JP7435410B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来、多相モータの駆動を制御するモータ制御装置において、モータ電流経路の断線故障を判定する技術が知られている。

例えば特許文献１に開示された装置は、多相モータの各相について、印加電圧の絶対値が電圧閾値より大きく、且つ、多相モータに流れる電流の絶対値が電流閾値より小さいとき、インバータ回路から巻線までの電流経路の断線故障、又は、スイッチング素子のオープン故障であると判定する。

特開２０１８－５７２１０号公報

特許文献１の装置は、３相の各相巻線が１本の巻線でスター結線されたシングルスター結線の３相モータを駆動対象としている。シングルスター結線の１相の巻線が断線した場合、電流の迂回経路が無いため、電流の絶対値が大きく低下する。これに対し、各相間巻線が１本の巻線でデルタ結線されたシングルデルタ結線の３相モータでは、例えばＵ－Ｖ間巻線が断線しても、Ｕ－Ｗ間巻線及びＷ－Ｖ間巻線の経路を迂回してＵ相端子とＶ相端子との間に電流が流れる。

また、各相巻線が２本並列接続されたデュアルスター結線の３相モータや、各相間巻線が２本並列接続されたデュアルデルタ結線の３相モータでは、並列接続された２本の巻線のうち１本が断線しても、他の１本の巻線を通って電流が流れる。以下、デュアルスター結線やデュアルデルタ結線において並列接続される２本の巻線を、複数本の巻線に一般化した構成のモータを「並列巻線モータ」という。

このように電流の迂回経路を有するモータでは、断線時に抵抗が変化しても電流の絶対値の低下幅が小さい。特許文献１の装置による故障判定では、電圧及び電流の検出誤差、回路や巻線の抵抗、インダクタンスのばらつき、温度特性の影響による電流変化等を考慮して誤検出を回避しようとすると、電流閾値を低めに設定せざるを得ない。そのため、シングルデルタ結線モータや並列巻線モータの巻線が断線故障したとき、小さな電流変化に基づいて故障判定することが困難である。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、断線故障時の電流変化が小さい多相モータの巻線断線故障を判定可能なモータ制御装置を提供することにある。

本発明は、３相以上の多相モータ（７０１、７０２、８０２）の駆動を制御するモータ制御装置であって、インバータ回路（６０）と、位置検出器（４５）と、故障診断部（４０）と、を備える。インバータ回路は、上下アームの複数のスイッチング素子（６１－６６）の動作により多相モータの各相間巻線（７４、７５、７６、７４１、７４２、７５１、７５２、７６１、７６２）もしくは各相巻線（８４１、８４２、８５１、８５２、８６１、８６２）に通電可能である。位置検出器は、多相モータの電気角であるロータ位置を検出する。故障診断部は、少なくとも多相モータの巻線の断線故障を含むモータ電流経路の断線故障を診断する。

故障診断部は、モータ電流経路が正常な場合の多相モータのロータ位置が目標の電気角である目標位置（θｔｇｔ）に固定されるように、所定の電圧を各相の端子（７１、７２、７３、８１、８２、８３）に印加する「固定相通電」を行う。故障診断部は、固定相通電による実際のロータ位置と目標位置との偏差であるロータ位置偏差（θｅｒｒ）に基づいてモータ電流経路の断線故障を診断する。

本発明では、固定相通電によるロータ位置偏差に基づき断線故障を診断するため、シングルデルタ結線モータや並列巻線モータのように断線故障時の電流変化が小さい多相モータの巻線断線故障を判定可能である。また、固定相通電における目標位置は、各相の端子に印加される電圧の比によって決まり、電圧の大きさに依存しない。したがって、電圧のばらつきの影響を受けずに故障診断を実施することができる。

各実施形態のモータ制御装置の構成図。 第１実施形態によるシングルデルタ結線の３相モータでのＵ－Ｖ間断線時の電流経路を示す模式図。 「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での固定相通電における正常時、Ｕ－Ｖ間断線時、Ｖ－Ｗ間断線時のベクトル図。 図３の固定相通電における通電時間対ロータ位置θ、及び、ロータ位置θ対回転角速度ωの図。 「Ｕ相：Ｈ、Ｖ相：Ｌ、Ｗ相：Ｌ」の条件での固定相通電における正常時、Ｕ－Ｖ間断線時、Ｗ－Ｕ間断線時のベクトル図。 図５の固定相通電における通電時間対ロータ位置θ、及び、ロータ位置θ対回転角速度ωの図。 故障診断実施可否判定のフローチャート。 故障診断のフローチャート。 （ａ）最小回転量制限、（ｂ）最大回転量制限、（ｃ）回転方向制限の目標位置設定例を示す電流ベクトル図。 （ａ）有効通電状態の継続時間によりロータ位置偏差の取得タイミングを判断するフローチャート。（ｂ）有効通電状態でのロータ回転角速度によりロータ位置偏差の取得タイミングを判断するフローチャート。 「Ｕ相：Ｖｈ、Ｖ相：Ｖｈ／３、Ｗ相：０」の条件での固定相通電における正常時のベクトル図。 図１１の固定相通電におけるＵ－Ｖ間断線時、Ｖ－Ｗ間断線時、Ｗ－Ｕ間断線時の電流ベクトル図。 第２実施形態によるデュアルスター結線の３相モータでのＵ相１本断線時の電流経路を示す模式図。 デュアルスター結線での正常時、及び、Ｕ相１本断線時の電流ベクトルを示す模式図。 第３実施形態によるデュアルデルタ結線の３相モータでのＵ－Ｖ相間１本断線時の電流経路を示す模式図。 デュアルデルタ結線での正常時、及び、Ｕ－Ｖ間１本断線時の電流ベクトルを示す模式図。

以下、本発明によるモータ制御装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。以下の第１～第３実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態のモータ制御装置は、例えば車両のブレーキ装置や電動パワーステアリング装置において、「多相モータ」である３相モータの駆動を制御する。

（第１実施形態）
図１～図１２を参照し、第１実施形態について説明する。モータ制御装置１０は、インバータ回路６０と、位置検出器４５と、故障診断部４０とを備える。インバータ回路６０は、ブリッジ接続された上下アームの複数のスイッチング素子６１－６６により構成されている。スイッチング素子６１、６２、６３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子６４、６５、６６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのスイッチング素子である。以下、上アームのスイッチング素子を「上アーム素子」、下アームのスイッチング素子を「下アーム素子」と省略する。スイッチング素子６１－６６は、例えばＭＯＳＦＥＴで構成されている。

インバータ回路６０の高電位線及び低電位線は、それぞれバッテリ１１の正極及び負極に接続されている。また、インバータ回路６０の入力部には平滑コンデンサ１３が設けられている。インバータ回路６０は、バッテリ１１から印加される入力電圧Ｖｉｎｖを用いて、上下アームの複数のスイッチング素子６１－６６の動作により３相モータ７０１に通電可能である。詳しくは、第１実施形態の３相モータ７０１はシングルデルタ結線モータであり、インバータ回路６０は、３相モータ７０１の各相間巻線７４、７５、７６に通電可能である。以下、３相モータ７０１を適宜「モータ７０１」と省略する。

また、各相に通電される電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流検出器として、例えばシャント抵抗６７、６８、６９がインバータ回路６０の下アーム素子６４、６５、６６と低電位線との間に設けられている。なお、シャント抵抗の配置はこれに限らない。検出された相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び入力電圧Ｖｉｎｖは故障診断部４０に入力される。通常のモータ駆動時には相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び入力電圧Ｖｉｎｖは、モータ制御のパラメータとして通常動作の制御部に入力される。そのため、通常のモータ駆動を行う制御部が故障診断部４０の機能を兼ねてもよい。

位置検出器４５は、モータ７０１の電気角であるロータ位置θを検出し故障診断部４０に通知する。例えば位置検出器４５は、ホール素子やレゾルバ等の回転角センサにより構成される。なお、機械角が検出された後、電気角に換算される構成であってもよい。

故障診断部４０は、モータ電流経路の断線故障を診断する。特に本実施形態ではモータ７０１の巻線の断線故障を診断対象として説明する。そのため、「モータ電流経路の断線故障」には少なくともモータ７０１の巻線の断線故障が含まれる。以下の説明において、正常時とは、巻線が正常である状態を意味し、断線時とは、巻線が断線している状態を意味する。ただし故障診断部４０は、巻線の断線故障以外にインバータ回路６０のスイッチング素子６１－６６のオープン故障や、インバータ回路６０からモータ端子までの配線の断線故障の診断も可能である。

本実施形態の故障診断部４０は、「固定相通電」を行い、「ロータ位置偏差」に基づいてモータ電流経路の断線故障、特に巻線の断線故障を診断する。固定相通電とは、正常時のモータ７０１のロータ位置が目標の電気角である目標位置に固定されるように、所定の電圧を各相の端子７１、７２、７３に印加する通電である。つまり、ロータが回転するごとに通電位相を変更する、いわゆるベクトル制御を行うのではなく、固定相通電では一つのスイッチング状態が維持される。

例えば図１に示すように、Ｕ相上アーム素子６１及びＶ相下アーム素子６５をオンし、それ以外のスイッチング素子６２、６３、６４、６５をオフしたとき、Ｕ相端子７１とＶ相端子７２との間に電圧が印加され、矢印のように電流が流れる。正常時にこのスイッチング状態を継続すると、ロータ位置は目標位置に固定される。なお、固定相通電では電気エネルギーの大部分が熱エネルギーに変換されるため、素子の発熱が耐熱温度を超えないように短時間で実施されることが好ましい。

一方、モータ７０１の巻線の断線時には一部の場合を除き、ロータ位置は目標位置とは異なる位置に固定される。このとき、固定相通電による実際のロータ位置と目標位置との偏差をロータ位置偏差という。故障診断部４０は、このロータ位置偏差に基づいて巻線の断線故障を診断する。目標位置及びロータ位置偏差の具体例については、図３～図６等を参照して後述する。

次に図２を参照し、本実施形態の故障診断部４０が特に巻線の断線故障を診断することの技術的意義を説明する。第１実施形態の駆動対象の３相モータ７０１は、各相間巻線が１本の巻線でデルタ結線されたシングルデルタ結線モータである。Ｕ相端子７１とＶ相端子７２との間にはＵ－Ｖ間巻線７４が接続されている。Ｖ相端子７２とＷ相端子７３との間にはＶ－Ｗ間巻線７５が接続されている。Ｗ相端子７３とＵ相端子７１との間にはＷ－Ｕ間巻線７６が接続されている。

ここで、例えばＵ－Ｖ間巻線７４が断線した場合を想定する。Ｕ相端子７１とＶ相端子７２との間に電圧を印加したとき、電流は、Ｗ－Ｕ間巻線７６及びＶ－Ｗ間巻線７５を通ってＵ相端子７１からＶ相端子７２に流れる。つまり、シングルスター結線モータのように１相の巻線が断線した場合に電流の迂回経路が無いモータとは異なり、１つの相間巻線が断線しても電流が迂回して流れる。そのため、電流の絶対値の低下幅が小さい。

ところで、特許文献１（特開２０１８－５７２１０号公報）の図４等に開示された従来技術では、多相モータの各相について、印加電圧の絶対値が電圧閾値より大きく、且つ、多相モータに流れる電流の絶対値が電流閾値より小さいとき、モータ電流経路の断線故障であると判定する。この故障判定では、電圧及び電流の検出誤差、回路や巻線の抵抗、インダクタンスのばらつき、温度特性の影響による電流変化等を考慮して誤検出を回避しようとすると、電流閾値を低めに設定せざるを得ない。ただし、特許文献１に示されるようにシングルスター結線モータを駆動対象とする限り、１相の巻線の断線時における電流の絶対値の低下幅が大きいため問題とならない。しかし、シングルデルタ結線モータ７０１の巻線が断線故障したとき、従来技術では、小さな電流変化に基づいて故障判定することが困難である。

そこで本実施形態のモータ制御装置１０は、電流変化ではなく、固定相通電によるロータ位置偏差に基づいて断線故障を診断する。次に図３～図６を参照し、基本的な固定相通電について説明する。以下の説明においてＤｕｔｙ比は、上下アームのスイッチング素子のスイッチング周期に対する上アームのスイッチング素子のオン時間の比率である。

まず図３、図４に、「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での固定相通電の例を示す。ここで、Ｌは、Ｄｕｔｙ比０％、すなわち、常時上アーム素子オフ、下アーム素子オンの状態を意味する。Ｈは、Ｄｕｔｙ比１００％の状態、又は、Ｄｕｔｙ比が９０％等の「０％より大きく１００％より小さい値」でＤｕｔｙ駆動している状態を意味する。つまり故障診断部４０は、固定相通電において、１相のＤｕｔｙ比を０％より大きい値とし、それ以外の相のＤｕｔｙ比を０％とするように通電する。

Ｄｕｔｙ駆動をする相を１相以下とすると、素子のばらつきなどによる実電圧と指示電圧との差の影響で端子間電圧比がずれることがないので、より高精度に故障診断が可能になる。なお、この例とは逆に、１相をＬ、２相をＨとする固定相通電について、その他の実施形態の欄で後述する。

図３の上段、中断、下段に、それぞれ正常時、Ｕ－Ｖ間断線時、Ｖ－Ｗ間断線時の電流ベクトル図を示す。この３つの図は一式の関連図として扱われる。ここで、「Ｕ相：Ｈ、Ｖ相：Ｌ、Ｗ相：Ｌ」の条件で固定相通電したときの正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌ、つまりＵ相正方向通電の位相を０°とする。Ｖ相正方向通電の位相は１２０°であり、Ｗ相正方向通電の位相は２４０°（＝－１２０°）である。図５、図１１、図１２の電流ベクトル図も同様に記載する。

図４に、図３の固定相通電における状態遷移として、通電時間対ロータ位置θ、及び、ロータ位置θ対回転角速度ωの図を示す。この２つの図は一式の関連図として扱われる。回転角速度ωの符号は、ロータ位置θの増加時に正、ロータ位置θの減少時に負とする。通電初期において、ロータ位置θは０°であると仮定する。モータ７０１が正常の場合、ロータ位置θは、実線で示すように、初期位置から正常時の位置θｎｏｒｍａｌに向かって変化し、収束する。すなわち、正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌは、固定相通電の目標位置θｔｇｔに固定される。また、ロータ位置θが変化するに連れて、正常時の回転角速度ωｎｏｒｍａｌは正の初期値ω０から減少し、正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌに達したとき０になる。

一方、Ｕ－Ｖ間又はＶ－Ｗ間の断線時、ロータ位置θは、破線で示すように、初期位置から断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎに向かって変化し、収束する。回転角速度ωは正の初期値ω０から減少し、断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎに達したとき０になる。ここで、固定相通電による実際のロータ位置θｄｉｓｃｏｎと目標位置θｔｇｔとの偏差をロータ位置偏差θｅｒｒとする。故障診断部４０は、ロータ位置偏差θｅｒｒに基づき、モータ電流経路の断線故障を診断する。また、この後で説明するように、ロータ位置偏差θｅｒｒの値は固定相通電の条件と断線故障の箇所とにより決まるため、故障診断部４０は、ロータ位置偏差θｅｒｒの値に基づき故障箇所を特定することができる。

ところで、通電開始直後にはモータ７０１に流れる電流の絶対値｜Ｉ｜が小さく、また各相端子７１、７２、７３に印加される電圧Ｖが小さいため、ロータが適正に回転しない可能性がある。そこで、モータ７０１に流れる電流の絶対値｜Ｉ｜が電流閾値Ｉｔｈ以上、又は、印加電圧Ｖが電圧閾値Ｖｔｈ以上の状態を「有効通電状態」と定義し、有効通電状態で実施された固定相通電を有効とみなす。図４において時刻ｔｓｔに有効通電状態が開始する。なお、時刻ｔｓｔからの有効通電状態の継続時間の既定値Ｔｄｅｔ、及び、回転角速度の絶対値｜ω｜の既定値ωｄｅｔについては、図１０（ａ）、図１０（ｂ）を参照して後述する。

図３に戻り、シングルデルタ結線での正常時及び断線時のロータ位置θｎｏｒｍａｌ、θｄｉｓｃｏｎの理論値の算出について説明する。以下のように記号を定義すると、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、式（１）で算出される。ここで、印加電圧及び相間巻線抵抗は比が決まればよく、何［Ｖ］、何［Ω］という具体的な数値は不要である。
Ｖｕ：Ｕ相端子の印加電圧
Ｖｖ：Ｖ相端子の印加電圧
Ｖｗ：Ｗ相端子の印加電圧
Ｒｕｖ：デルタ結線のＵ－Ｖ間巻線抵抗
Ｒｖｗ：デルタ結線のＶ－Ｗ間巻線抵抗
Ｒｗｕ：デルタ結線のＷ－Ｕ間巻線抵抗

「Ｕ相：Ｈ、Ｖ相：Ｌ、Ｗ相：Ｌ」の条件での正常時ロータ位置θｎｏｒｍａｌを０°とすると、ロータ位置θは、各相電流ベクトルのｓｉｎ成分の和をｃｏｓ成分の和で除した値のアークタンジェントを用いて、式（２）で算出される。ただし、Ｕ相電流Ｉｕが０の場合、（Ｉｖ－Ｉｗ）が正ならばθ＝９０°、（Ｉｖ－Ｉｗ）が負ならばθ＝－９０°となる。

「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での各相印加電圧は、Ｖｕ＝０、Ｖｖ＝１、Ｖｗ＝０である。正常時の各相間巻線抵抗は、Ｒｕｖ＝Ｒｖｗ＝Ｒｗｕ＝１である。したがって式（１）より、各相電流は、Ｉｕ＝－１、Ｉｖ＝２、Ｉｗ＝－１である。さらに式（２）より、正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌは１２０°である。すなわち、この条件での固定相通電の目標位置θｔｇｔは１２０°となる。

Ｕ－Ｖ間断線時、Ｕ－Ｖ間巻線抵抗は、Ｒｕｖ＝∞となり、式（１）においてＲｕｖを分母に含む項が０となるため、Ｉｕ＝０、Ｉｖ＝１、Ｉｗ＝－１となる。よって、断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは９０°であり、目標位置θｔｇｔに対するロータ位置偏差θｅｒｒは－３０°である。

Ｖ－Ｗ間断線時、Ｖ－Ｗ間巻線抵抗は、Ｒｖｗ＝∞となり、式（１）においてＲｖｗを分母に含む項が０となるため、Ｉｕ＝－１、Ｉｖ＝１、Ｉｗ＝０となる。よって、断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは１５０°であり、目標位置θｔｇｔに対するロータ位置偏差θｅｒｒは＋３０°である。

こうして算出された電流ベクトルが図３に図示される。要するに、故障診断部４０は、固定相通電によるロータ位置偏差θｅｒｒが±３０°であるとき、シングルデルタ結線モータ７０１のＵ－Ｖ間断線又はＶ－Ｗ間断線を検出可能である。

なお、Ｗ－Ｕ間断線時、Ｉｕ＝－１、Ｉｖ＝２、Ｉｗ＝－１となる。このとき、ロータ位置θｄｉｓｃｏｎは１２０°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは０°であるため、この通電条件ではＷ－Ｕ間の断線故障を検出不可である。先に「巻線の断線時には一部の場合を除き、ロータ位置は目標位置とは異なる位置に固定される」と記載したのは、このような場合を除くことを指している。

次に図５、図６に、「Ｕ相：Ｈ、Ｖ相：Ｌ、Ｗ相：Ｌ」の条件での固定相通電の例を示す。正常時及び断線時のロータ位置θｎｏｒｍａｌ、θｄｉｓｃｏｎの理論値は式（１）、（２）を用いて上記と同様に算出される。図５に示すように、正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌは、０°である。すなわち、この条件での固定相通電の目標位置θｔｇｔは０°となる。

Ｕ－Ｖ間断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは３０°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは＋３０°である。Ｗ－Ｕ間断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは－３０°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは－３０°である。故障診断部４０は、固定相通電によるロータ位置偏差θｅｒｒが±３０°であるとき、シングルデルタ結線モータ７０１のＵ－Ｖ間断線又はＷ－Ｕ間断線を検出可能である。なお、Ｖ－Ｗ間断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは０°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは０°であるため、この通電条件ではＶ－Ｗ間の断線故障を検出不可である。

図６に、図５の固定相通電における状態遷移として、通電時間対ロータ位置θ、及び、ロータ位置θ対回転角速度ωの図を示す。通電初期のロータ位置θが０°とすると、実線で示すように、正常時にロータは、最初から正常時の位置θｎｏｒｍａｌ、すなわち固定相通電の目標位置θｔｇｔに固定されているため回転しない。また、正常時の回転角速度ωｎｏｒｍａｌは最初から０である。

一方、Ｕ－Ｖ間又はＷ－Ｕ間の断線時、ロータ位置θは、破線で示すように、初期位置から断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎである±３０°に向かって変化し、収束する。Ｕ－Ｖ間断線時、回転角速度ωは正の初期値ω０から０に向かって減少する。Ｗ－Ｕ間断線時、回転角速度ωは負の初期値－ω０から０に向かって増加する。Ｗ－Ｕ間断線時の負の回転角速度を正負反転すると二点鎖線のように表される。つまり、Ｕ－Ｖ間及びＷ－Ｕ間の断線時を包括して言えば、回転角速度の絶対値｜ω｜は初期値ω０から０に向かって減少する。

次に図７～図１０を参照し、故障診断部４０による処理について説明する。フローチャート中の記号Ｓは「ステップ」を表す。故障診断部４０は、まず、所定の条件が成立しているか否かに応じて、故障診断の実施可否を判定する。例えば故障診断部４０は、図７のＳ１１でモータ７０１が停止状態であるか、具体的にはモータ回転数が閾値以下であるか判断する。続いて故障診断部４０は、Ｓ１２でインバータ回路６０が正常であるか、つまり異常が検出されていないか判断する。さらに故障診断部４０は、Ｓ１３でインバータ回路６０の入力電圧Ｖｉｎｖが閾値以上であるか判断する。

Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３で全てＹＥＳの場合、故障診断部４０は、Ｓ１４で故障診断を実施可であると判定する。Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３のいずれかでＮＯの場合、つまり、モータ７０１の回転中、インバータ回路６０の異常時、又は、入力電圧Ｖｉｎｖが不足している場合、故障診断部４０は、Ｓ１５で故障診断を実施不可であると判定する。実施不可と判定した場合、所定時間後に再びＳ１１～Ｓ１３を判断するようにしてもよい。これにより、実施可条件の成立を前提として故障診断の信頼性を確保することができる。

図８に故障診断処理を示す。Ｓ２１では、位置検出器４５により現在のロータ位置が検出される。Ｓ２２で故障診断部４０は、現在のロータ位置に応じて固定相通電の目標位置θｔｇｔ、すなわち通電位相を設定する。その具体例については図９（ａ）～図９（ｃ）を参照して後述する。Ｓ２３で故障診断部４０は、インバータ回路６０を動作させ、目標位置θｔｇｔに応じた電圧を各相の端子７１、７２、７３に印加することで固定相通電を行う。

Ｓ２４で故障診断部４０は、ロータ位置偏差の絶対値｜θｅｒｒ｜が偏差閾値θｅｒｒ＿ｔｈより大きいか判断する。Ｓ２４でＹＥＳの場合、Ｓ２５で故障診断部４０は、モータ電流経路の断線故障と判定する。さらに故障診断部４０は、破線で示すオプション処理として、Ｓ２６、Ｓ２７を実施してもよい。Ｓ２６で故障診断部４０は、ロータ位置偏差θｅｒｒの値に基づき故障箇所を特定する。例えば図３、図４の条件の場合、Ｕ－Ｖ間断線かＶ－Ｗ間断線かが特定される。

Ｓ２７で故障診断部４０は、使用者又は他の装置への通知、少なくとも一部の電流経路の遮断、３相モータ７０１の出力制限のうち一つ以上の処置を行う。電動ブレーキ装置や電動パワーステアリング装置では使用者は運転者であり、他の装置は車両ＥＣＵ等に相当する。電流経路の遮断は、インバータ回路６０のスイッチング素子６１－６６や、回路に設けられたリレー等を遮断することで実行される。モータ７０１の出力制限では、回転数やトルクを制限し、出力を縮退させる。一方、Ｓ２４でＮＯの場合、Ｓ２８で故障診断部４０は、モータ電流経路が正常と判定する。

続いて図９（ａ）～図９（ｃ）を参照し、現在のロータ位置θ０に応じた目標位置θｔｇｔの設定例を説明する。各図において現在のロータ位置θ０を破線矢印で示し、目標位置θｔｇｔを実線矢印で示す。Ｕ相正方向通電の位相を０°として反時計回り方向を正方向とし、時計回り方向を負方向とする。また、目標位置θｔｇｔと現在のロータ位置θ０との差分の絶対値（｜θｔｇｔ－θ０｜≦１８０°）を「回転量」と定義する。図示例において現在のロータ位置θ０は約－１５°とする。

図９（ａ）には、正常であれば回転量が所定角度以上となるように通電する最小回転量制限の例を示す。この例では、回転量が１２０°を超え１８０°以下となるように目標位置θｔｇｔが設定される。現在位置θ０から正方向に回転させる場合の目標位置θｔｇｔ＿ａ１は１２０°となり、負方向に回転させる場合の目標位置θｔｇｔ＿ａ２は１８０°となる。さらに故障診断部４０は、回転量が大きい方の目標位置θｔｇｔ＿ａ２を選択するようにしてもよい。この方式では、位置検出器４５の固着故障があっても異常検出が可能である。

図９（ｂ）には、正常であれば回転量が所定角度未満となるように通電する最大回転量制限の例を示す。この例では、回転量が６０°未満となるように目標位置θｔｇｔが設定される。現在位置θ０から正方向に回転させる場合の目標位置θｔｇｔ＿ｂ１は０°となり、負方向に回転させる場合の目標位置θｔｇｔ＿ｂ２は－６０°となる。さらに故障診断部４０は、回転量がより小さい方の目標位置θｔｇｔ＿ｂ１を選択するようにしてもよい。この方式では、故障診断実施時にモータ７０１が回転することによる不要動作を回避することができる。

図９（ｃ）には、正常であればロータが所定の方向に回転するように通電する回転方向制限の例を示す。この例では正方向の回転のみが許容される。そのため、図９（ａ）での目標位置θｔｇｔ＿ａ１、及び、図９（ｂ）での目標位置θｔｇｔ＿ｂ１が選択される。この方式は、一方向に回転させることを想定しており、逆方向に回転させると故障のおそれがあるようなアプリケーションにも適用可能である。

次に図４、図６、図１０（ａ）、図１０（ｂ）を参照し、固定相通電においてロータ位置偏差θｅｒｒを取得するタイミングについて説明する。図４、図６に示すように、通電開始後、ロータ位置θは、正常時の位置θｎｏｒｍａｌ又は断線時の位置θｄｉｓｃｏｎに向かって変化し、収束する。故障診断部４０は、誤診断を回避するようにロータ位置θが安定しており、且つ、できるだけ早いタイミングでのロータ位置偏差θｅｒｒに基づき故障診断を行うことが好ましい。そこで図１０（ａ）、図１０（ｂ）に、ロータ位置偏差θｅｒｒの取得タイミングを判断する処理を示す。

図１０（ａ）のＳ３１では、有効通電状態の継続時間が規定値Ｔｄｅｔ以上経過したか判断される。上述の通り、有効通電状態とは、モータ７０１に流れる電流の絶対値｜Ｉ｜が電流閾値Ｉｔｈ以上、又は、印加電圧Ｖが電圧閾値Ｖｔｈ以上の状態をいう。規定値Ｔｄｅｔは、最大回転量である１８０°の回転時間が確保されるように設定される。Ｓ３１でＹＥＳの場合、Ｓ３２で故障診断部４０は、ロータ位置偏差θｅｒｒに基づき故障診断を行う。

図１０（ｂ）のＳ４１では、有効通電状態で回転角速度の絶対値が規定値ωｄｅｔ以下になったか判断される。Ｓ４１でＹＥＳの場合、Ｓ４２で故障診断部４０は、ロータ位置偏差θｅｒｒに基づき故障診断を行う。図６の例では正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌが０°で初期位置と一致しており、回転角速度ωは最初から０である。したがって、有効通電状態の成立と同時に故障診断が実施可能となる。よって、ロータの初期位置によっては、規定値Ｔｄｅｔの経過を待つことなく迅速な判定が可能となる。

以上のように第１実施形態では、固定相通電によるロータ位置偏差θｅｒｒに基づき断線故障を診断するため、断線故障時の電流変化が小さいシングルデルタ結線モータ７０１の巻線断線故障を判定可能である。また、固定相通電における目標位置θｔｇｔは、各相の端子７１、７２、７３に印加される電圧の比によって決まり、電圧の大きさに依存しない。したがって、電圧のばらつきの影響を受けずに故障診断を実施することができる。

具体的には、端子間電圧の比が同じであれば電圧の大小を変更しても同様の診断が可能である。例えば、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの大きさの最大値が所定の範囲内になるように、下式における端子間電圧の基準値Ｖａを調整してもよい。ここで、Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕは、それぞれＵ－Ｖ間、Ｖ－Ｗ間、Ｗ－Ｕ間の端子間電圧であり、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は係数である。
Ｖｕｖ：Ｖｖｗ：Ｖｗｕ＝Ｋ１×Ｖａ：Ｋ２×Ｖａ：Ｋ３×Ｖａ

（固定相通電の応用例）
図３～図６に示した基本的な固定相通電では３相のうち１相をＨとし、他の２相をＬとするが、この条件では共にＬである２相間の断線を検出することができない。これに対し図１１、図１２に示す固定相通電の応用例では、相間電圧が全て互いに異なるように各相電圧を印加することで、どの相間の断線も検出可能となる。この例では、「Ｕ相：Ｖｈ、Ｖ相：Ｖｈ／３、Ｗ相：０」の電圧比で各相端子７１、７２、７３に電圧を印加する。

図１１に正常時の電流ベクトル図を示す。各相印加電圧を、Ｖｕ＝３、Ｖｖ＝１、Ｖｗ＝０とすると、式（１）より、各相電流は、Ｉｕ＝５、Ｉｖ＝－１、Ｉｗ＝－４である。さらに式（２）より、正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌは約１９°である。すなわち、この条件での固定相通電の目標位置θｔｇｔは約１９°となる。

図１２の上段、中断、下段に、それぞれ、Ｕ－Ｖ間断線時、Ｖ－Ｗ間断線時、Ｗ－Ｕ間断線時の電流ベクトル図を示す。対比のため、正常時の電流ベクトルを二点鎖線で示す。Ｕ－Ｖ間断線時の各相電流は、Ｉｕ＝３、Ｉｖ＝１、Ｉｗ＝－４となる。断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは約４４°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは約＋２３°である。

Ｖ－Ｗ間断線時の各相電流は、Ｉｕ＝５、Ｉｖ＝－２、Ｉｗ＝－３となる。断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは約７°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは約－１２°である。Ｗ－Ｕ間断線時の各相電流は、Ｉｕ＝２、Ｉｖ＝－１、Ｉｗ＝－１となる。断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは０°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは約－１９°である。したがって、１回の固定相通電で、どの相間の断線も検出可能である。

（第２実施形態）
図１３、図１４を参照し、第２実施形態について説明する。モータ制御装置１０の構成自体は、図１に示す第１実施形態と同様である。図１３に示す３相モータ８０２は、各相巻線が２本並列接続されたデュアルスター結線モータである。Ｕ相端子８１と中性点８８との間にはＵ相第１巻線８４１及びＵ相第２巻線８４２が並列接続されている。Ｖ相端子８２と中性点８８との間にはＶ相第１巻線８５１及びＶ相第２巻線８５２が並列接続されている。Ｗ相端子８３と中性点８８との間にはＷ相第１巻線８６１及びＷ相第２巻線８６２が並列接続されている。デュアルスター結線モータは、特開２０１７－７０１６２号公報の図３に開示されている。

インバータ回路６０は、３相モータ８０２の各相巻線８４１、８４２、８５１、８５２、８６１、８６２に通電可能である。例えばＵ相第１巻線８４１が断線した場合を想定する。Ｕ相端子８１とＶ相端子８２との間に電圧を印加したとき、電流は、Ｕ相第２巻線８４２を通ってＵ相端子８１から中性点８８に流れるため、電流絶対値の低下幅が小さい。したがって、従来技術では小さな電流変化に基づいて故障判定することが困難である。

図１４に、「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件で固定相通電したときの、正常時、及び、Ｕ相１本断線時（例えばＵ相第１巻線８４１の断線時）の電流ベクトルを示す。枠内の最初の数字は電流ベクトルの大きさの比を表す。「×２」は並列接続された２本の巻線に流れる電流の合計を表し、「×１」は断線した巻線の対となる正常な１本の巻線に流れる電流を表す。

スター結線におけるロータ位置θの理論値の算出では、デルタ結線における各相間巻線抵抗Ｒｕｖ、Ｒｖｗ、Ｒｗｕに代えて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相巻線抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗを用いる。また、Ｕ相とＶ相との合成抵抗をＲｕ＋ｖ、Ｖ相とＷ相との合成抵抗をＲｖ＋ｗ、Ｗ相とＵ相との合成抵抗をＲｗ＋ｕとする。各合成抵抗Ｒｕ＋ｖ、Ｒｖ＋ｗ、Ｒｗ＋ｕは、式（３）で算出され、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、式（４）で算出される。

「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での各相印加電圧を、Ｖｕ＝０、Ｖｖ＝６、Ｖｗ＝０として計算する。正常時の各相巻線抵抗は、Ｒｕ＝Ｒｖ＝Ｒｗ＝１であり、各合成抵抗は、Ｒｕ＋ｖ＝Ｒｖ＋ｗ＝Ｒｗ＋ｕ＝０．５である。ここで、各相巻線抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗは２並列巻線の抵抗である。式（３）より、各相電流は、Ｉｕ＝－２（＝－１×２）、Ｉｖ＝４（＝２×２）、Ｉｗ＝－２（＝－１×２）である。こうして算出された電流ベクトルが図１４の上側に図示される。式（２）より、この条件での正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌは１２０°となる。

Ｕ相１本断線時、Ｕ相巻線抵抗は、正常時の２倍すなわち、Ｒｕ＝２となり、Ｕ相巻線抵抗Ｒｕを含む合成抵抗は、Ｒｕ＋ｖ＝Ｒｗ＋ｕ＝（２／３）となる。式（３）より、各相電流は、Ｉｕ＝－１．２（×１）、Ｉｖ＝３．６（＝１．８×２）、Ｉｗ＝－２．４（＝－１．２×２）である。こうして算出された電流ベクトルが図１４の下側に図示される。このとき、断線時のロータ位置θｄｉｓｃｏｎは１０９°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは－１１°となる。

また、Ｗ相１本断線時にはロータ位置θｄｉｓｃｏｎは１３１°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは＋１１°となる。このように第２実施形態では、デュアルスター結線モータ８０２において並列接続された２本のうち１本の巻線断線故障を、固定相通電によるロータ位置偏差θｅｒｒに基づいて診断することができる。

なお、「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での固定相通電ではＶ相１本断線時のロータ位置偏差θｅｒｒは０°であるため断線故障を検出不可である。ただし、固定相通電の条件を変更することで、Ｖ相１本断線を同様に検出可能となる。

（第３実施形態）
図１５、図１６を参照し、第３実施形態について説明する。モータ制御装置１０の構成自体は、図１に示す第１実施形態と同様である。図１５に示す３相モータ７０２は、各相間巻線が２本並列接続されたデュアルデルタ結線モータである。Ｕ相端子７１とＶ相端子７２との間にはＵ－Ｖ間第１巻線７４１及びＵ－Ｖ間第２巻線７４２が並列接続されている。Ｖ相端子７２とＷ相端子７３との間にはＶ－Ｗ間第１巻線７５１及びＶ－Ｗ間第２巻線７５２が並列接続されている。Ｗ相端子７３とＵ相端子７１との間にはＷ－Ｕ間第１巻線７６１及びＷ－Ｕ間第２巻線７６２が並列接続されている。デュアルデルタ結線モータは、特開２０１７－７０１６２号公報の図７に開示されている。

インバータ回路６０は、３相モータ７０２の各相間巻線７４１、７４２、７５１、７５２、７６１、７６２に通電可能である。例えばＵ－Ｖ間第１巻線７４１が断線した場合を想定する。Ｕ相端子７１とＶ相端子７２との間に電圧を印加したとき、電流は、Ｕ－Ｖ間第２巻線７４２を通る他、さらにＷ－Ｕ間巻線７６１、７６２及びＶ－Ｗ間巻線７５１、７５２を通ってＵ相端子７１からＶ相端子７２に流れるため、電流の絶対値の低下幅が小さい。したがって、従来技術では小さな電流変化に基づいて故障判定することが困難である。

図１６に、「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件で固定相通電したときの、正常時、及び、Ｕ－Ｖ間１本断線時（例えばＵ－Ｖ間第１巻線７４１の断線時）の電流ベクトルを示す。枠内の数字の意味は図１４に準ずる。

デュアルデルタ結線におけるロータ位置θの理論値は、シングルデルタ結線と同様に、式（１）、（２）により算出できる。

「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での各相印加電圧を、Ｖｕ＝０、Ｖｖ＝２、Ｖｗ＝０として計算する。正常時の各相間巻線抵抗は、Ｒｕｖ＝Ｒｖｗ＝Ｒｗｕ＝１である。ここで、各相間巻線抵抗Ｒｕｖ、Ｒｖｗ、Ｒｗｕは２並列巻線の抵抗である。式（１）より、各相電流は、Ｉｕ＝－２（＝－１×２）、Ｉｖ＝４（＝２×２）、Ｉｗ＝－２（＝－１×２）である。こうして算出された電流ベクトルが図１６の上側に図示される。式（２）より、この条件での正常時のロータ位置θｎｏｒｍａｌは１２０°となる。

Ｕ－Ｖ間１本断線時、Ｕ－Ｖ間巻線抵抗は、正常時の２倍すなわち、Ｒｕ＝２となる。式（１）より、各相電流は、Ｉｕ＝－１（×１）、Ｉｖ＝３（＝１．５×２）、Ｉｗ＝－２（＝－１×２）である。このとき、ロータ位置θｄｉｓｃｏｎは１０９°であり、目標位置θｔｇｔに対するロータ位置偏差θｅｒｒは－１１°となる。

また、Ｖ－Ｗ間１本断線時にはロータ位置θｄｉｓｃｏｎは１３１°であり、ロータ位置偏差θｅｒｒは＋１１°となる。このように第３実施形態では、デュアルデルタ結線モータ７０２において並列接続された２本のうち１本の巻線断線故障を、固定相通電によるロータ位置偏差θｅｒｒに基づいて診断することができる。

なお、「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」の条件での固定相通電ではＷ－Ｕ間１本断線時のロータ位置偏差θｅｒｒは０°であるため断線故障を検出不可である。ただし、固定相通電の条件を変更することで、Ｗ－Ｕ間１本断線を同様に検出可能となる。

（その他の実施形態）
（ａ）本発明のモータ制御装置の駆動対象となる多相モータは、３相モータに限らず、４相以上の多相モータであってもよい。特に複数本の巻線のうち１本が断線しても電流が迂回して流れる構成の多相モータでは、上記実施形態と同様の効果が得られる。ただし、断線時の電流迂回経路の無いシングルスター結線の多相モータに本発明のモータ制御装置を用いることももちろん可能である。

（ｂ）図３、図４に示す例では、「Ｕ相：Ｌ、Ｖ相：Ｈ、Ｗ相：Ｌ」のように、１相をＨ、２相をＬとする条件で固定相通電が行われる。これとは逆に「Ｕ相：Ｈ、Ｖ相：Ｌ、Ｗ相：Ｈ」のように、１相をＬ、２相をＨとする条件で固定相通電が行われてもよい。

その場合、Ｈは、Ｄｕｔｙ比１００％、すなわち、常時上アーム素子オン、下アーム素子オフの状態を意味する。Ｌは、Ｄｕｔｙ比０％の状態、又は、Ｄｕｔｙ比が１０％等の「０％より大きく１００％より小さい値」でＤｕｔｙ駆動している状態を意味する。つまり故障診断部４０は、固定相通電において、１相のＤｕｔｙ比を１００％より小さい値とし、それ以外の相のＤｕｔｙ比を１００％とするように通電する。上述の例と同様にＤｕｔｙ駆動をする相を１相以下とすることで、より高精度に故障診断が可能になる。

（ｃ）第２実施形態のデュアルスター結線モータに対し、並列接続される各相巻線が３本以上であってもよい。同様に、第３実施形態のデュアルデルタ結線モータに対し、並列接続される各相間巻線が３本以上であってもよい。このように、各相巻線又は各相間巻線が複数本並列接続されたモータを一般化して「並列巻線モータ」という。Ｎ本（Ｎ≧２）の巻線が並列接続された並列巻線モータでは、最大（Ｎ－１）本の巻線が断線しても電流が流れるため、本発明の効果がより有効に発揮される。

本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

本開示に記載の故障診断部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の故障診断部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の故障診断部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１０・・・モータ制御装置、
４０・・・故障診断部、
４５・・・位置検出器、
６０・・・インバータ回路、
６１－６６・・・スイッチング素子、
７０１・・・シングルデルタ結線３相モータ（多相モータ）、
７０２・・・デュアルデルタ結線３相モータ（多相モータ）、
８０２・・・デュアルスター結線３相モータ（多相モータ）、
７１、７２、７３、８１、８２、８３・・・各相端子、
７４、７５、７６、７４１、７４２、７５１、７５２、７６１、７６２・・・デルタ結線の各相間巻線、
８４１、８４２、８５１、８５２、８６１、８６２・・・スター結線の各相巻線。

Claims (10)

1. ３相以上の多相モータ（７０１、７０２、８０２）の駆動を制御するモータ制御装置であって、
   上下アームの複数のスイッチング素子（６１－６６）の動作により前記多相モータの各相間巻線（７４、７５、７６、７４１、７４２、７５１、７５２、７６１、７６２）もしくは各相巻線（８４１、８４２、８５１、８５２、８６１、８６２）に通電可能なインバータ回路（６０）と、
   前記多相モータの電気角であるロータ位置を検出する位置検出器（４５）と、
   少なくとも前記多相モータの巻線の断線故障を含むモータ電流経路の断線故障を診断する故障診断部（４０）と、
   を備え、
   前記故障診断部は、
   前記モータ電流経路が正常な場合の前記多相モータのロータ位置が目標の電気角である目標位置（θｔｇｔ）に固定されるように、所定の電圧を各相の端子（７１、７２、７３、８１、８２、８３）に印加する固定相通電を行い、
   前記固定相通電による実際のロータ位置と前記目標位置との偏差であるロータ位置偏差（θｅｒｒ）に基づいて前記モータ電流経路の断線故障を診断するモータ制御装置。
2. 前記故障診断部は、さらに、前記ロータ位置偏差の値に基づき故障箇所を特定する請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記故障診断部は、現在のロータ位置に応じて前記固定相通電の前記目標位置を設定する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記故障診断部は、前記固定相通電において、上下アームのスイッチング素子のスイッチング周期に対する上アームのスイッチング素子のオン時間の比率であるＤｕｔｙ比について、
   １相のＤｕｔｙ比を０％より大きい値とし、それ以外の相のＤｕｔｙ比を０％とするか、又は、
   １相のＤｕｔｙ比を１００％より小さい値とし、それ以外の相のＤｕｔｙ比を１００％とするように通電する請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
5. 前記故障診断部は、所定の条件が成立しているか否かに応じて、故障診断の実施可否を判定する請求項１～４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記故障診断部は、前記多相モータに流れる電流の絶対値が電流閾値以上、又は、印加電圧が電圧閾値以上の状態である有効通電状態の継続時間が規定値（Ｔｄｅｔ）以上経過したときのロータ位置偏差に基づき故障診断を行う請求項１～５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
7. 前記故障診断部は、前記多相モータに流れる電流の絶対値が電流閾値以上、又は、印加電圧が電圧閾値以上の状態である有効通電状態で、回転角速度の絶対値が規定値（ωｄｅｔ）以下になったときのロータ位置偏差に基づき故障診断を行う請求項１～５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
8. 前記故障診断部は、前記モータ電流経路の断線故障であると判定したとき、使用者又は他の装置への通知、少なくとも一部の電流経路の遮断、前記多相モータの出力制限のうち一つ以上の処置を行う請求項１～７のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
9. 前記多相モータ（７０１、７０２）は、各相間巻線がデルタ結線された３相モータである請求項１～８のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
10. 前記多相モータ（８０２、７０２）は、各相巻線又は各相間巻線が複数本並列接続された並列巻線モータである請求項１～９のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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