Ｖｐｅａｋを乗算器８３５に出力する。
【００９６】
乗算器８３５は、加算器８３４からの出力Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ＋Ｖｐｅａｋに“−１”を乗算する。本明細書では、加算器８３４からの出力電圧（Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ＋Ｖｐｅａｋ）を「システム電圧」と呼ぶこととする。乗算器８３５は、システム電圧を、Ａ相用加算器８３７Ａ、Ｂ相用加算器８３７ＢおよびＣ相用加算器８３７Ｃに出力する。
【００９７】
以下、Ａ相の故障診断を例にし、Ｈブリッジの故障診断処理を説明する。
【００９８】
故障診断ユニット８３０は、システム電圧とＡ相の電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさとの比較結果に基づいてＡ相のＨブリッジＢＡの故障を診断する。故障診断ユニット８００は、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさがシステム電圧よりも大きい場合、Ａ相のＨブリッジＢＡは故障していると判定する。故障診断ユニット８００は、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさがシステム電圧以下である場合、Ａ相のＨブリッジＢＡは故障していないと判定する。本実施形態では、乗算器８３５、絶対値演算器８３６Ａおよび加算器８３７Ａを用いてシステム電圧とＡ相の電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさとの比較を実現する。
【００９９】
加算器８３７Ａは、乗算器８３５からの出力電圧およびＡ相の電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさを加算する。絶対値演算器８３６Ａにより電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの絶対値をとる理由は、Ｈブリッジのハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の両方のオープン故障を故障診断の対象とするためである。
【０１００】
再び図３Ａから図３Ｃを参照する。
【０１０１】
Ａ相の電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆは、ＨブリッジＢＡのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈまたはローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌ（両スイッチ素子の間のノード）についての電圧指令値ＶＡ１＿ｒｅｆと、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈまたはローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌ（両スイッチ素子の間のノード）についての電圧指令値ＶＡ２＿ｒｅｆとの差分によって与えられる。Ｂ相の電圧指令値ＶＢ＿ｒｅｆ、Ｃ相の電圧指令値ＶＣ＿ｒｅｆも、Ａ相の電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆと同様に与えられる。電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆ、ＶＢ＿ｒｅｆおよびＶＣ＿ｒｅｆは、式（５）に基づいて算出される。
ＶＡ＿ｒｅｆ＝ＶＡ１＿ｒｅｆ−ＶＡ２＿ｒｅｆ
ＶＢ＿ｒｅｆ＝ＶＢ１＿ｒｅｆ−ＶＢ２＿ｒｅｆ        式（５）
ＶＣ＿ｒｅｆ＝ＶＣ１＿ｒｅｆ−ＶＣ２＿ｒｅｆ
【０１０２】
信号生成ユニット８３８Ａは、加算器８３７Ａからの加算値がゼロよりも大きい場合、ＨブリッジＢＡは故障していると判定し、故障信号Ａ＿ＦＤを生成してモータ制御ユニット９００に出力する。例えば、故障信号Ａ＿ＦＤを１ビットの信号に割り当て、正常時の故障信号Ａ＿ＦＤのレベルをＬｏｗレベル“０”とする。信号生成ユニット８３８Ａは、ＨブリッジＢＡの故障を検知すると、Ｈｉｇｈレベル“１”の故障信号Ａ＿ＦＤを生成する。換言すると、信号生成ユニット８３８Ａは、故障信号Ａ＿ＦＤをアサートする。
【０１０３】
故障診断ユニット８３０は、Ａ相と同様にして、Ｂ相、Ｃ相の故障信号Ｂ＿ＦＤ、Ｃ＿ＦＤを生成しモータ制御ユニット９００に出力する。
【０１０４】
図１０はシステム電圧と電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさの比較によるＨブリッジの故障診断を行う原理を説明するための回路モデルを示している。
【０１０５】
上述したように、ゲインＲは、回路全体の抵抗〔Ω〕に相当する。図１０に示す回路モデルにおいて、電流指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆは回路全体に流れる電流であり、ゲインＲは回路の内部抵抗であり、Ｖｐｅａｋは入力電圧である。故障診断ユニット８００は、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆ、入力電圧Ｖｐｅａｋおよび内部抵抗Ｒの電圧降下（Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ）に基づいて、ＨブリッジＢＡの故障を診断する。
【０１０６】
ＨブリッジＢＡが故障していない場合、Ｖｐｅａｋ＋Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒと電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆとの差分（Ｖｐｅａｋ＋Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ−ＶＡ＿ｒｅｆ）はゼロまたはそれ以下となる。つまり、Ｖｐｅａｋ＋Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ≒ＶＡ＿ｒｅｆの関係が成り立つ。
【０１０７】
ＨブリッジＢＡが故障すると、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆは上昇する。そのため、差分（Ｖｐｅａｋ＋Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ−ＶＡ＿ｒｅｆ）はゼロとはならず、Ｖｐｅａｋ＋Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ・Ｒ＜ＶＡ＿ｒｅｆとなって平衡が崩れる。
【０１０８】
図１１は、Ｈブリッジの故障診断を行うための機能ブロックの変形例を示している。
【０１０９】
この変形例では、乗算器８３５および加算器８３７Ａ、８３７Ｂおよび８３７Ｃの代わりに減算器８３９Ａ、８３９Ｂおよび８３９Ｃを用いる。故障診断ユニット８３０は、Ａ相の電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの大きさからシステム電圧を引き算することで得られる差分値がゼロよりも大きい場合、ＨブリッジＢＡは故障していると判定する。故障診断ユニット８３０は、その差分値がゼロ以下である場合、ＨブリッジＢＡは故障していないと判定する。故障診断ユニット８００は、Ｂ相、Ｃ相についてもＡ相と同様に判定できる。
【０１１０】
ゲインユニット８３１およびリミット判定ユニット８３２の代わりにルックアップテーブル（ＬＵＴ）８０１を利用することができる。ＬＵＴ８０１は、電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆおよびモータ２００の回転数を示すｓｐｅｅｄの入力と、出力電圧Ｖｓａｔとの関係を関連付けるテーブルである。故障診断ユニット８３０は、ＬＵＴ８０１を参照して、獲得した電流ピーク指令値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆおよび回転数ｓｐｅｅｄに基づいて出力電圧Ｖｓａｔを決定する。故障診断ユニット８３０は、決定した出力電圧Ｖｓａｔに電圧ピーク値Ｖｐｅａｋを加算する演算を実行することによりシステム電圧を獲得してもよい。
【０１１１】
（スイッチ素子の組の故障診断）
次に、ローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障診断を説明する。
【０１１２】
図１２は、Ａ相のＨブリッジＢＡのローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障の有無を診断する故障診断ユニット８５０Ａを示している。図１３は、Ｂ相のＨブリッジＢＢのローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障の有無を診断する故障診断ユニット８５０Ｂを示している。図１４は、Ｃ相のＨブリッジＢＣのローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障の有無を診断する故障診断ユニット８５０Ｃを示している。故障診断ユニット８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃは実質的に同じ機能ブロックを有するが、入力される故障信号および電圧指令値が互いに異なる。故障診断ユニット８００は図１２、図１３、図１４に示す故障診断ユニット８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃを有する。
【０１１３】
故障診断ユニット８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃのそれぞれは、符号関数（Ｓｉｇｎ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）ユニット８５１と、乗算器８５２と、比較器８５３、８５４とを有する。
【０１１４】
まず、図１２を用いて、Ａ相のＨブリッジＢＡのローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障の有無の診断処理を説明する。
【０１１５】
符号関数ユニット８５１は、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆに応じて“１”、“−１”、“０”のいずれかを出力する。この例では、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆが正の値であるときは“１”を出力する。電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆが負の値であるときは“−１”を出力する。電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆがゼロであるときは“０”を出力する。
【０１１６】
乗算器８５２は、Ａ相の故障の有無を示す故障信号Ａ＿ＦＤと、符号関数ユニット８５１の出力値とを乗算して出力する。
【０１１７】
比較器８５３は乗算器８５２の出力値と“ゼロ”とを比較する。比較器８５３はローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈとの組の故障の有無を示す故障信号Ａ１Ｌ２Ｈ＿ＦＤを出力する。
【０１１８】
比較器８５３は、乗算器８５２の出力値がゼロ以下である（出力値≦０）場合、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈとの組は正常であることを示す“０”を出力する。比較器８５３は、乗算器８５２の出力値がゼロより大きい（出力値＞０）場合、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈとの組は異常であることを示す“１”を出力する。
【０１１９】
上述の式（５）に示したように、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆは、電圧指令値ＶＡ１＿ｒｅｆと電圧指令値ＶＡ２＿ｒｅｆとの差である。図３Ａを参照して、スイッチ素子ＳＷ＿Ａ１ＬおよびＳＷ＿Ａ２Ｈの少なくとも一方にオープン故障が発生した場合、スイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈと、巻線Ｍ１と、スイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとで構成される電流経路に電流が流れにくくなる。この電流経路に電流を流そうとして、電圧指令値ＶＡ１＿ｒｅｆは大きくなる。その結果、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆはゼロより大きい値となる。
【０１２０】
故障信号Ａ＿ＦＤが“１”を示し、且つ符号関数ユニット８５１の出力値が“１”を示す場合、乗算器８５２の出力値はゼロより大きくなる。これにより、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈとの組は異常であると判定することができる。
【０１２１】
比較器８５４は乗算器８５２の出力値と“ゼロ”とを比較する。比較器８５４はローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈとの組の故障の有無を示す故障信号Ａ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤを出力する。
【０１２２】
比較器８５４は、乗算器８５２の出力値がゼロ以上である（出力値≧０）場合、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈとの組は正常であることを示す“０”を出力する。比較器８５４は、乗算器８５２の出力値がゼロより小さい（出力値＜０）場合、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈとの組は異常であることを示す“１”を出力する。
【０１２３】
図３Ａを参照して、スイッチ素子ＳＷ＿Ａ２ＬおよびＳＷ＿Ａ１Ｈの少なくとも一方にオープン故障が発生した場合、スイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈと、巻線Ｍ１と、スイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとで構成される電流経路に電流が流れにくくなる。この電流経路に電流を流そうとして、電圧指令値ＶＡ２＿ｒｅｆは大きくなる。その結果、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆはゼロより小さい値となる。
【０１２４】
故障信号Ａ＿ＦＤが“１”を示し、且つ符号関数ユニット８５１の出力値が“−１”を示す場合、乗算器８５２の出力値はゼロより小さくなる。これにより、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈとの組は異常であると判定することができる。
【０１２５】
図１３に示す故障診断ユニット８５０Ｂは、故障診断ユニット８５０Ａと同様の処理を実行し、Ｂ相のＨブリッジＢＢのローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障の有無を診断する。故障診断ユニット８５０Ｂには、故障信号Ａ＿ＦＤおよび電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの代わりに、故障信号Ｂ＿ＦＤおよび電圧指令値ＶＢ＿ｒｅｆが入力される。比較器８５３は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｈとの組の故障の有無を示す故障信号Ｂ１Ｌ２Ｈ＿ＦＤを出力する。比較器８５４は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｈとの組の故障の有無を示す故障信号Ｂ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤを出力する。故障診断ユニット８５０Ｂのそれ以外の処理は故障診断ユニット８５０Ａと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【０１２６】
図１４に示す故障診断ユニット８５０Ｃは、故障診断ユニット８５０Ａと同様の処理を実行し、Ｃ相のＨブリッジＢＣのローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子の組の故障の有無を診断する。故障診断ユニット８５０Ｃには、故障信号Ａ＿ＦＤおよび電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの代わりに、故障信号Ｃ＿ＦＤおよび電圧指令値ＶＣ＿ｒｅｆが入力される。比較器８５３は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｈとの組の故障の有無を示す故障信号Ｃ１Ｌ２Ｈ＿ＦＤを出力する。比較器８５４は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｈとの組の故障の有無を示す故障信号Ｃ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤを出力する。故障診断ユニット８５０Ｃのそれ以外の処理は故障診断ユニット８５０Ａと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【０１２７】
（故障したスイッチ素子の特定）
次に、電力変換装置１０００が備えるハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子の中に故障したスイッチ素子があるか判定する処理を説明する。
【０１２８】
図１５は、Ａ相のＨブリッジＢＡが有するスイッチ素子の故障の有無を診断する故障診断ユニット８７０Ａを示している。図１６は、Ｂ相のＨブリッジＢＢが有するスイッチ素子の故障の有無を診断する故障診断ユニット８７０Ｂを示している。図１７は、Ｃ相のＨブリッジＢＣが有するスイッチ素子の故障の有無を診断する故障診断ユニット８７０Ｃを示している。
【０１２９】
故障診断ユニット８７０Ａ、８７０Ｂ、８７０Ｃは、実質的に同じ機能ブロックを有するが、入力される信号が互いに異なる。故障診断ユニット８００は、図１５、図１６、図１７に示す故障診断ユニット８７０Ａ、８７０Ｂ、８７０Ｃを有する。故障診断ユニット８７０Ａ、８７０Ｂ、８７０Ｃのそれぞれは、論理回路ＡＮＤ８７１、８７２、８７３、８７４を備える。
【０１３０】
まず、Ａ相のＨブリッジＢＡが有するスイッチ素子の故障の有無の診断処理を説明する。
【０１３１】
論理回路ＡＮＤ８７１には、故障信号ＡＨ＿ＦＤと故障信号Ａ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤとが入力される。故障信号ＡＨ＿ＦＤは、Ａ相のＨブリッジＢＡのハイサイドの故障の有無を示す。故障信号Ａ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤは、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈとの組の故障の有無を示す。
【０１３２】
論理回路ＡＮＤ８７１は、Ａ相のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈの故障の有無を示す故障信号Ａ１Ｈ＿ＦＤをモータ制御ユニット９００に出力する。
【０１３３】
故障信号ＡＨ＿ＦＤと故障信号Ａ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤの両方が故障を示す“１”である場合、論理回路ＡＮＤ８７１は“１”を出力する。故障信号Ａ１Ｈ＿ＦＤが“１”であることは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈは故障していることを表している。故障信号ＡＨ＿ＦＤと故障信号Ａ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤの少なくとも一方が正常を示す“０”である場合、論理回路ＡＮＤ８７１は“０”を出力する。故障信号Ａ１Ｈ＿ＦＤが“０”であることは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈは正常であることを表している。
【０１３４】
Ａ相のＨブリッジＢＡのハイサイドが故障しており、且つローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈとの組が故障しているということは、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈが故障していることを表している。論理回路ＡＮＤ８７１が出力する故障信号Ａ１Ｈ＿ＦＤが“１”である場合、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈが故障していることを特定することができる。
【０１３５】
同様に、論理回路ＡＮＤ８７２には、故障信号ＡＨ＿ＦＤと故障信号Ａ１Ｌ２Ｈ＿ＦＤとが入力される。論理回路ＡＮＤ８７２は、Ａ相のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈの故障の有無を示す故障信号Ａ２Ｈ＿ＦＤをモータ制御ユニット９００に出力する。
【０１３６】
論理回路ＡＮＤ８７３には、故障信号ＡＬ＿ＦＤと故障信号Ａ１Ｌ２Ｈ＿ＦＤとが入力される。論理回路ＡＮＤ８７３は、Ａ相のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌの故障の有無を示す故障信号Ａ１Ｌ＿ＦＤをモータ制御ユニット９００に出力する。
【０１３７】
論理回路ＡＮＤ８７４には、故障信号ＡＬ＿ＦＤと故障信号Ａ２Ｌ１Ｈ＿ＦＤとが入力される。論理回路ＡＮＤ８７４は、Ａ相のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌの故障の有無を示す故障信号Ａ２Ｌ＿ＦＤをモータ制御ユニット９００に出力する。
【０１３８】
図１６に示す故障診断ユニット８７０Ｂが実行する処理は、故障診断ユニット８７０Ａと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。故障診断ユニット８７０Ｂは、故障診断ユニット８７０Ａと同様の処理を実行し、Ｂ相のＨブリッジＢＢが有するスイッチ素子の故障の有無の診断処理を実行する。故障診断ユニット８７０Ｂは、スイッチ素子ＳＷ＿Ｂ１Ｈ、ＳＷ＿Ｂ２Ｈ、ＳＷ＿Ｂ１Ｌ、ＳＷ＿Ｂ２Ｌの故障の有無を示す故障信号Ｂ１Ｈ＿ＦＤ、Ｂ２Ｈ＿ＦＤ、Ｂ１Ｌ＿ＦＤ、Ｂ２Ｌ＿ＦＤをモータ制御ユニット９００に出力する。Ｂ相のＨブリッジＢＢに故障が発生している場合は、どのスイッチ素子が故障したのか特定することができる。
【０１３９】
図１７に示す故障診断ユニット８７０Ｃが実行する処理は、故障診断ユニット８７０Ａと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。故障診断ユニット８７０Ｃは、故障診断ユニット８７０Ａと同様の処理を実行し、Ｃ相のＨブリッジＢＣが有するスイッチ素子の故障の有無の診断処理を実行する。故障診断ユニット８７０Ｃは、スイッチ素子ＳＷ＿Ｃ１Ｈ、ＳＷ＿Ｃ２Ｈ、ＳＷ＿Ｃ１Ｌ、ＳＷ＿Ｃ２Ｌの故障の有無を示す故障信号Ｃ１Ｈ＿ＦＤ、Ｃ２Ｈ＿ＦＤ、Ｃ１Ｌ＿ＦＤ、Ｃ２Ｌ＿ＦＤをモータ制御ユニット９００に出力する。Ｃ相のＨブリッジＢＣに故障が発生している場合は、どのスイッチ素子が故障したのか特定することができる。
【０１４０】
モータ制御ユニット９００は、故障診断ユニット８００が出力する故障信号に応じてモータ制御を変更する。例えば、モータ制御を三相通電制御から二相通電制御に切替える。例えば、故障したスイッチ素子が特定されると、その故障したスイッチ素子を含む相以外の残りの二相を用いた二相通電制御を行う。例えば、Ａ相のＨブリッジＢＡのスイッチ素子が故障したことが特定されると、モータ制御ユニット９００は、Ａ相のＨブリッジＢＡの全てのスイッチ素子をオフにする。そして残りのＢ相およびＣ相のＨブリッジＢＢおよびＢＣを用いた二相通電制御を行う。よって三相のうちの一相が故障しても、電力変換装置１０００はモータ駆動を継続できる。
【０１４１】
図１９は、三相通電制御に従って電力変換装置１０００を制御したときにモータ２００のＡ相、Ｂ相およびＣ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を例示している。図２０は、Ａ相のＨブリッジＢＡが故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１０００を制御したときにモータ２００のＢ相、Ｃ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示している。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示す。図１９、図２０の電流波形において、電気角３０°毎に電流値をプロットしている。Ｉｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表す。
【０１４２】
参考として、図２１に、Ｂ相のＨブリッジＢＢが故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１０００を制御したときにモータ２００のＡ相、Ｃ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示する。図２２に、Ｃ相のＨブリッジＢＣが故障した場合、二相通電制御に従って電力変換装置１０００を制御したときにモータ２００のＡ相、Ｂ相の各巻線に流れる電流値をプロットして得られる電流波形を例示する。
【０１４３】
本実施形態において、上述した故障診断ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃ、８３０、８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃの間での処理の順番は任意である。例えば、故障したスイッチ素子の組があるか判定してから、Ｈブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるか判定してもよいし、逆でもよい。また、それらの判定を並列に処理してもよい。
【０１４４】
また、故障診断ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃ、８３０、８５０Ａ、８５０Ｂ、８５０Ｃの全ての処理を実行せずに、一部の処理のみ実行してもよい。例えば、故障したパートがあるか判定する処理において、ＨブリッジＢＡ、ＢＢ、ＢＣのハイサイドおよびローサイドの全てのパートの故障の有無を判定する前に故障したパートがあると判定した場合は、残りのパートの故障の有無の判定は行わなくてもよい。例えば、全てのパートの故障の有無を判定する前に、ＨブリッジＢＡのハイサイドが故障している判定した場合は、残りのパートの故障の有無の判定は行わなくてもよい。ＨブリッジＢＡのハイサイドが故障していると判定した場合は、残りのハイサイドおよびローサイドに関係する処理は省略しても、故障したスイッチ素子を特定することは可能である。
【０１４５】
また、例えば故障したスイッチ素子の組があるか判定する処理において、全ての組の故障の有無を判定する前に故障した組があると判定した場合は、残りの組の故障の有無の判定は行わなくてもよい。例えば、全ての組の故障の有無を判定する前に、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈとの組が故障している判定した場合は、残りの組の故障の有無の判定は行わなくてもよい。ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌとハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈとの組が故障していると判定した場合は、残りの組に関係する処理は省略しても、故障したスイッチ素子を特定することは可能である。
【０１４６】
また、故障したパートがあるか判定するステップにおいて故障があると判定した場合は、ｎ個のＨブリッジの２ｎ−１個のスイッチ素子の組についてのみ、故障した組があるか判定してもよい。例えば、三相のＨブリッジＢＡ、ＢＢ、ＢＣに含まれる６組のうちの５組は故障していないと判定した場合は、残りの１組は故障診断を行わなくても、その残りの１組が故障していることを特定することができる。
【０１４７】
また、故障したスイッチ素子の組があるか判定するステップにおいて故障があると判定した場合は、ｎ個のＨブリッジの２ｎ個のハイサイドおよびローサイドのうちの２ｎ−１個についてのみ、故障したパートがあるか判定してもよい。例えば、三相のＨブリッジＢＡ、ＢＢ、ＢＣに含まれる６個のパートのうちの５個は故障していないと判定した場合は、残りの１個のパートは故障診断を行わなくても、その残りの１個のパートが故障していることを特定することができる。
【０１４８】
また、故障診断ユニット８７０Ａ、８７０Ｂ、８７０Ｃの処理は、故障していると判定された相についてのみ行ってもよい。
【０１４９】
このように、複数の処理の一部を省略することにより、演算量を削減することができる。演算量削減により、故障が発生したときに、より短い時間で故障に対処することができる。
【０１５０】
以下に、本開示による故障診断に用いられるアルゴリズムの妥当性を、ｄＳＰＡＣＥ社の“ラピッドコントロールプロトタイピング（ＲＣＰ）システム”およびＭａｔｈＷｏｒｋｓ社のＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋを用いて検証した結果を示す。この検証には、ベクトル制御により制御を受ける、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）装置に用いる表面磁石型（ＳＰＭ）モータのモデルが用いられた。検証においてｑ軸の電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを３Ａに設定し、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆおよび零相の電流指令値Ｉｚ＿ｒｅｆを０Ａに設定した。モータの回転速度ωは１２００ｒｐｍに設定した。シミュレーションでは、第１インバータ１２０のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌにオープン故障を時刻１．６４１ｓで発生させている。
【０１５１】
図２３から図３１に、各信号の波形のシミュレーション結果を示している。各グラフの縦軸は電圧（Ｖ）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。
【０１５２】
図２３は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した場合の実電圧ＶＡ１（上側）および実電圧ＶＡ２（下側）の波形を示している。図２４は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した場合の実電圧ＶＢ１（上側）および実電圧ＶＢ２（下側）の波形を示している。図２５は、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した場合の実電圧ＶＣ１（上側）および実電圧ＶＣ２（下側）の波形を示している。
【０１５３】
時刻１．６４１ｓでローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌがオープン故障した後、図２３に示すように実電圧ＶＡ１の下側ピーク値は上昇していることが分かる。また、実電圧ＶＡ２の上側ピーク値は上昇していることが分かる。すなわち、実電圧ＶＡ２の上側ピーク値の絶対値は大きくなる。図２４、図２５に示すように、実電圧ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＣ１、ＶＣ２は変化の度合いは小さい。
【０１５４】
正常時の動作においても、実電圧がＶｐｅａｋ／２よりもわずかに大きくなることは発生し得る。しかし、本実施形態では、Ｖｐｅａｋ／２に飽和電圧Ｖｓａｔを加算した値と、実電圧との比較を行う。このため、図２３に示す実電圧ＶＡ２のように大きく変化した実電圧が発生した場合にのみ、故障と判定することができる。正常時の動作において実電圧がＶｐｅａｋ／２より大きくなる場合は故障と判定しないことにより、故障判定の精度を高めることができる。
【０１５５】
図２６は、Ａ相のＨブリッジＢＡにおけるハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した場合のＡ相の第１実電圧ＶＡ１（上側）および第２実電圧ＶＡ２（下側）の波形を示している。図２７は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した場合のＢ相の第１実電圧ＶＢ１（上側）および第２実電圧ＶＢ２（下側）の波形を示している。図２８は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した場合のＣ相の第１実電圧ＶＣ１（上側）および第２実電圧ＶＣ２（下側）の波形を示している。
【０１５６】
時刻１．５４３ｓでＡ相のＨブリッジＢＡのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈがオープン故障した後、図２６に示すように第１実電圧ＶＡ１の上側ピーク値は低下していることが分かる。また、第２実電圧ＶＡ２の下側ピーク値は低下していることが分かる（下側ピーク値の絶対値は大きくなる）。図２７、図２８に示すように、第１実電圧ＶＢ１、ＶＣ１、第２実電圧ＶＢ２、ＶＣ２の変化の度合いは小さい。
【０１５７】
図２９は、電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆの波形を示している。図３０は、電圧指令値ＶＢ＿ｒｅｆの波形を示している。図３１は、電圧指令値ＶＣ＿ｒｅｆの波形を示している。縦軸は、電圧（Ｖ）を示している。
【０１５８】
時刻１．５４３ｓでＡ相のＨブリッジＢＡのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈがオープン故障した後、図２９に示すように電圧指令値ＶＡ＿ｒｅｆは上昇していることが分かる。図３０、図３１に示すように、電圧指令値ＶＢ＿ｒｅｆ、ＶＣ＿ｒｅｆは上昇していない。
【０１５９】
上記の実施形態では、故障診断の途中の処理においても、スイッチ素子の故障を検出することは可能である。しかし、それら途中の時点ではスイッチ素子の故障を確定させない。本実施形態では、Ｈブリッジのハイサイドおよびローサイドの中に故障したパートがあるかの判定結果と、故障したスイッチ素子の組があるかの判定結果とに基づいて、故障したスイッチ素子の確定を行う。これにより、故障診断の精度を高めることができる。
【０１６０】
本実施形態によると、Ｈブリッジが有するスイッチ素子のうちオープン故障したスイッチ素子を特定することができる。本開示の故障診断は、簡易なアルゴリズムにより実現できる。そのため、例えばコントローラへ３４０の実装において回路規模またはメモリサイズの縮小といった利点が得られる。
【０１６１】
本開示の故障診断方法は、フルブリッジタイプの電力変換装置にも好適に用いることができる。フルブリッジは、一相のＨブリッジ構造、例えば図３Ａに示す回路構造を備える。上述した故障診断方法をフルブリッジの故障診断に利用することにより、フルブリッジの故障を検知することができる。
【０１６２】
例えば、フルブリッジタイプの電力変換装置は、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈ、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌを有するＨブリッジＢＡと、ＨブリッジＢＡのスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御回路３００と、を備える。制御回路３００は、ｄｑ座標系において表現される電流・電圧を獲得し、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌの両端電圧を示す第１実電圧ＶＡ１およびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌの両端電圧を示す第２実電圧ＶＡ２を獲得し、モータの回転速度ωを獲得する。制御回路３００は、獲得した、ｄｑ座標系の電流・電圧、第１実電圧ＶＡ１、第２実電圧ＶＡ２および回転速度ωに基づいて、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈ、ハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｈ、ローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｌおよびローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ２Ｌのオープン故障を診断する。
【０１６３】
本実施形態においては、三相全てについて上述した故障診断を行わなくてもよく、一相または二相についてのみ故障診断を行ってもよい。例えば、Ａ相についてのみ故障診断を行う場合は、図５から図１７を用いて説明した処理のうちのＡ相に関する処理のみを行い、Ｂ相およびＣ相に関する処理は行わなくてもよい。
【０１６４】
（実施形態２）
図３２は、本実施形態による電動パワーステアリング装置３０００の典型的な構成を模式的に示す。
【０１６５】
自動車等の車両は一般に、電動パワーステアリング装置を有する。本実施形態による電動パワーステアリング装置３０００は、ステアリングシステム５２０、および補助トルクを生成する補助トルク機構５４０を有する。電動パワーステアリング装置３０００は、運転者がステアリングハンドルを操作することで発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより運転者の操作の負担は軽減される。
【０１６６】
ステアリングシステム５２０は例えばステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂから構成され得る。
【０１６７】
補助トルク機構５４０は、例えば操舵トルクセンサ５４１、自動車用電子制御ユニット（ＥＣＵ）５４２、モータ５４３および減速機構５４４などから構成される。操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングシステム５２０における操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は操舵トルクセンサ５４１の検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータ５４３は、動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ５４３は、減速機構５４４を介してステアリングシステム５２０に、生成した補助トルクを伝達する。
【０１６８】
ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるコントローラ３４０および駆動回路３５０などを有する。自動車ではＥＣＵを核とした電子制御システムが構築される。電動パワーステアリング装置３０００では、例えば、ＥＣＵ５４２、モータ５４３およびインバータ５４５によって、モータ駆動ユニットが構築される。そのシステムに、実施形態１によるモータモジュール２０００を好適に用いることができる。
【０１６９】
本開示の実施形態は、シフトバイワイヤ、ステアリングバイワイヤ、ブレーキバイワイヤなどのエックスバイワイヤおよびトラクションモータなどのモータ制御システムにも好適に用いられる。例えば、本開示の実施形態による故障診断方法を実装したＥＰＳは、日本政府および米国運輸省道路交通安全局（ＮＨＴＳＡ）によって定められたレベル０から５（自動化の基準）に対応した自動運転車に搭載され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本開示の実施形態は、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリング装置などの、各種モータを備える多様な機器に幅広く利用され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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