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QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer
2014-068066 , die bei dem japanischen Patentamt am 28. März 2014 eingereicht wurde, wobei deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Antrieb einer Last wie etwa eines Motors. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lastantriebsgerät, welches mit einer Inverterschaltung zur Zuführung eines Stroms zu der Last durch einen Ein-/Aus-Betrieb eines Schaltelements versehen ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei einem in einem Fahrzeug montierten elektrischen Servolenkungsgerät ist beispielsweise ein Elektromotor wie etwa ein dreiphasiger bürstenloser Motor vorgesehen, um eine Lenkunterstützungskraft entsprechend einem Lenkdrehmoment eines Griffs einem Lenkmechanismus zuzuführen. Als ein Gerät zum Antrieb dieses Motors ist ein Motorantriebsgerät gemäß eines PWM-(Pulsweitenmodulations-)-Steuerverfahrens bekannt.
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Im Allgemeinen ist das Motorantriebsgerät gemäß des PWM-Steuerverfahrens mit einer Inverterschaltung versehen, die von einem PWM-Signal mit einer vorgegebenen Einschaltdauer bzw. mit einem vorgegebenen Tastverhältnis angesteuert wird. Die Inverterschaltung ist aus einer Brückenschaltung gebildet, welche Paare von oberen und unteren Armen aufweist, wobei die Anzahl der Paare der Anzahl der Phasen entspricht, und wobei ein Schaltelement in jedem der oberen und unteren Arme vorgesehen ist. Ein Strom wird von einer Stromquelle über die Inverterschaltung dem Motor zugeführt, und der Motor wird durch den Ein-/Aus-Betrieb von jedem Schaltelement auf der Grundlage des PWM-Signals angesteuert bzw. angetrieben.
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Ein allgemeines Steuerungsverfahren bei einem derartigen Motorantriebsgerät ist es, den Antrieb des Motors zu zu beenden, wenn in einer beliebigen der Phasen der Inverterschaltung eine Anomalie aufgrund eines Fehlers eines Schaltelements auftritt. Jedoch wird in dem Fall eines elektrischen Servolenkungsgeräts wenn der Motor unmittelbar zu dem Zeitpunkt eines Auftretens einer Anomalie gestoppt wird, die Lenkunterstützungskraft plötzlich nicht verfügbar, und der Betrieb wird nachteilig beeinflusst. Daher werden Motorantriebsgeräte, welche eine Fortsetzung des Antreibens des Motors ermöglichen, selbst wenn ein Fehler des Schaltelements einer beliebigen Phase auftritt, vorgeschlagen (beispielsweise
JP 2010 - 826 A ,
JP 2005 - 94 873 A ,
JP 2009 - 71 975 A und
WO 2005/ 091 488 A1 -
Gemäß der
JP 2010 - 826 A wird ein fehlerhaftes Schaltelement zu dem Zeitpunkt des Auftretens einer Antriebsstörung erkannt, und ein Drehwinkelbereich, in dem die antreibende fehlerhafte Phase über ein Schaltelement, welches mit dem fehlerhaften Schaltelement ein Paar bildet, mit Strom versorgt werden könnte, wird ermittelt. Dann wird der Antrieb des Motors fortgesetzt, indem jeder Phase ein sinusförmiger Strom innerhalb des Drehwinkelbereichs zugeführt wird.
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Gemäß der
JP 2005 - 94 873 A wird im Falle eines Öffnungsfehlers (Fehler während eines Aus-Zustands) eines Schaltelement eine Vektorsteuerung mit einem unveränderlichen zusammengesetzten Spannungsvektor selbst in einem Bereich durchgeführt, in dem ein fehlerhaftes Schaltelement verwendet wird, um dadurch das Antreiben des Motors fortzusetzen.
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Gemäß der
JP 2009 - 71 975 A wird in dem Fall, in dem ein Fehler eines Schaltelements ermittelt wird, das Antreiben des Motors fortgesetzt, indem verbleibende arbeitende Schaltelemente auf eine derartige Art und Weise betrieben werden, dass jede der Wellenformen von Ausgangsströmen von zwei Phasen annähernd gleich einer Sinusweite sind.
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Gemäß der
WO 2005/ 091 488 A1 werden im Falle eines Auftretens einer Anomalie wie etwa einer Unterbrechung bzw. Trennung einer Phase Stromsollwerte von normalen zwei Phasen berechnet, und ein auf der Grundlage dieser Stromsollwerte erzeugter Spannungsbefehlswert wird einer Inverteransteuerungsschaltung zugeführt, um dadurch das Antreiben des Motors fortzusetzen.
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Wenn beispielsweise mit Bezug auf eine dreiphasige Inverterschaltung, welche sechs Schaltelemente aufweist, eines von einem oberen Schaltelement und einem unteren Schaltelement einer Phase versagt, sind ein Verfahren eines Fortsetzens des Antreibens des Motors unter Verwendung von lediglich den vier Schaltelementen der übrigen zwei Phasen (nachfolgend als ein „Zwei-Phasen-Verfahren“ bezeichnet), und ein Verfahren eines Fortsetzens des Antreibens des Motors unter Verwendung, zusätzlich zu den vier Schaltelementen, des einen normalen Schaltelements der fehlerhaften Phase (nachfolgend als „Quasi-Drei-Phasen-Verfahren“ bezeichnet) denkbar.
JP 2010 - 826 A ,
JP 2005 - 94 873 A und
JP 2009 - 71 975 A sind Beispiele für das Quasi-Drei-Phasen-Verfahren, und WO
2005/
091 488 A ist ein Beispiel für das Zwei-Phasen-Verfahren. Im Falle des Zwei-Phasen-Verfahrens wird die gesamte Phase, in der ein Fehler aufgetreten ist, abgetrennt, aber in dem Fall des Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens wird lediglich das fehlerhafte Schaltelement abgetrennt. Das Quasi-Drei-Phasen-Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Lenkleistung bzw. das Lenkverhalten verbessert wird, da die Welligkeit des Motorstroms im Vergleich zu dem Zwei-Phasen-Verfahren kleiner ist.
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10 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Motorantriebsgeräts, das für ein elektrisches Servolenkungsgerät verwendet wird. Ein Motorantriebsgerät 200 weist eine Inverterschaltung 10, eine Ansteuerschaltung 20, und eine Steuerung 30 auf. Ein Motor M ist ein Unterstützungsmotor zur Bereitstellung bzw. Zuführung einer Lenkunterstützungskraft. Eine Stromquelle Vd ist eine Gleichstromquelle die von einer in einem Fahrzeug montierten Batterie versorgt werden soll.
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Die Inverterschaltung 10 ist aus einer dreiphasigen Brückenschaltung gebildet, die sechs Schaltelemente Q1 bis Q6 aufweist. Die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind aus FETs (Feldeffekttransistoren) gebildet, und weisen jeweils eine Diode D1 bis D6 auf. Diese Dioden D1 bis D6 sind parasitäre Dioden zwischen Drains und Sources der FETs, und sind parallel zu den Schaltelementen Q1 bis Q6 geschaltet, in entgegengesetzter Richtung mit Bezug auf die Stromquelle Vd (positiver Anschluss). Jeder der Verbindungspunkte zwischen den oberen Schaltelementen Q1, Q3 und Q5 und den unteren Schaltelementen Q2, Q4 und Q6 ist mit dem Motor M über einen elektrischen Pfad verbunden. Ein Stromerfassungswiderstand Rs zum Erfassen eines durch den Motor M fließenden Stroms ist zwischen einer Masse G und den Schaltelementen Q2, Q4 und Q6 vorgesehen.
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Die Steuerung 30 berechnet die Einschaltdauer bzw. das Tastverhältnis des PWM-Signals zur Ansteuerung der Schaltelemente Q1 bis Q6 auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen dem Wert eines Motorstroms, der von dem Stromerfassungswiderstand Rs erfasst wird, und einem Stromsollwert, der anhand eines Lenkmomentwerts berechnet wird, welcher von einem nicht gezeigten Drehmomentsensor ermittelt wird. Die Ansteuerschaltung 20 erzeugt sechs Arten von PWM-Signalen auf der Grundlage des von der Steuerung 30 zugeführten Werts der Einschaltdauer bzw. des Tastverhältnisses, und legt jedes PWM-Signal an jedes der Gates der Schaltelemente Q1 bis Q6 an. Die Inverterschaltung 10 arbeitet, indem die Schaltelemente Q1 bis Q6 durch die PWM-Signale eingeschaltet/ausgeschaltet bzw. auf Ein/Aus geschaltet werden, und ein Strom wird von der Stromquelle Vd über die Inverterschaltung 10 dem Motor M zugeführt.
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11 ist ein Zeitdiagramm, welches den Betrieb der Inverterschaltung 10 zeigt, (a) und (b) zeigen ein PWM-Signal, das dem Schaltelement Q1 eines oberen Abschnitts einer Phase A zugeführt wird, und einen Betrieb des Schaltelements Q1, (c) und (d) zeigen ein PWM-Signal, das dem Schaltelement Q2 eines unteren Abschnitts der Phase A zugeführt, und einen Betrieb des Schaltelements Q2, (e) und (f) zeigen ein PWM-Signal, das dem Schaltelement Q5 eines oberen Abschnitts einer Phase C zugeführt wird, und einen Betrieb des Schaltelements Q5, (g) und (h) zeigen ein PWM-Signal, das dem Schaltelement Q6 eines unteren Abschnitts der Phase C zugeführt wird, und einen Betrieb des Schaltelements Q6, (i) zeigt eine Motorklemmenspannung der Phase A, und (j) zeigt eine Motorklemmenspannung der Phase C. Mit Bezug auf das PWM-Signal gibt „H“ einen Hochpegel an, und „L“ gibt einen Niedrigpegel an. Ferner wird zur Vereinfachung der Beschreibung eine Phase B in der Zeichnung weggelassen.
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In 11 ist ein Abschnitt T1 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ein Arbeitsbetriebsabschnitt bzw. ein Stromlaufabschnitt. In diesem Abschnitt T1 sind die Schaltelemente Q1 und Q6 wie in (b) und (h) gezeigt auf einen Ein-Zustand geschaltet, und die Schaltelemente Q2 und Q5 sind wie in (d) und (f) gezeigt auf einen Aus-Zustand geschaltet, und daher fließt von der Stromquelle Vd ein Strom zu dem Motor M über einen durch die gestrichelte Linie in 12A gezeigten Pfad.
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Ein Abschnitt T2 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist ein Abschnitt einer Regeneration eines unteren Abschnitts. In diesem Abschnitt T2 sind die Schaltelemente Q2 und Q6 wie in (d) und (h) gezeigt auf den Ein-Zustand geschaltet, und die Schaltelemente Q1 und Q5 sind wie in (b) und (f) gezeigt auf den Aus-Zustand geschaltet, und daher fließt ein regenerativer Strom auf der Grundlage einer Entladung von einer in einer Induktivität des Motors M gespeicherten Energie über einen Pfad, der durch die gestrichelte Linie in 12B gezeigt ist.
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Ein Abschnitt T3 zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 ist wieder ein Arbeitsbetriebsabschnitt, und die Schaltelemente Q1 und Q6 sind wie in (b) und (h) gezeigt auf den Ein-Zustand geschaltet, und die Schaltelemente Q2 und Q5 sind wie in (d) und (f) gezeigt auf den Aus-Zustand geschaltet, und daher fließt von der Stromquelle Vd ein Strom zu dem Motor M über einen durch die gestrichelte Linie in 12C gezeigten Pfad (welcher der gleiche ist wie der in 12A).
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Ein Abschnitt T4 zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 ist ein Abschnitt einer Regeneration eines oberen Abschnitts. In diesem Abschnitt T4 sind die Schaltelemente Q1 und Q5 wie in (b) und (f) gezeigt auf den Ein-Zustand geschaltet, und die Schaltelemente Q2 und Q6 sind wie in (d) und (h) gezeigt auf den Aus-Zustand geschaltet, und daher fließt ein regenerativer Strom auf der Grundlage einer Entladung einer in der Induktivität des Motors M gespeicherten Energie über einen Pfad, der durch die gestrichelte Linie in 12D gezeigt ist.
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Ein Abschnitt T5 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 ist wieder ein Arbeitsbetriebsabschnitt, und dieselben Schemata wie diejenigen der Abschnitte T1 bis T4 werden danach wiederholt.
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Ein Fehler, bei dem eines der Schaltelemente
Q1 bis
Q6 der Inverterschaltung
10 wie oben beschrieben auf den Aus-(nicht leitfähigen)-Zustand fixiert ist bzw. unveränderlich auf den Aus-(nicht leitfähigen)-Zustand eingestellt ist und nicht eingeschaltet bzw. auf Ein geschaltet (leitfähig) würde, tritt manchmal auf. Dieser Fehler bzw. diese Störung wird in dieser Beschreibung als ein „Aus-Fehler“ bezeichnet (der „Öffnungsfehler“ in der
JP 2005-94873 A wird gleichbedeutend verwendet).
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In dem Fall, in dem wie in 10 sechs Schaltelemente Q1 bis Q6, zu denen Dioden D1 bis D6 parallel geschaltet sind, verwendet werden, gibt es zwei Arten von Aus-Fehlern. Einer ist ein Fehler, bei dem sowohl das Schaltelement als auch die Diode nicht leiten würden (nachfolgend als ein „vollständig-Aus-Fehler“ bezeichnet). Dies ist ein Fehler der auftritt, wenn eine Trennung bzw. Leitungsunterbrechung auf der Seite der Drain oder der Seite der Source des FET auftritt, und beispielsweise sowohl das Schaltelement als auch die Diode abgetrennt sind. Der andere ist ein Fehler, bei dem die Diode normal ist bzw. sich in einem Normalzustand befindet, und nur das Schaltelement nicht leiten würde (nachfolgend als ein „unvollständig-Aus-Fehler“ bezeichnet). Dies ist ein Fehler der auftritt, wenn beispielsweise das Gate des FET mit der Masse verbunden ist, oder wenn der FET selbst beschädigt ist.
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13 zeigt einen Zustand zu dem Zeitpunkt einer Regeneration des oberen Abschnitts, bei dem ein Auftreten des „vollständig-Aus-Fehlers“ in dem oberen Abschnitt der Phase C der Inverterschaltung 10 vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Schaltelement Q5 in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand, und ein regenerativer Strom kann nicht über das Schaltelement Q5 durch die Inverterschaltung 10 fließen. Da sich die Diode D5 ebenfalls in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand befindet, kann der regenerative Strom auch nicht über die Diode D5 durch die Inverterschaltung 10 fließen.
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14 zeigt einen Zustand zu dem Zeitpunkt einer Regeneration des oberen Abschnitts, bei dem ein Auftreten des „unvollständig-Aus-Fehlers“ in dem oberen Abschnitt der Phase C der Inverterschaltung 10 vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Schaltelement Q5 in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand, und ein regenerativer Strom kann nicht über das Schaltelement Q5 durch die Inverterschaltung 10 fließen. Jedoch befindet sich die Diode D5 in dem Normalzustand, und der regenerative Strom fließt über die Diode D5 durch die Inverterschaltung 10 auf einem durch die gestrichelte Linie gezeigten Pfad.
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In einem Zustand, bei dem wie in 13 ein Auftreten eines vollständig-Aus-Fehlers in dem oberen Abschnitt der Phase C vorliegt, tritt eine Stoßspannung in der positiven Richtung in der Motorklemmenspannung der Phase C (der Spannung an dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Q5, Q6) zu dem Zeitpunkt eines Umschaltens von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand des oberen Abschnitts (Zeitpunkt t4) auf. Der Grund dafür ist, dass die in der Induktivität des Motors M gespeicherte Energie als die Stoßspannung in Erscheinung tritt, ohne als der regenerative Strom im Moment des Schaltens auf Aus des Schaltelements Q6 (normal) des unteren Abschnitts der Phase C zu dem Zeitpunkt t4 absorbiert zu werden. Wenn der Spannungswert dieser Stoßspannung die Spannungsfestigkeit des Schaltelements Q6 überschreitet, wird das Schaltelement Q6 zerstört.
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Selbst wenn versucht wird, den Antrieb mittels des oben beschriebenen Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens durch Einschalten/Ausschalten des im Normalzustand befindlichen Schaltelements Q6 des unteren Abschnitts der Phase C in einem Zustand durchzuführen, in dem in dem oberen Abschnitt der Phase C ein vollständig-Aus-Fehler vorliegt, ist das Antreiben mittels des Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens unmöglich, wenn das Schaltelement Q6 zerstört ist. In diesem Fall muss eine Umschaltung zum Antreiben mittels des Zwei-Phasen-Verfahrens durchgeführt werden, aber herkömmlich gab es keine Mittel zu bestimmen, welches des Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens und des Zwei-Phasen-Verfahrens angewendet werden sollte.
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In einem Fall, in dem der obere Abschnitt der Phase C sich in dem Zustand eines unvollständig-Aus-Fehlers befindet, fließt andererseits zu dem Zeitpunkt der Regeneration des oberen Abschnitts ein regenerativer Strom, und in der Motorklemmenspannung der Phase C tritt keine Stoßspannung auf. Daher ist das Antreiben mittels des Zwei-Phasen-Verfahrens durch vollständiges Abtrennen der Phase C, ohne das Schaltelement Q6 des unteren Abschnitts der Phase C einzuschalten/auszuschalten, nicht nur nutzlos, sondern auch nicht gewünscht, weil die Welligkeitsanteile in dem Motorstrom im Vergleich zu dem Quasi-Drei-Phasen-Verfahren erhöht werden würden.
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16 zeigt einen Zustand zu dem Zeitpunkt einer Regeneration des unteren Abschnitts, bei dem ein Auftreten des „vollständig-Aus-Fehlers“ in dem unteren Abschnitt der Phase A der Inverterschaltung 10 vorliegt. Da sich das Schaltelement Q2 in einem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand befindet, kann zu diesem Zeitpunkt ein regenerativer Strom nicht über das Schaltelement Q2 durch die Inverterschaltung 10 fließen. Da sich die Diode D2 ebenfalls in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand befindet, kann der regenerative Strom nicht über die Diode D2 durch die Inverterschaltung 10 fließen.
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17 zeigt einen Zustand zu dem Zeitpunkt einer Regeneration des unteren Abschnitts, bei dem ein Auftreten des „unvollständig-Aus-Fehlers“ in dem unteren Abschnitt der Phase A der Inverterschaltung vorliegt. Da sich das Schaltelement Q2 in einem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand befindet, kann zu diesem Zeitpunkt kein regenerativer Strom über das Schaltelement Q2 durch die Inverterschaltung 10 fließen. Jedoch befindet sich die Diode D2 in einem Normalzustand, und der regenerative Strom fließt über die Diode D2 durch die Inverterschaltung 10 auf einem wie durch die gestrichelte Linie gezeigten Pfad.
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In einem Zustand, in dem wie in 16 ein Auftreten eines vollständig-Aus-Fehlers in dem unteren Abschnitt der Phase A vorliegt, tritt eine Stoßspannung in die negative Richtung in der Motorklemmenspannung der Phase A (der Spannung an dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Q1, Q2) zu dem Zeitpunkt eines Umschaltens von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand des unteren Abschnitts (Zeitpunkt t2) auf. Der Grund dafür ist, dass die in der Induktivität des Motors M gespeicherte Energie als die Stoßspannung in Erscheinung tritt, ohne als der regenerative Strom in dem Moment des Schaltens auf Aus des Schaltelements Q1 (normal) des oberen Abschnitts der Phase A zu dem Zeitpunkt t2 absorbiert zu werden. Durch diese Stoßspannung in der negativen Richtung wird das Potenzial der Source des Schaltelements Q1 abgesenkt, und infolgedessen gelangt das Schaltelement Q1 in einen Halb-Ein-Zustand (einen Zwischenzustand zwischen Ein und Aus). Daher fließt ein großer Strom auf der Grundlage der Stoßspannung zu der Seite der Stromquelle Vd über das Schaltelement Q1, und wenn ein Energieverlust (Erwärmung) aufgrund dieses großen Stroms zu hoch wird, wird das Schaltelement Q1 zerstört.
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Selbst wenn versucht wird, den Antrieb mittels des oben beschriebenen Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens durch Einschalten/Ausschalten des normalen Schaltelements Q1 des oberen Abschnitts der Phase A in einem Zustand durchzuführen, in dem in dem unteren Abschnitt der Phase A ein vollständig-Aus-Fehler vorliegt, ist das Antreiben mittels des Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens unmöglich, wenn das Schaltelement Q1 zerstört ist. Auch in diesem Fall muss ein Umschalten zum Antreiben mittels des Zwei-Phasen-Verfahrens durchgeführt werden, aber herkömmlich gab es keine Mittel zur Bestimmung welches des Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens und des Zwei-Phasen-Verfahrens angewendet werden sollte.
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In einem Fall, in dem der untere Abschnitt der Phase A sich in dem Zustand eines unvollständig-Aus-Fehlers befindet, fließt andererseits ein regenerativer Strom zu dem Zeitpunkt der Regeneration des unteren Abschnitts, und keine Stoßspannung tritt in der Motorklemmenspannung der Phase A auf. Daher ist das Antreiben mittels des Zwei-Phasen-Verfahrens durch vollständiges Abtrennen der Phase A, ohne das Schaltelement Q1 des oberen Abschnitts der Phase A einzuschalten/auszuschalten, nicht nur nutzlos, sondern auch nicht gewünscht, da die Welligkeitsanteile in dem Motorstrom im Vergleich zu dem Quasi-Drei-Phasen-Verfahren erhöht werden würden.
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Aus der
DE 10 2009 045 351 A1 ist ein Antriebsaggregat bekannt, das eine Wechselrichterschaltung umfasst, welche drei Phasen aufweist, die jeweils einen oberen und einen unteren Arm umfassen, wobei jeder Arm ein Schaltelement umfasst, zu jedem Schaltelement eine Diode derart parallel geschaltet ist, dass die Durchlassrichtung der Diode entgegengesetzt zu einer Stromrichtung einer Stromquelle ist, und die Schaltelemente des oberen und unteren Arms einer Phase jeweils ein Paar von Schaltelementen bilden. Das Antriebsaggregat weist ferner eine Steuerung auf, die dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente jeweils ein- oder auszuschalten, wobei ein Strom von der Stromquelle über die Wechselrichterschaltung auf der Grundlage des Ein-/Aus-Zustands jedes Schaltelements einer elektrischen Maschine zugeführt wird. Liegt ein Fehler des Wechselrichters vor, so wird der Wechselrichter zum weiteren Betreiben der elektrischen Maschine in einem Notbetrieb betrieben, wobei das Antriebsaggregat über geeignete Mittel verfügt, um den Fehler zu erkennen. Der Fehler des Wechselrichters kann beispielsweise darin bestehen, dass eines der Schaltelemente nicht mehr korrekt funktioniert, also dauerhaft geschlossen oder dauerhaft geöffnet ist. Ist dies der Fall, so führt die Steuerung eine Ein-/Aus-Steuerung für alle anderen Schaltelemente des Wechselrichters durch.
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Weiterer Stand der Technik ist in der
AU 2009 342065 A2 und dem Artikel
„Experimental validation of a general model for three phase inverters operating in healthy and faulty modes‟ von Di Tommasso, A. O. et al, der im Juni 2012 in dem International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion veröffentlicht wurde, offenbart.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Lastantriebsgerät bereit, mit welchem es möglich ist, fortlaufend eine Last anzutreiben, im Falle eines Fehlers eines Schaltelements einer Inverterschaltung, durch geeignete Ansteuerung in Abhängigkeit von der Art des Fehlers bzw. der Störung.
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Ein Lastantriebsgerät (engl.: „load driving device“) gemäß der Erfindung ist in Patentanspruch 1 definiert.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Ein Lastantriebsgerät gemäß einem Aspekt weist eine Inverterschaltung, eine Steuerung, und eine Fehlerermittlungseinheit bzw. Fehlerdetektoreinheit auf. Die Inverterschaltung weist ein Paar aus einem oberen Arm und einem unteren Arm auf, das an jeder Phase von drei oder mehr Phasen vorgesehen ist. Ein Schaltelement ist an jedem des oberen Arms und des unteren Arms jeder Phase vorgesehen. Eine Diode ist parallel zu jedem Schaltelement geschaltet, in einer entgegengesetzten Richtung mit Bezug auf eine Stromquelle bzw. derart, dass eine Durchlassrichtung der Diode entgegengesetzt zu einer Stromrichtung der Stromquelle verläuft. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, Ein/Aus bzw. einen Ein-/Aus-Zustand jedes Schaltelements zu steuern bzw. ein Einschalten/Ausschalten jedes Schaltelements zu steuern. Wenn das Schaltelement Ein/Aus geschaltet wird, wird einer Last ein Strom von der Stromquelle über die Inverterschaltung zugeführt. Die Fehlerermittlungseinheit ermittelt einen Fehler bzw. einen Defekt des Schaltelements, und einen Fehler bzw. einen Defekt der Diode, die parallel zu dem Schaltelement geschaltet ist.
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Wenn die Fehlerermittlungseinheit einen Fehler ermittelt, wonach ein Schaltelement, das an einem (Zahlwort) des oberen Arms und des unteren Arms einer bestimmten Phase vorgesehen ist, nicht leitfähig ist, aber einen Fehler, wonach die parallel zu dem Schaltelement geschaltete Diode nicht leitfähig ist, nicht ermittelt, führt die Steuerung eine Ein-/Aus-Steuerung an einem bzw. für ein Schaltelement der bestimmten Phase, welches mit dem fehlerhaften bzw. defekten Schaltelement ein Paar bildet bzw. welches mit dem fehlerhaften bzw. defekten Schaltelement gepaart ist, und an jedem bzw. für jedes Schaltelement von anderen Phasen durch. Dieser Fall entspricht dem oben beschriebenen „unvollständig-Aus-Fehler“, und in dem Fall von drei Phasen wird der Lastantrieb mittels des oben beschriebenen „Quasi-Drei-Phasen-Verfahrens“ unter Verwendung der Schaltelemente der normalen zwei Phasen bzw. der zwei Phasen im Normalzustand und dem normalen Schaltelement bzw. dem Schaltelement im Normalzustand der Phase durchgeführt, in der ein Fehler aufgetreten ist.
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Wenn andererseits die Fehlerermittlungseinheit einen Fehler ermittelt, wonach ein Schaltelement, das an einem (Zahlwort) des oberen Arms und des unteren Arms einer bestimmten Phase vorgesehen ist, nicht leitfähig ist, und einen Fehler ermittelt, wonach die zu dem Schaltelement parallel geschaltete Diode nicht leitfähig ist, erhält die Steuerung ein Schaltelement der bestimmten Phase, welches mit dem fehlerhaften Schaltelement ein Paar bildet, in einem Aus-Zustand aufrecht bzw. weiterhin in einem Aus-Zustand bzw. belässt dieses in dem Aus-Zustand, und führt eine Ein-/Aus-Steuerung an jedem bzw. für jedes Schaltelement von anderen Phasen durch. Dieser Fall entspricht dem oben beschriebenen „vollständig-Aus-Fehler“, und in dem Fall von drei Phasen wird ein Lastantrieb mittels des oben beschriebenen „Zwei-Phasen-Verfahrens“ unter Verwendung von lediglich den Schaltelementen der normalen zwei Phasen bzw. der zwei Phasen im Normalzustand durchgeführt.
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Wie oben beschrieben kann in dem Fall, in dem ein Aus-Fehler, der in einer bestimmten Phase aufgetreten ist, der „vollständig-Aus-Fehler“ ist, selbst wenn ein normales Schaltelement der fehlerhaften Phase zerstört ist, der Antrieb der Last durch die übrigen Phasen fortgesetzt werden, indem die gesamte fehlerhafte Phase abgetrennt wird. Auch in dem Fall, in dem der Aus-Fehler der „unvollständig-Aus-Fehler“ ist, kann der Antrieb der Last fortgesetzt werden, während ein Anstieg der Welligkeitsanteile in dem Laststrom verhindert wird, indem lediglich das fehlerhafte Schaltelement abgetrennt wird. Auf diese Weise kann das Antreiben der Last durch geeignete Ansteuerung in Abhängigkeit von der Art des Fehlers des Schaltelements fortgeführt werden.
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Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Aspekts kann eine erste Spannungserfassungseinheit bzw. Spannungsmesseinheit vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, eine Klemmenspannung der Last zu erfassen bzw. zu messen. In diesem Fall bestimmt die Fehlerermittlungseinheit, ob eine Spannung, die von der ersten Spannungserfassungseinheit zu einem Zeitpunkt eines Umschaltens der Inverterschaltung von einem Arbeitsbetriebszustand bzw. Stromlaufzustand (engl.: „power-running state“) zu einem Regenerationszustand (engl.: „regeneration state“) erfasst wird, eine Stoßspannung, welche eine Schwellenwertspannung überschreitet, ist oder nicht. In dem Fall, in dem die Spannung die Stoßspannung ist, bestimmt die Fehlerermittlungseinheit dann, dass das Schaltelement und die Diode, die parallel zu dem Schaltelement geschaltet ist, beide fehlerhaft sind.
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Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Aspekts kann in einem Fall, in dem die Anzahl einer Bestimmung mehrmals nacheinander, dass die zu dem Zeitpunkt erfasste Klemmenspannung der Last die Stoßspannung ist, eine vorgegebene Anzahl erreicht, die Fehlerermittlungseinheit bestimmen, dass das Schaltelement und die Diode, die parallel zu dem Schaltelement geschaltet ist, beide fehlerhaft sind.
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Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Aspekts kann eine zweite Spannungserfassungseinheit bzw. Spannungsmesseinheit vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung zwischen beiden Enden des Schaltelements zu erfassen bzw. zu messen. In diesem Fall bestimmt die Fehlerermittlungseinheit in einem Fall, in dem die Spannung zwischen beiden Enden des Schaltelements, die von der zweiten Spannungserfassungseinheit in einem Zustand erfasst wird, in dem die Ein-Steuerung von der Steuerung für das Schaltelement durchgeführt wird, ein vorgegebener Wert oder höher ist, dass das Schaltelement fehlerhaft ist.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung kann ein Lastantriebsgerät bereitgestellt werden, das dazu in der Lage ist, fortlaufend eine Last anzutreiben, im Falle eines Fehler eines Schaltelements einer Inverterschaltung, durch geeignete Ansteuerung in Abhängigkeit von der Art des Fehlers.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaltplan eines Motorantriebsgeräts gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung;
- 2 ist eine Darstellung, welche den Zustand einer Inverterschaltung in einem Fall zeigt, in dem ein vollständig-Aus-Fehler in einem oberen Abschnitt einer Phase C auftritt;
- 3 ist eine Darstellung, welche den Zustand der Inverterschaltung in einem Fall zeigt, in dem ein unvollständig-Aus-Fehler in dem oberen Abschnitt der Phase C auftritt;
- 4 ist ein Zeitdiagramm in einem Fall, in dem ein Spannungsstoß in einer Motorklemmenspannung der Phase C in dem Zustand in 2 auftritt;
- 5 ist eine Darstellung, welche den Zustand der Inverterschaltung in einem Fall zeigt, in dem ein vollständig-Aus-Fehler in einem unteren Abschnitt einer Phase A auftritt;
- 6 ist eine Darstellung, welche den Zustand der Inverterschaltung in einem Fall zeigt, in dem ein unvollständig-Aus-Fehler in dem unteren Abschnitt der Phase A auftritt;
- 7 ist ein Zeitdiagramm in einem Fall, in dem ein Spannungsstoß in einer Motorklemmenspannung der Phase A in dem Zustand in 5 auftritt;
- 8 ist ein Flussdiagramm, welches einen Ablauf zur Fehlerermittlung zeigt;
- 9 ist ein Beispiel einer Schaltung zur Ermittlung einer Spannung zwischen beiden Enden eines Schaltelements;
- 10 ist ein Schaltplan eines herkömmlichen Motorantriebsgeräts;
- 11 ist ein Zeitdiagramm, welches einen Betrieb des Motorantriebsgeräts in 10 zeigt;
- 12A ist eine Darstellung, welche einen Strompfad der Inverterschaltung in einem Arbeitsbetriebszustand zeigt;
- 12B ist eine Darstellung, welche einen Strompfad der Inverterschaltung in einem Regenerationszustand eines unteren Abschnitts zeigt;
- 12C ist eine Darstellung, welche einen Strompfad der Inverterschaltung in dem Arbeitsbetriebszustand zeigt;
- 12D ist eine Darstellung, welche einen Strompfad der Inverterschaltung in einem Regenerationszustand des oberen Abschnitts zeigt;
- 13 ist eine Darstellung, welche einen Pfad eines regenerativen Stroms in einem Fall zeigt, in dem ein vollständig-Aus-Fehler in dem oberen Abschnitt der Phase C auftritt;
- 14 ist eine Darstellung, welche einen Pfad eines regenerativen Stroms in einem Fall zeigt, in dem ein unvollständig-Aus-Fehler in dem oberen Abschnitt der Phase C auftritt;
- 15 ist ein Zeitdiagramm in einem Fall, in dem ein Spannungsstoß in einer Motorklemmenspannung der Phase C in dem Zustand in 13 auftritt;
- 16 ist eine Darstellung, welche einen Pfad eines regenerativen Stroms in einem Fall zeigt, in dem ein vollständig-Aus-Fehler an einem Schaltelement des unteren Abschnitts der Phase A auftritt;
- 17 ist eine Darstellung, welche einen Pfad eines regenerativen Stroms in einem Fall zeigt, in dem ein unvollständig-Aus-Fehler an einem Schaltelement des unteren Abschnitts der Phase A auftritt; und
- 18 ist ein Zeitdiagramm in einem Fall, in dem ein Spannungsstoß in einer Motorklemmenspannung der Phase A in dem Zustand in 16 auftritt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Ausführungsformen der Erfindung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein tieferes Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Jedoch wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Details genutzt werden kann. In anderen Fällen wurden allgemein bekannte Merkmale nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die Erfindung unklar wird. Nachfolgend wird ein Motorantriebsgerät, welches für ein elektrisches Servolenkungsgerät eines Fahrzeugs verwendet wird, als ein Beispiel eines Lastantriebsgeräts genannt.
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Zunächst wird der Aufbau eines Motorantriebsgeräts (engl.: „motor driving device“) mit Bezug auf die 1 beschrieben werden. In 1 ist ein Motorantriebsgerät 100 mit einer Inverterschaltung 1, einer Ansteuerschaltung 2, einer Steuerung 3, Spannungserfassungsschaltungen bzw. Spannungsmessschaltungen 4, 5 und 6, und Widerständen R1, R2 und R3 versehen. Ein Motor M ist ein Unterstützungsmotor, welcher eine Lenkunterstützungskraft bereitstellt bzw. liefert, und beispielsweise ein dreiphasiger bürstenloser Motor ist. Eine Stromquelle Vd zur Zuführung einer Leistung bzw. eines Stroms an den Motor M ist eine Gleichstromquelle, die von einer in einem Fahrzeug montierten Batterie bzw. einem in dem Fahrzeug montierten Akkumulator versorgt werden soll.
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Die Inverterschaltung 1 ist aus einer dreiphasigen Brückenschaltung gebildet, bei der ein Schaltelement an jedem Arm eines Paars aus einem oberen Arm und einem unteren Arm jeder Phase vorgesehen ist. Insbesondere ist ein Schaltelement Q1 an einem oberen Arm a1 der Phase A vorgesehen, und ein Schaltelement Q2 ist an einem unteren Arm a2 der Phase A vorgesehen. Ein Schaltelement Q3 ist an einem oberen Arm b1 einer Phase B vorgesehen, und ein Schaltelement Q4 ist an einem unteren Arm b2 der Phase B vorgesehen. Ein Schaltelement Q5 ist an einem oberen Arm c1 einer Phase C vorgesehen, und ein Schaltelement Q6 ist an einem unteren Arm c2 der Phase C vorgesehen.
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Die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind aus n-Kanal MOSFETs gebildet, und weisen jeweils eine Diode D1 bis D6 auf. Diese Dioden D1 bis D6 sind parasitäre Dioden, die zwischen Drains d und Sources s der FETs vorgesehen sind, und parallel zu den Schaltelementen Q1 bis Q6 geschaltet sind, in entgegengesetzter Richtung mit Bezug auf eine Stromquelle Vd (positiver Anschluss), insbesondere derart, dass die Durchlassrichtungen der Dioden D1 bis D6 entgegengesetzt zu einer Stromrichtung der Stromquelle Vd verlaufen. Jeder der Verbindungspunkte zwischen den an den oberen Armen a1, b1 und c1 vorgesehenen Schaltelementen Q1, Q3 und Q5 und den an den unteren Armen a2, b2 und c2 vorgesehenen Schaltelementen Q2, Q4 und Q6 ist mit dem Motor M über einen elektrischen Pfad La, Lb, oder Lc verbunden.
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Ein Stromerfassungswiderstand bzw. Strommesswiderstand Rs zur Erfassung bzw. Messung eines durch den Motor M fließenden Stroms (eines Motorstroms), ist zwischen einer Masse G und den Schaltelementen Q2, Q4 und Q6 vorgesehen. Eine durch den Motorstrom bewirkte Spannung zwischen beiden Enden des Stromerfassungswiderstands Rs wird der Steuerung 3 über einen nicht dargestellten Operationsverstärker oder Ähnliches zugeführt.
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Die Steuerung 3 ist aus einem Mikrocomputer gebildet, und ist mit einem A/D-Wandler 31, einer Betriebszeit- bzw. Einschaltdauer- bzw. Tastverhältnisberechnungseinheit 32, einem Fehlerdetektor bzw. einer Fehlerermittlungseinheit 33, und einem Speicher 34 versehen. Der A/D-Wandler 31 wandelt Analogwerte einer Spannung, die der Steuerung 3 zugeführt wird, und andere physikalische Größen in Digitalwerte um. Die Betriebszeitberechnungseinheit 32 berechnet die Einschaltdauer bzw. Betriebszeit bzw. das Tastverhältnis eines PWM-Signals zur Ansteuerung der Schaltelemente Q1 bis Q6 auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen dem Wert eines Motorstroms, der von dem Stromerfassungswiderstand Rs erfasst wird, und einem Stromsollwert, der anhand eines Lenkmomentwerts berechnet wird, welcher von einem nicht gezeigten Drehmomentsensor ermittelt wird. Der Fehlerdetektor 33 ermittelt einen Fehler bzw. Ausfall bzw. Defekt der Schaltelemente Q1 bis Q6 und der Dioden D1 bis D6 auf der Grundlage einer Spannung bzw. von Spannungen, die von den Spannungserfassungsschaltungen 4, 5 und 6, und einer Spannungserfassungsschaltung bzw. Spannungsmessschaltung 7, die später beschrieben wird (9) (Details werden später angegeben), erfasst wird bzw. werden. Der Speicher 34 speichert einen Schwellenwert und Ähnliches zur Fehlerbestimmung durch den Fehlerdetektor 33.
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Die Ansteuerschaltung 2 erzeugt sechs Arten von PWM-Signalen auf der Grundlage des Werts der Einschaltdauer bzw. des Tastverhältnisses, der von der Steuerung 3 zugeführt wird, und legt jedes PWM-Signal an jedes Gate g der Schaltelemente Q1 bis Q6 an. Die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind in einem Abschnitt eingeschaltet bzw. auf Ein geschaltet, in dem der Pegel des PWM-Signals „H“ (Hoch, engl.: „High“) ist, und die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind in einem Abschnitt ausgeschaltet bzw. auf Aus geschaltet, in dem der Pegel des PWM-Signals „L“ (Niedrig, engl.: „Low“) ist. Die Inverterschaltung 1 arbeitet, indem die Schaltelemente Q1 bis Q6 durch die PWM-Signale auf Ein/Aus geschaltet bzw. eingeschaltet/ausgeschaltet werden, und ein Strom wird dem Motor M von der Stromquelle Vd über die Inverterschaltung 1 zugeführt.
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Die Spannungserfassungsschaltungen 4 bis 6 erfassen die Klemmenspannung von jeweiligen Phasen des Motors M. Insbesondere ist die Spannungserfassungsschaltung 4 aus Widerständen R4 und R5 gebildet, welche eine Spannungsteilerschaltung bilden, und erfasst eine Motorklemmenspannung Va (Spannung an dem elektrischen Pfad La) der Phase A. Die Spannungserfassungsschaltung 5 ist aus Widerständen R6 und R7 gebildet, welche eine Spannungsteilerschaltung bilden, und erfasst eine Motorklemmenspannung Vb (Spannung an dem elektrischen Pfad Lb) der Phase B. Die Spannungserfassungsschaltung 6 ist aus Widerständen R8 und R9 gebildet, welche eine Spannungsteilerschaltung bilden, und erfasst eine Motorklemmenspannung Vc (Spannung an dem elektrischen Pfad Lc) der Phase C. Ferner sind die Widerstandswerte der Widerstände R4 bis R9 im Vergleich zu dem Innenwiderstandswert des Motors M ausreichend größer.
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Die Widerstände R1, R2 und R3 sind Pull-Up-Widerstände (engl.: „pull-up resistors‟), und zwischen die Stromquelle Vd und die jeweiligen elektrischen Pfade La, Lb und Lc geschaltet. Die Widerstandswerte dieser Widerstände R1 bis R3 sind ebenfalls ausreichend größer im Vergleich mit dem Innenwiderstandswert des Motors M.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau sind die Spannungserfassungsschaltungen 4, 5 und 6 Beispiele für eine „erste Spannungserfassungseinheit“ der vorliegenden Erfindung. Der Fehlerdetektor 33 ist ein Beispiel für eine „Fehlerermittlungseinheit“ der vorliegenden Erfindung. Der Motor M ist ein Beispiel für eine „Last“ der vorliegenden Erfindung.
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Als nächstes wird ein Betrieb des oben beschriebenen Motorantriebsgeräts 100 beschrieben werden. Betriebe in Fällen, in denen die Schaltelemente Q1 bis Q6 und die Dioden D1 bis D6 der Inverterschaltung 1 nicht ausgefallen sind bzw. nicht versagen, sind die gleichen wie diejenigen in 11 und den 12A bis 12D, und eine Beschreibung davon wird weggelassen. Nachfolgend wird ein Betrieb in einem Fall beschrieben werden, in dem ein Fehler auftritt. (Ferner wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Fehlers später beschrieben werden.)
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2 zeigt den Zustand der Inverterschaltung 1 in einem Fall, in dem ein „vollständig-Aus-Fehler“ in dem oberen Abschnitt bzw. der oberen Stufe der Phase C auftritt. Wie mit Bezug auf 13 beschrieben wurde, befinden sich in diesem Fall sowohl das Schaltelement Q5 als auch die Diode D5 in einem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand, und daher kann kein regenerativer Strom (engl.: „regenerative current“) durch die Inverterschaltung 1 zu dem Zeitpunkt der Regeneration des oberen Abschnitts fließen. Dann tritt eine Stoßspannung bzw. ein Spannungsstoß in die positive Richtung in der Motorklemmenspannung der Phase C auf, zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand des oberen Abschnitts (Zeitpunkt t4), wie durch die gestrichelte Linie in 4(j) gezeigt. Wenn der Spannungswert dieser Stoßspannung die Spannungsfestigkeit des Schaltelements Q6 überschreitet, wird das Schaltelement Q6 zerstört.
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Demzufolge wird in dem in 2 gezeigten Fall das Schaltelement Q6 des unteren Abschnitts bzw. der unteren Stufe der Phase C, welches ein Paar mit dem Schaltelement Q5 des oberen Abschnitts der Phase C bildet bzw. welches mit dem Schaltelement Q5 des oberen Abschnitts der Phase C gepaart ist, bei dem ein Fehler aufgetreten ist, in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen bzw. der Aus-Zustand des Schaltelements Q6 beibehalten. Wie in 4(g) gezeigt, wird insbesondere das PWM-Signal des unteren Abschnitts der Phase C auf „L“ gehalten, ohne zu „H“ geändert zu werden (oder das PWM-Signal selbst wird gestoppt bzw. ausgeschaltet) zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Regenerationszustand des oberen Abschnitts zu dem Arbeitsbetriebszustand (Zeitpunkt t5), und wie in 4(h) gezeigt wird das Schaltelement Q6 in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen. Andererseits wird mit Bezug auf die Schaltelemente Q1 bis Q4 der Phase A und der Phase B, in denen kein Fehler aufgetreten ist, die Ein-/Aus-Steuerung durch die PWM-Signale fortgeführt. Demzufolge wird in 2 die gesamte Phase C (die Schaltelemente Q5 und Q6), in der ein Fehler aufgetreten ist, getrennt bzw. abgetrennt, und ein Motorantrieb durch das oben beschriebene „Zwei-Phasen-Verfahren“ wird unter Verwendung der Schaltelemente Q1 bis Q4 der Phase A und der Phase B durchgeführt. Dann kann der Antrieb des Motors M fortgeführt werden, selbst wenn das Schaltelement Q6 aufgrund der Stoßspannung zerstört ist.
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3 zeigt den Zustand der Inverterschaltung 1 in einem Fall, in dem ein „unvollständig-Aus-Fehler“ in dem oberen Abschnitt der Phase C auftritt. Wie mit Bezug auf 14 beschrieben wurde, befindet sich in diesem Zustand lediglich das Schaltelement Q5 in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand, und die Diode D5 ist normal bzw. befindet sich in dem Normalzustand, und daher fließt ein regenerativer Strom zu dem Zeitpunkt der Regeneration des oberen Abschnitts durch die Inverterschaltung 1. Demzufolge liegt kein Auftreten der in 4(j) gezeigten Stoßspannung vor, und es besteht keine Gefahr, dass das Schaltelement Q6 zerstört wird.
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Demzufolge wird in dem in 3 gezeigten Fall das Schaltelement Q6 des unteren Abschnitts der Phase C, welches ein Paar mit dem Schaltelement Q5 des oberen Abschnitts der Phase C bildet bzw. welches mit dem Schaltelement Q5 des oberen Abschnitts der Phase C gepaart ist, bei dem ein Fehler aufgetreten ist, nicht in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen, und die Ein-/AusSteuerung wird normal durchgeführt. Wie in 4(g) gezeigt wird insbesondere das PWM-Signal des unteren Abschnitts der Phase C zu „H“ wie durch die gestrichelte Linie gezeigt geändert, und das Schaltelement Q6 wird wie durch die gestrichelte Linie in 4(h) gezeigt auf Ein geschaltet bzw. eingeschaltet, zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Regenerationszustand des oberen Abschnitts zu dem Arbeitsbetriebszustand (Zeitpunkt t5). Danach wird das Anlegen des PWM-Signals an das Schaltelement Q6 fortgeführt, und die Ein-/AusSteuerung wird für das Schaltelement Q6 durchgeführt. Andererseits wird mit Bezug auf die Schaltelemente Q1 bis Q4 der Phase A und der Phase B, in denen kein Fehler aufgetreten ist, die Ein-/Aus-Steuerung durch die PWM-Signale fortgeführt. Demzufolge wird in 3 lediglich das Schaltelement Q5 des oberen Abschnitts der Phase C, bei dem ein Fehler aufgetreten ist, abgetrennt bzw. getrennt, und ein Motorantrieb durch das oben beschriebene „Quasi-Drei-Phasen-Verfahren“ wird unter Verwendung des Schaltelement Q6 des unteren Abschnitts der Phase C, welches mit dem Schaltelement Q5 ein Paar bildet, und den Schaltelementen Q1 bis Q4 der Phase A und der Phase B durchgeführt. Der Antrieb des Motors M kann daher fortgeführt werden, während die Welligkeitsanteile in dem Motorstrom unterdrückt werden.
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5 zeigt den Zustand der Inverterschaltung 1 in einem Fall, in dem ein „vollständig-Aus-Fehler“ in dem unteren Abschnitt der Phase A auftritt. Wie mit Bezug auf die 16 beschrieben wurde befinden sich in diesem Fall sowohl das Schaltelement Q2 als auch die Diode D2 in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand, und daher kann zu dem Zeitpunkt der Regeneration des unteren Abschnitts kein regenerativer Strom durch die Inverterschaltung 1 fließen. Wie durch die gestrichelte Linie in 7(i) gezeigt tritt dann eine Stoßspannung in die negative Richtung in der Motorklemmenspannung der Phase A auf, zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand des unteren Abschnitts (Zeitpunkt t2). Infolgedessen wird das Source-Potenzial bzw. das Potenzial der Source des Schaltelement Q1 verringert und sinkt auf einen Halb-Ein-Zustand (engl.: „semi-on state“) ab, und wenn ein großer Strom aufgrund der Stoßspannung durch das Schaltelement Q1 fließt, wird das Schaltelement Q1 zerstört.
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In dem in 5 gezeigten Fall wird demzufolge das Schaltelement Q1 des oberen Abschnitts der Phase A, welches ein Paar mit dem Schaltelement Q2 des unteren Abschnitts der Phase A bildet, bei dem ein Fehler aufgetreten ist, in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen. Wie in 7(a) gezeigt wird insbesondere das PWM-Signal des oberen Abschnitts der Phase A auf „L“ gehalten, ohne zu „H“ geändert zu werden (oder das PWM-Signal selbst wird gestoppt bzw. ausgeschaltet) zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Regenerationszustand des unteren Abschnitts zu dem Arbeitsbetriebszustand (Zeitpunkt t3), und wie in 7 (b) gezeigt wird das Schaltelement Q1 in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen. Mit Bezug auf die Schaltelemente Q3 bis Q6 der Phase B und der Phase C, bei denen kein Fehler aufgetreten ist, wird andererseits die Ein-/Aus-Steuerung durch die PWM-Signale fortgeführt. Demzufolge wird in 5 die gesamte Phase A (die Schaltelemente Q1 und Q2), bei der ein Fehler aufgetreten ist, abgetrennt, und ein Motorantrieb durch das „Zwei-Phasen-Verfahren“ wird unter Verwendung der Schaltelemente Q3 bis Q6 der Phase B und der Phase C durchgeführt. Dann kann der Antrieb des Motors M fortgeführt werden, selbst wenn das Schaltelement Q1 aufgrund der Stoßspannung zerstört ist.
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6 zeigt den Zustand der Inverterschaltung 1 in einem Fall, in dem ein „unvollständig-Aus-Fehler“ in dem unteren Abschnitt der Phase A auftritt. Wie mit Bezug auf 17 beschrieben wurde befindet sich in diesem Fall lediglich das Schaltelement Q2 in dem anormalen (nicht leitfähigen) Zustand und die Diode D2 befindet sich in dem Normalzustand, und daher fließt zu dem Zeitpunkt der Regeneration des unteren Abschnitts ein regenerativer Strom durch die Inverterschaltung 1. Demzufolge liegt kein Auftreten der in 7(i) gezeigten Stoßspannung vor, und es besteht keine Gefahr, dass das Schaltelement Q1 zerstört wird.
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In dem in 6 gezeigten Fall wird demzufolge das Schaltelement Q1 des oberen Abschnitts der Phase A, welches ein Paar mit dem Schaltelement Q2 des unteren Abschnitts der Phase A bildet, bei dem ein Fehler aufgetreten ist, nicht in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen, und die Ein-/Aus-Steuerung wird normal durchgeführt. Wie in 7(a) gezeigt wird insbesondere das PWM-Signal des oberen Abschnitts der Phase A wie durch die gestrichelte Linie gezeigt zu „H“ geändert, und das Schaltelement Q1 wird wie durch die gestrichelte Linie in 7(b) gezeigt eingeschaltet bzw. auf Ein geschaltet, zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Regenerationszustand des unteren Abschnitts zu dem Arbeitsbetriebszustand (Zeitpunkt t3). Danach wird das Anlegen des PWM-Signals an das Schaltelement Q1 fortgesetzt, und die Ein-/Aus-Steuerung wird für das Schaltelement Q1 durchgeführt. Mit Bezug auf die Schaltelemente Q3 bis Q6 der Phase B und der Phase C, bei denen kein Fehler aufgetreten ist, wird andererseits die Ein-/Aus-Steuerung durch die PWM-Signale fortgeführt. Demzufolge wird in 6 lediglich das Schaltelement Q2 des unteren Abschnitts der Phase A, bei dem ein Fehler aufgetreten ist, abgetrennt, und ein Motorantrieb durch das „Quasi-Drei-Phasen-Verfahren“ wird unter Verwendung des Schaltelements Q1 des oberen Abschnitts der Phase A, welches mit dem Schaltelement Q2 ein Paar bildet, und den Schaltelementen Q3 bis Q6 der Phase B und der Phase C durchgeführt. Daher kann der Antrieb des Motors M fortgesetzt werden, während die Welligkeitsanteile in dem Motorstrom unterdrückt werden.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung wird wie oben beschrieben in dem Fall, in dem ein Aus-Fehler, der an einer (Zahlwort) der Phasen aufgetreten ist, der „vollständig-Aus-Fehler“ (2 und 5) ist, die Gesamtheit der fehlerhaften Phase abgetrennt, und der Antrieb wird durch das „Zwei-Phasen-Verfahren“ unter Verwendung der Schaltelemente der normalen zwei Phasen durchgeführt. In dem Fall, in dem ein Aus-Fehler, der an einer (Zahlwort) der Phasen aufgetreten ist, der „unvollständig-Aus-Fehler“ (3 und 6) ist, wird lediglich das fehlerhafte Schaltelement abgetrennt, und der Antrieb wird durch das „Quasi-Drei-Phasen-Verfahren“ unter Verwendung des Schaltelements, welches mit dem fehlerhaften Schaltelement ein Paar bildet bzw. gepaart ist, und den Schaltelementen der normalen zwei Phasen durchgeführt. Durch Auswählen eines Antriebsverfahrens in Abhängigkeit von der Art des Aus-Fehlers eines Schaltelements kann auf diese Weise der Motor M fortlaufend unter einer geeigneten Ansteuerung angetrieben werden.
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8 ist ein Flussdiagramm, welches einen Ablauf zur Ermittlung eines Fehlers bzw. Defekts zeigt. Jeder Schritt des Flussdiagramms wird von einem Mikrocomputer ausgeführt, der die Steuerung 3 bildet.
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In Schritt S1 wird die Spannung zwischen der Drain und der Source von jedem der Schaltelemente Q1 bis Q6 der Inverterschaltung 1 erfasst. Obwohl es nicht in 1 gezeigt ist, sind die Spannungserfassungsschaltungen 7 wie in 9 gezeigt an beiden Enden der Schaltelemente Q1 bis Q6 vorgesehen. Obwohl lediglich die Spannungserfassungsschaltung 7, die an dem Schaltelement Q1 vorgesehen ist, in 9 gezeigt ist, sind die gleichen Spannungserfassungsschaltungen 7 auch an den anderen Schaltelemente Q2 bis Q6 vorgesehen. Eine Spannung Vds zwischen der Drain und der Source von jedem der Schaltelemente Q1 bis Q6 wird durch diese Spannungserfassungsschaltung 7 erfasst. Die von der Spannungserfassungsschaltung 7 erfasste Spannung wird der Steuerung 3 zugeführt. Die Spannungserfassungsschaltung 7 ist ein Beispiel für eine „zweite Spannungserfassungseinheit“ der vorliegenden Erfindung.
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Um die Spannung Vds zwischen der Drain und der Source zu erfassen, werden Ein-Signale (H-Pegel-Signale) an jedes der Gates g der Schaltelemente Q1 bis Q6 angelegt, während das Timing bzw. der zeitliche Ablauf geändert bzw. verschoben wird (engl.: „while shifting the timing“). Dann wird die Spannung Vds zwischen der Drain und der Source von jedem der Schaltelemente Q1 bis Q6 nacheinander von der Spannungserfassungsschaltung 7 in einem Zustand erfasst, in dem die Ein-Signale angelegt sind, das heißt, in einem Zustand, in dem eine Ein-Steuerung an den Schaltelementen bzw. auf die Schaltelemente durch die Steuerung 3 durchgeführt wird. Wenn kein Aus-Fehler in einem Schaltelement aufgetreten ist, ist zu diesem Zeitpunkt dieses Schaltelement aufgrund des Ein-Signals in einem leitfähigen bzw. leitenden (Ein-) Zustand, und es liegt lediglich eine niedrige Spannung zwischen der Drain und der Source vor. Wenn andererseits ein Aus-Fehler in einem Schaltelement aufgetreten ist, befindet sich dieses Schaltelement in einem nicht leitfähigen bzw. nicht leitenden (Aus-) Zustand trotz des Anliegens des Ein-Signals, und es liegt eine hohe Spannung zwischen der Drain und der Source vor. Wenn der von der Spannungserfassungsschaltung 7 erfasste Spannungswert gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist, kann demzufolge ein Auftreten eines Aus-Fehlers in einem Schaltelement, Q1 bis Q6, bestimmt werden.
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In Schritt S2 bestimmt der Fehlerdetektor 33 auf der Grundlage der Spannung Vds zwischen der Drain und der Source, die in Schritt S1 erfasst wurde, ein Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Aus-Fehlers an bzw. bezüglich jedem der Schaltelemente Q1 bis Q6. Wenn ein Aus-Fehler aufgetreten ist, werden somit das Schaltelement, und die Phase und der Arm, in denen der Fehler aufgetreten ist, bestimmt. Wenn gemäß dem Ergebnis der Bestimmung kein Auftreten eines Aus-Fehlers vorliegt (Schritt S2: Nein), geht der Arbeitsablauf weiter zu Schritt S8, und der Motor M wird durch ein normales Drei-Phasen-Verfahren angetrieben. Wenn andererseits ein Aus-Fehler aufgetreten ist (Schritt S2: Ja), geht der Arbeitsablauf weiter zu Schritt S3.
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In Schritt S3 wird die Inverterschaltung 1 durch ein Ausgeben von PWM-Signalen von der Ansteuerschaltung 2 und durch Durchführung einer Ein-/Aus-Steuerung der Schaltelemente Q1 bis Q6 angesteuert.
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In Schritt S4 wird die Motorklemmenspannung (Va, Vb oder Vc in 1) der Phase, in der der Aus-Fehler aufgetreten ist, zu dem Zeitpunkt des Umschaltens der Inverterschaltung 1 von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand von den Spannungserfassungsschaltungen 4, 5 oder 6 erfasst. In den in den 2 und 3 gezeigten Fällen liegt beispielsweise ein Auftreten des Aus-Fehlers an dem Schaltelement Q5 in dem oberen Abschnitt der Phase C vor, und daher wird die Motorklemmenspannung Vc (4(j)) der Phase C zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand des oberen Abschnitts (Zeitpunkt t4 in 4) von der Spannungserfassungsschaltung 6 erfasst. In den in den 5 und 6 gezeigten Fällen liegt ebenfalls ein Auftreten des Aus-Fehlers an dem Schaltelement Q2 in dem unteren Abschnitt der Phase A vor, und daher wird die Motorklemmenspannung Va (7(i)) der Phase A zu dem Zeitpunkt des Umschaltens von dem Arbeitsbetriebszustand zu dem Regenerationszustand des unteren Abschnitts (Zeitpunkt t2 in 7) von der Spannungserfassungsschaltung 4 erfasst.
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In Schritt S5 wird bestimmt, ob die in Schritt S4 erfasste Motorklemmenspannung eine Stoßspannung, die eine Schwellenwertspannung überschreitet, ist oder nicht. In den in den 2 und 5 gezeigten Fällen (ein vollständig-Aus-Fehler), sind das Schaltelement und die Diode beide anormal (nicht leitfähig), und ein regenerativer Strom würde nicht fließen, und daher wird eine Stoßspannung in der Motorklemmenspannung sichtbar bzw. tritt eine Stoßspannung in der Motorklemmenspannung auf, wie in den 4(j) und 7(i) gezeigt. Bei den in den 3 und 6 gezeigten Fällen (ein unvollständig-Aus-Fehler) fließt andererseits ein regenerativer Strom über eine normale Diode, und daher wird keine Stoßspannung in der Motorklemmenspannung sichtbar bzw. tritt keine Stoßspannung in der Motorklemmenspannung auf.
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Wenn gemäß dem Ergebnis der Bestimmung in Schritt S5 die Motorklemmenspannung eine Stoßspannung ist (Schritt S5: Ja), wird daher bestimmt, dass ein vollständig-Aus-Fehler aufgetreten ist, und der Arbeitsablauf geht weiter zu Schritt S6, und der Motorantrieb wird auf das Zwei-Phasen-Verfahren umgeschaltet. Das heißt, dass ein Schaltelement, welches ein Paar mit dem Schaltelement bildet, bei dem der Aus-Fehler aufgetreten ist, in dem Aus-Zustand aufrechterhalten bzw. belassen wird, und die Gesamtheit der fehlerhaften Phase abgetrennt wird, und der Antrieb des Motors M durch die Schaltelemente der übrigen zwei Phasen fortgesetzt wird.
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Wenn andererseits gemäß dem Ergebnis der Bestimmung in Schritt S5 die Motorklemmenspannung keine Stoßspannung ist (Schritt S5: Nein), wird bestimmt, dass ein unvollständig-Aus-Fehler aufgetreten ist, und der Arbeitsablauf geht weiter zu Schritt S7, und der Motorantrieb wird auf das Quasi-Drei-Phasen-Verfahren umgeschaltet. Das heißt, dass ein Schaltelement, welches mit dem Schaltelement, bei dem der Aus-Fehler aufgetreten ist, ein Paar bildet, nicht in den Aus-Zustand versetzt wird, und der Antrieb des Motors M durch dieses Schaltelement und die Schaltelemente der übrigen zwei Phasen fortgeführt wird.
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Des Weiteren können die Schritte S4 und S5 mehrere Male wiederholt werden, und die Anzahl der Male, in denen bestimmt wird, dass die erfasste Motorklemmenspannung die Stoßspannung ist, kann gezählt werden, und ein Auftreten eines vollständig-Aus-Fehlers kann bestimmt werden, wenn die Anzahl von aufeinanderfolgenden Malen eine vorgegebene Anzahl erreicht hat bzw. wenn in einer vorgegebenen Anzahl mehrmals nacheinander bestimmt wird, dass die erfasste Motorklemmenspannung die Stoßspannung ist.
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Wenn in Schritt S2 oder S5 ein Fehler ermittelt wird, kann die Steuerung 3 auch einen Alarm zur Benachrichtigung über den Fehler ausgeben, und bewirken, dass eine Lampe auf der Grundlage des Alarms eingeschaltet wird, oder bewirken, dass eine Anzeige den Fehler anzeigt.
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Zusätzlich zu einer veranschaulichten Ausführungsform können eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Ausführungsformen einsetzen, wie nachfolgend beschrieben.
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Bei einer veranschaulichten Ausführungsform werden FETs, welche die parasitären Dioden D1 bis D6 aufweisen, als die Schaltelemente Q1 bis Q6 der Inverterschaltung 1 verwendet, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können anstelle der FETs Transistoren verwendet werden, und eine Diode in der entgegengesetzten Richtung mit Bezug auf die Stromquelle Vd kann parallel zu jedem Transistor geschaltet sein. Dabei kann die Diode insbesondere derart angeordnet sein, dass die Durchlassrichtung der Diode entgegengesetzt zu der Stromrichtung der Stromquelle Vd verläuft. Anstelle des FET und des Transistors kann auch ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder Ähnliches als das Schaltelement verwendet werden.
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Bei einer veranschaulichten Ausführungsform werden n-Kanal MOSFETs als die Schaltelemente Q1 bis Q6 der Inverterschaltung 1 verwendet, aber stattdessen können p-Kanal MOSFETs verwendet werden.
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Bei einer veranschaulichten Ausführungsform ist die Ansteuerschaltung 2 separat von der Steuerung 3 vorgesehen, aber die Ansteuerschaltung 2 kann in der Steuerung 3 enthalten sein.
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Bei einer veranschaulichten Ausführungsform wird ein dreiphasiger Motor als ein Beispiel des Motors M genannt, aber die Erfindung kann auch auf ein Gerät angewendet werden, welches einen mehrphasigen Motor, der vier oder mehr Phasen aufweist, antreibt. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung wird auch ein bürstenloser Motor als ein Beispiel des Motors M genannt, aber die Erfindung kann auch auf ein Gerät angewendet werden, welches andere Motoren antreibt.
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Bei einer veranschaulichten Ausführungsform wird ein Beispiel genannt, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein Motorantriebsgerät angewendet wird, das für ein elektrisches Servolenkungsgerät eines Fahrzeugs verwendet wird, aber die Erfindung kann auch bei anderen Motorantriebsgeräten angewendet werden. Des Weiteren wird bei einer veranschaulichten Ausführungsform der Motor M als ein Beispiel für die Last genannt, aber die Erfindung kann auch bei einem Gerät angewendet werden, welches eine andere Last als den Motor antreibt.
