(57)【要約】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に用いる、Ｈブリッジの故障を診断する故障診断方法である。当該故障診断方法は、相電流の第１電流正弦波、第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波およびモータの回転速度に基づいて、Ｈブリッジの故障を監視するための監視信号を生成するステップと、監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成するステップと、プレ故障信号、および、プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成するステップと、を包含する。
2019240004.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、
少なくとも１つのＨブリッジを備える電力変換装置に用いる、Ｈブリッジの故障を診断する故障診断方法であって、
電流センサによって測定された相電流の第１電流正弦波、前記第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Ｈブリッジの故障を監視するための監視信号を生成するステップと、
前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成するステップと、
前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成するステップと、
を包含する故障診断方法。
【請求項２】
前記監視信号を生成するステップにおいて、前記第１電流正弦波を時間微分することにより、前記第２電流正弦波を取得する、請求項１に記載の故障診断方法。
【請求項３】
前記第１電流正弦波をローパスフィルタ処理した後で時間微分することにより、前記第２電流正弦波を取得する、請求項２に記載の故障診断方法。
【請求項４】
前記監視信号を生成するステップにおいて、前記第１電流正弦波の二乗に前記回転速度を乗算した乗算値に前記第２電流正弦波の二乗を加算することにより、前記監視信号を生成する、請求項２または３に記載の故障診断方法。
【請求項５】
前記監視信号を生成するステップにおいて、前記第１電流正弦波を時間積分することにより、前記第２電流正弦波を取得する、請求項１に記載の故障診断方法。
【請求項６】
前記監視信号を生成するステップにおいて、前記第２電流正弦波に前記回転速度を乗算した乗算値の二乗を前記第１電流正弦波の二乗に加算することにより、前記監視信号を生成する、請求項５に記載の故障診断方法。
【請求項７】
生成した前記監視信号をローパスフィルタ処理するステップをさらに包含する、請求項６に記載の故障診断方法。
【請求項８】
前記モータの制御に用いるリファレンス電流のピーク値と前記リファレンス電流の最小値との比較結果に基づいて前記アクティベーション信号を生成する、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】
前記プレ故障信号を生成するステップにおいて、前記監視信号が前記故障レベルのしきい値未満である場合、Ｈブリッジは故障状態であることを示す前記プレ故障信号を生成し、前記監視信号が前記故障レベルのしきい値以上である場合、Ｈブリッジは故障状態ではないことを示す前記プレ故障信号を生成する、請求項８に記載の故障診断方法。
【請求項１０】
前記リファレンス電流のピーク値の絶対値が前記リファレンス電流の最小値未満である場合、前記プレ故障信号を無効にする前記アクティベーション信号を生成する、請求項９に記載の故障診断方法。
【請求項１１】
前記モータを制御するモータ制御ユニットに前記故障信号を出力するステップをさらに包含する、請求項１から１０のいずれかに記載の故障診断方法。
【請求項１２】
電源からの電力を、ｎ相（ｎは３以上の整数）の巻線を有するモータに供給する電力に変換する、ｎ相のＨブリッジを備える電力変換装置に用いる、前記ｎ相のＨブリッジの故障を相毎に診断する故障診断方法であって、
請求項１から１１のいずれかに記載の故障診断方法を各相のＨブリッジに実行することにより、Ｈブリッジの故障を相毎に診断する、故障診断方法。
【請求項１３】
前記故障レベルのしきい値は、電流センサによって測定された各相の相電流のピーク値の平均値に基づいて決定される、請求項１２に記載の故障診断方法。
【請求項１４】
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、
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ブリッジのスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
電流センサによって測定された相電流の第１電流正弦波、前記第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Ｈブリッジの故障を監視するための監視信号を生成し、
前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成し、
前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成する、電力変換装置。
【請求項１５】
モータと、
請求項１４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１６】
請求項１５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】
Ｈブリッジの故障、特に、Ｈブリッジ内のスイッチ素子の開放故障を適切に検出することが望まれている。【０００７】
本開示の実施形態は、Ｈブリッジ内のスイッチ素子の開放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、少なくとも１つのＨブリッジを備える電力変換装置に用いる、Ｈブリッジの故障を診断する故障診断方法であって、電流センサによって測定された相電流の第１電流正弦波、前記第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Ｈブリッジの故障を監視するための監視信号を生成するステップと、前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成するステップと、前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成するステップと、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、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ブリッジのスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、電流センサによって測定された相電流の第１電流正弦波、前記第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波および前記モータの回転速度に基づいて、Ｈブリッジの故障を監視するための監視信号を生成し、前記監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を生成し、前記プレ故障信号、および、前記プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を生成する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の例示的な実施形態によれば、Ｈブリッジ内のスイッチ素子の開放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、例示的な実施形態１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すブロック図である。
【図２】図２は、例示的な実施形態１によるインバータユニット１００の回路構成を模式的に示す回路図である。
【図３】図３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する機能ブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、監視信号ユニット８１０Ａの機能ブロックを例示する機能ブロック図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、監視信号ユニット８１０Ｂの機能ブロックを例示する機能ブロック図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、監視信号ユニット８１０Ｃの機能ブロックを例示する機能ブロック図である。
【図５】図５は、カットオフ周波数ユニット８２０、しきい値ユニット８３０およびアクティベーション信号ユニット８４０の機能ブロックを例示する機能ブロック図である。
【図６】図６は、プレ故障信号ユニット８５０および故障信号ユニット８６０を例示する機能ブロック図である。
【図７】図７は、監視信号ユニット８１０Ａの他の機能ブロックを例示する機能ブロック図である。
【図８】図８は、Ｈブリッジに故障が生じた場合のＡ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２のレベルの変化を示す模式図である。
【図９】図９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）を例示するグラフである。
【図１０Ａ】図１０ＡはＡ相のＨブリッジが故障した場合、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するグラフである。
【図１０Ｂ】図１０ＢはＢ相のＨブリッジが故障した場合、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グラフである。
【図１０Ｃ】図１０ＣはＣ相のＨブリッジが故障した場合、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グラフである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、２５０ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、５００ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、７５０ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、１０００ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、１５００ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、１７００ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、例示的な実施形態２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Ｈブリッジの故障診断方法、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、一相若しくは二相の巻線を有するモータ、または、四相若しくは五相などの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Ｈブリッジ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、永久磁石同期モータなどの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。なお、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】
本開示は、図１に例示するモータモジュールのブロック構成に限定されず、例えば、第１インバータ１２０を制御する第１制御回路および第２インバータ１３０を制御する第２制御回路を含むブロック構成を有し得る。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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場合がある。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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ＩＡ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ＩＢ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ＩＣ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。
【００３４】
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。
【００３５】
シャント抵抗Ｓ＿Ａ２は、Ａ相電流ＩＡ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ＩＢ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ＩＣ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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
インバータユニット１００は、Ａ相、Ｂ相およびＣ相のＨブリッジを備える。各相のＨブリッジは、２つのローサイドスイッチ素子、２つのハイサイドスイッチ素子および巻線を有する。例えば、Ａ相のＨブリッジは、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】
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Ｈブリッジの故障診断を実行することにより、三相のＨブリッジの中から故障したＨブリッジを特定することができる。スイッチ素子の故障には、大きく分けて「開放故障」と「短絡故障」とがある。「開放故障」は、ＦＥＴのソース−ドレイン間が開放する故障（換言すると、ソース−ドレイン間の抵抗ｒｄｓがハイインピーダンスになること）を指し、「短絡故障」は、ＦＥＴのソース−ドレイン間が短絡する故障を指す。本開示において、Ｈブリッジの故障は、Ｈブリッジの中のスイッチ素子の開放故障を指す。例えば、Ａ相のＨブリッジのハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ａ１Ｈに開放故障が生じた場合、その故障をＡ相のＨブリッジの故障と呼ぶ。
【００４０】
例えば、制御回路３００は、故障したＨブリッジを特定すると、故障した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を通電するモータ制御に切替えることが可能である。本明細書において、三相の巻線を通電することを「三相通電制御」と呼び、二相の巻線を通電することを「二相通電制御」と呼ぶこととする。
【００４１】
〔２．Ｈブリッジの故障診断方法〕
図３から図８を参照しながら、例えば、図１に示す電力変換装置１０００に用いる、Ｈブリッジの故障を診断する故障診断方法の具体例を説明する。ただし、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。
【００４２】
汎用のプリドライバには通常、インバータ内のスイッチ素子の短絡故障を検知する故障検出回路が実装されている。例えば、測定したＦＥＴのソース−ドレイン電圧とソース−ドレインしきい値電圧とを比較することで、スイッチ素子の短絡故障は検出される。従って、スイッチ素子の短絡故障の診断は、故障検出回路を実装した駆動回路３５０を用いて行うことができる。これに対し、開放故障を検知する機能はプリドライバには実装されていない。そのため、スイッチ素子の開放故障を適切に検出する手法が望まれている。
【００４３】
本実施形態は、Ｈブリッジの４つのスイッチ素子のうちの少なくとも１つに開放故障が生じているかどうかを、回転速度ωおよび相電流のピーク値Ｉｐｅａｋの積に基づいて相毎に診断する故障診断方法を提供する。
【００４４】
Ｈブリッジの故障を診断する故障診断方法の概要は下記のとおりである。
【００４５】
ステップＡ：電流センサ１５０によって測定された相電流の第１電流正弦波、第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波およびモータの回転速度ωに基づいて、Ｈブリッジの故障を監視するための監視信号を相毎に生成する。例えば、監視信号は、測定された相電流のピーク値および回転速度ωの積の二乗によって表される。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。
【００４６】
ステップＢ：監視信号と故障レベルのしきい値との比較結果に基づいてプレ故障信号を相毎に生成する。プレ故障信号は、例えばハイアクティブの信号であり、スイッチ素子の開放故障が生じるとアサートされる信号である。
【００４７】
ステップＣ：プレ故障信号、および、プレ故障信号を有効または無効にするアクティベーション信号の論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を相毎に生成する。故障信号は、例えばハイアクティブの信号であり、スイッチ素子の開放故障が生じるとアサートされる信号である。
【００４８】
ステップＤ：故障診断ユニット８００からモータ２００を制御するモータ制御ユニット９００に故障信号を出力する。
【００４９】
上記のステップＡからＤ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。
【００５０】
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として説明する。
【００５１】
図３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４Ａは、監視信号ユニット８１０Ａの機能ブロックを例示している。図４Ｂは、監視信号ユニット８１０Ｂの機能ブロックを例示している。図４Ｃは、監視信号ユニット８１０Ｃの機能ブロックを例示している。図５は、カットオフ周波数ユニット８２０、値ユニット８３０およびアクティベーション信号ユニット８４０の機能ブロックを例示している。図６は、プレ故障信号ユニット８５０および故障信号ユニット８６０の機能ブロックを例示している。
【００５２】
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している。モータ制御およびＨブリッジの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。
【００５３】
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、例えばベクトル制御などのモータ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。
【００５４】
故障診断ユニット８００は、入力信号として、モータの回転速度ω、モータ制御に用いるリファレンス電流のピーク値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆおよび電流センサ１５０によって測定された相電流ＩＡ、ＩＢおよびＩＣを獲得する。リファレンス電流は電流指令値と呼ばれることもある。故障診断ユニット８００は、Ａ、ＢおよびＣ相の故障信号ＰｈａｓｅＡ＿ＦＤ、ＰｈａｓｅＢ＿ＦＤおよびＰｈａｓｅＣ＿ＦＤをこれらの入力信号に基づいて生成し、モータ制御ユニット９００に出力する。故障信号は、各相のＨブリッジが故障しているか否かを示す信号である。
【００５５】
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、故障信号がアサートされると、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ことが可能である。
【００５６】
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する意図でこれらの表記を解釈してはならない。
【００５７】
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。上述したように、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。
【００５８】
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させることができる。その場合、図３から図６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可能である。
【００５９】
故障診断ユニット８００は、監視信号ユニット８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃ、カットオフ周波数ユニット８２０、しきい値ユニット８３０、アクティベーション信号ユニット８４０、プレ故障信号ユニット８５０および故障信号ユニット８６０を有する。監視信号ユニット８１０Ａ、８１０Ｂおよび８１０Ｃは、実質的に同じ機能ブロックから構成される。以下、Ａ相の監視信号ユニット８１０Ａを例に、Ａ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２を生成する処理フローを説明する。
【００６０】
図４Ａに示すように、監視信号ユニット８１０Ａは、Ａ相のＨブリッジの故障を監視するための監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２を生成する。入力信号は、回転速度ωおよび電流センサ１５０によって測定されたＡ相の相電流ＩＡである。本実施形態において、相電流の電流波形は、式（１）を用いて表される正弦波である。ここで、Ｉａ＿ｐｅａｋは相電流ＩＡのピーク値である。式（１）で表される電流正弦波を第１電流正弦波と呼ぶこととする。
ＩＡ＝Ｉａ＿ｐｅａｋ・ｓｉｎ（ωｔ）      式（１）
【００６１】
監視信号ユニット８１０Ａは、例えば、プログラマブルローパスフィルタ（以降、「ＰＬＰＦ」と表記する。）８０１、８０６、８０８、８１０、８１３、二乗ユニット８０２、８０３、８０７、８１１、平方根ユニット８０５、乗算器８０４、微分ユニット８０９および加算器８１２を有する。例えば、二乗ユニット８０２は、ＰＬＰＦ８０１でフィルタ処理された第１電流正弦波を二乗する。乗算器８０４は、二乗ユニット８０３の出力ω２を二乗ユニット８０２の出力Ｉａ２に乗算することにより、ω２Ｉａ２を得る。平方根ユニット８０５は、ω２Ｉａ２の平方根ωＩａを演算し、ＰＬＰＦ８０６はωＩａをフィルタ処理する。二乗ユニット８０７は、フィルタ処理したωＩａを再度二乗することにより、フィルタ処理後のω２Ｉａ２を得る。このように、幾つかのローパスフィルタ処理を行うことにより、相電流のノイズを効果的に除去することができる。
【００６２】
ＰＬＰＦ８０１、８０６、８０８、８１０および８１３の各々はカットオフ周波数ｆｃｕｔを有する。図５に示すカットオフ周波数ユニット８２０は、例えば、ゲインユニット８２１およびＬＰＦ８２２を有する。カットオフ周波数ユニット８２０は、回転速度ωおよびゲインの乗算値に基づいてカットオフ周波数ｆｃｕｔを決定する。
【００６３】
監視信号ユニット８１０Ａは、ω２Ｉａ２の演算に並行して、第１電流正弦波の位相を９０°シフトして得られる第２電流正弦波を取得する演算を行う。位相を９０°シフトするとは、初期位相を９０°進めるまたは遅らせることを意味する。つまり、第２電流正弦波の位相は、第１電流正弦波のそれに対し９０°進むかまたは遅れる。
【００６４】
位相を９０°進める具体例は時間微分である。図４Ａのように、監視信号ユニット８１０Ａは、第１電流正弦波を時間微分することにより第２電流正弦波を取得する。監視信号ユニット８１０Ａは、微分ユニット８０９で微分演算を行う前に相電流ＩＡをＰＬＰＦ８０８によりフィルタ処理することが好ましい。このフィルタ処理により、後段の微分演算によって生じ得る、相電流ＩＡに重畳したノイズの増幅を抑制することが可能となる。微分ユニット８０９は、フィルタ処理した第１電流正弦波を時間微分し、式（２）で表される第２電流正弦波を取得する。すなわち、第１電流正弦波をローパスフィルタ処理した後で時間微分することにより、第２電流正弦波を取得する。ここで、ｄ／ｄｔは微分演算子である。
ｄＩＡ／ｄｔ＝ω・Ｉａ＿ｐｅａｋ・ｃｏｓ（ωｔ）      式（２）
【００６５】
監視信号ユニット８１０Ａは、第２電流正弦波をＰＬＰＦ８１０によりさらにフィルタ処理することが好ましい。さらなるフィルタ処理により、微分演算によって生じ得る、相電流ＩＡに重畳したノイズの増幅をより適切に抑制することが可能となる。二乗ユニット８１１は、フィルタ処理した第２電流正弦波を二乗することにより、（ｄＩＡ／ｄｔ）２を得る。加算器８１２は、式（３）に基づいて、ω２Ｉａ２に（ｄＩＡ／ｄｔ）２を加算することにより、Ａ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２を生成する。Ａ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２は、測定された相電流ＩＡのピーク値Ｉａ＿ｐｅａｋおよび回転速度ωの積の二乗によって表される。
ω２Ｉａ２＋（ｄＩＡ／ｄｔ）２＝ω２Ｉａ＿ｐｅａｋ２・ｓｉｎ２（ωｔ）＋ω２・Ｉａ＿ｐｅａｋ２・ｃｏｓ２（ωｔ）＝ω２Ｉａ＿ｐｅａｋ２    式（３）
【００６６】
式（３）に基づいて監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２を求めるとき、加算器８１２に入力する２つの信号ピークの大きさは同程度にしておくことが好ましい。図４Ａに示す加算器８１２の微分演算を含む下側ブランチ（演算パス）において、２回のフィルタ処理を実施する。これに合わせて、加算器８１２の上側ブランチにおいても２回のフィルタ処理を実施する。これにより、Ｉａ＿ｐｅａｋ２相当のピークを有する２つの入力信号を加算器８１２に与えることが可能となる。
【００６７】
監視信号ユニット８１０Ａは、生成した監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２をＰＬＰＦ８１３によってフィルタ処理することが好ましい。この最終段のフィルタ処理によって、後述する故障診断の応答性を向上させることが可能となる。Ｂ、Ｃ相の監視信号ω２Ｉｂ＿Ｐｅａｋ２、ω２Ｉｃ＿Ｐｅａｋ２は、Ａ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２と同様に生成される。図４Ｂ、４Ｃを参照されたい。
【００６８】
上述したとおり、第２電流正弦波の位相は、第１電流正弦波のそれに対し９０°遅れていてもよい。位相を９０°遅らせる具体例は、時間積分である。図７は、時間積分を用いた監視信号ユニット８１０Ａの機能ブロックを例示している。
【００６９】
監視信号ユニット８１０Ａは、微分ユニット８０９に代えて積分ユニット８２０を有することができる。監視信号ユニット８１０Ａは、積分ユニット８２０を用いて第１電流正弦波を時間積分することにより、第２電流正弦波を取得しても構わない。乗算器８０４は、第２電流正弦波の二乗に回転速度ωの二乗を乗算する。加算器８１２は、式（４）に基づいて、ＰＬＰＦ８０６でフィルタ処理した乗算器８０４の出力を、ＰＬＰＦ８１０でフィルタ処理した第１電流正弦波の二乗に加算することにより、監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２を生成することができる。
ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２＝ＩＡ２＋（ω∫ＩＡｄｔ）２＝Ｉａ＿ｐｅａｋ２      式（４）
【００７０】
監視信号ユニット８１０Ａにおいて微分演算を行う場合、監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２は、係数に回転速度ωを含むために、特に高速回転時の故障診断が容易になる。積分演算を行う場合、監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２は回転速度ωに依存しないために故障診断を容易に行うことができる。
【００７１】
故障レベルのしきい値ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌは、電流センサ１５０によって測定された相電流ＩＡ、ＩＢおよびＩＣのピーク値Ｉａ＿Ｐｅａｋ、Ｉｂ＿ＰｅａｋおよびＩｃ＿Ｐｅａｋの平均値に基づいて決定することができる。図５に示すしきい値ユニット８３０は、平均値ユニット８３１およびゲインユニット８３２を有する。しきい値ユニット８３０は、監視信号ユニット８１０Ａから出力されたω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２、監視信号ユニット８１０Ｂから出力されたω２Ｉｂ＿Ｐｅａｋ２、および、監視信号ユニット８１０Ｃから出力されたω２Ｉｃ＿Ｐｅａｋ２に基づいて故障レベルのしきい値ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌを決定する。例えば、平均値ユニット８３１は、ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２、ω２Ｉｂ＿Ｐｅａｋ２およびω２Ｉｃ＿Ｐｅａｋ２の平均値を演算する。ゲインユニット８３２はその平均値に可変ゲインを乗算することにより、ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌを決定する。例えば、しきい値ユニット８３０は、電流および回転速度の関数を適用したルックアップテーブルを用いて実現される。可変ゲインの値は、例えば０．０１から０．９５の範囲に設定される。しきい値ユニット８３０によれば、各相のピーク値を用いるために、故障診断処理のための変数を増やす必要がなくなる。
【００７２】
図５に示すアクティベーション信号ユニット８４０は、絶対値ユニット８４１および比較ユニット８４２を有する。比較ユニット８４２は、モータの制御に用いるリファレンス電流のピーク値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆとリファレンス電流の最小値Ｉ＿ｍｉｎとの比較結果に基づいてアクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌを生成する。アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌは、リファレンス電流がゼロであるか否かを示す信号である。リファレンス電流のピーク値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆは、式（５）によって与えられる。ａｂｓは絶対値の演算子である。
Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆ＝〔（２／３）１／２（Ｉｄ＿ｒｅｆ２＋Ｉｑ＿ｒｅｆ２）１／２〕＋〔ａｂｓ（Ｉｚ＿ｒｅｆ）／（３）１／２〕    式（５）
ここで、Ｉｄ＿ｒｅｆはｄｑ座標系におけるｄ軸リファレンス電流であり、Ｉｑ＿ｒｅｑはｄｑ座標系におけるｑ軸リファレンス電流である。Ｉｚ＿ｒｅｆは、ｚ相のリファレンス電流である。リファレンス電流の最小値Ｉ＿ｍｉｎは、例えば１０ｍＡ程度に設定される。
【００７３】
例えば、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌはハイアクティブの信号である。アクティベーション信号ユニット８４０の比較ユニット８４２は、Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆがＩ＿ｍｉｎ以上であるとき、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌをアサートする。比較ユニット８４２は、Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆがＩ＿ｍｉｎ未満であるとき、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌをネゲートする。
【００７４】
図８は、Ｈブリッジのスイッチ素子に開放故障が生じた場合のＡ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２のレベル変化の様子を示している。Ｈブリッジが正常であるとき、監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２のレベルは、ω２Ｉａ＿ｐｅａｋ２を示す。Ｈブリッジのスイッチ素子に開放故障が生じると、監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２のレベルは、故障レベルのしきい値ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌ未満のゼロに近いレベルまで降下する。その信号レベルは、正常時の信号レベルよりもずっと小さい。本明細書では、この信号レベルの変化に要す時間を「検出時間（Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ｔｉｍｅ）」と呼ぶこととする。検出時間が早いほど、故障を検知する感応性または応答性は良い。既に述べたとおり、生成した監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２をＰＬＰＦによってフィルタ処理することにより、応答性を向上させることが可能となる。
【００７５】
図６に示すプレ故障信号ユニット８５０は、３つの比較器８５１を有する。３つの比較器８５１は、Ａ、ＢおよびＣ相のプレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤ、Ｂ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤおよびＣ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤをそれぞれ生成する。例えば、Ａ相の監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２が故障レベルのしきい値ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌ未満である場合、Ａ相の比較器８５１は、Ｈブリッジは故障状態であることを示すプレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤを生成する。監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２が故障レベルのしきい値ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌ以上である場合、Ａ相の比較器８５１は、Ｈブリッジは故障状態ではないことを示すプレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤを生成する。
【００７６】
例えば、プレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤはハイアクティブの信号である。故障が発生すると、プレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤはアサートされる。アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌは、プレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤを有効または無効にするために用いられる。プレ故障信号ユニット８５０は、Ｂ、Ｃ相のプレ故障信号Ｂ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤ、Ｃ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤもＡ相と同様に生成する。
【００７７】
図６に示す故障信号ユニット８６０は、３つのＡＮＤユニット８６１を有する。ＡＮＤユニット８６１は、プレ故障信号、および、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌの論理積を演算することにより、Ｈブリッジが故障しているか否かを示す故障信号を相毎に生成する。例えば、Ａ相のＡＮＤユニット８６１は、Ａ相のプレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤ、および、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌの論理積を演算することにより、Ａ相のＨブリッジが故障しているか否かを示す故障信号ＰｈａｓｅＡ＿ＦＤを生成する。故障信号ユニット８６０は、Ｂ、Ｃ相の故障信号ＰｈａｓｅＢ＿ＦＤ、ＰｈａｓｅＣ＿ＦＤもＡ相と同様に生成し、それらをモータ制御ユニット９００に出力する。
【００７８】
リファレンス電流のピーク値Ｉｐｅａｋ＿ｒｅｆの絶対値がリファレンス電流の最小値Ｉ＿ｍｉｎ未満である場合、プレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤを無効にするアクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌが生成される。その場合、プレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤはアサートされた状態であっても、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌによってマスクされる。例えば、正常時のモータ駆動に、正弦波であるリファレンス電流は周期的にゼロに近い値になる。その結果、監視信号ω２Ｉａ＿Ｐｅａｋ２のレベルは、故障レベルのしきい値ＦＤ＿Ｌｅｖｅｌ未満になり得る。Ｈブリッジは故障していなくても、プレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤはアサートされる。これを回避するために、アクティベーション信号Ｚｅｒｏ＿Ｌｅｖｅｌでプレ故障信号Ａ＿Ｌｅｖｅｌ＿ＦＤをマスクすることにより、故障信号ＰｈａｓｅＡ＿ＦＤをネゲート状態に維持できる。
【００７９】
図９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１０Ａは、Ａ相のＨブリッジが故障した場合、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９、図１０Ａ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は相電流のピーク値を表す。
【００８０】
参考として、図１０Ｂに、Ｂ相のＨブリッジが故障した場合、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１０Ｃに、Ｃ相のＨブリッジが故障した場合、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。
【００８１】
例えば、モータ制御ユニット９００は、正常時、つまり、故障信号ＰｈａｓｅＡ＿ＦＤ、ＰｈａｓｅＢ＿ＦＤおよびＰｈａｓｅＣ＿ＦＤの全てがネゲートされている場合、三相通電制御を行う。これに対し、例えば、故障信号ＰｈａｓｅＡ＿ＦＤがアサートされると、モータ制御ユニット９００は、故障したＡ相のＨブリッジ以外のＢ、Ｃ相のＨブリッジを用いて巻線Ｍ２、Ｍ３を通電する二相通電制御を行うことができる。これにより、三相のうちの一相のＨブリッジが故障したとしても、電力変換装置１０００はモータ駆動を継続することができる。
【００８２】
以下に、本開示によるＨブリッジの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。電流および回転速度の異なる条件下でＡ相のＨブリッジの故障診断における検出時間を検証した。ｄ軸のリファレンス電流Ｉｄ＿ｒｅｆおよびｚ相のリファレンス電流Ｉｚ＿ｒｅｆを０Ａに設定し、ｑ軸のリファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆを変化させた。
【００８３】
モータを２５０、５００、７５０、１０００、１５００および１７００ｒｐｍで回転させた場合において、０Ａから２０Ａまでの範囲のリファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間をそれぞれ検証した。
【００８４】
図１１Ａから図１１Ｆは、２５０、５００、７５０、１０００、１５００および１７００ｒｐｍでモータを回転させるときの、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆに対する検出時間のシミュレーション結果をそれぞれ示している。グラフの縦軸は、検出時間（ｍｓ）を示し、横軸は、リファレンス電流Ｉｑ＿ｒｅｆ（Ａ）を示す。
【００８５】
例えば、車載に搭載されるＥＰＳシステムの規格によれば、２０ｍｓ以下の検出時間が求められる。シミュレーション結果から、低速回転から高速回転までのモータ駆動範囲、かつ、低トルクから高トルクまでのモータ駆動範囲において、市場要求を十分に満足する検出時間が得られることが分かる。
【００８６】
従来、Ｈブリッジのスイッチ素子が開放故障した場合、相電流に重畳されるノイズの影響により、開放故障を正確に検出することは困難であった。また、Ｈブリッジは正常に機能している場合であっても、相電流は正弦波であるので、その電流値は周期的にゼロとなる。そのことが、開放故障を正確に検出することをより一層困難にしていた。
【００８７】
本実施形態によると、相電流のピーク値と回転速度の積の二乗または相電流のピーク値の二乗に基づく監視信号を監視する。これにより、時間依存による相電流の変動を考慮せずにＨブリッジの故障を容易に診断することが可能となる。さらに、生成した監視信号をローパスフィルタ処理することにより、故障検知の応答性または感応性を向上させることができる。
【００８８】
（実施形態２）
図１２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。
【００８９】
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によって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。
【００９０】
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。
【００９１】
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は駆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。
【００９２】
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。
【００９３】
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】
【００９４】
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３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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