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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-29
(45)【発行日】2024-08-06
(54)【発明の名称】電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びモータ駆動装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20240730BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 M
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020179565
(22)【出願日】2020-10-27
(65)【公開番号】P2022070477
(43)【公開日】2022-05-13
【審査請求日】2023-08-09
(73)【特許権者】
【識別番号】390008235
【氏名又は名称】ファナック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100112357
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 繁樹
(72)【発明者】
【氏名】平山 伸夫
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 拓
【審査官】麻生 哲朗
(56)【参考文献】
【文献】特開平０８－３０８２４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－０６４５６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２９６８５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１９５７３５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行う電力変換装置の故障を検出する故障検出装置であって、各前記スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせからなる指令パターンを複数生成する指令生成部であって、複数の前記指令パターンの各々は、互いに異なるオン指令及びオフ指令の組み合わせを有する、指令生成部と、
前記ブリッジ回路に流れる電流の検出値を取得する電流取得部と、
前記指令パターンにおける各前記スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと、前記電力変換装置の直流側に直流電圧が印加されかつ前記電力変換装置の交流側に負荷回路が接続された状態において各前記スイッチング素子に対して前記指令パターンを指令して各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記電流の検出値とに基づいて、前記電力変換装置の故障を判定する故障判定部と、
前記電力変換装置の直流側の電圧の検出値を取得する電圧取得部と、
前記電圧取得部が取得した前記電圧の検出値と、前記スイッチング素子がオン指令されている時間と、前記負荷回路のインピーダンスとに基づいて、各前記スイッチング素子に流れる電流の推定値を計算する電流推定部と、
を備え、
前記故障判定部は、前記電流取得部が取得した前記電流の検出値の各々とこれに対応する前記電流推定部が算出した前記電流の推定値の各々との差または割合のうち、少なくとも１つの差または割合が所定の範囲外である場合、前記電力変換装置に設けられた電流検出部に故障が発生していると判定する、故障検出装置。
【請求項2】
前記ブリッジ回路は、三相ブリッジ回路であり、前記指令生成部は、６つの前記指令パターンの各々として、前記ブリッジ回路を構成するいずれか１つの上アームの前記スイッチング素子と当該上アームが属するレグとは異なるいずれか１つのレグ内の下アームの前記スイッチング素子とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子以外の前記スイッチング素子に対するオフ指令と、の組み合わせからなる第１の故障判定用指令パターンを生成する、請求項１に記載の故障検出装置。
【請求項3】
前記故障判定部は、６つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記電流の検出値のうち、少なくとも２つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した前記電流の検出値が第１の閾値未満である場合、当該少なくとも２つの第１の故障判定用指令パターンのうちの２つにおいてオン指令されていたスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定する、請求項２に記載の故障検出装置。
【請求項4】
前記故障判定部は、６つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記ブリッジ回路の直流側の前記電流の検出値のうち、２つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した２つの前記電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、当該２つの第１の故障判定用指令パターンにおいてオン指令されていたスイッチング素子が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子に関係するショート故障が発生していると判定する、請求項２または３に記載の故障検出装置。
【請求項5】
前記故障判定部は、６つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記ブリッジ回路の直流側の前記電流の検出値のうち、３つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した３つの前記電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、当該３つの第１の故障判定用指令パターンのうちの２つにおいてオン指令されていたスイッチング素子が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子に関係するショート故障が発生していると判定する、請求項２～４のいずれか一項に記載の故障検出装置。
【請求項6】
前記故障判定部は、６つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記ブリッジ回路の前記直流側の前記電流の検出値のうち、４つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した４つの前記電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、当該４つの第１の故障判定用指令パターンのうちの２つにおいてオン指令されていた２つのスイッチング素子の各々が属するレグ内の各々においてオフ指令されていたスイッチング素子に関係するショート故障が発生していると判定するとともに、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせとは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンにおいてオン指令されていたスイッチング素子が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子に関係するショート故障が発生している可能性があると判定する、請求項２～５のいずれか一項に記載の故障検出装置。
【請求項7】
前記故障判定部は、６つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記ブリッジ回路の直流側の前記電流の検出値の全てが第２の閾値より大きい場合、前記スイッチング素子に関係するショート故障が、前記ブリッジ回路の前記上アームの前記スイッチング素子の全てまたは前記ブリッジ回路の前記下アームの前記スイッチング素子の全てについて発生していると判定する、請求項２～６のいずれか一項に記載の故障検出装置。
【請求項8】
前記ブリッジ回路は、単相ブリッジ回路であり、前記指令生成部は、４つの前記指令パターンの各々として、前記ブリッジ回路を構成するいずれか１つの上アームの前記スイッチング素子といずれか１つの下アームの前記スイッチング素子とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子以外の前記スイッチング素子に対するオフ指令と、の組み合わせからなる第１の故障判定用指令パターンを生成する、請求項１に記載の故障検出装置。
【請求項9】
前記故障判定部は、４つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記電流の検出値のうち、２つまたは３つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した２つまたは３つの前記電流の検出値が第１の閾値未満である場合は、当該２つまたは３つの第１の故障判定用指令パターンのうちの２つにおいてオン指令されていたスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定し、４つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した４つの前記電流の検出値が前記第１の閾値未満である場合は、４つの前記スイッチング素子のうちの少なくとも２つのスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定する、請求項８に記載の故障検出装置。
【請求項10】
前記故障判定部は、２つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記ブリッジ回路の直流側の前記電流の検出値のうち、１つの前記第１の故障判定用指令パターンの下で前記電流取得部が取得した前記電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、当該１つの第１の故障判定用指令パターンにおいてオン指令が指令されていたスイッチング素子の各々が属するレグ内においてそれぞれオフ指令されていた２つのスイッチング素子のうちのいずれかに関係するショート故障が発生していると判定する、請求項８または９に記載の故障検出装置。
【請求項11】
前記故障判定部は、２つの前記第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各前記スイッチング素子を動作させたときに前記電流取得部が取得した前記ブリッジ回路の直流側の前記電流の検出値の全てが第２の閾値より大きい場合、前記スイッチング素子に関係するショート故障が、前記ブリッジ回路の前記上アームの前記スイッチング素子の全てまたは前記ブリッジ回路の前記下アームの前記スイッチング素子の全てについて発生していると判定する、請求項８～１０のいずれか一項に記載の故障検出装置。
【請求項12】
前記ブリッジ回路は、三相ブリッジ回路であり、前記指令生成部は、６の前記指令パターンの各々として、前記ブリッジ回路を構成する上側または下側のアームのうちのいずれか１つのアームの前記スイッチング素子と当該アームが属するレグとは異なるレグ内の当該アームとは異なる側のアームの前記スイッチング素子とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子以外の前記スイッチング素子に対するオフ指令と、の組み合わせからなる第２の故障判定用指令パターンを生成し、
前記故障判定部は、前記電力変換装置において前記スイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障を判定する、請求項１～７のいずれか一項に記載の故障検出装置。
【請求項13】
前記故障判定部は、前記第２の故障判定用指令パターンの下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがある場合、当該第２の故障判定用指令パターンの下でオン指令されていたスイッチング素子のうち過電流が流れたと判定されたスイッチング素子に対応する前記過電流検出部は正常であると判定する、請求項１２に記載の故障検出装置。
【請求項14】
ブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行うことで、モータの駆動に用いられる電力を生成する電力変換装置と、前記電力変換装置の故障を検出する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の故障検出装置と、
を備えるモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＰＷＭ制御方式のインバータ並びにＰＷＭ制御方式及び１２０度通電方式のコンバータは、ブリッジ回路の上アーム及び下アームの各々に設けられたスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行う電力変換装置である。例えば、工作機械内やロボット内に設けられるモータの駆動を制御するモータ駆動装置では、交流電源から入力される交流電力をＰＷＭ制御方式または１２０度通電方式のコンバータにて直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、さらにＰＷＭ制御方式のインバータにてＤＣリンクにおける直流電圧を交流電力に変換し、この交流電力をモータの駆動電力として出力している。ＤＣリンクとは、コンバータの直流出力側とインバータの直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」または「直流中間回路」などとも称されることもある。
【0003】
電力変換装置において発生し得る故障には、例えば、スイッチング素子に関係するオープン故障、スイッチング素子に関係するショート故障、電力変換装置に設けられた電流検出部に関係する故障、スイッチング素子に対応して設けられた過電流検出部に関係する故障などがある。
【0004】
このうち、オープン故障は、スイッチング制御部がスイッチング素子に対してオン指令（クローズ指令）を行ったにもかかわらずスイッチング素子がクローズせずにオープンしたままとなる故障である。また、ショート故障は、スイッチング制御部がスイッチング素子に対してオフ指令（オープン指令）を行ったにもかかわらずスイッチング素子がオープンせずにクローズしたままとなる故障である。これらオープン故障及びショート故障は、スイッチング素子自体が正常に機能しなくなることに起因する場合と、当該スイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を印加するドライブ回路が正常に機能しなくなることに起因する場合と、ドライブ回路を制御するスイッチング制御部が正常に機能しなくなることに起因する場合などがある。以下、スイッチング素子自体、ドライブ回路、及びスイッチング制御部のうちのいずれかに起因してスイッチング素子に発生するオープン故障を、まとめて「スイッチング素子に関係するオープン故障」と称する。同様に、スイッチング素子自体、ドライブ回路、及びスイッチング制御部のうちのいずれかに起因してスイッチング素子に発生するショート故障を、まとめて「スイッチング素子に関係するショート故障」と称する。
【0005】
電力変換装置に発生する故障を検出する方法として様々なものが知られている。
【0006】
例えば、直流電圧を交流電圧に変換して交流機に出力するインバータ装置であって、直列接続された上アームスイッチ素子及び下アームスイッチ素子を有し、前記交流機に結線されるインバータ回路と、前記インバータ回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ回路の異常、及び、前記交流機又は前記結線の異常を診断する診断装置とを備え、前記診断装置は、前記上アームスイッチ素子及び前記下アームスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して前記交流機に単パルス電圧を出力して、前記電流検出手段により得られた電流値から前記交流機又は前記結線の短絡故障を診断するものであり、前記インバータ装置は、前記下アームスイッチ素子がＯＮされることにより前記上アームスイッチ素子を駆動するための電圧が充電されるコンデンサを有し、当該コンデンサに充電された電圧により前記上アームスイッチ素子を駆動するブートストラップ回路と、前記ブートストラップ回路のコンデンサに充電された電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段とを更に備え、前記診断装置は、前記上アームスイッチ素子及び前記下アームスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して、前記コンデンサ電圧検出手段により得られた電圧値を用いて、前記インバータ回路の異常、及び、前記交流機又は前記結線の異常を診断する、インバータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【0007】
例えば、複数相の上下アームを構成するスイッチング素子（７０）としてのハイサイドのスイッチング素子（７００Ｈ，７０１Ｈ）及びローサイドのスイッチング素子（７００Ｌ，７０１Ｌ）とともに半導体モジュール（４０）を構成し、前記スイッチング素子の駆動を制御する制御装置であって、各アームを構成する前記スイッチング素子の主電極間の電圧、又は、各相上下アームの相電圧を検出する電圧検出部（８２）と、前記電圧検出部により検出された電圧値に基づいて、前記スイッチング素子にショート故障が生じているか否かを判定する判定部（８４）と、前記判定部により故障が生じたと判定されると、故障が生じた前記スイッチング素子をオフさせるとともに、故障した前記スイッチング素子とは別の相であって同じサイドの前記スイッチング素子をオンさせる駆動部（８５）と、を備える制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【0008】
例えば、モータに電力を供給するためのインバータ回路（２０）と、前記インバータ回路を駆動するドライブ回路（３０）と、前記ドライブ回路を制御する制御素子（４０）と、前記インバータ回路に流れる電流を検出して検出結果を前記制御素子に出力する電流検出部（７０）と、を備え、前記インバータ回路は、検査モードにおいて、所定の負荷（９０）に接続され、前記制御素子は、前記検査モードにおいて、前記所定の負荷に応じた検査用信号を前記ドライブ回路に出力して前記インバータ回路を動作させ、前記検査用信号によって動作した前記インバータ回路の電流値適正判定及び電流保護の故障検出のうちの少なくとも一方を前記電流検出部の検出結果を用いて行い、前記インバータ回路の故障の有無を判定して故障検出の判定結果を外部に出力する、インバータ基板が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【0009】
例えば、エミッタ電極と、前記エミッタ電極に流れる電流に応じたセンス電流を出力するエミッタセンス端子とを有し、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行うパワー半導体素子と、前記センス電流に基づいて、前記パワー半導体素子に流れる過電流を検知する過電流検知回路と、前記過電流を模擬した模擬信号を前記過電流検知回路に出力する過電流模擬回路と、を備える電力変換装置が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特開２０２０－０８０６４５号公報
【文献】特開２０１９－０７５９５９号公報
【文献】特開２０１８－０６１３２８号公報
【文献】国際公開第２０１６/０２１３２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
モータ駆動装置内に設けられる電力変換装置においては、スイッチング素子、電流検出部、及び過電流検出部など様々な箇所で故障が発生し得る。特にスイッチング素子については、電力変換装置内に複数設けられることからその故障箇所も様々であり、また故障の種類もオープン故障とショート故障とで分かれる。このため、電力変換装置の故障箇所及び故障内容の特定には、時間と手間がかかる。また例えばモータ駆動装置の出荷試験時においては、モータ駆動装置によりモータを実際に駆動させてモータ回転数やモータ電流を検出し、これら各値に異常があれば一律に不良品と判定している。このため、モータ駆動装置内に設けられる電力変換装置の故障箇所及び故障内容を特定することはできない。したがって、モータ駆動装置内に設けられる電力変換装置の故障箇所及び故障内容を迅速かつ正確に検出することができる技術の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本開示の一態様によれば、ブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行う電力変換装置の故障を検出する故障検出装置は、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせからなる指令パターンを複数生成する指令生成部であって複数の指令パターンの各々は互いに異なるオン指令及びオフ指令の組み合わせを有する指令生成部と、ブリッジ回路に流れる電流の検出値を取得する電流取得部と、指令パターンにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電力変換装置の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置の交流側に負荷回路が接続された状態において各スイッチング素子に対して指令パターンを指令して各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部が取得した電流の検出値とに基づいて電力変換装置の故障を判定する故障判定部と、電力変換装置の直流側の電圧の検出値を取得する電圧取得部と、電圧取得部が取得した電圧の検出値と、スイッチング素子がオン指令されている時間と、負荷回路のインピーダンスとに基づいて、各スイッチング素子に流れる電流の推定値を計算する電流推定部と、を備え、故障判定部は、電流取得部が取得した電流の検出値の各々とこれに対応する電流推定部が算出した電流の推定値の各々との差または割合のうち、少なくとも１つの差または割合が所定の範囲外である場合、電力変換装置に設けられた電流検出部に故障が発生していると判定する。
【0013】
また、本開示の一態様によれば、モータ駆動装置は、ブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行うことで、モータの駆動に用いられる電力を生成する電力変換装置と、電力変換装置の故障を検出する上記故障検出装置と、を備える。
【発明の効果】
【0014】
本開示の一態様によれば、モータ駆動装置内に設けられる電力変換装置の故障箇所及び故障内容を迅速かつ正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置を示す図である。
【図2】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために用いられる第１の故障判定用指令パターンを示す図である。
【図3】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障の検出処理を示すフローチャートである。
【図4】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子に対して第１の故障判定用指令パターンが指令されたときに形成される閉回路を例示する図である。
【図5】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるオープン故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。
【図6】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるショート故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。
【図7】本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置を示す図である。
【図8】本開示の一実施形態による単相の電力変換装置内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために用いられる第１の故障判定用指令パターンを示す図である。
【図9】本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障の検出処理を示すフローチャートである。
【図10】本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるオープン故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。
【図11】本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるショート故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。
【図12】電力変換装置のブリッジ回路内のスイッチング素子を流れる電流と、当該スイッチング素子のオン時間との関係を示す図である。
【図13】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障並びに電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャートである。
【図14】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障を検出するために用いられる第２の故障判定用指令パターンを示す図である。
【図15】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャートである。
【図16】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子に対して第２の故障判定用指令パターンが指令されたときに形成される閉回路を例示する図である。
【図17】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置における過電流検出部と第２の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。
【図18】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障、電流検出部の故障、並びにスイッチング素子に対応して設けられる過電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャート（その１）である。
【図19】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障、電流検出部の故障、並びにスイッチング素子に対応して設けられる過電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャート（その２）である。
【図20】本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障、電流検出部の故障、並びにスイッチング素子に対応して設けられる過電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャート（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下図面を参照して、電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びモータ駆動装置について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施をするための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。
【0017】
まず、三相のブリッジ回路からなる電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置について説明する。
【0018】
図１は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置を示す図である。
【0019】
本開示の一実施形態によるモータ駆動装置１００は、三相のブリッジ回路を構成する６つのスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行うことでモータ（図示せず）の駆動に用いられる電力を生成する電力変換装置２と、電力変換装置２の故障を検出する故障検出装置１とを備える。
【0020】
三相の電力変換装置２は、三相のブリッジ回路と、スイッチング制御部２１と、ドライブ回路２２と、電流検出部２３と、電圧検出部２４とを備える。電力変換装置２の直流側には正極端子２５及び負極端子２６が設けられる。
【0021】
電力変換装置２の例としては、例えばＰＷＭ制御方式のインバータ、ＰＷＭ制御方式のコンバータ（整流器）、及び１２０度通電方式のコンバータ（整流器）などがある。電力変換装置２がインバータである場合は、電力変換装置２の交流側には交流モータなどの交流負荷回路が接続され、直流側にはコンデンサを介してコンバータが接続されるかあるいは直流電源が接続される。電力変換装置２がコンバータである場合は、電力変換装置２の交流側には交流電源が接続され、直流側にはコンデンサを介してインバータが接続されるかあるいは直流モータなどの直流負荷回路が接続されるかあるいは直流電源が接続される。詳細については後述するが、故障検出装置１にて電力変換装置２の故障を検出する際には、電力変換装置２の交流側には故障検出用の負荷回路３が接続され、電力変換装置２の直流側には故障検出用の直流電源が接続されて直流電圧が印加される。
【0022】
電力変換装置２内の三相のブリッジ回路は、三相の各相に対応する３つのレグを有する。各レグは、上アーム及び下アームを有する。各上アーム及び各下アームには、スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとからなるパワー素子が設けられる。ここでは、各上アームに設けられるスイッチング素子をＳ1、Ｓ2及びＳ3とし、各下アームに設けられるスイッチング素子をＳ4、Ｓ5及びＳ6とする。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがある。ＩＧＢＴはその端子としてゲート、エミッタ及びコレクタを有する。ＦＥＴはその端子としてゲート、ドレイン及びソースを有する。サイリスタ及びＧＴＯはその端子としてゲート、アノード及びカソードを有する。トランジスタはその端子としてベース、エミッタ及びコレクタを有する。なお、スイッチング素子としてトランジスタを用いる場合は、「ベース」は「ゲート」に読み替えられて本開示による実施形態が適用される。
【0023】
スイッチング制御部２１は、上位制御部（図示せず）から受信した駆動指令または後述する指令生成部１１から受信した指令パターンに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。
【0024】
なお、ここで説明したスイッチング制御部２１及びドライブ回路２２の構成はあくまでも一例である。例えば、スイッチング制御部２１を、位置指令生成部、位置制御部、速度制御部、電流制御部、トルク指令作成部などのうちのいくつかを含めて規定してもよい。また例えば、スイッチング制御部２１とドライブ回路２２とを一体化して構成してもよい。また例えば、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子を、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）にて構成してもよく、この場合、ＩＰＭはドライブ回路２２の機能や過電流検出機能などの機能を有する。また、ドライブ回路２２として、ＤＥＳＡＴ検出回路とよばれる過電流検出機能を有するドライバＩＣが使用してもよい。ＤＥＳＡＴ検出回路は、スイッチング素子ごとに設けられる。例えば、ＤＥＳＡＴ検出回路にて駆動されるＩＧＢＴにおいて、オンされたスイッチング素子に過電流が流れた際にコレクタ－エミッタ間の電圧が正常時のオンの場合よりも上昇することをＤＥＳＡＴ検出回路にて検出することで、過電流を検出することができる。
【0025】
電力変換装置２のブリッジ回路の交流側の三相の電力線のうちの少なくとも二相分にはプローブ（図１に示す例では２つのプローブＴ1及びＴ2）が設けられ、電流検出部２３は、プローブＴ1及びＴ2を介して電力変換装置２のブリッジ回路の交流側の電流を検出する。また、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の正負の電力線のうちの少なくとも１つにはプローブ（図１に示す例では正側の電力線にプローブＴ3）が設けられ、電流検出部２３は、プローブＴ3を介して電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の電流（特に過電流）を検出する。電流検出部２３による電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の電流の検出処理に代えて、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子をＩＰＭにて構成する場合はＩＰＭの過電流検出機能を用いてもよく、あるいは、ドライブ回路２２がＤＥＳＡＴ検出回路を有するドライバＩＣにて構成される場合はＤＥＳＡＴ検出回路の過電流検出機能を用いてもよい。
【0026】
また、電圧検出部２４は電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の電圧を検出する。電流検出部２３によって検出された電流の検出値及び電圧検出部２４によって検出された電圧の検出値は、電力変換装置２における電力変換制御や電力変換装置２を有するモータ駆動装置１００におけるモータ駆動制御に用いられるとともに、故障検出装置１の故障検出処理にも用いられる。
【0027】
本開示の一実施形態による故障検出装置１は、指令生成部１１と、電流取得部１２と、故障判定部１３とを備える。また、故障検出装置１が検出すべき故障内容に応じて、故障検出装置１は、電圧取得部１４と、電流推定部１５とを備える。故障検出装置１は、モータ駆動装置１００内に内蔵されてもよく、電力変換装置２と取り外し可能に接続されてもよい。また、故障検出装置１を既存の電力変換装置２に接続することもできる。
【0028】
指令生成部１１は、三相のブリッジ回路における各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせからなる指令パターンを６つ生成する。６つの指令パターンの各々は、互いに異なるオン指令及びオフ指令の組み合わせを有する。なお、詳細については後述するが、指令生成部１１は、スイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために第１の故障判定用指令パターンを生成し、スイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部（図示せず）の故障を検出するために第２の故障判定用指令パターンを生成する。すなわち、指令生成部１１により生成された指令パターンは、故障を検出するために用いられるものであり、上位制御部（図示せず）から指令される電力変換装置２の通常の電力変換制御やモータ駆動装置１００の通常のモータ駆動制御に用いられる指令パターンとは異なる。指令生成部１１により生成された指令パターンは、故障判定部１３及びスイッチング制御部２１に送られる。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１により生成された指令パターンに基づいて、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。
【0029】
故障検出装置１にて電力変換装置２の故障を検出する際には、電力変換装置２の交流側には故障検出用の負荷回路３を接続するとともに、電力変換装置２の直流側には正極端子２５及び負極端子２６を介して故障検出用の直流電源（図示せず）を接続して直流電圧を印加する。故障検出用の直流電源は、バッテリであってもよく、交流電源に接続されたコンバータ（整流器）であってもよい。
【0030】
負荷回路３は、誘導性負荷または抵抗性負荷であり、例えば交流モータ、リアクトル、及び抵抗などがある。電力変換装置２の交流側への負荷回路３の接続及び当該接続の解除は、電路を開閉するスイッチ部（図示せず）を介して行われてもよい。電力変換装置２やモータ駆動装置１００の出荷時やメンテナンス時にはスイッチ部を閉動作させて電力変換装置２の交流側に負荷回路３を接続し、電力変換装置２やモータ駆動装置１００の通常の運転時にはスイッチ部を開動作させて電力変換装置２の交流側と負荷回路３との接続を解除してもよい。
【0031】
電流取得部１２は、電流検出部２３による電流の検出値を取得する。
【0032】
故障判定部１３は、指令パターンにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせの内容と、電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態において各スイッチング素子に対して指令パターンを指令して各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した電流の検出値とに基づいて、電力変換装置２の故障を判定する。すなわち、図１に示す例では、三相の電力変換装置２の故障を検出するため、互いに異なる６つの指令パターンのそれぞれを指令して各スイッチング素子を動作させる。６つの指令パターンの各々に対応して、電流取得部１２は電流の検出値を６種類取得する。スイッチング素子にオープン故障またはショート故障が発生していたりスイッチング素子に対応して設けられた過電流検出部が故障していた場合には、電流取得部１２が取得した電流の検出値に何らかの変化が現れる。そこで、本開示の一実施形態では、故障判定部１３は、指令パターンにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した電流の検出値との対応関係に基づき、三相の電力変換装置２の故障の発生箇所及び故障の内容を判定する。
【0033】
故障判定部１３による判定結果は、故障検出装置１の検出結果として外部へ出力される。故障検出装置１の検出結果は、例えば表示部（図示せず）に表示される。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、上位制御部に付属のディスプレイ装置、電力変換装置２に付属のディスプレイ装置、モータ駆動装置１００に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。またあるいは、表示部に代えて、故障検出装置１で検出した検出結果報を、例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて出力させてもよい。これにより、作業者は、電力変換装置２の温度を迅速かつ正確に実に把握することができる。よって、作業者は、例えば、電力変換装置２またはモータ駆動装置１００を緊急停止させたり、電力変換装置２内の故障箇所に係る部品を交換または修理するといった対応をとることが容易となる。
【0034】
電圧取得部１４は、電圧検出部２４が検出した電力変換装置の直流側の電圧の検出値を取得する。取得された電圧の検出値は、電流推定部１５に送られる。
【0035】
電流推定部１５は、電圧取得部１４が取得した電圧の検出値と、スイッチング素子がオン指令されている時間と、負荷回路３のインピーダンスとに基づいて、各スイッチング素子に流れる電流の推定値を計算する。算出された電流の推定値は、故障判定部１３に送られる。
【0036】
図２は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために用いられる第１の故障判定用指令パターンを示す図である。
【0037】
図１に示す三相の電力変換装置２のオープン故障及びショート故障を検出するための第１の故障判定用指令パターンとして、互いに異なる６つの指令パターンが指令生成部１１によって生成される。６つの第１の故障判定用指令パターンの各々を、識別番号Ｎ（ただし、Ｎは１～６の自然数）を用いて識別する。６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの各々は、ブリッジ回路を構成するいずれか１つの上アームのスイッチング素子と当該上アームが属するレグとは異なるいずれか１つのレグ内の下アームのスイッチング素子とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子以外のスイッチング素子に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。より詳細には次の通りである。
【0038】
第１の故障判定用指令パターンＰ１は、上アームのスイッチング素子Ｓ1と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ5とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ5以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0039】
第１の故障判定用指令パターンＰ２は、上アームのスイッチング素子Ｓ1と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ6とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4及びＳ5に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0040】
第１の故障判定用指令パターンＰ３は、上アームのスイッチング素子Ｓ2と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ6とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ2及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ3、Ｓ4及びＳ5に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0041】
第１の故障判定用指令パターンＰ４は、上アームのスイッチング素子Ｓ2と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ4とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ2及びＳ4以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ3、Ｓ5及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0042】
第１の故障判定用指令パターンＰ５は、上アームのスイッチング素子Ｓ3と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ4とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ3及びＳ4以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ5及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0043】
第１の故障判定用指令パターンＰ６は、上アームのスイッチング素子Ｓ3と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ5とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ3及びＳ5以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ4及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0044】
図３は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障の検出処理を示すフローチャートである。
【0045】
故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００におけるスイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障の検出処理は、三相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態で実行される。
【0046】
まず、ステップＳ１０１において、指令生成部１１は、初期設定として、第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎを１に設定する。ステップＳ１０１における第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎの１の設定は、例えば、作業者の故障検出装置１への入力装置を用いた入力操作によって行われてもよく、あるいは故障検出装置１による故障検出処理の開始時に自動的に行われてもよく、あるいは故障検出装置１の電源投入時に自動的に行われてもよい。
【0047】
ステップＳ１０２において、指令生成部１１は、スイッチング制御部２１に対して第１の故障判定用指令パターンＰＮを指令する。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１から受信した第１の故障判定用指令パターンＰＮに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。三相の電力変換装置２の直流側には直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側には負荷回路３が接続されているので、６つのスイッチング素子のうちオン指令された２つのスイッチング素子が正常にオン動作していれば、当該オン動作している２つのスイッチング指令を介して電力変換装置２の直流側の正極端子２５、負荷回路３及び電力変換装置２の直流側の負極端子２６に閉回路が形成される。なお、指令生成部１１により生成された第１の故障判定用指令パターンＰＮは、故障判定部１３にも送られる。
【0048】
ステップＳ１０３において、電流取得部１２は、第１の故障判定用指令パターンＰＮに対応する電流検出部２３による電流の検出値を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値は、故障判定部１３に送られる。故障判定部１３は、電流取得部１２から送られてきた電流の検出値と、当該電流の検出値の取得の際に用いられていた第１の故障判定用指令パターンＰＮとを対応付けて記憶する。
【0049】
ステップＳ１０４において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であるか否かを判定する。第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であると判定された場合はステップＳ１０６へ進み、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であると判定されなかった場合はステップＳ１０５へ進む。
【0050】
ステップＳ１０５において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎを１つインクリメントする。その後、ステップＳ１０２へ戻る。
【0051】
ステップＳ１０６において、故障判定部１３は、６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した電流の検出値との対応関係に基づき、三相の電力変換装置２のオープン故障またはショート故障の発生箇所を判定する。その後、一連の故障検出処理を終了する。
【0052】
上述した第１の故障判定用指令パターンＰＮは、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために用いられる。続いて、第１の故障判定用指令パターンを用いて三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障を検出する場合について説明する。
【0053】
故障判定部１３は、６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値との対応関係に基づき、三相の電力変換装置２のオープン故障の発生箇所を判定する。より具体的には、故障判定部１３は、６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮのそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値のうち、少なくとも２つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合、当該少なくとも２つの第１の故障判定用指令パターンＰＮのうちの２つにおいてオン指令されていたスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定する。
【0054】
図４は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子に対して第１の故障判定用指令パターンが指令されたときに形成される閉回路を例示する図である。三相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態において、一例として、図４（Ａ）では、各スイッチング素子に対して第１の故障判定用指令パターンＰ１が指令されたときに形成され得る閉回路を例示し、図４（Ｂ）では、各スイッチング素子に対して第１の故障判定用指令パターンＰ２が指令されたときに形成され得る閉回路を例示している。なお、図４においては、故障検出装置１については図示を省略している。
【0055】
図４（Ａ）に示すように、第１の故障判定用指令パターンＰ１では、上アームのスイッチング素子Ｓ1及び当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ5に対してオン指令され、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ5以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ6に対してはオフ指令される。したがって、仮に６つのスイッチング素子が全て正常に機能していれば、正極端子２５、スイッチング素子Ｓ1、負荷回路３、スイッチング素子Ｓ5、及び負極端子２６からなる閉回路が形成される。
【0056】
図４（Ｂ）に示すように、第１の故障判定用指令パターンＰ２では、上アームのスイッチング素子Ｓ1及び当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ6に対してオン指令され、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5に対してはオフ指令される。したがって、仮に６つのスイッチング素子が全て正常に機能していれば、正極端子２５、スイッチング素子Ｓ1、負荷回路３、スイッチング素子Ｓ6、及び負極端子２６からなる閉回路が形成される。
【0057】
このように、第１の故障判定用指令パターンＰ１及び第１の故障判定用指令パターンＰ２のいずれにおいても、スイッチング素子Ｓ1に対してはオン指令されている。したがって、スイッチング素子Ｓ1が正常に機能していれば、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）のいずれにおいても、スイッチング素子Ｓ1を介して閉回路に電流が流れ、電流取得部１２が取得した電流の検出値はゼロよりも大きい正常値となる。しかしながら、仮にスイッチング素子Ｓ1がオープン故障していたとすると、第１の故障判定用指令パターンＰ１及び第１の故障判定用指令パターンＰ２の下でスイッチング素子Ｓ1に対してオン指令されていたとしてもスイッチング素子Ｓ1はクローズせずにオープンしたままとなるので閉回路には電流が流れず、電流取得部１２が取得した電流の検出値はゼロに近い値となる。他の第１の故障判定用指令パターンとスイッチング素子に対しても同様のことがいえる。そこで、本開示の一実施形態では、この現象を使用してオープン故障の発生を検出する。
【0058】
故障判定部１３は、６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの各々に対応して電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値のうち、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値がゼロに近い値となった場合には、当該２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関係するオープン故障が発生していると判定する。なお、ゼロに近くかつゼロより大きい第１の閾値（例えば数十ミリアンペア）を予め設定して故障判定部１３内に記憶しておく。電流取得部１２が取得した電流の検出値がゼロに近い値であるか否かの判定は、電流取得部１２が取得した電流の検出値と第１の閾値との比較結果に基づき行えばよい。すなわち、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満であることをもって、電流取得部１２が取得した電流の検出値がゼロに近い値であると判定する。
【0059】
６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの各々に対応して電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値のうち、３つ以上の第１の故障判定用指令パターンの下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合も、同様に当該３つ以上第１の故障判定用指令パターンのうちの「２つ」においてオン指令されていたスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定することができる。
【0060】
図５は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるオープン故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。図５において、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６に関して、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満（すなわちゼロに近い値）である場合を「×」で示し、第１の閾値以上（すなわちゼロよりも十分に大きい正常値）である場合を「〇」で示す。また、図５において、各スイッチング素子Ｓ1～Ｓ6に関して、オープン故障が発生していると判定される場合を「×」で示す。故障判定部１３は、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子Ｓ1～Ｓ6のオープン故障を図５に示す対応関係に基づき検出する。
【0061】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値の全てが第１の閾値以上である場合、故障判定部１３は、全てのスイッチング素子Ｓ1～Ｓ6はオープン故障していないと判定する。
【0062】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値のうち、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合、故障判定部１３は、当該２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関係するオープン故障が発生していると判定する。
【0063】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値のうち、３つの第１の故障判定用指令パターンＰ４～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合、故障判定部１３は、当該３つの第１の故障判定用指令パターンＰ４～Ｐ６のうちの、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するオープン故障と、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関係するオープン故障とが発生していると判定する。
【0064】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ６のうちの、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ2に関係するオープン故障と、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するオープン故障と、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関係するオープン故障とが発生していると判定する。
【0065】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値の全てが第１の閾値未満である場合、「上アームのスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ3に関するオープン故障」のみが発生、「上アームのスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ3に関するオープン故障」に加えて「下アームのスイッチング素子Ｓ4、Ｓ5及びＳ6の少なくとも１つに関するオープン故障」が発生、「下アームのスイッチング素子Ｓ4、Ｓ5及びＳ6に関するオープン故障」のみが発生、並びに、「下アームのスイッチング素子Ｓ4、Ｓ5及びＳ6に関するオープン故障」に加えて「上アームのスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ3の少なくとも１つに関するオープン故障」のうち、いずれかのオープン故障が発生している。そこで、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値の全てが第１の閾値未満である場合、故障判定部１３は、少なくとも、「上アームのスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ3に関するオープン故障」または「下アームのスイッチング素子Ｓ4、Ｓ5及びＳ6に関するオープン故障」が発生していると判定する。
【0066】
続いて、第１の故障判定用指令パターンを用いて三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するショート故障を検出する場合について説明する。
【0067】
図４（Ａ）に示すように、第１の故障判定用指令パターンＰ１では、上アームのスイッチング素子Ｓ1及び当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ5に対してオン指令され、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ5以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ6に対してはオフ指令される。したがって、仮に６つのスイッチング素子が全て正常に機能していれば、正極端子２５、スイッチング素子Ｓ1、負荷回路３、スイッチング素子Ｓ5、及び負極端子２６からなる閉回路が形成される。
【0068】
図４（Ｂ）に示すように、第１の故障判定用指令パターンＰ２では、上アームのスイッチング素子Ｓ1及び当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ6に対してオン指令され、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5に対してはオフ指令される。したがって、仮に６つのスイッチング素子が全て正常に機能していれば（すなわちオープン故障が発生していないのであれば）、正極端子２５、スイッチング素子Ｓ1、負荷回路３、スイッチング素子Ｓ6、及び負極端子２６からなる閉回路が形成される。
【0069】
このように、第１の故障判定用指令パターンＰ１及び第１の故障判定用指令パターンＰ２のいずれにおいても、スイッチング素子Ｓ1に対してはオン指令されている。したがって、スイッチング素子Ｓ1が正常に機能していれば、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）のいずれにおいても、スイッチング素子Ｓ1を介して閉回路に正常な電流が流れ、電流検出部２３はプローブＴ3を介してこの正常な電流を検出する。すなわち、電流取得部１２が電流検出部２３から取得した電流の検出値は正常値となる。しかしながら、仮にスイッチング素子Ｓ4がショート故障していたとするとスイッチング素子Ｓ4はオフ指令したままにもかかわらずクローズしたままとなる。第１の故障判定用指令パターンＰ１及び第１の故障判定用指令パターンＰ２の下でスイッチング素子Ｓ1に対してオン指令されるとスイッチング素子Ｓ1はクローズするので、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側からみて、正極端子２５と同一のレグに属するスイッチング素子Ｓ1及びスイッチング素子Ｓ4と負極端子２６とからなるショート回路が構成される。その結果、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側に直流電圧が印加されると、正極端子２５とスイッチング素子Ｓ1とスイッチング素子Ｓ4と負極端子２６とからなるショート回路に過電流が流れる。他の第１の故障判定用指令パターンとスイッチング素子に対しても同様のことがいえる。そこで、本開示の一実施形態では、この過電流の発生に基づきショート故障の発生を検出する。
【0070】
電流検出部２３はプローブＴ3を介してこの過電流を検出する。電流検出部２３から取得した過電流の検出値は電流取得部１２によって取得される。故障判定部１３は、６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの各々に対応して電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値のうち、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２の下で電流取得部１２が取得した２つの電流の検出値がともに過電流を示した場合、当該２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するショート故障が発生していると判定する。なお、正常値（例えば定格値）よりも大きい値（例えば定格値の１．２倍程度）である第２の閾値を予め設定して故障判定部１３内に記憶しておく。電流取得部１２が取得した電流の検出値が過電流を示すか否かの判定は、電流取得部１２が取得した電流の検出値と第２の閾値との比較結果に基づき行えばよい。すなわち、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい値であることをもって、電流取得部１２が取得した電流の検出値が過電流を示すと判定する。
【0071】
なお、正極端子２５とスイッチング素子Ｓ1とスイッチング素子Ｓ4と負極端子２６とからなるショート回路に流れる過電流は、プローブＴ3を介して電流検出部２３によって検出される。電流検出部２３による電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の電流の検出処理（プローブＴ3を介した電流検出処理）に代えて、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子をＩＰＭにて構成する場合はＩＰＭの過電流検出機能を用いて過電流を検出するようにしてもよく、あるいはドライブ回路２２がＤＥＳＡＴ検出回路を有するドライバＩＣにて構成される場合はＤＥＳＡＴ検出回路の過電流検出機能を用いて過電流を検出するようにしてもよい。
【0072】
６つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの各々に対応して電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値のうち、３つ以上の第１の故障判定用指令パターンの下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい値となった場合についてもこれに類似してスイッチング素子に関係するショート故障が発生していると判定することができる。
【0073】
図６は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるショート故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。図６において、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６に関して、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい値である場合（すなわち過電流を示す場合）を「×」で示し、第２の閾値以下（すなわち正常値）である場合を「〇」で示す。また、図６において、各スイッチング素子Ｓ1～Ｓ6に関して、ショート故障が発生していると判定される場合を「×」で示し、ショート故障が発生している可能性があると判定される場合を「△」で示す。故障判定部１３は、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子Ｓ1～Ｓ6のショート故障を図６に示す対応関係に基づき検出する。
【0074】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５の下で電流取得部が取得した２つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関係するショート故障が発生していると判定する。
【0075】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、３つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ５の下で電流取得部が取得した３つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該３つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ５のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ３及び４においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ2が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ5に関係するショート故障と、当該３つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ５のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及び５においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関係するショート故障とが発生していると判定する。
【0076】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ３及びＰ６の下で電流取得部が取得した４つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ３及びＰ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ5が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ2に関係するショート故障と、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ３及びＰ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ３においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ6が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関係するショート故障とが発生していると判定する。
【0077】
このように、スイッチング素子Ｓ2のショート故障の検出に用いた第１の故障判定用指令パターンの組み合わせＰ１及びＰ６と、スイッチング素子Ｓ3のショート故障の検出に用いた第１の故障判定用指令パターンの組み合わせＰ２及びＰ３とで、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ３及びＰ６の全てを、ショート故障の判定処理で「使い切った」ことになる。しかしながら、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ１及びＰ６」並びに「Ｐ２及びＰ３」以外に、スイッチング素子Ｓ1をオン指令する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２の組み合わせも存在する。４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ３及びＰ６の全てをショート故障の判定処理で使い切っていることから、第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２については、「スイッチング素子Ｓ1をオン指令するもの」としてたまたま表れているにすぎず、実際にはスイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するショート故障が実際には発生していない可能性がある。一方で、スイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するショート故障が実際に発生している可能性も残されている。そこで、故障判定部１３は、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ１及びＰ６」並びに「Ｐ２及びＰ３」とは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２においてオン指令されてスイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4については、「ショート故障が発生している」とは確定せず、「ショート故障が発生している可能性がある」といったような推定にとどめた判定を行う。
【0078】
上記と同様に「ショート故障が発生している」とは確定せずに「ショート故障が発生している可能性がある」にとどめた判定を行う第１の故障判定用指令パターンの組み合わせとしては、「Ｐ１及びＰ４～Ｐ６」、「Ｐ２～Ｐ５」、「Ｐ１～Ｐ４」、「Ｐ１、Ｐ２、Ｐ５及びＰ６」、並びに「Ｐ３～Ｐ６」がある。
【0079】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ４～Ｐ６の下で電流取得部が取得した４つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ４～Ｐ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関係するショート故障と、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ４～Ｐ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ5が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ2に関係するショート故障とが発生していると判定する。故障判定部１３は、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ４及びＰ５」並びに「Ｐ１及びＰ６」とは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６においてオン指令されてスイッチング素子Ｓ3が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ6に関するショート故障が発生している可能性があると判定する。
【0080】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ２～Ｐ５の下で電流取得部が取得した４つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ２～Ｐ５のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ３においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ6が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関係するショート故障と、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ２～Ｐ５のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関係するショート故障とが発生していると判定する。故障判定部１３は、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ２及びＰ３」並びに「Ｐ４及びＰ５」とは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４においてオン指令されてスイッチング素子Ｓ2が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ5に関するショート故障が発生している可能性があると判定する。
【0081】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ４の下で電流取得部が取得した４つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ４のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するショート故障と、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ４のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ2が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ5に関係するショート故障とが発生していると判定する。故障判定部１３は、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ１及びＰ２」並びに「Ｐ３及びＰ４」とは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ３においてオン指令されてスイッチング素子Ｓ6が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関するショート故障が発生している可能性があると判定する。
【0082】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ５及びＰ６の下で電流取得部が取得した４つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ５及びＰ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4に関係するショート故障と、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ５及びＰ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ6に関係するショート故障とが発生していると判定する。故障判定部１３は、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ１及びＰ２」並びに「Ｐ５及びＰ６」とは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ６においてオン指令されてスイッチング素子Ｓ5が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ2に関するショート故障が発生している可能性があると判定する。
【0083】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ６の下で電流取得部が取得した４つの電流の検出値が第２の閾値より大きい場合、故障判定部１３は、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ2が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ5に関係するショート故障と、当該４つの第１の故障判定用指令パターンＰ３～Ｐ６のうちの２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ6に関係するショート故障とが発生していると判定する。故障判定部１３は、当該ショート故障が発生していると判定した際に用いられた２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせ「Ｐ３及びＰ４」並びに「Ｐ５及びＰ６」とは異なる組み合わせを有する２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５においてオン指令されてスイッチング素子Ｓ4が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関するショート故障が発生している可能性があると判定する。
【0084】
例えば、６つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値の全てが第２の閾値より大きい場合、１つのスイッチング素子をオン指令する２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせは、「Ｐ４及びＰ５、Ｐ１及びＰ６、Ｐ２及びＰ３」と、「Ｐ１及びＰ２、Ｐ３及びＰ４、Ｐ５及びＰ６」との２種類ある。このうち、第１の故障判定用指令パターンの「Ｐ４及びＰ５、Ｐ１及びＰ６、Ｐ２及びＰ３」の組み合わせについていえば、スイッチング素子に関係するショート故障が、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ４及びＰ５においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ4が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ1、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ5が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ2、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ３においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ6が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ3、で発生している。第１の故障判定用指令パターンの「Ｐ１及びＰ２、Ｐ３及びＰ４、Ｐ５及びＰ６」の組み合わせについていえば、スイッチング素子に関係するショート故障が、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ1が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ4、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ2が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ5、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ５及びＰ６においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3が属するレグ内においてオフ指令されていたスイッチング素子Ｓ6、で発生している。そこで、故障判定部１３は、スイッチング素子に関係するショート故障が、ブリッジ回路の上アームのスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ3の全て、またはブリッジ回路の下アームのスイッチング素子Ｓ4、Ｓ5及びＳ6の全てについて発生していると判定する。
【0085】
このように、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００によれば、第１の故障判定用指令パターンを用いて、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障の発生箇所を迅速かつ正確に検出することができる。
【0086】
続いて、単相のブリッジ回路からなる電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置について説明する。
【0087】
図７は、本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置を示す図である。
【0088】
本開示の一実施形態によるモータ駆動装置１００は、単相のブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子のオンオフ動作により直流から交流への電力変換または交流から直流への電力変換を行うことでモータ（図示せず）の駆動に用いられる電力を生成する電力変換装置２と、電力変換装置２の故障を検出する故障検出装置１とを備える。
【0089】
単相の電力変換装置２は、単相のブリッジ回路と、スイッチング制御部２１と、ドライブ回路２２と、電流検出部２３と、電圧検出部２４とを備える。電力変換装置２の直流側には正極端子２５及び負極端子２６が設けられる。
【0090】
単相の電力変換装置２の例としては、例えばＰＷＭ制御方式のインバータ、ＰＷＭ制御方式のコンバータ（整流器）、及び１２０度通電方式のコンバータ（整流器）などがある。単相の電力変換装置２の交流側及び直流側に接続される各種回路の例については、三相の電力変換装置に関する説明において挙げたものと同様である。
【0091】
電力変換装置２内の単相のブリッジ回路は、単相の各相に対応する２つのレグを有する。各レグは、上アーム及び下アームを有する。各上アーム及び各下アームには、スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとからなるパワー素子が設けられる。ここでは、各上アームに設けられるスイッチング素子をＳ1及びＳ2とし、各下アームに設けられるスイッチング素子をＳ3及びＳ4とする。スイッチング素子の例については、三相の電力変換装置に関する説明において挙げたものと同様である。
【0092】
電力変換装置２の単相のブリッジ回路の交流側の電力線のうちの少なくとも一相分にはプローブ（図７に示す例ではプローブＴ1）が設けられ、電流検出部２３は、プローブＴ1を介して電力変換装置２（のブリッジ回路）の交流側の電流を検出する。また、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の正負の電力線のうちの少なくとも１つにはプローブ（図１に示す例では正側の電力線にプローブＴ3）が設けられ、電流検出部２３は、プローブＴ3を介して電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の電流（特に過電流）を検出する。電流検出部２３による電力変換装置２のブリッジ回路の直流側の電流の検出処理に代えて、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子をＩＰＭにて構成する場合はＩＰＭの過電流検出機能を用いてもよく、あるいは、ドライブ回路２２がＤＥＳＡＴ検出回路を有するドライバＩＣにて構成される場合はＤＥＳＡＴ検出回路の過電流検出機能を用いてもよい。
【0093】
単相の電力変換装置２におけるスイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、電圧検出部２４、正極端子２５及び負極端子２６については、三相の電力変換装置２に関して説明したものと同様である。電流検出部２３によって検出された電流の検出値及び電圧検出部２４によって検出された電圧の検出値は、電力変換装置２における電力変換制御や電力変換装置２を有するモータ駆動装置１００におけるモータ駆動制御に用いられるとともに、故障検出装置１の故障検出処理にも用いられる。
【0094】
本開示の一実施形態による故障検出装置１は、指令生成部１１と、電流取得部１２と、故障判定部１３とを備える。また、故障検出装置１が検出すべき故障内容に応じて、故障検出装置１は、電圧取得部１４と電流推定部１５とを備える。故障検出装置１は、モータ駆動装置１００内に内蔵されてもよく、電力変換装置２と取り外し可能に接続されてもよい。故障検出装置１を既存の電力変換装置２に接続することもできる。
【0095】
指令生成部１１は、単相のブリッジ回路のスイッチング素子に対して指令パターンを生成するので、互いに異なる４つの指令パターンを生成する。なお、指令生成部１１は、スイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために第１の故障判定用指令パターンを生成し、スイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部（図示せず）の故障を検出するために第２の故障判定用指令パターンを生成する。すなわち、指令生成部１１により生成された指令パターンは、故障を検出するために用いられるものであり、上位制御部（図示せず）から指令される電力変換装置２の通常の電力変換制御やモータ駆動装置１００の通常のモータ駆動制御に用いられる指令パターンとは異なる。指令生成部１１により生成された指令パターンは、故障判定部１３及びスイッチング制御部２１に送られる。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１により生成された指令パターンに基づいて、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。
【0096】
故障検出装置１にて電力変換装置２の故障を検出する際には、電力変換装置２の交流側には故障検出用の負荷回路３を接続するとともに、電力変換装置２の直流側には正極端子２５及び負極端子２６を介して故障検出用の直流電源（図示せず）を接続して直流電圧を印加する。負荷回路３の例については、三相の電力変換装置に関する説明において挙げたものと同様である。
【0097】
電流取得部１２については、三相の電力変換装置２に関する説明において挙げたものと同様である。
【0098】
故障判定部１３は、指令パターンにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせの内容と、電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態において各スイッチング素子に対して指令パターンを指令して各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した電流の検出値とに基づいて、電力変換装置２の故障を判定する。すなわち、図７に示す例では、単相の電力変換装置２の故障を検出するため、互いに異なる４つの指令パターンのそれぞれを指令して各スイッチング素子を動作させる。４つの指令パターンの各々に対応して、電流取得部１２は電流の検出値を４種類取得する。スイッチング素子にオープン故障またはショート故障が発生していたりスイッチング素子に対応して設けられた過電流検出部が故障していた場合には、電流取得部１２が取得した電流の検出値に何らかの変化が現れる。そこで、本開示の一実施形態では、故障判定部１３は、指令パターンにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した電流の検出値との対応関係に基づき、単相の電力変換装置２の故障の発生箇所及び故障の内容を判定する。故障判定部１３による判定結果は、故障検出装置１の検出結果として外部へ出力される。故障検出装置１の検出結果は、例えば表示部（図示せず）に表示される。表示部の例については、三相の電力変換装置に関する説明において挙げたものと同様である。
【0099】
図８は、本開示の一実施形態による単相の電力変換装置内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために用いられる第１の故障判定用指令パターンを示す図である。
【0100】
図７に示す単相の電力変換装置２のオープン故障及びショート故障を検出するための第１の故障判定用指令パターンとして、互いに異なる４つの指令パターンが指令生成部１１によって生成される。４つの第１の故障判定用指令パターンの各々を、識別番号Ｎ（ただし、Ｎは１～４の自然数）を用いて識別する。４つの第１の故障判定用指令パターンＰＮの各々は、ブリッジ回路を構成するいずれか１つの上アームのスイッチング素子といずれか１つの下アームのスイッチング素子とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子以外のスイッチング素子に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。より詳細には次の通りである。
【0101】
第１の故障判定用指令パターンＰ１は、上アームのスイッチング素子Ｓ1と下アームのスイッチング素子Ｓ4とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ4以外のスイッチング素子Ｓ2及びＳ3に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0102】
第１の故障判定用指令パターンＰ２は、上アームのスイッチング素子Ｓ2と下アームのスイッチング素子Ｓ3とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ2及びＳ3以外のスイッチング素子Ｓ1及びＳ4に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0103】
第１の故障判定用指令パターンＰ３は、上アームのスイッチング素子Ｓ1と下アームのスイッチング素子Ｓ3とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1及びＳ3以外のスイッチング素子Ｓ2及びＳ4に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0104】
第１の故障判定用指令パターンＰ４は、上アームのスイッチング素子Ｓ2と下アームのスイッチング素子Ｓ4とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ2及びＳ4以外のスイッチング素子Ｓ1及びＳ3に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0105】
図９は、本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障の検出処理を示すフローチャートである。
【0106】
故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００におけるスイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障の検出処理は、単相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態で実行される。
【0107】
まず、ステップＳ２０１において、指令生成部１１は、初期設定として、第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎを１に設定する。ステップＳ２０１における第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎの１の設定は、例えば、作業者の故障検出装置１への入力装置を用いた入力操作によって行われてもよく、あるいは故障検出装置１による故障検出処理の開始時に自動的に行われてもよく、あるいは故障検出装置１の電源投入時に自動的に行われてもよい。
【0108】
ステップＳ２０２において、指令生成部１１は、スイッチング制御部２１に対して第１の故障判定用指令パターンＰＮを指令する。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１から受信した第１の故障判定用指令パターンＰＮに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。なお、指令生成部１１により生成された第１の故障判定用指令パターンＰＮは、故障判定部１３にも送られる。
【0109】
ステップＳ２０３において、電流取得部１２は、第１の故障判定用指令パターンＰＮに対応する電流検出部２３による電流の検出値を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値は、故障判定部１３に送られる。故障判定部１３は、電流取得部１２から送られてきた電流の検出値と、当該電流の検出値の取得の際に用いられていた第１の故障判定用指令パターンＰＮとを対応付けて記憶する。
【0110】
ステップＳ２０４において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが４であるか否かを判定する。第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが４であると判定された場合はステップＳ２０６へ進み、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが４であると判定されなかった場合はステップＳ２０５へ進む。
【0111】
ステップＳ２０５において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎを１つインクリメントする。その後、ステップＳ２０２へ戻る。
【0112】
ステップＳ２０６において、故障判定部１３は、４つの第１の故障判定用指令パターンＰＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した電流の検出値との対応関係に基づき、単相の電力変換装置２のオープン故障またはショート故障の発生箇所を判定する。その後、一連の故障検出処理を終了する。
【0113】
上述した第１の故障判定用指令パターンは、単相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障を検出するために用いられる。続いて、第１の故障判定用指令パターンを用いて単相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障を検出する場合について説明する。
【0114】
故障検出装置１にて単相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障を検出する場合、故障判定部１３は、４つの第１の故障判定用指令パターンＰＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した４つの電流の検出値との対応関係に基づき、単相の電力変換装置２のオープン故障の発生箇所を判定する。
【0115】
図１０は、本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるオープン故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。図１０において、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ４に関して、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満（すなわちゼロに近い値）である場合を「×」で示し、第１の閾値以上（すなわちゼロよりも十分に大きい正常値）である場合を「〇」で示す。また、図１０において、各スイッチング素子Ｓ1～Ｓ4に関して、オープン故障が発生していると判定される場合を「×」で示す。故障判定部１３は、単相の電力変換装置２内のスイッチング素子Ｓ1～Ｓ4のオープン故障を図１０に示す対応関係に基づき検出する。
【0116】
故障判定部１３は、４つの第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した４つの電流の検出値のうち、２つまたは３つの第１の故障判定用指令パターンの下で電流取得部１２が取得した２つまたは３つの電流の検出値が第１の閾値未満である場合は、当該２つまたは３つの第１の故障判定用指令パターンのうちの２つにおいてオン指令されていたスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定する。なお、単相の電力変換装置２の場合も、三相の電力変換装置と同様、ゼロに近くかつゼロより大きい第１の閾値（例えば数十ミリアンペア）を予め設定して故障判定部１３内に記憶しておく。電流取得部１２が取得した電流の検出値がゼロに近い値であるか否かの判定は、電流取得部１２が取得した電流の検出値と第１の閾値との比較結果に基づき行えばよい。すなわち、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満であることをもって、電流取得部１２が取得した電流の検出値がゼロに近い値であると判定する。
【0117】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ４の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値のうち、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ３の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合、故障判定部１３は、当該２つの第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ３においてオン指令されていたスイッチング素子Ｓ1に関係するオープン故障が発生していると判定する。
【0118】
例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ４の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値のうち、３つの第１の故障判定用指令パターンＰ２～Ｐ４の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値が第１の閾値未満である場合、故障判定部１３は、当該３つの第１の故障判定用指令パターンＰ２～Ｐ４のうちの、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ３の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ3に関係するオープン故障と、２つの第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ４の下でオン指令されていたスイッチング素子Ｓ2に関係するオープン故障とが発生していると判定する。
【0119】
故障判定部１３は、４つの第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した４つの電流の検出値が第１の閾値未満である場合、１つのスイッチング素子をオン指令する２つの第１の故障判定用指令パターンの組み合わせは、「Ｐ１及びＰ３」、「Ｐ２及びＰ４」、「Ｐ２及びＰ３」、並びに「Ｐ１及びＰ４」の４種類ある。これら４種類のうちの少なくとも２種類を、１つのスイッチング素子をオン指令する第１の故障判定用指令パターンとして採用すれば、４つの第１の故障判定用指令パターンＰ１～Ｐ６の全てを、オープン故障の判定処理で使い切ることができる。ここで、第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ３は、スイッチング素子Ｓ1をオン指令している。第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ４は、スイッチング素子Ｓ2をオン指令している。第１の故障判定用指令パターンＰ２及びＰ３は、スイッチング素子Ｓ3をオン指令している。第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ４は、スイッチング素子Ｓ4をオン指令している。そこで、故障判定部１３は、４つの第１の故障判定用指令パターンのそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した４つの電流の検出値が第１の閾値未満である場合は、４つのスイッチング素子のうちの少なくとも２つのスイッチング素子に関係するオープン故障が発生していると判定する。
【0120】
なお、第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４はいずれも、同一のレグ内の上アーム及び下アームのスイッチング素子をオフ指令して強制的にショートさせるものであるので、第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２の下で電流取得部１２により取得された電流の検出値が第１の閾値以上（すなわちゼロよりも十分に大きい正常値）である場合は、第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４の下での電流取得部１２による電流の検出値の取得処理を省略してもよい。
【0121】
続いて、第１の故障判定用指令パターンを用いて単相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するショート故障を検出する場合について説明する。
【0122】
故障検出装置１にて単相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するショート故障を検出する場合、故障判定部１３は、２つの第１の故障判定用指令パターンＰＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した２つの電流の検出値との対応関係に基づき、単相の電力変換装置２のショート故障の発生箇所を判定する。
【0123】
図１１は、本開示の一実施形態による単相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるショート故障が発生しているスイッチング素子と第１の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。図１１において、第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２に関して、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい値である場合（すなわち過電流を示す場合）を「×」で示し、第２の閾値以下（すなわち正常値）である場合を「〇」で示す。また、図１１において、各スイッチング素子Ｓ1～Ｓ4に関して、ショート故障が発生していると判定される場合を「×」で示す。故障判定部１３は、単相の電力変換装置２内のスイッチング素子Ｓ1～Ｓ4のショート故障を図１１に示す対応関係に基づき検出する。なお、第１の故障判定用指令パターンＰ３及びＰ４はいずれも、同一のレグ内の上アーム及び下アームのスイッチング素子をオフ指令して強制的にショートさせるものであるので、スイッチング素子に関係するショート故障の判定には用いられない。
【0124】
仮にスイッチング素子Ｓ4がショート故障していたとするとスイッチング素子Ｓ4はオフ指令したままにもかかわらずクローズしたままとなる。第１の故障判定用指令パターンＰ２の下でスイッチング素子Ｓ2及びＳ3に対してオン指令されるとスイッチング素子Ｓ2及びＳ3はクローズするので、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側からみて、正極端子２５と同一のレグに属するスイッチング素子Ｓ2及びスイッチング素子Ｓ4と負極端子２６とからなるショート回路が構成される。その結果、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側に直流電圧が印加されると、正極端子２５とスイッチング素子Ｓ2とスイッチング素子Ｓ4と負極端子２６とからなるショート回路に過電流が流れる。また、仮にスイッチング素子Ｓ1がショート故障していたとするとスイッチング素子Ｓ1はオフ指令したままにもかかわらずクローズしたままとなる。第１の故障判定用指令パターンＰ２の下でスイッチング素子Ｓ2及びＳ3に対してオン指令されるとスイッチング素子Ｓ2及びＳ3はクローズするので、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側からみて、正極端子２５と同一のレグに属するスイッチング素子Ｓ1及びスイッチング素子Ｓ3と負極端子２６とからなるショート回路が構成される。その結果、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側に直流電圧が印加されると、正極端子２５とスイッチング素子Ｓ1とスイッチング素子Ｓ3と負極端子２６とからなるショート回路に過電流が流れる。また、仮にスイッチング素子Ｓ1及びＳ4の両方がショート故障していたとしても、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側に直流電圧が印加されると、同様に、正極端子２５とスイッチング素子Ｓ1とスイッチング素子Ｓ3と負極端子２６とからなるショート回路及び正極端子２５とスイッチング素子Ｓ2とスイッチング素子Ｓ3と負極端子２６とからなるショート回路に過電流が流れる。他の第１の故障判定用指令パターンとスイッチング素子に対しても同様のことがいえる。そこで、本開示の一実施形態では、この過電流の発生に基づきショート故障の発生を検出する。なお、正常値（例えば定格値）よりも大きい値（例えば定格値の１．２倍程度）である第２の閾値を予め設定して故障判定部１３内に記憶しておく。電流取得部１２が取得した電流の検出値が過電流を示すか否かの判定は、電流取得部１２が取得した電流の検出値と第２の閾値との比較結果に基づき行えばよい。すなわち、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい値であることをもって、電流取得部１２が取得した電流の検出値が過電流を示すと判定する。
【0125】
電流検出部２３はプローブＴ3を介してこの過電流を検出する。電流検出部２３から取得した過電流の検出値は電流取得部１２によって取得される。第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、第１の故障判定用指令パターンＰ２の下で電流取得部が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい場合（過電流を示す場合）、故障判定部１３は、第１の故障判定用指令パターンＰ２においてオン指令が指令されていたスイッチング素子Ｓ2及びＳ3の各々属するレグ内においてそれぞれオフ指令されていた２つのスイッチング素子Ｓ4及びＳ1のうちのいずれかに関係するショート故障が発生していると判定する。すなわちこの場合、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ4に関係するショート故障またはスイッチング素子Ｓ1に関係するショート故障のうちのいずれかが発生していると判定する。
【0126】
同様に、例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値のうち、第１の故障判定用指令パターンＰ１の下で電流取得部が取得した電流の検出値が第２の閾値より大きい場合（過電流を示す場合）、故障判定部１３は、第１の故障判定用指令パターンＰ１においてオン指令が指令されていたスイッチング素子Ｓ1及びＳ4の各々属するレグ内においてそれぞれオフ指令されていた２つのスイッチング素子Ｓ3及びＳ2のうちのいずれかに関係するショート故障が発生していると判定する。すなわちこの場合、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ3に関係するショート故障またはスイッチング素子Ｓ2に関係するショート故障のうちのいずれかが発生していると判定する。
【0127】
また例えば、第１の故障判定用指令パターンＰ１及びＰ２のそれぞれに基づいて各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得したブリッジ回路の直流側の電流の検出値の全てが第２の閾値より大きい場合、第１の故障判定用指令パターンＰ１においてオン指令が指令されていたスイッチング素子Ｓ1及びＳ4の各々属するレグ内においてそれぞれオフ指令されていた２つのスイッチング素子Ｓ3及びＳ2のうちのいずれかに関係するショート故障が発生している可能性と、第１の故障判定用指令パターンＰ２においてオン指令が指令されていたスイッチング素子Ｓ2及びＳ3の各々属するレグ内においてそれぞれオフ指令されていた２つのスイッチング素子Ｓ4及びＳ1のうちのいずれかに関係するショート故障が発生している可能性と、スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3及びＳ4に関係するショート故障が発生している可能性とがある。このうち、同一のレグにおけるスイッチング素子Ｓ1及びＳ3のショート故障が同時に発生する場合、及び、同一のレグにおけるスイッチング素子Ｓ2及びＳ4のショート故障が同時に発生する場合は、電力変換装置２の直流側が既にショートしている状態にあるので電力変換装置２はそもそも動作せず、すなわち「電力変換装置２が動作しない」ことをもってスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3及びＳ4に関係するショート故障が発生していることを作業者は把握することができ、故障検出装置１による故障検出処理を実行するまでもない。そこで、スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3及びＳ4に関係するショート故障は故障検出装置１のショート故障検出対象から除外する。故障判定部１３は、スイッチング素子に関係するショート故障が、ブリッジ回路の上アームのスイッチング素子Ｓ1及びＳ2の全てまたはブリッジ回路の下アームのスイッチング素子Ｓ3及びＳ4の全てについて発生していると判定するようにする。
【0128】
以上説明したように、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００は、スイッチング素子に関係するオープン故障またはショート故障を検出することができる。
【0129】
続いて、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００において、さらに電流検出部２３の故障を検出する例について説明する。
【0130】
図１２は、電力変換装置のブリッジ回路内のスイッチング素子を流れる電流と、当該スイッチング素子のオン時間との関係を示す図である。
【0131】
電力変換装置２の交流側には故障検出用の負荷回路３が接続され、電力変換装置２の直流側には故障検出用の直流電源が接続されて直流電圧が印加されている状態において、第１の故障判定用指令パターンのいずれかに従ってスイッチング素子を時刻ｔ1から時刻ｔ2までのΔｔにわたってオンすると、オン時間（ゲート電圧印加時間）の経過に合わせて、当該スイッチング素子と負荷回路３とを含む閉回路に流れる電流が徐々に増加する。負荷回路３は、誘導性負荷または抵抗性負荷であり、例えば交流モータ、リアクトル、及び抵抗などがある。スイッチング素子と負荷回路３とを含む閉回路についてキルヒホッフの法則を適用すると、式１に表されるようなスイッチング素子のオンが終了する時刻ｔ2におけるスイッチング素子に流れる電流の推定値Ｉestが得られる。式１において、電圧検出部２４により検出される電圧の検出値をＶdc、スイッチング素子のオン時間をΔｔ、負荷回路３のインピーダンスのうち抵抗成分をＲ、インダクタンス成分をＬとする。
【0132】
【数1】
【0133】
負荷回路３のインピーダンスについては事前に取得して電流推定部１５内の記憶部に格納しておく。また、電流推定部１５は、電圧検出部２４によって検出された電圧の検出値を電圧取得部１４から取得する。また、電流推定部１５は、スイッチング素子のオン時間に関する情報を、指令生成部１１が生成した第１の故障判定用指令パターンから取得する。三相の電力変換装置２では、６つの第１の故障判定用指令パターンのいずれかを用いれば、６つのスイッチング素子のオン時間に関する情報を取得することができる。同様に、単相の電力変換装置２では、４つの第１の故障判定用指令パターンのいずれかを用いれば、４つのスイッチング素子のオン時間に関する情報を取得することができる。電流推定部１５は、電圧取得部１４が取得した電圧の検出値Ｖdcと、スイッチング素子がオン指令されている時間Δｔと、負荷回路３のインピーダンスとに基づいて、各スイッチング素子に流れる電流の推定値Ｉestを計算する。算出された各スイッチング素子に流れる電流の推定値は、故障判定部１３に送られる。
【0134】
電力変換装置２の交流側には故障検出用の負荷回路３が接続され、電力変換装置２の直流側には故障検出用の直流電源が接続されて直流電圧が印加されている状態において、第１の故障判定用指令パターンに従ってスイッチング素子をオンしているときに当該スイッチング素子に流れる電流は、プローブＴ1、Ｔ2またはＴ3を介して電流検出部２３によって検出される電流と同じである。電力変換装置２内の各部が正常に機能していれば、電流検出部２３によって検出される電流の検出値は電流推定部１５によって計算された電流の推定値Ｉestとほぼ同じである。一方、電力変換装置２内に何らかの異常が発生すると、電流検出部２３によって検出される電流の検出値と電流推定部１５によって計算された電流の推定値Ｉestとの間にずれが生じる。電力変換装置２において発生し得る故障には、例えば、スイッチング素子に関係するオープン故障、スイッチング素子に関係するショート故障、電力変換装置２に設けられた電流検出部２３に関係する故障があるが、スイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障の判定処理を行ったにもかかわらずこれらオープン故障及びショート故障が検出されなかった場合には、電流検出部２３が故障していると考えられる。
【0135】
そこで、故障判定部１３は、まず複数の第１の故障判定用指令パターンの下で電流検出部２３によって検出される電流の検出値が電流推定部１５によって計算された電流の推定値Ｉestを比較し、電流の検出値と電流の推定値Ｉestとの間にずれがあるか否かを判定する。電流の検出値と電流の推定値Ｉestとの間にずれがあるか否かは、電流の検出値と電流の推定値との差が所定の範囲外であるか否か、あるいは電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲外であるか否かに基づいて、判定すればよい。例えば、電流の検出値と電流の推定値との差が所定の範囲外である場合（例えば±数アンペアの範囲に収まらない場合）、電流の検出値が電流の推定からずれていると判定する。また例えば、電流の検出値と電流の推定値との割合（電流の検出値を電流の推定値で除算した値）が所定の範囲外である場合（例えば８０％から１２０％の範囲に収まらない場合）、電流の検出値が電流の推定からずれていると判定する。なお、ここで挙げた数値はあくまでも一例であって、それ以外の数値であってもよい。故障判定部１３は、電流の検出値と電流の推定値Ｉestとの間にずれがあると判定した場合は、次にスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障が発生しているか否かを判定する。そして、故障判定部１３は、オープン故障及びショート故障が検出されないのであれば、電流検出部２３に関係する故障が発生していると判定する。例えば、図２に示す第１の故障判定用指令パターンＰ１の下でオープン故障及びショート故障を検出しなかった場合には、スイッチング素子Ｓ1を含む電流経路に設けられるプローブＴ1またはＴ3が故障していたと特定することができる。例えば、図２に示す第１の故障判定用指令パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ４及びＰ５の下でオープン故障及びショート故障のいずれも検出しなかった場合には、スイッチング素子Ｓ1を含む電流経路に設けられるプローブＴ1またはＴ3が故障していたと特定することができる。また例えば、図２に示す第１の故障判定用指令パターンＰ１、Ｐ３、Ｐ４及びＰ６の下でオープン故障及びショート故障のいずれも検出しなかった場合には、スイッチング素子Ｓ1を含む電流経路に設けられるプローブＴ2またはＴ3が故障していたと特定することができる。
【0136】
図１３は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障並びに電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャートである。ここでは、一例として、三相の電力変換装置２についての故障検出理処理について説明するが、この説明は識別番号Ｎの最大値を６から４に変更することによって単相の電力変換装置２についての故障検出理処理にも同様に適用可能である。
【0137】
故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障並びに電流検出部の検出処理は、三相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態で実行される。
【0138】
まず、ステップＳ３０１において、指令生成部１１は、初期設定として、第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎを１に設定する。ステップＳ３０１における第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎの１の設定は、例えば、作業者の故障検出装置１への入力装置を用いた入力操作によって行われてもよく、あるいは故障検出装置１による故障検出処理の開始時に自動的に行われてもよく、あるいは故障検出装置１の電源投入時に自動的に行われてもよい。
【0139】
ステップＳ３０２において、指令生成部１１は、スイッチング制御部２１に対して第１の故障判定用指令パターンＰＮを指令する。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１から受信した第１の故障判定用指令パターンＰＮに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。なお、指令生成部１１により生成された第１の故障判定用指令パターンＰＮは、故障判定部１３にも送られる。
【0140】
ステップＳ３０３において、電流取得部１２は、第１の故障判定用指令パターンＰＮに対応する電流検出部２３による電流の検出値を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値は、故障判定部１３に送られる。故障判定部１３は、電流取得部１２から送られてきた電流の検出値と、当該電流の検出値の取得の際に用いられていた第１の故障判定用指令パターンＰＮとを対応付けて記憶する。
【0141】
ステップＳ３０４において、電圧取得部１４は、電圧検出部２４が検出した電力変換装置の直流側の電圧の検出値を取得する。取得された電圧の検出値は、電流推定部１５に送られる。
【0142】
ステップＳ３０５において、ステップＳ３０４において電圧取得部１４が取得した電圧の検出値と、ステップＳ３０２において第１の故障判定用指令パターンＰＮに従いスイッチング素子がオン指令されている時間と、負荷回路３のインピーダンスとに基づいて、各スイッチング素子に流れる電流の推定値を計算する。算出された電流の推定値は、故障判定部１３に送られる。
【0143】
ステップＳ３０６において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であるか否かを判定する。第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であると判定された場合はステップＳ３０８へ進み、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であると判定されなかった場合はステップＳ３０７へ進む。なお、図１３に示す例では、一例として、三相の電力変換装置２についての故障検出理処理について説明したのでステップＳ３０６において「第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であるか否か」を判定したが、単相の電力変換装置２についての故障検出理処理についての場合は、「第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが４であるか否か」を判定すればよい。
【0144】
ステップＳ３０７において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎを１つインクリメントする。その後、ステップＳ３０２へ戻る。
【0145】
ステップＳ３０８において、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値の各々とこれに対応する電流推定部１５が算出した６つの電流の推定値の各々との割合（すなわち電流の検出値を電流の推定値で除算した値）のうち、少なくとも１つの電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲外であるか否かを判定する。電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲内であると判定された場合は、ステップＳ３０９へ進み、電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲内であると判定されなかった場合は、ステップＳ３１０へ進む。なお、ステップＳ３０８においては、「電流の検出値と電流の推定値との割合」に代えて「電流の検出値と電流の推定値との差」を判定処理に用いてもよい。
【0146】
ステップＳ３０９において、故障判定部１３は、電力変換装置２は正常であるという判定結果を出力し、処理を終了する。
【0147】
ステップＳ３１０において、故障判定部１３は、スイッチング素子に関するオープン故障が発生したか否かを判定する。オープン故障が発生したと判定された場合はステップＳ３１１へ進み、オープン故障が発生したと判定されなかった場合はステップＳ３１２へ進む。オープン故障の判定処理の詳細については、図１～図５を参照して説明した通りである。
【0148】
ステップＳ３１１において、故障判定部１３は、オープン故障が発生したスイッチング素子に関する情報を出力し、処理を終了する。
【0149】
ステップＳ３１２において、故障判定部１３は、スイッチング素子に関するショート故障が発生したか否かを判定する。ショート故障が発生したと判定された場合はステップＳ３１３へ進み、ショート故障が発生したと判定されなかった場合はステップＳ３１４へ進む。ショート故障の判定処理の詳細については、図１～図４及び図６を参照して説明した通りである。
【0150】
ステップＳ３１３において、故障判定部１３は、ショート故障が発生したスイッチング素子に関する情報を出力し、処理を終了する。
【0151】
なお、ステップＳ３１０～Ｓ３１４におけるオープン故障判定とショート故障判定とは順序を入れ替えて実行してもよい。
【0152】
ステップＳ３１４において、故障判定部１３は、電力変換装置２に設けられた電流検出部２３に故障が発生したとの判定を出力し、処理を終了する。
【0153】
このように、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００によれば、第１の故障判定用指令パターンを用いて、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障並びに電流検出部の故障の発生箇所及び故障内容を迅速かつ正確に検出することができる。
【0154】
続いて、図１に示す三相の電力変換装置２内のスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障を検出する場合について説明する。
【0155】
ドライブ回路２２として、ＤＥＳＡＴ検出回路とよばれる過電流検出機能を有するドライバＩＣが使用されることがある。ＤＥＳＡＴ検出回路は、スイッチング素子ごとに設けられる。また、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子を、過電流検出機能を有するＩＰＭにて構成することができる。このように、ＤＥＳＡＴ検出回路及びＩＰＭのいずれの場合においても、過電流検出部がスイッチング素子ごとに設けられることになるが、この過電流検出部も、何らかの原因により故障することがある。本開示の一実施形態では、過電流検出部の故障を、オン指令及びオフ指令の組み合わせからなる第２の故障判定用指令パターンを用いて検出する。
【0156】
図１４は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障を検出するために用いられる第２の故障判定用指令パターンを示す図である。
【0157】
図１に示す三相の電力変換装置２内のスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障を検出するための第２の故障判定用指令パターンとして、互いに異なる６つの指令パターンが指令生成部１１によって生成される。６つの第２の故障判定用指令パターンの各々を、識別番号Ｎ（ただし、Ｎは１～６の自然数）を用いて識別する。６つの第２の故障判定用指令パターンＱＮの各々は、ブリッジ回路を構成する上側または下側のアームのうちのいずれか１つのアームのスイッチング素子と当該アームが属するレグとは異なるレグ内の当該アームとは異なる側のアームのスイッチング素子とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子以外のスイッチング素子に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。より詳細には次の通りである。
【0158】
第２の故障判定用指令パターンＱ１は、ブリッジ回路を構成する上アームのスイッチング素子Ｓ1と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ5及びＳ6とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1、Ｓ5及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3及びＳ4に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0159】
第２の故障判定用指令パターンＱ２は、ブリッジ回路を構成する上アームのスイッチング素子Ｓ2と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ4及びＳ6とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ2、Ｓ4及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ3及びＳ5に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0160】
第２の故障判定用指令パターンＱ３は、ブリッジ回路を構成する上アームのスイッチング素子Ｓ3と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ4及びＳ5とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ3、Ｓ4及びＳ5以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0161】
第２の故障判定用指令パターンＱ４は、ブリッジ回路を構成する下アームのスイッチング素子Ｓ4と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ2及びＳ3とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3及びＳ4以外のスイッチング素子Ｓ1、Ｓ5及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0162】
第２の故障判定用指令パターンＱ５は、ブリッジ回路を構成する下アームのスイッチング素子Ｓ5と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ1及びＳ3とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1、Ｓ3及びＳ5以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ4及びＳ6に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0163】
第２の故障判定用指令パターンＱ６は、ブリッジ回路を構成する下アームのスイッチング素子Ｓ6と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ1及びＳ2とに対するオン指令と、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1、Ｓ2及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ3、Ｓ4及びＳ5に対するオフ指令と、の組み合わせからなる。
【0164】
図１５は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャートである。
【0165】
故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００におけるスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障の検出処理は、三相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態で実行される。
【0166】
まず、ステップＳ４０１において、指令生成部１１は、初期設定として、第２の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎを１に設定する。ステップＳ４０１における第２の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎの１の設定は、例えば、作業者の故障検出装置１への入力装置を用いた入力操作によって行われてもよく、あるいは故障検出装置１による故障検出処理の開始時に自動的に行われてもよく、あるいは故障検出装置１の電源投入時に自動的に行われてもよい。
【0167】
ステップＳ４０２において、指令生成部１１は、スイッチング制御部２１に対して第２の故障判定用指令パターンＱＮを指令する。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１から受信した第２の故障判定用指令パターンＱＮに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。三相の電力変換装置２の直流側には直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側には負荷回路３が接続されているので、６つのスイッチング素子のうちオン指令された３つのスイッチング素子を介して電力変換装置２の直流側の正極端子２５、負荷回路３及び電力変換装置２の直流側の負極端子２６に閉回路が形成される。なお、指令生成部１１により生成された第２の故障判定用指令パターンＱＮは、故障判定部１３にも送られる。
【0168】
ステップＳ４０３において、電流取得部１２は、第２の故障判定用指令パターンＱＮに従いオン指令されたスイッチング素子に流れる電流の検出値に関する情報として、当該オン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたか否かを示す情報を取得する。例えば、電流取得部１２は、スイッチング素子に流れる電流の検出値そのものを電流検出部２３から取得する場合は、当該電流の検出値が第３の閾値（過電流検出レベル）より大きいときは過電流が流れた子を示す情報を生成し、当該電流の検出値が第３の閾値（過電流検出レベル）以下であるときは過電流が流れなかったことを示す情報を生成する。また例えば、ドライブ回路２２としてＤＥＳＡＴ検出回路とよばれる過電流検出機能を有するドライバＩＣが使用される場合は、当該オン指令されたスイッチング素子に対応するＤＥＳＡＴ検出回路から、当該オン指令されたスイッチング素子に流れる電流の検出値に関する情報として、過電流が流れたか否かを示す情報を取得する。また例えば、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子をＩＰＭにて構成する場合は、当該オン指令されたスイッチング素子に係るＩＰＭから、当該オン指令されたスイッチング素子に流れる電流の検出値として、過電流が流れたか否かを示す情報を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値に関する情報（過電流が流れたか否かを示す情報）は、故障判定部１３に送られる。故障判定部１３は、電流取得部１２から送られてきた電流の検出値に関する情報（過電流が流れたか否かを示す情報）と、当該電流の検出値の取得の際に用いられていた第２の故障判定用指令パターンＱＮとを対応付けて記憶する。
【0169】
ステップＳ４０４において、指令生成部１１は、第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎが６であるか否かを判定する。第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎが６であると判定された場合はステップＳ４０６へ進み、第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎが６であると判定されなかった場合はステップＳ４０５へ進む。
【0170】
ステップＳ４０５において、指令生成部１１は、第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎを１つインクリメントする。その後、ステップＳ４０２へ戻る。
【0171】
ステップＳ４０６において、故障判定部１３は、第２の故障判定用指令パターンＱＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した電流の検出値に関する情報（過電流が流れたか否かを示す情報）との対応関係に基づき、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障の発生箇所（すなわち、どのスイッチング素子に対応する過電流検出部が故障しているか）を判定する。その後、一連の故障検出処理を終了する。
【0172】
ここで、ステップＳ４０６における過電流検出部の故障の判定処理について、より詳細に説明する。
【0173】
図１６は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置内のスイッチング素子に対して第２の故障判定用指令パターンが指令されたときに形成される閉回路を例示する図である。一例として、図１６では、各スイッチング素子に対して第１の故障判定用指令パターンＱ１が指令されたときに形成され得る閉回路を例示している。なお、図１６においては、故障検出装置１については図示を省略している。
【0174】
図１６に示すように、三相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態において、第２の故障判定用指令パターンＱ１では、上アームのスイッチング素子Ｓ1と当該上アームが属するレグとは異なるレグ内の下アームのスイッチング素子Ｓ5及びＳ6に対してオン指令され、当該オン指令されたスイッチング素子Ｓ1、Ｓ5及びＳ6以外のスイッチング素子Ｓ2、Ｓ3及びＳ4に対してオフ指令される。これにより、第２の故障判定用指令パターンＱ１の下では、正極端子２５、スイッチング素子Ｓ1、負荷回路３、スイッチング素子Ｓ5、及び負極端子２６からなる閉回路（以下、「第１の閉回路」と称する）と、正極端子２５、スイッチング素子Ｓ1、負荷回路３、スイッチング素子Ｓ6、及び負極端子２６からなる閉回路（以下、「第２の閉回路」と称する）とが形成される。仮に６つのスイッチング素子が全て正常に機能していれば（すなわちオープン故障及びショート故障のいずれも発生していないのであれば）、第１の閉回路及び第２の閉回路に共通して含まれるスイッチング素子Ｓ1には、第１の閉回路のみに含まれるスイッチング素子Ｓ5及び第２の閉回路のみに含まれるスイッチング素子Ｓ6のそれぞれに流れる電流の約２倍の電流が流れるはずである。例えば、スイッチング素子Ｓ1に流れる電流の値とスイッチング素子Ｓ5またはスイッチング素子Ｓ6に流れる電流の値との間に、スイッチング素子Ｓ1に対応して設けられた過電流検出部の過電流検出レベルが設定されている場合、第２の故障判定用指令パターンＱ１の下で各スイッチング素子を動作させることによってスイッチング素子Ｓ1に流れる電流の値は当該過電流検出レベルを超えるので、スイッチング素子Ｓ1に対応して設けられた過電流検出部が正常に機能していれば過電流の発生を検出することができる。一方、スイッチング素子Ｓ1に流れる電流の値とスイッチング素子Ｓ5またはスイッチング素子Ｓ6に流れる電流の値との間に、スイッチング素子Ｓ1に対応して設けられた過電流検出部の過電流検出レベルが設定されている場合であっても、当該過電流検出部が故障していたときには、「スイッチング素子Ｓ1に流れる電流の値は当該過電流検出レベルを超えている」と判定することはできない。第２の故障判定用指令パターンＱ２～Ｑ６のそれぞれの下で各スイッチング素子を動作させた場合においても、スイッチング素子Ｓ2～スイッチング素子Ｓ6のそれぞれについて、同様のことがいえる。そこで、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００においては、上述の性質を利用してスイッチング素子ごとに設けられた過電流検出部の故障を検出する。より詳細には次の通りである。
【0175】
過電流検出部が有する過電流検出レベルを第３の閾値として設定する。また、第１の閉回路及び第２の閉回路に共通して含まれるスイッチング素子に流れる電流の値と、第１の閉回路のみに含まれるスイッチング素子または第２の閉回路のみに含まれるスイッチング素子に流れる電流の値との間に、第３の閾値（すなわち過電流検出レベル）が存在することになるよう、電力変換装置２のブリッジ回路の直流側から印加すべき直流電圧の値及びブリッジ回路の交流側に接続すべき負荷回路３のインピーダンスの各値を事前に調整しておく。またあるいは、負荷回路３が誘導性負荷（例えば交流モータまたはリアクトル）の場合は、スイッチング素子のオン時間を調整することによっても、第１の閉回路及び第２の閉回路に共通して含まれるスイッチング素子に流れる電流の値と、第１の閉回路のみに含まれるスイッチング素子または第２の閉回路のみに含まれるスイッチング素子に流れる電流の値との間に、第３の閾値（すなわち過電流検出レベル）が設定されるように調整することもできる。
【0176】
また、電流検出部２３については各スイッチング素子を流れる電流を検出できるように構成し、電流取得部１２は、電流検出部２３による電流の検出値を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値は、故障判定部１３に送られる。
【0177】
故障判定部１３は、第２の故障判定用指令パターンＱ１～Ｑ６のそれぞれの下で各スイッチング素子を動作させたときに電流取得部１２が取得した情報に基づき、オン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがあるか否かを判定する。スイッチング素子に過電流が流れたものがあるか否かの判定は、電流取得部１２が取得した電流の検出値と第３の閾値（過電流検出レベル）との比較結果に基づき行えばよい。すなわち、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した電流の検出値が第３の閾値より大きい値であることをもって、電流取得部１２が取得した電流の検出値が過電流を示すと判定する。
【0178】
なお、例えば、ドライブ回路２２がＤＥＳＡＴ検出回路からなる場合は、電流取得部１２は、ドライブ回路２２を介してスイッチング素子に過電流が流れたか否かを示す情報を取得してもよい。また例えば、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子をＩＰＭにて構成する場合は、電流取得部１２は、ＩＰＭの過電流検出機能を用いて当該スイッチング素子に過電流が流れたか否かを示す情報を取得してもよい。これらいずれの場合においても、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した「スイッチング素子に過電流が流れたか否かを示す情報」を過電流検出部の故障判定に利用する。
【0179】
故障判定部１３は、過電流が流れたスイッチング素子があると判定した場合、当該第２の故障判定用指令パターンの下でオン指令されていたスイッチング素子のうち過電流が流れたと判定されたスイッチング素子に対応する過電流検出部は正常であると判定する。
【0180】
図１７は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置における過電流検出部と第２の故障判定用指令パターンとの関係を示す図である。図１７において、第２の故障判定用指令パターンＱ１～Ｑ６に関して、オン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがある場合（電流取得部１２が取得した電流の検出値に第３の閾値より大きいものがある場合）を「〇」で示し、オン指令されたスイッチング素子のいずれにも過電流が流れなかった場合（電流取得部１２が取得した電流の検出値がいずれも第３の閾値以下である場合）を「×」で示す。また、図１７において、各スイッチング素子Ｓ1～Ｓ6に関して、対応する過電流検出部に故障が発生していると判定されるスイッチング素子を「×」で示す。故障判定部１３は、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子Ｓ1～Ｓ6に対応して設けられる過電流検出部の故障を図１７に示す対応関係に基づき検出する。
【0181】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ１～Ｑ６の全てについて、オン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがある場合（第２の故障判定用指令パターンＱ１～Ｑ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値の全てについて、第３の閾値より大きいものがある場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ1～Ｓ6のそれぞれに対応する過電流検出部は全て正常であると判定する。
【0182】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ１の下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがなかった場合（第２の故障判定用指令パターンＱ１の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値について第３の閾値より大きいものがなかった場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ1に対応して設けられていた過電流検出部が故障していると判定する。
【0183】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ２の下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがなかった場合（第２の故障判定用指令パターンＱ２の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値について第３の閾値より大きいものがなかった場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ2に対応して設けられていた過電流検出部が故障していると判定する。
【0184】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ３の下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがなかった場合（第２の故障判定用指令パターンＱ３の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値について第３の閾値より大きいものがなかった場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ3に対応して設けられていた過電流検出部が故障していると判定する。
【0185】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ４の下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがなかった場合（第２の故障判定用指令パターンＱ４の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値について第３の閾値より大きいものがなかった場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ4に対応して設けられていた過電流検出部が故障していると判定する。
【0186】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ５の下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがなかった場合（第２の故障判定用指令パターンＱ５の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値について第３の閾値より大きいものがなかった場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ5に対応して設けられていた過電流検出部が故障していると判定する。
【0187】
例えば、第２の故障判定用指令パターンＱ６の下でオン指令されたスイッチング素子に過電流が流れたものがなかった場合（第２の故障判定用指令パターンＱ６の下で電流取得部１２が取得した電流の検出値について第３の閾値より大きいものがなかった場合）、故障判定部１３は、スイッチング素子Ｓ6に対応して設けられていた過電流検出部が故障していると判定する。
【0188】
このように、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００によれば、第２の故障判定用指令パターンを用いて、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に対応して設けられる過電流検出部の故障の発生箇所を迅速かつ正確に検出することができる。
【0189】
図１８～図２０は、本開示の一実施形態による三相の電力変換装置の故障を検出する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障、電流検出部の故障、並びにスイッチング素子に対応して設けられる過電流検出部の故障の検出処理を示すフローチャートである。
【0190】
故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００におけるスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障、電流検出部２３の故障、並びにスイッチング素子に対応して設けられる過電流検出部の故障の検出処理は、三相の電力変換装置２の直流側に直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側に負荷回路３が接続された状態で実行される。
【0191】
まず、ステップＳ５０１において、指令生成部１１は、初期設定として、第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎを１に設定する。ステップＳ５０１における第１の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎの１の設定は、例えば、作業者の故障検出装置１への入力装置を用いた入力操作によって行われてもよく、あるいは故障検出装置１による故障検出処理の開始時に自動的に行われてもよく、あるいは故障検出装置１の電源投入時に自動的に行われてもよい。
【0192】
ステップＳ５０２において、指令生成部１１は、スイッチング制御部２１に対して第１の故障判定用指令パターンＰＮを指令する。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１から受信した第１の故障判定用指令パターンＰＮに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。なお、指令生成部１１により生成された第１の故障判定用指令パターンＰＮは、故障判定部１３にも送られる。
【0193】
ステップＳ５０３において、電流取得部１２は、第１の故障判定用指令パターンＰＮに対応する電流検出部２３による電流の検出値を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値は、故障判定部１３に送られる。故障判定部１３は、電流取得部１２から送られてきた電流の検出値と、当該電流の検出値の取得の際に用いられていた第１の故障判定用指令パターンＰＮとを対応付けて記憶する。
【0194】
ステップＳ５０４において、電圧取得部１４は、電圧検出部２４が検出した電力変換装置の直流側の電圧の検出値を取得する。取得された電圧の検出値は、電流推定部１５に送られる。
【0195】
ステップＳ５０５において、ステップＳ５０４において電圧取得部１４が取得した電圧の検出値と、ステップＳ５０２において第１の故障判定用指令パターンＰＮに従いスイッチング素子がオン指令されている時間と、負荷回路３のインピーダンスとに基づいて、各スイッチング素子に流れる電流の推定値を計算する。算出された電流の推定値は、故障判定部１３に送られる。
【0196】
ステップＳ５０６において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であるか否かを判定する。第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であると判定された場合はステップＳ５０８へ進み、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎが６であると判定されなかった場合はステップＳ５０７へ進む。
【0197】
ステップＳ５０７において、指令生成部１１は、第１の故障判定用指令パターンＰＮの識別番号Ｎを１つインクリメントする。その後、ステップＳ５０２へ戻る。
【0198】
ステップＳ５０８において、故障判定部１３は、電流取得部１２が取得した６つの電流の検出値の各々とこれに対応する電流推定部１５が算出した６つの電流の推定値の各々との割合（すなわち電流の検出値を電流の推定値で除算した値）のうち、少なくとも１つの電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲外であるか否かを判定する。電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲内であると判定された場合は、ステップＳ５０９へ進み、電流の検出値と電流の推定値との割合が所定の範囲内であると判定されなかった場合は、ステップＳ５１４へ進む。なお、ステップＳ５０９においては、「電流の検出値と電流の推定値との割合」に代えて「電流の検出値と電流の推定値との差」を判定処理に用いてもよい。
【0199】
ステップＳ５０９において、故障判定部１３は、スイッチング素子に関するオープン故障が発生したか否かを判定する。オープン故障が発生したと判定された場合はステップＳ５１０へ進み、オープン故障が発生したと判定されなかった場合はステップＳ５１１へ進む。オープン故障の判定処理の詳細については、図１～図５を参照して説明した通りである。
【0200】
ステップＳ５１０において、故障判定部１３は、オープン故障が発生したスイッチング素子に関する情報を出力し、処理を終了する。
【0201】
ステップＳ５１１において、故障判定部１３は、スイッチング素子に関するショート故障が発生したか否かを判定する。ショート故障が発生したと判定された場合はステップＳ５１２へ進み、ショート故障が発生したと判定されなかった場合はステップＳ５１３へ進む。オープン故障の判定処理の詳細については、図１～図４及び図６を参照して説明した通りである。
【0202】
ステップＳ５１２において、故障判定部１３は、ショート故障が発生したスイッチング素子に関する情報を出力し、処理を終了する。
【0203】
なお、ステップＳ５０９～Ｓ５１２におけるオープン故障判定とショート故障判定とは順序を入れ替えて実行してもよい。
【0204】
ステップＳ５１３において、故障判定部１３は、電力変換装置２に設けられた電流検出部２３に故障が発生したとの判定を出力し、処理を終了する。
【0205】
ステップＳ５１４において、指令生成部１１は、第２の故障判定用指令パターンの識別番号Ｎを１に設定する。
【0206】
ステップＳ５１５において、指令生成部１１は、スイッチング制御部２１に対して第２の故障判定用指令パターンＱＮを指令する。スイッチング制御部２１は、指令生成部１１から受信した第２の故障判定用指令パターンＱＮに基づき、各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令を生成する。生成されたオン指令及びオフ指令は、ドライブ回路２２に送られる。ドライブ回路２２は、オン指令及びオフ指令に応じてスイッチング素子をオンオフするためのゲート電圧を各スイッチング素子に印加する。三相の電力変換装置２の直流側には直流電圧が印加されかつ電力変換装置２の交流側には負荷回路３が接続されているので、６つのスイッチング素子のうちオン指令された３つのスイッチング素子を介して電力変換装置２の直流側の正極端子２５、負荷回路３及び電力変換装置２の直流側の負極端子２６に閉回路が形成される。なお、指令生成部１１により生成された第２の故障判定用指令パターンＱＮは、故障判定部１３にも送られる。
【0207】
ステップＳ５１６において、電流取得部１２は、第２の故障判定用指令パターンＱＮに従いオン指令されたスイッチング素子に流れる電流の検出値に関する情報として、当該オン指令されたスイッチング素子に過電流が発生したか否かを示す情報を取得する。例えば、電流取得部１２は、スイッチング素子に流れる電流の検出値そのものを電流検出部２３から取得する場合は、当該電流の検出値が第３の閾値（過電流検出レベル）より大きいときは過電流が流れた子を示す情報を生成し、当該電流の検出値が第３の閾値（過電流検出レベル）以下であるときは過電流が流れなかったことを示す情報を生成する。また例えば、ドライブ回路２２としてＤＥＳＡＴ検出回路とよばれる過電流検出機能を有するドライバＩＣが使用される場合は、当該オン指令されたスイッチング素子に対応するＤＥＳＡＴ検出回路から、当該オン指令されたスイッチング素子に流れる電流の検出値に関する情報として、過電流が流れたか否かを示す情報を取得する。また例えば、スイッチング素子及びダイオードからなるパワー素子をＩＰＭにて構成する場合は、当該オン指令されたスイッチング素子に係るＩＰＭから、当該オン指令されたスイッチング素子に流れる電流の検出値に関する情報として、過電流が流れたか否かを示す情報を取得する。電流取得部１２により取得された電流の検出値は、故障判定部１３に送られる。故障判定部１３は、電流取得部１２から送られてきた電流の検出値と、当該電流の検出値の取得の際に用いられていた第２の故障判定用指令パターンＱＮとを対応付けて記憶する。
【0208】
ステップＳ５１７において、指令生成部１１は、第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎが６であるか否かを判定する。第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎが６であると判定された場合はステップＳ５１９へ進み、第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎが６であると判定されなかった場合はステップＳ５１８へ進む。
【0209】
ステップＳ５１８において、指令生成部１１は、第２の故障判定用指令パターンＱＮの識別番号Ｎを１つインクリメントする。その後、ステップＳ５１５へ戻る。
【0210】
ステップＳ５１９において、故障判定部１３は、第２の故障判定用指令パターンＱＮにおける各スイッチング素子に対するオン指令及びオフ指令の組み合わせと電流取得部１２が取得した電流の検出値に関する情報（過電流が流れたか否かを示す情報）との対応関係に基づき、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子の各々に対応して設けられた過電流検出部の故障が発生したか否かを判定する。過電流検出部の故障が発生したと判定された場合はステップＳ５２０へ進み、過電流検出部の故障が発生したと判定されなかった場合はステップＳ５２１へ進む。過電流検出部の故障の判定処理の詳細については、図１４～図１７を参照して説明した通りである。
【0211】
ステップＳ５２０において、故障判定部１３は、過電流検出部の故障に関する情報を出力し、処理を終了する。
【0212】
ステップＳ５２１において、故障判定部１３は、電力変換装置２は正常であるという判定結果を出力し、処理を終了する。
【0213】
このように、本開示の一実施形態による故障検出装置１及びこれを備えるモータ駆動装置１００によれば、第１の故障判定用指令パターンを用いて、三相の電力変換装置２内のスイッチング素子に関係するオープン故障及びショート故障、電流検出部の故障並びに過電流検出部の故障の発生箇所及び故障内容を迅速かつ正確に検出することができる。
【0214】
上述した指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）は、演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）を構成し得る演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどがある。例えば、指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）の各機能を実現することができる。またあるいは、指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。またあるいは、指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ記録媒体として実現してもよい。また、指令生成部１１、電流取得部１２、故障判定部１３、電圧取得部１４、電流推定部１５、スイッチング制御部２１、ドライブ回路２２、及び上位制御部（図示せず）は、例えば工作機械の数値制御装置内に設けられてもよく、ロボットを制御するロボットコントローラ内に設けられてもよい。
【0215】
電流検出部２３及び電圧検出部２４は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。電流検出部２３及び電圧検出部２４については、電力変換装置２またはモータ駆動装置１００に一般的に設けられるものを流用してもよい。
【符号の説明】
【0216】
１ 故障検出装置
２ 電力変換装置
３ 負荷回路
１１ 指令生成部
１２ 電流取得部
１３ 故障判定部
１４ 電圧取得部
１５ 電流推定部
２１ スイッチング制御部
２２ ドライブ回路
２３ 電流検出部
２４ 電圧検出部
２５ 正極端子
２６ 負極端子
１００ モータ駆動装置
２ 電力変換装置
３ 負荷回路
１１ 指令生成部
１２ 電流取得部
１３ 故障判定部
１４ 電圧取得部
１５ 電流推定部
２１ スイッチング制御部
２２ ドライブ回路
２３ 電流検出部
２４ 電圧検出部
２５ 正極端子
２６ 負極端子
１００ モータ駆動装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】