CN102201782A - 电动机驱动装置 - Google Patents

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鞍谷真一
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Abstract

本发明提供一种即使在使用单个电流检测单元的情况下，也能够检测所有相的上级和下级的开关元件的导通故障、并且能够迅速检测故障的电动机驱动装置。向驱动单元(101)输出PWM信号的控制单元(102)具有上级再生时异常判定单元(103)、下级再生时异常判定单元(104)、通常时异常判定单元(105)以及占空比限制单元(106)。上级再生时异常判定单元(103)和下级再生时异常判定单元(104)检测再生时的异常电流，通常时异常判定单元(105)检测再生时以外的通常时的异常电流。在这些异常判定单元103～105的任意一个检测到异常电流的情况下，占空比限制单元(106)将各相的PWM信号的占空比限制在预定范围内。

Description

电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及使用了PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制方式的电动机驱动装置，尤其涉及使用单个电流检测单元检测各相的电流值的电动机驱动装置。
背景技术
在车辆的电动动力转向装置中，为了对转向机构赋予与驾驶盘的操舵转矩对应的操舵辅助力，设置有3相无刷电动机等电动式电动机。作为驱动该电动机的装置，公知有利用PWM控制方式的电动机驱动装置(例如专利文献1)。
在PWM控制方式的电动机驱动装置中，设置有3组在上臂和下臂分别具有开关元件的上下一对臂。此外，根据由转矩传感器检测出的操舵转矩计算应该流过电动机的电流的目标值，并根据该目标值和实际流过电动机的电流值的偏差，生成具有预定占空比的PWM信号。并且，根据基于该PWM信号的各开关元件的导通/截止动作，驱动电动机。
在专利文献1的电动机驱动装置中，在各相的下臂分别设置有用于检测流过电动机的电流的电流检测电阻(分流电阻)。即，设置有3个电流检测电阻，通过测定各电阻的两端电压，由此检测实际流过电动机的电流。此外，在专利文献2中，记载了具有过电流检测功能的电动机驱动装置，在该装置中也在下臂分别设置有电流检测电阻。与此相对，公知有使用了单个电流检测电阻的电动机驱动装置(例如专利文献3)。
图20示出了使用了单个电流检测电阻的PWM控制方式的电动机驱动装置的一例。电源电路1由整流电路或平滑电路等构成，在输出端连接有电容器C。开关电路2由与U相、V相、W相对应设置有3组上下一对臂的3相电桥构成。U相的上臂A1具有开关元件Q1，U相的下臂A2具有开关元件Q2。V相的上臂A3具有开关元件Q3，V相的下臂A4具有开关元件Q4。W相的上臂A5具有开关元件Q5，W相的下臂A6具有开关元件Q6。这些开关元件Q1～Q6由例如FET(Field EffectTransistor：场效应晶体管)构成。
电动机M是用于例如车辆的电动动力转向装置的3相无刷电动机。在电源电路1和开关电路2之间连接有用于检测流过电动机M的电流检测电阻R。由差动放大器等构成的放大电路5对电流检测电阻R两端的电压进行放大，并输出至CPU 4。CPU4根据检测电流值和目标电流值计算与各相的PWM信号的占空比对应的占空比设定值，上述检测电流值是根据从放大电路5赋予的电压计算出的，上述目标电流值是根据从转矩传感器(省略图示)赋予的操舵转矩计算出的。并且，将根据该占空比设定值和锯齿状的载波信号生成的各相的PWM信号提供给驱动器IC 3。驱动器IC 3将用于使开关元件Q1～Q6单独导通/截止的各相的PWM信号输出到各开关元件Q1～Q6的栅极。根据基于该PWM信号的开关元件Q1～Q6的导通/截止，从开关电路2向电动机3提供相电压，从而电动机M旋转。
在上述那样的使用了单个电流检测电阻R的电动机驱动装置的情况下，通常时，通过在图21的电路状态下检测U相电流、在图22的电路状态下检测W相电流来进行流过电动机M的电流检测。另外，此处，设U相为占空比最大的最大相、V相为占空比为中间的中间相、W相为占空比最小的最小相。
如图21所示，在上臂的开关元件(以下称作“上级开关元件”)Q1、Q3、Q5分别为导通、截止、截止，下臂的开关元件(以下称作“下级开关元件”)Q2、Q4、Q6分别为截止、导通、导通的期间进行U相电流的检测。此时，在电动机M中电流沿由箭头所示的路径流过，在电流检测电阻R中流过U相电流。通过该U相电流而在电流检测电阻R两端产生的电压经由放大电路5(图20)被输入至CPU 4，在CPU4中被AD转换，由此检测U相电流值。
如图22所示，在上级开关元件Q1、Q3、Q5分别为导通、导通、截止，下级开关元件Q2、Q4、Q6分别为截止、截止、导通的期间进行W相电流的检测。此时，在电动机M中电流沿由箭头所示的路径流过，在电流检测电阻R中流过W相电流。通过该W相电流而在电流检测电阻R的两端产生的电压经由放大电路5(图20)被输入至CPU 4，在CPU 4中被AD转换，由此检测W相电流值。
此外，关于V相电流值，能够根据U相电流值和W相电流值通过计算来求出。即，在设U相电流值为Iu、V相电流值为Iv、W相电流值为Iw时，在它们之间以下关系成立。
Iu+Iv+Iw＝0
由此，能够将V相电流值Iv计算为
Iv＝-(Iu+Iv)。
在上述电动机驱动装置中，开关元件Q1～Q6有时会由于元件自身的异常而保持导通状态，而不能返回截止状态。此外，即使元件自身正常，向元件赋予PWM信号的驱动器IC 3或CPU 4有时也会由于异常而持续输出导通信号，从而Q1～Q6会保持导通状态，而不能返回截止状态。以下将这样开关元件Q1～Q6保持导通状态的故障称作“导通故障”。
图23是示出可否检测每个相的上级开关元件和下级开关元件的导通故障的表。“上级短路”是指上级开关元件Q1、Q3、Q5的导通故障，“下级短路”是指下级开关元件Q2、Q4、Q6的导通故障。此外，“通常电流检测(1)”是指图21的定时的电流检测，“通常电流检测(2)”是指图22的定时的电流检测。
在图23中，通常电流检测(1)的情况下的可否检测导通故障的具体情况如下。
关于最大相(U相)，如图21所示，上级开关元件Q1处于导通状态，不能区别通常动作和上级短路，因此不能检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q2在通常动作时处于截止状态，因此在元件Q2中发生导通故障时，经由元件Q1、Q2在电流检测电阻R中流过过电流，因此能够检测下级短路。
关于中间相(V相)，如图21所示，在通常动作时，上级开关元件Q3处于截止状态，因此在元件Q3中发生导通故障时，经由元件Q3、Q4在电流检测电阻R中流过过电流，因此能够检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q4处于导通状态，不能区别通常动作和下级短路，因此不能检测下级短路。
关于最小相(W相)，如图21所示，在通常动作时，上级开关元件Q5处于截止状态，因此在元件Q5中发生导通故障时，经由元件Q5、Q6在电流检测电阻R中流过过电流，因此能够检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q6处于导通状态，不能区别通常动作和下级短路，因此不能检测下级短路。
接着，通常电流检测(2)的情况下的可否检测导通故障的具体情况如下。
关于最大相(U相)，如图22所示，上级开关元件Q1处于导通状态，不能区别通常动作和上级短路，因此不能检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q2在通常动作时处于截止状态，因此在元件Q2中发生导通故障时，经由元件Q1、Q2在电流检测电阻R中流过过电流，因此能够检测下级短路。
关于中间相(V相)，如图22所示，在通常动作时，上级开关元件Q3处于导通状态，不能区别通常动作和上级短路，因此不能检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q4处于截止状态，因此在元件Q4中发生导通故障时，经由元件Q3、Q4在电流检测电阻R中流过过电流，因此能够检测下级短路。
关于最小相(W相)，如图22所示，在通常动作时，上级开关元件Q5处于截止状态，因此在元件Q5中发生导通故障时，经由元件Q5、Q6在电流检测电阻R中流过过电流，因此能够检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q6处于导通状态，不能区别通常动作和下级短路，因此不能检测下级短路。
【专利文献1】日本特开2007-244133号公报
【专利文献2】日本专利第3484968号公报
【专利文献3】日本特开2009-131098号公报
如上所述，在使用单个电流检测电阻R在通常电流检测(1)、(2)这两个定时检测电动机电流的情况下，如图23的粗框所示，存在不能检测最大相(U相)的上级开关元件Q1的导通故障(上级短路)、和最小相(W相)的下级开关元件Q6的导通故障(下级短路)这样的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种即使在使用单个电流检测单元的情况下，也能够针对所有相检测上级开关元件和下级开关元件的导通故障的电动机驱动装置。
本发明的另一个目的在于提供一种能够避免由于PWM信号的占空比为100％或0％(或者这些附近)而在再生时不能检测电流的情况，从而迅速检测故障的电动机驱动装置。
如图1所示，本发明的电动机驱动装置具有以下单元：驱动单元101，其至少设置有3组在上臂和下臂分别具有开关元件Q1～Q6的上下一对臂，根据基于PWM信号的各开关元件的导通/截止动作驱动电动机M；单个电流检测电阻R，其用于检测流过该驱动单元101的电流；以及控制单元102，其根据流过该电流检测电阻R的电流，检测在电动机M的各相所流过的电流的电流值，并根据各相的目标电流值和各相的检测电流值向各开关元件Q1～Q6输出PWM信号。控制单元102还具有上级再生时异常判定单元103、下级再生时异常判定单元104、通常时异常判定单元105、和占空比限制单元106。
上级再生时异常判定单元103在所有相的上臂的开关元件Q1、Q3、Q5为导通状态、并且所有相的下臂的开关元件Q2、Q4、Q6为截止状态的上级再生状态下，检测流过电流检测电阻R的电流，并根据该检测结果判定异常。例如，在流过电流检测电阻R的电流的电流值为预定值以上的情况下，判定为下臂的开关元件Q2、Q4、Q6的至少一个为导通故障。
下级再生时异常判定单元104在所有相的上臂的开关元件Q1、Q3、Q5为截止状态、并且所有相的下臂的开关元件Q2、Q4、Q6为导通状态的下级再生状态下，检测流过电流检测电阻R的电流，并根据该检测结果判定异常。例如，在流过电流检测电阻R的电流的电流值为预定值以上的情况下，判定为上臂的开关元件Q1、Q3、Q5的至少一个为导通故障。
通常时异常判定单元105在除上级再生状态和下级再生状态外的通常状态下，检测流过电流检测电阻R的电流，并根据该检测结果判定异常。
占空比限制单元106在上级再生时异常判定单元103、下级再生时异常判定单元104、通常时异常判定单元105的至少一个检测到异常电流的情况下，限制占空比以使各相的PWM信号的占空比的最大值为一定值α(α＜100％)以下，并且最小值为一定值β(β＞0％)以上。
在本发明中，在各相的上级开关元件Q1、Q3、Q5全部为导通的上级再生状态下，当下级开关元件Q2、Q4、Q6的至少一个为导通故障时，在电流检测电阻R中流过本来不应该流过的电流。此外，在各相的下级开关元件Q2、Q4、Q6全部为导通的下级再生状态下，当上级开关元件Q1、Q3、Q5的至少一个为导通故障时，在电流检测电阻R中也流过本来不应该流过的电流。由此，能够通过在现有的通常电流检测(图21、图22)中，追加上级再生时和下级再生时的电流检测，针对所有相检测导通故障。
此外，在本发明中，在异常判定单元103～105的至少一个判定出异常的情况下，占空比限制单元106将各相的PWM信号的占空比限制在预定范围内，因此不会有各相的占空比为100％或0％(或者它们附近)的情况。因此，能够确保电流检测所需的时间来检测再生时的异常电流，从而能够进行故障的迅速检测。
在本发明中，也可以在通过占空比限制单元106限制占空比的期间，当上级再生时异常判定单元103、下级再生时异常判定单元104或通常时异常判定单元105判定出异常的情况下，通过控制单元102判断为发生了故障。
优选的是，控制单元102在通过占空比限制单元106限制了占空比后，当上级再生时异常判定单元103、下级再生时异常判定单元104或通常时异常判定单元105在多个周期内连续预定次数判定出异常的情况下，判断为发生了故障。这在提高故障判定的精度方面比较有效。
在本发明的优选实施方式中，占空比限制单元106在进行占空比限制后，当没有通过各异常判定单元103～105检测到异常电流的状态持续了一定时间的情况下，解除占空比的限制使各相的PWM信号的占空比恢复到原来状态。
这样，电动机M无论何时都不会被持续以低动力驱动，能够使电动机驱动力迅速恢复。
在本发明中，下级再生时异常判定单元104也可以在下级再生状态下，当检测到在电流检测电阻R中流过从该电阻朝向电动机M的方向的预定值以上的电流的情况下，判定为电动机M的接地故障。
这样，能够利用下级再生时的电流检测，检测电动机M的接地故障。
此外，在本发明中，下级再生时异常判定单元104也可以在下级再生状态下，当检测到在电流检测电阻R中流过从电动机M朝向该电阻的方向的预定值以上的电流的情况下，判定为电动机M的电源短路故障。
这样，能够利用下级再生时的电流检测，检测电动机M的电源短路故障。
根据本发明，可提供一种即使在使用单个电流检测单元的情况下，也能够针对所有相检测上级开关元件和下级开关元件的导通故障的电动机驱动装置。此外，利用占空比限制在再生时也能够可靠检测异常电流，因此能够迅速检测故障。
附图说明
图1是示出本发明的电动机驱动装置的基本结构的图。
图2是对本发明中的电流检测定时进行说明的图。
图3是示出本发明中的可否检测每个相的导通故障的表。
图4是示出通常电流检测(1)中的电流路径的图。
图5是示出通常电流检测(2)中的电流路径的图。
图6是示出上级再生状态下(正常时)的电流路径的图。
图7是示出上级再生状态下(故障时)的电流路径的图。
图8是示出下级再生状态下(正常时)的电流路径的图。
图9是示出下级再生状态下(故障时)的电流路径的图。
图10是对PWM信号的占空比为100％附近时的电流检测进行说明的图。
图11是对PWM信号的占空比为0％附近时的电流检测进行说明的图。
图12是表示不限制占空比时的各相的占空比的图。
图13是表示限制占空比时的各相的占空比的图。
图14是表示正常时的PWM信号的时序图。
图15是表示异常时的PWM信号的时序图。
图16是表示正常时的另一PWM信号的时序图。
图17是表示异常时的另一PWM信号的时序图。
图18是对下级再生时的接地故障检测进行说明的图。
图19是对下级再生时的电源短路故障(电源连接故障)检测进行说明的图。
图20是示出了使用了单个电流检测电阻的PWM控制方式的电动机驱动装置的一例的图。
图21是说明U相电流检测的图。
图22是说明V相电流检测的图。
图23是示出现有的可否检测每个相的导通故障的表。
符号说明
1：电源电路；2：开关电路；3：驱动器IC；4：CPU；5：放大电路；101：驱动单元；102：控制单元；103：上级再生时异常判定单元；104：下级再生时异常判定单元；105：通常时异常判定单元；106：占空比限制单元；M：电动机；A1～A6：臂；Q1～Q6：开关元件；R：电流检测电阻。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。电动机驱动装置的电路结构与图20所示相同。由此，以下，将图20引用作本发明的实施方式。另外，已经说明了图20的各部，因此此处省略详细说明。
图1和图20的对应关系如下。图1的驱动单元101与图20的开关电路2对应。图1的控制单元102与图20的包含驱动器IC 3、CPU 4、放大电路5的电路的一部分对应。图20的CPU 4具有图1的上级再生时异常判定单元103、下级再生时异常判定单元104、通常时异常判定单元105、占空比限制单元106的各功能。
接着，针对本发明中的电动机电流的检测、和开关元件的导通故障检测进行说明。
图2是说明对流过电流检测电阻R的电流进行检测的定时的图。在4个定时T1～T4进行电流检测。另外，此处所说的“定时”，是指具有能够进行电流检测的时间宽度(例如2μsec)的“期间”。
T1是在图21中说明的通常时的通常电流检测(1)的定时。在该定时T1，在上级开关元件Q1导通、Q3截止、Q5截止的状态下，在电流检测电阻R中流过最大相(此处为U相)的电流。此时的各相的电流路径如图4的虚线所示。另外，图4的Lu、Lv、Lw分别是电动机M具有的U相、V相、W相的线圈，BAT是电源(在以下图中也同样如此)。由于在电流检测电阻R中流过的电流而在该电阻R的两端产生的电压经由放大电路5(图20)被输入CPU 4，在CPU 4中被AD转换，由此检测U相电流值。此外，通常时异常判定单元105在定时T1流过电流检测电阻R的电流值为预定值以上时，判定为异常。此时的异常如在图23中说明那样，是最大相的下级开关元件Q2的导通故障、中间相的上级开关元件Q3的导通故障或最小相的上级开关元件Q5的导通故障。
T2是在图22中说明的通常时的通常电流检测(2)的定时。在该定时T2，在上级开关元件Q1导通、Q3导通、Q5截止的状态下，在电流检测电阻R中流过最小相(此处为W相)的电流。此时的各相的电流路径如图5的虚线所示。由于流过电流检测电阻R的电流而在该电阻R的两端产生的电压经由放大电路5(图20)被输入CPU 4，在CPU 4中被AD转换，由此检测W相电流值。此外，通常时异常判定单元105在定时T2流过电流检测电阻R的电流值为预定值以上时，判定为异常。此时的异常如在图23中说明那样，是最大相的下级开关元件Q2的导通故障、中间相的下级开关元件Q4的导通故障或最小相的上级开关元件Q5的导通故障。
T3是在本发明中新追加的上级再生时电流检测的定时。在该定时T3，在上级开关元件Q1、Q3、Q5全部为导通状态(此时，下级开关元件Q2、Q4、Q6全部为截止状态)的上级再生状态下，检测流过电流检测电阻R的电流。正常时的上级再生状态下的电流路径如图6所示。即，基于在电动机M的线圈Lu、Lv、Lw中蓄积的电能的再生电流经由上级开关元件Q1、Q3、Q5在虚线所示的路径上回流，电流不流过电流检测电阻R。
另一方面，在下级开关元件、例如最小相(W相)的下级开关元件Q6中产生导通故障的情况下，如图7所示，开关元件Q5、Q6都导通。此外，本来不应该从电源BAT经由开关元件Q5、Q6流过的电流沿虚线所示的路径流过电流检测电阻R。开关元件Q2、Q4产生导通故障的情况也同样如此。由此，能够通过检测该电流，检测下级开关元件Q2、Q4、Q6的导通故障。此时，上级再生时异常判定单元103(图1)在上级再生时流过电流检测电阻R的电流的电流值为预定值以上时，判定为异常(下级开关元件的导通故障)。
T4是在本发明中新追加的下级再生时电流检测的定时。在该定时T4，在上级开关元件Q1、Q3、Q5全部为截止状态(此时，下级开关元件Q2、Q4、Q6全部为导通状态)的下级再生状态下，检测流过电流检测电阻R的电流。正常时的下级再生状态下的电流路径如图8所示。即，基于在电动机M的线圈Lu、Lv、Lw中蓄积的电能的再生电流经由下级开关元件Q2、Q4、Q6在虚线所示的路径上回流，电流不流过电流检测电阻R。
另一方面，在上级开关元件、例如最大相(U相)的上级开关元件Q1产生导通故障的情况下，如图9所示，开关元件Q1、Q2都导通。此外，本来不应该从电源BAT经由开关元件Q1、Q2流过的电流沿虚线所示的路径流过电流检测电阻R。开关元件Q3、Q5产生导通故障的情况也同样如此。由此，能够通过检测该电流，检测上级开关元件Q1、Q3、Q5的导通故障。此时，下级再生时异常判定单元104(图1)在下级再生时流过电流检测电阻R的电流的电流值为预定值以上时，判定为异常(上级开关元件的导通故障)。
图3是示出可否检测每个相的上级开关元件和下级开关元件的导通故障的表。与图23相同，“上级短路”是指上级开关元件Q1、Q3、Q5的导通故障，“下级短路”是指下级开关元件Q2、Q4、Q6的导通故障。
关于通常电流检测(1)的情况下的可否检测导通故障、通常电流检测(2)的情况下的可否检测导通故障与图23相同，因此省略说明。
上级再生时电流检测的情况下的可否检测导通故障如下所示。上级再生时，如图6所示，上级开关元件Q1、Q3、Q5全部处于导通状态，不能区别通常动作和上级短路，因此不能针对所有相检测上级短路。另一方面，下级开关元件Q2、Q4、Q6全部处于截止状态，如前所述，在任意一个下级开关元件中发生导通故障时，在电流检测电阻R中流过过电流(图7)，因此能够检测下级短路。
下级再生时电流检测的情况下的可否检测导通故障如下所示。下级再生时，如图8所示，下级开关元件Q2、Q4、Q6全部处于导通状态，不能区别通常动作和下级短路，因此不能针对所有相检测下级短路。另一方面，上级开关元件Q1、Q3、Q5全部处于截止状态，如前所述，在任意一个上级开关元件中发生导通故障时，在电流检测电阻R中流过过电流(图9)，因此能够检测上级短路。
这样，根据本实施方式，除了通常时的通常电流检测(1)和通常电流检测(2)以外，还在上级再生时和下级再生时进行电流检测。因此，如图3的粗框所示，还能够检测最大相的上级开关元件Q1的导通故障(图9)、和最小相的下级开关元件Q6的导通故障(图7)。其结果，能够针对所有相，检测上级开关元件Q1、Q3、Q5的导通故障、以及下级开关元件Q2、Q4、Q6的导通故障。
但是，为了检测流过电流检测电阻R的电流，需要一定程度的检测时间。但是，在电动机M高速旋转的情况下(高速操舵时)，PWM信号的占空比为100％附近或0％附近，从而不能进行再生时的电流检测。例如，如图10所示，在最大相的上级PWM信号的占空比为100％附近的情况下，该PWM信号的截止期间比定时T4的时间宽度短，不能进行下级再生时的电流检测。其结果，不能检测最大相的上级开关元件Q1的导通故障。此外，如图11所示，在最小相的上级PWM信号的占空比为0％附近的情况下，该PWM信号的导通期间比定时T3的时间宽度短，不能进行上级再生时的电流检测。其结果，不能检测最小相的下级开关元件Q6的导通故障。
因此，在本实施方式中，在检测到异常电流的情况下，通过将各相的PWM信号的占空比限制在一定范围内，不会产生上述不良情况。
在本实施方式的情况下，如图2所示，在PWM信号的1个周期内，在通常时(T1、T2)、上级再生时(T3)、下级再生时(T4)这4个定时进行异常电流的检测。此外，在任意一个定时都没有检测到异常电流时，不进行占空比限制。图12是表示不限制占空比时的各相的占空比的图，各相的占空比最大值为100％(包含附近)，最小值为0％(包含附近)。
另一方面，在T1～T4任意一个定时检测到异常电流时，进行占空比限制。图13是表示限制占空比时的各相的占空比的图。各相的占空比被限制为最大值在一定值α(α＜100％)以下，并且最小值在一定值β(β＞0％)以上。此处，作为一例，α＝90％，β＝10％。
这样限制占空比是基于如下理由。在定时T1～T4的任意一个定时检测到异常电流时，产生短路等故障的可能性高，但是有时也由于噪声或错误动作等原因而偶尔发生检测到异常电流的情况。因此，为了提高故障判定的精度，在多个周期内连续预定次数检测到异常电流的情况下，判断为发生了故障。但是，在故障发生时在T1～T4的哪个定时检测到异常电流根据故障状况或电动机的旋转状态而改变。因此，即使在某个周期检测到异常电流，在下一个周期检测到异常电流的定时为图10的T4或图11的T3的情况下，如前所述，最大相的截止期间或最小相的导通期间比较短，因此不能检测出异常电流。其结果，若判定为故障以前产生了时间延迟、不能检测出异常电流的状态长时间持续，则将导致元件的损坏。因此，在T1～T4的任意一个定时检测到异常电流的情况下，对各相的占空比施加限制，减少最大相的占空比，并且增加最小相的占空比。由此，最大相的截止期间或最小相的导通期间变长，因此以后也能够继续检测异常电流，能够进行故障的迅速检测。
以下，参照图14～图17进一步具体说明本发明中的占空比限制。
首先，说明第1例。图14表示U相(最大相)的上级开关元件Q1的占空比为100％附近、V相(中间相)的上级开关元件Q3的占空比为50％、W相(最小相)的上级开关元件Q5的占空比为10％的情况下的正常时的PWM信号。在该状态下没有检测到异常电流，不限制各相的PWM信号的占空比而维持一定值。
图15表示检测到异常电流时的PWM信号。此处，在定时Ta(上级再生时)，设为由上级再生时异常判定单元103检测到流过电流检测电阻R的电流值为预定值以上。另外，定时Ta与图2的定时T3对应。此外，在定时Tb1，相对于电流检测所需的时间，U相(最大相)的截止期间比较短，因此不能进行电流检测。在定时Ta检测到异常电流时，占空比限制单元106进行占空比限制以使定时t4及定时t4以后的各相的PWM信号的占空比在预定范围内。即，减少U相(最大相)的占空比例如设为80％，并且增加W相(最小相)的占空比例如设为20％。V相(中间相)的占空比保持50％。
通过这样限制占空比，从检测到异常电流后的下一周期(t4-t5区间)开始，U相的上级开关元件Q1的截止期间变长，因此在定时Tb2，能够可靠检测出下级再生时的异常电流。此外，W相的上级开关元件Q5的导通期间变长，因此也能够可靠检测出上级再生时的异常电流。另外，在图15的情况下，即使W相的占空比为10％也能够进行电流检测(参照t3-t4区间)，因此也可以不一定增加W相的占空比。
并且，占空比限制单元106在进行占空比限制后(t4及t4以后)，在没有检测到异常电流的状态持续一定时间的情况下(例如，没有检测到异常电流的周期或定时连续了预定数量的情况下)，解除占空比的限制，使各相的PWM信号的占空比恢复到原来状态、即图14的状态。
接着，说明第2例。图16表示U相(最大相)的上级开关元件Q1的占空比为60％、V相(中间相)的上级开关元件Q3的占空比为30％、W相(最小相)的上级开关元件Q5的占空比为0％附近的情况下的正常时的PWM信号。在该状态下没有检测到异常电流，不限制各相的PWM信号的占空比而维持一定值。
图17表示检测到异常电流时的PWM信号。此处，在定时Tc(下级再生时)，设为由下级再生时异常判定单元104检测到流过电流检测电阻R的电流值为预定值以上。另外，定时Tc与图2的定时T4对应。此外，在定时Td1，相对于电流检测所需的时间，W相(最小相)的导通期间比较短，因此不能进行电流检测。在定时Tc检测到异常电流时，占空比限制单元106进行占空比限制以使定时t4及定时t4以后的各相的PWM信号的占空比在预定范围内。即，增加W相(最小相)的占空比例如设为15％，并且增加V相(中间相)的占空比例如35％设为。U相(最大相)的占空比保持60％。
通过这样限制占空比，从检测到异常电流后的下一周期(t4-t5区间)开始，W相的上级开关元件Q5的导通期间变长，因此在定时Td2，能够可靠检测出上级再生时的异常电流。此外，V相的上级开关元件Q3的导通期间也变长，因此能够更可靠检测上级再生时的异常电流。
并且，占空比限制单元106在进行占空比限制后(t4及t4以后)，在没有检测到异常电流的状态持续一定时间的情况下(例如，没有检测到异常电流的周期或定时连续了预定数量的情况下)，解除占空比的限制，使各相的PWM信号的占空比恢复到原来状态、即图16的状态。
另外，在图15和图17中，针对在上级再生时和下级再生时的定时Ta、Tc检测到异常电流的情况下的占空比限制进行了叙述，但是在再生时以外的通常时的定时(相当于图2的T1、T2)检测到异常电流的情况下，也进行与上述同样的占空比限制。
此外，在限制占空比的期间，在异常判定单元103～105的任意一个判定为异常的情况下，控制单元102判断为发生了故障。此时，也可以在限制占空比后，在1周期内的某个定时(例如图15的定时Tb2、图17的定时Td2)检测到异常电流的时刻，判断为发生了故障，但是如前所述，为了提高故障判定的精度，优选在限制占空比后，在多个周期范围内连续预定次数检测到异常电流的情况下，判断为发生了故障。
如上所述，在本实施方式中，在包含通常时和再生时的多个定时的任意一个定时检测到异常电流的情况下，进行占空比限制以使各相的PWM信号的占空比在预定范围内(图13的α～β的范围内)，因此各相的占空比不会成为100％或0％(或者它们附近)。因此，能够确保电流检测所需的时间来可靠检测再生时的异常电流，能够进行故障的迅速检测。
此外，在检测到异常电流的情况下，不会极端降低占空比，而在图13所示的范围内限制占空比，因此能够在必须以最快速驱动电动机的状态下，抑制不必要地降低电动机驱动力的情况。
此外，在本实施方式中，在进行占空比限制后，没有检测到异常电流的状态持续一定时间时，解除占空比限制并使占空比恢复到原来状态。因此电动机无论何时都不会持续被以低动力驱动，能够使电动机驱动力迅速恢复。
此外，在本实施方式中，除了通常时在再生时也检测异常电流，但是在再生时流过电流检测电阻R的电流在正常状态下为零，因此能够容易且高精度地设定用于检测异常电流的阈值。
另外，如前所述，为了检测流过电流检测电阻R的电流，需要一定程度的检测时间，因此考虑该检测时间来设定用于图13所示的占空比限制的α、β的值。如果把α、β的值设定成使得PWM信号的最小相的导通期间和最大相的截止期间分别成为检测时间以上，则能够进行电流检测。
接着，说明本发明的另一实施方式。
图18是对下级再生时的接地故障检测进行说明的图。如图所示，例如，在电动机M的最小相(W相)端子产生接地故障时，在下级再生时，流过用实线箭头和虚线箭头所示的电流。其中，用实线箭头示出的电流是如下的负电流：在存在于开关元件Q5、Q6的连接点a和接地点b之间的寄生电感Lo中蓄积的电能经由电流检测电阻R-开关元件Q6-接地的闭合回路放出，不经由电动机M而直接到达接地点b。能够通过检测该负电流，检测接地故障。此时，下级再生时异常判定单元104(图1)在当在下级再生状态下，检测到在电流检测电阻R中流过从该电阻朝向电动机M的方向的预定值以上的电流时，判定为异常(电动机的接地故障)。另外，在其他相产生接地故障的情况下，也能够与上述同样地检测接地故障。
图19是对下级再生时的电源短路故障(以下称作“电源连接故障”)检测进行说明的图。如图所示，例如，在电动机M的最小相(W相)端子产生电源连接故障时，在下级再生时，流过用实线箭头和虚线箭头所示的电流。其中，用实线箭头示出的电流是如下的正电流：从电源连接点c(电源BAT)经由开关元件Q6到达电流检测电阻R。能够通过检测该正电流，检测电源连接故障。此时，下级再生时异常判定单元104(图1)当在下级再生状态下，检测到在电流检测电阻R中流过从电动机M朝向该电阻的方向的预定值以上的电流时，判定为异常(电动机的电源连接故障)。另外，在其他相产生电源连接故障的情况下，也能够与上述同样地检测电源连接故障。
这样，根据本实施方式，能够通过在下级再生时检测流过电流检测电阻R的电流，检测电动机M的接地故障和电源连接故障。并且，在这些故障检测时，也能够通过进行上述的占空比限制，迅速检测故障。
在本发明中，除了以上所述的实施方式以外还能够采用各种实施方式。例如，在图14～图17中，在PWM驱动的1周期内只包含1个PWM信号，但是也可以在1周期内包含多个PWM信号。此外，生成PWM信号时的载波信号(基准波)也可以是锯齿波和三角波中的任一种。
此外，在本发明中，如果最大相/中间相/最小相的各相的占空比进入预定范围内，则占空比限制的模式不限于上述情况。例如，可以仅减少最大相的占空比，也可以减少最大相和中间相两者的占空比。此外，也可以减少最大相和中间相的占空比，并且增加最小相的占空比。此外，也可以仅增加最小相的占空比。此外，占空比的值不限于上述值，也可以采用其他值。
此外，在上述实施方式中，列举U相为最大相、V相为中间相、W相为最小相的情况为例，但是这是一例，在例如U相为最小相、V相为中间相、W相为最大相的情况，或U相为中间相、V相为最小相、W相为最大相的情况等，无论各相和最大相/中间相/最小相的组合是哪种情况下，都能够应用本发明。
此外，在上述实施方式中，在上级开关元件导通时将下级开关元件设为截止，但是也可以在上级开关元件的导通/截止的定时、和下级开关元件的导通/截止的定时之间，设置停顿时间。即，也可以在上级开关元件从截止变为导通的定时的预定时间之前，使下级开关元件从导通变为截止。这是为了防止上级开关元件和下级开关元件同时导通从而使电路短路的情况。
此外，在上述实施方式中，使用FET作为开关元件，但是也可以使用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)那样的其他开关元件。
此外，在上述实施方式中，作为电动机列举3相电动机为例，但是本发明在驱动4相以上的多相电动机的情况下也能够适用。
此外，在上述实施方式中，作为电动机列举无刷电动机为例，但是本发明也能够适用于驱动感应电动机或同步电动机等的装置。

Claims (8)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，具有：
驱动单元，其至少设置有3组在上臂和下臂分别具有开关元件的上下一对臂，根据各开关元件的基于PWM信号的导通/截止动作来驱动电动机；
单个电流检测电阻，其用于检测流过所述驱动单元的电流；以及
控制单元，其根据流过所述电流检测电阻的电流，检测在所述电动机的各相所流过的电流的电流值，并根据各相的目标电流值和各相的检测电流值向所述各开关元件输出所述PWM信号，
所述控制单元还具有：
上级再生时异常判定单元，其在所有相的上臂的所述开关元件为导通状态、并且所有相的下臂的所述开关元件为截止状态的上级再生状态下，检测流过所述电流检测电阻的电流，并根据该检测结果判定异常；
下级再生时异常判定单元，其在所有相的上臂的所述开关元件为截止状态、并且所有相的下臂的所述开关元件为导通状态的下级再生状态下，检测流过所述电流检测电阻的电流，并根据该检测结果判定异常；
通常时异常判定单元，其在除所述上级再生状态和所述下级再生状态外的通常状态下，检测流过所述电流检测电阻的电流，并根据该检测结果判定异常；以及
占空比限制单元，其在所述上级再生时异常判定单元、所述下级再生时异常判定单元、所述通常时异常判定单元中的至少一个检测到异常电流的情况下，限制占空比，以使各相的PWM信号的占空比的最大值为一定值α以下，并且最小值为一定值β以上，其中α＜100％且β＞0％。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述控制单元在通过所述占空比限制单元限制占空比的期间，在所述上级再生时异常判定单元、所述下级再生时异常判定单元或所述通常时异常判定单元判定出异常的情况下，判断为发生了故障。
3.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述控制单元在通过所述占空比限制单元限制了占空比之后，在由所述上级再生时异常判定单元、所述下级再生时异常判定单元或所述通常时异常判定单元在多个周期内连续预定次数判定出异常的情况下，判断为发生了故障。
4.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述占空比限制单元在进行了占空比限制后，在没有通过所述各异常判定单元检测到异常电流的状态持续了一定时间的情况下，解除占空比的限制，使各相的PWM信号的占空比恢复到原来状态。
5.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述上级再生时异常判定单元在所述上级再生状态下，当流过所述电流检测电阻的电流的电流值为预定值以上的情况下，判定为是下臂的至少一个开关元件维持导通状态的导通故障。
6.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述下级再生时异常判定单元在所述下级再生状态下，当流过所述电流检测电阻的电流的电流值为预定值以上的情况下，判定为是上臂的至少一个开关元件维持导通状态的导通故障。
7.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述下级再生时异常判定单元在所述下级再生状态下，当检测到在所述电流检测电阻中流过从该电阻朝向所述电动机的方向的预定值以上的电流的情况下，判定为电动机的接地故障。
8.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述下级再生时异常判定单元在所述下级再生状态下，当检测到在所述电流检测电阻中流过从所述电动机朝向该电阻的方向的预定值以上的电流的情况下，判定为电动机的电源短路故障。
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