JP2018113851A - 電子制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電子制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】コストアップすることなく、FETショート検出部によりインバータFETのショート故障を診断し、診断結果に適正に対応する。【解決手段】逆接保護用FETと、電源を供給され、上下段FETの各接続点電圧を分圧して分圧電圧を出力する診断用抵抗分圧回路120と、電源を供給され、分圧電圧に基づき、上下段FETの少なくとも一方のショート故障を検出し、エラー通知を出力するFETショート検出部110と、エラー通知を入力すると共に、MCUに内臓されており、FETショート検出部の故障を検出する検出部故障診断機能とを備えており、検出部故障診断機能は、起動時にFETショート検出部110の故障を診断し、FETショート検出部110の故障が検出された時は、上下段FETをOFFし、FETショート検出部110の故障が検出されない場合には、FETショート検出部110は、上下段FETのショート故障を診断する。【選択図】図7

Description

本発明は、モータをMCU(CPU,MPU、マイコン等)により、上段(H側)FET及び下段(L側)FETのブリッジで成るインバータを介して駆動制御する電動パワーステアリング装置に関し、特にFETのショート故障を確実に検出して過電流が流れないようにした電子制御装置、更にインバータの電源が制御系の電源に流れる暗電流を抑制した高性能な電子制御装置並びにそれらを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。
電子制御装置を搭載し、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力(アシスト力)を付与する電動パワーステアリング装置(EPS)は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値(電流指令値)とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM制御のデューティ信号の調整で行い、モータはFETブリッジで成るインバータで駆動されるようになっている。
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル(ステアリングホイール)1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2には、ハンドル1の操舵トルクThを検出するトルクセンサ10と、操舵角θを検出する舵角センサ14とが設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、電源としてのバッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクThと車速センサ12で検出された車速Velとに基づいてアシスト制御の電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Vrefによってモータ20に供給する電流を制御する。操舵角θは、モータ20に連結された回転センサから得ることもできる。
コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN(Controller Area Network)40が接続されており、車速VelはCAN40から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN40以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN41も接続可能である。
このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット30は主としてMCU(Micro Controller Unit;CPUやMPU、マイコン等を含む)で構成されるが、そのMCU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図2に示されるような構成となっている。
図2を参照してコントロールユニット30の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ10からの操舵トルクTh及び車速センサ12(若しくはCAN40)からの車速Velは電流指令値演算部31に入力され、電流指令値演算部31は操舵トルクTh及び車速Velに基づいてアシストマップ等を用いて電流指令値Iref1を演算する。演算された電流指令値Iref1は加算部32Aで、特性を改善するための補償部34からの補償信号CMと加算され、加算された電流指令値Iref2が電流制限部33で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Irefmが減算部32Bに入力され、モータ電流検出値Imと減算される。
減算部32Bでの減算結果I(=Irefm−Im)はPI制御部35でPI(比例積分)制御され、PI制御された電圧制御指令値Vrefが変調信号(キャリア)CFと共にPWM制御部36に入力されてデューティを演算され、デューティを演算されたPWM信号でインバータ37を介してモータ20をPWM駆動する。モータ20のモータ電流値Imはモータ電流検出手段38で検出され、減算部32Bに入力されてフィードバックされる。
補償部34は、検出若しくは推定されたセルフアライニングトルク(SAT)を加算部344で慣性補償値342と加算し、その加算結果に更に加算部345で収れん性制御値341を加算し、その加算結果を補償信号CMとして加算部32Aに入力し、特性改善する。
モータ20が3相ブラシレスモータの場合、PWM制御部36及びインバータ37の詳細は例えば図3に示すような構成となっており、PWM制御部36は、電圧制御指令値Vrefを所定式に従って3相分PWMのデューティ信号D1〜D6を演算するデューティ演算部36Aと、デューティ信号D1〜D6で半導体スイッチング素子としてのFETをON/OFF駆動すると共に、デッドタイムの補償を行うゲート駆動部36Bとで構成されている。デューティ演算部36Aには変調信号(キャリア)CFが入力されており、デューティ演算部36Aは変調信号CFに同期してPWMのデューティ信号D1〜D6を演算する。
インバータ37は上段FET1〜FET3及び下段FET4〜FET6の3相ブリッジで構成されており、各FET1〜FET6がPWMのデューティ信号D1〜D6でON/OFFされることによって、モータ20は駆動制御される。FET1〜FET6は、寄生ダイオード付きのFETである。
なお、インバータ37とモータ20との間には、アシスト制御停止時等に、安全のために電流供給を遮断するためのモータ開放スイッチ23が介挿されている。モータ開放スイッチ23は、各相に介挿された寄生ダイオード付きのFETで構成されている。
このような電動パワーステアリング装置のインバータにおいて、従来、インバータ37のFET1〜FET6がショート故障(短絡故障)した場合に、インバータ37に過電流が流れ続けることを防止するため、図4に示すようにインバータ37の電流を検出する電流検出回路37Aと、MCU及びインバータ37の電源ラインに電源リレー(機械的リレーや半導体リレー)37B,37Cが設けられている。図4の例では1シャント方式でインバータ電流を検出しているが、2シャント方式若しくは3シャント方式で検出するものもある。
MCUはインバータ37に過電流が流れていることを診断し、このようなショート故障を検出した場合に、電源リレー37B及び37CをOFFして過電流を遮断し、システムの安全を確保している。例えば特開平10−167085号公報(特許文献1)は、2相モータのインバータについての保護回路を示している。しかしながら、過電流を遮断するための電源リレーは高価であるという問題があり、特にコストダウンが要請される車両の電動パワーステアリング装置には適当ではない。
特開平10−167085号公報 特許第3860104号公報
この問題を解決するために、インバータのFETを駆動する回路内に、インバータの上段FET及び下段FETの各ドレイン(D)−ソース(S)間電圧を監視し、FETをOFF駆動しているにも拘わらず、FETのドレイン−ソース間電圧が低く、ショート故障していることを検出するFETショート検出回路を内蔵し、電源リレーを使わずにインバータのFETをOFFすることで、過電流を遮断する機能を有する製品が市販されている(例えば、ドイツのインフィニオン・テクノロジーズ社製“TLE7183F”)。
しかしながら、上記製品では、FETショート検出回路が正しく動作することを診断するための回路若しくは診断機能が設けられておらず、FETショート検出回路の検出不可故障が発生した場合には、その検出不可故障は検出することができない。そのため、その後、インバータのFETが動作し続けた際に、インバータFETのショート故障が発生した場合にショート故障を検出することができず、インバータに過電流が流れ続ける可能性があるという問題がある。
また、過電流遮断のための電源リレーを削除した場合には、インバータの電源とバッテリとの間が常に電気的に導通してしまい、例えばインバータの電源電圧をMCUで監視するために、従来通り抵抗分圧回路のみを介して接続すると、分圧抵抗による暗電流が大きくなるという問題がある。
更に、ECUに流れる暗電流を抑制する電動パワーステアリング装置として、特許第3860104号公報(特許文献2)に示されるものがある。特許文献2では、モータ運転制御部と電源との間に電源供給・遮断を行うパワーリレーを配置し、イグニッションOFFのタイミングで漸減処理後に、パワーリレーをOFFしている。そのため、イグニッションOFFにならないと、暗電流の抑制効果が得られないという問題がある。
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、コストアップすることなく、FETショート検出部によりインバータFETのショート故障を診断し、診断結果に適正に対応できるようにすると共に、FETショート検出部の故障の有無を診断する機能を具備し、更にはイグニションOFFに関係なく制御系へ流入する暗電流を抑制できる電子制御装置及びそれを搭載した安全性の高い電動パワーステアリング装置を提供することにある。
本発明は、上段FET及び下段FETのブリッジで成り、電源VRを供給されるインバータを介して、MCUで演算されたPWMのデューティ信号をゲート駆動部に入力することにより3相ブラシレスモータを駆動制御する電子制御装置に関し、本発明の上記目的は、バッテリと前記電源VRとの間に介挿され、前記MCUからの切換信号に基づいてON/OFFされる逆接保護用FETと、前記電源VRを供給され、前記上段FET及び前記下段FETの各接続点電圧を分圧して分圧電圧を出力する診断用抵抗分圧回路と、前記電源VRを供給され、前記分圧電圧に基づき、前記上段FET及び前記下段FETの少なくとも一方のショート故障を検出し、エラー通知を出力するFETショート検出部と、前記エラー通知を入力すると共に、前記MCUに内臓されており、前記FETショート検出部の故障を検出する検出部故障診断機能とを備えており、前記検出部故障診断機能は、起動時に前記FETショート検出部の故障を診断し、前記FETショート検出部の故障が検出された時は、前記上段FET及び前記下段FETをOFFし、
前記FETショート検出部の故障が検出されない場合には、前記FETショート検出部は、前記上段FET及び前記下段FETのショート故障を診断することにより達成される。
上記各電子制御装置を搭載し、車両のアシスト制御用モータに適用することにより、上記目的の電動パワーステアリング装置が達成される。
本発明によれば、インバータの上下段FETをON/OFFして駆動するゲート駆動部を含むFET駆動回路と、上下段FETの各接続点電圧に基づき、インバータの上段FET及び下段FETのショート故障を検出するFETショート検出部と、FETショート検出部の故障(異常を含む)を診断するための検出部故障診断機能とから構成され、インバータの上下段FETのショート故障を検出すると共に、FETショート検出部の故障を診断しているので、安全性の高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。インバータのFETショート故障時に発生する過電流を遮断するための、インバータの電源ラインに配置される高価な電源リレー若しくはスイッチを削減することができる。
また、起動時に暗電流抑制用スイッチをONし、FETショート故障が検出された時に暗電流抑制用スイッチをOFFしているので、イグニションOFFに関係なく、ECU動作中のみONされるので、制御系への暗電流の流入を抑制することができる。
更に、MCU内若しくは外部の検出部故障診断機能により、FETショート検出部が正しく動作することを確認することができ、FETショート検出部の故障時にはインバータのFETをOFFすることで、1つ目故障のFETショート検出部の検出不可故障が発生したことを検出できず、かつ、その後、インバータのFETを動作させ続けることで、2つ目故障のインバータのFETのショート故障が発生した場合に、過電流が流れ続けることを防止することができ、電動パワーステアリング装置の安全を維持することができる。
電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 一般的なPWM制御部及びインバータの構成例を示す結線図である。 従来の保護機能を有するインバータの構成例を示す結線図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 診断用抵抗分圧回路の詳細を示すブロック図である。 本発明の構成例の一部(FETショート検出部)(実施形態1)を詳細に示す結線図である。 NDIAG端子の構成例を示すブロック図である。 FETショート検出部(U相)の詳細を示すブロック図である。 FETショート検出部(U相)の詳細を示すブロック図である。 本発明の動作例(実施形態1)を示すフローチャートである 本発明の動作例を示すタイミングフローチャートである 本発明の動作例を示すタイミングフローチャートである 本発明の構成例(実施形態2)を示すブロック図である。 本発明の動作例(実施形態2)を示すフローチャートである
本発明は、モータ、特に車両のアシスト制御用モータをMCU(CPU,MPU、マイコン等)により、半導体スイッチング素子としてのFETのブリッジ(上段FET(H側)、下段FET(L側))で成るインバータを介して駆動制御する電子制御装置であり、インバータのFETをON/OFFして駆動するゲート駆動部を含むFET駆動回路と、上下段FETの各接続点電圧に基づき、インバータの上段FET及び下段FETのショート故障を検出するFETショート検出部と、FETショート検出部の故障(異常を含む)を診断するため、MCU内若しくはMCU外に備えられた検出部故障診断機能とから構成されている。FETショート検出部により、インバータの上下段のどちらかに発生したFETのショート故障を検出し、ショート故障が検出された時はインバータの上下段FETのFET(少なくともショート故障が検出されていない方のFET)をOFFする。
また、電動パワーステアリングの起動時に、MCU内の検出部故障診断機能によりFETショート検出部の故障を診断し、FETショート検出部の故障が検出された時は、ゲート駆動部によりインバータのFETをOFF、つまりインバータ停止とする。或いは、電動パワーステアリングの起動時に、暗電流抑制用スイッチをONし、MCU内の検出部故障診断機能によりFETショート検出部の故障を診断し、FETショート検出部の故障が検出された時は、ゲート駆動部によりインバータのFETをOFFすると共に、暗電流抑制用スイッチをOFFする。
更に、本発明では、MCU内若しくはMCU外の検出部故障診断機能により、FETショート検出部が正常に動作することを診断して確認することができ、FETショート検出部の故障検出時には、直ちにインバータのFETをOFFする。これにより、1つ目故障のFETショート検出部の検出不可故障が発生したことを検出できず、かつ、その後、インバータFETを動作させたことで、2つ目故障のインバータFETのショート故障が発生し、過電流が流れ続けることを防止することができ、システムの安全を維持することができる。そして、上記のように安全性が担保されたFETショート検出部により、インバータFETのショート故障時に発生する過電流を遮断するための、インバータの電源ラインに配置される高価な電源リレーを削減することできる。よって、小型化とコスト低減が可能となる。
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。実施形態として、本発明の電子制御装置を電動パワーステアリング装置に適用した例を説明する。
本発明は図5に示すように、全体の制御を行うMCU100と、バッテリ13と電源VRとの間に介挿され、MCU100からの切換信号SW2に基づいてON/OFFされる逆接保護用のFET13Aと、MCU100で演算されたデューティ信号HD1〜HD3(上段(H側)FET)及びLD4〜LD6(下段(L側)FET)でインバータ37のFET1〜FET6を駆動するFET駆動回路を形成するゲート駆動部150と、インバータ37の接続点(中点)電圧(上段FETのソース(S)と下段FETのドレイン(D))を抵抗回路で分圧する診断用抵抗分圧回路120と、診断用抵抗分圧回路120を介してインバータ37のFETショート故障を検出するFETショート検出部110と、電源VRに接続され、MCU100からの切換信号SW1でON/OFFされる暗電流抑制用スイッチ130と、暗電流抑制用スイッチ130からの電圧HSを検出するために、MCU100の入力電圧範囲に合わせてレベルシフトするための電源用抵抗分圧回路140とで構成されている。
FET13Aは逆接保護用のFETであり、逆接時にインバータFETの寄生ダイオード13Dによる短絡を防ぐ。本発明はFETショート検出機能により、電源VRを遮断する電源リレーを削除し、逆接保護用のFET13Aのみで対処する。その背反として、逆接保護用FET13Aの寄生ダイオード13Dを介して暗電流が流れるため、その対策として暗電流抑制用スイッチ130を設けている。暗電流抑制用スイッチ130からの電圧HSは、診断用分圧回路120、FETショート検出部110及び電源用分圧回路140に供給される。また、インバータ37のFET1〜FET6の各ゲート−ソース間には過電圧吸収用のツェナーダイオードZ1〜Z6がそれぞれ接続されている。
診断用抵抗分圧回路120の詳細は図6に示す構成(3相分)であり、上下段FETの接続点電圧を、電源(VR)と接地(GND)との間に介挿された抵抗R121及びR122で分圧し、それぞれ抵抗R11〜R13を経てFETショート検出部110に3相で供給する。上下段FETのOFF時に、上下段FETの接続点電圧を“1/2×VR”に分圧し、各相の分圧電圧SHU(U相),SHV(V相),SHW(W相)を出力する。
FETショート検出部110は、診断用分圧回路120で得られた分圧電圧SHU,SHV,SHWに基づいてインバータ37の上下段FETのショート故障を検出すると共に、上下段FETのどちらにショート故障が発生したかを検出し、FETのショート故障を検出した時にはエラー通知ENを出力する。エラー通知ENはゲート駆動部150に入力され、ゲート駆動部150は出力HD1g〜LD6gを「L」信号としてインバータ37のFET1〜FET6をOFFする。また、FETショート検出部110はMCU100に対して、通知端子のNDIAG端子を介してショート故障を検出したことを通知すると共に、アラーム入力回路104にエラー信号ERAを送り、アラーム入力回路104を介してゲートOFF指令GFを出力し、ゲートOFF指令GFに基づいてゲート駆動部150を介してインバータ37を停止する。
また、MCU100は、FETショート検出部110の故障を診断するための検出部故障診断機能を有しており、診断によってFETショート検出部110の故障を検出した時には、アラーム入力回路104を介してゲートOFF指令GFを出力し、ゲートOFF指令GFに基づいてゲート駆動部150を介してインバータ37を停止する。或いはアラーム入力回路104を介さずに、ゲート駆動部150へのデューティ信号HD1〜HD3、LD4〜lD6によりゲートOFF指令を出力し、インバータを停止するようにしても良い。
図7は、FETショート検出部110及びゲート駆動部150の詳細な構成例を示しており、診断用抵抗分圧回路120からの分圧電圧SHU、SHV、SHWは、FETショート検出部110内の上段側(H側)コンパレータ(3個)117の負端子入力(−)にそれぞれ入力されると共に、下段側(L側)コンパレータ(3個)117の正端子入力(+)にそれぞれ入力される。FETショート検出部110はSPI通信回路112を備えており、SPI通信回路112はスレッショルド設定部113及び114にそれぞれH側設定信号vthh_Sh及びL側設定信号vthl_Shを送信する。スレッショルド設定部113には電圧HSが供給され、スレッショルド設定部114は接地されている。スレッショルド設定部113及び114は設定信号vthh_Sh及びvthl_Shに基づいてそれぞれスレッショルドHREF及びLREFを設定するが、スレッショルドHREFは“HS−vthh_Sh”であり、スレッショルドLREFは“vthl_Sh”である。スレッショルドHREFはH側コンパレータ117の各正端子入力(+)に入力され、スレッショルドLREFはL側コンパレータ117の各負端子入力(−)に入力される。コンパレータ117は、下記表1に従って接続点(分圧)電圧SHU,SHV,SHWとスレッショルドHREF及びLREFとの比較を行い、2値「H,L」のコンパレータ出力shuh,shvh,shwh,shul,shvl,shwlを出力する。
Figure 2018113851
即ち、上段FET1〜FET3に対応する上段コンパレータについては下記数1となり、下段FET4〜FET6に対応する下段コンパレータについては下記数2となる。
(数1)
SHU<HREFのとき、shuh=H、SHU≧HREFのとき、shuh=L
SHV<HREFのとき、shvh=H、SHV≧HREFのとき、shvh=L
SHW<HREFのとき、shwh=H、SHW≧HREFのとき、shwh=L
(数2)
SHU>LREFのとき、shul=H、SHU≦LREFのとき、shul=L
SHV>LREFのとき、shvl=H、SHV≦LREFのとき、shvl=L
SHW>LREFのとき、shwl=H、SHW≦LREFのとき、shwl=L

なお、表1中のLD4は、U相の下段FET4を駆動するためのMCU100(デューティ演算部101)からの入力信号(デューティ信号)、LD5はV相の下段FET5を駆動するためのMCU100からの入力信号(デューティ信号)、LD6はW相の下段FET6を駆動するためのMCUからの入力信号(デューティ信号)、HD1はU相の上段FET1を駆動するためのMCU100からの入力信号(デューティ信号)、HD2はV相の上段FET2を駆動するためのMCUからの入力信号(デューティ信号)、HD3はW相の上段FET3を駆動するためのMCU100からの入力信号(デューティ信号)である。これらデューティ信号LD4〜HD3は、いずれも対応するAND回路116に入力される。
6個のコンパレータ117からの比較結果shuh〜shwlは、デューティ信号LD4〜HD3と共にそれぞれ6個のAND回路116に入力され、AND回路116の各出力は6個のフィルタ115に入力される。フィルタ115は、例えば10μs継続を判定するためのディジタフィルタであり、入力されているclk4mは、10μsを計時するためのクロックである。また、SPI通信回路112からフィルタ115に対して、計時時間を変更するための設定変更信号CCHが入力されている。なお、SPI通信回路112はMCU100とのインタフェースであり、フィルタ時間の変更やエラーロジックの内部値を疑似的にエラー状態に設定することができる。
フィルタ115の各出力shuho,shvho,shwho,shulo,shvlo,shwloはエラー論理回路111に入力され、エラー論理回路111はエラー通知EN(gate_en_u,gate_en_v,gate_en_w,gate_en_r)を出力すると共に、NDIAG端子を介してMCU100に通知する。エラー論理回路111FETショート検出の異常判定結果に基づき、NDIAGの出力及び上下段FET1〜FET6のOFFを行う回路であり、FETショート検出の故障判定を行うために、SPI通信回路112から内部値を可変することが可能となっている。
NDIAG端子の動作確認は図8に示すように、MCU100のSPI通信でSPI通信回路112及びエラー論理回路111で成るレジスタdiag_dg=“1”を設定することにより、NDIAG機能が正常に動作しているかを確認可能である。なお、レジスタはエラー論理回路111内にある各種メモリのことであり、ICの状態情報や構成情報を示す。
即ち、SPI通信によりレジスタdiag_dg=“1”又は“0”に設定すると、レジスタdiag_dg=0の場合には否定部103によりNDIAG=Hとなり、レジスタdiag_dg=1の場合には否定部103によりNDIAG=Lとなる。MCU100によるNDIAGの期待値比較を行うことにより、NDIAGが正常に動作していることを確認することができる。レジスタdiag_dg=0を再度設定することでNDIAG=Hとなり、通常の異常検出機能が働く。
次に、FETショート検出動作確認について、図9及び図10にU相の構成を示して説明する。図9はFETショート検出であり、図10はショート検出時のFET駆動OFFの確認構成を示している。
図9において、MCU100がALARM1又はALARM2を設定することにより、各FET1〜FET6のショート検出機能が正常に動作することを確認することができる。即ち、ALARM1又はALARM2=Lをアラーム入力回路104を経て入力し、駆動論理部151の入力であるゲートOFF指令信号GFを「H」とする。ALARM1又はALARM2=Lにより駆動論理部151の出力HD1g=Lのため、分圧電圧SUHは電源(VR)と接地(GND)の中間電圧となり、コンパレータ117の出力shul=Hとなる。MCU100からのデューティ信号LD4=H、コンパレータ117の出力shul=Hのため、AND回路116の出力(レジスタscul)=Hでショート検出状態となり、NDIAG=Lとなる。従って、NDIAGを監視することで、ショート検出機能が正常に動作しているか否かを診断することができる。エラー論理回路111内のレジスタ(scul)をSPI通信によってクリアすることで、NDIAG=Hとなる。
図10はショート検出時のFET駆動OFFの確認構成を示しており、MCU100のSPI通信で各相レジスタshuh_dg, shul_dg, shvh_dg, shvl_dg, shwh_dg, shwl_dgを設定することにより、各FET1〜FET6のショート検出時にFET1〜FET6がOFFすることを確認することができる。即ち、レジスタshul_dg=“1”の場合、SPI通信回路112のSPI通信によりレジスタsh_op=“001”又は“010”(ショート検出時、FET駆動=OFF)に設定し、SPI通信によりレジスタshul_dg=1に設定する。レジスタshul_dg=1で、レジスタscul=1(ショート検出状態)となり、NDIAG=Lとなり、このNDIAG=LによりMCU100からデューティ信号LD4=Hを入力すると、上段FET1と下段FET4の接続点電圧を監視することによって、FET1及びFET4がOFFしていることを検出することができる。レジスタshul_dg=0を再設定することで、レジスタscul=0、NDIAG=Hとなり、通常の異常検出機能が働く。
なお、エラー論理回路111ではLBIST(論理自己診断)を実施しており、レジスタshul_dg=0の場合、実際にショート検出状態であれば、NDIAG=Lとなる。他の相についても同様にして動作確認を実施することができる。
このような構成において、その動作例(実施形態1)を図11のフローチャートを参照して説明する。
動作が起動されると(ステップS1)、MCU100内の検出部故障診断機能を作動させ(ステップS2)、FETショート検出部110が故障か否かを診断する(ステップS3)。検出部故障診断機能によってFETショート検出部110の故障が診断されると、MCU100はALARM1/ALARM2を出力し、アラーム回路104がゲートOFF指令GFを出力し(ステップS4)、ゲート駆動部130に入力することによりインバータ37を停止する(ステップS5)。
一方、上記ステップS3においてFETショート検出部110の故障が検出されない場合には、FETショート検出部110はインバータ37のFETのショート故障を診断する(ステップS10)。FETショート検出部110はインバータ37の上下段FETの故障を表1の比較によって行い、先ず上段FETがショート故障しているか否かを判定し(ステップS11)、上段FETがショート故障している場合には、エラー通知ENによって下段FETをOFFし、更に上段FETもOFF動作とする(ステップS12)。次いで、下段FETがショート故障しているか否かを判定し(ステップS13)、下段FETがショート故障している場合には、エラー通知ENによって上段FETをOFFし、更に下段FETをOFF動作とする(ステップS14)。
なお、上段FETと下段FETのショート故障の検出の順番は逆であっても良い。
下段(L側)FETのショート故障の検出は、上段(H側)FETがON状態(=下段FETはOFF状態)で、下段FETのドレイン電圧SHU,SHV,SHWを監視し、ドレイン電圧SHU,SHV,SHWがスレッショルドHREFよりも小さければショート故障と判断し、ドレイン電圧SHU,SHV,SHWがスレッショルドHREF以上であればショート故障無しと判断する。ショート故障が検出された場合は、FETショート検出部110からゲート駆動部150へエラー通知ENを行い、インバータFETをOFFする。具体的には、通常、FETが故障していなければ、上段FETがON=下段FETがOFFの状態では、接続点電圧SHU,SHV,SHWは、上段FETのON抵抗をRON、電流をIONとして下記数3となる。
(数3)
接続点電圧=供給電圧HS−RON×ION

下段FETがショート故障していれば、接続点電圧SHU,SHV,SHWは0V相当となる。本実施形態ではH側設定信号vthh_Sh及びL側設定信号vthl_Shは1Vに設定し、誤検出を避けるため“上段FETのON抵抗RON×電流ION”よりも十分に大きい値に設定している。
また、ゲート駆動部150の入力信号であるHD1〜HD3,LD4〜LD6は、インバータ37のFET1〜FET6を駆動するためのMCU100からのデューティ信号であり、ゲート駆動部150はこのデューティ信号HD1〜HD3,LD4〜LD6に基づいてインバータ37のFET1〜FET6を駆動する。しかし、内部回路の遅延やインバータFETの容量により、デューティ信号HD1〜HD3,LD4〜LD6の入力に対して時間遅れでインバータFETがON/OFFする。この時の時間遅れによるFETショート故障の誤検出を防ぐため、FETショート検出部110内のコンパレータ117の入力条件が10μs継続した場合にのみ、FETショート検出と判断する。
次に、MCU100が、FETショート検出部110の故障を検出する動作を説明する。
起動時に、MCU100内の検出部故障診断機能によりFETショート検出110の故障の有無を診断し、FETショート検出110の故障時はMCU100はALARM1/ALARM2を出力し、アラーム回路104からゲート駆動部150にゲートOFF指令GFを出力し、インバータFETをOFFする。具体的には、ゲート駆動部150の出力HD1g〜LD6gがOFFの場合、インバータ37の上段FET1〜FET3及び下段FET4〜FET6の接続点電圧SHU,SHV,SHWがインバータ電源電圧(≒バッテリ電圧12V)×0.5倍≒6Vとなるように抵抗分圧する診断用抵抗分圧回路120を設けている。起動時に、MCU100からゲート駆動部150の出力HD1g〜LD6gを強制的にOFFさせるゲートOFF指令GFを出力し、かつ、ゲート駆動部150に入力されるデューティ信号HD1〜HD3及びLD4〜LD6のいずれかに「H」信号を入力することで、上記FETショート検出の異常条件を強制的に成立させ、NDIAGが論理出力「L」になること(ショート故障の未検出時は論理出力「H」)を監視することで、FETショート検出が検出不可故障になっていないかを診断する。
また、FETショート検出部110がFETショート故障を検出した場合に、インバータFETがOFFできることを確認するために、MCU100からFETショート検出部110のエラー通知ENを強制的にFETショート検出状態に遷移させる信号(SPI)を出力すると共に、ゲート駆動部150に入力されるデューティ信号HD1〜HD3及びLD4〜LD6のいずれかに「H」信号を入力し、更にインバータ37の上下段FETの接続点電圧SHU,SHV,SHWを監視し、インバータFETのOFFができていることを診断する。インバータFETをOFFできていなければ、デューティ信号HD1〜HD3が「H」の時には、接続点電圧SHU,SHV,SHWはインバータ37の電源電圧(電圧VR)と同等となり、デューティ信号LD4〜LD6が「H」の時には接続点電圧SHU,SHV,SHWは0V(接地)と同等となり、OFFできている場合のインバータ電源電圧(VR)×0.5にはならないので、OFFできてないことを検出することができる。
FETショート検出部110によるFETショート検出、及び、FETショート検出時にインバータFETをOFFできないことがMCU100により診断された場合は、MCU100はゲート駆動部150へのデューティ信号HD1〜HD3及びLD4〜LD6を「L」(=OFF)とし、システムとして安全状態(アシスト停止状態)を維持する。
検出故障診断機能によりFETショート検出部110が正しく動作することを確認でき、FETショート検出部110の故障検出時には直ちにインバータFETをOFFすることで、1つ目故障のFETショート検出部110の検出不可故障が発生したことを検出できず、かつ、その後、インバータFETを動作させたことで、2つ目故障のインバータFETのショート故障が発生し、過電流が流れ続けることを防止でき、システムの安全を維持できる。そして、上記のように安全性が担保されたFETショート検出部110により、インバータFETのショート故障時に発生する過電流を遮断するための、インバータの電源ラインに配置される高価な電源リレーを削減することができる。
次に、FETショート検出のタイミング動作例を、図12及び図13のタイミングチャートに示して説明する。
図12は時点t1に下段(L側)FETにショート故障が発生し、時点t2にそのショート故障が検出され、時点t8にショート故障が解除された様子を示している。時点t2にショート故障が検出されると、フィルタ出力shuho〜shwhoが「L」から「H」に変化し、図12(H)〜(J)のようにNDIAGがLラッチされ、デューティ信号HD1g〜LD6gがOFFラッチされる。
図13は時点t10に上段(H側)FETにショート故障が発生して検出され、時点t17にショート故障が解除された様子を示している。時点t10にショート故障が検出されると、フィルタ出力shulo〜shwloが「L」から「H」に変化し、図13(H)〜(J)のようにNDIAGがLラッチされ、デューティ信号HD1g〜LD6gがOFFラッチされる。
また、インバータ37の電源(電圧VR)とMCU100等の制御部との間に半導体スイッチ(例えばFETやトランジスタ)の暗電流抑制用スイッチ130を設け、MCU100によりMCU100の起動後に暗電流抑制用スイッチ130をONし、MCU100の動作停止(非通電)時には切換信号SW1によってOFFする。これによりECU動作停止(MCU動作停止)中のインバータの電源(電圧VR)から、制御部へ流れる暗電流を抑制することができる(実施形態2)。
図14は本発明の実施形態2を図7に対応させて示しており、電源VRと制御系との間には、FET131で成る暗電流抑制用スイッチ130が介挿されており、暗電流抑制用スイッチ130の出力電圧HSがスレッショルド設定部113等に供給されている。暗電流抑制用スイッチ130のFET131には、暗電流を遮断する機能を有する寄生ダイオード131Dが接続されている。本例ではFETを例に挙げているが、一般のトランジスタ等の半導体トランジスタ類を使用することが可能である。
このような構成において、その動作例(実施形態2)を図15のフローチャートを参照して説明する。
動作が起動されると(ステップS20)、MCU100は切換信号SW1を出力して暗電流抑制用スイッチ130のFET131をONし(ステップS21)、次いでMCU100内の検出部故障診断機能を作動させ(ステップS22)、FETショート検出部110が故障か否かを診断する(ステップS23)。検出部故障診断機能によってFETショート検出部110の故障が診断されると、MCU100はALARM1/ALARM2を出力し、アラーム回路104がゲートOFF指令GFを出力し(ステップS24)、ゲート駆動部130に入力することによりインバータ37を停止する(ステップS25)。そして、切換信号SW1を出力して暗電流抑制用スイッチ130のFET131をOFFする(ステップS26)。これにより、MCU動作停止中のインバータ37の電源VRが制御系へ流れる暗電流を抑制することができるので、無駄なバッテリ消費が抑制される。
一方、上記ステップS23においてFETショート検出部110の故障が検出されない場合には、FETショート検出部110はインバータ37のFETのショート故障を診断する(ステップS30)。FETショート検出部110はインバータ37の上下段FETの故障を表1の比較によって行い、先ず上段FETがショート故障しているか否かを判定し(ステップS31)、上段FETがショート故障している場合には、エラー通知ENによって下段FETをOFFし、更に上段FETもOFF動作とする(ステップS32)。そして、切換信号SW1により暗電流抑制用スイッチ130のFET131をOFFする(ステップS33)。これにより、MCU動作停止中のインバータ37の電源VRが制御系へ流れる暗電流を抑制することができる。
次いで、下段FETがショート故障しているか否かを判定し(ステップS34)、下段FETがショート故障している場合には、エラー通知ENによって上段FETをOFFし、更に下段FETをOFF動作とする(ステップS35)。そして、切換信号SW1により暗電流抑制用スイッチ130のFET131をOFFする(ステップS36)。これにより、MCU動作停止中のインバータ37の電源VRが制御系へ流れる暗電流を抑制することができる。
上段FET及び下段FETがいずれもショート故障していない場合には、上記動作を繰り返す。なお、上段FETと下段FETのショート故障の検出の順番は逆であっても良い。
上述した実施形態1及び2では、FETショート検出時に上段FET及び下段FETをオフラッチしているが、これに限らず、FETショート検出期間中だけOFFする動作としても良い。また、OFFするFETを、故障が発生した相の上段FETと下段FETのみにしても良いし、インバータの全てのFETをOFFしてもよい。
また、上述では設定信号vthh_Sh、vthl_Shは1Vに設定しているが、これに限らず、誤検出を避けるため“上段FETのON抵抗RON×電流ION”よりも十分に大きい値であれば良い。また、ショート故障検出の確定時間を10μsとしているが、これに限られるものではなく、ゲート駆動部の時間遅れ、インバータFETのスイッチング時間を考慮して、十分に長い時間であれば良い。更に上述した論理H,Lは逆であっても良い。
なお、上述の実施形態1及び2ではMCUとインバータの電源(電圧VR)との間、FETショート検出部とインバータの電源(電圧VR)との間に暗電流抑制用の半導体スイッチを配置したが、これに限らず、インバータの電源(電圧VR)から制御部に接続され、暗電流が発生する経路の全てに半導体スイッチを設ける方が良い。また、上述ではMCUがFETショート検出部の故障の有無を診断する機能を具備するようになっているが、MCUの外部に配置するようにしても良い。
更に上述では電子制御装置を電動パワーステアリング装置に適用した例を説明しているが、他のインバータを使用した装置に適用可能である。
1 ハンドル(ステアリングホイール)
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
20 モータ
23 モータ開放スイッチ
30 コントロールユニット(ECU)
31 電流指令値演算部
35 PI制御部
36 PWM制御部
37 インバータ
100 MCU
101 デューティ演算部
110 FETショート検出部
111 エラー論理回路
112 SPI通信回路
113,114 スレッショルド設定部
117 コンパレータ
120 診断用抵抗分圧回路
130 暗電流抑制用スイッチ
140 電源用抵抗分圧回路
150 ゲート駆動部
151 駆動論理部

Claims (9)

  1. 上段FET及び下段FETのブリッジで成り、電源VRを供給されるインバータを介して、MCUで演算されたPWMのデューティ信号をゲート駆動部に入力することにより3相ブラシレスモータを駆動制御する電子制御装置において、
    バッテリと前記電源VRとの間に介挿され、前記MCUからの切換信号に基づいてON/OFFされる逆接保護用FETと、
    前記電源VRを供給され、前記上段FET及び前記下段FETの各接続点電圧を分圧して分圧電圧を出力する診断用抵抗分圧回路と、
    前記電源VRを供給され、前記分圧電圧に基づき、前記上段FET及び前記下段FETの少なくとも一方のショート故障を検出し、エラー通知を出力するFETショート検出部と、
    前記エラー通知を入力すると共に、前記MCUに内臓されており、前記FETショート検出部の故障を検出する検出部故障診断機能と、
    を備えており、
    前記検出部故障診断機能は、起動時に前記FETショート検出部の故障を診断し、前記FETショート検出部の故障が検出された時は、前記上段FET及び前記下段FETをOFFし、
    前記FETショート検出部の故障が検出されない場合には、前記FETショート検出部は、前記上段FET及び前記下段FETのショート故障を診断することを特徴とする電子制御装置。
  2. 前記上段FET及び前記下段FETの各ゲート−ソース間に過電圧吸収用のツェナーダイオードが接続されている請求項1に記載の電子制御装置。
  3. 前記ショート故障が検出された時、少なくとも前記ショート故障が検出されていない方のFETをOFFする請求項1又は2に記載の電子制御装置。
  4. 前記ショート故障が検出された時、前記エラー通知を前記ゲート駆動部に入力して前記上段FET及び前記下段FETをOFFする請求項1又は2に記載の電子制御装置。
  5. 前記FETショート検出部は、前記ショート故障を検出した時、前記MCUに対してNDIAG端子を介して前記エラー通知を通知すると共に、
    前記MCUはアラーム入力回路にエラー信号を送り、アラーム入力回路はゲートOFF指令を前記ゲート駆動部に入力して前記上段FET及び前記下段FETをOFFする請求項1又は2に記載の電子制御装置。
  6. 前記検出部故障診断機能は、
    前記FETショート検出部の故障が検出された時、前記アラーム入力回路から前記ゲートOFF指令を出力するか、若しくは前記デューティ信号により前記ゲートOFF指令を出力する請求項5に記載の電子制御装置。
  7. 前記検出部故障診断機能は、
    起動時に前記MCUから前記インバータを強制的にOFFさせるゲートOFF信号を出力し、前記上段FETの前記デューティ信号又は前記下段FETの前記デューティ信号と演算させることで、前記ショート故障の異常条件を強制的に成立させ、前記NDIAG端子に所定信号を出力する診断機能である請求項5に記載の電子制御装置。
  8. 前記FETショート検出部が前記ショート故障を検出した場合に、前記インバータをOFFして停止できることを確認するために、前記MCUから前記エラー通知を強制的にFETショート検出状態に遷移させる信号を出力し、前記上段FETの前記デューティ信号又は前記下段FETの前記デューティ信号と演算させると共に、前記各接続点電圧を監視し、前記インバータの停止ができていることを診断する診断機能を有する請求項5に記載の電子制御装置。
  9. 請求項1乃至8のいずれかの電子制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置。
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