モータ駆動装置
【課題】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。
【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とを有する。上段回生時異常判定手段１０３は、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がすべてＯＮ状態である上段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに電流が流れた場合に、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の少なくとも１つがＯＮ故障したと判定する。下段回生時異常判定手段１０４は、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がすべてＯＮ状態である下段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに電流が流れた場合に、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の少なくとも１つがＯＮ故障したと判定する。
【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とを有する。上段回生時異常判定手段１０３は、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がすべてＯＮ状態である上段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに電流が流れた場合に、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の少なくとも１つがＯＮ故障したと判定する。下段回生時異常判定手段１０４は、下段スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がすべてＯＮ状態である下段回生状態において、電流検出抵抗Ｒに電流が流れた場合に、上段スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の少なくとも１つがＯＮ故障したと判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。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２）。
【０００５】
図１４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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、モータＭに流れる電流の検出は、図１５の回路状態でＵ相電流を検出し、図１６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。
【０００８】
Ｕ相電流の検出は、図１５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１４）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。
【０００９】
Ｗ相電流の検出は、図１６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１４）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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
図１７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１５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１６のタイミングにおける電流検出を意味している。
【００１３】
図１７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。
【００１４】
最大相（Ｕ相）については、図１５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。
【００１５】
中間相（Ｖ相）については、図１５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。
【００１６】
最小相（Ｗ相）については、図１５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。
【００１７】
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。
【００１８】
最大相（Ｕ相）については、図１６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。
【００１９】
中間相（Ｖ相）については、図１６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。
【００２０】
最小相（Ｗ相）については、図１６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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００７−２４４１３３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３１０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
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１７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。
【００２３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
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とを有する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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１５、図１６）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。
【００２８】
本発明において、下段回生時異常判定手段は、下段回生状態において、電流検出抵抗に当該抵抗から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ようにしてもよい。
【００２９】
これによると、下段回生時の電流検出を利用して、モータの地絡故障を検出することができる。
【００３０】
また、本発明において、下段回生時異常判定手段は、下段回生状態において、電流検出抵抗に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ようにしてもよい。
【００３１】
これによると、下段回生時の電流検出を利用して、モータの電源短絡故障を検出することができる。
【発明の効果】
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】通常電流検出（１）における電流経路を示した図である。
【図５】通常電流検出（２）における電流経路を示した図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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１３】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。
【図１４】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。
【図１５】Ｕ相電流の検出を説明する図である。
【図１６】Ｗ相電流の検出を説明する図である。
【図１７】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。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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１４に示したものと同じである。したがって、以下では、図１４を本発明の実施形態として引用する。なお、図１４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。
【００３５】
図１と図１４の対応関係は、次の通りである。図１の駆動手段１０１は、図１４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１４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および下段回生時異常判定手段１０４の各機能は、図１４のＣＰＵ４に備わっている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
Ｔ１は、図１５で説明した通常電流検出（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１４）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。
【００３９】
Ｔ２は、図１６で説明した通常電流検出（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１４）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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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１７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。
【００４５】
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１７と同じであるので、説明は省略する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、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。
【００４９】
なお、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。しかし、最大相の上段ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近という状態は、最大相の上段スイッチング素子Ｑ１がほぼ常にＯＮ状態であることを示している。つまり、この状態は、もともと上段スイッチング素子Ｑ１のＯＮ故障と区別できないものであるから、このタイミングＴ４でＯＮ故障を検出する必要性は少ない。
【００５０】
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。しかし、最小相の上段ＰＷＭ信号のデューティが０％付近（下段ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近）という状態は、最小相の下段スイッチング素子Ｑ６がほぼ常にＯＮ状態であることを示している。つまり、この状態は、もともと下段スイッチング素子Ｑ６のＯＮ故障と区別できないものであるから、このタイミングＴ３でＯＮ故障を検出する必要性は少ない。
【００５１】
図１２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。
【００５２】
図１３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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、上記実施形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【符号の説明】
【００５９】
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
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。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２）。
【０００５】
図１４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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、モータＭに流れる電流の検出は、図１５の回路状態でＵ相電流を検出し、図１６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。
【０００８】
Ｕ相電流の検出は、図１５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１４）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。
【０００９】
Ｗ相電流の検出は、図１６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１４）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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
図１７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１５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１６のタイミングにおける電流検出を意味している。
【００１３】
図１７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。
【００１４】
最大相（Ｕ相）については、図１５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。
【００１５】
中間相（Ｖ相）については、図１５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。
【００１６】
最小相（Ｗ相）については、図１５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。
【００１７】
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。
【００１８】
最大相（Ｕ相）については、図１６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。
【００１９】
中間相（Ｖ相）については、図１６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。
【００２０】
最小相（Ｗ相）については、図１６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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００７−２４４１３３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３１０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
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１７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。
【００２３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
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とを有する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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１５、図１６）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。
【００２８】
本発明において、下段回生時異常判定手段は、下段回生状態において、電流検出抵抗に当該抵抗から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ようにしてもよい。
【００２９】
これによると、下段回生時の電流検出を利用して、モータの地絡故障を検出することができる。
【００３０】
また、本発明において、下段回生時異常判定手段は、下段回生状態において、電流検出抵抗に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ようにしてもよい。
【００３１】
これによると、下段回生時の電流検出を利用して、モータの電源短絡故障を検出することができる。
【発明の効果】
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】通常電流検出（１）における電流経路を示した図である。
【図５】通常電流検出（２）における電流経路を示した図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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１３】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。
【図１４】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。
【図１５】Ｕ相電流の検出を説明する図である。
【図１６】Ｗ相電流の検出を説明する図である。
【図１７】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。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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１４に示したものと同じである。したがって、以下では、図１４を本発明の実施形態として引用する。なお、図１４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。
【００３５】
図１と図１４の対応関係は、次の通りである。図１の駆動手段１０１は、図１４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１４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および下段回生時異常判定手段１０４の各機能は、図１４のＣＰＵ４に備わっている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
Ｔ１は、図１５で説明した通常電流検出（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１４）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。
【００３９】
Ｔ２は、図１６で説明した通常電流検出（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１４）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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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１７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。
【００４５】
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１７と同じであるので、説明は省略する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、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。
【００４９】
なお、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。しかし、最大相の上段ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近という状態は、最大相の上段スイッチング素子Ｑ１がほぼ常にＯＮ状態であることを示している。つまり、この状態は、もともと上段スイッチング素子Ｑ１のＯＮ故障と区別できないものであるから、このタイミングＴ４でＯＮ故障を検出する必要性は少ない。
【００５０】
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。しかし、最小相の上段ＰＷＭ信号のデューティが０％付近（下段ＰＷＭ信号のデューティが１００％付近）という状態は、最小相の下段スイッチング素子Ｑ６がほぼ常にＯＮ状態であることを示している。つまり、この状態は、もともと下段スイッチング素子Ｑ６のＯＮ故障と区別できないものであるから、このタイミングＴ３でＯＮ故障を検出する必要性は少ない。
【００５１】
図１２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。
【００５２】
図１３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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、上記実施形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【符号の説明】
【００５９】
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
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
【特許請求の範囲】
【請求項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、
を有することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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、
を有することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−６７０６５（Ｐ２０１１−６７０６５Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１７６４８（Ｐ２００９−２１７６４８）
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【出願人】（５１０１２３８３９）オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社 (110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【出願人】（５１０１２３８３９）オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社 (110)
【Ｆターム（参考）】
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