JP3800854B2 - 誘導負荷駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、還流ラインの開放故障を検知する自己診断機能を持った誘導負荷駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
誘導負荷をオン・オフ駆動する駆動トランジスタがオフの時に誘導負荷に還流電流を流す還流ラインがコネクタの接触不良等で開放された場合、駆動トランジスタがオフになると、急激に負荷電流が減少するので、誘導負荷を所望の平均電流で駆動することができない。これに対し、従来の誘導負荷駆動回路は、還流ラインが開放故障しているとき、駆動トランジスタがオンになると同時に還流電流が戻る還流端子の端子電圧が「L」レベルになることを利用し、回路に電源が投入されて誘導負荷を駆動制御する前に、駆動トランジスタを動作させて、還流ラインの開放故障を検知する自己診断を行っていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自己診断法では、回路が誘導負荷の駆動制御を開始した以降は、駆動トランジスタのオン・オフに伴う還流端子の端子電圧の変化が速く、測定が極めて難しくなって、自己診断を行えないという問題点があった。また、還流ラインに含まれるフライホイールダイオード自体の開放故障を検知できないという問題点もあった。
【0004】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、誘導負荷の駆動制御時に、フライホイールダイオードのオープン故障を含む還流ラインの開放故障を検知することができる誘導負荷駆動回路を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、誘導負荷を駆動するスイッチング素子と、このスイッチング素子に駆動パルス信号を供給するパルス発生回路と、前記誘導負荷に並列接続され、還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷駆動端子を検知するためのピークホールド機能を備えた駆動端子電圧モニタ回路と、前記誘導負荷の駆動電圧を測定するBATT電圧モニタ回路と、前記駆動端子電圧モニタ回路の出力電圧をBATT電圧モニタ回路が測定した前記駆動電圧と比較することで、前記還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを有することを要旨とする。この構成により、誘導負荷の駆動制御時に、還流ライン端子のコネクタ接触不良やフライホイールダイオードのオープン故障などで還流ラインが開放故障した場合、スイッチング素子がオフするたびに、誘導負荷に逆起電力が発生し、誘導負荷駆動端子にサージ電圧が印加される。このサージ電圧はスイッチング素子の寄生ダイオードの降伏電圧でクランプされるが、そのピーク値をホールドすることにより検知する駆動端子電圧モニタ回路の出力電圧は、誘導負荷の電源電圧よりも高くなる。還流ラインが正常なときの駆動端子電圧モニタ回路の出力電圧は電源電圧を超えることはないので、駆動端子電圧モニタ回路の出力電圧を電源電圧と比較することで、還流ラインの開放故障が検知される。
【0006】
請求項2記載の発明は、誘導負荷を駆動するスイッチング素子と、このスイッチング素子に駆動パルス信号を供給するパルス発生回路と、前記誘導負荷に並列接続され、還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷の駆動電流を検知する駆動電流モニタ回路と、この駆動電流モニタ回路の出力値と予想される正常時の平均電流とを比較することにより、前記還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを有することを要旨とする。この構成により、誘導負荷の駆動制御時に、還流ライン端子のコネクタ接触不良やフライホイールダイオードのオープン故障などで還流ラインが開放故障した場合、スイッチング素子のオン時に誘導負荷に蓄えられたエネルギは、スイッチング素子がオフするたびに、スイッチング素子の寄生ダイオードが降伏して通電することにより消費される。このため、還流ラインの正常時と同様に誘導負荷をパルス駆動しても、誘導負荷に流れる平均電流は、正常時の平均電流よりも大幅に減少する。したがって、駆動電流モニタ回路の出力値を、還流ラインが正常時の出力値と比較することで、還流ラインの開放故障が検知される。
【0007】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、誘導負荷を駆動するスイッチング素子と、このスイッチング素子に駆動パルス信号を供給するパルス発生回路と、前記誘導負荷に並列接続され、還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷駆動端子の端子電圧を検知するためのピークホールド機能を備えた駆動端子電圧モニタ回路と、この駆動端子電圧モニタ回路の出力値から前記還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを具備させたため、誘導負荷駆動端子の端子電圧のピーク値をホールドすることにより検知する駆動端子電圧モニタ回路の出力電圧を誘導負荷の電源電圧と比較することで、誘導負荷の駆動制御時に、フライホイールダイオードのオープン故障を含む還流ラインの開放故障を検知することができる。
【0008】
請求項2記載の発明によれば、誘導負荷を駆動するスイッチング素子と、このスイッチング素子に駆動パルス信号を供給するパルス発生回路と、前記誘導負荷に並列接続され、還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷の駆動電流を検知する駆動電流モニタ回路と、この駆動電流モニタ回路の出力値から前記還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを具備させたため、誘導負荷の駆動電流を検知する駆動電流モニタ回路の出力値を、還流ラインが正常時の出力値と比較することで、誘導負荷の駆動制御時に、フライホイールダイオードのオープン故障を含む還流ラインの開放故障を検知することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態はソレノイドバルブの駆動をする車載電子制御ユニット回路に適用されている。
【0010】
図1及び図2は、第1の実施の形態を示す図である。まず、図1を用いて誘導負荷駆動回路の構成を説明する。1は誘導負荷であるソレノイドバルブであり、ソレノイドバルブ1の一端には、このソレノイドバルブ1にエネルギを供給するBATT電圧の電源が接続され、ソレノイドバルブ1の他端は、負荷駆動端子3を介してソレノイドバルブ駆動用のスイッチング素子である駆動トランジスタ2に接続されている。ソレノイドバルブ1には、還流ラインを構成するフライホイールダイオード4が並列接続されている。5はソレノイドバルブ1に還流電流を戻す還流端子である。負荷駆動端子3には、この駆動端子電圧VDRV をモニタする駆動端子電圧モニタ回路6が接続されている。駆動端子電圧モニタ回路6内には、抵抗R1 ,R2 ,R3 、ダイオードD1 、コンデンサC1 によりピークホールド回路が構成されており、このピークホールド回路により駆動端子電圧VDRV の略ピーク値を検知する。駆動端子電圧モニタ回路6の出力電圧VA/D1は、故障検知回路の機能を持つマイクロプロセッサ10に入力されている。マイクロプロセッサ10は、パルス発生回路の機能も持ち、マイクロプロセッサ10からの駆動パルス信号VPWM が駆動トランジスタ2のゲートに供給されている。マイクロプロセッサ10は、還流ラインの開放故障検知の際に、駆動端子電圧モニタ回路6の出力電圧VA/D1をBATT電圧と比較するため、電源からのBATT電圧が、BATT電圧モニタ回路7を介してマイクロプロセッサ10に入力されている。車載のバッテリ電源電圧は環境によって大きく変動するので、この構成により、マイクロプロセッサ10はBATT電圧を正しく読み取れるようになっている。VCCは誘導負荷駆動回路の内部電源、VFWD は還流端子5の端子電圧である。
【0011】
次に、図2の(a)〜(d)を用いて上述のように構成された誘導負荷駆動回路の作用を説明する。図2は、(a)駆動パルス信号電圧VPWM 、(b)ソレノイドバルブ1の電流IL 、(c)駆動端子電圧VDRV 及び(d)駆動端子電圧モニタ回路6の出力電圧VA/D1の各値の時間変化を示している。駆動端子電圧モニタ回路6は、負荷駆動端子3の端子電圧VDRV のピーク電圧に近い値を検出する。即ち、コンデンサC1 充電時には、
【数1】
τ1 =C1 ×(R1 //R2 //R3 ) …(1)
なる時定数τ1 でモニタ出力電圧VA/D1は上昇し、コンデンサC1 放電時には、
τ2 =C1 ×(R2 //R3 ) …(2)
なる時定数τ2 でモニタ出力電圧VA/D1は減少する。ここで、マイクロプロセッサ10が出力する駆動パルス信号VPWM の周期Tのうち、駆動トランジスタ2がオンする時間をTon、オフする時間をToff とすると、時定数τ1 ,τ2 は、それぞれ、
τ1 <Toff 、τ2 >Ton …(3)
となるように設定してあるので、マイクロプロセッサ10は駆動端子電圧モニタ回路6の出力電圧VA/D1に、回路の分圧比の逆数(R1 //R2 +R3 )/R3 を乗ずることにより、負荷駆動端子3の端子電圧VDRV の略ピーク電圧を検知する。
【0012】
次に、還流ラインが正常な場合の動作を説明する。ソレノイドバルブ1を駆動するときは、マイクロプロセッサ10から出力する駆動パルス信号VPWM を駆動トランジスタ2に印加し、駆動パルス信号の「H」、「L」に応じて駆動トランジスタ2がオン・オフする。還流ラインが正常なときは、概ねソレノイドバルブ1の等価インダクタンスと等価抵抗から定まる時定数で電流IL が増減し、ソレノイドバルブ1は平均電流Iavg で駆動される。また、駆動端子電圧モニタ回路6の出力電圧VA/D1は、負荷駆動端子3の略ピーク電圧を検知できるので、
【数2】
VA/D1=BATT×R3 /(R1 //R2 +R3 ) …(4)
となる。
【0013】
次いで、フライホイールダイオード4のオープン故障や還流端子5のコネクタ接触不良などで、還流ラインが開放故障した場合について説明する。故障時には、駆動トランジスタ2がオフするたびに、ソレノイドバルブ1による逆起電力が発生し、負荷駆動端子3にはサージ電圧が印加されるが、サージ電圧は駆動トランジスタ2のドレイン−ソース間寄生ダイオードの降伏電圧VZ でクランプされる。このとき、駆動端子電圧モニタ回路6の充電時定数τ1 は、サージ電圧のパルス幅に対して短く設定しておけば、駆動端子電圧モニタ回路6が出力する電圧VA/D1は、BATTに相当する電圧よりも上昇する。前述したように還流ラインが正常なときには、VA/D1電圧は略BATTに相当する電圧を超えることはないので、マイクロプロセッサ10が認識しているBATT電圧と、駆動端子電圧モニタ回路6が出力する電圧VA/D1を比較することで、サージ電圧の発生を検知することができる。即ち、
【数3】
BATT<VA/D1×R3 /(R1 //R2 +R3 ) …(5)
となった場合は、還流ラインが開放故障であると判断できる。
【0014】
以上述べてきたように、本実施の形態によれば、ソレノイドバルブ1の駆動端子電圧モニタ回路6をピークホールド回路とし、その出力電圧VA/D1とソレノイドバルブ1の電源電圧BATTを比較することにより、ソレノイドバルブ1の駆動制御時に、フライホイールダイオード4のオープン故障を含む還流ラインの開放故障を検出することができるという効果が得られる。
【0015】
また、従来は駆動端子電圧のサージ電圧をマイクロプロセッサで検出して還流ラインの開放故障を検知する場合、サージ波形を検出するサンプリング周期を、サージパルス幅より十分短く設定しなければ確実にサージ検出ができなかったが、本実施の形態のように、駆動端子電圧モニタ回路6をピークホールドできる構成にすることでサージのピーク電圧を保持できるので、サンプリングの周期を長くすることができ、使用するマイクロプロセッサ10の作動クロック周波数を下げることが可能となるという効果もある。
【0016】
図3及び図4には、第2の実施の形態を示す。まず、図3を用いて誘導負荷駆動回路の構成を説明すると、本実施の形態では、ソレノイドバルブ1の電流IL をモニタする駆動電流モニタ回路8が設けられている。駆動電流モニタ回路8の出力電圧VA/D2は、故障検知回路及びパルス発生回路の機能を持つマイクロプロセッサ11に入力されている。VDDは誘導負荷駆動回路の内部電源である。
【0017】
次に、図4の(a)〜(c)を用いて上述のように構成された誘導負荷駆動回路の作用を説明する。図4は、(a)駆動パルス信号電圧VPWM 、(b)ソレノイドバルブ1の電流IL 及び(c)駆動電流モニタ回路8の出力電圧VA/D2の各値の時間変化を示している。ソレノイドバルブ1の駆動、フライホイールダイオード4及びBATT電圧モニタ回路7については、第1の実施の形態と同様なので説明を省略する。駆動電流モニタ回路8は、ソレノイドバルブ1に流れる電流IL をシャント抵抗で検出し差動増幅器で電圧値に変換する。駆動電流モニタ回路8の出力電圧VA/D2は、駆動パルス信号電圧VPWM の周期Tに比べて十分長い時定数のローパスフィルタが構成されており、平均化された駆動電流がマイクロプロセッサ12でモニタできるようにしてある。
【0018】
還流ラインが正常な場合の動作は、第1の実施の形態と同様なので説明を省略する。
【0019】
フライホイールダイオード4のオープン故障や還流端子5のコネクタ接触不良などで、還流ラインの開放故障が発生した場合、ソレノイドバルブ1に蓄えられたエネルギが放電する際、駆動トランジスタ2のドレイン−ソース間寄生ダイオードが降伏して通電することにより消費される。したがって、正常時と同様にソレノイドバルブ1をパルス駆動しても、平均電流Iavg ′は正常時の平均電流Iavg よりも、大幅に減少する。正常時の平均電流Iavg は、ソレノイドバルブ1の電源BATT電圧と、ソレノイドバルブ1の等価抵抗RL と、駆動パルスのデューティ比DUTYを用いて、
Iavg =BATT/RL ×DUTY …(6)
で表せるので、駆動電流モニタ回路8による検出電流がIavg よりも小さければ、還流ラインの故障を検出することが可能となる。
【0020】
以上述べてきたように、本実施の形態によれば、ソレノイドバルブ1の駆動電流モニタ回路8を設け、そのモニタ電流値と予想される正常電流値を比較することにより、ソレノイドバルブ1の駆動制御時に、フライホイールダイオード4のオープン故障を含む還流ラインの開放故障を検出することができるという効果が得られる。
【0021】
また、本実施の形態においては、還流ラインの開放故障時にソレノイドバルブ1の駆動電流が大幅に減少することに着目することで、平均化されたモニタ電流値からでも十分故障検出が可能となる。したがって、電流モニタ回路に時定数の長いローパスフィルタを組み合わせることができ、やはり第1の実施の形態と同様に電流モニタのサンプリング周期を長くすることが可能となるという効果がある。
【0022】
さらに、上述した第1及び第2の実施の形態ともに、還流端子5に第1の実施の形態で用いたピークホールドできる電圧モニタ回路を追加して同様の異常判断を行うことで、故障箇所の特定が可能となるという効果もある。即ち、駆動端子電圧異常又は駆動電流異常を検出した際に、還流端子モニタでも異常検出されれば還流端子5からソレノイドバルブ1側の開放故障、還流端子モニタで異常が検出されなければ駆動回路内の還流ラインの開放故障と判断できる。
【0023】
なお、上述した第1及び第2の実施の形態ともに、車載バッテリは環境によって電源電圧が大きく変動するため、BATT電圧モニタ回路7を設けてあるが、安定した電源電圧が供給できる場合は、BATT電圧モニタ回路7は不要であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態である誘導負荷駆動回路の回路図である。
【図2】上記図1における各点の動作波形を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の回路図である。
【図4】上記図3における各点の動作波形を示す図である。
【符号の説明】
1 ソレノイドバルブ(誘導負荷)
2 駆動トランジスタ(スイッチング素子)
3 負荷駆動端子
4 フライホイールダイオード
6 駆動端子電圧モニタ回路
7 BATT電圧モニタ回路
8 駆動電流モニタ回路
10,11 故障検知回路及びパルス発生回路の機能を持つマイクロプロセッサ
Claims (3)
- 誘導負荷を駆動するスイッチング素子と、このスイッチング素子に駆動パルス信号を供給するパルス発生回路と、前記誘導負荷に並列接続され、還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷駆動端子の端子電圧を検知するためのピークホールド機能を備えた駆動端子電圧モニタ回路と、前記誘導負荷の駆動電圧を測定するBATT電圧モニタ回路と、前記駆動端子電圧モニタ回路の出力電圧をBATT電圧モニタ回路が測定した前記駆動電圧と比較することで、前記還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを有することを特徴とする誘導負荷駆動回路。
- 誘導負荷を駆動するスイッチング素子と、このスイッチング素子に駆動パルス信号を供給するパルス発生回路と、前記誘導負荷に並列接続され、還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷の駆動電流を検知する駆動電流モニタ回路と、この駆動電流モニタ回路の出力値と正常時の平均電流とを比較することにより、前記還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを有することを特徴とする誘導負荷駆動回路。
- 前記駆動電流モニタ回路は、前記駆動パルス信号の周期に比べて長い時定数のローパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項2記載の誘導負荷駆動回路。
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