CN101388632A

CN101388632A - 多相交流电机驱动装置

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Publication number: CN101388632A
Application number: CNA2008101282813A
Authority: CN
Inventors: 郡司敬太
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Nidec Mobility Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: US20090073617A1; JP2009071971A; US7948205B2; JP5057908B2; CN101388632B

Abstract

本发明提供一种不会误判定故障的有无的多相交流电机驱动装置。该多相交流电机驱动装置包括：逆变器电路(3)；分别被设置在逆变器电路(3)的各相的下臂上，用于检测电机(4)的相电流的电流检测电阻(Ru、Rv、Rw)；以规定的占空比来控制逆变器电路(3)的开关元件(Q1～Q6)的导通/截止动作的控制单元(1)；以及PWM电路(2)，其中，在逆变器电路(3)的上臂的开关元件(Q1、Q3、Q5)的导通占空比不小于规定值时，不进行基于电流检测电阻(Ru、Rv、Rw)检测出的电流值的故障有无的判定。

Description

多相交流电机驱动装置

技术领域

本发明涉及通过逆变器电路驱动多相交流电机的多相交流电机驱动装置，特别涉及基于各相的电流值的检测结果来判定故障的有无的多相交流电机驱动装置。

背景技术

在车辆的电动动力转向(power steering)装置中，为了将与方向盘的操纵转矩对应的操纵辅助力提供给转向机构，设置3相无刷电机等交流电机。电机驱动单元包括用于生成具有与指令值对应的占空比的PWM(Pulse WidthModulation)信号的PWM电路，以及根据从该PWM电路输出的PWM信号的占空比而导通/截止(ON/OFF)的上下一对的开关元件被设置在各个相中的逆变器电路。逆变器电路基于开关元件的导通/截止动作，输出与上述占空比对应的各相电压，并通过该电压来驱动电机。电机的各相电流通过与开关元件串联连接的电流检测电阻来检测，该检测值成为实际流过电机的电流值。

后面揭示的专利文献1～4中记载了使用了逆变器电路的多相交流电机驱动装置。在专利文献1的装置中，基于电源和电机之间的施加电压以及电阻值来运算流过逆变器电路的估计电流值，通过比较由实电流检测部件检测出的实际电流值和估计电流值，从而检测各相中流过的电流值的异常。在专利文献2的装置中，利用3相交流电机的各相的电流值的和为零，在检测出的各相电流值的和不是零的情况下判定为异常。在专利文献3的装置中，采用电流检测电阻的电压下降值构成的第1电流值作为逆变器电路中的下侧开关元件的占空比为规定值以上的相的电流值，采用对其他两相的电流检测电阻的电压下降值的和的符号进行了反向的第2电流值作为下侧开关元件的占空比小于规定值的相的电流值，从而即使元件的占空比较小且无法正确地检测电流的情况下，也能够通过第2电流值来提高电流检测精度。在专利文献4的装置中，在逆变器电路的上下的开关元件都成为截止状态的死区(deadtime)期间，检测通过与开关元件并联连接的回流二极管而流过的相电流，从而延长采样时间，进行高精度的电机控制。

[专利文献1]日本特开2005-143153号公报

[专利文献2]日本特开平6-253585号公报

[专利文献3]日本特开2003-164159号公报

[专利文献4]日本特开2007-189825号公报

在使用了上述那样的逆变器电路的电机驱动装置中，由于已知电机的各相电流的和为零，因此可以通过像专利文献2那样检测各相电流来判定它们的和是否为零，从而判定电机驱动装置或者电机的故障的有无。

但是，在以PWM信号使各个相中设置了上下一对的开关元件导通/截止的逆变器电路中，如图4所示，在上侧开关元件的接通(turn-on)时间T1较短时(即，导通占空比较小时)，下侧开关元件的接通时间T2变长，如图5所示，在上侧开关元件的接通时间T1较长时(即，导通占空比较大时)，下侧开关元件的接通时间T2变短。

在图4的情况下，下侧开关元件的接通时间T2较长，所以可高精度地检测经由该开关元件流过电流检测电阻的相电流，但在图5的情况下，由于下侧开关元件的接通时间T2较短，所以高精度地检测经由该开关元件流过电流检测电阻的相电流较为困难。即，专利文献3中也有记载，在下侧开关元件的占空比例如小于30％时，通过被施加在该元件上的栅极电压的波形钝化等，开关元件有时不会充分接通，从而无法正确地检测相电流。此外，在将各相的电流检测电阻中产生的电压对电容器进行充电并采样保持(sample hold)从而检测相电流的情况下，开关元件的接通时间变得比充电电路的时间常数短，从而采样保持不会正确地进行，相电流的检测中会产生误差。

结果，有时电流检测电阻检测的各相电流值的和不为零，从而判定为发生了故障。然而，电流和不为零是因下侧开关元件的占空比小而未能正确地检测相电流的原故，而不是因为电机4或驱动电路中存在异常，因此上述的判定是误判定。

这样，在以往的装置中，在逆变器电路的下侧开关元件的占空比较小时，有时不是故障而错误地判定为故障。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种不会误判定故障的有无的多相交流电机驱动装置。

作为本发明的前提的多相交流电机驱动装置包括：驱动电机的逆变器电路；检测电机的相电流的电流检测部件；控制逆变器电路的开关元件的控制部件；以及进行故障有无的判定的第1判定部件。逆变器电路构成为具有用于多相交流电机驱动的开关元件和与该元件并联连接的回流二极管的臂在电机的各个相中被设置上下一对，并从各相的上下臂的连接点获得用于电机驱动的电压。电流检测部件分别被设置在逆变器电路的各相的下臂上，检测电机的相电流。控制部件以规定的占空比来控制逆变器电路的各个开关元件的导通/截止动作。第1判定部件基于电流检测部件检测的电流值，进行故障有无的判定。

在本发明，在上述那样的多相交流电机驱动装置中，设置用于判定逆变器电路的上臂的开关元件的所有导通占空比是否小于规定值的第2判定部件。并且，在通过第2判定部件判定为所述导通占空比不小于规定值时，第1判定部件不进行故障有无的判定，而在通过第2判定部件判定为所述导通占空比小于规定值时，第1判定部件进行故障有无的判定。

这样，在上侧开关元件的导通占空比较大时，即下侧开关元件的导通占空比较小时，即使电流检测部件检测出下侧开关元件的较短的接通时间内流过的电流，也不会进行基于检测的电流值的故障诊断，所以不用担心误判定为发生了故障，可以提高装置的可靠性。

在本发明中，在判定为上侧开关元件的导通占空比不小于规定值时，若只有一个相的上臂开关元件的导通占空比为规定值以上，则第2判定部件也可以对该一个相的电流值的绝对值与其他相的电流值的和的绝对值进行比较，并在一个相的电流值的绝对值大于其他相的电流值的和的绝对值时，判定一个相的电流值的检测结果存在错误。这样，即使是没有进行故障判定的情况下，也能够判别特定相的电流值的检测结果中存在错误。

此外，在本发明中，在判定为上侧开关元件的导通占空比不小于规定值时，若除了一个相的多个相的上臂开关元件的导通占空比为规定值以上，则第2判定部件也可以对该多个相的电流值的和的绝对值与其他一相的电流值的绝对值进行比较，并在多个相的电流值的和的绝对值大于其他一相的电流值的绝对值时，判定多个相的电流值的检测结果存在错误。这样，即使是没有进行故障判定的情况下，也能够判别特定的多个相的电流值的检测结果中存在错误。

根据本发明，在下侧开关元件的导通占空比小而无法正确地检测相电流的情况下，不进行故障诊断，因此不用担心误判定为发生了故障，能够提高装置的可靠性。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的多相交流电机驱动装置的电结构的图。

图2是表示了故障诊断的步骤的流程图。

图3是表示了故障诊断的其他步骤的流程图。

图4是说明开关元件的接通时间的图。

图5是说明开关元件的接通时间的图。

标号说明

1 控制单元

2 PWM电路

3 逆变器电路

4 电机

5u、5v、5w 采样保持电路

6u、6v、6w 直流放大电路

Q1～Q6 开关元件

D1～D6 回流二极管

Ru、Rv、Rw 电流检测电阻

具体实施方式

图1是表示本发明实施方式的多相交流电机驱动装置的电结构的图。1是由CPU或存储器构成的控制单元，2是基于来自控制单元1的指令电压Vu～Vw来输出具有规定的占空比的PWM信号的公知的PWM电路，3是基于来自PWM电路2的PWM信号来输出用于电机驱动的3相电压(U相电压、V相电压、W相电压)的逆变器电路。4是通过从逆变器电路3输出的3相电压驱动的3相交流电机(下面简称为“电机”)，4u、4v、4w是电机4的各相线圈，5u、5v、5w是在规定区间对用于相电流检测的电压进行采样，并进行采样保持的采样保持电路，6u、6v、6w是对采样保持电路5u、5v、5w的输出进行放大的直流放大电路。K1、K2、K3是连接在逆变器电路3和电机4之间的继电器(relay)。也可以使用大电流开闭用的开关来代替继电器。由控制单元1、PWM电路2、逆变器电路3、采样保持电路5u、5v、5w、直流放大电路6u、6v、6w、以及继电器K1、K2、K3构成电机驱动装置。

逆变器电路3被连接在电池E的正极和负极(地)之间，将电池E的直流电压变换为交流电压。该逆变器电路3是公知的电路，具有在U相、V相、W相上分别对应设置的上下一对的臂，各个臂包括开关元件Q1～Q6、与这些开关元件分别并联连接的回流二极管D1～D6。开关元件Q1～Q6由MOS型FET(场效应晶体管)构成，但也可以使用IGBT(绝缘栅型双极型晶体管)等元件来代替。在各个开关元件Q1～Q6的各自的栅极上，从PWM电路2分别提供6种(U相上、U相下、V相上、V相下、W相上、W相下)PWM信号。在PWM信号的导通(High：高电平)区间，开关元件Q1～Q6成为导通状态，在PWM信号的截止(Low：低电平)区间，开关元件Q1～Q6成为截止状态。

通过这样的开关元件Q1～Q6的导通/截止动作，从逆变器电路3中的各相的上下臂的连接点a、c、e获得用于电机驱动的U相电压、V相电压、W相电压，并提供给电机4。即，从开关元件Q1、Q2的连接点a获得U相电压，经由继电器K1提供给电机4的U相线圈4u。从开关元件Q3、Q4的连接点c获得V相电压，经由继电器K2提供给电机4的V相线圈4v。从开关元件Q5、Q6的连接点e获得W相电压，经由继电器K3提供给电机4的W相线圈4w。电极4例如由3相无刷电机构成。

逆变器电路3的各相下臂中设置了用于检测电机4的相电流的电流检测电阻Ru、Rv、Rw。电流检测电阻Ru与开关元件Q1、Q2串联连接，该电阻Ru的两端产生的电压(b点电位)被输入到采样保持电路5u。电流检测电阻Rv与开关元件Q3、Q4串联连接，该电阻Rv的两端产生的电压(d点电位)被输入到采样保持电路5v。电流检测电阻Rw与开关元件Q5、Q6串联连接，该电阻Rw的两端产生的电压(f点电位)被输入到采样保持电路5w。

采样保持电路5u、5v、5w分别具有开关Su、Sv、Sw、电容器Cu、Cv、Cw、差动放大器Au、Av、Aw。在逆变器电路3的电流检测电阻Ru、Rv、Rw中流过电流，电阻的两端产生要检测的电压时，开关Su、Sv、Sw通过来自控制单元1的采样信号SPu、SPv、SPw而导通，要检测的电压通过开关Su、Sv、Sw的导通，以充电到电容器Cu、Cv、Cw的方式而被采样。然后，在电流检测电阻Ru、Rv、Rw中不流过电流，需要保持所采样的电压时，开关Su、Sv、Sw截止，电容器Cu、Cv、Cw中所充电的电压被保持。这样被采样保持的电压由直流放大电路6u、6v、6w放大，作为相电流Iu、Iv、Iw而输出。这些相电流Iu、Iv、Iw表示电机4的各相中流过的实际的电流值，作为相电流检测值而被提供给控制单元1。

在控制单元1，基于由转矩传感器(省略图示)检测出的转矩值和由车速传感器(省略图示)检测出的车速值，计算应流过电机4的各相的电流，即用于获得必要的操纵辅助力的电机电流的目标值，比较该目标值和相电流Iu、Iv、Iw(检测值)，从而求出它们的偏差。并且，基于所得到的偏差，运算提供给PWM电路2的各相的指令电压Vu、Vv、Vw。该指令电压是用于进行反馈控制以在电机4的各相线圈4u、4v、4w中流过目标值的电流的参数。PWM电路2基于指令电压来生成具有规定的占空比的前述6种PWM信号，并将这些信号分别提供给逆变器电路3的开关元件Q1～Q6，以使与指令电压Vu、Vv、Vw对应的U相电压、V相电压、W相电压被提供给电机4。此外，从控制单元1输出用于控制各个继电器K1、K2、K3的导通/截止的继电器控制信号。

在以上的结构中，电流检测电阻Ru、Rv、Rw构成本发明的电流检测部件的一实施方式，控制单元1构成本发明的第1判定部件，第2判定部件的一实施方式，控制单元1以及PWM电路2构成本发明的控制部件的一实施方式。

下面，基于图2所示的流程图说明图1的电路中的故障诊断的步骤。

在步骤S1中，基于b点电位通过采样保持电路5u以及直流放大电路6u检测电流检测电阻Ru中流过的U相电流Iu。在步骤S2，基于d点电位通过采样保持电路5v以及直流放大电路6v检测电流检测电阻Rv中流过的V相电流Iv。在步骤S3，基于f点电位通过采样保持电路5w以及直流放大电路6w检测电流检测电阻Rw中流过的W相电流Iw。

接着，在步骤S4，判定逆变器电路3的上侧开关元件Q1、Q3、Q5的导通占空比是否都小于70％。开关元件Q1、Q3、Q5的导通占空比可以通过控制单元1自己检查从控制单元1向PWM电路2提供怎样的指令电压来进行判别。在步骤S4的判定结果，若上侧开关元件Q1、Q3、Q5的导通占空比小于70％，换言之下侧开关元件Q2、Q4、Q6的导通占空比为30％以上(步骤S4为“是”)，则转移到步骤S5～S7的故障诊断处理。

在步骤S5，基于由步骤S1～S3检测的U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw，运算各相电流值的和I＝Iu+Iv+Iw。在下一个步骤S6，对由步骤S5求出的I的绝对值|I|和规定值α进行比较。理论上，由于电机的各相电流的和为零，所以α的值理想的是α＝0，但实际上成为稍微包含了误差分量的值。在步骤S6的判定结果，若不是|I|>α(步骤S6为“否”)，则判断为装置正常运行，从而结束处理而不执行步骤S7。另一方面，在步骤S6的判定结果，若是|I|>α(步骤S6为“是”)，则进至步骤S7，并判定装置中发生了故障。然后，控制单元1进行使电机驱动装置的动作停止的处理。

此外，在步骤S4的判定结果，若上侧开关元件Q1、Q3、Q5的导通占空比不小于70％，换言之下侧开关元件Q2、Q4、Q6的导通占空比小于30％(步骤S4为“否”)，则结束处理而不执行步骤S5～S7的故障诊断处理。这一点为本实施方式的特征，通过这样能够回避故障有无的误判定。

即，在下侧开关元件Q2、Q4、Q6的导通占空比小于30％的状态下，元件的接通时间较短，所以电流检测电阻Ru、Rv、Rw中流过电流的期间小于采样保持电路5u、5v、5w的电容器Cu、Cv、Cw的充电时间常数。因此，电流检测电阻Ru、Rv、Rw中产生的电压不会被电容器Cu、Cv、Cw正确地采样保持，从直流放大电路6u、6v、6w输出的相电流Iu、Iv、Iw的值会产生误差。从而，如果这时进行故障诊断处理，则各相电流值的和Iu+Iv+Iw不会成为零，有可能误判定为故障。然而，如上所述，若在下侧开关元件Q2、Q4、Q6的导通占空比小于30％的情况下禁止故障诊断处理，则不会有基于电流值的故障诊断，不用担心误判定为发生了故障，能够提高装置的可靠性。

图3是表示故障诊断的其他步骤的流程图。在图3中，对于进行与图2相同的处理的步骤附加相同的标号。对于步骤S1～S7，与图2完全相同。即，在步骤S1检测U相电流Iu，在步骤S2检测V相电流Iv，在步骤S3检测了W相电流Iw之后，在步骤S4判定上侧开关元件Q1、Q3、Q5的导通占空比是否都小于70％，若小于70％(步骤S4为“是”)，则执行步骤S5～S7的故障诊断处理。图2的情况下，若在步骤S4导通占空比不小于70％(步骤S4为“否”)，则结束了处理而不进行故障诊断，但在图3中，在导通占空比不小于70％的情况下(步骤S4为“否”)，追加了步骤S8～S13的处理。

在步骤S8，判定导通占空比为70％以上的上侧开关元件是否只有一个。若只有一个(步骤S8为“是”)，则将该开关元件的相(设为A相)的检测电流值设为iA，将导通占空比小于70％的其他两相(设为B相、C相)的检测电流值设为iB、iC时，在步骤S9判定是否成立以下关系，

|iA|>>|iB+iC| ...(1)

即，判定是否成立|iA|-|iB+iC|>β的关系。这里，β是预先设定的阈值。在上述式(1)的关系的成立时(步骤S9为“是”)，进至步骤S10，不成立时(步骤S9为“否”)，结束处理而不执行步骤S10。

在步骤S10，在式(1)的关系成立的情况下判定为A相的电流检测结果存在错误。在上面的例子中，由于A相的上侧开关元件的导通占空比为70％以上(下侧开关元件的导通占空比小于30％)，因而A相的检测电流值iA的可靠性低。另一方面，由于B相和C相的上侧开关元件的导通占空比小于70％(下侧开关元件的导通占空比为30％以上)，因而B相、C相的检测电流值iB、iC是可靠的值。并且，各相电流的和iA+iB+iC在理论上应成为零，因此在对iA和iB+iC进行了比较的情况下，在如式(1)所示，iA的绝对值相对于iB+iC的绝对值极大时，可以说A相的检测电流值iA明显异常。因此，控制单元1判定A相电路中发生了故障且A相的检测电流值iA错误，从而进行故障信号输出等处理。这样，即使是没有进行步骤S5～S7的故障判定的情况下，对于上侧开关元件的导通占空比为70％以上的特定相，能够判别在电流值的检测结果中存在错误。

另一方面，在步骤S8，导通占空比为70％以上的上侧开关元件不只一个时(步骤S8为“否”)，转移到步骤S11，判定导通占空比为70％以上的上侧开关元件是否为两个。若是两个(步骤S11为“是”)，则将这些开关元件的相(设为D相、E相)的检测电流设为iD、iE，将导通占空比小于70％的其它一相(设为F相)的检测电流设为iF时，在步骤S12判定是否成立以下关系，

|iD+iE|>>|iF| ...(2)

即，判定是否成立|iD+iE|-|iF|>γ的关系。这里，γ是预先设定的阈值。在上述式(2)的关系的成立时(步骤S12为“是”)，进至步骤S13，不成立时(步骤S12为“否”)，结束处理而不执行步骤S13。

在步骤S13，在式(2)的关系成立时，判定D相或者E相的电流检测结果中存在错误。在该例的情况下，由于D相和E相的上侧开关元件的导通占空比为70％以上(下侧开关元件的导通占空比小于30％)，因而D相和E相的检测电流值iD、iE的可靠性低。另一方面，由于F相的上侧开关元件的导通占空比小于70％(下侧开关元件的导通占空比为30％以上)，因而F相的检测电流值iF是可靠的值。并且，各相电流的和iD+iE+iF在理论上应成为零，因此在对iD+iE和iF进行了比较的情况下，在如式(2)所示，iD+iE的绝对值相对于iF的绝对值极大时，可以说D相、E相的检测电流值iD、iE明显异常。因此，控制单元1判定D相或者E相的电路中发生了故障且该相的检测电流值iD、iE错误，从而进行故障信号输出等处理。这样，即使是没有进行步骤S5～S7的故障判定的情况下，对于上侧开关元件的导通占空比为70％以上的特定的多个相，能够判别在电流值的检测结果中存在错误。

在以上叙述的实施方式中，作为是否进行故障诊断的判断基准，列举了将上侧开关元件的导通占空比设为小于70％(下侧开关元件的导通占空比为30％以上)的情况的例子，但这只是一例，例如也可以将上侧开关元件的导通占空比设为小于80％(下侧开关元件的导通占空比为20％以上)而进行判定。

此外，在以上叙述的实施方式中，作为电机4列举了无刷电机的例子，但本发明能够适用于所有用于驱动感应电机或同步电机那样的具有多个相的交流电机的电机驱动装置。

进而，在以上叙述的实施方式中，列举了将本发明应用到车辆的电动动力转向装置的例子，但本发明也可以应用到驱动门扇开闭用电机等的装置中。

Claims

1、一种多相交流电机驱动装置，包括：

逆变器电路，构成为具有用于多相交流电机驱动的开关元件和与该元件并联连接的回流二极管的臂在电机的各个相中被设置上下一对，并从各相的上下臂的连接点获得用于电机驱动的电压；

电流检测部件，分别被设置在所述逆变器电路的各相的下臂上，检测电机的相电流；

控制部件，以规定的占空比来控制所述逆变器电路的各个开关元件的导通/截止动作；以及

第1判定部件，基于所述电流检测部件检测出的电流值，进行故障有无的判定，

所述多相交流电机驱动装置的特征在于，

包括第2判定部件，判定所述逆变器电路的上臂的开关元件的所有导通占空比是否小于规定值，

在通过所述第2判定部件判定为所述导通占空比不小于规定值时，所述第1判定部件不进行故障有无的判定，

在通过所述第2判定部件判定为所述导通占空比小于规定值时，所述第1判定部件进行故障有无的判定。

2、如权利要求1所述的多相交流电机驱动装置，其特征在于，

在判定为所述导通占空比不小于规定值时，若只有一个相的上臂的开关元件的导通占空比为规定值以上，则所述第2判定部件对该一个相的电流值的绝对值与其他相的电流值的和的绝对值进行比较，

在所述一个相的电流值的绝对值大于其他相的电流值的和的绝对值时，所述第2判定部件判定所述一个相的电流值的检测结果存在错误。

3、如权利要求1所述的多相交流电机驱动装置，其特征在于，

在判定为所述导通占空比不小于规定值时，若除了一个相的多个相的上臂的开关元件的导通占空比为规定值以上，则所述第2判定部件对该多个相的电流值的和的绝对值与其他一相的电流值的绝对值进行比较，

在所述多个相的电流值的和的绝对值大于其他一相的电流值的绝对值时，所述第2判定部件判定所述多个相的电流值的检测结果存在错误。