CN103108794B - 用于机电式转向器的电动马达的安全电路 - Google Patents

用于机电式转向器的电动马达的安全电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有四组MOSFET的车辆伺服转向器，其中，第一组（20）和第二组（21）的MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在截止方向上，并且第三组（31）和/或第四组（30）的MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在导通方向上。

Description

用于机电式转向器的电动马达的安全电路
技术领域
本发明涉及一种机电式车辆伺服转向器。
背景技术
机电式转向器通常具有作为伺服马达的永久励磁同步马达。这种结构类型的伺服马达由控制器经由一组MOSFET(金氧半场效晶体管)激励，其中在三个相绕组中总共设有六个MOSFET。每个MOSFET将配设的相绕组接到车载电源或接地电位上。这在高频率下实现，以至于在相绕组中在时间上的平均值作用为有效电压。
永久励磁同步马达具有以下特性：在电气故障时，例如在马达中或在激励机构中短路时，产生制动力矩，以至于这种故障不仅能够造成转向助力机构的失效，而且附加的阻力还反作用于驾驶员的转向运动。这在用于车辆的转向系统中由于安全原因是不可容忍的。
已知的是，为了避免这种状况，将到马达的或在马达的星形接点中相位引线断开。为此，在现有技术中的一部分中提出机电式继电器，然而所述机电式继电器在机械方面对于在车辆中的应用而言是不够坚固的和比较贵的。
从文献EP0857135B1中已知一种用于车辆的电伺服转向器，所述车辆具有经由传动机构与车辆的转向设备连接的电动马达，其中电动马达是具有多个、连接在星形接点上的相绕组的无刷的马达。在此提出，在马达的至少两个相位中设置有开关机构，所述开关机构能够在关闭位置和打开位置之间运动，在所述关闭位置中电流能够在相绕组中流动，而所述打开位置阻止电流在马达的相应的相绕组中流动。开关机构设置在马达的星形接点上，以至于在打开开关机构时，相绕组从星形接点分离。开关机构包括开关或继电器，所述开关或所述继电器串联在马达的相绕组的端部和驱动器电路之间。
具有作为开关机构的半导体的技术解决方案，例如是从文献DE102004023713A1、DE102007024659A1和EP2112051A1中已知的。所述文献示出分别具有用于激励绕组的六个MOSFET和具有多个其他的设置为在驱动器电路和马达绕组之间的或在车载电压的供电导线和驱动器电路之间的安全开关的MOSFET的多个实施例。在电干扰的情况下，所述安全开关应将驱动器电路和绕组之间的电连接断开。此外，绕组没有短路，并且能够不产生制动力矩。
文献WO03/099632A1示出用于在车辆中的电动马达的不同电路，其中在干扰的情况下，制动力矩应被防止或补偿。一方面描述具有上述特征的星形电路，另一方面描述更耗费的全桥电路。
发明内容
因此，本发明的目的是，在电助力的具有以星形电路方式连接的电动马达的车辆转向器中提出一种电路，其中用低的工作电流加载设置为安全开关的MOSFET，并且所述电路在单独的安全开关失效时也将电动马达的相绕组可靠地彼此分离。
所述目的通过根据本发明的机电式车辆伺服转向器实现。
所述目的在机电式车辆伺服转向器中实现，所述机电式车辆伺服转向器具有三相永久励磁电动马达，所述电动马达能够经由电子控制器和来自车辆的直流电压车载电路中的引线来驱动，其中电动马达具有至少三个相绕组，所述相绕组一方面在星形接点中以星形电路的方式彼此连接，并且另一方面分别经由导线与驱动器电路连接，其中驱动器电路将导线中的每一条根据控制器，分别经由第一组的第一MOSFET与正极引线连接并且分别经由第二组的第二MOSFET与负极的(与车辆的负极或接地线连接的)引线连接，并且其中其他的MOSFET设置为安全开关，其中所述目的通过下面的特征实现：
-其他的MOSFET包括在第三组和第四组中的总共六个MOSFET，其中
-第一组的一个MOSFET分别与第三组的一个MOSFET串联在正极引线和到相绕组的导线之一之间，并且
-第二组的一个MOSFET分别与第四组的一个MOSFET串联在负极引线和到相绕组的导线之一之间，以至于在每条引线和每条引向相绕组的导线之间分别设置有两个MOSFET，
-与导线连接的四个MOSFET中的至少一个MOSFET和最多两个MOSFET分别与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在导通方向上，以及
-在MOSFET组之一中的二极管中的至少一个在截止方向上连接。
以这种方式在正极引线和负极引线之间短路时和在手动地操作转向装置时，能够防止感应电流流过，所述感应电流限制或完全阻止手动的操作。
本发明优选应用到具有刚好三个相绕组的电动马达。
有利的实施方案提出，第一组、第二组和第三组MOSFET相对于直流电压车载电路与其寄生二极管设置在截止方向上，并且第四组MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在导通方向上，或者第一组、第二组和第四组MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在截止方向上，并且第三组MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在导通方向上。
在此也能够提出，第一组和第二组的MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在截止方向上，并且第三组和第四组的MOSFET与其寄生二极管相对于直流电压车载电路设置在导通方向上。
附图说明
接下来，借助于附图描述本发明的实施例。附图示出：
图1示出具有用于布置伺服马达的多种方案的机电式伺服转向器的示意图；
图2示出用于激励永久励磁同步马达的电路，永久励磁同步马达具有六个用于控制马达电流的MOSFET和六个实施为MOSFET的安全开关；
图3示出如在图2中示出的电路，然而其具有实现为MOSFET的安全开关的另一布置方式；
图4示出如在图2中示出的电路，然而其具有实现为MOSFET的安全开关的另一布置方式；
图5示出如在图2中示出的电路，然而其具有实现为MOSFET的安全开关的另一布置方式；以及
图6示出如在图2中示出的电路，然而其具有实现为MOSFET的安全开关的另一布置方式。
具体实施方式
在图1中示意性地示出机电式伺服转向器，其中示图应图解不同的实施形式。
转向轴1与方向盘2连接以用于通过驾驶员操作。转向横拉杆3以已知的形式与车辆的转向轮4连接。转向轴1的转动借助于与转向轴1抗扭地连接的小齿轮6造成齿条5的轴向位移。
机电式伺服转向器能够具有转向传动机构侧的马达壳体7、转向小齿轮侧的马达壳体8或转向柱侧的马达壳体9。本发明与转向器的具体结构类型无关。马达壳体7、8或9与控制器10连接，另外，所述控制器从转矩传感器11经由信号导线12得到转矩信号，并且相应的控制信号经由信号导线13、13’或13”发送到设置在壳体7、8或9之一中的伺服驱动器。控制器10自身得到例如是车辆速度的输入信号以及经由供电导线14得到工作所需的车辆车载电压。
在壳体7、8或9中设有伺服马达18，所述伺服马达最终依据传感器11的输入信号或其他从车辆发出的输入信号来激励。这种构造从现有技术中已知。
在本发明中，伺服马达18是永久励磁同步马达。关系到伺服马达18的相绕组的激励，控制器10构造为反相器。所述电路在随后的图2中详细示出。在本发明的范围内，不仅用于降低在转向时由驾驶员施加的转矩的转矩叠加，而且还有用于将附加转向角叠加到由驾驶员施加到方向盘2中的转向角的转向角叠加能够理解为伺服助力。
图2示出控制器10的功率部件的原理电路。供电导线14+是供电导线14的正极，供电导线14-与供电导线14的负极或与车辆的车载电子系统的接地端子连接，所述供电导线14-常规地借助于直流电压以负极接地的方式工作。第一组20包括三个MOSFET20u、20v和20w，以用于为三个相绕组u、v和w加载车载电压。由总共三个其他的MOSFET21u、21v和21w组成的第二组21设置为用于用接地电位加载相绕组u、v和w。两个组20和21为此总共接入三条导线22、23和24。相绕组u、v和w在星形接点25上以星形电路的方式彼此连接。
具有三个MOSFET30u、30v和30w的第三组30与第一组20串联。在此，将各个MOSFET30u、30v和30w定向为，使得其寄生二极管或本征二极管指向与第一组MOSFET20u、20v和20w的寄生二极管或本征二极管相同的方向。
具有三个MOSFET31u、31v和31w的第四组31与第二组21串联。在此，将各个MOSFET定向为，使得其寄生二极管指向与第二组MOSFET21u、21v和21w的寄生二极管相反的方向。
最终，在两个供电导线14+和14-之间还设有平滑电容器32，所述平滑电容器抑制来自电动马达和其上游设置的MOSFET中的高频的反作用。
第四组MOSFET经由在图2中未示出的控制器和控制导线13激励。为此，各个MOSFET的控制电极(gate(门))用需要的控制信号加载。
具体地说，第三组30的和第四组31的MOSFET设置为安全开关。这意味着在工作时，只要转向装置是有效的，并且没有出现干扰，组30和31的各个MOSFET就持续导通地连接。
第一组20和第二组21的MOSFET设置为驱动器。组20和21的这些驱动器MOSFET通常这样连接，使得其本征二极管或寄生二极管相对于车载电压在截止方向上连接。根据控制信号，所述驱动器MOSFET将各个相绕组u、v和w或者与正电位或者与接地电位连接。这在高频下实现，以至于在各个绕组u、v和w中，在时间上的平均值有效地作为用于产生助力力矩的工作电压。
如开始时所描述地，在控制器或在马达中的电干扰自身能够造成相绕组短路，并且在由驾驶员在没有伺服助力的情况下执行转向运动的情况下，制动力矩通过在绕组中产生的感应电流反作用于转向运动。这应被排除。
例如在控制器10中或在引线14中出现短路时，可能会出现干扰。例如，平滑电容器32能够产生短路，以至于两条导线14+和14-能导电地互相连接。在此情况下，在电动马达18通过转向柱的外部转矩迫使形成转动时，在绕组u、v和w中产生感应电压。只要四个组20、21、30或31的MOSFET是导通的，那么感应电流就能够流过并且阻止电动马达18的转动。在此情况下，第三组30的和第四组31的设置为安全开关的MOSFET关断。所述MOSFET变成不导通的，以至于绕组u、v和w不再短路。在此不产生可以使马达18制动的感应电流。
在此重要的是，第四组31的MOSFET与其寄生二极管反向于第二组21的MOSFET定向。也就是说当外部接入的电压高到足以用于使二极管在导通方向上能导电时，MOSFET在断开的状态下也在朝寄生二极管的方向上导电。例如在具有两个绕组u和v的情况下，当平滑电容器32短路时，这意味着，感应电流从绕组u经由导线22穿过MOSFET20u和MOSFET30u流到导电的平滑电容器32。然后，电流能够从那再流到MOSFET21v。因为MOSFET31v经由导线23连到绕组v，反向定向，寄生二极管在此在截止方向上连接。线路在此中断。没有感应电流流过。如果MOSFET31v在与MOSFET21v相同的方向上连接，那么在此电流也能够流经寄生二极管，并且在绕组u和v中产生的感应电流能够产生制动力矩。这可能刚好是下述情况，在绕组u和v中的感应的电压比MOSFET的寄生二极管所需要的用于在导通方向上导通的电压的总和更高。
在MOSFET的寄生二极管分别具有带隙或0.6伏的硅二极管的扩散电压的实施例中，在干扰情况下，从现有技术中已知的、所有MOSFET设置为同向的电路在感应电压为4x0.6伏＝2.4伏以上时是导通的。此外在超出所述电压时，电动马达18通过接入的感应电流突然制动。在根据本发明的根据图2的电路中，由于第四组31的MOSFET反向连接，不产生这种效应，因为第四组31的寄生二极管在截止方向上反向于其他组的其余MOSFET连接。
图3示出根据本发明的另一实施例，其中为了更好的概览性，不标出图2中的各个MOSFET的附图标记。此外，相同的或相同作用的器件具有相同的附图标记。
在所述实施例中，此外与图2中的第四组30的功能和布置方式相应的第四组30’的MOSFET与第一组20的MOSFET反方向地连接。以这种方式，如在下面两组21和31中造成，两个串联的MOSFET分别与反向定向的寄生二极管连接。因此，在低感应电压下的电流也已经在此在电路的该部分内中断。
在相应于图4的电路中，得到发明性的效果。在图4中图解的电路基本上符合图3的电路。然而，MOSFET的寄生二极管的方向是与在根据图3的电路刚好相反的。由于是串联电路，对于本发明而言不重要的是，与引线14+、14-电连接的寄生二极管或与相绕组22、23、24电连接的寄生二极管在截止方向上还是在导通方向上连接。重要的是，在这些组MOSFET20、30、21、31之一中的二极管中的至少一个在截止方向上连接，并且在这些组MOSFET20、30、21、31之一中的二极管中的至少一个在导通方向上连接。在此，在图3和4中示出本发明的有利构造形式，其中不仅在与正极引线14+连接的分支中，而且在与负极引线14-连接的分支中，寄生二极管之一相应地在截止方向上连接，且寄生二极管之一相应地在导通方向上连接。
在本发明的一个替选的实施形式中，也可设想的和可行的是，在这些组MOSFET20、30、21、31中具有不同地定向的寄生二极管。这示例地在图5中示出。对于本发明的描述决定性的仅是，如上述地，在正极引线14+和负极引线14-之间的相应的相绕组的线路中，在这些组MOSFET20、30、21、31之一中的二极管中的至少一个在截止方向上连接，并且在这些组MOSFET20、30、21、31之一中的二极管中的至少一个在导通方向上连接。
对与图2相符的示例进行阐述，第一和第二组的MOSFET20、21对相绕组进行激励，并且第三和第四组的MOSFET30、31对相绕组进行安全关断。相同的分配也为图3、4和5设置。然而，可设想的和可能的并且包括在本发明中的是，相绕组的激励经由第三和第四组的MOSFET30、31进行，并且相绕组的安全关断由第一和第二组的MOSFET20、21实现。甚至，对于在正极引线14+和相绕组的导线22、23、24中的一个之间的，以及在负极引线14-和相绕组的导线22、23、24中的一个之间的每条线路，可以使用用于激励的任意MOSFET和用作安全开关的其他MOSFET。然而，在此要注意的是，至少一个任意MOSFET分别与其寄生二极管在相绕组的相应的导线22、23、24和正极引线14+之间的线路中，或在负极引线14-和相绕组的相应的导线22、23、24之间的线路中在截止方向上连接，并且至少一个任意MOSFET与寄生二极管在导通方向上连接。因此，二极管的定向在MOSFET的相应的组20、21、30、31中不必是相同的。在图6中示出电路的这种构造。在此，如通过围绕MOSFET的虚线外框借助于标记20、21、30、31所图解地，用于每个相位的这些组MOSFE20、21、30、31特别地设置在线路中。
原则上，借助于类似的电路也能够激励具有其他数量的相绕组的马达。此外，在相应的MOSFET组中的MOSFET的数量等于电动马达的相绕组的数量。那么，换言之，为每个相绕组，在正极引线14+和相绕组的导线之间设置两个MOSFET，并且在负极引线14-和相绕组的导线之间设置两个MOSFET。本发明也能够应用于这些马达。
概括地，相对于现有技术可以看出的优点是，相对于其中作为安全开关工作的MOSFET将驱动器和相绕组之间的或在相绕组和星形接点之间的连接断开的电路，组30和31的安全开关仅用一半的电流加载，以至于在此能够使用成本低的构件。各个安全开关上产生的热量比在现有技术中更小。相对于实现为全桥电路的电路，减少了使用的MOSFET的数量。相对于类似的、同样用十二个MOSFET工作的、然而各个MOSFET以相同的方向连接的电路，例如在所描述的平滑电容器32短路的情况下，通过组31的反向连接的MOSFET以及必要时还通过组30’明显地提高了工作安全性。

Claims (4)

1.机电式车辆伺服转向器，具有三相的、永久励磁的电动马达(18)，所述电动马达能够经由电子控制器(10)和来自车辆的直流电压车载电路的引线(14+，14-)来驱动，其中所述电动马达(18)具有至少三个相绕组(u，v，w)，所述相绕组一方面在星形接点(25)中以星形电路的方式彼此连接，并且另一方面经由三个导线(22，23和24)与驱动器电路连接，其中所述驱动器电路根据控制器将所述三个导线(22，23和24)分别经由第一组(20)的三个MOSFET(20u，20v，20w)与正极引线(14+)连接，并且分别经由第二组(21)的三个MOSFET(21u，21v，21w)与负极引线(14-)连接，并且其中其他MOSFET(30u，30v，30w；31u，31v，31w)设置为安全开关，
其特征在于，
-所述其他MOSFET(30u，30v，30w；31u，31v，31w)总共包括在第三组(30)的三个MOSFET(30u，30v，30w)和第四组(31)中的三个MOSFET(31u，31v，31w)，其中
-所述第一组(20)的三个MOSFET(20u，20v，20w)分别与所述第三组(30)的三个MOSFET(30u，30v，30w)对应串联在所述正极引线(14+)和到所述相绕组(u，v，w)的所述三个导线(22，23，24)中的一个之间，以及
-所述第二组(21)的三个MOSFET(21u，21v，21w)分别与所述第四组(31)的三个MOSFET(31u，31v，31w)对应串联在所述负极引线(14-)和到所述相绕组(u，v，w)的所述三个导线(22，23，24)之一之间，以至于在每条引线(14+，14-)和每条引向所述相绕组(u，v，w)的导线(22，23，24)之间分别设置有两个MOSFET，并且
-四个与导线(22，23，24)连接的MOSFET中的至少一个MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在导通方向上，并且其中
-在这些组MOSFET(20，30，21，31)之一中的所述二极管中的至少一个在截止方向上连接。
2.根据权利要求1所述的车辆伺服转向器，其特征在于，所述第一组(20)的、所述第二组(21)的和所述第三组(30)的MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在截止方向上，并且所述第四组(31)的MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在导通方向上。
3.根据权利要求1所述的车辆伺服转向器，其特征在于，所述第一组(20)的、所述第二组(21)的和所述第四组(31)的MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在截止方向上，并且所述第三组(30)的MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在导通方向上。
4.根据权利要求1所述的车辆伺服转向器，其特征在于，所述第一组(20)的和所述第二组(21)的MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在截止方向上，并且所述第三组(30)的和所述第四组(31)的MOSFET与其寄生二极管相对于所述直流电压车载电路设置在导通方向上。
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