CN103208954A

CN103208954A - 电机驱动系统

Info

Publication number: CN103208954A
Application number: CN2012105498955A
Authority: CN
Inventors: 山中隆广; 山本敏久
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-07-17
Also published as: DE102013100165A1; JP2013146142A; US20130181639A1

Abstract

公开了一种电机驱动系统。电机驱动设备（40）的第一驱动电路（43）通过转换电池（20）的电力来驱动电机（45）。继电器（41）连接在电池（20）和逆变器（60）之间的高电位线（L1）中。二极管（51）与继电器（41）并联连接。二极管（51）在继电器（41）处于断开状态的情况下，在从逆变器（60）的高电位侧到电池（20）的高电位电极（21）的再生方向（R）上导通电流。因此，当从负载侧施加反向输入转矩时由电机（45）生成的感应电压通过二极管（51）导入电池（20），并且保护形成逆变器（60）的开关元件免受感应电压的影响。

Description

电机驱动系统

技术领域

本发明涉及一种电机驱动系统，其通过转换直流（DC）电源的电力来驱动电机。

背景技术

传统的电机驱动系统包括由多个开关元件形成的驱动电路。例如，驱动电路包括逆变器，其将DC电力转换成三相交流（AC）电力以驱动三相AC电机。JP 2003-81099A公开了一种配置，其中两个断路器继电器设置在连接三相逆变器的输出端子和电机的三个电源线中的两个电源线中。当在开关元件中出现短路故障时，断路器继电器断开逆变器和电机之间的连接。

根据传统的电机驱动系统，当从负载侧向电机的旋转轴施加反向输入转矩时，电机作为发电机来操作并且生成感生电压。在电机驱动电路的电源侧未连接到诸如电池的电源时，感生电压无处泄放。形成逆变器的开关元件接收感生电压并且很可能故障。待使用的开关元件需要具有较高的规格，诸如较高的耐受电压，以承受该感生电压。

根据包括两个断路器继电器的传统系统，通过断开电源线中的两个继电器以由此断开逆变器和电机的电连接，可以保护开关元件免受电机生成的感生电压的影响。然而，该配置需要三个或更多个继电器，除了这两个继电器之外，这包括通常需要的电源侧继电器，并且该配置增加了组成部件的数目。电机驱动系统的物理尺寸变大并且在安装在车辆中时引起更多困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机驱动系统，其用于以简单的配置保护开关元件免受感生电压的影响，该感生电压是在电机从DC电源断开连接的状态下施加反向输入转矩时由电机生成的。

根据一个方面，一种电机驱动系统包括DC电源、电机、第一驱动电路、第一开关装置和单向导通元件。第一驱动电路包括多个开关元件并且连接到DC电源，以通过转换DC电源的电力来驱动电机。第一开关装置设置在DC电源和第一驱动电路之间，以电连接DC电源和第一驱动电路以及断开DC电源和第一驱动电路的电连接。单向导通元件与第一开关装置并联连接，以允许电流在再生方向上从驱动电路的高电位侧经由DC电源流向第一驱动电路的低电位侧，并且中断在与再生方向相反的反向方向上流动的电流。

附图说明

通过下文参照附图进行的描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明显。在附图中：

图1是根据第一实施例的电机驱动系统的示意性电路图；

图2是使用图1中所示的电机驱动系统的电动转向系统的示意性结构图；

图3是图1中所示的电机驱动系统的详细电路图；

图4是根据第二实施例的电机驱动系统的示意性电路图；

图5是根据第三实施例的电机驱动系统的示意性电路图；

图6是根据第四实施例的电机驱动系统的示意性电路图；

图7A和图7B分别是根据第五实施例和第六实施例的电机驱动系统的部分电路图；

图8是根据第七实施例的电机驱动系统的示意性电路图；

图9是根据第八实施例的电机驱动系统的示意性电路图；

图10是根据第九实施例的电机驱动系统的示意性电路图；以及

图11A、图11B、图11C和图11D是根据其他实施例的电机驱动系统的部分电路图。

具体实施方式

将参照实施例描述电机驱动系统，其中电机驱动系统用在车辆的电动转向系统中。

（第一实施例）

图1至图3中示出了根据第一实施例的电机驱动系统。

如图2中所示，为车辆的转向系统提供电动转向系统1，车辆具有方向盘91和转向轴92。动力转向系统1向转向轴92提供转向辅助转矩，使得由驾驶员通过方向盘91施加到转向轴92的转向转矩是带助力的。转向轴92配备有检测转向转矩的转矩传感器94。转向轴92在其轴端处配备有小齿轮（pinion gear）96。小齿轮96与齿条轴97啮合。一对胎轮（tirewheel）98可旋转地耦接到齿条轴97的两端。转向轴92的旋转运动被转换成齿条轴97的直线运动，使得这对胎轮98转向了与齿条轴97的直线移动量对应的角度。

电动转向系统1由转向辅助电机45、减速齿轮89和电机驱动设备40形成。转向辅助电机45生成转向辅助转矩。减速齿轮89通过降低旋转速度将电机45的旋转输出传递到转向轴92。电机驱动设备40被配置成驱动电机45。电机驱动设备40连接到被设置为DC电源的DC电池20。电机45是三相无刷电机。

如图1和图3中所示，电机驱动设备40包括第一驱动电路43、作为第一开关装置的继电器41、以及作为单向导通元件的二极管51。第一驱动电路43由逆变器60和控制电路65形成。逆变器60是三相AC逆变器，其将电池20的DC电力转换成AC电力并且提供AC电力。在逆变器60中，六个开关元件611至616以桥的形式连接。开关元件611至616例如是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。

高电位侧的开关元件611、612和613具有连接到电池20的高电位电极21的漏极。开关元件611、612和613的源极连接到低电位侧的开关元件614、615和616的漏极。开关元件614、615和616的源极通过电流检测元件711、712和713连接到电池20的低电位电极22。开关元件611、612和613以及开关元件614、615和616之间的连接部分别连接到电机45的三相线圈451、452、453的端子。形成电流检测装置70的电流检测元件711、712和713分别检测提供给线圈451、452和453的相电流。

控制电路65包括微计算机67和逆变器驱动电路68。微计算机67基于指示旋转角传感器69检测的电机45的旋转角度、转矩传感器94检测的转向转矩、车辆行驶速度等的输入信号，来执行用于确定电机控制所需要的控制值的控制计算。逆变器驱动电路68连接到开关元件611至616的栅极以在微计算机67的控制下输出开/关切换控制信号。

继电器41设置在连接电池20的高电位电极21和逆变器60的高电位侧的高电位线L1中。继电器41根据对其施加的开/关信号（未示出）电连接电池20和逆变器60或断开电池20和逆变器60的电连接。继电器41是电磁操作开关或者作为开/关装置的任何其他切断装置。当继电器41接通时，向电机45提供电力，使得电机45生成的转向辅助转矩可以施加到转向轴92。就是说，向电动转向系统1提供电力以进行操作。继电器41与点火开关（未示出）对应地接通和断开。

只要车辆在其点火开关断开的情况下处于静止，继电器41就断开。只要车辆正在操作，通常继电器41就会接通。然而，在车辆在行驶时撞到路边石时，继电器41可以临时断开。如果在继电器41断开的情况下通过来自负载侧的外力将反向输入转矩施加到电机45的旋转轴，则电机45作为发电机来操作。例如，当在维修车间中胎轮98左右移动时出现该情形。当由于碰撞冲击使胎轮98左右移动时也出现该情形，这在车辆撞击诸如路边石的一些固定物时适用。

在该情形下，电机45生成的感应电压作为过量电压被施加到逆变器60。这会引起开关元件611至616故障。因此，二极管51并联连接到继电器41。在继电器41断开的条件下，二极管51在从逆变器60的高电位侧到电池20的高电位电极21的方向上导通电流。该电流流动方向被称为再生方向并且在图1中由箭头R指示。

二极管51切断从电池20流向逆变器60的电流，即在与再生方向相反的方向上的电流。如果没有提供二极管51，则在继电器41断开的情况下无处导入感应电流。因此不可避免的是，逆变器60的开关元件611至616经受过量电压。因此，开关元件611至616需要被设定为具有高规格，诸如高耐受电压，使得保护开关元件611至616以免损坏。

然而，即使在继电器41处于断开状态下，感应电压也可以通过与继电器41并联连接的二极管51导入电池20。因此可以防止过量电压施加到逆变器60的开关元件611至616并且避免开关元件611至616故障。就是说，可以保护开关元件611至616免受感应电压的影响。因此不需要将开关元件611至616的规格设定为高于正常要求的规格。

根据上述传统系统，除了需要在任何系统中设置的电源侧继电器之外，需要将至少两个断路器继电器设置在电机侧，以保护开关元件免受感应电压。因此需要三个或更多个继电器。根据第一实施例，仅通过简单地将二极管51并联连接到一个继电器41就能够保护开关元件611至616免受感应电压的影响。因此较之传统系统，可以减小电机驱动设备40的组成部件的数目。结果，可以减小电机驱动设备40的尺寸，并且可以提高其在电动转向系统1等中的安装能力。

（第二、第三和第四实施例）

图4至图6中示出了根据第二实施例至第四实施例的电机驱动系统。这些实施例与第一实施例的不同在于继电器的布置和数目方面。在下面的实施例的描述中，相同的附图标记表示基本上相同的组成部件，从而简化了描述。

根据图4中所示的第二实施例，继电器42作为第一开关装置被设置在电池20的低电位电极22和逆变器60的低电位侧之间的低电位线L2中。二极管52作为单向导通元件与继电器42并联连接。二极管52被设置为在从电池20的低电位电极22到逆变器60的低电位侧的方向上导通电流，就是说，在与第一实施例相同的再生方向上导通电流，并且被设置为切断在与再生方向相反的方向上流动的电流。与第一实施例相似，可以避免由电机45的感应电压引起的开关元件的故障。

根据图5中所示的第三实施例，如第一实施例那样将继电器41和二极管51设置在高电位线L1中，并且如第二实施例那样将继电器42和二极管52设置在低电位线L2中。

根据图6中所示的第四实施例，继电器41和二极管51的两个组串联连接在高电位线L1中。每组中的继电器41和二极管51以与第一实施例相似的方式来设置。

根据第二至第四实施例，由于两个继电器被设置为第一开关装置，因此进一步提高了可靠性。这些继电器对于防止错误操作也是有效的。即使提供了两个继电器，较之需要三个或更多个继电器的上述传统系统，仍可以减少继电器的数目。

（第五和第六实施例）

图7A和图7B中分别示出了根据第五实施例和第六实施例的电机驱动系统。在这些实施例中，进一步向第一实施例至第四实施例的设备添加单向导通元件。

根据图7A中所示的第五实施例，齐纳二极管53与被设置为单向导通元件的二极管51串联连接。仅当感生电压超过齐纳二极管53的阈值电压时，感应电压通过齐纳二极管53和二极管51被导入电池20。齐纳二极管53的阈值电压被设定为将不会引起对开关元件611至616的影响的电压。根据图7B中所示的第六实施例，电阻器54与被设置为单向导通元件的二极管51串联连接。与施加感应电压时流动的电流对应地设定电阻器54的电阻值。可以使齐纳二极管53和电阻器54串联连接至二极管51。

当感生电压通过单向导通元件被导入电池20时流动的再生电流相对于在正常电机驱动操作中从电池20流向电机45的电流相反地流动。当电机45生成感生电压时，在电机45中出现制动转矩以阻碍正常操作。当制动转矩出现时，车辆驾驶员将感觉到方向盘91负载沉重。

因此，根据第五和第六实施例，在不影响开关元件611至616的范围中消除制动转矩或减小制动转矩。根据第五实施例，当感生电压低于预定水平时防止制动转矩。根据第六实施例，在整个电压范围中均匀地减小制动转矩。

这里假设例如车辆在行驶时撞击路边石并且胎轮98在左右方向上摆动。在该情况下，继电器41断开，并且通常通过电机45中的感应电压生成制动转矩。

根据第五或第六实施例，可以防止制动转矩生成或减小。

（第七、第八和第九实施例）

图8至图10中示出了根据第七实施例至第九实施例的电机驱动系统。第七实施例至第九实施例中的电机驱动系统被配置为车载电源系统10，除了用于转向辅助电机45的电机驱动设备40之外，车载电源系统10还包括用于驱动车辆的主电机35的电机驱动设备30。主电机35消耗比转向辅助电机45所消耗的电力更多的电力以驱动车辆。因此，电池20是高电压类型，其被设置成输出主电机35所需的高电压的主电机电池。

如图8至图10中所示，电机驱动系统包括并联连接到电池20的用于驱动转向辅助电机45的第一驱动电路43以及用于驱动主电机35的第二驱动电路33。在图8至图10中，主电机35和转向辅助电机45分别通过字符符号Mm和Ms而彼此区分。

如图8中所示，第二驱动电路33驱动主电机35，主电机35驱动电动车或者混合动力车。与第一驱动电路43相似，第二驱动电路33由诸如逆变器和控制电路的电力转换器形成。例如288V的电池被用作用于向第二驱动电路33提供电力的电池20。第二驱动电路33在位于第一驱动电路43和继电器41之间的节点N2处与第一驱动电路43并联连接。就是说，继电器41共同地向第一驱动电路43和第二驱动电路33两者提供电力或者切断此两者的电力。

在转向辅助电机45的第一驱动电路43连接到排他地设置的电池的情况下，通常使用约14V的电池。只要电池电压大致是该输出水平，即使生成了感应电压，开关元件也不太可能被损坏。在第一驱动电路43共用约288V的电池20的情况下，可以合并安装在车辆中的多个电池。然而，在生成感应电压时施加到开关元件的负载变得过大，并且提高了故障的可能性。因此，第一实施例至第六实施例被配置成使得电机驱动设备40具有与第一开关装置41并联连接的单向导通元件51。因此极为有利的是，感应电压可以导入电池20以避免开关元件故障。

即使如第一实施例至第六实施例那样，仅电机驱动设备40连接到电池20的情况下，由于电池20的电压高于开关元件的耐受电压水平，因此操作和优点仍有效。

根据图9中所示的第八实施例，主电机继电器31和第二驱动电路33的串联电路在位于继电器41和电池20之间的节点N1处并联连接到继电器41和第一驱动电路43的串联电路。主电机继电器31被称为第二开关装置。

在此情况下，继电器41和继电器31彼此无关地导通或切断提供给第一驱动电路43的电力和提供给第二驱动电路33的电力。

当由于第二驱动电路33的短路故障或接地故障导致过量电流流到第二驱动电路33时，主电机继电器31断开，但是继电器41保持接通状态。因此提供给第一驱动电路43的电力继续。结果，即使在主电机35未被驱动的情况下，在使用由转向辅助电机45提供的辅助转矩时通过转动方向盘91也使得驾驶员能够将车辆驱驶到路肩。

根据图10中所示的第九实施例，与第八实施例相反，如第三实施例那样配置电机驱动设备40。就是说，两个继电器41设置在高电位线L1和低电位线L2中。因此进一步提高了可靠性。

（其他实施例）

单向导通元件不限于上述元件（二极管），而且可以是图11A至11D中例示的其他元件。就是说，如图11A中所示，第一开关装置可以由MOSFET 46形成，并且MOSFET 46的寄生二极管56可以用作单向导通元件。替选地，如图11B、图11C和图11D所示，PNP晶体管57、PNP晶体管58和IGBT 59分别与继电器41并联连接。注意，图11A至图11D中的字母符号G、S、D、B、E和C分别表示栅极、源极、漏极、基电极、发射极和集电极。

上文描述的电机驱动系统不限于驱动三相无刷电机的系统。例如，该系统可以包括取代逆变器的DC/DC转换器，并驱动DC有刷电机。电机的应用不限于转向辅助电机，而且可以是很可能响应于从负载侧施加的反向输入转矩而生成感应电压的任何其他电机。

在第七实施例至第九实施例中，车载电源系统被配置成包括并联连接到电池20的用于驱动转向辅助电机45的第一驱动电路43以及用于驱动主电机35的第二驱动电路33。此外，作为制动电机、动力车窗电机、空调机吹风机电机、雨刷电机等的各种辅助电机可以连接到电池20。

Claims

1.一种电机驱动系统，包括：

直流电源（20），其具有高电位电极（21）和低电位电极（22）；

电机（45）；

第一驱动电路（43），其包括多个开关元件（611至616）并且连接到所述直流电源（20），以通过转换所述直流电源（20）的电力来驱动所述电机（45）；

第一开关装置（41、42、46），其设置在所述直流电源和所述第一驱动电路（43）之间，以电连接所述直流电源（20）和所述第一驱动电路（43）以及断开所述直流电源（20）和所述第一驱动电路（43）的电连接；以及

单向导通元件（51、52、56至59），其与所述第一开关装置（41、42、46）并联连接，以允许电流在再生方向上从第一驱动电路（43）的高电位侧经由所述直流电源（20）而流向所述第一驱动电路（43）的低电位侧，并且中断在与所述再生方向相反的反向方向上流动的电流。

2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中：

所述第一开关装置（41、42、46）和所述单向导通元件（51、52、56至59）设置在所述直流电源（20）的高电位电极（21）和所述第一驱动电路（43）的高电位侧之间以及所述直流电源（20）的低电位电极（22）和所述第一驱动电路（43）的低电位侧之间。

3.根据权利要求1或2所述的电机驱动系统，还包括：

齐纳二极管（53），其与同所述第一开关装置（41）具有并联关系的所述单向导通元件（51）串联连接。

4.根据权利要求1或2所述的电机驱动系统，还包括：

电阻器（54），其与同所述第一开关装置（41）具有并联关系的所述单向导通元件（51）串联连接。

5.根据权利要求1或2所述的电机驱动系统，其中：

所述电机（45）是电动转向系统中的转向辅助电机（45）；以及

所述直流电源（20）是电池（20），所述电池（20）输出比驱动所述转向辅助电机（45）正常所需要的电压高的电压。

6.根据权利要求5所述的电机驱动系统，还包括：

主电机（35），其被设置成通过消耗比所述转向辅助电机（45）消耗的电力更多的电力来驱动车辆；

第二驱动电路（33），其相对于所述电池（20）与所述第一驱动电路（43）并联设置。

7.根据权利要求6所述的电机驱动系统，还包括：

第二开关装置（31），其被设置成电连接所述电池（20）和所述第二驱动电路（33）以及断开所述电池（20）和所述第二驱动电路（33）的电连接，

其中所述第二开关装置（31）与同所述第一开关装置（41）具有并联关系的所述第二驱动电路（33）串联连接。