JP2024068337A - 故障検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の故障検出回路では、少ない演算処理でインバータの故障を検出することが出来ない問題があった。【解決手段】本発明の故障検出回路は、隣接する位相の２つのパルス幅変調信号のパルス幅の差成分を示す検出信号ＵＶ、ＶＷ、ＷＶを、パルス幅変調信号の組み合わせ毎に生成する矩形パルス比較回路１５と、矩形パルス比較回路１５が出力する複数の検出信号ＵＶ、ＶＷ、ＷＶの論理レベルの組み合わせが予め設定した判定値ＤＶとズレたことに基づきインバータ１１が故障したことを検出する故障診断部２３と、を有し、故障診断部２３は、三相交流信号のうち隣接する位相の２つの交流信号が同一電圧となると予め想定したモータ回転角毎に異なる判定値ＤＶを用いる。【選択図】図１

Description

本開示は、故障検出回路に関し、モータを駆動する三相交流信号を出力するインバータの故障を検出する故障検出回路に関する。

モータの駆動方式の１つに三相交流信号によりモータを制御する三相駆動方式がある。この三相駆動方式では、インバータによりＰＷＭ信号を出力し、このＰＷＭ信号の平均電圧を交流信号とすることが行われる。また、三相駆動方式では、駆動信号の間の位相差及び駆動信号の振幅が予め設定した値で維持されることが重要になる。そこで、三相駆動方式においてインバータが出力する信号を検査する方法が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載されたモータ駆動装置は、３相ブラシレスモータに交流電力を供給するインバータと、前記インバータの各相の下アームとグランドとの間に直列に接続したシャント抵抗と、前記シャント抵抗の両端の電位差を検出する第１検出回路と、前記シャント抵抗の両端の電位差を検出する第２検出回路と、前記シャント抵抗の両端の電位差を検出する第３検出回路と、前記第１検出回路の出力、前記第２検出回路の出力、及び前記第３検出回路の出力を入力し、前記インバータを制御する制御部と、を備えた、モータ駆動装置であって、前記制御部は、前記第１検出回路の出力、前記第２検出回路の出力、及び前記第３検出回路の出力を比較して、前記第１検出回路、前記第２検出回路、前記第３検出回路のうちの故障している検出回路を判別し、前記第１検出回路、前記第２検出回路、前記第３検出回路のうち、故障していると判別した検出回路以外の検出回路の出力に基づき、前記インバータを制御する。また、特許文献１に記載の制御部は、前記第１検出回路の出力及び前記第２検出回路の出力をアナログ－デジタル変換する第１のアナログ－デジタル変換回路と、前記第２検出回路の出力及び前記第３検出回路の出力をアナログ－デジタル変換する第２のアナログ－デジタル変換回路と、を備える。

特開２０２１－１８４６６８号公報

しかしながら、三相駆動方式で用いられるインバータでは、電流リプルを抑制するために、一般的にキャリア信号（例えば、ＰＷＭ信号）の周波数は三相交流信号の周波数よりも高く設定される（例えば、２０ｋＨｚ程度）。このキャリア信号をサンプリングする場合、キャリア信号の周波数よりも十分に高い周波数（例えば、２ＭＨｚ）で信号をサンプリングし信号処理を行う必要がある。特許文献１では、三相交流信号に対してアナログデジタル変換を施し、アナログデジタル変換によって得られた値に基づきインバータの故障検出を行う。そのため、特許文献１に記載のモータ駆動装置では、故障を検出するために高い周波数で動作可能なＭＣＵ（Micro Controller Unit）を用いる必要があり、消費電流が増大する問題がある。

本開示は、上記に示す課題を鑑みてなされたものであり、少ない演算処理でインバータの故障を検出することが可能な故障検出回路を提案するものである。

本開示にかかる故障検出回路は、モータを駆動する三相交流信号となる三相のパルス幅変調信号を出力するインバータの故障を検出する故障検出回路であって、隣接する位相の２つの前記パルス幅変調信号のパルス幅の差成分を示す検出信号を、前記パルス幅変調信号の組み合わせ毎に生成する矩形パルス比較回路と、前記矩形パルス比較回路が出力する複数の前記検出信号の論理レベルの組み合わせが予め設定した判定値とズレたことに基づき前記インバータが故障したことを検出する故障診断部と、を有し、前記故障診断部は、前記三相交流信号のうち隣接する位相の２つの交流信号が同一電圧となると予め想定したモータ回転角毎に異なる判定値を用いる。

本開示にかかる故障検出回路は、パルス幅変調信号のパルス幅の差異の有無の組み合わせをモータ回転角毎に設定された判定値と比較する。

本開示によれば処理能力の低い演算装置によってインバータの異常を検出することができる。

実施の形態１にかかるモータ駆動装置のブロック図である。 実施の形態１にかかる矩形パルス比較回路の回路図である。 実施の形態１にかかるフィルタ回路の回路図である。 三相交流信号が正常である場合にインバータが出力する変調波のタイミングチャートである。 三相交流信号が正常である場合の矩形パルス比較回路の動作を説明するタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる故障診断部に適用される判定値を説明する表である。 実施の形態１にかかる故障診断部の動作を説明するタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相に位相ずれ故障が発生した場合にインバータが出力する変調波のタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相に位相ずれ故障が発生した場合の矩形パルス比較回路の動作を説明するタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相の周波数が高くなる故障が発生した場合にインバータが出力する変調波のタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相の周波数が高くなる故障が発生した場合の矩形パルス比較回路の動作を説明するタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相の周波数が低くなる故障が発生した場合にインバータが出力する変調波のタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相の周波数が低くなる故障が発生した場合の矩形パルス比較回路の動作を説明するタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相がロウ側に張り付く故障が発生した場合にインバータが出力する変調波のタイミングチャートである。 三相交流信号のＶ相がロウ側に張り付く故障が発生した場合の矩形パルス比較回路の動作を説明するタイミングチャートである。 実施の形態２にかかる矩形パルス比較回路の回路図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施の形態に限定するものではない。また、実施の形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。以下、図面を参照しながら実施の形態について説明する。

実施の形態１
まず、図１に実施の形態１にかかるモータ駆動装置のブロック図を示す。実施の形態１にかかるモータ駆動装置は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）１０によりモータ１２の回転角と速度指令値（不図示）に応じて駆動信号の周波数及びパルス幅を変化させ、当該駆動信号をインバータ１１に与えることでモータを駆動する三相交流信号を生成する。ここで、ＭＣＵ１０は、例えば、プログラムを実行可能な演算部と、駆動信号となるＰＷＭ（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）信号を生成するＰＷＭ処理ユニット、デジタル入力インタフェース、アナログ入力インタフェース、タイマ等の様々な処理ユニットが内蔵される半導体装置である。

実施の形態１にかかる故障検出回路１は、図１で示したモータ駆動装置の一部に組み込まれる。具体的には、故障検出回路１の一部は、ＭＣＵ１０の機能を用いて実現される。そこで、以下の説明では、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の全体を説明し、その後に故障検出回路１について詳細に説明する。

図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ駆動装置は、ＭＣＵ１０、インバータ１１、モータ１２、角度センサ１３、レベル変換回路１４、矩形パルス比較回路１５、フィルタ回路１６を有する。また、ＭＣＵ１０は、モータ制御部２０、回転角取得部２１、アナログ入力部２２、故障診断部２３を有する。

モータ制御部２０は、回転角取得部２１により取得されるモータ１２の回転角と、図示しない上位システムから与えられる速度指令値に応じてインバータ１１に与える駆動信号の周波数とパルス幅を変化させる。モータ制御部２０は、演算機能とＰＷＭ処理ユニット、タイマ等を用いて実現される。

インバータ１１は、直流で与えられる電源から三相交流信号を生成する。具体的には、インバータ１１は、Ｕ相交流信号を生成する第１のインバータ、Ｖ相交流信号を生成する第２のインバータ、Ｗ相交流信号を生成する第３のインバータを有する。第１のインバータから第３のインバータは、モータ制御部２０が出力する駆動信号により位相が１２０°異なる三相交流信号をする。

第１のインバータは、電源配線と接地配線との間に直列に接続されるトランジスタＴ１とトランジスタＴ２とを有する。そして、第１のインバータは。トランジスタＴ１とトランジスタＴ２とが接続されるノードからＵ相交流信号を出力する。第２のインバータは、電源配線と接地配線との間に直列に接続されるトランジスタＴ３とトランジスタＴ４とを有する。そして、第２のインバータは。トランジスタＴ３とトランジスタＴ４とが接続されるノードからＶ相交流信号を出力する。第３のインバータは、電源配線と接地配線との間に直列に接続されるトランジスタＴ５とトランジスタＴ６とを有する。そして、第３のインバータは。トランジスタＴ５とトランジスタＴ６とが接続されるノードからＷ相交流信号を出力する。

インバータ１１では、第１のインバータから第３のインバータがモータ制御部２０が出力する駆動信号のパルス幅に応じてデューティー比が変化するＰＷＭ（パルス幅変調）信号を出力する。そして、各インバータが出力したＰＷＭ信号の所定期間内の平均電圧が時間経過とともに変化する。つまり、各インバータが出力したＰＷＭ信号の所定期間内の平均電圧が交流信号となる。

モータ１２は、三相交流モータである。また、モータ１２には角度センサ１３が備えられている。角度センサ１３は、モータ１２の回転角を検出して、検出したモータ１２の回転角情報を出力する。この回転角情報は、回転角取得部２１に伝達され、ＭＣＵ１０内の処理で利用される。

レベル変換回路１４は、三相交流信号となる各相に対応したＰＷＭ信号の振幅をロジックレベル（例えば、３．３Ｖ、又は、５．０Ｖ程度の振幅）に変換する。矩形パルス比較回路１５は、隣接する位相の２つのＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を示す検出信号を、ＰＷＭ信号の組み合わせ毎に生成する。より具体的には、矩形パルス比較回路１５は、Ｕ相のＰＷＭ信号とＶ相のＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を検出信号ＵＶとして出力し、Ｖ相のＰＷＭ信号とＷ相のＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を検出信号ＶＷとして出力し、Ｗ相のＰＷＭ信号とＵ相のＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を検出信号ＷＵとして出力する。

ここで、矩形パルス比較回路１５の具体的回路の一例について説明する。図２に実施の形態１にかかる矩形パルス比較回路１５の回路図を示す。図２に示すように、矩形パルス比較回路１５は、排他的論理和回路３１～３３を有する。排他的論理和回路３１は、Ｕ相のＰＷＭ信号とＶ相のＰＷＭ信号の排他的論理和演算結果を検出信号ＵＶとして出力する。排他的論理和回路３２は、Ｖ相のＰＷＭ信号とＷ相のＰＷＭ信号の排他的論理和演算結果を検出信号ＶＷとして出力する。排他的論理和回路３３は、Ｗ相のＰＷＭ信号とＵ相のＰＷＭ信号の排他的論理和演算結果を検出信号ＷＵとして出力する。

フィルタ回路１６は、複数の検出信号（例えば、検出信号ＵＶ、ＶＷ、ＷＵ）をそれぞれ平滑化して、平滑化した検出信号をモータ制御部２０内のアナログ入力部２２に伝達する。より具体的には、複数の検出信号は、それぞれがパルス波であり、フィルタ回路１６は、複数の検出信号の所定時間内の平均電圧を有する直流電圧を出力する。この直流電圧は、所定時間で見たときに直流電圧と見なせるものであり、所定時間を越えた長い時間で見たときには電圧が変動する。

ここで、フィルタ回路１６の具体的回路の一例について説明する。図３に実施の形態１にかかるフィルタ回路１６の回路図を示す。図３に示すように、フィルタ回路１６は、単位フィルタ回路４１～４３を有する。単位フィルタ回路４１～４３は、信号伝達線上に挿入された抵抗と抵抗の出力側の配線と接地配線との間に設けられたコンデンサにより構成される１次のローパスフィルタである。そして、単位フィルタ回路４１は、検出信号ＵＶを平滑化してモニタ信号ＵＶｍを出力する。単位フィルタ回路４２は、検出信号ＶＷを平滑化してモニタ信号ＶＷｍを出力する。単位フィルタ回路４３は、検出信号ＷＵを平滑化してモニタ信号ＷＵｍを出力する。

アナログ入力部２２は、複数のモニタ信号（例えば、モニタ信号ＵＶｍ、ＶＷｍ、ＷＵｍ）のそれぞれの電圧レベルを判断し、モニタ信号が閾値以上（論理レベルとしてハイレベルとして認識できる電圧レベル）であればハイレベルのモニタ信号を故障診断部２３に伝達し、モニタ信号が閾値未満（論理レベルとしてロウレベルとして認識できる電圧レベル）であればロウレベルのモニタ信号を故障診断部２３に伝達する。

故障診断部２３は、矩形パルス比較回路１５が出力する複数の検出信号の論理レベルの組み合わせが予め設定した判定値ＤＶとズレたことに基づきインバータ１１が故障したことを検出する。このとき、故障診断部２３は、三相交流信号のうち隣接する位相の２つの交流信号が同一電圧となると予め想定したモータ回転角毎に異なる判定値ＤＶを用いる。この判定値ＤＶについての詳細は後述する。

回転角取得部２１は、角度センサ１３から取得したモータ回転角情報をモータ制御部２０及び故障診断部２３に伝達する。故障診断部２３は、回転角取得部２１から伝達されたモータ回転角情報に基づき判断基準に用いる判定値ＤＶを切り替える。

上記説明において、実施の形態１にかかる故障検出回路１は、レベル変換回路１４、矩形パルス比較回路１５、フィルタ回路１６、回転角取得部２１、アナログ入力部２２、故障診断部２３により構成される。なお、フィルタ回路１６を削除し、アナログ入力部２２をデジタル信号をサンプリングするアナログ入力部に変更する、或いは、アナログ入力部２２をパルスの立ち上がりエッジをカウントするカウンタに変更することも可能である。この場合、カウンタは、矩形パルス比較回路１５が出力する複数の出力信号のパルス数をカウントし、故障診断部２３が検出信号毎のカウント値の組み合わせを判定値と比較することでインバータ１１の故障検出を行う。

続いて、故障検出回路１の動作を説明する。そこで、まず故障検出回路１の判断に用いるＰＷＭ信号について説明する。図４に三相交流信号が正常である場合にインバータ１１が出力する変調波（例えばＰＷＭ信号）のタイミングチャートを示す。図４では、インバータ１１が出力する３相交流信号と、モータ回転角が３０°となる付近のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ信号のタイミングチャートを示した。

図４に示すように、三相交流信号は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流信号を含み、それぞれが１２０°の位相差を有する。また、各交流信号はモータが１回転（０～３６０°）する間に１周期の変動を有する。そのため、三相交流信号は、モータ回転角が３０°と２１０°でＵ相とＶ相の交流信号の電圧が同じになり、モータ回転角が９０°と２７０°でＶ相とＷ相の交流信号の電圧が同じになり、モータ回転角が１５０°と３３０°でＷ相とＵ相の交流信号の電圧が同じになる。

また、三相交流信号を生成するために出力されるＰＷＭ信号は、交流信号の電圧が高くなるほどデューティー比が大きく、交流信号の電圧が低くなるほどデューティー比が小さくなるようにパルス幅が変化する。ここで、図４では、モータ回転角が３０°付近のＰＷＭ信号を拡大して示した。この拡大図（図４の下図）を見ると、ＰＷＭ信号は、互いに同一の周波数及び位相を有し、かつ、対応する交流信号の位相に合わせてパルス幅変化パターンを有する。また、ＰＷＭ信号は、交流信号の電圧が同じである場合、ＰＷＭ信号のデューティー比はほぼ同じになる。実施の形態１にかかる故障検出回路１では、このＰＷＭ信号の特性を利用して、インバータ１１の異常を検出する。

続いて、図５に三相交流信号が正常である場合の矩形パルス比較回路１５の動作を説明するタイミングチャートを示す。図５は、モータ回転角が３０°付近であるときに矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号のタイミングチャートを示したものである。図５に示すように、インバータ１１が正常であり、モータ回転角が３０°付近ではＵ相とＶ相のＰＷＭ信号のパルス幅がほぼ同じになるため、Ｕ相のＰＷＭ信号とＶ相のＰＷＭ信号の排他的論理和演算結果である検出信号ＵＶがロウレベルとなる。図５に示す例では、モータ回転角が２５°～３５°となる範囲で検出信号ＵＶがロウレベルとなっている。一方、矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号ＶＷ、ＷＵについては、ハイレベル期間が検出信号ＵＶよりも顕著に長くなるパルスを含むものとなっている。

実施の形態１にかかる故障検出回路１では、図５に示した検出信号をフィルタ回路１６により平滑化する事で、パルスがなくなる期間にロウレベルとなり、デューティー比が所定の値以上（例えば２０％）となる期間にハイレベルとなる検出信号を故障診断部２３に与える。そして、故障診断部２３は、複数の検出信号のハイレベルとロウレベルの組み合わせが予め設定した判定値に一致するか否かによりインバータ１１の故障を診断する。そこで、故障診断部２３で用いられる判定値ＤＶについて説明する。

図６に実施の形態１にかかる故障診断部２３に適用される判定値ＤＶを説明する表を示す。図６に示すように、判定値ＤＶは、交流信号が同一電圧となると予め想定したモータ回転角毎に異なる。より具体的には、Ｕ相交流信号とＶ相交流信号が同一電圧となるモータ回転角が３０°、２１０°となるときの判定値ＤＶは、Ｕ相とＶ相のＰＷＭ信号の比較結果であるモニタ信号ＵＶｍがロウレベルであれば正常、ハイレベルであれば異常と規定される。Ｖ相交流信号とＷ相交流信号が同一電圧となるモータ回転角が９０°、２７０°となるときの判定値ＤＶは、Ｖ相とＷ相のＰＷＭ信号の比較結果であるモニタ信号ＶＷｍがロウレベルであれば正常、ハイレベルであれば異常と規定される。Ｗ相交流信号とＵ相交流信号が同一電圧となるモータ回転角が１５０°、３３０°となるときの判定値ＤＶは、Ｗ相とＵ相のＰＷＭ信号の比較結果であるモニタ信号ＷＵｍがロウレベルであれば正常、ハイレベルであれば異常と規定される。なお、図６において空欄の判定値ＤＶは、判定対象としないモニタ信号であることを意味する。

続いて、故障診断部２３の動作について詳細に説明する。そこで、図７に実施の形態１にかかる故障診断部２３の動作を説明するタイミングチャートを示す。図７に示すように、故障診断部２３は、動作を開始するとモータ回転角θを確認する（ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５）。そして、故障診断部２３は、モータ回転角θが３０°又は２１０°となった場合（ステップＳ１のＹＥＳの枝）は、ステップＳ２を実行し、モータ回転角θが９０°又は２７０°となった場合（ステップＳ３のＹＥＳの枝）は、ステップＳ４を実行し、モータ回転角θが１５０°又は３３０°となった場合（ステップＳ５のＹＥＳの枝）は、ステップＳ６を実行する。

ステップＳ２では、Ｕ相のＰＷＭ信号とＶ相のＰＷＭ信号の排他的論理和値（例えば、検出信号ＵＶ）がロウレベルであるか否かを判断する。そして、ステップＳ２において、検出信号ＵＶがハイレベルであった場合、故障診断部２３は、インバータ１１に故障が発生したと判断して動作を終了する。一方、ステップＳ２において、検出信号ＵＶがロウレベルであった場合、故障診断部２３は、モータ回転角のモニタを継続する（ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５）。

ステップＳ４では、Ｖ相のＰＷＭ信号とＷ相のＰＷＭ信号の排他的論理和値（例えば、検出信号ＶＷ）がロウレベルであるか否かを判断する。そして、ステップＳ４において、検出信号ＶＷがハイレベルであった場合、故障診断部２３は、インバータ１１に故障が発生したと判断して動作を終了する。一方、ステップＳ４において、検出信号ＶＷがロウレベルであった場合、故障診断部２３は、モータ回転角のモニタを継続する（ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５）。

ステップＳ６では、Ｗ相のＰＷＭ信号とＵ相のＰＷＭ信号の排他的論理和値（例えば、検出信号ＷＵ）がロウレベルであるか否かを判断する。そして、ステップＳ６において、検出信号ＷＵがハイレベルであった場合、故障診断部２３は、インバータ１１に故障が発生したと判断して動作を終了する。一方、ステップＳ６において、検出信号ＵＶがロウレベルであった場合、故障診断部２３は、モータ回転角のモニタを継続する（ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５）。

故障診断部２３は、インバータ１１の異常が検出されるまでステップＳ１～Ｓ６の処理を所定の周期で繰り返す。また、故障検出回路１では、故障診断部２３がインバータ１１の故障の有無の判断に用いる検出信号（より具体的には、モニタ信号ＵＶｍ、ＶＷｍ、ＷＵｍ）が非同期回路により生成されるため、ＭＣＵ１０の演算能力の高低にかかわらずに動作を実現する事が可能である。

ここで、故障検出回路１により検出可能なインバータ１１の故障モードについて説明する。以下では、故障検出回路１により検出可能な４つの故障モードについて説明する。

まず、第１の故障モードとして三相交流信号のうちＶ相の交流信号に位相ズレが生じた異常状態を説明する。図８に三相交流信号のＶ相に位相ずれ故障が発生した場合にインバータ１１が出力する変調波のタイミングチャートを示す。図８に示す例では、図４に示した正常状態に比べてＶ相の交流信号の位相が１８０°遅れている。このＶ相の交流信号が遅れると、モータ回転角が３０°付近では、Ｖ相の交流信号とＵ相の交流信号との電圧にズレが生じる。また、モータ回転角が３０°付近のＶ相の交流信号は、高電圧側の最も高い電圧付近の電圧値となっている。そのため、図８に示す例では、Ｖ相のＰＷＭ信号のデューティー比は、Ｕ相のＰＷＭ信号のデューティー比よりも高くなる。

続いて、図９に三相交流信号のＶ相に位相ずれ故障が発生した場合の矩形パルス比較回路１５の動作を説明するタイミングチャートを示す。図９は、モータ回転角が３０°付近であるときに、図８に示したＰＷＭ信号が入力された矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号のタイミングチャートを示したものである。図９に示すように、図８に示したような位相ズレが生じた場合、モータ回転角が３０°付近の検出信号ＵＶは、パルスが含まれ、ロウレベルにならない。そのため、図８、図９で示した位相ズレが生じた場合、故障検出回路１は、判定値ＤＶを参照してインバータ１１に異常が生じたと判定する。

次いで、第２の故障モードとして三相交流信号のうちＶ相の交流信号に周波数が高くなる異常状態を説明する。図１０に三相交流信号のＶ相の周波数が高くなる故障が発生した場合にインバータ１１が出力する変調波のタイミングチャートを示す。図１０に示す例では、図４に示した正常状態に比べてＶ相の交流信号の周波数が２倍程度高くなっている。このようにＶ相の周波数が高くなると、モータ回転角が３０°付近では、Ｖ相の交流信号とＵ相の交流信号との電圧にズレが生じる。具体的には、図１０では、モータ回転角が３０°付近のＶ相の交流信号の電圧がＵ相交流信号の電圧よりも低くなっている。そのため、図１０に示す例では、Ｖ相のＰＷＭ信号のデューティー比は、Ｕ相のＰＷＭ信号のデューティー比よりも低くなる。

続いて、図１１に三相交流信号のＶ相の周波数が高くなる故障が発生した場合の矩形パルス比較回路１５の動作を説明するタイミングチャートを示す。図１１は、モータ回転角が３０°付近であるときに、図１０に示したＰＷＭ信号が入力された矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号のタイミングチャートを示したものである。図１１に示すように、図１０に示したような周波数の高周波側へのズレが生じた場合、モータ回転角が３０°付近の検出信号ＵＶは、パルスが含まれ、ロウレベルにならない。そのため、図１０、図１１で示した周波数ズレが生じた場合、故障検出回路１は、判定値ＤＶを参照してインバータ１１に異常が生じたと判定する。

次いで、第３の故障モードとして三相交流信号のうちＶ相の交流信号に周波数が低くなる異常状態を説明する。図１２に三相交流信号のＶ相の周波数が低くなる故障が発生した場合にインバータ１１が出力する変調波のタイミングチャートを示す。図１２に示す例では、図４に示した正常状態に比べてＶ相の交流信号の周波数が１／２倍程度低くなっている。このようにＶ相の周波数が低くなると、モータ回転角が３０°付近では、Ｖ相の交流信号とＵ相の交流信号との電圧にズレが生じる。具体的には、図１２では、モータ回転角が３０°付近のＶ相の交流信号の電圧がＵ相交流信号の電圧よりも高くなっている。そのため、図１２に示す例では、Ｖ相のＰＷＭ信号のデューティー比は、Ｕ相のＰＷＭ信号のデューティー比よりも高くなる。

続いて、図１３に三相交流信号のＶ相の周波数が低くなる故障が発生した場合の矩形パルス比較回路１５の動作を説明するタイミングチャートを示す。図１３は、モータ回転角が３０°付近であるときに、図１２に示したＰＷＭ信号が入力された矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号のタイミングチャートを示したものである。図１３に示すように、図１２に示したような周波数の高周波側へのズレが生じた場合、モータ回転角が３０°付近の検出信号ＵＶは、パルスが含まれ、ロウレベルにならない。そのため、図１２、図１３で示した周波数ズレが生じた場合、故障検出回路１は、判定値ＤＶを参照してインバータ１１に異常が生じたと判定する。

次いで、第４の故障モードとして三相交流信号のうちＶ相の交流信号がロウ側に張り付く異常状態を説明する。図１４に三相交流信号のＶ相がロウ側に張り付く故障が発生した場合にインバータ１１が出力する変調波のタイミングチャートを示す。図１４に示す例では、図４に示したように本来はサイン波となるＶ相の交流信号がロウ側に張り付いたままになっている。このようにＶ相の電圧がロウレベルに張り付いている場合、モータ回転角が３０°付近では、Ｖ相の交流信号とＵ相の交流信号との電圧にズレが生じる。具体的には、図１４では、モータ回転角が３０°付近のＶ相の交流信号の電圧がＵ相交流信号の電圧よりも低くなっている。そのため、図１４に示す例では、Ｖ相のＰＷＭ信号のデューティー比は、Ｕ相のＰＷＭ信号のデューティー比よりも低くなる。

続いて、図１５に三相交流信号のＶ相がロウ側に張り付く故障が発生した場合の矩形パルス比較回路１５の動作を説明するタイミングチャートを示す。図１５は、モータ回転角が３０°付近であるときに、図１４に示したＰＷＭ信号が入力された矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号のタイミングチャートを示したものである。図１５に示すように、図１４に示したようなＶ相の交流信号がロウ側に張り付いた場合、モータ回転角が３０°付近の検出信号ＵＶは、パルスが含まれ、ロウレベルにならない。そのため、図１４、図１５で示した交流信号のロウ側への張り付き故障が生じた場合、故障検出回路１は、判定値ＤＶを参照してインバータ１１に異常が生じたと判定する。

上記説明より、実施の形態１にかかる故障検出回路１では、矩形パルス比較回路１５により三相交流信号となるＰＷＭ信号のパルス幅を隣接相間で比較し、パルス幅の差成分を示す検出信号を生成する。そして、実施の形態１にかかる故障検出回路１では、正常動作であればパルス幅の差成分がなくなるモータ回転角毎に設定した判定値ＤＶを参照して、入力される検出信号の差成分の大きさを検証することでインバータ１１の故障を判定する。このとき、実施の形態１にかかる故障検出回路１では、ＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を含む検出信号を非同期回路で生成するため、検出信号の生成にＭＣＵ１０に高い演算能力が必要ない。これにより、実施の形態１にかかる故障検出回路１では、処理能力の低い演算装置（例えばＭＣＵ１０）によってインバータの異常を検出することができ、ＭＣＵ１０の消費電力を低減することができる。

さらに実施の形態１にかかる故障検出回路１では、矩形パルス比較回路１５が出力する検出信号をフィルタ回路１６により平滑化することで、ＭＣＵ１０に実質的に直流信号となるモニタ信号として検出信号を与えることでＭＣＵ１０の処理能力の消費をより抑制することができる。

また、実施の形態１にかかる故障検出回路１では、故障診断部２３がモータ回転角に基づき適用する判定値ＤＶを変更するが、モータ回転角の取得はモータ制御部２０によるモータ１２の制御に利用される情報であり、モータ回転角を取得するために新たに別の回路を追加する必要がない。

実施の形態２
実施の形態２では、矩形パルス比較回路１５の別の形態となる矩形パルス比較回路１５ａについて説明する。実施の形態２の説明では、実施の形態１で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

図１６に実施の形態２にかかる矩形パルス比較回路１５ａの回路図を示す。図１６に示すように、矩形パルス比較回路１５ａは、パルス幅差分抽出回路５１～５３を有する。パルス幅差分抽出回路５１～５３は、排他的論理和回路３１～３３と同じ動作をするが、回路が異なる。パルス幅差分抽出回路５１は、Ｕ相のＰＷＭ信号とＶ相のＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を検出信号ＵＶとして出力する。パルス幅差分抽出回路５２は、Ｖ相のＰＷＭ信号とＷ相のＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を検出信号ＶＷとして出力する。パルス幅差分抽出回路５３は、Ｗ相のＰＷＭ信号とＵ相のＰＷＭ信号のパルス幅の差成分を検出信号ＷＵとして出力する。

パルス幅差分抽出回路５１～５３は同じ回路構成で入出力が異なるものであるため、パルス幅差分抽出回路５１を例にパルス幅差分抽出回路の回路構成を説明する。パルス幅差分抽出回路５１は、ＡＮＤ回路５１１、５１２、ＯＲ回路５１３を有する。ＡＮＤ回路５１１は、Ｕ相のＰＷＭ信号の反転論理とＶ相のＰＷＭ信号との論理積を出力する。ＡＮＤ回路５１２は、Ｕ相のＰＷＭ信号とＶ相のＰＷＭ信号の反転論理との論理積を出力する。ＯＲ回路５１３は、ＡＮＤ回路５１１の出力とＡＮＤ回路５１２の出力との論理和を検出信号ＵＶとして出力する。

このように、排他的論理和回路と同じ論理演算結果を出力できるのであれば、排他的論理和回路以外の回路構成により矩形パルス比較回路を構成する事も可能である。

なお、本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、本開示は、上記実施の形態におけるそれぞれの例を適宜組み合わせて実施されることを含む。

１ 故障検出回路
１０ ＭＣＵ
１１ インバータ
１２ モータ
１３ 角度センサ
１４ レベル変換回路
１５ 矩形パルス比較回路
１６ フィルタ回路
２０ モータ制御部
２１ 回転角取得部
２２ アナログ入力部
２３ 故障診断部
３１～３３ 排他的論理和回路
４１～４３ 単位フィルタ回路
５１～５３ パルス幅差分抽出回路
５１１、５１２、５２１、５２２、５３１、５３２ ＡＮＤ回路
５１３、５２３、５３３ ＯＲ回路
ＤＶ 判定値

Claims (5)

1. モータを駆動する三相交流信号となる三相のパルス幅変調信号を出力するインバータの故障を検出する故障検出回路であって、
   隣接する位相の２つの前記パルス幅変調信号のパルス幅の差成分を示す検出信号を、前記パルス幅変調信号の組み合わせ毎に生成する矩形パルス比較回路と、
   前記矩形パルス比較回路が出力する複数の前記検出信号の論理レベルの組み合わせが予め設定した判定値とズレたことに基づき前記インバータが故障したことを検出する故障診断部と、を有し、
   前記故障診断部は、前記三相交流信号のうち隣接する位相の２つの交流信号が同一電圧となると予め想定したモータ回転角毎に異なる前記判定値を用いる故障検出回路。
2. 前記矩形パルス比較回路と故障診断部との間に、複数の前記検出信号をそれぞれ平滑化するフィルタ回路をさらに有し、
   前記故障診断部は平滑化後の前記検出信号の論理レベルに基づき前記インバータの故障を検出する請求項１に記載の故障検出回路。
3. 前記モータの回転角を検出する角度センサから前記モータ回転角を取得し、取得した前記モータ回転角を前記故障診断部に伝達する回転角取得部をさらに有する請求項１に記載の故障検出回路。
4. 前記矩形パルス比較回路は、比較対象となる前記パルス幅変調信号の組み合わせ毎に排他的論理和回路を有し、複数の前記排他的論理和回路は、それぞれ、２つの前記パルス幅変調信号の排他的論理和結果を前記検出信号として出力する請求項１に記載の故障検出回路。
5. 複数の前記パルス幅変調信号は、互いに同一の周波数及び位相を有し、かつ、対応する交流信号の位相に合わせてパルス幅変化パターンを有する請求項１に記載の故障検出回路。

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