JP2019221089A - インバータ回路の故障診断方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータ回路のＦＥＴの故障診断を遅延なく簡易に行えるインバータ回路の故障診断方法を提供する。
【解決手段】モータ駆動用の複数の半導体スイッチング素子（ＦＥＴ）からなるインバータ回路の各相に対応するモータ端子（ＭＶ端子）電圧を、電圧比較手段であるコンパレータ６１ａ〜６１ｃで閾値電圧と比較する。その際、故障診断対象であるハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴに応じて閾値電圧を変更する。そして、コンパレータからのデジタル出力より、ＭＶ端子電圧の正常あるいは異常（各ＦＥＴの短絡等の有無）を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、電動パワーステアリング装置のモータ制御ユニットを構成するインバータ回路の故障診断方法に関する。
自動車等の車両の運転者によるステアリングハンドル操作に対して補助トルクを発生する電動モータ、その電動モータの制御装置等を備える電動パワーステアリング装置は、常時動作している。そのため、運転中にモータ駆動部を構成する部品が故障した場合、ステアリングハンドルへのアシスト動作を中止する等の制御とともに故障部品の特定が必要となる。
従来より、電動パワーステアリング装置のインバータ回路のＦＥＴ故障診断方法として、インバータ回路を構成するハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴ間の端子電圧をＣＰＵのＡ／Ｄ変換機能を用いて監視する方法が知られている。この方法では、インバータ回路が３相ブリッジの場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つの信号（端子電圧）を監視している。
例えば特許文献１のモータ制御装置は、過電流検出器によりモータ駆動回路の過電流（ショート故障）を検出するとともに、モータ駆動回路の各相出力に直列に接続されたリレーと３相モータの各相の端子に接続されたモータ端子電圧検出手段で検出した各相駆動コイルの端子電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣを閾値と比較した結果より、モータ駆動回路等の故障の有無を判定している。
特許文献２には、モータの異常判定方法として、例えばＵ相のＦＥＴ故障診断の際、Ｖ相もしくはＷ相のＦＥＴを駆動し、Ｕ相のモータ端子電圧をコンパレータで比較して、その結果をもとに判定回路で巻線の異常の有無を判定する構成を開示している。
特許第５１８１５７９号公報 特許第５０７７０３０号公報
上述したＣＰＵのＡ／Ｄ変換機能を用いた電圧監視方法には、モータ端子電圧に重畳するスイッチングノイズを除去するために設けたフィルタ回路による電圧応答遅延、Ａ／Ｄのサンプリング時間による遅延、そのサンプリング遅延の影響に対応する目的でＣＰＵが認識電圧誤判定防止のために複数回、診断処理を行うことにともなう遅延等が生じることが指摘されている。
３相モータの各モータ端子電圧をＣＰＵのＡ／Ｄで監視して、ブリッジ回路のＦＥＴの故障診断を行う場合、３相分のモータ端子電圧をＣＰＵに接続するための部品、回路パターン等が占める基板上の実装面積と、故障診断に要する処理時間とが、モータ制御装置の小型化、低コスト化への課題となる。
上記特許文献１では、モータ端子電圧検出手段のみならず、モータ駆動回路におけるＦＥＴのショート故障判定用の過電流検出器を設けているため、故障判定のための構成が複雑になる。さらに、端子電圧に基づいた値と所定の閾値との比較を所定回数繰り返し実施し、端子電圧に基づいた値の閾値を超えた回数が所定値以下の場合、モータ駆動回路に故障があると判定しているため判定時間が長くなるだけでなく、故障部位がモータであるか、モータ駆動回路であるかを特定するのみで、モータ駆動回路を構成するＦＥＴ個別の故障を特定できないという問題がある。
特許文献２における異常判定では、通常のＦＥＴ制御回路の他に、別途、異常判定のための駆動パルス生成回路を設け、診断に際してその駆動パルス生成回路を動作させる構成となっていることに加えて、コンデンサの電荷を初期化する制御が必要となり、異常判定のための構成が複雑化する。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ回路のＦＥＴの故障診断と故障ＦＥＴの特定を遅延なく簡易に行えるインバータ回路の故障診断方法を提供することである。
上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本願の例示的な第１の発明は、複数の高電位側駆動素子および低電位側駆動素子からなるインバータ回路の故障診断方法であって、電圧比較手段に基準電圧を設定する設定工程と、前記高電位側駆動素子と前記低電位側駆動素子を駆動する工程と、前記駆動後における前記高電位側駆動素子と前記低電位側駆動素子との接続点の電圧と、前記基準電圧との比較結果を前記電圧比較手段より取得する工程と、前記比較結果をもとに前記高電位側駆動素子および前記低電位側駆動素子の故障の有無を判定する判定工程とを備えることを特徴とする。
本願の例示的な第２の発明は、インバータ回路を構成する高電位側駆動素子および低電位側駆動素子の故障診断用の回路基板であって、基準電圧と前記インバータ回路からの被測定電圧とを比較する電圧比較手段と、前記電圧比較手段からの出力をもとに、上記例示的な第１の発明に係るインバータ回路の故障診断方法によって、前記高電位側駆動素子および前記低電位側駆動素子の故障の有無を判断する判定手段とを備えることを特徴とする。
本願の例示的な第３の発明は、モータの駆動用のインバータ回路を有するモータ制御装置であって、基準電圧と前記インバータ回路からの被測定電圧とを比較する電圧比較手段と、前記電圧比較手段からの出力をもとに、上記例示的な第１の発明に係るインバータ回路の故障診断方法によって、前記インバータ回路を構成する高電位側パワー素子および低電位側パワー素子それぞれの故障の有無を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
本願の例示的な第４の発明は、車両等の運転者のハンドル操作をアシストする電動パワーステアリング用モータ制御装置であって、モータ駆動用のインバータ回路と、基準電圧と前記インバータ回路からの被測定電圧とを比較する電圧比較手段と、前記電圧比較手段からの出力をもとに、上記例示的な第１の発明に係るインバータ回路の故障診断方法によって、前記インバータ回路を構成する高電位側パワー素子および低電位側パワー素子それぞれの故障の有無を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
本願の例示的な第５の発明は、電動パワーステアリングシステムであって、上記例示的な第４の発明に係る電動パワーステアリング用モータ制御装置を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電圧比較手段によってインバータ回路の高電位側駆動素子と低電位側駆動素子との接続点の電圧を基準電圧と比較し、その電圧比較手段からのデジタル出力値をもとに駆動素子の故障の有無を判定するので、故障診断の際に信号応答遅延がなく、誤判定回避のための待ち時間が不要となるため、故障の有無を迅速に診断できる。
図１は本発明の実施形態に係る電子制御ユニット（モータ駆動制御ユニット）を搭載した電動パワーステアリング装置の概略構成である。 図２は実施形態に係る電子制御ユニットの全体構成を示すブロック図である。 図３は、図２に示す電子制御ユニットの制御部における、インバータ回路の故障診断処理手順を示すフローチャートである。 図４は故障診断処理における故障診断モード、故障診断用信号、閾値設定、故障パターン（失陥状態）等を組み合わせた一覧表である。 図５は、図４におけるＦＥＴ故障診断後において追加的に行う処理の一例を示すフローチャートである。 図６は変形例に係る電子制御ユニットの全体構成を示すブロック図である。
以下、本発明に係る実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電子制御ユニット（モータ駆動制御ユニット）を搭載した電動パワーステアリング装置の概略構成である。図１の電動パワーステアリング装置１は、電子制御ユニット(Electronic Control Unit: ECU)２０、操舵部材であるステアリングハンドル２、ステアリングハンドル２に接続された回転軸３、ピニオンギア６、ラック軸７等を備える。
回転軸３は、その先端に設けられたピニオンギア６に噛み合っている。ピニオンギア６により、回転軸３の回転運動がラック軸７の直線運動に変換され、ラック軸７の変位量に応じた角度に、そのラック軸７の両端に設けられた一対の車輪５ａ，５ｂが操舵される。
回転軸３には、ステアリングハンドル２が操作された際の操舵トルクを検出するトルクセンサ９が設けられており、検出された操舵トルクは電子制御ユニット２０へ送られる。電子制御ユニット２０は、トルクセンサ９より取得した操舵トルク、車速センサ（不図示）からの車速等の信号に基づくモータ駆動信号を生成し、その信号を電動モータ１５に出力する。
モータ駆動信号が入力された電動モータ１５からは、ステアリングハンドル２の操舵を補助するための補助トルクが出力され、その補助トルクが減速ギア４を介して回転軸３に伝達される。その結果、電動モータ１５で発生したトルクによって回転軸３の回転がアシストされることで、運転者のハンドル操作を補助する。
図２は、本発明の実施形態に係る電子制御ユニットの全体構成を示すブロック図である。ここでは、モータ駆動制御ユニットとしての電子制御ユニットを電動パワーステアリング装置に搭載した構成を例に挙げて説明する。
図２に示すように電子制御ユニット２０は、電子制御ユニット２０全体の制御を司る制御部（ＣＰＵ）３０、制御部３０からの制御信号よりモータ駆動信号を生成し、ＦＥＴ駆動回路として機能するプリドライバ部４０、電動モータ１５に所定の駆動電流を供給するインバータ回路（モータ駆動回路）としてのモータ駆動部５０、電動モータ１５の各相に対応するモータ端子（ＭＶ端子ともいう。）の電圧を監視するＭＶ端子電圧監視部６０等からなる。
制御部３０は、例えばマイクロプロセッサからなり、メモリ２５には、制御部３０が実行する、後述する故障診断処理の手順（処理プログラム）とともに、故障診断処理の実行に必要な演算値等が一時的に記憶される。
モータ駆動部５０には、電源リレー２７を介して外部バッテリＢＴよりモータ駆動用の電源が供給される。電源リレー２７は、バッテリＢＴからの電力を遮断可能に構成され、半導体リレーで構成することもできる。モータ駆動部５０は、複数の半導体スイッチング素子（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）からなるＦＥＴブリッジ回路であり、図２では、電動モータ１５への駆動電流を通電するスイッチングＦＥＴの図示を省略している。
ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６のうちＦＥＴ１，３，５は、それぞれのドレイン端子が電源側に接続されている。また、ＦＥＴ１，３，５のソース端子それぞれがＦＥＴ２，４，６のドレイン端子に接続され、ＦＥＴ２，４，６のソース端子は、グランド（ＧＮＤ）側に接続されている。
制御部３０は、操舵トルク、車速センサ等からの信号に基づくＰＷＭ（パルス幅変調）信号をプリドライバ部４０へ出力する。プリドライバ部４０の信号生成部４４は、例えば、制御部３０からのＰＷＭ信号にしたがってＰＷＭ制御信号のデューティを増減することにより、モータ駆動部５０の半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御信号を生成する。
電動モータ１５は、例えば３相ブラシレスＤＣモータであり、上述したＦＥＴブリッジ回路は３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のインバータ回路である。インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）は、電動モータ１５の各相に対応している。ここでは、ＦＥＴ１，２がＵ相に、ＦＥＴ３，４がＶ相に、そして、ＦＥＴ５，６がＷ相にそれぞれ対応している。
これらのＦＥＴのうちＦＥＴ１，３，５は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム（ハイサイド（ＨｉＳｉｄｅ）ともいう）のスイッチング素子であり、ＦＥＴ２，４，６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アーム（ローサイド（ＬｏＳｉｄｅ）ともいう）のスイッチング素子である。スイッチング素子（ＦＥＴ）はパワー素子ともいう。ここでは、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)を含む。また、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を用いてもよい。
プリドライバ部４０は、半導体スイッチング素子（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）を駆動するドライバ（プリドライバ）４３ａ〜４３ｆ等を一体化したモータ制御用集積回路（プリドライバＩＣ）である。ドライバ４３ａ，４３ｃ，４３ｅは、モータ駆動部（インバータ回路）５０のハイサイド（ＨｉＳｉｄｅ）ＦＥＴ１，３，５それぞれを駆動し、ドライバ４３ｂ，４３ｄ，４３ｆは、モータ駆動部５０のローサイド（ＬｏＳｉｄｅ）ＦＥＴ２，４，６それぞれを駆動する。
ＭＶ端子電圧監視部６０は、電動モータ１５の各相のＭＶ端子電圧を監視する３つの電圧比較回路（コンパレータ）６１ａ〜６１ｃを備える。具体的には、コンパレータ６１ａによりＵ相のＭＶ端子（ＭＶ１）の電圧を監視し、コンパレータ６１ｂによってＶ相のＭＶ端子（ＭＶ２）の電圧を監視し、コンパレータ６１ｃによりＷ相のＭＶ端子（ＭＶ３）の電圧を監視する。
コンパレータ６１ａ〜６１ｃそれぞれの非反転入力端子（＋）には、ＭＶ１〜ＭＶ３の端子電圧が入力される。これら非反転入力端子（＋）とＭＶ１〜ＭＶ３端子間のそれぞれの信号線には、抵抗６９ａ〜６９ｃとコンデンサＣ１〜Ｃ３で構成されるフィルタ（ローパスフィルタ）を設けて、高周波ノイズを除去している。
コンパレータ６１ａ〜６１ｃの反転入力端子（−）は、閾値電圧を生成するため複数の抵抗（以降、これらの抵抗からなる構成を閾値電圧生成部と呼ぶ。）が接続されている。図２に示すように閾値電圧生成部は、インバータ電源電圧とグランド（ＧＮＤ）間において直列接続され、その接続点が反転入力端子（−）に接続された抵抗６３ａ〜６３ｂ，６５ａ〜６５ｂ，６７ａ〜６７ｂ、および、これらの抵抗の接続点に一端が接続され、他端に制御部３０からの閾値制御信号が入力される抵抗６３ｃ，６５ｃ，６７ｃで構成されている。
コンパレータ６１ａ〜６１ｃは、非反転入力端子（＋）に入力されたＭＶ１〜ＭＶ３の端子電圧の電圧レベルを閾値電圧と比較し、その結果を論理値信号（論理Ｈｉ、または論理Ｌｏ）として出力する。
制御部３０の出力端子ＴＣ１〜ＴＣ３よりコンパレータ６１ａ〜６１ｃ各々の閾値電圧生成部に出力される閾値制御信号は、各相のハイサイド（ＨｉＳｉｄｅ）スイッチング素子と、ローサイド（ＬｏＳｉｄｅ）スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御に応じて、コンパレータ６１ａ〜６１ｃの閾値電圧（反転入力端子（−）に印加される基準電圧）を変更するための信号である。
ここで、コンパレータ６１ａを例にとって基準電圧の可変機構について説明する。例えば、一方端同士が相互に接続された抵抗６３ａ，６３ｃにおいて、抵抗６３ｃの他方端に対して、出力端ＴＣ１より論理Ｈｉの信号を入力した場合、他端がインバータ電源に接続された抵抗６３ａと、他端が論理Ｈｉの電位となった抵抗６３ｃとが並列接続状態となる。
その結果、抵抗６３ａ，６３ｃによる並列接続抵抗と、ＧＮＤ側の抵抗６３ｂとが、反転入力端子（−）との接続点を介して直列接続される。抵抗６３ａは、抵抗６３ｃと並列接続状態となって合成抵抗値が下がるため、抵抗６３ｂとの接続点の電位（反転入力端子（−）への基準電位）は、例えば、出力端ＴＣ１がハイ・インピーダンス状態となり、ＴＣ１より論理値出力がないときの電位に比べて、並列接続抵抗の合成抵抗値と抵抗６３ｂの抵抗値の比に応じて上昇する。
一方、出力端ＴＣ１より論理Ｌｏの信号が出力された場合には、一方端同士が相互に接続された抵抗６３ｂ，６３ｃにおいて、他端がＧＮＤに接続された抵抗６３ｂと、他端が論理Ｌｏの電位となった抵抗６３ｃとが並列接続状態となる。その結果、抵抗６３ｃと並列接続された抵抗６３ａは、その合成抵抗値が下がり、抵抗６３ａとの接続点の電位（反転入力端子（−）への基準電位）は、出力端ＴＣ１がハイ・インピーダンス状態となり、出力端ＴＣ１から論理値出力がないときの電位に比べて、並列接続抵抗の合成抵抗値と抵抗６３ａの抵抗値の比に応じて低下する。
このようにＭＶ端子電圧監視部６０は、ＭＶ端子電圧の検出のための基準電圧（閾値電圧）を２つの状態に可変する機能を持つとともに、コンパレータ６１ａ〜６１ｃからの出力を、インターフェイス部４６を介して制御部３０に入力する。その結果、制御部３０は、故障診断時において各ＦＥＴを個別にＯＮ／ＯＦＦさせた際のコンパレータ６１ａ〜６１ｃからのデジタル出力（論理Ｈｉ、あるいは論理Ｌｏ）をもとに、ＦＥＴの故障状態を検知する。
次に、本実施形態に係る電子制御ユニットにおけるモータ駆動回路（インバータ回路）の故障診断方法について説明する。
図３は、図２に示す電子制御ユニット２０の制御部３０における、インバータ回路の故障診断処理手順を示すフローチャートである。図４は、図３の故障診断処理における故障診断モード、故障診断用信号、閾値設定、故障パターン（失陥状態）等を組み合わせた一覧表である。図４に示す組み合わせは、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に共通である。
本実施形態に係る電子制御ユニットにおける故障診断処理において、制御部３０は、ＨｉＳｉｄｅ−ＦＥＴの故障診断の際、ＭＶ端子電圧の検知閾値として閾値電圧ＴＨ１を設定し、ＬｏＳｉｄｅ−ＦＥＴ故障診断の際には、閾値電圧ＴＨ２を設定する。そして、ブリッジ回路を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのハイサイド（ＨｉＳｉｄｅ）ＦＥＴとローサイド（ＬｏＳｉｄｅ）ＦＥＴを順次駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）して、ＭＶ端子電圧が正常値か、あるいは異常値かを判定する。
なお、ＦＥＴを駆動する場合、ゲート・ソース間にゲート閾値電圧（ドレイン電流が流れ始めるゲート・ソース間電圧）よりも十分高い電圧を印加することでドレイン電流が流れ、ＦＥＴがＯＮ状態となる。したがって、ゲート閾値電圧以下の電圧がゲート・ソース間に印加されているときには、ＦＥＴはＯＦＦ状態にある。
また、図４において「ＦＥＴ駆動信号」が“ＯＦＦ”とあるのは、故障診断をしていない状態（診断機能がオフ）を意味する。
制御部３０は、ＦＥＴの故障診断処理の最初のステップ（図３のステップＳ１１）において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうち故障診断するブリッジ回路ＦＥＴの相を選択する。例えばＵ相を選択した場合、制御部３０はステップＳ１３において、プリドライバ部４０の信号生成部４４を介してドライバ４３ａ，４３ｂにＯＦＦ信号を送る。
これによりドライバ４３ａ，４３ｂは、Ｕ相のハイサイド（ＨｉＳｉｄｅ）スイッチング素子（ＦＥＴ１）と、Ｕ相のローサイド（ＬｏＳｉｄｅ）スイッチング素子（ＦＥＴ２）それぞれのゲート端子に、ゲート閾値電圧以下の電圧を印加して、ＦＥＴ１，２を非通電状態（ＯＦＦ）にする。
制御部３０は、続くステップＳ１５において、ハイサイドＦＥＴ１の故障の有無を検知するため出力端子ＴＣ１をＯＮにして、コンパレータ６１ａの閾値電圧生成部に論理Ｈｉの信号を出力する。これにより、コンパレータ６１ａの反転入力端子（−）に閾値電圧ＴＨ１が設定される。
ここでは、閾値電圧ＴＨ１として、インバータ電源電圧ＶＩＮとグランド（ＧＮＤ）間の電圧の中間値よりも大きい電位、例えば、（１／２）ＶＩＮ＜ＴＨ１が設定されるよう、抵抗６３ａ〜６３ｃ等の抵抗値を決める。
制御部３０は、ステップＳ１７において、コンパレータ６１ａの出力値（論理レベル）をもとにＵ相のＭＶ端子（ＭＶ１）電圧の異常の有無を監視し、判定する。図４に示すように正常状態では、ハイサイドＦＥＴ１がＯＦＦ状態で閾値ＴＨ１が設定されたとき、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧は論理Ｌｏとなる。したがって制御部３０は、ＦＥＴ１，２をＯＦＦ状態に制御し、閾値ＴＨ１を設定したときに、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｌｏであれば、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ１よりも低いため、正常値を示していると判断する。
一方、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｈｉであれば、本来、論理ＬｏであるべきＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ１よりも高いことになる。そのため制御部３０は、ハイサイドＦＥＴ１が異常（ＯＮ故障）と判断する（ステップＳ５１）。
続くステップＳ１９において、制御部３０は、ローサイドＦＥＴ２の故障の有無を検知するため出力端子ＴＣ１をＯＦＦにする。これにより、コンパレータ６１ａの閾値電圧生成部に論理Ｌｏの信号が出力され、コンパレータ６１ａの反転入力端子（−）に閾値電圧ＴＨ２が設定される。
閾値電圧ＴＨ２として、インバータ電源電圧とグランド（ＧＮＤ）間の電圧の中間値以下の電位、例えば、（１／２）ＶＩＮ≧ＴＨ２が設定される。
図４に示すように閾値ＴＨ２が設定され、ローサイドＦＥＴ２がＯＦＦ状態のとき、正常状態の場合には、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧は論理Ｈｉとなる。制御部３０は、閾値ＴＨ２が設定され、ＦＥＴ１，２がともにＯＦＦ状態に制御されているときに、ステップＳ２１においてコンパレータ６１ａの出力として論理Ｈｉを検知した場合、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ１よりも高く、正常値を示していると判断する。
これに対して、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｌｏであれば、本来、論理ＨｉであるべきＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ２よりも低いことになる。この場合、制御部３０は、ローサイドＦＥＴ２が異常（ＯＮ故障）と判断する（ステップＳ５３）。
続くステップＳ２３において、制御部３０は閾値ＴＨ１を設定し、ステップＳ２５で、ハイサイドＦＥＴ１を通電状態（ＯＮ）、ローサイドＦＥＴ２を非通電状態（ＯＦＦ）にする。この場合、故障のない正常状態では、図４に示すようにＭＶ端子（ＭＶ１）電圧は論理Ｈｉとなる。よって、ステップＳ２７において、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｈｉであれば、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ１よりも高く、正常値であると判断する。
一方、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｌｏであれば、本来、論理ＨｉであるべきＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ１よりも低いため、制御部３０は、ハイサイドＦＥＴ１が異常（ＯＦＦ故障）と判断する（ステップＳ５５）。
次に制御部３０は、ステップＳ２９においてＦＥＴ１，２の双方をＯＦＦ状態に制御する。これは、その後のＭＶ端子電圧の検知処理において、それ以前のＦＥＴ１，２の制御状態の影響を排除するための初期化（リセット）処理である。これは、本実施形態に係る電子制御ユニットにおける故障診断処理において、検知対象のＦＥＴ１，２がＯＦＦ状態となっていることを確認した後に故障診断に入ることを意味している。
続くステップＳ３１において制御部３０は、ローサイドＦＥＴ２の故障の有無を検知するため出力端子ＴＣ１をＯＦＦにして、コンパレータ６１ａの閾値電圧生成部に論理Ｌｏの信号を出力する。これにより、コンパレータ６１ａの反転入力端子（−）に閾値電圧ＴＨ２が設定される。
制御部３０は、続くステップＳ３３において、ハイサイドＦＥＴ１を非通電状態（ＯＦＦ）、ローサイドＦＥＴ２を通電状態（ＯＮ）にする。図４に示すように、正常状態では、閾値ＴＨ２が設定されローサイドＦＥＴ２がＯＮ状態のとき、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧は論理Ｌｏとなる。そして、ステップＳ３５における監視の結果、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｌｏであれば、ＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ２よりも低く、正常値であると判断する。
一方、ステップＳ３５において、コンパレータ６１ａの出力が論理Ｈｉであれば、制御部３０は、本来、論理ＬｏであるべきＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が閾値ＴＨ２よりも高いので、ローサイドＦＥＴ２は異常（ＯＦＦ故障）と判断する（ステップＳ５７）。
上記の診断処理によりＦＥＴ１，２のＯＮ／ＯＦＦ制御に対応するＵ相のＭＶ端子（ＭＶ１）電圧が正常値を示している場合、制御部３０は、ステップＳ３７において、ＦＥＴ１，２はＯＮ故障、ＯＦＦ故障のいずれでもなく、ともに正常状態と判定し、その判定結果をメモリ２５に格納する。
制御部３０は、ステップＳ３９において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のすべての相について、上記の故障診断が完了したか否かを判定する。全相について故障診断を完了していない場合、処理をステップＳ１１に戻して故障診断対象のＦＥＴの相を変更する。
すなわち、Ｖ相について上記ステップＳ１１〜Ｓ３７の診断処理を実行し、Ｖ相のハイサイドＦＥＴ３とローサイドＦＥＴ４のＯＮ／ＯＦＦ制御時におけるＭＶ端子（ＭＶ２）電圧を監視する。同様にＷ相についても上記ステップＳ１１〜Ｓ３７の診断処理を行い、Ｗ相のハイサイドＦＥＴ５とローサイドＦＥＴ６のＯＮ／ＯＦＦ制御時におけるＭＶ端子（ＭＶ３）電圧を監視する。
ステップＳ５１でハイサイドＦＥＴが異常（ＯＮ故障）と判断された状態は、図４の「診断モード２」の「ハイサイドＦＥＴ：ＯＮ故障、ローサイドＦＥＴ：正常」の故障パターン（失陥パターン）に対応する。また、ローサイドＦＥＴが異常（ＯＮ故障）としたステップＳ５３の判断は、図４の「診断モード４」の「ハイサイドＦＥＴ：正常、ローサイドＦＥＴ：ＯＮ故障」の故障パターン（失陥パターン）に対応している。
同様に、ハイサイドＦＥＴ１が異常（ＯＦＦ故障）とされたステップＳ５５の判断は、図４の「診断モード３」の「ハイサイドＦＥＴ：ＯＦＦ故障、ローサイドＦＥＴ：正常」の故障パターン（失陥パターン）に対応し、ローサイドＦＥＴ２が異常（ＯＦＦ故障）と判断されたステップＳ５７は、図４の「診断モード５」の「ハイサイドＦＥＴ：正常、ローサイドＦＥＴ：ＯＦＦ故障」の故障パターン（失陥パターン）に対応している。
なお、ハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴのいずれかがＯＮ故障状態にあると判断された場合（図４の診断モード２，４）、他方のＦＥＴをＯＮ信号によって駆動させると貫通電流（短絡電流）が流れる。そのため、本実施形態に係る電子制御ユニットにおける故障診断処理では、かかる診断状態を回避する。
このようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれについて、上記ステップＳ１１〜Ｓ３７の診断処理を行うことで、各相に対応するハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴの故障状態と故障部位を特定できる。
本実施形態に係る電子制御ユニットをモータ駆動制御ユニットとして電動パワーステアリング装置に搭載した場合、上記のＦＥＴ故障診断後において、図５に示す処理を追加的に行う構成としてもよい。
すなわち、図３のステップＳ５１，Ｓ５３，Ｓ５５，Ｓ５７におけるＦＥＴの故障判定後、制御部３０は、図５のステップＳ６１において、その故障判定結果をメモリ２５に格納する。そして、ステップＳ６３で、上記ステップＳ５１，Ｓ５３，Ｓ５５，Ｓ５７における故障判定結果に応じた警告表示を行う。
警告表示としては、例えば車両のパネルに設けたランプの点灯、点滅等により、電子制御ユニットのインバータ回路でスイッチング素子（ＦＥＴ）に故障が発生している旨を告知する表示が考えられる。
制御部３０は、ステップＳ６５で、検知対象とするＦＥＴについて故障状態にあると判断されたのが最初（１回目）か否かを判断する。それが１回目の故障判断であれば、ステップＳ６７において、全相について故障診断が完了したかどうかを判断する。全相の故障診断が完了していない場合には、処理を図３のステップＳ１１に戻す。
一方、全相について故障診断処理が完了している場合、制御部３０は、ステップＳ６９で、その故障が１相のＦＥＴのみの故障（単一失陥）であって、ＦＥＴのＯＦＦ故障か否かを判断する。１相のみの故障であって、かつ、ＯＦＦ故障であれば、そのインバータ回路（モータ駆動回路）を搭載した電動パワーステアリング装置におけるステアリングハンドルへのアシストを継続する（ステップＳ７３）。
これにより、２相による縮退したモータ駆動によるアシスト継続が可能となり、車両の運転者に対するハンドル操作の補助を続行できる。このとき、図２に示していないが、異常を示す相リレーをＯＦＦにして、異常を示す相のみを切り離してもよい。
ステップＳ６５において、検知対象のＦＥＴについて複数回（２回目以降）の故障が判断された場合、あるいは、ステップＳ６９において、ＦＥＴの故障が１相のみの故障ではないと判断された場合、あるいは、１相のみの故障であってもＦＥＴのＯＮ故障の場合には、制御部３０は、ステップＳ７１において、ステアリングハンドルへのアシストを中止する。これにより、複数回、故障と判断された場合等において、ＦＥＴの焼失等による危険回避、アシスト機能の顕著な劣化を防止できる。
制御部３０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ全相について全ＦＥＴが正常であると診断した場合（ステップＳ３７，Ｓ３９）、あるいは、ステップＳ６７で、全相のＦＥＴの故障診断後において１相のみの故障が継続し、ステップＳ７３でアシスト継続処理を行った場合、ステップＳ７５において全相についての故障診断回数が所定回数（ｎ回）以上であるか否かを判断する。
このように、全相のＦＥＴの故障判定を複数回行うことで、所定の処理時間（例えば、数十ｍｓ）、パワー素子としてのＦＥＴについて確実な故障判定処理を継続して実行でき、より精度の高い故障判定結果を得ることができる。
なお、所定の処理時間に故障診断を複数回行う構成に代えて、例えば、図５のステップＳ７５において、故障診断の判断回数ｎを１回あるいは数回に限定することで、ＥＣＵの起動時（モータ駆動時の初期）においてインバータ回路の初期故障の有無を診断して、電動パワーステアリング用モータ制御装置の初期故障に対応する構成を実現できる。
また、ステップＳ７５の故障診断回数ｎに制限を設けず、常時、インバータ回路のＦＥＴ故障の有無を診断する構成により、ＥＣＵの起動時のみならず、ＥＣＵが制御を実行中、電動パワーステアリング用モータ制御装置の故障に常時（すなわちモータ駆動後、継続して）、対応できる。
さらには、インバータ回路のＦＥＴ故障の発生時期に応じてアシストの中止またはアシストの継続を行う構成とすることで、電動パワーステアリング用モータ制御装置において、ＦＥＴの故障の度合いに応じたモータ駆動、ＦＥＴの故障の度合いに応じたアシスト機能を提供できる。
以上説明したように本実施形態に係る電子制御ユニットは、モータ駆動用の複数の半導体スイッチング素子（ＦＥＴ）からなるインバータ回路の各相に対応するモータ端子（ＭＶ端子）電圧を、コンパレータ（電圧比較手段）によって閾値電圧と比較する。同時に、故障診断対象であるハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴに応じて閾値電圧を変更し、コンパレータからのデジタル出力（２値のデジタル信号）より、ＭＶ端子電圧値が正常あるいは異常かを監視して、ＦＥＴのＯＮ故障、ＯＦＦ故障状態を判定する構成を有する。
このように制御部は、コンパレータからのデジタル出力値をもとに複数のＦＥＴそれぞれの故障の有無を判定するので、アナログ／デジタル信号変換が不要になるとともに信号応答遅延がなくなり、誤判定回避のための待ち時間が不要となる。その結果、インバータ回路のＦＥＴの故障の有無を迅速に診断して故障診断に要する時間を短縮できる。
電圧比較手段であるコンパレータに被測定電圧（ＭＶ端子電圧）を入力し、コンパレータからのデジタル出力値をもとに駆動素子の故障の有無を判定するので、従来の信号回路における被測定電圧のノイズ除去等のための部品点数を削減できる。
また、ハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴそれぞれの異常の有無の判定に対応させた基準電圧の可変機能を持たせることで、ＦＥＴごとに確実な異常判定を実行でき、故障しているＦＥＴの特定が容易になる。
さらに、故障しているＦＥＴの特定とともに、ＦＥＴのＯＮ故障のみならずＯＦＦ故障も容易に判定でき、その際、故障診断のための駆動パルス生成回路が不要となるので、故障判定の回路構成が簡素化され、電子制御ユニットにおける部品点数の削減、基板面積の小型化が可能となる。
また、電動パワーステアリング装置において、上述したインバータ回路のＦＥＴ短絡等の故障診断機能を搭載した電動パワーステアリング用モータ制御装置を備えることで、電動パワーステアリングシステムにおいてモータ駆動用パワー素子の故障の有無を簡単な構成で判定できる。その結果、電動パワーステアリング用モータ制御装置の起動時間を短縮でき、操舵アシスト開始までの時間を早めることが可能となる。
また、操舵アシスト中にパワー素子の異常を検出した場合にも短時間で故障を判定（確定）できるので、故障でないと判定された場合に操舵アシスト停止時間を短くすることが可能となる。
＜変形例＞
本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、モータ端子（ＭＶ端子）電圧をコンパレータで比較する構成に加えて、図６に示すように、インバータ電源電圧ＶＩＮを監視するインバータ電源電圧監視部３９を設けて、バッテリＢＴからモータ駆動部５０に供給される電源電圧を監視するとともに、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６それぞれのドレイン−ソース端子間（ＤＳ間）の電圧を監視するＤＳ間電圧監視部４１ａ〜４１ｆを有する構成としてもよい。
インバータ電源電圧監視部３９における電圧監視結果は、制御部（不図示）に内蔵されたＡ／Ｄ変換部において、インバータ電源電圧値を示すデジタル信号に変換される。また、ＤＳ間電圧監視部４１ａ〜４１ｆは、各ＦＥＴのドレイン−ソース端子間（ＤＳ間）電圧を所定の閾値と比較することにより、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６の短絡等の異常検知（異常監視）を行う。
ＦＥＴのドレイン・ソース間のオン抵抗は、通常、数ｍΩであることから、ＦＥＴをＯＮ駆動したときのＤＳ間電位が異常に高い場合には、通常以上の電流が流れているとして、ＦＥＴが短絡故障状態にある（ＯＮ故障）と判断できる。また、ＯＦＦ故障とは、ゲート閾値電圧以上の電圧を印加してＦＥＴをＯＮ駆動しても、通電状態（ＯＮ状態）とならないことを意味する。
例えば、ＯＦＦ故障状態にあるＦＥＴを駆動しても、そのＤＳ間電圧は低下しないため、プリドライバ部４０のＤＳ間電圧監視部は、そのＦＥＴに対して異常（ＯＦＦ故障状態）を検知する。このとき貫通電流は流れず、インバータ電源電圧は低下しないので、異常が検知されているＦＥＴを故障部位と特定できる。
このように、ＭＶ端子電圧監視部６０における閾値によるモータ端子（ＭＶ端子）電圧の監視と、プリドライバ部４０におけるインバータ電源電圧の監視、およびインバータ回路を構成するＦＥＴ１〜ＦＥＴ６のドレイン−ソース端子間（ＤＳ間）の電圧の監視とを組み合わせることで、より的確な故障モードの判断と故障部位の特定が可能となる。
なお、ＭＶ端子電圧監視部６０における閾値電圧の設定は、上述した構成に限定されない。例えば、ハイサイドＦＥＴとローサイドＦＥＴそれぞれの異常の有無の判定に対応させて、制御部の２つの出力ポートから閾値電圧ＴＨ１，ＴＨ２を個別に出力して、コンパレータに閾値電圧を設定するようにしてもよい。
また、電子制御ユニット２０においてプリドライバ部４０とＭＶ端子電圧監視部６０を個別に設けず、例えば、プリドライバ部４０にＭＶ端子電圧監視部６０を内蔵させた構成としてもよい。
１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリングハンドル
３ 回転軸
４ 減速ギア
６ ピニオンギア
７ ラック軸
１５ 電動モータ
２０ モータ駆動制御ユニット
２５ メモリ
２７ 電源リレー
３０ 制御部（ＣＰＵ）
３９ インバータ電源電圧監視部
４０ プリドライバ部
４１ａ〜４１ｆ ＤＳ間電圧監視部
４３ａ〜４３ｆ ドライバ（プリドライバ）
４４ 信号生成部
４６ インターフェイス部
５０ インバータ回路（モータ駆動部）
６０ ＭＶ端子電圧監視部
６１ａ〜６１ｃ コンパレータ
ＢＴ 外部バッテリ

Claims (17)

  1. 複数の高電位側駆動素子および低電位側駆動素子からなるインバータ回路の故障診断方法であって、
    電圧比較手段に基準電圧を設定する設定工程と、
    前記高電位側駆動素子と前記低電位側駆動素子を駆動する工程と、
    前記駆動後における前記高電位側駆動素子と前記低電位側駆動素子との接続点の電圧と、前記基準電圧との比較結果を前記電圧比較手段より取得する工程と、
    前記比較結果をもとに前記高電位側駆動素子および前記低電位側駆動素子の故障の有無を判定する判定工程と、
    を備えるインバータ回路の故障診断方法。
  2. 前記設定工程において、前記高電位側駆動素子の故障判定と前記低電位側駆動素子の故障判定それぞれに対応させて前記基準電圧を変更することを特徴とする請求項１に記載のインバータ回路の故障診断方法。
  3. 前記電圧比較手段へ異なる２つの論理値信号を入力して前記基準電圧を変更することを特徴とする請求項２に記載のインバータ回路の故障診断方法。
  4. 前記比較結果を異なる２つの論理値信号として取得することを特徴とする請求項１に記載のインバータ回路の故障診断方法。
  5. 前記判定工程は、前記高電位側駆動素子および前記低電位側駆動素子それぞれのＯＮ故障とＯＦＦ故障を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータ回路の故障診断方法。
  6. 前記判定工程において前記故障の有無の判定を複数回行うことを特徴とする請求項５に記載のインバータ回路の故障診断方法。
  7. インバータ回路を構成する高電位側駆動素子および低電位側駆動素子の故障診断用の回路基板であって、
    基準電圧と前記インバータ回路からの被測定電圧とを比較する電圧比較手段と、
    前記電圧比較手段からの出力をもとに、請求項１〜６のいずれかに記載の故障診断方法によって、前記高電位側駆動素子および前記低電位側駆動素子の故障の有無を判断する判定手段と、
    を備えることを特徴とする回路基板。
  8. モータの駆動用のインバータ回路を有するモータ制御装置であって、
    基準電圧と前記インバータ回路からの被測定電圧とを比較する電圧比較手段と、
    前記電圧比較手段からの出力をもとに、請求項１〜６のいずれかに記載の故障診断方法によって、前記インバータ回路を構成する高電位側パワー素子および低電位側パワー素子それぞれの故障の有無を判定する判定手段と、
    を備えることを特徴とするモータ制御装置。
  9. 前記被測定電圧は、前記高電位側パワー素子と前記低電位側パワー素子との接続点の電圧であってモータ端子電圧であることを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
  10. 前記モータは３相モータであり、前記判定手段は前記３相の各相ごとに前記高電位側パワー素子と前記低電位側パワー素子の故障の有無を判定することを特徴とする請求項８または９に記載のモータ制御装置。
  11. 前記高電位側パワー素子および前記低電位側パワー素子は前記インバータ回路においてモータ駆動用のブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
  12. 車両等の運転者のハンドル操作をアシストする電動パワーステアリング用モータ制御装置であって、
    モータ駆動用のインバータ回路と、
    基準電圧と前記インバータ回路からの被測定電圧とを比較する電圧比較手段と、
    前記電圧比較手段からの出力をもとに、請求項１〜６のいずれかに記載の故障診断方法によって、前記インバータ回路を構成する高電位側パワー素子および低電位側パワー素子それぞれの故障の有無を判定する判定手段と、
    を備えることを特徴とする電動パワーステアリング用モータ制御装置。
  13. 前記判定手段はモータ駆動時の初期にのみ前記故障の有無を判定することを特徴とする請求項１２に記載の電動パワーステアリング用モータ制御装置。
  14. 前記判定手段はモータ駆動後、継続して前記故障の有無を判定することを特徴とする請求項１２に記載の電動パワーステアリング用モータ制御装置。
  15. 前記故障の発生時期に応じて前記アシストの中止または継続を判断することを特徴とする請求項１３または１４に記載の電動パワーステアリング用モータ制御装置。
  16. 前記高電位側パワー素子および前記低電位側パワー素子は前記インバータ回路においてモータ駆動用のブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング用モータ制御装置。
  17. 請求項１２〜１６のいずれかに記載の電動パワーステアリング用モータ制御装置を備えた電動パワーステアリングシステム。
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