JP2017210936A - 電磁負荷駆動回路の故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁負荷の上流に設けられるスイッチ素子の故障を的確に診断することができる故障診断装置を提供する。【解決手段】診断ウインドウ信号生成回路３２は、ＶＨハイサイドドライバ１４をオンからオフに切り替えるＶＨハイサイドドライバ駆動信号を検出する。比較器３３は、インジェクタ２０の上流の電圧とバッテリ電圧端子１５の電圧より小さい閾値である比較電圧３０を比較する。診断部３１は、ＶＨハイサイドドライバ１４をオンからオフに切り替えるＶＨハイサイドドライバ駆動信号が検出されたときにインジェクタ２０の上流の電圧が比較電圧３０より大きい場合、ＶＢハイサイドドライバ１６が短絡故障していると診断する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁負荷駆動回路の故障診断装置に関する。

自動車、オートバイ、農耕機、工機、船舶機等に用いられるガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関には、燃費や出力向上の目的で、インジェクタ（燃料噴射弁）によって気筒内に燃料を直接噴射するものがある。

このような気筒内直接噴射型内燃機関では、従来の方式と比べ、高圧に加圧した燃料をインジェクタに供給し、高圧燃料をインジェクタより気筒内に噴射するため、インジェクタの開弁動作に、多くのエネルギ（開弁電磁力）を必要とする。このようなことから、近年、気筒内直接噴射型内燃機関に用いられるインジェクタのような電磁負荷に流す電流が増加する傾向にあり、電磁負荷を駆動するスイッチ素子を含む電磁負荷駆動回路の故障が生じ易くなっている。このため、電磁負荷駆動回路の故障診断の細分化、高精度化の需要が高くなってきている。

電磁負荷駆動回路の故障診断の第１の例として、スイッチ素子のレアショートを検出し、電磁負荷駆動回路の故障診断を的確に行うことができる故障診断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、電磁負荷駆動回路の故障診断の第２の例として、スイッチング素子のオフ時に、電磁負荷の断線故障とグランドショートとを区別して検出する異常検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開2010-062675号公報 特開2004-347423号公報

特許文献１の故障診断装置は、レアショート故障を検出するための装置であり、電源電圧端子とインジェクタの間に配置されるＶＢハイサイドドライバが短絡故障もしくは開放故障した状態の検出については示されていない。また、前記特許文献１の故障診断装置は、シャント抵抗を用いてインジェクタの電流値をモニタリングし、ＶＢハイサイドドライバがオンのタイミングで、インジェクタの電流値が所定の電流値に到達した場合にチョッピング開始し、チョッピングのオン・オフ回数と、故障診断閾値である所定回数とを比較することにより診断を行う故障診断装置である。

特許文献１の故障診断装置では、電源電圧端子の電圧が低下した場合にインジェクタの電流値が低下し、ＶＢハイサイドドライバがオンのタイミングでインジェクタの電流値が所定の電流値に到達せずにチョッピングを開始しないことから、チョッピングのオン・オフ回数が故障診断閾値よりも下回る。そのために、ＶＢハイサイドドライバが故障していないにも関わらず故障と誤診断してしまうことがある。

また、特許文献２の異常検出装置は、電磁負荷の下流に位置するローサイドドライバのＧＮＤショートもしくはオープンの異常を検出する装置であり、ハイサイドドライバの短絡故障もしくは開放故障した状態であることを検出するものではない。

このように、従来、電磁負荷の上流に設けられるドライバ（スイッチ素子）の故障を的確に認識（診断）できないという問題があった。

本発明は、前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電磁負荷の上流に設けられるスイッチ素子の故障を的確に診断することができる故障診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の電源と電磁負荷の間の経路に設けられ第１の駆動信号に応じてオン／オフする第１のスイッチ素子、及び第２の電源と前記電磁負荷の間の経路に設けられ第２の駆動信号に応じてオン／オフする第２のスイッチ素子を含む電磁負荷駆動回路の故障を診断する故障診断装置であって、前記第１のスイッチ素子をオンからオフに切り替える前記第１の駆動信号を検出する検出部と、前記電磁負荷の上流の電圧と前記第２の電源の電圧より小さい閾値とを比較する比較部と、前記第１のスイッチ素子をオンからオフに切り替える前記第１の駆動信号が検出されたときに前記電磁負荷の上流の電圧が前記閾値より大きい場合、前記第２のスイッチ素子が短絡故障していると診断する診断部と、を備える。

本発明によれば、電磁負荷の上流に設けられるスイッチ素子の故障を的確に診断することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態による電磁負荷駆動回路の故障診断装置の構成を示す詳細ブロック図である。 本発明の実施形態との比較例である電磁負荷駆動回路の構成を示すブロック図である。 図２に示す電磁負荷駆動回路の動作波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態による電磁負荷駆動回路の故障診断装置の構成を示すブロック図である。 図４に示す電磁負荷駆動回路の故障診断装置の動作波形を示すタイムチャートである。 比較電圧を出力する分圧回路の構成を示す回路図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態による電磁負荷駆動回路の故障診断装置の構成及び動作について説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。

（比較例）
初めに、図２を参照して、本発明の実施形態との比較例として、直噴用のインジェクタを駆動する電磁負荷駆動回路３００の構成を説明する。

電磁負荷（誘導負荷）の一例であるインジェクタ２０のプラス端子は、スイッチ素子であるＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４により、通常電圧（バッテリ電圧ＶＢ）の電源端子であるバッテリ電圧端子１５（ＶＢ電源電圧端子）、又はバッテリ電圧ＶＢよりも高い電圧に昇圧した昇圧電圧ＶＨの高圧電源端子１３（ＶＨ電源電圧端子）の何れか一方に接続される。

ＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４との間には逆流防止のためのダイオード１７（逆流防止素子）が接続されている。インジェクタ２０のマイナス端子は、スイッチ素子であるローサイドドライバ１８、シャント抵抗２２を介して接地（ＧＮＤ）接続される。

ここでは、インジェクタ２０から見て電圧端子側をハイサイド（上流）、電源グランド（ＧＮＤ）側をローサイド（下流）と称する。

ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８は、各々、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路８、ローサイドドライバ駆動信号生成回路９が出力するドライバ駆動信号（ｃ）、（ｂ）、（ｆ）により駆動制御される。各ドライバ駆動信号生成回路７、８、９は、ＭＰＵ１（マイクロプロセッサユニット）の制御信号（ａ）によってロジック動作するロジック回路３が出力するロジック信号によって互いに関連して制御信号を生成する。

代表的な直噴用のインジェクタ２０の電流波形は、図３に電磁負荷通電電流（g）として示されるように、通電初期のピーク電流通電期間に昇圧電圧ＶＨを使ってインジェクタ電流を予め定められたピーク電流停止電流まで短時間に上昇させる。次に、インジェクタ２０の所定時間開弁のために、ＶＢハイサイドドライバ１６のスイッチング動作によってバッテリ電圧によって所定電流値によるインジェクタ電流を保持する。噴射終了時には、インジェクタ２０の閉弁を速やかに行うために、ローサイドドライバ１８によってインジェクタ通電電流の通電電流下降を短時間に行い、インジェクタ電流を遮断する。

詳細には、ＭＰＵ１から出力された制御信号（ａ）の立ち上がりによりＶＨハイサイドドライバ駆動信号（ｂ）はハイとなり、電磁負荷通電電流と等価のシャント抵抗通電電流（ｇ）はピーク電流閾値Ａｐまで到達する。シャント抵抗通電電流がピーク電流閾値Ａｐに到達した後、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号（ｂ）はオフとなり、保持電流閾値Ａｈ１に到達し、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号（c）がチョッピングし、ある一定時間が経過すると保持電流閾値Ａｈ２に遷移する。以上の流れでインジェクタ２０は制御される。

なお、図２において、（ｄ）は電磁負荷（インジェクタ）上流電圧を、（e）は電磁負荷（インジェクタ）下流電圧を示している。

上述の電磁負荷駆動回路３００では、インジェクタ電流を、ある所定の電流値に保持するためのスイッチ素子であるＶＢハイサイドドライバ１６が、短絡故障（オン固着）した状態もしくは開放故障（オフ固着）した状態を検出し、故障診断することができない。

（実施形態）
次に、図１、図４、図５、図６を参照して、本発明の実施形態による電磁負荷駆動回路３００の故障診断回路１０１（故障診断装置）の構成及び動作を説明する。

図４に示されるように、本実施形態の電磁負荷回路４００は、バッテリ電圧端子１５と電源グランド（ＧＮＤ）との間に設置された電磁負荷としてのインジェクタ２０と、ＭＰＵ１（マイクロプロセッサユニット）と、電磁負荷駆動回路３００と、故障診断回路１０１とを有する。

図１に示されるように、電磁負荷駆動回路３００には、インジェクタ２０から見てバッテリ電圧端子１５側と電源グランド（ＧＮＤ）側とに、それぞれ電磁負荷用のドライバを構成するスイッチ素子（例えばＦＥＴ）によるＶＢハイサイドドライバ１６とＶＨハイサイドドライバ１４とローサイドドライバ１８が設置されている。

換言すれば、図１に示されるように、電磁負荷駆動回路３００は、高圧電源端子１３（第１の電源）とインジェクタ２０（電磁負荷）の間の経路に設けられ、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号（第１の駆動信号）に応じてオン／オフするＶＨハイサイドドライバ１４（第１のスイッチ素子）、及びバッテリ電圧端子１５（第２の電源）とインジェクタ２０の間の経路に設けられ、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号（第２の駆動信号）に応じてオン／オフするＶＢハイサイドドライバ１６（第２のスイッチ素子）を含む。

ここでは、インジェクタ２０から見てバッテリ電圧端子１５側をハイサイド（上流）、電源グランド（ＧＮＤ）側をローサイド（下流）と称する。

図４に示されるように、ＭＰＵ１から出力された制御信号（ａ）は、電磁負荷駆動回路３００に入力される。電磁負荷駆動回路３００は、制御信号（ａ）に基づいてスイッチ素子駆動信号生成回路３０１によってスイッチ素子駆動信号を生成し、スイッチ素子駆動信号を、ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８に入力する。

なお、図４に示すスイッチ素子駆動信号生成回路３０１は、図１に示すロジック回路３、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路７、ＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路８、ローサイドドライバ駆動信号生成回路９から構成される。

図１に示されるように、ＭＰＵ１が出力する制御信号（ａ）がローからハイに切り替わると、ロジック回路３で生成された駆動信号により、スイッチ素子（ＶＢハイサイドドライバ１６、ＶＨハイサイドドライバ１４、ローサイドドライバ１８）が駆動され、まずＶＨハイサイドドライバ１４によってインジェクタ２０に電流が通電される。この時の電磁負荷通電電流（ｇ）は、例えば、電磁負荷としてのインジェクタ２０の弁体を応答よく駆動（例えば開弁）するのに必要な程度の比較的大きな電流である。

ＶＨハイサイドドライバ１４によるインジェクタ２０の駆動後は、引き続き駆動後の弁体の状態を維持する程度の電流が、次のようにして所定時間、インジェクタ２０に供給される。この電流保持期間では、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号がオン状態を維持し（すなわち、ＶＢハイサイドドライバ１６がオン状態）、ハイサイドドライバ駆動信号がオフ（ＶＨハイサイドドライバ１４がオフ状態）し、更に、スイッチ素子駆動信号生成回路３０１によりチョッピング駆動信号が生成され、インジェクタ２０に印加されるバッテリ電圧がチョッピングされる。このときのインジェクタ２０の上流の電圧波形は、図５の（ｄ）のようになる。

ＶＢハイサイドドライバ１６が短絡故障した場合に、図５に示されるように電磁負荷上流電圧(d)が、ＶＨハイサイドドライバドライバ信号(b)がハイからローに立ち下がるタイミング、（診断ウインドウ信号(o)が立上るタイミング）で電源電圧レベルとなる。このとき、ＶＢハイサイドドライバ１６が短絡故障していない場合は、グランド電圧レベルとなる。従って、バッテリ電圧以下の比較電圧３０（信号（ｎ））と比較し、ＶＢハイサイドドライバ１６が短絡故障しているかどうかを診断することができる。

換言すれば、図１に示す診断ウインドウ信号生成回路３２（検出部）は、ＶＨハイサイドドライバ１４（第１のスイッチ素子）をオンからオフに切り替えるＶＨハイサイドドライバ駆動信号（第１の駆動信号）を検出し、そのことを示す信号（診断ウインドウ信号(o)の立上り）を診断部３１へ出力する。比較器３３（比較部）は、インジェクタ２０（電磁負荷）の上流の電圧とバッテリ電圧端子１５（第２の電源）の電圧より小さい閾値である比較電圧３０を比較し、その結果を示す信号(r)を診断部３１へ出力する。診断部３１は、診断ウインドウ信号(o)及び比較器３３から出力される信号(r)に基づいて、ＶＨハイサイドドライバ１４をオンからオフに切り替えるＶＨハイサイドドライバ駆動信号が検出されたときにインジェクタ２０の上流の電圧が比較電圧３０より大きい場合、ＶＢハイサイドドライバ１６（第２のスイッチ素子）が短絡故障していると診断する。

また、ＶＢハイサイドドライバ１６が開放故障した場合に、図５に示されるように電磁負荷上流電圧(d）が、ＶＢハイサイドドライバ駆動信号（c）がローからハイに立ち上がるタイミング、（診断ウインドウ信号(o)が立ち下がるタイミング）でグランド電圧レベルとなる。このとき、ＶＢハイサイドドライバが開放故障していない場合は、電源電圧レベルとなる。従って、バッテリ電圧以下の比較電圧３０と比較し、ＶＢハイサイドドライバ１６が開放故障しているかどうかを診断することができる。

換言すれば、図１に示す診断ウインドウ信号生成回路３２（検出部）は、ＶＨハイサイドドライバ１４（第１のスイッチ素子）をオンからオフに切り替えるＶＨハイサイドドライバ駆動信号（第１の駆動信号）が検出された後、ＶＢハイサイドドライバ１６（第２のスイッチ素子）をオフからオンに切り替えるＶＢハイサイドドライバ駆動信号（第２の駆動信号）を検出し、そのことを示す信号（診断ウインドウ信号(o)の立ち下がり）を診断部３１へ出力する。診断部３１は、診断ウインドウ信号(o)及び比較器３３から出力される信号(r)に基づいて、ＶＨハイサイドドライバ１４をオンからオフに切り替えるＶＨハイサイドドライバ駆動信号が検出された後、ＶＢハイサイドドライバ１６をオフからオンに切り替えるＶＢハイサイドドライバ駆動信号が検出されたときにインジェクタ２０（電磁負荷）の上流の電圧が閾値である比較電圧３０より小さい場合、ＶＢハイサイドドライバ１６が開放故障していると診断する。

ここで、故障診断回路１０１（故障診断装置）は、図６に示されるように、バッテリ電圧端子１５（第２の電源）の電圧が入力されバッテリ電圧端子１５の電圧より小さい電圧を閾値である比較電圧３０として出力する分圧回路をさらに備える。図６では、分圧回路は、バッテリ電圧端子１５から電源グランド（ＧＮＤ）へ直列接続される抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２から構成される。分圧回路により、バッテリ電圧の低下に追従して比較電圧３０が低下するため、ＶＢハイサイドドライバ１６の短絡故障及び開放故障を的確に診断することができる。

なお、高圧電源端子１３（第１の電源）の電圧は、バッテリ電圧端子１５（第２の電源）の電圧よりも高い。詳細には、高圧電源端子１３の電圧は、インジェクタ２０を閉弁状態から開弁状態にするための電圧であり、バッテリ電圧端子１５の電圧は、インジェクタ２０を開弁状態に維持するための電圧である。

ＶＢハイサイドドライバ１６が短絡故障もしくは開放故障した場合の検出方法を図１を用いて説明する。電磁負荷駆動回路３００の故障診断回路１０１（故障診断装置）は、ＶＨハイサイドドライバ信号（b）が立下り、ＶＢハイサイドドライバ信号（c）が立上る区間の診断ウインドウ信号を診断ウインドウ信号生成回路３２で生成し、電磁負荷上流電圧(d)とバッテリ電圧よりも小さい電圧もしくはバッテリ電圧を分圧した比較電圧３０と比較することで、前記診断ウインドウ信号の立上りで短絡故障を、前記診断ウインドウ信号の立下りで開放故障を各々診断部３１にて検出（検出フラグ信号(p)を出力）し、故障診断を行う。

本実施形態によれば、インジェクタ２０（電磁負荷）の上流に設けられるスイッチ素子の故障を的確に診断することができる。詳細には、ＶＢハイサイドドライバ１６の短絡故障及び開放故障を的確に診断することができる。特に、バッテリ電圧が低下した場合であっても、これらの故障を的確に診断することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

上記実施形態では、電磁負荷としてインジェクタ２０を例示したが、電磁負荷は、電動アクチュエータ等であってもよい。

上記実施形態では、比較器３３によりインジェクタ２０の上流の電圧と比較電圧３０が比較されるが、マイコン（プロセッサ）がインジェクタ２０の上流の電圧とメモリに記憶された閾値を比較するようにしてもよい。

上記実施形態では、診断部３１は、ＶＢハイサイドドライバ１６（第２のスイッチ素子）の故障を診断するが、ＶＨハイサイドドライバ１４（第１のスイッチ素子）の故障を診断してもよい。

また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、ＭＰＵ１（プロセッサ）がそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

（１）電磁負荷を開弁するための昇圧された第一の電源電圧と、前記開弁用の第一の電源電圧と前記電磁負荷上流との間に直列に設けられた第一のハイサイドスイッチ素子と、前記電磁負荷の開弁状態を維持するための第二の電源電圧と、前記維持用の第二の電源電圧と前記電磁負荷上流との間に直列に設けられた第二のハイサイドスイッチ素子と、前記電磁負荷の下流とグランド電位間に直列に設けられた第三のローサイドスイッチ素子をスイッチ素子駆動信号生成回路の制御信号により開閉する電磁負荷回路において、前記電磁負荷を開弁するための前記第一のハイサイドスイッチ素子がオフしたタイミングを、前記電磁負荷の開弁を維持するための第二の前記ハイサイドスイッチ素子が短絡故障した状態であることを検出する短絡故障診断タイミングとし、また、前記電磁負荷の開弁を維持するための前記第二のハイサイドスイッチ素子がオンしたタイミングを、前記電磁負荷の開弁を維持するための前記第二のハイサイドスイッチ素子が開放故障した状態であることを検出する開放故障診断タイミングとし、前記電磁負荷の上流電圧を、前記短絡故障診断タイミングおよび前記開放故障タイミングでバッテリ電圧よりも低く設定された所定の比較電圧と比較することにより、前記電磁負荷の開弁を維持するための前記第二のハイサイドスイッチ素子が短絡故障した状態もしくは開放故障した状態であることを検出し、故障診断を行う故障診断手段を有することを特徴とする電磁負荷回路の故障診断装置。

（２）前記故障診断手段は、前記電磁負荷の上流電圧をバッテリ電圧の変動に対応するため、バッテリ電圧を分圧させて設定された所定の比較電圧と比較することにより、前記電磁負荷の開弁を維持するための前記第二のハイサイドスイッチ素子が短絡故障した状態もしくは開放故障した状態であることを検出し、故障診断を行う故障診断手段を有することを特徴とする（１）に記載の電磁負荷回路の故障診断装置。

１ ＭＰＵ
３ ロジック回路
７ ＶＢハイサイドドライバ駆動信号生成回路
８ ＶＨハイサイドドライバ駆動信号生成回路
９ ローサイドドライバ駆動信号生成回路
１３ 高圧電源端子
１４ ＶＨハイサイドドライバ
１５ バッテリ電圧端子
１６ ＶＢハイサイドドライバ
１７ ダイオード
１８ ローサイドドライバ
２０ インジェクタ
２２ シャント抵抗
３０ 比較電圧
３１ 診断部
３２ 診断ウインドウ信号生成回路
３３ 比較器
１０１ 故障診断回路
３００ 電磁負荷駆動回路
３０１ スイッチ素子駆動信号生成回路
４００ 電磁負荷回路

Claims (5)

1. 第１の電源と電磁負荷の間の経路に設けられ第１の駆動信号に応じてオン／オフする第１のスイッチ素子、及び第２の電源と前記電磁負荷の間の経路に設けられ第２の駆動信号に応じてオン／オフする第２のスイッチ素子を含む電磁負荷駆動回路の故障を診断する故障診断装置であって、
   前記第１のスイッチ素子をオンからオフに切り替える前記第１の駆動信号を検出する検出部と、
   前記電磁負荷の上流の電圧と前記第２の電源の電圧より小さい閾値とを比較する比較部と、
   前記第１のスイッチ素子をオンからオフに切り替える前記第１の駆動信号が検出されたときに前記電磁負荷の上流の電圧が前記閾値より大きい場合、前記第２のスイッチ素子が短絡故障していると診断する診断部と、
   を備えることを特徴とする故障診断装置。
2. 請求項１に記載の故障診断装置であって、
   前記検出部は、
   前記第１のスイッチ素子をオンからオフに切り替える前記第１の駆動信号が検出された後、前記第２のスイッチ素子をオフからオンに切り替える前記第２の駆動信号を検出し、
   前記診断部は、
   前記第１のスイッチ素子をオンからオフに切り替える前記第１の駆動信号が検出された後、前記第２のスイッチ素子をオフからオンに切り替える前記第２の駆動信号が検出されたときに前記電磁負荷の上流の電圧が前記閾値より小さい場合、前記第２のスイッチ素子が開放故障していると診断する
   ことを特徴とする故障診断装置。
3. 請求項１に記載の故障診断装置であって、
   前記第２の電源の電圧が入力され、前記第２の電源の電圧より小さい電圧を前記閾値として出力する分圧回路をさらに備える
   ことを特徴とする故障診断装置。
4. 請求項１に記載の故障診断装置であって、
   前記第１の電源の電圧は、
   前記第２の電源の電圧よりも高い
   ことを特徴とする故障診断装置。
5. 請求項４に記載の故障診断装置であって、
   前記電磁負荷は、
   燃料を噴射するインジェクタであり、
   前記第１の電源の電圧は、
   前記インジェクタを閉弁状態から開弁状態にするための電圧であり、
   前記第２の電源の電圧は、
   前記インジェクタを開弁状態に維持するための電圧である
   ことを特徴とする故障診断装置。

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