JP4954278B2

JP4954278B2 - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP4954278B2
Application number: JP2009510692A
Authority: JP
Inventors: 勲家造坊; 政弘木全; 隆之喜福; 和道堤; 千明藤本; 知之井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-04-16
Also published as: KR101088976B1; KR20100004969A; US20100060222A1; JPWO2008129658A1; CN101595633B; EP2164169B1; EP2164169A1; CN101595633A; WO2008129658A1; EP2164169A4; US8232752B2

Description

この発明は、電動機制御装置に関し、例えばシステム内の短絡故障箇所を特定するための電動機制御装置に関するものである。

従来の電動機制御装置として、インバータの直流部に電流検出器を設けて、インバータのスイッチング素子をオンする診断パターンと、直流部の電流検出値に基づいて短絡故障箇所を特定するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の電動機制御装置として、モータとインバータ間の配線に電流検出器を設けて、スイッチング素子へのオン信号と、電流検出器の検出値から、短絡故障したスイッチング素子を特定するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許３１０８９６４号公報特開平０６−２２４４６号公報

しかしながら、上述した特許文献１のような例では、直流部で電流検出しているため、各相の電流を把握できないので、電流経路の詳細が分からず、故障箇所の特定精度が悪い。例えば、スイッチング素子が短絡故障した時、またはモータとインバータ間の配線が地絡または天絡した時に、何らかの外力や、故障前のモータ自身の回転慣性力が持続することにより、モータが回転させられる場合には、モータの回転に伴う逆起電力により短絡箇所を経由して期待していない電流が流れてしまうが、この電流に基づいて誤って特定する恐れがある。

特許文献２のような例では、モータとインバータ間の配線において電流を検出しているため、例えば、短絡故障したスイッチング素子を特定する場合においても、モータ巻線を経由した電流しか検出できないので、巻線インダクタンスの影響で電流応答に長い時間を要し、その結果、短絡箇所特定に長い時間を要する。また、その電流によって望ましくないモータトルクを発生させてしまうという問題がある。また、特許文献１と同様に、モータが逆起電力を発生する場合を考慮していないので、スイッチング素子が短絡故障した時、またはモータとインバータ間の配線が地絡または天絡した時に、モータの逆起電力による電流を短絡電流と誤って判定する恐れがある。

この発明は、上記のような従来例における問題点に鑑みてなされたもので、システムに短絡故障が発生した場合に、迅速かつ正確に、短絡故障箇所を特定できる電動機制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機制御装置は、複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子を操作して電動機を駆動するインバータと、前記インバータに配置された電流検出器と、短絡故障個所を特定する短絡個所特定手段と、前記電動機の回転角度を検出して回転角度検出値を出力するモータ回転角度検出手段とを備え、前記短絡個所特定手段は、前記スイッチング素子をＯＮする組み合わせであるテストパターンを記憶し、前記テストパターンと、当該テストパターンの応答として前記電流検出器で検出される電流検出値と、前記回転角度検出値が逆起電力の影響を受ける範囲にあるか否かを判別した結果とに基づいて、短絡故障個所を特定するものである。

この発明によれば、各相それぞれに電流検出器をスイッチング素子と直列に配置しているので、電流経路の詳細を把握することができ、かつ、モータ巻線を経由しない応答の速い電流に基づいて判断できるので、正確かつ短い時間で短絡故障箇所を特定できる。

この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示すブロック図である。図１の短絡箇所特定手段２８の動作内容を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１〜３に関わるテストパターンを示す図である。この発明の実施の形態１〜３に関わるテストパターンを示す図である。図２における上側スイッチテストの内容を示すフローチャートである。図２における下側スイッチテストの内容を示すフローチャートである。図１の短絡箇所特定手段２８の動作内容を示すフローチャートであって、図２に代わるフローチャートである。この発明の実施の形態２において、逆起電力発生時の課題を説明する回路図である。この発明の実施の形態２において、正方向回転中の逆起電力発生時の電流波形を説明する図であり、（ａ）はＵ相上側スイッチング素子の短絡故障時の説明図、（ｂ）はＶ上側スイッチング素子の短絡故障時の説明図、（ｃ）はＷ相上側スイッチング素子の短絡故障時の説明図である。この発明の実施の形態２において、負方向回転中の逆起電力発生時の電流波形を説明する図であり、（ａ）はＵ相上側スイッチング素子の短絡故障時の説明図、（ｂ）はＶ上側スイッチング素子の短絡故障時の説明図、（ｃ）はＷ相上側スイッチング素子の短絡故障時の説明図である。この発明の実施の形態２における下側スイッチテストの内容を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２におけるＵ相下側スイッチテストの内容を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３における短絡箇所特定手段の動作内容を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３に関わるテストパターンを示す図である。この発明の実施の形態４による電動パワーステアリング装置の概略構成図である。

この明細書では、電動機として３相ブラシレスモータに適用した場合を例に説明するが、この発明は、これに限らず多相交流により回転駆動する電動機に対して使用することができるものである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示すブロック図である。電動機制御装置１は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相の巻線を備えた電動機であるブラシレスモータ（以下、モータとも言う）２を制御する。この電動機制御装置１は、モータ２の回転角度を検出するモータ角度センサ３からの信号を受け、モータ回転角度検出回路２１によりモータ２の回転角度を算出する。また、この電動機制御装置１は、電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２、ＣＴ３により、モータ２の各相に流れる電流を検出する。

電動機制御装置１は、モータトルクの目標値に相当するトルク電流指令（以下、ｑ軸電流指令とも言う）、モータ各相の検出電流、モータ回転角度に応じて３相電圧指令を決定する電流制御手段２３と、電流制御手段２３からの３相電圧指令をＰＷＭ変調してインバータ２５へスイッチング操作を指示するスイッチング素子駆動回路２４と、スイッチング素子駆動回路２４からスイッチング操作信号を受けてＦＥＴでなるスイッチング素子ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮのチョッパ制御を実現し、バッテリ４から供給される電力により、モータ２の各相に電流を流すインバータ２５とを備える。なお、電流制御手段２３は、トルク電流指令とモータ各相の検出電流とに応じて３相電圧指令を決定することができ、モータ回転角度は必ずしも必要としない。

インバータ２５からモータ２の各相に流れる電流によって、モータ２はモータトルクを発生する。なお、電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２、ＣＴ３は、各相のスイッチング素子とそれぞれ直列に配置する。この実施の形態１では、下側スイッチング素子ＵＮ、ＶＮ、ＷＮのグランド側に直列に配置している。また、各スイッチング素子ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮには、それぞれダイオードＤＵＰ、ＤＵＮ、ＤＶＰ、ＤＶＮ、ＤＷＰ、ＤＷＮを並列に配置している。これは、スイッチング素子を保護する目的で、一般的に配置される。

また、電動機制御装置１は、３相平均のモータ平均電圧を検出するモータ端子電圧検出手段２６と、各相の検出電流、モータ回転角度、モータ端子電圧検出手段２６によって検出される３相平均のモータ平均電圧ＶＭに基づいて、インバータ２５またはモータ２が正常か否かを判定する異常検出手段２７とを備える。この異常検出構成は、例えば、特開２００３−３４８９００号公報または特許第３５５６６７８号公報に示す方法などを用いてもよい。

さらに、電動機制御装置１は、インバータ２５のスイッチング素子をＯＮする所定の組合せを示すテストパターンを記憶し、異常検出手段２７において異常と判定された場合に動作し、後述するように、モータ平均電圧、前記テストパターンとその応答として流れる各相の検出電流に基づいて短絡故障したスイッチング素子を特定する短絡箇所特定手段２８を備える。短絡箇所特定手段２８により、短絡故障箇所が特定されたら、故障が発生した相のみ駆動を停止させるなどして対応し、スイッチング素子の焼損を防止し、正常な相を用いて非常時運転として運転を継続する。

次に、短絡箇所特定手段２８について説明する。異常検出手段２７において、インバータ２５またはモータ２に何らかの異常が発生したと判定された場合、短絡箇所特定手段２８は、図２に示すような動作を開始する。まず、全てのスイッチング素子であるＦＥＴをオフする（ステップＳ１０）。

次に、ステップＳ１１において、モータ端子電圧検出手段２６により検出されるモータ平均電圧ＶＭを所定の閾値と比較する。その結果、所定の閾値よりもモータ平均電圧ＶＭの方が小さい時間が所定時間以上継続した場合は、インバータ２５の下側のスイッチング素子（ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）のいずれかが短絡故障している疑いがあるので、図３に示す上側スイッチテストを実施する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１１において、所定の閾値よりも、モータ平均電圧ＶＭの方が大きい時間が所定時間以上継続した場合は、上側のスイッチング素子（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ）のいずれかが短絡故障している疑いがあるので、図４に示す下側スイッチテストを実施する（ステップＳ１３）。

これらのスイッチテストの結果、短絡故障箇所を特定できた場合は、異常時対応制御を実行する（ステップＳ１４及びＳ１５）。ここで、異常時対応制御とは、例えば、故障が発生した相のみ駆動を停止させるなどして対応し、スイッチング素子の焼損を防止し、正常な相を用いて非常時運転として運転継続することとする。短絡故障箇所を特定できなかった場合は、制御を停止する。

ここで、前記短絡箇所特定手段２８は、インバータの２５のスイッチング素子をＯＮする所定の組合せを示すスイッチテストのテストパターンとして、インバータ２５の各相の上側または下側のいずれか１つのスイッチング素子をＯＮさせると共に他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するテストパターンを記憶している。

図３は、下側スイッチング素子の短絡故障向けテストパターンを示し、パターンＵＰとしては、スイッチング素子ＵＰのみＯＮさせ、他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するものであり、同様に、パターンＶＰとしては、スイッチング素子ＶＰのみＯＮさせ、他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するものであり、パターンＷＰとしては、スイッチング素子ＷＰのみＯＮさせ、他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するものである。

また、図４は、上側スイッチング素子の短絡故障向けテストパターンを示し、パターンＵＮとしては、スイッチング素子ＵＮのみＯＮさせ、他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するものであり、同様に、パターンＶＮとしては、スイッチング素子ＶＮのみＯＮさせ、他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するものであり、パターンＷＮとしては、スイッチング素子ＷＮのみＯＮさせ、他のスイッチング素子をＯＦＦさせて、短絡故障を特定するものである。

次に、前述したステップＳ１２における上側スイッチテストについて図５を参照して説明する。以下の説明において、各相の電流の符号は、図１において電流が各電流検出器を下から上に流れる場合を正とする。まず、スイッチング素子ＵＰを一旦オンして（ステップＳ２１）、電流検出器ＣＴ１によりＵ相電流を検出し（ステップＳ２２）、即座にスイッチング素子ＵＰをオフする（ステップＳ２３）。このＵ相電流検出値をＩＵとして記憶しておく。なお、このテストを複数回実行して、電流検出値の平均値または最大値をＩＵとしてもよい。

ステップＳ２４においては、ＩＵの符号が負で、大きさが過電流を示す所定値よりも大きいか否かを判定する。この条件を満たす場合は、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＮが短絡故障していると判断する（ステップＳ２５）。なお、ステップＳ２２において、Ｕ相電流のみでなく、Ｖ相、Ｗ相電流も検出し、それぞれＩＶ、ＩＷとして記憶し、ステップＳ２４の判定条件を、ＩＵの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きく、かつ、ＩＶとＩＷの大きさがともに、正常値を示す所定の値よりも小さいこととしてもよい。

Ｖ相、Ｗ相についても同様な処理を行う。Ｖ相についてはステップＳ２６〜ステップＳ３０に示す。スイッチング素子ＶＰを一旦オンして、電流検出器ＣＴ２によりＶ相電流を検出し、即座にスイッチング素子ＶＰをオフし、このＶ相電流検出値をＩＶと置き記憶しておく。なお、このテストを複数回実行して、電流検出値の平均値または最大値をＩＶとおいてもよい。

ステップＳ２９においては、ＩＶの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きいか否かを判定する。この条件を満たす場合は、スイッチング素子ＶＮが短絡故障していると判断する（ステップＳ３０）。なお、ステップＳ２７において、Ｖ相電流のみでなく、Ｕ相、Ｗ相電流も検出し、それぞれＩＵ、ＩＷと記憶し、ステップＳ２９の判定条件を、ＩＶの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きく、かつ、ＩＵとＩＷの大きさがともに、正常値を示す所定の値よりも小さいこととしてもよい。

Ｗ相についてはステップＳ３１〜ステップＳ３５に示す。スイッチング素子ＷＰを一旦オンして、電流検出器ＣＴ３によりＷ相電流を検出し、即座にスイッチング素子ＷＰをオフし、このＷ相電流検出値をＩＷと置き記憶しておく。なお、このテストを複数回実行して、電流検出値の平均値または最大値をＩＷとおいてもよい。

ステップＳ３４においては、ＩＷの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きいか否かを判定する。この条件を満たす場合は、スイッチング素子ＷＮが短絡故障していると判断する（ステップＳ３５）。なお、ステップＳ３２において、Ｗ相電流のみでなく、Ｕ相、Ｖ相電流も検出し、それぞれＩＵ、ＩＶと記憶し、ステップＳ３４の判定条件を、ＩＷの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きく、かつ、ＩＵとＩＶの大きさがともに、正常値を示す所定の値よりも小さいこととしてもよい。

次に、前述したステップＳ１３における下側スイッチテストについて図４を参照して説明する。まず、スイッチング素子ＵＮを一旦オンして（ステップＳ４１）、電流検出器ＣＴ１によりＵ相電流を検出し（ステップＳ４２）、即座にスイッチング素子ＵＮをオフする（ステップＳ４３）。このＵ相電流検出値をＩＵと置き記憶しておく。なお、このテストを複数回実行して、電流検出値の平均値または最大値をＩＵとおいてもよい。

ステップＳ４４においては、ＩＵの符号が負で、大きさが過電流を示す所定値よりも大きいか否かを判定する。この条件を満たす場合は、Ｕ相上側スイッチング素子ＵＰが短絡故障していると判断する（ステップＳ４５）。なお、ステップＳ４２において、Ｕ相電流のみでなく、Ｖ相、Ｗ相電流も検出し、それぞれＩＶ、ＩＷと記憶し、ステップＳ４４の判定条件を、ＩＵの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きく、かつ、ＩＶとＩＷの大きさがともに、正常値を示す所定の値よりも小さいこととしてもよい。

次に、Ｖ相、Ｗ相についても同様な処理を行う。Ｖ相についてはステップＳ４６〜ステップＳ５０に示す。スイッチング素子ＶＮを一旦オンして、電流検出器ＣＴ２によりＶ相電流を検出し、即座にスイッチング素子ＶＮをオフし、このＶ相電流検出値をＩＶと置き記憶しておく。なお、このテストを複数回実行して、電流検出値の平均値または最大値をＩＶとおいてもよい。

ステップＳ４９においては、ＩＶの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きいか否かを判定する。この条件を満たす場合は、スイッチング素子ＶＰが短絡故障していると判断する（ステップＳ５０）。なお、ステップＳ４７において、Ｖ相電流のみでなく、Ｕ相、Ｗ相電流も検出し、それぞれＩＵ、ＩＷと記憶し、ステップＳ４９の判定条件を、ＩＶの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きく、かつ、ＩＵとＩＷの大きさがともに、正常値を示す所定の値よりも小さいこととしてもよい。

Ｗ相についてはステップＳ５１〜ステップＳ５５に示す。スイッチング素子ＷＮを一旦オンして、電流検出器ＣＴ３によりＷ相電流を検出し、即座にスイッチング素子ＷＮをオフし、このＷ相電流検出値をＩＷと置き記憶しておく。なお、このテストを複数回実行して、電流検出値の平均値または最大値をＩＷとおいてもよい。

ステップＳ５４においては、ＩＷの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きいか否かを判定する。この条件を満たす場合は、スイッチング素子ＷＰが短絡故障していると判断する（ステップＳ５５）。なお、ステップＳ５２において、Ｗ相電流のみでなく、Ｕ相、Ｖ相電流も検出し、それぞれＩＵ、ＩＶと記憶し、ステップＳ５４の判定条件を、ＩＷの符号が負で、大きさが過電流を示す所定の値よりも大きく、かつ、ＩＵとＩＶの大きさがともに、正常値を示す所定の値よりも小さいこととしてもよい。

上記スイッチテストにおいて、各スイッチング素子をオンしてからオフするまでの時間は、電流の応答時間を考慮して決める必要がある。例えば、今、Ｖ相の下側スイッチング素子ＶＮが短絡故障しているとする。このときに、スイッチング素子ＶＰをオンすると、電源４の正極からスイッチング素子ＶＰとＶＮ、電流検出器ＣＴ２を経由して電源負極に戻る閉回路が形成される。この閉回路のインピーダンスは、スイッチング素子のオン抵抗や電流検出器や配線の微小なインピーダンスのみなので、流れる電流は非常に大きく、また、応答遅れも極僅かである。このような電流値が、スイッチング素子をオンしたＶ相の電流検出器ＣＴ２により検出される。

一方、同じくＶ相の下側スイッチング素子ＶＮが短絡故障しているときに、Ｕ相上側のスイッチング素子ＵＰをオンしても、Ｕ相の電流検出器ＣＴ１には電流は流れない。これは、電流検出器ＣＴ１を含む閉回路が存在しないからである。また、Ｖ相の上側スイッチング素子ＶＰが短絡故障している場合において、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＮをオンすると、電源４の正極からスイッチング素子ＶＰ、モータ２の巻線、スイッチング素子ＵＮ、電流検出器ＣＴ１を経由して電源負極に戻る閉回路が形成されるが、モータ２の巻線を経由した電流は、巻線インダクタンスによって長い応答時間を要する。これは、一般的に、モータ巻線はインバータ回路内のインピーダンスと比較して、インダクタンス成分が非常に大きく、電流が応答するには、モータ巻線を含まないインバータ内の閉回路に比較して非常に長い時間を要するからである。スイッチテストでオンする時間を十分短く設定すれば、このような電流は応答しない。

したがって、スイッチングテストにおいてスイッチング素子をオンする時間は、インバータ回路内の非常に小さなインピーダンスの短絡経路を応答するのに十分な非常に短い時間に設定すればよい。また、このように設定することで、モータ巻線に余計な電流を流すことを回避できる。

また、前記短絡箇所特定手段２８は、図２の代わりに、図７に示すようなフローチャートに従ってもよい。まず、全てのスイッチング素子をオフする（ステップＳ１０）。次に、図５に示す上側スイッチテストを実施し（ステップＳ１２）、その後、図６に示す下側スイッチテストを実施する（ステップＳ１３）。ステップＳ１２とステップＳ１３の順序は逆でもよい。ただし、図７よりも、図２に示す方法の方が、実行するパターンを限定できるので、短絡箇所特定に要する時間を短くできる。

以上のように、この実施の形態１によれば、短絡故障特定手段２８により、インバータ２５のスイッチング素子をＯＮする組合せを示すテストパターンを記憶し、当該テストパターンとその応答として電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３に流れる各相の電流検出値とに基づいて短絡故障個所を特定するので、モータ２の巻線にほとんど電流を流さずに、短絡故障箇所を特定でき、望ましくないモータトルクを出力しないで済む。また、短絡箇所の特定に要する時間を短縮することができる。さらに、電源４に繋がる直流部で電流を検出するのではなく、各相それぞれで検出して、電流経路を詳細に把握し、短絡故障箇所を特定しているので、正確な特定ができる。

また、特に、各相それぞれに電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３をスイッチング素子と直列に配置しているので、電流経路の詳細を把握することができ、かつ、モータ巻線を経由しない応答の速い電流に基づいて判断できるので、正確かつ短い時間で短絡故障箇所を特定できる。

さらに、短絡故障特定手段２８は、モータ端子電圧検出手段２６によるモータ端子の電圧検出値に基づいて、実行するテストパターンを選定することにより、実行するテストパターンの数を最低限に抑制できるので、特定に要する時間を短くできる。

一方、特許文献１のような例では、電源に繋がる直流部に1個の電流検出器を配置しているのみであり、電流経路の詳細が把握できない。そのため、例えば、後述で説明するように（図６を参照されたい）、モータ回転に伴う逆起電力により電流が発生する場合があり、この電流に基づいて、誤った判定をする恐れがある。例えば、図６と異なるが、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＮが短絡故障しているとする。このとき、Ｖ相上側スイッチング素子ＶＰをオンすると、電源４、スイッチング素子ＶＰ、モータ２の巻線、スイッチング素子ＵＮ、電流検出器ＣＴ１を経由して電源４に戻る閉回路が形成され、モータ回転に伴う逆起電力の影響で大きな電流が流れる。この場合、この発明ならば、オンしたスイッチング素子ＶＮの相とは異なるＵ相の電流検出器ＣＴ１で電流が検出されるだけで、判定に使用するＶ相の電流検出器ＣＴ２では電流が検出されないので、誤判定する恐れがない。特許文献１の方法では、この区別が不可能であり、誤って、スイッチング素子ＶＰが短絡故障していると判定してしまう。

また。特許文献２のような例では、モータとインバータ間の配線において電流を検出しているため、短絡故障したスイッチング素子を特定する場合においても、モータ巻線を経由した電流しか検出できないので、巻線インダクタンスのせいで電流応答に長い時間を要する。そのため、特許文献２のような例では、短絡故障箇所の特定に要する時間が長く、また、その電流によって望ましくないモータトルクを発生させてしまうという問題が避けられない。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する前に、モータの回転に伴う課題を説明する。短絡故障箇所を特定する際には、モータの回転は必ずしも停止しているとは限らず、モータが回転して逆起電力を発生している場合がある。例えば、短絡箇所特定を開始する直前の回転が慣性力によって持続する場合、モータ外部からの外力によって回転させられる場合などがある。このような状況においては、モータ回転による逆起電力が、モータ巻線に発生し、短絡故障箇所を経由して形成された閉回路に電流を発生させる。この電流に基づいて誤って短絡故障箇所を特定してしまう恐れがある。

例えば、図８を用いて具体的に説明すると、図８は、Ｖ相上側スイッチング素子ＶＰが短絡故障した場合を表している。他のスイッチング素子を全てオフにした場合、短絡故障箇所（スイッチング素子ＶＰ）、モータ２の巻線、Ｗ相上側ダイオードＤＷＰを経由して、図の実線で示すような閉回路が形成される。したがって、モータ２が回転している場合、逆起電力によって、この閉回路に電流が発生する。

このような状況で、図６に示すような下側スイッチテストを実施すると、スイッチング素子ＷＮをオンした際に、図の点線で示した経路に閉回路が形成され、直前まで、実線の経路に流れていた電流は、点線の経路に流れることになる。このとき、この経路上にＷ相電流検出器ＣＴ３があるので、図６のステップＳ５２において、この逆起電力による電流をＩＷと記憶し、ステップＳ５４で誤った判定をする恐れがある。

また、図８においては、Ｗ相を経由して流れる電流しか示していないが、Ｕ相にも同様な電流が発生し得る。Ｖ相上側スイッチング素子ＶＰが短絡故障した場合に、逆起電力によりモータ巻線に発生する電流を、モータ回転角度に対して描画した波形を図９（ｂ）に示す。負値で示した電流は、モータ側からインバータ側に戻ってくる電流であり、この電流が、図８の点線経路で示したように、電流検出器を通過するので、誤判定の要因になる。図９（ａ）、（ｃ）に、それぞれＵ相、Ｗ相上側スイッチング素子が短絡故障した場合に、逆起電力により発生する電流波形を図示する。図９（ａ）〜（ｃ）は、逆起電力によりモータが正方向に回転する場合の波形であるが、負方向に回転する場合については、図１０（ａ）〜（ｃ）に対応して示す。

なお、下側スイッチング素子の短絡故障の場合にも、逆起電力による電流が発生するが、図１の構成の場合、正常な相の電流検出器には正方向（すなわち電流検出器を下から上の方向）にしか流れないので、実施の形態１の構成でも、誤判定する恐れはない。したがって、上側スイッチング素子が短絡故障した場合の誤判定を回避する方法について、この実施の形態２において説明する。

この実施の形態２においては、実施の形態１における図６で示した短絡箇所特定手段２８による下側スイッチテストを、図１１で示す角度条件付き下側スイッチテストに置き換え、モータ回転角度を微分演算して算出したモータ回転角速度を判定条件に追加している。

次に、図１１で示す角度条件付き下側スイッチテストについて説明する。まず、ステップＳ６０において、短絡箇所特定手段２８は、モータ回転角度検出手段２１からのモータ回転角速度ωを用いて判別する。モータ回転角速度の大きさが所定の閾値ωｈよりも小さい時間が所定時間を越える場合は、即座に、スイッチングテストに移行する（ステップＳ６３へ）。モータ回転角速度の符号が正で、大きさが所定の値よりも大きい場合は、ステップＳ６１に示す角度条件判別に移行する。モータ回転角速度の符号が負で、大きさが所定の値よりも大きい場合は、ステップＳ６２に示す角度条件判別に移行する。

ステップＳ６１において、モータ回転角度θが所定の角度範囲Θｕａに存在するか否かを判別し、存在する場合は、スイッチングテストに移行し（ステップＳ６３へ）、存在しない場合は、ステップＳ６０に戻る。ステップＳ６１における所定の角度範囲Θｕａとは、Ｕ相の電流検出器ＣＴ１に負方向の電流が流れる可能性の無い角度範囲のことであり、図９より、Θｕａ＝０〜１８０度の範囲とすればよいことが分かる。

ステップＳ６２においても、ステップＳ６１と同様な処理を実行する。ただし、角度範囲Θｕｂは異なり、正回転のときと同様な考え方で、図１０より、Θｕｂ＝１８０〜３６０度の範囲に設定すれば良いことが分かる。

次に、ステップＳ６３〜ステップＳ６７であるが、これらは、実施の形態１で図６に示したステップＳ４１〜ステップＳ４５と同じ処理である。

以上のステップＳ６０〜ステップＳ６７はＵ相に関する部分であり、図１２はこの部分だけを抽出して示したフローチャートである。ステップＳ６８〜ステップＳ７５はＶ相、ステップＳ７６〜ステップＳ８３はＷ相に関する部分であるが、これらは、Ｕ相に関するステップＳ６０〜ステップＳ６５と同様な説明となるので省略する。ただし、角度条件ステップＳ６９、ステップＳ７０、ステップＳ７７、ステップＳ７８における角度範囲は異なる。ステップＳ６９においては、Θｖａ＝１２０〜３００度であり、ステップＳ７０においては、Θｖｂ＝０〜１２０、３００〜３６０度であり、ステップＳ７７においては、Θｗａ＝０〜６０、２４０〜３６０度であり、ステップＳ７８においては、Θｗｂ＝６０〜２４０度である。

この実施の形態２によれば、テストパターンと電流検出値に基づく短絡故障個所の特定に先立ち、モータ回転角度とモータ回転角速度とに基づく条件を付加しているので、モータの回転中であっても、逆起電力による電流の影響で誤判定する恐れがなく、正確に短絡故障箇所を特定することができる。また、モータ回転が低速になるのを待つ必要がないので、特定に要する時間を短くすることができる。

また、以上の説明では、モータ回転角度とモータ回転角速度とを判定条件としたが、モータ回転角速度による条件だけでも、回転が低速になるのを待つようにすれば、逆起電力の影響による誤判定を回避できるので、正確な特定が可能である。また、モータ回転角度による条件だけでも正確な特定が可能である。これは、図９と図１０に示した逆起電力による電流が流れない角度範囲が、モータ回転角速度に依存しないので、モータ回転角度による条件だけでも、逆起電力の影響による誤判定を回避できるからである。

また、以上の説明では、スイッチング素子の短絡故障の特定について述べたが、モータ線の地絡、天絡についてもほぼ同様な現象であるので、これらの故障についても同様な実施の形態で特定することが可能である。

また、モータ回転角度、モータ回転角速度による条件判定をすることにより、モータの逆起電力による電流に基づいて誤判定する恐れを無くすことができるので、故障箇所特定の正確性が向上できる。したがって、モータ静止時のみでなく、回転中にも、正確に、かつ、短い時間で、故障箇所を特定できる。

実施の形態３．
以上の実施の形態においては、スイッチング素子の短絡故障、もしくはモータ線の地絡、天絡について短絡箇所を特定する手段について述べたが、この実施の形態３においては、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の内の２相間の短絡故障について述べる。

２相間の短絡故障についても、短絡故障箇所を特定するためには、短絡箇所特定手段２８による図１３に示すフローチャートに従う動作を、上記実施の形態１または２で示した、例えば、図２または図７で示したフローチャートにおけるステップＳ１４の前段に挿入すればよい。図１３で示した短絡箇所特定手段２８の動作は、図５または図６と似た動作になっているが、オンするスイッチング素子の組合せや、判定に使用する検出電流値など各処理の内容が異なる。

具体的に説明すると、ＵＶ間の短絡の疑いに対しては、スイッチング素子ＵＰとＶＮを同時にオンし、その応答をＶ相電流検出器ＣＴ２で検出し過電流の有無によって、ＵＶ間短絡を判定する（ステップＳ９１〜ステップＳ９５）。ＵＶ間が短絡故障しているときに、スイッチング素子ＵＰとＶＮを同時にオンすると、電源４から、ＵＰ、短絡故障箇所、ＶＰ、ＣＴ２、電源というように閉回路が形成され、過電流がＣＴ２に流れることから、ステップＳ９１〜ステップＳ９５の手順が理解できる。

ＵＶ間と同様に、ＶＷ間、ＷＵ間についても、それぞれ、ステップＳ９６〜ステップＳ１００、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５に示す手順で相間短絡箇所が特定できることを理解できる。

また、逆起電力による電流の影響で短絡故障箇所を誤判定することを回避するためには、実施の形態２で示した手法と同様に、モータ回転角度とモータ回転角速度を用いた条件を付加すればよい。図１１のステップＳ６０〜ステップＳ６２で示した手順を、図１３のステップＳ９１、ステップＳ９６、ステップＳ１０１の前にそれぞれ挿入することで実現できる。ただし、角度条件ステップＳ６１、ステップＳ６２の角度範囲については、相間短絡に適した値に設定する必要がある。図９及び図１０で示したのと同様に、相関短絡についても逆起電力により発生し得る電流を考慮して設定すればよい。

この実施の形態３における短絡箇所特定手段２８は、スイッチング素子をオンする複数の組合せ、すなわちテストパターンとして、図１４に示すテストパターンを記憶している。実施の形態１において、このテストパターンは、スイッチング素子の短絡故障もしくはモータ線の地絡・天絡について短絡箇所を特定するためのもので、図３及び図４に示すテストパターンのように、スイッチング素子を１個ずつオンするパターンであったが、この実施の形態３における相間短絡箇所を特定するためのスイッチテストでは、図１４に示す如く、上側スイッチング素子１個と、相の異なる下側スイッチング素子1個の組合せで同時にオンするというものである。

すなわち、実施の形態１におけるテストパターンは、図１１に示す如く、下側スイッチング素子の短絡故障もしくはモータ線の地絡を対象とした短絡箇所の特定に関するもので、図５のステップＳ２１、ステップＳ２６、ステップＳ３１に対応し、また、図１２に示す如く、上側スイッチング素子の短絡故障もしくはモータ線の天絡を対象とした短絡箇所の特定に関するもので、図６のステップＳ４１、ステップＳ４６、ステップＳ５１に対応するものであった。これに対し、この実施の形態３において、短絡箇所特定手段２８が記憶するテストパターンは、図１４に示す如く、２相間の短絡故障を対象とした短絡箇所の特定に関するもので、図１３のステップＳ９１、ステップＳ９６、ステップＳ１０１に対応している。

この実施の形態３によれば、短絡故障したスイッチング素子、または、モータ線の地絡、天絡箇所だけでなく、２相間の短絡故障箇所についても、望ましくないモータトルクを出力することなく特定でき、また、短絡箇所の特定に要する時間を短縮することができる。また、電流を電源に繋がる直流部で検出するのではなく、各相それぞれで検出して、電流経路を詳細に把握し、短絡故障箇所を特定しているので、正確な特定ができる。また、モータ回転角度、モータ回転角速度に基づいて条件を付加しているので、モータの回転中であっても、逆起電力による電流の影響で誤判定する恐れがなく、正確に短絡故障箇所を特定することができる。さらに、モータ回転が低速になるのを待つ必要がないので、特定に要する時間を短くすることができる。

また、以上の実施の形態では、各相で電流検出を実施する場合について述べたが、逆起電力による誤判定回避策として説明した図１１で示したようなモータ回転角度とモータ回転角速度による条件付加の方法は、電源に繋がる直流部の電流のみを検出する場合においても有効である。これは、各相で電流を検出しないので正確性は劣るが、逆起電力による電流が発生しないモータ回転角度とモータ回転角速度に限定して、短絡箇所特定を実施することができるからである。したがって、電源に繋がる直流部の電流のみを検出する場合においても、逆起電力による電流の影響で誤判定する恐れがなく、正確に短絡故障箇所を特定することができ、また、モータ回転が低速になるのを待つ必要がないので、特定に要する時間を短くすることができる。

実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４を示すもので、上記実施の形態で示した電動機制御装置を、自動車の電動パワーステアリング装置に適用した一例を示すものである。

図１５において、図示しない運転者からステアリングホイール１０１に加えられた操舵力は、ステアリングシャフト１０２を通り、ラック・ピニオンギヤ１１２を介して、ラックに伝達され、車輪１０３、１０４を転舵させる。Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相の巻線を備えたブラシレスモータ２（以下モータとも言う）は、モータ減速ギア１０７を介してステアリングシャフト１０２と連結している。モータから発生するモータトルク（以下補助力とも言う）は、モータ減速ギア１０７を介してステアリングシャフト１０２に伝達され、操舵時に運転者が加える操舵力を軽減する。

トルクセンサ１０８は、運転者がステアリングホイール１０１を操舵することによりステアリングシャフト１０２に加わった操舵力を検出する。コントローラユニット１０９は、トルクセンサ１０８で検出した操舵力に応じて、モータ２が付与する補助力の方向と大きさを決定し、この補助力を発生させるべく電源１１からモータに流れる電流を制御する。なお、３は、モータの回転角度を検出するモータ角度センサである。

コントローラユニット９は、モータトルクの目標値に相当するトルク電流指令（以下ｑ軸電流指令とも言う）を算出するマップ（図示しない）と、電動機制御装置１で構成される。出力すべきモータトルクをあらかじめ記憶しているマップは、トルクセンサ１０８で検出した操舵力に応じたモータトルクの方向と大きさを決定し、トルク電流指令を算出する。モータ２の各相に電流を流す。電動機制御装置１は、トルク電流指令を実現すべく、モータに流れる電流を制御する。この電流によって、モータによる補助力が発生する。この電動機制御装置１は、例えば、実施の形態１〜３のいずれかで示したものである。

電動パワーステアリング装置において、走行中に異常が発生した場合に制御を停止すると、運転者の感じる違和感が大きいので、可能な限り制御を継続することが要求されている。何らかの異常があるにも関わらず、可能な限り良好な制御を継続するには、故障した箇所を特定することが望ましい。さらに言うと、異常発生後に早く異常状態に対応した制御に移行するために、短時間で故障箇所を特定することが望ましい。また、電動パワーステアリング装置においては、運転者の操舵中、すなわち、モータが回転している状況においても、故障箇所を特定することが望ましい。

この実施の形態４の電動パワーステアリング装置によれば、短絡故障箇所を、非常に短い時間で正確に特定することができるので、早く、かつ、誤ることなく、異常状態に対応した制御に移行することができ、運転者の感じる違和感を小さくできる。

また、故障箇所を特定する際に、望ましくないモータトルクを発生させる恐れがないので、運転者の感じる違和感を小さくできる。

Claims

複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子を操作して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータに配置された電流検出器と、
短絡故障個所を特定する短絡個所特定手段と、
前記電動機の回転角度を検出して回転角度検出値を出力するモータ回転角度検出手段と
を備え、
前記短絡個所特定手段は、前記スイッチング素子をＯＮする組み合わせであるテストパターンを記憶し、前記テストパターンと、当該テストパターンの応答として前記電流検出器で検出される電流検出値と、前記回転角度検出値が逆起電力の影響を受ける範囲にあるか否かを判別した結果とに基づいて、短絡故障個所を特定する
ことを特徴とする電動機制御装置。
請求項１に記載の電動機制御装置において、
前記短絡個所特定手段は、前記回転角度検出値を微分して得た回転角速度が、所定の回転角速度よりも大きい場合のみ、前記回転角度検出値が逆起電力の影響を受ける範囲にあるか否かを判別した結果を用いて、短絡故障個所を特定する
ことを特徴とする電動機制御装置。
複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子を操作して電動機を駆動するインバータと、
前記インバータに配置された電流検出器と、
短絡故障個所を特定する短絡個所特定手段と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と
を備え、
前記短絡個所特定手段は、前記スイッチング素子をＯＮする組み合わせであるテストパターンを記憶し、前記端子電圧検出手段の検出値が所定値以下の場合には、上側のスイッチング素子をＯＮするテストパターンを選択し、前記検出値が前記所定値よりも大きい場には、下側のスイッチング素子をＯＮするテストパターンを選択し、選択された前記テストパターンと、当該テストパターンの応答として前記電流検出器で検出される電流検出値とに基づいて、短絡故障個所を特定する
ことを特徴とする電動機制御装置。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電動機制御装置において、
前記電動機は、電動パワーステアリング装置における電動機である
ことを特徴とする電動機制御装置。