JP2011205838A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の電流検出手段を用いた場合でも、すべての相の上段および下段のスイッチング素子のＯＮ故障を検出でき、かつ、故障を迅速に検出することが可能なモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動手段１０１にＰＷＭ信号を出力する制御手段１０２は、上段回生時異常判定手段１０３と、下段回生時異常判定手段１０４と、通常時異常判定手段１０５と、デューティ制限手段１０６とを有する。上段回生時異常判定手段１０３および下段回生時異常判定手段１０４は回生時の異常電流を検出し、通常時異常判定手段１０５は回生時以外の通常時の異常電流を検出する。これらの異常判定手段１０３〜１０５のいずれかが異常電流を検出した場合、デューティ制限手段１０６は、各相のＰＷＭ信号のデューティを所定範囲内に制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御方式を用いたモータ駆動装置に関し、特に、単一の電流検出手段を用いて各相の電流値を検出するモータ駆動装置に関する。

車両の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制御方式によるモータ駆動装置が知られている（例えば特許文献１）。

ＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置では、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３組設けられる。また、トルクセンサで検出された操舵トルクに応じてモータに流すべき電流の目標値を算出し、この目標値とモータに実際に流れる電流の値との偏差に基づいて、所定のデューティを持つＰＷＭ信号を生成する。そして、このＰＷＭ信号による各スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作に基づいて、モータを駆動する。

特許文献１のモータ駆動装置においては、モータに流れる電流を検出するための電流検出抵抗（シャント抵抗）が、各相の下アームにそれぞれ設けられている。すなわち、電流検出抵抗は３個設けられており、各抵抗の両端電圧を測定することにより、モータに実際に流れる電流が検出される。また、特許文献２には、過電流検出機能を備えたモータ駆動装置が記載されており、本装置においても下アームのそれぞれに電流検出抵抗が設けられている。これに対して、単一の電流検出抵抗を用いたモータ駆動装置が知られている（例えば特許文献３）。

図２０は、単一の電流検出抵抗を用いたＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置の一例を示している。電源回路１は、整流回路や平滑回路等から構成され、出力端にコンデンサＣが接続されている。スイッチング回路２は、上下一対のアームがＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して３組設けられた３相ブリッジから構成されている。Ｕ相の上アームＡ１はスイッチング素子Ｑ１を有し、Ｕ相の下アームＡ２はスイッチング素子Ｑ２を有している。Ｖ相の上アームＡ３はスイッチング素子Ｑ３を有し、Ｖ相の下アームＡ４はスイッチング素子Ｑ４を有している。Ｗ相の上アームＡ５はスイッチング素子Ｑ５を有し、Ｗ相の下アームＡ６はスイッチング素子Ｑ６を有している。これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）からなる。

モータＭは、例えば車両の電動パワーステアリング装置に用いられる３相ブラシレスモータである。モータＭに流れる電流を検出するための電流検出抵抗Ｒは、電源回路１とスイッチング回路２との間に接続されている。差動アンプ等から構成される増幅回路５は、電流検出抵抗Ｒの両端の電圧を増幅し、ＣＰＵ４へ出力する。ＣＰＵ４は、増幅回路５から与えられる電圧に基づいて算出した検出電流値と、トルクセンサ（図示省略）から与えられる操舵トルクに基づいて算出した目標電流値とに基づいて、各相のＰＷＭ信号のデューティに応じたデューティ設定値を算出する。そして、このデューティ設定値と鋸歯状のキャリア信号とに基づいて生成した各相のＰＷＭ信号を、ドライバＩＣ３へ供給する。ドライバＩＣ３は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を個別にＯＮ・ＯＦＦさせるための各相のＰＷＭ信号を、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートへ出力する。このＰＷＭ信号に基づくスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のＯＮ・ＯＦＦにより、スイッチング回路２からモータＭへ３相電圧が供給され、モータＭが回転する。

上記のような単一の電流検出抵抗Ｒを用いたモータ駆動装置の場合、通常時にモータＭに流れる電流の検出は、図２１の回路状態でＵ相電流を検出し、図２２の回路状態でＷ相電流を検出することにより行われる。なお、ここでは、Ｕ相をデューティが最も大きい最大相、Ｖ相をデューティが中間の中間相、Ｗ相をデューティが最も小さい最小相とする。

Ｕ相電流の検出は、図２１に示すように、上アームのスイッチング素子（以下、「上段スイッチング素子」という）Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がそれぞれＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦで、下アームのスイッチング素子（以下、「下段スイッチング素子」という）Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がそれぞれＯＦＦ、ＯＮ、ＯＮの期間において行われる。このとき、モータＭには矢印で示す経路で電流が流れ、電流検出抵抗ＲにＵ相電流が流れる。このＵ相電流によって電流検出抵抗Ｒの両端に生じる電圧が、増幅回路５（図２０）を介してＣＰＵ４に入力され、ＣＰＵ４においてＡＤ変換されることで、Ｕ相電流値が検出される。

Ｗ相電流の検出は、図２２に示すように、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がそれぞれＯＮ、ＯＮ、ＯＦＦで、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がそれぞれＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮの期間において行われる。このとき、モータＭには矢印で示す経路で電流が流れ、電流検出抵抗ＲにＷ相電流が流れる。このＷ相電流によって電流検出抵抗Ｒの両端に生じる電圧が、増幅回路５（図２０）を介してＣＰＵ４に入力され、ＣＰＵ４においてＡＤ変換されることで、Ｗ相電流値が検出される。

また、Ｖ相電流値については、Ｕ相電流値とＷ相電流値とから、計算により求められる。すなわち、Ｕ相電流値をＩｕ、Ｖ相電流値をＩｖ、Ｗ相電流値をＩｗとしたとき、これらの間には、次の関係が成立する。
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０
したがって、Ｖ相電流値Ｉｖは、
Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｖ）
として算出することができる。

上述したモータ駆動装置において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が、素子自体の異常によりＯＮ状態のままとなり、ＯＦＦ状態に戻らなくなることがある。また、素子自体は正常であっても、素子にＰＷＭ信号を与えるドライバＩＣ３やＣＰＵ４が異常でＯＮ信号を出力し続けることにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＯＮ状態のままとなり、ＯＦＦ状態に戻らなくなることがある。このようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＯＮ状態のままとなる故障を、以下では「ＯＮ故障」と呼ぶことにする。

図２３は、各相ごとの上段スイッチング素子および下段スイッチング素子のＯＮ故障検出可否を示した表である。「上段短絡」は上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５のＯＮ故障を意味し、「下段短絡」は下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６のＯＮ故障を意味している。また、「通常電流検出（１）」は、図２１のタイミングにおける電流検出を意味し、「通常電流検出（２）」は、図２２のタイミングにおける電流検出を意味している。

図２３において、通常電流検出（１）の場合のＯＮ故障検出可否の詳細は、以下の通りである。

最大相（Ｕ相）については、図２１のように上段スイッチング素子Ｑ１はＯＮ状態にあり、通常動作と上段短絡との区別ができないため、上段短絡を検出できない。一方、下段スイッチング素子Ｑ２は通常動作時にＯＦＦ状態にあるため、素子Ｑ２にＯＮ故障が発生すると、素子Ｑ１、Ｑ２を介して電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので、下段短絡を検出できる。

中間相（Ｖ相）については、図２１のように通常動作時に上段スイッチング素子Ｑ３はＯＦＦ状態にあるため、素子Ｑ３にＯＮ故障が発生すると素子Ｑ３、Ｑ４を介して電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので、上段短絡を検出できる。一方、下段スイッチング素子Ｑ４はＯＮ状態にあり、通常動作と下段短絡との区別ができないため、下段短絡を検出できない。

最小相（Ｗ相）については、図２１のように通常動作時に上段スイッチング素子Ｑ５はＯＦＦ状態にあるため、素子Ｑ５にＯＮ故障が発生すると、素子Ｑ５、Ｑ６を介して電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので、上段短絡を検出できる。一方、下段スイッチング素子Ｑ６はＯＮ状態にあり、通常動作と下段短絡との区別ができないため、下段短絡を検出できない。

次に、通常電流検出（２）の場合のＯＮ故障検出可否の詳細は、以下の通りである。

最大相（Ｕ相）については、図２２のように上段スイッチング素子Ｑ１はＯＮ状態にあり、通常動作と上段短絡との区別ができないため、上段短絡を検出できない。一方、下段スイッチング素子Ｑ２は通常動作時にＯＦＦ状態にあるため、素子Ｑ２にＯＮ故障が発生すると、素子Ｑ１、Ｑ２を介して電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので、下段短絡を検出できる。

中間相（Ｖ相）については、図２２のように通常動作時に上段スイッチング素子Ｑ３はＯＮ状態にあり、通常動作と上段短絡との区別ができないため、上段短絡を検出できない。一方、下段スイッチング素子Ｑ４はＯＦＦ状態にあるため、素子Ｑ４にＯＮ故障が発生すると、素子Ｑ３、Ｑ４を介して電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので、下段短絡を検出できる。

最小相（Ｗ相）については、図２２のように通常動作時に上段スイッチング素子Ｑ５はＯＦＦ状態にあるため、素子Ｑ５にＯＮ故障が発生すると、素子Ｑ５、Ｑ６を介して電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので、上段短絡を検出できる。一方、下段スイッチング素子Ｑ６はＯＮ状態にあり、通常動作と下段短絡との区別ができないため、下段短絡を検出できない。

特開２００７−２４４１３３号公報 特許第３４８４９６８号公報 特開２００９−１３１０９８号公報

以上のように、単一の電流検出抵抗Ｒを用いて、通常電流検出（１）、（２）の２つのタイミングでモータ電流を検出する場合、図２３の太枠で示すように、最大相（Ｕ相）の上段スイッチング素子Ｑ１のＯＮ故障（上段短絡）と、最小相（Ｗ相）の下段スイッチング素子Ｑ６のＯＮ故障（下段短絡）を検出できないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、単一の電流検出手段を用いた場合でも、すべての相について、上段スイッチング素子および下段スイッチング素子のＯＮ故障を検出することが可能なモータ駆動装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＰＷＭ信号のデューティが１００％や０％（またはそれらの付近）となることに起因して回生時に電流検出が不能となるのを回避し、故障を迅速に検出することが可能なモータ駆動装置を提供することにある。

本発明に係るモータ駆動装置は、図１に示すように、上アームと下アームにそれぞれスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有する上下一対のアームが少なくとも３組設けられ、ＰＷＭ信号による各スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作に基づいてモータＭを駆動する駆動手段１０１と、この駆動手段１０１に流れる電流を検出するための単一の電流検出抵抗Ｒと、この電流検出抵抗Ｒに流れる電流に基づいて、モータＭの各相に流れる電流の電流値を検出し、各相の目標電流値と各相の検出電流値とに基づいて各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にＰＷＭ信号を出力する制御手段１０２とを備える。制御手段１０２は、さらに、上段回生時異常判定手段１０３と、下段回生時異常判定手段１０４と、通常時異常判定手段１０５と、デューティ制限手段１０６とを有する。

上段回生時異常判定手段１０３は、すべての相の上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がＯＮ状態で、かつ、すべての相の下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がＯＦＦ状態である上段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出し、当該検出結果に基づいて異常を判定する。例えば、電流検出抵抗Ｒに流れる電流の電流値が所定値以上である場合に、下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の少なくとも１つがＯＮ故障であると判定する。

下段回生時異常判定手段１０４は、すべての相の上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がＯＦＦ状態で、かつ、すべての相の下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がＯＮ状態である下段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出し、当該検出結果に基づいて異常を判定する。例えば、電流検出抵抗Ｒに流れる電流の電流値が所定値以上である場合に、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の少なくとも１つがＯＮ故障であると判定する。

通常時異常判定手段１０５は、上段回生状態および下段回生状態を除く通常状態において、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出し、当該検出結果に基づいて異常を判定する。

デューティ制限手段１０６は、上段回生時異常判定手段１０３、下段回生時異常判定手段１０４、通常時異常判定手段１０５の少なくとも１つが異常電流を検出した場合に、各相のＰＷＭ信号のデューティの最大値が一定値α（α＜１００％）以下で、かつ、最小値が一定値β（β＞０％）以上となるようにデューティを制限する。

本発明では、各相の上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がすべてＯＮの上段回生状態において、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の少なくとも１つがＯＮ故障すると、本来流れるはずのない電流が電流検出抵抗Ｒに流れる。また、各相の下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がすべてＯＮの下段回生状態において、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の少なくとも１つがＯＮ故障した場合も、本来流れるはずのない電流が電流検出抵抗Ｒに流れる。したがって、従来の通常電流検出（図２１、図２２）に、上段回生時および下段回生時の電流検出を追加することにより、すべての相についてＯＮ故障の検出が可能となる。

また、本発明では、異常判定手段１０３〜１０５の少なくとも１つが異常を判定すると、デューティ制限手段１０６が各相のＰＷＭ信号のデューティを所定範囲内に制限するので、各相のデューティが１００％や０％（またはそれらの近傍）となることがない。このため、電流検出に必要な時間を確保して回生時の異常電流を検出することができ、故障の迅速な検出が可能となる。

本発明では、デューティ制限手段１０６によりデューティを制限している間に、上段回生時異常判定手段１０３、下段回生時異常判定手段１０４または通常時異常判定手段１０５が異常を判定した場合に、制御手段１０２により、故障が発生したと判断するようにしてもよい。

好ましくは、制御手段１０２は、デューティ制限手段１０６によりデューティを制限した後、上段回生時異常判定手段１０３、下段回生時異常判定手段１０４または通常時異常判定手段１０５により複数周期にわたって所定回数連続して異常が判定された場合に、故障が発生したと判断する。これは、故障判定の精度を向上させる上で有効である。

本発明の好ましい実施形態においては、デューティ制限手段１０６は、デューティの制限を行った後、各異常判定手段１０３〜１０５により異常電流が検出されない状態が一定時間継続した場合に、デューティの制限を解除して各相のＰＷＭ信号のデューティを元の状態に戻す。

このようにすると、モータＭがいつまでも低パワーで駆動され続けることがなく、モータ駆動力を速やかに回復させることができる。

本発明において、下段回生時異常判定手段１０４は、下段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに当該抵抗からモータＭへ向かう方向の所定値以上の電流が流れたことが検出された場合に、モータＭの地絡故障と判定するようにしてもよい。

これによると、下段回生時の電流検出を利用して、モータＭの地絡故障を検出することができる。

また、本発明において、下段回生時異常判定手段１０４は、下段回生状態において、電流検出抵抗ＲにモータＭから当該抵抗へ向かう方向の所定値以上の電流が流れたことが検出された場合に、モータＭの電源短絡故障と判定するようにしてもよい。

これによると、下段回生時の電流検出を利用して、モータＭの電源短絡故障を検出することができる。

本発明によれば、単一の電流検出手段を用いた場合でも、すべての相について、上段スイッチング素子および下段スイッチング素子のＯＮ故障を検出することが可能なモータ駆動装置を提供することができる。また、デューティの制限により回生時にも異常電流を確実に検出できるため、故障を迅速に検出することが可能となる。

本発明に係るモータ駆動装置の基本構成を示した図である。 本発明における電流検出のタイミングを説明する図である。 本発明における各相ごとのＯＮ故障検出可否を示した表である。 通常電流検出（１）における電流経路を示した図である。 通常電流検出（２）における電流経路を示した図である。 上段回生状態（正常時）における電流経路を示した図である。 上段回生状態（故障時）における電流経路を示した図である。 下段回生状態（正常時）における電流経路を示した図である。 下段回生状態（故障時）における電流経路を示した図である。 ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近である場合の電流検出を説明する図である。 ＰＷＭ信号のデューティが０％付近である場合の電流検出を説明する図である。 デューティを制限しない場合の各相のデューティを表した図である。 デューティを制限した場合の各相のデューティを表した図である。 正常時のＰＷＭ信号を表したタイミングチャートである。 異常時のＰＷＭ信号を表したタイミングチャートである。 正常時の他のＰＷＭ信号を表したタイミングチャートである。 異常時の他のＰＷＭ信号を表したタイミングチャートである。 下段回生時における地絡故障の検出を説明する図である。 下段回生時における電源短絡故障（天絡故障）の検出を説明する図である。 単一の電流検出抵抗を用いたＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置の一例を示した図である。 Ｕ相電流の検出を説明する図である。 Ｗ相電流の検出を説明する図である。 従来における各相ごとのＯＮ故障検出可否を示した表である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。モータ駆動装置の回路構成は、図２０に示したものと同じである。したがって、以下では、図２０を本発明の実施形態として引用する。なお、図２０の各部については、すでに説明したので、ここでは詳細説明を省略する。

図１と図２０の対応関係は、次の通りである。図１の駆動手段１０１は、図２０のスイッチング回路２に対応している。図１の制御手段１０２は、図２０のドライバＩＣ３、ＣＰＵ４、増幅回路５を含む回路の一部に対応している。図１の上段回生時異常判定手段１０３、下段回生時異常判定手段１０４、通常時異常判定手段１０５、デューティ制限手段１０６の各機能は、図２０のＣＰＵ４に備わっている。

次に、本発明におけるモータ電流の検出と、スイッチング素子のＯＮ故障の検出について説明する。

図２は、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出するタイミングを説明する図である。電流検出は、４つのタイミングＴ１〜Ｔ４において行われる。なお、ここでいう「タイミング」とは、電流検出が可能な時間幅（例えば２μｓｅｃ）を持つ「期間」を意味している。

Ｔ１は、図２１で説明した通常時における通常電流検出（１）のタイミングである。このタイミングＴ１では、上段スイッチング素子Ｑ１がＯＮ、Ｑ３がＯＦＦ、Ｑ５がＯＦＦの状態で、電流検出抵抗Ｒに最大相（ここではＵ相）の電流が流れる。このときの各相の電流経路は、図４の破線で示す通りである。なお、図４のＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗは、それぞれ、モータＭに備わるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線であり、ＢＡＴは電源である（以下の図においても同様）。電流検出抵抗Ｒに流れる電流により当該抵抗Ｒの両端に生じる電圧が、増幅回路５（図２０）を介してＣＰＵ４に入力され、ＣＰＵ４においてＡＤ変換されることで、Ｕ相電流値が検出される。また、通常時異常判定手段１０５は、タイミングＴ１において電流検出抵抗Ｒに流れる電流の値が所定値以上であるときに、異常と判定する。このときの異常は、図２３で説明したとおり、最大相の下段スイッチング素子Ｑ２のＯＮ故障、中間相の上段スイッチング素子Ｑ３のＯＮ故障、または最小相の上段スイッチング素子Ｑ５のＯＮ故障である。

Ｔ２は、図２２で説明した通常時における通常電流検出（２）のタイミングである。このタイミングＴ２では、上段スイッチング素子Ｑ１がＯＮ、Ｑ３がＯＮ、Ｑ５がＯＦＦの状態で、電流検出抵抗Ｒに最小相（ここではＷ相）の電流が流れる。このときの各相の電流経路は、図５の破線で示す通りである。電流検出抵抗Ｒに流れる電流により当該抵抗Ｒの両端に生じる電圧が、増幅回路５（図２０）を介してＣＰＵ４に入力され、ＣＰＵ４においてＡＤ変換されることで、Ｗ相電流値が検出される。また、通常時異常判定手段１０５は、タイミングＴ２において電流検出抵抗Ｒに流れる電流の値が所定値以上であるときに、異常と判定する。このときの異常は、図２３で説明したとおり、最大相の下段スイッチング素子Ｑ２のＯＮ故障、中間相の下段スイッチング素子Ｑ４のＯＮ故障、または最小相の上段スイッチング素子Ｑ５のＯＮ故障である。

Ｔ３は、本発明で新たに追加される上段回生時電流検出のタイミングである。このタイミングＴ３では、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がすべてＯＮ状態（このとき、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６はすべてＯＦＦ状態）である上段回生状態で、電流検出抵抗Ｒに流れる電流が検出される。正常時の上段回生状態における電流経路は、図６のようになる。すなわち、モータＭの巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗに蓄積された電気エネルギーに基づく回生電流が、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を介して破線で示す経路を回流し、電流検出抵抗Ｒには電流が流れない。

一方、下段スイッチング素子、例えば最小相（Ｗ相）の下段スイッチング素子Ｑ６にＯＮ故障が発生した場合は、図７のように、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６が共にＯＮとなる。そして、電源ＢＡＴからスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６を介して、本来流れるはずのない電流が、破線で示す経路で電流検出抵抗Ｒに流れる。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４がＯＮ故障した場合も同様である。したがって、この電流を検出することによって、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６のＯＮ故障を検出することができる。この場合、上段回生時異常判定手段１０３（図１）は、上段回生時に電流検出抵抗Ｒに流れる電流の電流値が所定値以上であるときに、異常（下段スイッチング素子のＯＮ故障）と判定する。

Ｔ４は、本発明で新たに追加される下段回生時電流検出のタイミングである。このタイミングＴ４では、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がすべてＯＦＦ状態（このとき、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６はすべてＯＮ状態）である下段回生状態で、電流検出抵抗Ｒに流れる電流が検出される。正常時の下段回生状態における電流経路は、図８のようになる。すなわち、モータＭの巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗに蓄積された電気エネルギーに基づく回生電流が、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６を介して破線で示す経路を回流し、電流検出抵抗Ｒには電流が流れない。

一方、上段スイッチング素子、例えば最大相（Ｕ相）の上段スイッチング素子Ｑ１にＯＮ故障が発生した場合は、図９のように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が共にＯＮとなる。そして、電源ＢＡＴからスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を介して、本来流れるはずのない電流が、破線で示す経路で電流検出抵抗Ｒに流れる。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ５がＯＮ故障した場合も同様である。したがって、この電流を検出することによって、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５のＯＮ故障を検出することができる。この場合、下段回生時異常判定手段１０４（図１）は、下段回生時に電流検出抵抗Ｒに流れる電流の電流値が所定値以上であるときに、異常（上段スイッチング素子のＯＮ故障）と判定する。

図３は、各相ごとの上段スイッチング素子および下段スイッチング素子のＯＮ故障検出可否を示した表である。図２３と同様、「上段短絡」は上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５のＯＮ故障を意味し、「下段短絡」は下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６のＯＮ故障を意味している。

通常電流検出（１）の場合のＯＮ故障検出可否と、通常電流検出（２）の場合のＯＮ故障検出可否については、図２３と同じであるので、説明は省略する。

上段回生時電流検出の場合のＯＮ故障検出可否は、以下の通りである。上段回生時は、図６のように、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５はすべてＯＮ状態にあり、通常動作と上段短絡との区別ができないため、すべての相について上段短絡を検出できない。一方、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６はすべてＯＦＦ状態にあり、前記のとおり、いずれかの下段スイッチング素子にＯＮ故障が発生すると、電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので（図７）、下段短絡を検出できる。

下段回生時電流検出の場合のＯＮ故障検出可否は、以下の通りである。下段回生時は、図８のように、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６はすべてＯＮ状態にあり、通常動作と下段短絡との区別ができないため、すべての相について下段短絡を検出できない。一方、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５はすべてＯＦＦ状態にあり、前記のとおり、いずれかの上段スイッチング素子にＯＮ故障が発生すると、電流検出抵抗Ｒに過電流が流れるので（図９）、上段短絡を検出できる。

このように、本実施形態によれば、通常時における通常電流検出（１）と通常電流検出（２）に加えて、上段回生時と下段回生時に電流検出を行っている。そのため、図３の太枠で示すように、最大相の上段スイッチング素子Ｑ１のＯＮ故障（図９）と、最小相の下段スイッチング素子Ｑ６のＯＮ故障（図７）についても検出が可能となる。この結果、すべての相に対して、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５のＯＮ故障、および下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６のＯＮ故障を検出することができる。

ところで、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出するためには、ある程度の検出時間が必要である。しかしながら、モータMが高速で回転している場合（高速操舵時）は、ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近や０％付近となって、回生時の電流検出ができなくなることがある。例えば、図１０に示すように、最大相の上段ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近である場合は、当該ＰＷＭ信号のＯＦＦ期間がタイミングＴ４の時間幅より短くなって、下段回生時の電流検出が不可能となる。この結果、最大相の上段スイッチング素子Ｑ１のＯＮ故障が検出できなくなる。また、図１１に示すように、最小相の上段ＰＷＭ信号のデューティが０％付近である場合は、当該ＰＷＭ信号のＯＮ期間がタイミングＴ３の時間幅より短くなって、上段回生時の電流検出が不可能となる。この結果、最小相の下段スイッチング素子Ｑ６のＯＮ故障が検出できなくなる。

そこで、本実施形態においては、異常電流が検出された場合に、各相のＰＷＭ信号のデューティを一定範囲内に制限することによって、上記の不具合が生じないようにしている。

本実施形態の場合、異常電流の検出は、ＰＷＭ信号の１周期において、図２のように通常時（Ｔ１，Ｔ２）と、上段回生時（Ｔ３）と、下段回生時（Ｔ４）の４つのタイミングで行われる。そして、いずれのタイミングにおいても異常電流が検出されないときは、デューティ制限は行われない。図１２は、デューティを制限しない場合の各相のデューティを表した図であり、各相のデューティの最大値は１００％（近傍を含む）、最小値は０％（近傍を含む）となっている。

一方、Ｔ１〜Ｔ４のいずれかのタイミングで異常電流が検出されると、デューティ制限が行われる。図１３は、デューティを制限した場合の各相のデューティを表した図である。各相のデューティは、最大値が一定値α（α＜１００％）以下で、最小値が一定値β（β＞０％）以上となるように制限される。ここでは、一例として、α＝９０％、β＝１０％となっている。

このようにデューティを制限するのは、次のような理由による。タイミングＴ１〜Ｔ４のいずれかで異常電流が検出された場合は、短絡等の故障が発生した可能性が高いが、ノイズや誤動作が原因で偶発的に異常電流が検出される場合もある。そこで、故障判定の精度を上げるために、複数周期にわたって所定回数連続して異常電流が検出された場合に故障が発生したと判定する。しかし、故障発生時にＴ１〜Ｔ４のどのタイミングで異常電流が検出されるかは、故障の状況やモータの回転状態に応じて変わってくる。このため、ある周期において異常電流が検出されても、次の周期において異常電流の検出されるタイミングが、図１０のＴ４や図１１のＴ３であった場合は、前述したように、最大相のＯＦＦ期間や最小相のＯＮ期間が短いために、異常電流を検出することができない。その結果、故障と判定するまでに時間的な遅れが生じ、異常電流を検出できない状態が長く続くと、素子の破壊を招くことになる。そこで、Ｔ１〜Ｔ４のいずれかで異常電流が検出された場合に、各相のデューティに制限をかけ、最大相のデューティを減少させるとともに、最小相のデューティを増加させる。これによって、最大相のＯＦＦ期間や最小相のＯＮ期間が長くなるので、以降も異常電流を継続的に検出することができ、故障の迅速な検出が可能となる。

以下、本発明におけるデューティ制限について、図１４〜図１７を参照しながらさらに具体的に説明する。

まず、第１の例について説明する。図１４は、Ｕ相（最大相）の上段スイッチング素子Ｑ１のデューティが１００％付近、Ｖ相（中間相）の上段スイッチング素子Ｑ３のデューティが５０％、Ｗ相（最小相）の上段スイッチング素子Ｑ５のデューティが１０％である場合の、正常時のＰＷＭ信号を表している。この状態では異常電流は検出されておらず、各相のＰＷＭ信号のデューティは制限されずに一定値を維持する。

図１５は、異常電流が検出された場合のＰＷＭ信号を表している。ここでは、タイミングＴａ（上段回生時）において、電流検出抵抗Ｒに流れる電流の値が所定値以上であることが、上段回生時異常判定手段１０３で検出されたとする。なお、タイミングＴａは図２のタイミングＴ３に対応している。また、タイミングＴｂ１では、電流検出のために必要な時間に対して、Ｕ相（最大相）のＯＦＦ期間が短いので、電流検出ができていない。タイミングＴａで異常電流が検出されると、デューティ制限手段１０６は、タイミングｔ４以降の各相のＰＷＭ信号のデューティが所定範囲内となるようにデューティ制限を行う。すなわち、Ｕ相（最大相）のデューティを減少させて例えば８０％とするとともに、Ｗ相（最小相）のデューティを増加させて例えば２０％とする。Ｖ相（中間相）のデューティ５０％はそのままである。

このようにデューティを制限することによって、異常電流検出後の次の周期（ｔ４−ｔ５区間）からは、Ｕ相の上段スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ期間が長くなるので、タイミングＴｂ２において、下段回生時の異常電流を確実に検出することができる。また、Ｗ相の上段スイッチング素子Ｑ５のＯＮ期間が長くなるので、上段回生時の異常電流も確実に検出することができる。なお、図１５の場合は、Ｗ相のデューティが１０％であっても電流検出ができているので（ｔ３−ｔ４区間参照）、Ｗ相のデューティは必ずしも増加させなくてよい。

また、デューティ制限手段１０６は、デューティの制限を行った後（ｔ４以降）に、異常電流が検出されない状態が一定時間継続した場合（例えば、異常電流の検出されない周期またはタイミングが所定数連続した場合）は、デューティの制限を解除して、各相のＰＷＭ信号のデューティを元の状態、すなわち図１４の状態に戻す。

次に、第２の例について説明する。図１６は、Ｕ相（最大相）の上段スイッチング素子Ｑ１のデューティが６０％、Ｖ相（中間相）の上段スイッチング素子Ｑ３のデューティが３０％、Ｗ相（最小相）の上段スイッチング素子Ｑ５のデューティが０％付近である場合の、正常時のＰＷＭ信号を表している。この状態では異常電流は検出されておらず、各相のＰＷＭ信号のデューティは制限されずに一定値を維持する。

図１７は、異常電流が検出された場合のＰＷＭ信号を表している。ここでは、タイミングＴｃ（下段回生時）において、電流検出抵抗Ｒに流れる電流の値が所定値以上であることが、下段回生時異常判定手段１０４で検出されたとする。なお、タイミングＴｃは図２のタイミングＴ４に対応している。また、タイミングＴｄ１では、電流検出のために必要な時間に対して、Ｗ相（最小相）のＯＮ期間が短いので、電流検出ができていない。タイミングＴｃで異常電流が検出されると、デューティ制限手段１０６は、タイミングｔ４以降の各相のＰＷＭ信号のデューティが所定範囲内となるようにデューティ制限を行う。すなわち、Ｗ相（最小相）のデューティを増加させて例えば１５％とするとともに、Ｖ相（中間相）のデューティを増加させて例えば３５％とする。Ｕ相（最大相）のデューティ６０％はそのままである。

このようにデューティを制限することによって、異常電流検出後の次の周期（ｔ４−ｔ５区間）からは、Ｗ相の上段スイッチング素子Ｑ５のＯＮ期間が長くなるので、タイミングＴｄ２において、上段回生時の異常電流を確実に検出することができる。また、Ｖ相の上段スイッチング素子Ｑ３のＯＮ期間も長くなるので、上段回生時の異常電流をより確実に検出することができる。

また、デューティ制限手段１０６は、デューティの制限を行った後（ｔ４以降）に、異常電流が検出されない状態が一定時間継続した場合（例えば、異常電流の検出されない周期またはタイミングが所定数連続した場合）は、デューティの制限を解除して、各相のＰＷＭ信号のデューティを元の状態、すなわち図１６の状態に戻す。

なお、図１５と図１７においては、上段回生時と下段回生時のタイミングＴａ，Ｔｃで異常電流が検出された場合のデューティ制限について述べたが、回生時以外の通常時におけるタイミング（図２のＴ１，Ｔ２に相当）で異常電流が検出された場合も、上記と同様のデューティ制限が行われる。

また、デューティを制限している間に、異常判定手段１０３〜１０５のいずれかが異常を判定した場合、制御手段１０２は故障が発生したと判断する。この場合、デューティを制限した後、１周期内のあるタイミング（例えば、図１５のタイミングＴｂ２、図１７のタイミングＴｄ２）において異常電流が検出された時点で、故障が発生したと判断してもよいが、前述のように、故障判定の精度を上げるためには、デューティを制限した後、複数周期にわたって所定回数連続して異常電流が検出された場合に故障が発生したと判断するのが好ましい。

以上のように、本実施形態では、通常時および回生時を含む複数のタイミングのいずれかで異常電流が検出された場合に、各相のＰＷＭ信号のデューティが所定範囲内（図１３のα〜βの範囲内）となるようにデューティ制限を行うので、各相のデューティが１００％や０％（またはそれらの付近）となることがない。このため、電流検出に必要な時間を確保して回生時の異常電流を確実に検出することができ、故障の迅速な検出が可能となる。

また、異常電流が検出された場合に、デューティを極端に下げるのではなく、図１３に示したような範囲内でデューティを制限するので、モータを最速で駆動しなければならない状態下で、モータ駆動力が不必要に低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、デューティの制限を行った後に、異常電流が検出されなくなった状態が一定時間継続すると、デューティ制限を解除してデューティを元に戻すようにしている。このため、モータがいつまでも低パワーで駆動され続けることがなく、モータ駆動力を速やかに回復させることができる。

さらに、本実施形態では、通常時に加えて回生時にも異常電流を検出するが、回生時に電流検出抵抗Ｒに流れる電流は正常状態ではゼロであるから、異常電流を検出するための閾値を容易にかつ精度良く設定することができる。

なお、先述のように、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出するためには、ある程度の検出時間が必要であるから、図１３に示したデューティ制限のためのα、βの値は、この検出時間を考慮して設定される。ＰＷＭ信号の最小相のＯＮ期間および最大相のＯＦＦ期間がそれぞれ検出時間以上となるようにα、βの値を設定しておけば、電流検出が可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図１８は、下段回生時における地絡故障の検出を説明する図である。図のように、例えば、モータＭの最小相（Ｗ相）の端子に地絡故障が発生した場合、下段回生時には、実線矢印と破線矢印で示すような電流が流れる。このうち、実線矢印で示す電流は、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の接続点ａと地絡点ｂとの間に存在する寄生インダクタンスＬｏに蓄積された電気エネルギーが、電流検出抵抗Ｒ−スイッチング素子Ｑ６−グランドの閉回路を介して放出されたものであり、モータＭを介さずに直接地絡点ｂへ至る負電流である。この負電流を検出することによって、地絡故障を検出することができる。この場合、下段回生時異常判定手段１０４（図１）は、下段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに当該抵抗からモータＭへ向かう方向の所定値以上の電流が流れたことが検出された場合に異常（モータの地絡故障）と判定する。なお、他の相において地絡故障が発生した場合も、上記と同様にして地絡故障を検出することができる。

図１９は、下段回生時における電源短絡故障（以下、「天絡故障」という）の検出を説明する図である。図のように、例えば、モータＭの最小相（Ｗ相）の端子に天絡故障が発生した場合、下段回生時には、実線矢印と破線矢印で示すような電流が流れる。このうち、実線矢印で示す電流は、天絡点ｃ（電源ＢＡＴ）からスイッチング素子Ｑ６を介して電流検出抵抗Ｒへ至る正電流である。この正電流を検出することによって、天絡故障を検出することができる。この場合、下段回生時異常判定手段１０４（図１）は、下段回生状態において、電流検出抵抗ＲにモータＭから当該抵抗へ向かう方向の所定値以上の電流が流れたことが検出された場合に異常（モータの天絡故障）と判定する。なお、他の相において天絡故障が発生した場合も、上記と同様にして天絡故障を検出することができる。

このようにして、本実施形態によれば、下段回生時に電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出することによって、モータＭの地絡故障および天絡故障の検出が可能となる。そして、これらの故障検出にあたっても、前述したデューティの制限を行うことにより、故障を迅速に検出することができる。

本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、図１４〜図１７では、ＰＷＭ駆動の１周期内に１つのＰＷＭ信号しか含まれていないが、１周期内に複数のＰＷＭ信号が含まれていてもよい。また、ＰＷＭ信号を生成する際のキャリア信号（基準波）は、のこぎり波と三角波のいずれであってもよい。

また、本発明では、最大相・中間相・最小相の各相のデューティが所定範囲内に入るのであれば、デューティ制限のパターンは前述のものに限定されない。例えば、最大相のみのデューティを減少させてもよいし、最大相と中間相の両方のデューティを減少させてもよい。また、最大相と中間相のデューティを減少させるとともに、最小相のデューティを増加させてもよい。さらに、最小相のみのデューティを増加させてもよい。また、デューティの値も前記のものに限定されず、他の値を採用してもよい。

また、上記実施形態では、Ｕ相が最大相、Ｖ相が中間相、Ｗ相が最小相である場合を例に挙げたが、これは一例であって、例えば、Ｕ相が最小相、Ｖ相が中間相、Ｗ相が最大相である場合や、Ｕ相が中間相、Ｖ相が最小相、Ｗ相が最大相である場合など、各相と最大相・中間相・最小相との組み合わせがどのような場合であっても、本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、上段スイッチング素子がＯＮの時に下段スイッチング素子がＯＦＦであるとしたが、上段スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミングと、下段スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミングとの間に、デッドタイムを設けてもよい。つまり、上段スイッチング素子がＯＦＦからＯＮになるタイミングよりも所定時間前に、下段スイッチング素子がＯＮからＯＦＦになるようにしてもよい。これは、上段スイッチング素子と下段スイッチング素子とが同時にＯＮとなって回路が短絡するのを防ぐためである。

また、上記実施形態では、スイッチング素子としてＦＥＴを使用したが、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラモードトランジスタ）のような他のスイッチング素子を使用してもよい。

また、上記実施形態では、モータとして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場合にも適用することができる。

さらに、上記実施形態では、モータとしてブラシレスモータを例に挙げたが、本発明は、誘導モータや同期モータなどを駆動する装置にも適用することができる。

１ 電源回路
２ スイッチング回路
３ ドライバＩＣ
４ ＣＰＵ
５ 増幅回路
１０１ 駆動手段
１０２ 制御手段
１０３ 上段回生時異常判定手段
１０４ 下段回生時異常判定手段
１０５ 通常時異常判定手段
１０６ デューティ制限手段
Ｍ モータ
Ａ１〜Ａ６ アーム
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｒ 電流検出抵抗

Claims (8)

1. 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少なくとも３組設けられ、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号による各スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作に基づいてモータを駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段に流れる電流を検出するための単一の電流検出抵抗と、
   前記電流検出抵抗に流れる電流に基づいて、前記モータの各相に流れる電流の電流値を検出し、各相の目標電流値と各相の検出電流値とに基づいて前記各スイッチング素子に前記ＰＷＭ信号を出力する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、さらに、
   すべての相の上アームの前記スイッチング素子がＯＮ状態で、かつ、すべての相の下アームの前記スイッチング素子がＯＦＦ状態である上段回生状態において、前記電流検出抵抗に流れる電流を検出し、当該検出結果に基づいて異常を判定する上段回生時異常判定手段と、
   すべての相の上アームの前記スイッチング素子がＯＦＦ状態で、かつ、すべての相の下アームの前記スイッチング素子がＯＮ状態である下段回生状態において、前記電流検出抵抗に流れる電流を検出し、当該検出結果に基づいて異常を判定する下段回生時異常判定手段と、
   前記上段回生状態および前記下段回生状態を除く通常状態において、前記電流検出抵抗に流れる電流を検出し、当該検出結果に基づいて異常を判定する通常時異常判定手段と、
   前記上段回生時異常判定手段、前記下段回生時異常判定手段、前記通常時異常判定手段の少なくとも１つが異常電流を検出した場合に、各相のＰＷＭ信号のデューティの最大値が一定値α（α＜１００％）以下で、かつ、最小値が一定値β（β＞０％）以上となるようにデューティを制限するデューティ制限手段と、
   を有することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記制御手段は、前記デューティ制限手段によりデューティを制限している間に、前記上段回生時異常判定手段、前記下段回生時異常判定手段または前記通常時異常判定手段が異常を判定した場合に、故障が発生したと判断することを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記制御手段は、前記デューティ制限手段によりデューティを制限した後、前記上段回生時異常判定手段、前記下段回生時異常判定手段または前記通常時異常判定手段により複数周期にわたって所定回数連続して異常が判定された場合に、故障が発生したと判断することを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記デューティ制限手段は、デューティの制限を行った後、前記各異常判定手段により異常電流が検出されない状態が一定時間継続した場合は、デューティの制限を解除して各相のＰＷＭ信号のデューティを元の状態に戻すことを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記上段回生時異常判定手段は、前記上段回生状態において、前記電流検出抵抗に流れる電流の電流値が所定値以上である場合に、下アームの少なくとも１つのスイッチング素子がＯＮ状態のままとなるＯＮ故障と判定することを特徴とするモータ駆動装置。
6. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記下段回生時異常判定手段は、前記下段回生状態において、前記電流検出抵抗に流れる電流の電流値が所定値以上である場合に、上アームの少なくとも１つのスイッチング素子がＯＮ状態のままとなるＯＮ故障と判定することを特徴とするモータ駆動装置。
7. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記下段回生時異常判定手段は、前記下段回生状態において、前記電流検出抵抗に当該抵抗から前記モータへ向かう方向の所定値以上の電流が流れたことが検出された場合に、モータの地絡故障と判定することを特徴とするモータ駆動装置。
8. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記下段回生時異常判定手段は、前記下段回生状態において、前記電流検出抵抗に前記モータから当該抵抗へ向かう方向の所定値以上の電流が流れたことが検出された場合に、モータの電源短絡故障と判定することを特徴とするモータ駆動装置。

Images