JP2015089292A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上下の各アームに二重化されたスイッチング素子を有するインバータ回路において、各スイッチング素子の短絡故障を初期診断できるようにするとともに、回路構成を簡略化する。【解決手段】インバータ回路３には、上下一対のアームが電源ＢとグランドＧとの間に相数だけ設けられている。上アームａ１、ｂ１、ｃ１と下アームａ２、ｂ２、ｃ２のそれぞれは、２個の直列接続されたスイッチング素子を有している。第１スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５…は、モータＭの駆動中に常時オンとなるスイッチング素子であって、電源Ｂに対して逆方向となるようにダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５…が並列接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６…は、モータＭの駆動中にオン・オフするスイッチング素子であって、電源Ｂに対して逆方向となるようにダイオードＤ２、Ｄ４、Ｄ６…が並列接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、モータなどの負荷を駆動する装置に関し、特に、スイッチング動作によって負荷へ電流を供給するインバータ回路を備えた負荷駆動装置に関する。

たとえば、車両に搭載される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（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御方式によるモータ駆動装置が知られている。

一般に、ＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置は、所定のデューティを持ったＰＷＭ信号により駆動されるインバータ回路を備えている。インバータ回路は、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相の数だけ設けられた、ブリッジ回路から構成されている。そして、ＰＷＭ信号に基づく各スイッチング素子のオン・オフ動作により、電源からインバータ回路を通ってモータへ電流が供給され、モータが駆動される。特許文献１〜６には、このようなインバータ回路を備えたモータ駆動装置が記載されている。

特許文献１のモータ駆動装置では、インバータ回路の各相の上アームと下アームにそれぞれ１個のスイッチング素子が設けられている。また、インバータ回路とモータとの間には、スイッチング素子を有する電流遮断回路（フェールセーフ回路）が設けられている。インバータ回路のスイッチング素子が短絡した場合、電流遮断回路のスイッチング素子をオフにして、モータとインバータ回路とを電気的に切り離す。これにより、インバータ回路に回生電流が流れなくなり、回生電流によってモータに制動がかかるのが回避される。

特許文献２および特許文献６のモータ駆動装置では、３段階の電圧を出力する３レベルインバータ回路が用いられている。インバータ回路の各相の上アームと下アームには、それぞれ２個のスイッチング素子が直列に設けられている。２個のスイッチング素子にそれぞれ並列接続されたダイオードの向きは同じであり、いずれも電源に対して逆方向となっている。

特許文献３のモータ駆動装置においても、インバータ回路の各相の上アームと下アームにそれぞれ２個のスイッチング素子が直列に設けられている。しかし、一方のスイッチング素子に並列接続されたダイオードの向きは、電源に対して順方向であるのに対し、他方のスイッチング素子に並列接続されたダイオードの向きは、電源に対して逆方向となっている。順方向のダイオードが接続されたスイッチング素子は常時オン状態であり、逆方向のダイオードが接続されたスイッチング素子はＰＷＭ信号によりオン・オフする。特許文献４および特許文献５にも、特許文献３と同様の回路が記載されている。

一般に、インバータ回路を備えたモータ駆動装置においては、スイッチング素子がオン状態に固定されオフしなくなる短絡故障や、スイッチング素子がオフ状態に固定されオンしなくなる断線故障の有無を診断する機能が備わっている。この診断には、モータが駆動される前に行われる初期診断と、モータが駆動された後に行われる動作中診断とがある。特許文献３には、動作中診断により、インバータ回路のスイッチング素子の短絡故障および断線故障を検出する方法が記載されている。

動作中診断は、モータに電流を流した状態で行われるのに対し、初期診断は、モータに電流を流さない状態で行われる。したがって、動作中診断の方法をそのまま初期診断に用いることはできない。また、上下の各アームに２個の直列接続されたスイッチング素子（以下「二重化されたスイッチング素子」ともいう。）が設けられたインバータ回路において、各スイッチング素子の短絡故障を初期診断する方法に関しては、これまでに知られていない。

特開２０１１−２３９４８９号公報 特開平８−３０８２５２号公報 特開２００５−２８７２３３号公報 特開２００５−２８０６１５号公報 特開２００５−２８７２０５号公報 特開２００３−７０２５８号公報

本発明は、上下の各アームに二重化されたスイッチング素子を有するインバータ回路を備えた負荷駆動装置において、インバータ回路の各スイッチング素子の短絡故障を初期診断できるようにすることを課題とする。

本発明の他の課題は、インバータ回路と負荷との間に設けられる電流遮断回路を不要にして、回路構成を簡略化することにある。

本発明に係る負荷駆動装置は、スイッチング素子のオン・オフに基づいて負荷に電流を供給するインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御部とを備えている。インバータ回路には、上下一対のアームが電源とグランドとの間に相数だけ設けられている。上アームと下アームのそれぞれは、２個の直列接続されたスイッチング素子を有している。そして、この２個の直列接続されたスイッチング素子は、電源に対して逆方向となるようにダイオードが並列接続され、負荷の駆動中に常時オンとなる第１スイッチング素子と、電源に対して逆方向となるようにダイオードが並列接続され、負荷の駆動中にオン・オフする第２スイッチング素子とからなる。

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子をこのように接続すると、初期診断時に、上下アームの４個のスイッチング素子を順次オンさせてゆくことで、各素子毎に個別に短絡故障の有無を診断することができ、短絡故障した素子の特定が可能となる。このため、ＰＷＭ駆動用の第２スイッチング素子が短絡故障した場合に、これと対をなす常時オン用の第１スイッチング素子をオフにすることで、短絡故障の発生したアームにモータから回生電流が流れないようにすることができる。したがって、インバータ回路とモータとの間に電流遮断回路を設ける必要がなくなり、当該電流遮断回路のスイッチング素子を、インバータ回路のスイッチング素子で兼用することができる。この結果、スイッチング素子の二重化による高い信頼性を維持しつつ、回路構成を簡略化することができる。

本発明において、電源が直流電源である場合は、インバータ回路に対して電源が逆極性に接続されたときに、インバータ回路に過電流が流れないようにするための逆接保護回路を、インバータ回路と電源との間に設けるのが好ましい。

本発明において、制御部は、初期診断時に、次のようにして短絡故障の有無を診断することができる。各相毎に、上下アームに設けられた各スイッチング素子を、タイミングをずらせて一定時間だけ順次オンさせ、各スイッチング素子のオン区間で、負荷の端子電圧をそれぞれ測定する。そして、この端子電圧に基づいて、各スイッチング素子の短絡故障の有無を診断する。

本発明において、制御部は、初期診断時に、さらに断線故障の有無を診断してもよい。断線故障の診断は、たとえば次のように行われる。各相毎に、上アームの第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を、各素子が同時に一定時間だけオンするように駆動するとともに、これと異なるタイミングで、下アームの第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を、各素子が同時に一定時間だけオンするように駆動する。上アームの各スイッチング素子の同時オン区間と、下アームの各スイッチング素子の同時オン区間で、負荷の端子電圧をそれぞれ測定する。そして、この端子電圧に基づいて、上アームと下アームの断線故障の有無を診断する。

本発明によれば、上下の各アームに二重化されたスイッチング素子を有するインバータ回路を備えた負荷駆動装置において、インバータ回路の各スイッチング素子の短絡故障を初期診断できるとともに、インバータ回路と負荷との間に設けられる電流遮断回路を不要にして、回路構成を簡略化することができる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。 インバータ回路の正常時の動作状態を示した図である。 初期診断における故障検出方法を説明する図である。 初期診断の手順を示したフローチャートである。 初期診断の他の手順を示したフローチャートである。 動作中診断における故障検出方法を説明する図である（正常）。 動作中診断における故障検出方法を説明する図である（上段短絡）。 動作中診断における故障検出方法を説明する図である（下段短絡）。 動作中診断における故障検出方法を説明する図である（上段断線）。 動作中診断における故障検出方法を説明する図である（下段断線）。 動作中診断の手順を示したフローチャートである。 動作中診断の他の手順を示したフローチャートである。 短絡故障発生時の処理を説明するためのタイミングチャートである。 縮退モードでのスイッチング素子の状態を示した回路図である。 代替モードでのスイッチング素子の状態を示した回路図である。 他の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。 他の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。

本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分または対応する部分には同一符号を付してある。以下では、負荷駆動装置として、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動装置を例に挙げる。

最初に、モータ駆動装置の構成を、図１を参照しながら説明する。図１において、モータ駆動装置１００は、ＣＰＵ１、ドライバ２、インバータ回路３、電流検出回路４、電圧検出回路５、および逆接保護回路６を備えている。ＣＰＵ１とドライバ２により、制御部１０が構成される。モータ駆動装置１００によって駆動されるモータＭは、操舵補助力を与えるための直流モータであって、たとえば３相ブラシレスモータからなる。モータＭに電力を供給する電源Ｂは、車載用のバッテリからなる直流電源である。

インバータ回路３は、電源ＢとグランドＧとの間に上下一対のアームがＡ相、Ｂ相、Ｃ相に対応して３本設けられた、３相ブリッジ回路から構成される。Ａ相の上アームａ１は、２個の直列接続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を有しており、Ａ相の下アームａ２は、２個の直列接続されたスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を有している。Ｂ相の上アームｂ１は、２個の直列接続されたスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６を有しており、Ｂ相の下アームｂ２は、２個の直列接続されたスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８を有している。Ｃ相の上アームｃ１は、２個の直列接続されたスイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０を有しており、Ｃ相の下アームｃ２は、２個の直列接続されたスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２を有している。インバータ回路３は、これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のオン・オフに基づいて、負荷であるモータＭに電流を供給する。

このように、各相の上アームと下アームのそれぞれにおいて２個のスイッチング素子を直列接続し、回路を二重化するのは、スイッチング素子の一方が故障した場合に、他方でバックアップすることで信頼性を高めるためである。したがって、後述するように、通常は、直列接続された２個のスイッチング素子の一方を常時オン状態とし、他方をＰＷＭ信号でオン・オフさせる。この場合、インバータ回路３は、６個のスイッチング素子を有する一般の３相ブリッジ回路として動作する。

、
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２は、ここではｎチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴからなる。Ａ相において、スイッチング素子Ｑ１のドレインｄは、逆接保護回路６を介して電源Ｂに接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソースｓは、スイッチング素子Ｑ２のドレインｄに接続されている。スイッチング素子Ｑ２のソースｓは、スイッチング素子Ｑ３のドレインｄに接続されている。スイッチング素子Ｑ３のソースｓは、スイッチング素子Ｑ４のドレインｄに接続されている。スイッチング素子Ｑ４のソースｓは、シャント抵抗Ｒｓを介してグランドＧに接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各ゲートｇは、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して、ドライバ２の出力端子Ｔ１〜Ｔ４に接続されている。さらに、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、電源Ｂに対して逆方向となるように、ダイオードＤ１〜Ｄ４が並列接続されている。これらのダイオードＤ１〜Ｄ４は、ドレイン・ソース間の寄生ダイオードである。

Ｂ相において、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、Ａ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と対応している。これらのスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８の接続関係は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と同様であるので、説明を省略する。スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８には、電源Ｂに対して逆方向となるように、ダイオードＤ５〜Ｄ８（寄生ダイオード）が並列接続されている。また、図示は省略しているが、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８の各ゲートは、抵抗を介してドライバ２の出力端子に接続される。

Ｃ相において、スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２は、Ａ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と対応している。これらのスイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２の接続関係は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と同様であるので、説明を省略する。スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２には、電源Ｂに対して逆方向となるように、ダイオードＤ９〜Ｄ１２（寄生ダイオード）が並列接続されている。また、図示は省略しているが、スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２の各ゲートは、抵抗を介してドライバ２の出力端子に接続される。

Ａ相の下アームａ２とグランドＧとの間には、電流検出回路４が設けられている。電流検出回路４は、シャント抵抗Ｒｓと増幅器Ｋとを有している。シャント抵抗Ｒｓの一端は、スイッチング素子Ｑ４のソースｓに接続されている。シャント抵抗Ｒｓの他端は、グランドＧに接地されている。増幅器Ｋの入力側は、シャント抵抗Ｒｓの両端に接続されている。増幅器Ｋの出力側は、抵抗Ｒ８およびコンデンサＣ１からなるフィルタ回路を介して、ＣＰＵ１に接続されている。また、図示は省略するが、Ｂ相とＣ相においても、Ａ相の電流検出回路４と同様の電流検出回路が設けられている。

Ａ相の上下アームａ１、ａ２の接続点と、Ｂ相の上下アームｂ１、ｂ２の接続点と、Ｃ相の上下アームｃ１、ｃ２の接続点は、それぞれラインＬａ、Ｌｂ、Ｌｃを介して、モータＭの端子に接続されている。ラインＬａには、抵抗Ｒ５の一端が接続されている。抵抗Ｒ５の他端は、逆接保護回路６を介して、電源Ｂに接続されている。抵抗Ｒ５は、プルアップ抵抗として機能し、その抵抗値は、モータＭの内部抵抗値に比べて、十分大きな値となっている。また、図示は省略するが、ラインＬｂ、Ｌｃにも、抵抗Ｒ５と同様の抵抗が接続されている。

ラインＬａとグランドＧとの間には、電圧検出回路５が設けられている。電圧検出回路５は、直列接続された抵抗Ｒ６および抵抗Ｒ７を有している。抵抗Ｒ６、Ｒ７は、プルダウン抵抗として機能し、その抵抗値は、モータＭの内部抵抗値に比べて、十分大きな値となっている。抵抗Ｒ６の一端は、ラインＬａに接続されている。抵抗Ｒ６の他端は、抵抗Ｒ７の一端に接続されている。抵抗Ｒ７の他端は、グランドＧに接地されている。抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７との接続点は、抵抗Ｒ９およびコンデンサＣ２からなるフィルタ回路を介して、ＣＰＵ１に接続されている。また、図示は省略するが、ラインＬｂ、ＬｃとグランドＧとの間にも、電圧検出回路５と同様の電圧検出回路が設けられている。

逆接保護回路６は、リレーなどの開閉素子から構成され、インバータ回路３と電源Ｂとの間に設けられる。開閉素子のオン・オフは、ＣＰＵ１によって制御される。この逆接保護回路６は、インバータ回路３に対して電源Ｂが逆極性（正極と負極が逆）に接続されたときに、ダイオードＤ１〜Ｄ１２を通ってインバータ回路３に過電流が流れるのを阻止する。

ＣＰＵ１は、モータ駆動装置１００の動作を制御する。ＣＰＵ１には、故障診断部１１、モータ電流算出部１２、およびモータ端子電圧算出部１３が備わっている。故障診断部１１は、後述する初期診断および動作中診断を実行し、インバータ回路３の短絡故障や断線故障を検出する。モータ電流算出部１２は、電流検出回路４の出力に基づいて、モータＭの各相に流れる電流の値を算出する。モータ端子電圧算出部１３は、電圧検出回路５の出力に基づいて、モータＭの各相の端子電圧の値を算出する。

ＣＰＵ１には、図示しないトルクセンサから、操舵トルクが入力される。ＣＰＵ１は、この操舵トルクに基づいて、モータＭに流すべき電流の目標値を設定する。そして、設定された目標値と、モータ電流算出部１２で算出されたモータ電流値とを比較し、その偏差に基づいて、インバータ回路３のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号のデューティを演算する。また、ＣＰＵ１の故障診断部１１は、モータ端子電圧算出部１３で算出されたモータＭの端子電圧に基づいて、インバータ回路３における短絡故障や断線故障の有無を診断する（詳細は後述）。

ドライバ２は、ＣＰＵ１から与えられるデューティの情報に基づいて、インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を駆動するための、所定のデューティを持ったＰＷＭ信号を生成する。Ａ相のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号は、端子Ｔ１〜Ｔ４、および抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各ゲートｇに与えられる。Ｂ相、Ｃ相のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号も、同様に、図示しない端子および抵抗を介して、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ１２の各ゲートに与えられる。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２は、ドライバ２から与えられるＰＷＭ信号に基づいて、オン・オフ動作を行う。すなわち、ＰＷＭ信号の「Ｈ」（High）レベルの区間では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２はオンし、ＰＷＭ信号の「Ｌ」（Low）レベルの区間では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２はオフする。

次に、上述したモータ駆動装置１００の動作について説明する。逆接保護回路６の開閉素子を閉状態（オン状態）にし、ドライバ２から出力される駆動信号によりインバータ回路３を駆動すると、電源Ｂから逆接保護回路６およびインバータ回路３を経てモータＭに電流が流れ、モータＭが駆動される。ここで、モータＭの駆動中は、各相の上下アームに設けられている２個の直列接続されたスイッチング素子の一方が常時オンとなり、他方がオン・オフ動作を行う。

詳しくは、図２（ａ）に示したように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７、Ｑ９、Ｑ１１（第１スイッチング素子）は、ドライバ２から与えられる連続したＨレベル信号により、常時オンした状態となる。一方、これらのスイッチング素子と対をなすスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８、Ｑ１０、Ｑ１２（第２スイッチング素子）は、ドライバ２から与えられるＰＷＭ信号により、オン・オフ動作を行う。このため、たとえばスイッチング素子Ｑ２、Ｑ１２がオンの区間では、図中の破線矢印で示す経路でモータＭに電流が流れる。図２（ｂ）は、各スイッチング素子のオン・オフ動作を示したタイミングチャートである。斜線の区間が、図２（ａ）の破線で示した電流が流れる区間である。

図２に示した動作は一例であるが、２個の直列接続されたスイッチング素子の一方が常時オンしている場合のインバータ回路３の動作は、前記のとおり、一般の３相ブリッジ回路の動作と同じである。したがって、ここではインバータ回路３のさらに詳細な動作の説明を省略する。

次に、モータ駆動装置１００における初期診断について、図３を参照しながら説明する。初期診断は、モータＭが駆動される前に行われる診断であり、モータＭに電流を流さない状態で実施される。以下では、Ａ相の初期診断を例に挙げるが、Ｂ相とＣ相についても、同様の方法で初期診断が行われる。

図３において、（ａ）はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートｇに印加される診断用信号、（ｂ）はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作、（ｃ）はモータＭの端子電圧をそれぞれ表している。初期診断においては、逆接保護回路６をオンにした状態で、最初に短絡（ショート）故障診断を実施し、その後、断線（オープン）故障診断を実施する。この順序は逆であってもよい。

短絡故障診断は、時刻Ｔｘ〜Ｔｚの間で行われる。時刻Ｔｘで診断が開始されると、上下アームの各スイッチング素子を順次、タイミングをずらせて一定時間だけオンさせる。詳しくは、図３（ａ）のように、スイッチング素子Ｑ２→Ｑ１→Ｑ４→Ｑ３の順に、各スイッチング素子にゲート信号（パルス信号）を印加してゆく。すると、図３（ｂ）のように、ゲート信号のＨレベルの区間で、スイッチング素子Ｑ２→Ｑ１→Ｑ４→Ｑ３の順に、各スイッチング素子が一定時間だけ順次オンとなる。そこで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれのオン区間で、モータＭの端子電圧を測定し、これに基づいて短絡故障を検出する。以下、さらに詳しく説明する。

図３（ｃ）は、モータＭのＡ相の端子電圧Ｖｍ（ラインＬａの電圧）を示している。実線は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に故障が発生していない場合のモータ端子電圧、破線は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に故障が発生した場合のモータ端子電圧である。Ｖｂは電源Ｂの電圧、ＶｇはグランドＧの電圧を表している。

上アームａ１のスイッチング素子Ｑ２がオンの区間では、本来、スイッチング素子Ｑ１はオフであり、ダイオードＤ１も電源Ｂに対して逆方向となっている。したがって、モータ端子電圧Ｖｍは、電源電圧Ｖｂを抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６＋Ｒ７とで分圧した電圧値Ｖｏ（正常値）となるはずである。しかるに、スイッチング素子Ｑ１が短絡故障していると、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が共にオン状態となる結果、ラインＬａが、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２および逆接保護回路６を介して、電源Ｂと電気的に接続される。その結果、スイッチング素子Ｑ２のオン区間で、図３（ｃ）の破線（１）で示すように、モータ端子電圧Ｖｍは正常値Ｖｏより高くなって、電源電圧Ｖｂまで上昇する（実際には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２や逆接保護回路６での電圧降下により、ＶｍはＶｂより若干小さくなるが、ここでは簡単のためＶｍ＝Ｖｂとする（以下同様））。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３での算出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ２のオン区間においてＶｍ＝Ｖｂである場合に、スイッチング素子Ｑ１に短絡故障が発生したと診断する。

同様に、スイッチング素子Ｑ２が短絡故障している場合も、ラインＬａが電源Ｂと電気的に接続されるため、スイッチング素子Ｑ１のオン区間で、図３（ｃ）の破線（２）で示すように、モータ端子電圧Ｖｍは正常値Ｖｏより高くなって、電源電圧Ｖｂまで上昇する。これにより、ＣＰＵ１は、スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生したと診断する。

また、下アームａ２のスイッチング素子Ｑ４がオンの区間では、本来、スイッチング素子Ｑ３はオフであり、ダイオードＤ３も電源Ｂに対して逆方向となっている。したがって、この場合も、モータ端子電圧ＶｍはＶｏ（正常値）となるはずである。しかるに、スイッチング素子Ｑ３が短絡故障していると、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４が共にオン状態となる結果、ラインＬａが、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４およびシャント抵抗Ｒｓを介して、グランドＧと電気的に接続される。その結果、スイッチング素子Ｑ４のオン区間で、図３（ｃ）の破線（３）で示すように、モータ端子電圧Ｖｍは正常値Ｖｏより低くなって、グランド電圧Ｖｇまで低下する（実際には、シャント抵抗Ｒｓでの電圧降下により、ＶｍはＶｇより若干大きくなるが、ここでは簡単のためＶｍ＝Ｖｇとする（以下同様））。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３での算出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ４のオン区間においてＶｍ＝Ｖｇである場合に、スイッチング素子Ｑ３に短絡故障が発生したと診断する。

同様に、スイッチング素子Ｑ４が短絡故障している場合も、ラインＬａがグランドＧと電気的に接続されるため、スイッチング素子Ｑ３のオン区間で、図３（ｃ）の破線（４）で示すように、モータ端子電圧Ｖｍは正常値Ｖｏより低くなって、グランド電圧Ｖｇまで低下する。これにより、ＣＰＵ１は、スイッチング素子Ｑ４に短絡故障が発生したと診断する。

このように、初期診断においては、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を順次オンさせてゆき、各素子のオン区間においてモータ端子電圧Ｖｍを測定することにより、スイッチング素子の短絡故障の有無を診断することができる。そして、この短絡故障診断では、どのスイッチング素子が短絡故障しているかを特定することができる。Ｂ相とＣ相についても、Ａ相と同じ手順で短絡故障診断が行われる。

短絡故障診断が終了すると、続いて、時刻Ｔｙ〜Ｔｚの間で断線故障診断が行われる。断線故障診断の手順は、短絡故障診断の手順とは異なっている。詳しくは、図３（ａ）のように、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に同時にゲート信号（パルス信号）を印加するとともに、これと異なるタイミングで、下アームのスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４に同時にゲート信号（パルス信号）を印加する。すると、図３（ｂ）のように、ゲート信号のＨレベルの区間で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が同時に一定時間だけオンし、これと異なるタイミングで、下アームのスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４が同時に一定時間だけオンする。そこで、各スイッチング素子の同時オン区間で、モータ端子電圧Ｖｍを測定し、これに基づいて断線故障を検出する。以下、さらに詳しく説明する。

上アームａ１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が同時にオンする区間では、本来、ラインＬａが電源Ｂと電気的に接続されるため、モータ端子電圧Ｖｍは、電源電圧Ｖｂ（正常値）まで上昇するはずである。しかるに、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方が断線故障していると、ラインＬａが電源Ｂから電気的に切り離された状態となる。このため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の同時オン区間で、図３（ｃ）の破線（５）で示すように、モータ端子電圧Ｖｍは正常値Ｖｂより低くなって、Ｖｏのままとなる。そこで、ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３での算出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の同時オン区間においてＶｍ＝Ｖｏである場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方が断線故障したと診断する。

また、下アームａ２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４が同時にオンしている区間では、本来、ラインＬａがグランドＧと電気的に接続されるため、モータ端子電圧Ｖｍは、グランド電圧Ｖｇ（正常値）まで低下するはずである。しかるに、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の一方または両方が断線故障していると、ラインＬａがグランドＧから電気的に切り離された状態となる。このため、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の同時オン区間で、図３（ｃ）の破線（６）で示すように、モータ端子電圧Ｖｍは正常値Ｖｇより高くなって、Ｖｏのままとなる。そこで、ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３での算出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の同時オン区間においてＶｍ＝Ｖｏである場合は、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の一方または両方が断線故障したと診断する。

このように、上アームａ１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を同時にオン駆動し、これと異なるタイミングで、下アームａ２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を同時にオン駆動し、それぞれの同時オン区間でモータ端子電圧Ｖｍを測定することによって、断線故障の有無を診断することができる。Ｂ相とＣ相についても、Ａ相と同じ手順で断線故障診断が行われる。なお、断線故障診断では、上段（上アーム）と下段（下アーム）のいずれに断線故障が発生したかは判別できるが、断線故障したスイッチング素子を特定することはできない。しかるに、各アームのいずれのスイッチング素子が断線故障しようとも、結果的に当該アームに流れる電流が遮断されることに変わりはないので、断線故障の場合は、故障した素子を特定できなくても問題はない。

図４は、上述した初期診断と、当該診断結果に基づく処理の手順を表したフローチャートである。本フローチャートの各ステップは、ＣＰＵ１によって実行される。

ステップＳ１では、車両のイグニッションスイッチ（図示省略）が操作されたことに基づいて、イグニッションオン信号がＣＰＵ１に入力される。ＣＰＵ１は、この信号が入力されると、ステップＳ２で初期診断のプログラムを起動し、初期診断を開始する。初期診断では、まずステップＳ３において、図３で説明した要領に従い、短絡（ショート）故障診断を実行する。そして、ステップＳ４で、短絡故障の有無を判定し、短絡故障がなければ（ステップＳ４；ＮＯ）、ステップＳ５へ進み、短絡故障があれば（ステップＳ４；ＹＥＳ）、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ５では、図３で説明した要領に従い、断線（オープン）故障診断を実行する。そして、ステップＳ６で、断線故障の有無を判定し、断線故障がなければ（ステップＳ６；ＮＯ）、ステップＳ７へ進み、断線故障があれば（ステップＳ６；ＹＥＳ）、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ７では、短絡故障も断線故障も発生していないことから、通常モードによるモータ駆動を開始する。通常モードでは、図２（ａ）に示したように、各相の上下アームに設けられている２個の直列接続されたスイッチング素子の一方（Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５…）を常時オン状態とし、他方（Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６…）をＰＷＭ信号でオン・オフさせる。これにより、電源Ｂからインバータ回路３を通ってモータＭへ電流が供給され、モータＭが３相で駆動される。

短絡故障が発生している場合は、ステップＳ１１において、図３で説明した要領に従い、短絡故障したスイッチング素子を特定する。そして、ステップＳ１２で、短絡故障したスイッチング素子が、常時オン用の第１スイッチング素子（以下「サブＦＥＴ」という。）Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５…か、それともＰＷＭ駆動用の第２スイッチング素子（以下「メインＦＥＴ」という。）Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６…かを判定する。判定の結果、短絡故障したスイッチング素子がサブＦＥＴであれば、ステップＳ１３へ進み、短絡故障したスイッチング素子がメインＦＥＴであれば、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１３では、短絡故障の発生および短絡故障したサブＦＥＴを報知するための警報を出力する。この警報に基づいて、たとえば警報ランプ（図示省略）が点灯する。その後、ステップＳ１４へ進んで、ステップＳ７と同様の通常モードによるモータ駆動を開始する。この場合、サブＦＥＴに短絡故障が発生していても、サブＦＥＴはもともと常時オン用の素子であるので、インバータ回路３は正常に動作し、モータ駆動に支障は生じない。また、警報ランプの点灯により、短絡故障したサブＦＥＴの交換を促すことができる。

一方、ステップＳ１５では、短絡故障の発生および短絡故障したメインＦＥＴを報知するための警報を出力する。この警報に基づいて、たとえば警報ランプ（図示省略）が点灯する。次に、ステップＳ１６ａにおいて、短絡故障したメインＦＥＴと対をなすサブＦＥＴをオフ状態にする。その後、ステップＳ１７ａへ進んで、縮退モードによるモータ駆動を開始する。この縮退モードには、短絡故障が発生した異常相における異常箇所だけを切り離すモード（以下「部分縮退モード」という。）と、異常相全体を切り離すモード（以下「全縮退モード」という。）の２種類がある。

部分縮退モードでは、異常相の上下アームのうち、短絡故障が発生した側のアームのみを電気的に切り離し、短絡故障が発生していない側のアームと、残りの２相の上下アームとを用いてモータを駆動する。たとえば、図１４（ａ）に示すように、Ｃ相の上アームｃ１のスイッチング素子Ｑ１０（メインＦＥＴ）に短絡（ショート）故障が発生した場合、スイッチング素子Ｑ９（サブＦＥＴ）がステップＳ１６ａでオフとなることで、異常箇所である上アームｃ１だけが電気的に切り離される。Ｃ相の下アームｃ２のスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２は、通常どおり駆動される。また、Ａ相の上下アームａ１、ａ２の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、Ｂ相の上下アームｂ１、ｂ２の各スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８も、通常どおり駆動される。

一方、全縮退モードでは、異常相の短絡故障が発生した側のアームだけでなく、異常相の短絡故障が発生していない側のアームも電気的に切り離され、残りの２相の上下アームを用いてモータを駆動する。たとえば、図１４（ｂ）に示すように、Ｃ相の上アームｃ１のスイッチング素子Ｑ１０（メインＦＥＴ）に短絡（ショート）故障が発生した場合、スイッチング素子Ｑ９（サブＦＥＴ）がオフとなることに加えて、下アームｃ２のスイッチング素子Ｑ１２（メインＦＥＴ）、Ｑ１１（サブＦＥＴ）もオフとなる。これにより、異常相であるＣ相全体（上アームｃ１と下アームｃ２）が電気的に切り離される。一方、Ａ相の上下アームａ１、ａ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、Ｂ相の上下アームｂ１、ｂ２のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、通常どおり駆動される。

このように、縮退モードには２種類あるが、図４のステップＳ１７ａにおいては、部分縮退モードと全縮退モードのいずれを採用してもよい。縮退モードでは、短絡故障が発生した異常相または異常箇所を切り離し、残りのスイッチング素子を通常モードの場合と同様に動作させることによって、モータＭを２相で駆動することができる。

ステップＳ６で断線故障が検出された場合は、ステップＳ８において、断線故障の発生および断線故障した相または箇所を報知するための警報を出力する。この警報に基づいて、たとえば警報ランプ（図示省略）が点灯する。次に、ステップＳ９において、断線故障が発生した異常相の上下アームのスイッチング素子を全てオフにするか、あるいは、断線故障が発生した異常箇所（上アームまたは下アーム）のスイッチング素子だけをオフにする処理が行われる。その後、ステップＳ１０へ進んで、縮退モードによるモータ駆動を開始する。この縮退モードにも、断線故障が発生した異常相における異常箇所だけを切り離す「部分縮退モード」と、異常相全体を切り離す「全縮退モード」の２種類がある。

ステップＳ９で、断線故障が発生した異常箇所のスイッチング素子だけをオフにした場合は、ステップＳ１０で部分縮退モードが実行される。たとえば、Ａ相の上アームａ１（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方）に断線故障が発生した場合、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにすることで、異常箇所である上アームａ１だけが電気的に切り離される。下アームａ２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、通常どおり駆動される。また、Ｂ相の上下アームｂ１、ｂ２の各スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８と、Ｃ相の上下アームｃ１、ｃ２の各スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２も、通常どおり駆動される。

一方、ステップＳ９で、断線故障が発生した異常相のスイッチング素子を全てオフにした場合は、ステップＳ１０で全縮退モードが実行される。たとえば、Ａ相の上アームａ１（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方）に断線故障が発生した場合、上アームａ１のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフとなることに加えて、下アームａ２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４もオフとなる。これにより、異常相であるＡ相全体（上アームａ１と下アームａ２）が、電気的に切り離される。一方、Ｂ相の上下アームｂ１、ｂ２のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８と、Ｃ相の上下アームｃ１、ｃ２のスイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２は、通常どおり駆動される。

このように、断線故障が発生した異常相または異常箇所を切り離し、残りのスイッチング素子を通常モードの場合と同様に動作させることによって、モータＭを２相で駆動することができる。

図５は、初期診断結果に基づく処理手順の他の例を示すフローチャートである。図５において、図４と同じ処理を行うステップには、同一符号を付してある。図５では、図４のステップＳ１６ａ、Ｓ１７ａが、ステップＳ１６ｂ、Ｓ１７ｂ
に置き換わっている。

短絡故障したスイッチング素子がメインＦＥＴ（ＰＷＭ駆動用のスイッチング素子）である場合、ステップＳ１６ｂにおいて、メインＦＥＴの駆動を、ＰＷＭ駆動から常時オン駆動へ切り替える。すなわち、メインＦＥＴのゲートに連続したＨレベル信号を印加することにより、メインＦＥＴを常時オンの状態にする。その後、ステップＳ１７ｂへ進んで、代替モードによるモータ駆動を開始する。

代替モードでは、通常モードにおけるメインＦＥＴとサブＦＥＴの動作が入れ替わる。つまり、短絡故障したメインＦＥＴは、常時オンの状態となり、短絡故障していないサブＦＥＴは、ＰＷＭ信号でオン・オフする。たとえば、図１５に示すように、Ｃ相の上アームｃ１のスイッチング素子Ｑ１０（メインＦＥＴ）に短絡（ショート）故障が発生した場合、スイッチング素子Ｑ９（サブＦＥＴ）をＰＷＭ信号によりオン・オフさせる。スイッチング素子Ｑ１０は、常時オンの状態に固定される。Ｃ相の下アームｃ２のスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２と、Ａ相の上下アームａ１、ａ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、Ｂ相の上下アームｂ１、ｂ２のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、いずれも通常どおり駆動される。

このように、短絡故障が発生したアームのメインＦＥＴとサブＦＥＴの動作が入れ替わっても、２個の直列接続されたスイッチング素子の一方が常時オンとなり、他方がオン・オフすることに変わりはないので、インバータ回路３は正常に動作し、モータ駆動に支障は生じない。この場合、モータＭは、通常モードと同様に３相で駆動される。また、警報ランプの点灯により、短絡故障したメインＦＥＴの交換を促すことができる。

次に、モータ駆動装置１００における動作中診断について、図６〜図１１を参照しながら説明する。動作中診断は、モータＭが駆動された後に行われる診断であり、モータＭに電流が流れている状態で実施される。動作中診断においても、スイッチング素子の短絡故障と断線故障が検出されるが、その検出原理は初期診断の場合と異なる。以下では、Ａ相の動作中診断を例に挙げるが、Ｂ相とＣ相についても、同様の方法で動作中診断が行われる。

図６（ａ）は、上下アームａ１、ａ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に短絡故障も断線故障も発生していない状態（正常状態）を示している。この場合は、前述のとおり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は常時オンしており、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４はＰＷＭ信号によりオン・オフ動作を行う。

図６（ｂ）は、各スイッチング素子のゲートに印加される信号、および正常状態におけるＡ相のモータ端子電圧Ｖｍを示している。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のゲート信号（以下「Ｑ１ゲート信号」、「Ｑ３ゲート信号」と表記）は、連続したＨレベル信号（＝デューティが１００％のＰＷＭ信号）であり、この信号によってスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は常時オン状態となる。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のゲート信号（以下「Ｑ２ゲート信号」、「Ｑ４ゲート信号」と表記）は、所定のデューティを持ったＰＷＭ信号であり、この信号のＨレベル区間でスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４はオンとなり、Ｌレベル区間でスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４はオフとなる。Ｑ４ゲート信号は、Ｑ２ゲート信号を反転した信号となっている（厳密には、両者の間にデッドタイム期間が存在するが、ここでは省略してある）。

スイッチング素子Ｑ２がオンで、スイッチング素子Ｑ４がオフの区間では、モータ端子電圧Ｖｍは、電源電圧Ｖｂとなる。一方、スイッチング素子Ｑ４がオンで、スイッチング素子Ｑ２がオフの区間では、モータ端子電圧Ｖｍは、グランド電圧Ｖｇとなる。

このように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に故障が発生していない場合は、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のオン・オフに応じて、モータ端子電圧Ｖｍは、電源電圧Ｖｂまたはグランド電圧Ｖｇとなる。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３で算出されたモータ端子電圧Ｖｍが、Ｑ２ゲート信号のＨレベル区間で電源電圧Ｖｂであり、Ｌレベル区間でグランド電圧Ｖｇである場合は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に短絡故障も断線故障も発生していないと診断する。

図７（ａ）は、上アームａ１のスイッチング素子Ｑ２に短絡（ショート）故障が発生した状態（上段短絡状態）を示している。この場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は常時オンしており、スイッチング素子Ｑ４はＰＷＭ信号によりオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Ｑ２はオン状態に固定される。

図７（ｂ）は、各スイッチング素子のゲートに印加される信号、および上段短絡状態におけるＡ相のモータ端子電圧Ｖｍを示している。各ゲート信号に関しては、図６（ｂ）の場合と同じである。Ｑ２ゲート信号がＨレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ２がもともと短絡故障によりオン状態にあるので、モータ端子電圧Ｖｍは電源電圧Ｖｂとなる。一方、Ｑ２ゲート信号がＬレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ２がオフしないため、モータ端子電圧Ｖｍはグランド電圧Ｖｇまで低下せず、グランド電圧Ｖｇより高く電源電圧Ｖｂより低い閾値Ｖｔｈ１を超える電圧となる。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３で算出されたモータ端子電圧Ｖｍが、Ｑ２ゲート信号のＬレベル区間で、Ｖｂ＞Ｖｍ＞Ｖｔｈ１＞Ｖｇの関係を満たす場合は、スイッチング素子Ｑ２に短絡故障が発生したと診断する。なお、スイッチング素子Ｑ１は常時オン状態にあるため、動作中診断において当該素子の短絡故障を検出することはできないが、スイッチング素子Ｑ１は短絡故障しても常時オン状態を維持するので、問題はない。

図８（ａ）は、下アームａ２のスイッチング素子Ｑ４に短絡（ショート）故障が発生した状態（下段短絡状態）を示している。この場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は常時オンしており、スイッチング素子Ｑ２はＰＷＭ信号によりオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Ｑ４はオン状態に固定される。

図８（ｂ）は、各スイッチング素子のゲートに印加される信号、および下段短絡状態におけるＡ相のモータ端子電圧Ｖｍを示している。各ゲート信号に関しては、図６（ｂ）の場合と同じである。Ｑ４ゲート信号がＨレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ４がもともと短絡故障によりオン状態にあるので、モータ端子電圧Ｖｍはグランド電圧Ｖｇとなる。一方、Ｑ４ゲート信号がＬレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ４がオフしないため、モータ端子電圧Ｖｍは電源電圧Ｖｂまで上昇せず、電源電圧Ｖｂより低くグランド電圧Ｖｇより高い閾値Ｖｔｈ２を下回る電圧となる。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３で算出されたモータ端子電圧Ｖｍが、Ｑ４ゲート信号のＬレベル区間で、Ｖｂ＞Ｖｔｈ２＞Ｖｍ＞Ｖｇの関係を満たす場合は、スイッチング素子Ｑ４に短絡故障が発生したと診断する。なお、スイッチング素子Ｑ３は常時オン状態にあるため、動作中診断において当該素子の短絡故障を検出することはできないが、スイッチング素子Ｑ３は短絡故障しても常時オン状態を維持するので、問題はない。

図９（ａ）は、上アームａ１のスイッチング素子Ｑ２に断線（オープン）故障が発生した状態（上段断線状態）を示している。この場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は常時オンしており、スイッチング素子Ｑ４はＰＷＭ信号によりオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Ｑ２はオフ状態に固定される。

図９（ｂ）は、各スイッチング素子のゲートに印加される信号、および上段断線状態におけるＡ相のモータ端子電圧Ｖｍを示している。各ゲート信号に関しては、図６（ｂ）の場合と同じである。Ｑ２ゲート信号がＬレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ２がもともと断線故障によりオフ状態にあるので、モータ端子電圧Ｖｍはグランド電圧Ｖｇとなる。一方、Ｑ２ゲート信号がＨレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ２がオンしないために、モータ端子電圧Ｖｍは電源電圧Ｖｂまで上昇せず、電源電圧Ｖｂよりも低くグランド電圧Ｖｇよりも高い閾値Ｖｔｈ３を下回る電圧となる。なお、スイッチング素子Ｑ２は正常でスイッチング素子Ｑ１に断線故障が発生した場合、および、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の双方に断線故障が発生した場合も、モータ端子電圧Ｖｍは閾値Ｖｔｈ３を下回る。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３で算出されたモータ端子電圧Ｖｍが、Ｑ２ゲート信号のＨレベル区間で、Ｖｂ＞Ｖｔｈ３＞Ｖｍ＞Ｖｇの関係を満たす場合は、上段のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方に断線故障が発生したと診断する（断線故障したスイッチング素子を特定することはできない）。

図１０（ａ）は、下アームａ２のスイッチング素子Ｑ４に断線（オープン）故障が発生した状態（下段断線状態）を示している。この場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は常時オンしており、スイッチング素子Ｑ２はＰＷＭ信号によりオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Ｑ４はオフ状態に固定される。

図１０（ｂ）は、各スイッチング素子のゲートに印加される信号、および下段断線状態におけるＡ相のモータ端子電圧Ｖｍを示している。各ゲート信号に関しては、図６（ｂ）の場合と同じである。Ｑ４ゲート信号がＬレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ４がもともと断線故障によりオフ状態にあるので、モータ端子電圧Ｖｍは電源電圧Ｖｂとなる。一方、Ｑ４ゲート信号がＨレベルの区間では、スイッチング素子Ｑ４がオンしないため、モータ端子電圧Ｖｍはグランド電圧Ｖｇまで低下せず、グランド電圧Ｖｇより高く電源電圧Ｖｂより低い閾値Ｖｔｈ４を超える電圧となる。なお、スイッチング素子Ｑ４は正常でスイッチング素子Ｑ３に断線故障が発生した場合、および、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の双方に断線故障が発生した場合も、モータ端子電圧Ｖｍは閾値Ｖｔｈ４を超える。このモータ端子電圧Ｖｍは、電圧検出回路５で検出され、ＣＰＵ１へ入力される。ＣＰＵ１は、モータ端子電圧算出部１３で算出されたモータ端子電圧Ｖｍが、Ｑ４ゲート信号のＨレベル区間で、Ｖｂ＞Ｖｍ＞Ｖｔｈ４＞Ｖｇの関係を満たす場合は、下段のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の一方または両方に断線故障が発生したと診断する（断線故障したスイッチング素子を特定することはできない）。

このように、動作中診断においては、モータ端子電圧Ｖｍを監視し、Ｑ２ゲート信号またはＱ４ゲート信号のＨレベル区間またはＬレベル区間における、モータ端子電圧Ｖｍと閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４との比較結果に基づいて、上段短絡故障（図７）、下段短絡故障（図８）、上段断線故障（図９）、および下段断線故障（図１０）の４種類の故障を診断することができる。Ｂ相とＣ相についても、Ａ相と同じ手順で動作中診断が行われる。

図１１は、上述した動作中診断と、当該診断結果に基づく処理の手順を表したフローチャートである。本フローチャートの各ステップは、ＣＰＵ１によって実行される。

ステップＳ２１では、図２（ａ）に示した通常モードで、モータ駆動装置１００の動作を開始する。通常モードでは、モータＭが３相で駆動される。この後、ステップＳ２２で、図７および図８で説明した要領に従い、短絡（ショート）故障が検出されたか否かを判定する。判定の結果、短絡故障が検出されなければ（ステップＳ２２；ＮＯ）、ステップＳ２３へ進み、短絡故障が検出されれば（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、ステップＳ２８へ進む。

ステップＳ２３では、図９および図１０で説明した要領に従い、断線（オープン）故障が検出されたか否かを判定する。判定の結果、断線故障が検出されなければ（ステップＳ２３；ＮＯ）、ステップＳ２４へ進み、断線故障が検出されれば（ステップＳ２３；ＹＥＳ）、ステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２４では、短絡故障も断線故障も発生していないことから、通常モードによるモータ駆動を継続する。

短絡故障が発生している場合は、ステップＳ２８で、短絡故障の発生および短絡故障したスイッチング素子（メインＦＥＴ）を報知するための警報を出力する。この警報に基づいて、たとえば警報ランプ（図示省略）が点灯する。次に、ステップＳ２９ａにおいて、短絡故障したメインＦＥＴと対をなすサブＦＥＴをオフ状態にする。その後、ステップＳ３０ａへ進んで、縮退モードによるモータ駆動を開始する。この縮退モードにも、部分縮退モードと全縮退モードがある。これらについては、図４のステップＳ１７ａで説明したので、ここでは説明を省略する。ステップＳ３０ａでは、部分縮退モードと全縮退モードのいずれを採用してもよい。

縮退モードでは、前述のとおり、短絡故障が発生した異常相または異常箇所を切り離し、残りのスイッチング素子を通常モードの場合と同様に動作させることによって、モータＭを２相で駆動することができる。

断線故障が発生している場合は、ステップＳ２５において、断線故障の発生および断線故障した相または箇所を報知するための警報を出力する。この警報に基づいて、たとえば警報ランプ（図示省略）が点灯する。その後、ステップＳ２６に進んで、図４のステップＳ９と同様の処理を行った後、ステップＳ２７で、図４のステップＳ１０と同様の縮退モードによるモータ駆動を開始する。

図１２は、動作中診断結果に基づく処理手順の他の例を示すフローチャートである。図１２において、図１１と同じ処理を行うステップには、同一符号を付してある。図１２では、図１１のステップＳ２９ａ、Ｓ３０ａが、ステップＳ２９ｂ、Ｓ３０ｂに置き換わっている。

短絡故障が発生した場合、ステップＳ２９ｂにおいて、メインＦＥＴの駆動を、ＰＷＭ駆動から常時オン駆動へ切り替える。すなわち、メインＦＥＴのゲートに連続したＨレベル信号を印加することにより、メインＦＥＴを常時オンの状態にする。その後、ステップＳ３０ｂへ進んで、代替モードによるモータ駆動を開始する。代替モードでは、図５のステップＳ１７ｂの場合と同様に、短絡故障したメインＦＥＴが常時オン状態となり、短絡故障していないサブＦＥＴがＰＷＭ信号でオン・オフすることで、モータＭは３相で駆動される。

図１３は、モータＭの駆動状態で短絡故障が発生した場合の、インバータ回路３の動作の一例を示したタイミングチャートである。時刻ｔ１〜ｔ２の間は、通常モードによる動作が行われている。そして、時刻ｔ２において、図１３（ｂ）に示すように、ある相の上段（上アーム）のメインＦＥＴに短絡（ショート）故障が発生したとする。この場合、短絡故障したＦＥＴは、図１３（ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号によるオン・オフ動作から、オンに固定された状態へ切り替わる。

一方、短絡故障が検出されたことに基づいて、図１３（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）に示すように、異常相の上段サブＦＥＴ、下段メインＦＥＴ、および下段サブＦＥＴが、時刻ｔ３でオフになる（ｔ２〜ｔ３間の時間τは、ＣＰＵ１の処理に要する時間である）。これにより、異常相が切り離され、時刻ｔ３〜ｔ４の間は、全縮退モード（たとえば図１４（ｂ））の動作となる。

その後、時刻ｔ４でイグニッションスイッチ（図示省略）がオフされると、図１３（ａ）、（ｃ）〜（ｈ）に示すように、短絡故障している異常相の上段メインＦＥＴを除く、全てのメインＦＥＴおよびサブＦＥＴがオフとなる。その後、時刻ｔ５で、上位装置（図示省略）からＣＰＵ１へ再始動の指令が与えられると、ＣＰＵ１は、他に異常がないか否かについて、時刻ｔ５〜ｔ６の間で詳細な診断を行う。この診断は、初期診断と同様の手順に従って行われる。そして、診断の結果、他に異常がないと判断すれば、時刻ｔ６で代替モード（たとえば図１５）によるモータ駆動を開始する。

時刻ｔ６以降の代替モードでは、正常相の全てのメインＦＥＴおよびサブＦＥＴと、異常相の下段のメインＦＥＴおよびサブＦＥＴについては、図１３（ａ）、（ｃ）、（ｅ）〜（ｈ）に示すように、短絡故障発生前と同じ動作が再開される。一方、異常相の上段のメインＦＥＴおよびサブＦＥＴについては、図１３（ｂ）、（ｄ）に示すように、短絡故障発生前と動作が入れ替わる。

以上述べたように、本実施形態では、上アームと下アームのそれぞれにおいて、常時オン状態となる第１スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５…（サブＦＥＴ）と、ＰＷＭ信号によりオン・オフする第２スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６…（メインＦＥＴ）とを、各素子のダイオードＤｎ（ｎ＝１、３、５…）、Ｄｍ（ｍ＝２、４、６…）が電源Ｂに対して共に逆方向となるように、直列に接続している。

第１スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５…と第２スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６…を上記のように接続すると、初期診断時に、上下アームの４個のスイッチング素子を順次オンさせてゆくことで、各素子毎に個別に短絡故障の有無を診断することができ、短絡故障した素子の特定が可能となる（図３参照）。このため、ＰＷＭ駆動用の第２スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６…が短絡故障した場合に、これと対をなす常時オン用の第１スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５…をオフにすることで、短絡故障の発生したアームにモータＭから回生電流が流れないようにすることができる。したがって、インバータ回路３とモータＭとの間に、特許文献１のような電流遮断回路（フェールセーフ回路）を設ける必要がなくなり、当該電流遮断回路のスイッチング素子を、インバータ回路３のスイッチング素子で兼用することができる。この結果、スイッチング素子の二重化による高い信頼性を維持しつつ、回路構成を簡略化することができる。

本発明では、上述した実施形態以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。

前記実施形態では、図１３において、短絡故障が検出された後に、異常相を切り離す全縮退モードへ移行したが、これに代えて、異常箇所だけを切り離す部分縮退モードへ移行してもよい。また、図１３では、短絡故障が検出された後に、縮退モードを経て全てのスイッチング素子を一旦オフにし、その後、代替モードで動作を再開したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、短絡故障が検出された後、縮退モードやスイッチング素子のオフを省略して、すみやかに代替モードへ移行してもよい。さらに、代替モードで動作を再開するのではなく、縮退モードで動作を再開してもよい。

前記実施形態では、インバータ回路３とグランドＧとの間に、各相ごとのシャント抵抗Ｒｓを設けたが、図１６に示すモータ駆動装置２００のように、インバータ回路３とグランドＧとの間に、単一のシャント抵抗Ｒｓを設けてもよい。

前記実施形態では、ＣＰＵ１に故障検出機能を持たせたが、ドライバ２に故障検出機能を持たせてもよい。たとえば、図１７に示すモータ駆動装置３００のように、ドライバ２’に、上段の短絡故障および断線故障を検出する上段故障検出回路２１と、下段の短絡故障および断線故障を検出する下段故障検出回路２２とを設けてもよい。

前記実施形態では、インバータ回路３のスイッチング素子として、寄生ダイオードを有するＦＥＴを用いたが、ＦＥＴに代えてトランジスタを用い、各トランジスタに、電源に対して逆方向となるダイオードを並列接続してもよい。また、スイッチング素子として、ＦＥＴやトランジスタ以外に、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などを用いることも可能である。

前記実施形態では、インバータ回路３のスイッチング素子としてｎチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いたが、これに代えて、ｐチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いてもよい。この場合は、上段のＦＥＴのゲートに高い電圧を印加するための昇圧回路（図示省略）が不要となる。

前記実施形態では、逆接保護回路６の開閉素子としてリレーを例に挙げたが、リレーに代えてＦＥＴやトランジスタを用いてもよい。また、開閉素子に代えて、ダイオードを用いることも可能である。

前記実施形態では、モータＭとして３相モータを例に挙げたが、本発明は、２相モータや４相以上の多相モータを駆動する装置にも適用することができる。また、前記実施形態では、モータＭとして直流モータを例に挙げたが、本発明は、交流モータを駆動する装置にも適用することができる。

前記実施形態では、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動装置に本発明を適用した例を挙げたが、本発明は、車両用以外のモータ駆動装置にも適用することができる。さらに、前記実施形態では、負荷としてモータＭを例に挙げたが、本発明は、モータ以外の負荷を駆動する装置にも適用することができる。

１ ＣＰＵ
２ ドライバ
３ インバータ回路
４ 電流検出回路
５ 電圧検出回路
６ 逆接保護回路
１０ 制御部
１１ 故障診断部
１２ モータ電流算出部
１３ モータ端子電圧算出部
１００、２００、３００ モータ駆動装置（負荷駆動装置）
ａ１、ｂ１、ｃ１ 上アーム
ａ２、ｂ２、ｃ２ 下アーム
Ｄ１〜Ｄ１２ ダイオード
Ｑ１〜Ｑ１２ スイッチング素子
Ｂ 電源
Ｇ グランド
Ｍ モータ（負荷）

Claims (4)

1. 電源とグランドとの間に上下一対のアームが相数だけ設けられ、各相の上アームと下アームのそれぞれに２個の直列接続されたスイッチング素子を有し、各スイッチング素子のオン・オフに基づいて負荷に電流を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路の各スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部と、を備えた負荷駆動装置において、
   前記２個の直列接続されたスイッチング素子は、
   前記電源に対して逆方向となるようにダイオードが並列接続され、負荷の駆動中に常時オンとなる第１スイッチング素子と、
   前記電源に対して逆方向となるようにダイオードが並列接続され、負荷の駆動中にオン・オフする第２スイッチング素子と、からなることを特徴とする負荷駆動装置。
2. 請求項１に記載の負荷駆動装置において、
   前記電源は直流電源であり、
   前記インバータ回路に対して前記電源が逆極性に接続されたときに、前記インバータ回路に過電流が流れないようにするための逆接保護回路を、前記インバータ回路と前記電源との間に設けた、ことを特徴とする負荷駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の負荷駆動装置において、
   前記制御部は、
   前記負荷が駆動される前の初期診断時に、各相毎に、前記上下アームに設けられた各スイッチング素子を、タイミングをずらせて一定時間だけ順次オンさせ、
   前記各スイッチング素子のオン区間で、前記負荷の端子電圧をそれぞれ測定し、
   前記端子電圧に基づいて、各スイッチング素子の短絡故障の有無を診断する、ことを特徴とする負荷駆動装置。
4. 請求項３に記載の負荷駆動装置において、
   前記制御部は、さらに、
   前記初期診断時に、各相毎に、前記上アームの第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を、各素子が同時に一定時間だけオンするように駆動するとともに、これと異なるタイミングで、前記下アームの第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を、各素子が同時に一定時間だけオンするように駆動し、
   前記上アームの各スイッチング素子の同時オン区間と、前記下アームの各スイッチング素子の同時オン区間で、前記負荷の端子電圧をそれぞれ測定し、
   前記端子電圧に基づいて、上アームと下アームの断線故障の有無を診断する、ことを特徴とする負荷駆動装置。

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