CN101243589A - 电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

提供了一种电机驱动电路，包括：用于将电机电路连接到DC电源的正极输入端子和负极输入端子(1，2)；连接在这两个输入端子(1，2)之间的DC链路滤波器(3)；具有至少两个相的电机；多个电机驱动子电路，其中的每个子电路都连接到电机的相应相，并且均对流入或流出电机的相应相的电流流动进行控制，其中所述电流是通过DC链路滤波器(3)从电源抽取的；以及设置在DC链路滤波器与电机驱动子电路之间的电通路中的开关装置(7)，该开关装置(7)可以在闭合位置与打开位置之间移动，在闭合位置处该开关装置将DC链路滤波器与电机驱动子电路相连，而所述打开位置将DC链路滤波器与电机驱动子电路隔离。

Description

电机驱动电路

技术领域

本发明涉及电机驱动电路，该电路尤其适合在车辆的电动助力转向(EPAS)系统中使用，但是并不局限于此。

背景技术

众所周知，EPAS系统是一种包括通过变速箱进行连接并且作用于车辆转向机构的电机的系统。例如，该变速箱可以在电机与转向柱轴之间提供连接，或者直接设置在形成转向机构的一部分的齿条和齿轮机构的一部分上。

对电机来说，它通过施加相同意义的辅助扭矩来帮助驾驶员向转向机构施加扭矩，从而在诸如停车操作期间将会更易于转动方向盘。这样，电机的操作可以帮助旋转转向柱轴或移动转向齿条机构的一部分。当然，该电机可以与典型转向机构的任何部分相连，只要该电机可以提供辅助扭矩来帮助驾驶员转动方向盘即可。

该电机可以是多相的、无刷的、星形连接的永磁体电机，它由电机控制装置进行控制，该控制装置包含控制和驱动电路，该电路用来将来自电源的电流提供给电机相绕组。电机的相绕组连接在一星形点处。每个相都与一个公共供电轨相连接，该公共供电轨继而通过上部晶体管连接到电源的正极端子，并且每个相还与一个负供电轨相连，该负供电轨通过底部晶体管连接到负极端子，这两个晶体管定义了多臂电桥的一个臂。该电桥形成了驱动电路，而控制电路是由微处理器、或数字信号处理器、或模拟信号处理或这些设备的某种组合提供的。微处理器可以响应于以下信号来进行操作，所述信号是来自设置在转向柱上的扭矩传感器的用于测量驾驶员所施加的扭矩的信号、来自电机转子位置传感器的提供与电机速度和方向有关的信息的信号、以及可选的与电机电桥或电源中流动的电流相对应的信号。该信息可以与扭矩传感器信号和/或柱位置传感器信号结合使用，以确定应该对哪个相绕组通电以及何时通电。微处理器产生控制信号，电桥驱动器使用该信号来对驱动电路的晶体管通电，以使电流在期望的电机相流动。

为了防止来自电机的噪声传递到DC供电端子，在这些端子与电机相之间设置DC链路滤波器。该滤波器的用途是消除或滤除有可能产生的高频噪声。通常，它包括连接在供电轨之间的电容器，并且还可以包括串联连接在位于端子与电机相之间的各个轨中的一个或多个电感器。

这种电动助力转向系统的问题在于：在电机驱动或控制电路中发生的故障会导致发生错误状况，而在安全性至关重要的车辆转向系统中，这种错误状况是无法接受的。

举个例子，假设对电桥的一个臂上的顶部晶体管错误通电，同时对该电桥另一个臂上的底部晶体管错误通电。这种故障将导致电机相永久通电，并且使电机被永久吸引到一特定位置，这往往会使转向柱夹在某个位置而抵制旋转。这种情况对于驾驶员来说易于觉察并且明显是不希望的。如果电桥驱动器出现故障，或者在驱动级晶体管两端发生短路，或者在DC链路电源两端发生短路，那么会发生这种情况。

该问题的一种已知解决方案是在电机与转向柱之间提供一个离合器。该离合器(通常是齿式离合器或摩擦离合器)通常是啮合的，但是在检测到故障的情况下，该离合器进行工作使电机与转向柱脱离。但是，该离合器体积大且成本高，此外还必须包括附加的测试过程以检查在需要使离合器脱离的情况下离合器仍能脱离，这又增加了成本，并且是非常耗时的。

另一种解决方案是提供一钟用于在发生故障的情况下将电机驱动级与电机隔离开的装置，例如通过在驱动级晶体管与连至电机的相连接之间设置继电器来进行隔离。另一种解决方案是使用继电器将电机相与电机的星形点隔离开。这两个解决方案都从电机中去除了驱动电流，但是也有它们自身的问题和固有缺点。继电器的接触电阻会随时间而劣化，这可能会降低其工作速度，就添加到电机而言，它们同样是成本高且体积大的物件。

如果没有任何装置来隔离电机与驱动级，那么相绕组仍连接在一起，并且仍连接到驱动级。结果，在电桥周围仍会存在导电通路(也就是经由两个短路晶体管和两个相绕组的通路)。然后，在由于转向柱的旋转而驱动电机轴旋转时，在一个或多个绕组中产生反EMF。由于这种EMF和电桥周围的完整电通路，在电机相绕组中会流过相当大的电流，这会产生与电机轴的旋转相反的扭矩。该抵制扭矩是非常不期望出现的，因为在这种情况下，不但转向辅助会因为电源断开而丧失，而且随后还施加了抵制扭矩，这会使转动转向柱非常困难。

在此类系统中遇到的另一个问题是通过DC链路滤波器而与地面短路。这在电容器是电解质组件的情况下尤其成问题，因为在此情况下短路会导致发生灾难性故障。

放置在电机电流通路中的任何器件都需要能够传送电机电流、中断(break)可能存在的高电流感应负载、以及保持低接触电阻。

当然，这些问题并不是电动助力转向系统中的应用所独有的。

发明内容

根据本发明，提供了一种电机电路，包括：

用于将电机电路连接到DC电源的正极输入端子和负极输入端子；

连接在这两个输入端子之间的DC链路滤波器；

具有至少两个相的电机；

多个电机驱动子电路，其中的每个子电路都连接到电机的相应相，并且均对流入或流出电机相应相的电流流动进行控制，其中所述电流是通过DC链路滤波器而从电源抽取的；以及

设置在DC链路滤波器与电机驱动子电路之间的电通路中的开关装置，该开关装置可以在闭合位置与打开位置之间移动，在闭合位置处该开关装置将DC链路滤波器与电机驱动子电路相连，而打开位置会隔离DC链路滤波器与电机驱动子电路。

这种电机电路确保了电机相与地短接或与电源电压之一短接不会导致DC链路滤波器上的短路，因此防止了DC链路滤波器发生灾难性故障。此外，它还排除了短路通路中有可能会导致电机进入可能存在安全性风险的制动操作模式的一个通路。

该电机可以包括高可靠性电机。借助于此，我们想要表达的是，包含其相绕组以及任何相关连接的该电机在可能导致电机制动的模式下具有非常低的故障概率。

因此，如果出现故障状况，那么开关装置与高可靠性电机将一起确保电机不会对转向柱的移动提供抵制扭矩，该开关装置将电机与DC电源隔离开，从而使得在相绕组中没有电流流动。这意味着不需要离合器。

该开关装置可以包括用于在从检测到故障时起的预定时段内对开关进行操作的装置。可以提供一种单独的故障检测装置，当检测到故障时，该装置向开关装置发送信号。所述预定时段可以与瞬时操作相对应，或者在依照规则而设置的时间内。例如，该开关装置可以在200毫秒或者更短的时间内工作。在故障保护领域中，这种故障检测装置是众所周知的。

优选地，该开关装置包括串联连接在DC链路滤波器的输出与电机驱动子电路的输入之间的开关或继电器。作为替代方案，该开关装置可以包括半导体器件，例如晶体管。

输入端子的一个端子可以接地，而DC链路滤波器将另一端子连接到这个接地端子。在这种情况下，该开关装置可以位于DC链路滤波器的与非接地端子相连的一侧与电机驱动子电路之间的电通路中。

在至少一个DC供电端子与DC链路滤波器之间还可以设置一个附加的开关装置。在将输入端子之一接地的应用中，该开关可以位于另一端子与DC滤波器的输入之间。在汽车的应用中，该端子通常是负极端子。

当这个开关与另一开关装置一起被打开时，DC链路滤波器将会与两个电源(即DC电源和电机)完全隔离。在逆向电池状况期间，这还会防止DC链路中的电容器被反向极化的可能性。

本发明适用于众多的电机类型和大小。在优选实施例中，电机包括其相以星形连接的三相电机。作为替换方案，它还可以以Y(或△)的形式进行连接。

电机驱动子电路均可包括一个开关，该开关可以打开和闭合，以将电机相通过DC链路滤波器电连接到输入端子之一。电机的每一个相都可以连接到两个此类子电路，其中每一个子电路都与输入端子中的一个不同的端子相连。这些电机驱动子电路可以采用使它们不会发生故障的方式来布置，这种方式是使这些子电路彼此短接掉，即为每一个相提供独立电路。

电机可以形成电动助力转向系统的一部分，在该系统中，其功能是向转向柱或其他转向组件施加辅助扭矩，以帮助车辆驾驶员转动方向盘。

附图说明

现在将借助附图对例示本发明各方面的优选实施例进行描述，在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的电机以及驱动电路的详细示意图；以及

图2示出本发明所适用的电机以及驱动电路的替代实施例。

具体实施方式

图1示出在包括电机的车辆中使用的电动助力转向(EPAS)系统的一部分。该驱动电路包括用于连接到车辆的正极和负极供电轨的一对输入端子1、2。DC链路滤波器3连接在两个端子1、2之间。它包括并联连接在这两个输入端子之间的两个电容器U1和U2，并且一个电感器与其中一个电容器U2串联连接。从电感器L1与电容器U2之间获取的DC链路滤波器3的输出被馈送到轨4，该轨4将电流传送到若干个电机驱动子电路。这些子电路被连接为三相电桥，其中该电桥的每个相都包含一个电机驱动子电路，而这些子电路则具有与轨4或地5之一相连的晶体管M1～M6。顶部晶体管M1连接在相应相绕组(R，Y，B)的第一端与正极供电轨4之间；底部晶体管M2连接在相应相绕组的第一端与负极供电轨5之间。每一个晶体管都被示出为单个功率晶体管，该晶体管可以是FET或双极型的。这些晶体管是通过电子驱动电路6而被通电或断电的。

在DC链路滤波器与向电机驱动子电路供电的轨4之间的电路中具有开关装置7。它包括一个半导体开关，其形式为有本征二极管D3跨接其源极和漏极端子的晶体管M9。在正常工作期间，通过增强器件沟道来避免由通过本征二极管D3的电流所导致的电压降，从而可以降低器件的功率损耗。

在检测到会导致电机错误操作的DC链路短路故障的情况下，开关装置7将被打开，从而轨4不会与轨5短接。晶体管M1～M6和本征二极管D3的电桥整流确保了电机电流不会从轨4流至轨5。

附图中的图2示出了一个替代实施例。这个实施例与图1所示的相同，其区别是在从输入端子到DC链路的电通路中添加了另一个半导体开关装置8。开关8包括两个晶体管M7和M8以及相应的本征二级管D1和D2。开关8与开关7协同工作，从而它们会同时打开和闭合。通常它们都是闭合的，但在发生故障的情况下，它们都会打开，以完全隔离DC链路滤波器。

Claims (9)

1.一种电机电路，包括：

用于将电机电路连接到DC电源的正极输入端子和负极输入端子；

连接在这两个输入端子之间的DC链路滤波器；

具有至少两个相的电机；

多个电机驱动子电路，其中的每个子电路都连接到电机的相应相，并且均对流入或流出电机的相应相的电流流动进行控制，其中所述电流是通过DC链路滤波器从电源抽取的；以及

设置在DC链路滤波器与电机驱动子电路之间的电通路中的开关装置，该开关装置可以在闭合位置与打开位置之间移动，在闭合位置处该开关装置将DC链路滤波器与电机驱动子电路相连，而所述打开位置将DC链路滤波器与电机驱动子电路隔离。

2.根据权利要求1所述的电机电路，其中电机包括高可靠性电机。

3.根据任一前述权利要求所述的电机电路，其中开关装置包括串联连接在DC链路滤波器的输出与电机驱动子电路的输入之间的开关或继电器。

4.根据权利要求1或2所述的电机电路，其中开关装置包括诸如晶体管的半导体器件。

5.根据任一前述权利要求所述的电机电路，其中输入端子之一接地，并且DC链路滤波器将另一端子连接到该接地端子，并且其中开关装置位于DC链路滤波器的与非接地端子相连的一端和电机驱动子电路之间的电通路中。

6.根据任一前述权利要求所述的电机电路，其中在DC供电端子中的至少一个端子与DC链路滤波器之间设置附加的开关装置。

7.根据从属于权利要求5时的权利要求6所述的电机电路，其中在非接地端子与DC滤波器的输入之间设置另一个开关装置。

8.根据权利要求7所述的电机电路，其中该另一个开关装置与所述开关装置同时打开和闭合。

9.一种电动助力转向系统，该系统包括根据任一前述权利要求所述的电机电路。

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