JP2016165199A - インバータの故障診断装置及び故障診断方法 - Google Patents

インバータの故障診断装置及び故障診断方法 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータを介した過大な短絡電流を抑制する。
【解決手段】上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗと下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗとで各相に上下アームを構成して３相モータ１０を駆動するインバータ３０の故障診断を行う。複数の第１抵抗Ｒ１の一端を互いに接続した接続点Ｎを第２抵抗Ｒ２を介してグランドと接続し、他端をそれぞれ上下アーム間Ａ，Ｂ，Ｃに一対一で接続してなる回路から接続点Ｎの電圧を入力する制御器７０が、電源と上アームとの間の正極母線２４ｐに設けられた第１スイッチＳＷ１をオフにし、第１スイッチＳＷ１と並列かつ第３抵抗Ｒ３と直列に設けられた第２スイッチＳＷ２をオンにし、電源と接続点Ｎとの間で第４抵抗Ｒ４と直列に設けられた第３スイッチＳＷ３をオンにし、スイッチング素子を所定のパターンでオン・オフ設定したときの接続点Ｎの電圧に基づいて故障診断を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動するインバータに故障が発生しているか否かを診断する、インバータの故障診断装置及び故障診断方法に関する。
従来のインバータの故障診断装置及び故障診断方法として、インバータのスイッチング素子をＰＷＭ駆動したときに、モータの中性点に対応する仮想中性点の電圧として、インバータの各相の出力電圧を合成して得られた合成電圧に基づいて、インバータの故障を診断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような技術では、インバータの各相の出力電圧が矩形波状になるため、合成電圧の信号を遮断周波数がＰＷＭ搬送波周波数よりも低い低域通過特性を有するフィルタに通すことで、合成電圧の信号から直流成分を抽出し、この直流成分の値を用いてインバータに故障が発生しているか否かを診断するようにしている。
特開２００６−８１３２７号公報
しかしながら、フィルタを通過した合成電圧の信号レベルがある程度収束するまでに時間的遅延が生じてしまう。したがって、上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子のいずれにもオン固着が発生している場合には、少なくともインバータに故障が発生していると診断されるまで、インバータを通して電源とグランドとの間に過大な短絡電流が発生することが予想されるため、インバータ全体について２次故障を誘発するおそれがある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、インバータの故障を診断する際に、電源とグランドとの間にインバータを介した過大な短絡電流が発生することを抑制した、インバータの故障診断装置及び故障診断方法を提供することを目的とする。
このため、本発明に係るインバータの故障診断装置では、直列に接続された一対のスイッチング素子が各相で上下アームを構成して３相モータを駆動するインバータについて故障が発生しているか否かを診断することを前提として、複数の第１抵抗の一端を互いに接続してその接続点を第２抵抗を介してグランドと接続するとともに、複数の第１抵抗の他端をそれぞれ各相の上下アーム間に一対一で接続して、接続点の電圧を検出するように構成された電圧検出回路と、電源と上アーム側スイッチング素子とを接続する正極母線に設けられた第１スイッチと、第１スイッチと並列に、かつ、第３抵抗と直列に設けられた第２スイッチと、電源と接続点との間で第４抵抗と直列に設けられた第３スイッチと、上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子、並びに第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチのオン・オフを制御するように構成され、かつ、接続点と電気的に接続された制御部と、を有している。
また、本発明に係るインバータの故障診断方法では、直列に接続された一対のスイッチング素子が各相で上下アームを構成して３相モータを駆動するインバータについて故障が発生しているか否かを診断することを前提として、複数の第１抵抗の一端を互いに接続してその接続点を第２抵抗を介してグランドと接続するとともに、複数の第１抵抗の他端をそれぞれ各相の上下アーム間に一対一で接続してなる回路から、接続点の電圧を入力する制御部が、電源と上アーム側スイッチング素子とを接続する正極母線に設けられた第１スイッチをオフにし、第１スイッチと並列に、かつ、第３抵抗と直列に設けられた第２スイッチをオンにし、電源と接続点との間で第４抵抗と直列に設けられた第３スイッチをオンにし、そして、上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子を所定のパターンでオン又はオフとなるように制御したときの接続点の電圧に基づいて、インバータが故障しているか否かを診断している。
本発明に係るインバータの故障診断装置及び故障診断方法によれば、インバータの故障を診断する際に、電源とグランドとの間にインバータを介した過大な短絡電流が発生することを抑制できる。
本発明の実施形態によるインバータの故障診断装置を適用した、ブラシレスモータの駆動制御装置の例示的な回路構成図である。 上述の駆動制御装置におけるスイッチ設定を示す一覧図である。 上述の駆動制御装置における制御器の機能を示す機能ブロック図である。 上述の制御器におけるインバータ故障診断処理を示すフローチャートである。 上述のインバータ故障診断処理の第１故障診断におけるスイッチング素子のオン・オフ設定を示す一覧図である。 上述のインバータ故障診断処理の第２故障診断におけるスイッチング素子のオン・オフ設定を示す一覧図である。 上述のインバータ故障診断処理の第３故障診断におけるスイッチング素子のオン・オフ設定を示す一覧図である。
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるインバータの故障診断装置を適用した、ブラシレスモータの駆動制御装置の例示的な回路構成図である。
ブラシレスモータ１０は、３相の直流同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを、図示省略した円筒状のステータ（固定子）に備え、各相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの一端を互いに接続して中性点Ｎ０が形成されたスター結線を構成している。また、ステータの中央部に形成した空間に図示省略したロータ（永久磁石回転子）を回転可能に備えている。
ブラシレスモータ１０は、本実施形態において、ボールねじを用いて直接ブレーキマスタシリンダーに油圧を発生させる車載用電動ブレーキの電動アクチュエータに適用されることを前提としているが、適用例はこれに限られず、例えば、ＶＴＣ（Valve Timing Control）、ＶＣＲ（Variable Compression Ratio）、電動オイルポンプ、電動ウォータポンプ、電動パワーステアリング、ラジエータファンなど、あらゆる車載システムの電動アクチュエータに適用することができる。
ブラシレスモータ１０の３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの他端と、それぞれ端子２２ｕ，２２ｖ，２２ｗで電気的に、かつ、着脱可能に接続される駆動制御装置２０には、ブラシレスモータ１０を駆動する駆動回路を有するインバータ３０と、ブラシレスモータ１０に流れる電流を検出する電流センサ４０と、ロータの磁極位置を検出する磁極位置検出センサ５０と、ブラシレスモータ１０の中性点Ｎ０に対応する仮想中性点Ｎの電圧を検出するための電圧検出回路６０と、第１スイッチＳＷ１と、第２スイッチＳＷ２と、第３スイッチＳＷ３と、インバータ３０を制御する制御器７０と、が含まれる。
インバータ３０は、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが３相ブリッジ接続されたスイッチング素子群を有し、このスイッチング素子群には、電源８０から電圧Ｖｃｃが供給されている。より詳しくは、インバータ３０は、直列に接続された一対のスイッチング素子３２ｕ，３４ｕがＵ相で上下アームを構成し、直列に接続された一対のスイッチング素子３２ｖ，３４ｖがＶ相で上下アームを構成し、直列に接続された一対のスイッチング素子３２ｗ，３４ｗがＷ相で上下アームを構成してなる。上アームは、高電位側である上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗで構成され、下アームは、低電位側である下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗで構成されている。そして、Ｕ相の上下アーム間のＡ点が端子２２ｕと接続され、Ｖ相の上下アーム間のＢ点が端子２２ｖと接続され、Ｗ相の上下アーム間のＣ点が端子２２ｗと接続されている。
インバータ３０において、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗは、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又はバイポーラトランジスタなど、スイッチ動作を行わせることができる半導体素子で構成され、それぞれ、逆起電力によるサージ電流を還流するために逆並列に接続されたダイオード３２ｕｄ，３２ｖｄ，３２ｗｄ，３４ｕｄ，３４ｖｄ，３４ｗｄを含む。スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗの制御端子（ゲート端子）は制御器７０に接続され、後述のように、制御器７０からゲート制御信号を入力することでオン・オフが制御されるように構成されている。
電流センサ４０は、インバータ３０と電源８０とを結ぶ正極母線２４ｐ及び負極母線２４ｎのうち、低電位側の負極母線２４ｎに抵抗器を直列に設けてブラシレスモータ１０に流れる電流を検出するシャント抵抗式センサであり、電流センサ４０の両端と制御器７０とが電気的に接続されている。
磁極位置検出センサ５０は、レゾルバ、ホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗素子、ロータリーエンコーダなど、接触式又は非接触式を問わず、様々なセンサを用いることが可能であり、ブラシレスモータ１０の回転するロータの磁極位置に応じた磁極位置検出信号を制御器７０へ出力する。
電圧検出回路６０は、複数の第１抵抗Ｒ１の一端を互いに接続して、その接続点Ｎを、第２抵抗Ｒ２を介してグランドと接続するとともに、複数の第１抵抗Ｒ１の他端を、それぞれ、Ｕ相の上下アーム間のＡ点、Ｖ相の上下アーム間のＢ点及びＷ相の上下アーム間のＣ点に一対一で接続してなる。電圧検出回路６０は、接続点Ｎの電圧をブラシレスモータ１０の中性点Ｎ０に対応する仮想中性点Ｎの電圧として、この仮想中性点Ｎの電圧を検出できるように構成されている。第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２は、それぞれ、電流センサ４０と比較すると、十分大きな抵抗値を有している。
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３は、外部からの信号に基づいてオン・オフのいずれか一方に制御されるように構成された、トランジスタや電磁リレーなどのスイッチング素子である。
第１スイッチＳＷ１は、インバータ３０と電源８０とを結ぶ正極母線２４ｐ及び負極母線２４ｎのうち、高電位側の正極母線２４ｐに設けられ、第２スイッチＳＷ２は、正極母線２４ｐと並列にインバータ３０と電源８０とを結ぶラインで、第１スイッチＳＷ１と並列に、かつ、第３抵抗Ｒ３と直列に設けられ、第３スイッチＳＷ３は、電源８０と仮想中性点Ｎとの間で第４抵抗Ｒ４と直列に設けられている。
第３抵抗Ｒ３及び第４抵抗Ｒ４は、それぞれ、電流センサ４０と比較すると、十分大きな抵抗値を有している。特に、第３抵抗Ｒ３は、上下アーム両方にオン固着が発生し、電源８０とグランドとの間に第２スイッチＳＷ２及びインバータ３０を介した過大な短絡電流が発生した場合でも、インバータ３０の過熱による２次故障を抑制できる程度に、インバータ３０の印加電圧をＶｃｃから降下させる抵抗値を有している。
制御器７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを含むマイクロコンピュータを有し、電流センサ４０の両端における電圧、磁極位置検出センサ５０からの磁極位置信号、電圧検出回路６０の仮想中性点Ｎの電圧、さらに、例えば、電動ブレーキシステムにおける上位の制御装置など、外部の制御装置９０から出力されたブラシレスモータ１０に対する駆動要求信号を入力し、これらに基づいて、インバータ３０のスイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに対して、これらをオン・オフさせるためのゲート制御信号を個別に出力するとともに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３に対して、これらをオン・オフさせるための設定信号を個別に出力する。これにより、制御器７０は、通常時、ブラシレスモータ１０のロータを回転駆動させるための制御を行う一方、所定のタイミングでインバータ３０に故障が発生しているか否かを診断する、駆動制御装置２０の制御部をなす。
図２は、制御器７０の機能を示す機能ブロック図である。
制御器７０は、電流演算部７０ａ、目標電流演算部７０ｂ、デューティ演算部７０ｃ、磁極位置演算部７０ｄ、通電モード設定部７０ｅ、ゲート制御信号生成部７０ｆ、仮想中性点電圧演算部７０ｇ、故障診断部７０ｈ、及び、スイッチ設定部７０ｉで示される機能を有している。
電流演算部７０ａは、電流センサ４０の両端における電圧（電流検出信号）をそれぞれＡ／Ｄ変換して両電圧間の電位差を算出し、この電位差と電流センサ４０の既知の抵抗値とからブラシレスモータ１０に実際に流れる電流である実電流値を算出する。なお、電流センサ４０の両端の電圧は差動増幅器を介して求められた電位差を電流演算部７０ａに入力してもよい。
目標電流演算部７０ｂは、外部の制御装置９０から、例えば、ブレーキペダルの踏力に対して必要とされるブラシレスモータ１０の要求トルクなど、ブラシレスモータ１０に対する要求出力についての駆動要求信号を入力し、この駆動要求信号に基づいて、ブラシレスモータ１０に供給する電流の目標値である目標電流値を算出する。
デューティ演算部７０ｃは、実電流値と目標電流値との偏差に基づいて、ゲート制御信号生成部７０ｆにおいてゲート制御信号を生成するために行うＰＷＭ（Pulse Width Modulation）動作のデューティ（％）を演算する。デューティは、例えば、実電流値と目標電流値との偏差に基づく比例積分制御（ＰＩ制御）により、下式に従って演算することができる。
電流偏差ΔＩ＝目標電流値−実電流値
デューティ＝（ΔＩ×比例ゲイン＋ΔＩの積分値×積分ゲイン）／電源電圧×１００
なお、デューティの演算処理を比例積分制御に限定するものではなく、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）など公知の演算処理方法を適宜採用可能である。
磁極位置演算部７０ｄは、入力した磁極位置検出信号に基づいて、ロータの磁極角度（磁極位置）を算出する。
通電モード設定部７０ｅは、磁極位置演算部７０ｄで算出されたロータの磁極角度に基づいて、通電モードを設定する。
通電モードとは、ブラシレスモータ１０のＵ相コイル１０ｕ、Ｖ相コイル１０ｖ、Ｗ相コイル１０ｗの３相のコイルのうち通電する２相の選択パターンを示し、Ｕ相からＶ相に向けて電流を流す第１通電モード、Ｕ相からＷ相に向けて電流を流す第２通電モード、Ｖ相からＷ相に向けて電流を流す第３通電モード、Ｖ相からＵ相に向けて電流を流す第４通電モード、Ｗ相からＵ相に向けて電流を流す第５通電モード、Ｗ相からＶ相に向けて電流を流す第６通電モードの６種類の通電モードからなる。
ゲート制御信号生成部７０ｆは、デューティ演算部７０ｃにより算出されたデューティと通電モード設定部７０ｅにより設定された通電モードとに基づいて、あるいは、故障診断部７０ｈからの指示に基づいて、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのゲート制御信号を生成し、これをスイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗへ出力するように構成されている。
仮想中性点電圧演算部７０ｇは、電圧検出回路６０の仮想中性点Ｎから入力した電圧をＡ／Ｄ変換してデジタル値として算出する。
故障診断部７０ｈは、仮想中性点電圧演算部７０ｇで算出された仮想中性点Ｎの電圧値に基づいて、インバータ３０に故障が発生しているか否かを診断する故障診断処理を実行する。故障診断処理は、主に、第１診断、第２診断及び第３診断から構成されている。
スイッチ設定部７０ｉは、故障診断部７０ｈからの指示に基づいて、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３のオン・オフ設定を、インバータ３０の故障診断を実施しない通常時とインバータ３０の故障診断処理を実行する故障診断時とで切り替えるように構成されている。
具体的には、スイッチ設定部７０ｉは、図３に示すように、インバータ３０の故障診断を実施しない通常時には、第１スイッチＳＷ１をオン（ＯＮ）にし、かつ、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３をオフ（ＯＦＦ）にする設定信号を出力するように構成されている（図１のＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３参照）。これにより、通常時には、電源８０からインバータ３０へ正極母線２４ｐを介して電流が流れるようにするとともに、ブラシレスモータ１０の駆動制御を妨げないようにしている。一方、インバータ３０の故障診断処理を実行する故障診断時には、スイッチ設定部７０ｉは、第１スイッチＳＷ１をオフにし、かつ、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３をオンにする設定信号を出力するように構成されている。
なお、インバータ３０の故障診断装置は、電圧検出回路６０、制御器７０、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２とこれに直列に接続された第３抵抗Ｒ３、及び、第３スイッチＳＷ３とこれに直列に接続された第４抵抗Ｒ４により構成され、制御器７０の各部は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに読み出して実行することで具現化される。
図４は、制御器７０において、イグニッションキーのオンを契機として、車両の運転状態に応じて適宜実行される、インバータ３０の故障診断処理を示すフローチャートである。
ステップ１０１（図中、「Ｓ１０１」と略記する。以下、同様）では、インバータ３０の故障診断処理を実行するために、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３のオン・オフ設定を切り替える。具体的には、例えば、故障診断部７０ｈが、イグニッションキーがオフからオン状態に変化したことを検知して、スイッチ設定部７０ｉに対して故障診断時のスイッチ設定に切り替えるよう指示し、これにより、スイッチ設定部７０ｉが、図３に示すように、第１スイッチＳＷ１をオフにし、かつ、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３をオンにする設定信号を出力する。
ステップ１０２では、第１診断を実施するためにスイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのオン・オフ設定を行う（第１診断設定）。
第１診断は、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのいずれかにオン固着が発生しているか否か、すなわち、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが正常にオフするか否かを診断するものである。
したがって、第１診断設定では、図５に示すように、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに対するゲート制御信号を全てオフにする。具体的には、例えば、デューティ演算部７０ｃによりデューティが算出され、通電モード設定部７０ｅにより通電モードが設定されているとしても、故障診断部７０ｈが、ゲート制御信号生成部７０ｆに対して、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに対するゲート制御信号を全て強制的にオフにするように指示する。
そして、第１診断設定の下、仮想中性点電圧演算部７０ｇで算出された仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎを、ＲＡＭ等の書き込み可能なメモリに保存する。
ステップ１０３では、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオン固着が発生しているか否かを診断する。
具体的には、故障診断部７０ｈは、第１診断設定の下、仮想中性点電圧演算部７０ｇで算出され保存された仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎと、ＲＯＭ等のメモリに予め保存された閾値と、の比較に基づいて、オン固着が発生しているか否かを診断する。
故障診断処理における第１診断設定の下では、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオン固着が発生していない場合、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を介してインバータ３０さらには第２抵抗Ｒ２へ電流が流れないようになっている。このため、第２抵抗Ｒ２には、第３スイッチＳＷ３から第４抵抗Ｒ４を通って電流が流入するので、仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎは、第４抵抗Ｒ４及び第２抵抗Ｒ２の抵抗値をそれぞれＲ２及びＲ４とすると、電源８０の電圧Ｖｃｃを分圧した分圧値ＶR2-R4｛＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ４）｝に抵抗値Ｒ２及びＲ４のばらつき等の誤差（±α）を考慮した所定範囲に含まれると予想される。
しかし、故障診断処理における第１診断設定の下で、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオン固着が発生している場合、第２抵抗Ｒ２には、第３スイッチＳＷ３のみならず第２スイッチＳＷ２を介した電流が流入するので、仮想中性点Ｎの電圧Ｖｎは上昇する。一方、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオン固着が発生している場合、第３スイッチＳＷ３を介して第４抵抗Ｒ４を流れた電流は、第２抵抗Ｒ２を介してグランドへ向かうだけでなく、第１抵抗Ｒ１、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのうちオン固着が発生したもの、及び、電流センサ４０を通ってグランドへ向かい、第２抵抗Ｒ２に流入する電流が減少するため、仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎは低下する。
したがって、ステップ１０３において、故障診断処理における第１診断設定の下で、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオン固着が発生していないときに予想される仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎの所定範囲に、実際に検出・算出された仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎが含まれる場合、例えば、ＶR2-R4−α≦Ｖｎ≦ＶR2-R4＋αである場合には、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオン固着は発生していないと診断できるので、次にオフ固着の発生を診断すべく、ステップ１０４へ進む（Ｙｅｓ）。一方、仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎが第１の所定範囲に含まれない場合、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのいずれかにオン固着が発生していると診断できるので、ステップ１０９へ進み（Ｎｏ）、インバータ３０に故障が発生していると診断して故障診断処理を終了する。なお、例えば、Ｖｎ＞ＶR2-R4＋αである場合には上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオン固着が発生していると診断する一方、Ｖｎ＜ＶR2-R4−αである場合には、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオン固着が発生していると診断するように、アームの上下を区別してオン固着の発生を診断することもできる。
ここで、故障診断処理において、仮に、第１スイッチＳＷ１から正極母線２４ｐを介してインバータ３０へ電圧を印加すると、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗの上下アームのいずれにもオン固着が発生しているときには、上下アームが短絡し、電源８０とグランドとの間にインバータ３０を介して過大な電流が流れる可能性もあった。
これに対して、本実施形態の故障診断処理では、第３抵抗Ｒ３を介してインバータ３０へ電流を供給するようにしているので、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗの上下アームの両方にオン固着が発生していても、インバータ３０に印加される電圧は第３抵抗Ｒ３で適度に電圧降下させることが可能であるので、電源とグランドとの間における過大な短絡電流の発生を抑制しつつ、インバータ３０の故障診断処理を実行できる。
また、本実施形態の故障診断処理において、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗの上下アームの両方にオン固着が発生しているときには、仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎが偶然第１の所定範囲に含まれる可能性もあるので、故障診断部７０ｈにおいて電流演算部７０ａにより算出した実電流値を併せて監視することで、上下アーム両方にオン固着が発生しているか否かを診断してもよい（図２の点線矢印参照）。
ステップ１０４では、第２診断を実施するためにスイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのオン・オフ設定を行う（第２診断設定）。
第２診断は、第１診断の診断結果により、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが正常にオフすることを前提として、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生しているか否か、すなわち、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが正常にオンするか否かを診断するものである。
したがって、第２診断設定では、図６に示すように、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗに対するゲート制御信号を全て強制的にオフにした状態で、下アーム側スイッチング素子３４ｕに対するゲート制御信号のみをオンにするパターン１Ａ、下アーム側スイッチング素子３４ｖに対するゲート制御信号のみをオンにするパターン２Ａ、及び、下アーム側スイッチング素子３４ｗに対するゲート制御信号のみをオンにするパターン３Ａを任意の順番で行う。具体的には、例えば、デューティ演算部７０ｃによりデューティが算出され、通電モード設定部７０ｅにより通電モードが設定されているとしても、故障診断部７０ｈが、ゲート制御信号生成部７０ｆに対して、順次、パターン１Ａ、パターン１Ｂ及びパターン１Ｃのゲート制御信号を出力するように指示する。そして、第２診断設定の各パターンの下、仮想中性点電圧演算部７０ｇで算出された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎを順次ＲＡＭ等の書き込み可能なメモリに保存する。
ステップ１０５では、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生しているか否かを診断する。
具体的には、故障診断部７０ｈは、パターン１Ａ、パターン２Ａ及びパターン３Ａでそれぞれ保存された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎと、ＲＯＭ等のメモリに予め保存された閾値と、の比較に基づいて、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生しているか否かを診断する。
第１診断の診断結果により、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが正常にオフとなることは確認されているので、故障診断処理における第２診断設定の下では、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生している場合、第３スイッチＳＷ３から第４抵抗Ｒ４を介して流れた電流は、インバータ３０へは流入せず、第２抵抗Ｒ２を介してグランデへ流れるので、仮想中性点Ｎにおける電圧値Ｖｎは、前述の分圧値ＶR2-R4｛＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ４）｝に抵抗値Ｒ２及びＲ４のばらつき等の誤差（±α）を考慮した所定範囲に含まれると予想される。一方、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生していない場合、第３スイッチＳＷ３を介して第４抵抗Ｒ４を流れた電流は、第２抵抗Ｒ２を介してグランドへ向かうだけでなく、第４抵抗Ｒ４、第１抵抗Ｒ１、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのうちオンに設定されたもの、及び、電流センサ４０を介してグランドへ向けて流れる。このため、仮想中性点Ｎにおける電圧値Ｖｎは、前述の分圧値ＶR2-R4｛＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ４）｝に対して、電流が第２抵抗Ｒ２の他に別の経路でグランドに流出した分だけ低い電圧値となる。
したがって、ステップ１０５において、故障診断処理における第２診断設定の下で、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生しているときに予想される仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎの所定範囲に、パターン１Ａ、パターン２Ａ及びパターン３Ａでそれぞれ実際に検出された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎが含まれる場合、例えば、ＶR2-R4−α≦Ｖｎ≦ＶR2-R4＋αである場合には、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生していると診断できる。この場合、ステップ１０９へ進み（Ｎｏ）、インバータ３０に故障が発生していると診断して故障診断処理を終了する。一方、パターン１Ａ、パターン２Ａ及びパターン３Ａでそれぞれ実際に検出された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎが前述の所定範囲に含まれない場合、例えば、Ｖｎ＜ＶR2-R4−αである場合には、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生していないと診断できるので、次に上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生しているか否かを診断すべくステップ１０６へ進む（Ｙｅｓ）。
ステップ１０６では、第３診断を実施するためにスイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのオン・オフ設定を行う（第３診断設定）。
第３診断は、第１診断の診断結果により、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが正常にオフすることを前提として、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生しているか否か、すなわち、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗが正常にオンするか否かを診断するものである。
したがって、第３診断設定では、図７に示すように、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに対するゲート制御信号を全て強制的にオフにした状態で、上アーム側スイッチング素子３２ｕに対するゲート制御信号のみをオンにするパターン１Ｂ、上アーム側スイッチング素子３２ｖに対するゲート制御信号のみをオンにするパターン２Ｂ、及び、上アーム側スイッチング素子３２ｗに対するゲート制御信号のみをオンにするパターン３Ｂを任意の順番で行う。具体的には、例えば、デューティ演算部７０ｃによりデューティが算出され、通電モード設定部７０ｅにより通電モードが設定されているとしても、故障診断部７０ｈが、ゲート制御信号生成部７０ｆに対して、順次、パターン１Ａ、パターン１Ｂ及びパターン１Ｃのゲート制御信号を出力するように指示する。そして、第３診断設定の各パターンの下、仮想中性点電圧演算部７０ｇで算出された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎを順次ＲＡＭ等の書き込み可能なメモリに保存する。
ステップ１０７では、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生しているか否かを診断する。
具体的には、故障診断部７０ｈは、パターン１Ｂ、パターン２Ｂ及びパターン３Ｂでそれぞれ保存された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎと、ＲＯＭ等のメモリに予め保存された閾値と、の比較に基づいて、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生しているか否かを診断する。
第１診断の診断結果により、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが正常にオフとなることは確認されているので、故障診断処理における第３診断設定の下では、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生している場合、電流は上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗを通って第２抵抗Ｒ２へ流れず、第２抵抗Ｒ２には、第３スイッチＳＷ３を介して第４抵抗を流れた電流が流入する。このため、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生している場合には、仮想中性点Ｎにおける電圧Ｖｎは、前述の分圧値ＶR2-R4｛＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ４）｝に抵抗値Ｒ２及びＲ４のばらつき等の誤差（±α）を考慮した所定範囲に含まれると予想される。一方、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生していない場合、第２抵抗Ｒ２には、第２スイッチＳＷ２から上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗのうちオンに設定されたものを通って流入する電流と、第３スイッチＳＷ３から第４抵抗Ｒ４を介して流入する電流と、２つの電流が合流するので、仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎは、前述の分圧値ＶR2-R4｛＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ４）｝に対して上昇する。
したがって、ステップ１０７において、故障診断処理における第３診断設定の下で、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生しているときに予想される仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎの所定範囲に、パターン１Ｂ、パターン２Ｂ及びパターン３Ｂでそれぞれ実際に検出された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎが含まれる場合、例えば、ＶR2-R4−α≦Ｖｎ≦ＶR2-R4＋αである場合には、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生していると診断できる。この場合、ステップ１０９へ進み（Ｎｏ）、インバータ３０に故障が発生していると診断して故障診断処理を終了する。一方、パターン１Ｂ、パターン２Ｂ及びパターン３Ｂでそれぞれ実際に検出された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎが前述の所定範囲に含まれない場合、例えば、Ｖｎ＞ＶR2-R4＋αである場合には、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生していないと診断できるので、ステップ１０８へ進み（Ｙｅｓ）、第１診断、第２診断及び第３診断の診断結果に基づいて、総合的に、インバータ３０に故障が発生していないと診断し、故障診断処理を終了する。
このようなインバータ３０の故障診断装置及び故障診断方法によれば、前述のように、故障診断処理において、第１スイッチＳＷ１から正極母線２４ｐを介してインバータ３０へ電流を供給せずに、第２スイッチＳＷ２から第３抵抗Ｒ３を介してインバータ３０へ電流を供給しているので、上下アーム両方にオン固着が発生し、第２スイッチＳＷ２を介した電源８０とグランドとの間に過大な短絡電流が発生した場合であっても、インバータ３０に印加される電圧は、第３抵抗Ｒ３により、インバータ３０の過熱による２次故障を抑制できる程度まで降下させることができる。したがって、本実施形態によるインバータ３０の故障診断装置及び故障診断方法によれば、インバータ３０を介した電源８０とグランドとの間における過大な短絡電流の発生を抑制しつつ、インバータ３０の故障診断処理を実行できる。
また、インバータ３０の故障診断装置及び故障診断方法によれば、第１診断でスイッチング素子にオン固着が発生していないことが確認されているので、第２診断及び第３診断では、上下アーム両方がオンとなることはなく、インバータ３０を介した電源８０とグランドとの間における過大な短絡電流の発生を抑制しつつ、インバータ３０の故障診断処理を実行することができる。
なお、前述の実施形態において、第２診断及び第３診断では、各パターンの下、それぞれ保存された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎと、ＲＯＭ等のメモリに予め保存された閾値と、の比較に基づいて、スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生しているか否かを診断していたが、これに替えて、ステップ１０５及びステップ１０７を以下のようにすることができる。すなわち、ステップ１０５では、第２診断設定の各パターンで保存された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎが、第１診断設定で保存された仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎと比較して殆ど変化しない場合には、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生していると診断する一方、変化している場合には、下アーム側スイッチング素子３４ｕ，３４ｖ，３４ｗにオフ固着が発生していないと診断してもよい。また、ステップ１０７では、第３診断設定の各パターンで保存された仮想中性点Ｎの各電圧値Ｖｎが、第１診断設定で保存された仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎと比較して殆ど変化しない場合、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生していると診断する一方、変化していない場合には、上アーム側スイッチング素子３２ｕ，３２ｖ，３２ｗにオフ固着が発生していないと診断してもよい。
前述の実施形態において、故障診断処理は、第１診断、第２診断、第３診断の順番で実行するようにしていたが、これに限定されず、第２診断と第３診断の前後を入れ替えて、第１診断、第３診断、第２診断の順番で実行するようにしてもよい。
前述の実施形態において、インバータ３０が端子２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを介してブラシレスモータ１０に電気的に接続された状態で故障診断処理を実行していた。しかし、第１診断でオン固着が発生していないときに予想される仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎ、第２診断で下アームにオフ固着が発生しているときに予想される仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎ、及び、第３診断で上アームにオフ固着が発生しているときに予想される仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎは、インバータ３０とブラシレスモータ１０とが接続されているか否かによって殆ど変化しないので、インバータ３０からブラシレスモータ１０を電気的に分離した状態で故障診断処理を実行することもできる。
前述の実施形態において、故障診断処理は、車載電動ブレーキの動作を妨げないように、イグニッションキーのオンを契機として、車両の運転状態に応じて適宜実行されるものとして説明したが、ブラシレスモータ１０が適用される車載システムに応じて、様々なタイミングで実行することができる。ブラシレスモータ１０が電動ウォータポンプの駆動源として適用される場合には、例えば、エンジンの冷却水温が目標値よりも低いときなど、電動ウォータポンプの動作が要求されていないときに故障診断処理を実行するようにしてもよい。さらに、ブラシレスモータ１０とインバータ３０とが電気的に分離した状態である場合には、適用する車載システムを考慮せずに、任意のタイミングで故障診断処理を実行してもよい。
前述の実施形態において、ロータの磁極位置を磁極位置検出センサ５０により検出していたが、ブラシレスモータ１０が適用される車載システムに応じて、磁極位置検出センサ５０を用いずにセンサレス駆動を行うことができる。例えば、ブラシレスモータ１０が電動ウォータポンプの駆動源に適用される場合には、電圧検出回路６０から検出・算出された仮想中性点Ｎの電圧値Ｖｎが０ボルトになったときを通電モードの切り替えタイミングとしてもよい。
１０…ブラシレスモータ、１０ｕ…Ｕ相コイル、１０ｖ…Ｖ相コイル、１０ｗ…Ｗ相コイル、２０…駆動制御装置、２４ｐ…正極母線、２４ｎ…負極母線、３０…インバータ、３２ｕ，３２ｖ，３２ｗ…上アーム側スイッチング素子、３４ｕ，３４ｖ，３４ｗ…下アーム側スイッチング素子、４０…電流センサ、６０…電圧検出回路、７０…制御器、７０ｄ…電流演算部、７０ｆ…ゲート制御信号生成部、７０ｇ…仮想中性点電圧演算部、７０ｈ…故障診断部、７０ｉ…スイッチ設定部、８０…電源、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、Ｒ１…第１抵抗、Ｒ２…第２抵抗、Ｒ３…第３抵抗、Ｒ４…第４抵抗、Ｎ…仮想中性点

Claims (11)

  1. 直列に接続された一対のスイッチング素子が各相で上下アームを構成して３相モータを駆動するインバータについて故障が発生しているか否かを診断する、インバータの故障診断装置であって、
    複数の第１抵抗の一端を互いに接続してその接続点を第２抵抗を介してグランドと接続するとともに、前記複数の第１抵抗の他端をそれぞれ各相の前記上下アーム間に一対一で接続して、前記接続点の電圧を検出するように構成された電圧検出回路と、
    電源と上アーム側スイッチング素子とを接続する正極母線に設けられた第１スイッチと、
    前記第１スイッチと並列に、かつ、第３抵抗と直列に設けられた第２スイッチと、
    前記電源と前記接続点との間で第４抵抗と直列に設けられた第３スイッチと、
    前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子、並びに前記第１スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン・オフを制御するように構成され、かつ、前記接続点と電気的に接続された制御部と、
    を含んで構成されたインバータの故障診断装置。
  2. 前記制御部は、前記電圧検出回路から検出された前記接続点の電圧に基づいて、前記インバータが故障しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のインバータの故障診断装置。
  3. 前記制御部は、前記インバータが故障しているか否かを診断する際、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチをオンにするとともに、前記第１スイッチをオフにする制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項２に記載のインバータの故障診断装置。
  4. 前記制御部は、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子を全てオフにする制御を行った場合に検出される前記接続点の電圧に基づいて、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子にオン固着が発生しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載のインバータの故障診断装置。
  5. 前記制御部は、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子にオン固着が発生していないと診断したとき、前記上アーム側スイッチング素子を全てオフにする制御を行うとともに、前記下アーム側スイッチング素子を順次１つずつオンにする制御を行った場合に検出される前記接続点の電圧に基づいて、前記下アーム側スイッチング素子にオフ固着が発生しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載のインバータの故障診断装置。
  6. 前記制御部は、前記下アーム側スイッチング素子にオフ固着が発生していないと診断したとき、前記下アーム側スイッチング素子を全てオフにする制御を行うとともに、前記上アーム側スイッチング素子を順次１つずつオンにする制御を行った場合に検出される前記接続点の電圧に基づいて、前記上アーム側スイッチング素子にオフ固着が発生しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項５に記載のインバータの故障診断装置。
  7. 前記制御部は、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子にオン固着が発生していないと診断したとき、前記下アーム側スイッチング素子を全てオフにする制御を行うとともに、前記上アーム側スイッチング素子を順次１つずつオンにする制御を行った場合に検出される前記接続点の電圧に基づいて、前記上アーム側スイッチング素子にオフ固着が発生しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載のインバータの故障診断装置。
  8. 前記制御部は、前記上アーム側スイッチング素子にオフ固着が発生していないと診断したとき、前記上アーム側スイッチング素子を全てオフにする制御を行うとともに、前記下アーム側スイッチング素子を順次１つずつオンにする制御を行った場合に検出される前記接続点の電圧に基づいて、前記下アーム側スイッチング素子にオフ固着が発生しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のインバータの故障診断装置。
  9. 前記グランドと前記上アーム側スイッチング素子とを接続する負極母線には、前記３相モータに流れる電流を検出するための電流センサがさらに設けられることを特徴とする請求項２に記載のインバータの故障診断装置。
  10. 前記制御部は、さらに、前記電流センサにより検出された電流に基づいて、前記インバータに故障が発生しているか否かを診断するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載のインバータの故障診断装置。
  11. 直列に接続された一対のスイッチング素子が各相で上下アームを構成して３相モータを駆動するインバータについて故障が発生しているか否かを診断する、インバータの故障診断方法であって、
    複数の第１抵抗の一端を互いに接続してその接続点を第２抵抗を介してグランドと接続するとともに、前記複数の第１抵抗の他端をそれぞれ各相の前記上下アーム間に一対一で接続してなる回路から、前記接続点の電圧を入力する制御部が、
    電源と上アーム側スイッチング素子とを接続する正極母線に設けられた第１スイッチをオフにし、
    前記第１スイッチと並列に、かつ、第３抵抗と直列に設けられた第２スイッチをオンにし、
    前記電源と前記接続点との間で第４抵抗と直列に設けられた第３スイッチをオンにし、
    そして、前記上アーム側スイッチング素子及び前記下アーム側スイッチング素子を所定のパターンでオン又はオフとなるように制御したときの前記接続点の電圧に基づいて、前記インバータが故障しているか否かを診断する、
    インバータの故障診断方法。
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