CN103296939A

CN103296939A - 电动机驱动设备

Info

Publication number: CN103296939A
Application number: CN2013100564531A
Authority: CN
Inventors: 佐藤孝文; 林二郎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: CN103296939B; JP2013183462A; JP5532065B2; US8499885B1; US20130220726A1

Abstract

提供一种电动机驱动设备。功率转换器故障检测装置（53）检测功率转换器（60）的故障。在这种情况下，功率转换器控制装置（52）停止驱动功率转换器（6）。第一开关控制装置（31）关断供电电源开关装置（20）的第一电源继电器（21）并导通其第二电源继电器（22）。在功率转换器（60）停止驱动时，电动机（80）可能由于外力而旋转从而产生再生电压。然后，再生电压通过从功率转换器（60）开始、经由导通的第二电源继电器（22）及第一电源继电器（21）的寄生二极管的线路而在电池（15）中再生。这可以保护诸如功率转换器（60）的开关元件（61至66）和平滑电容器（67）的元件免受再生电压影响，并且防止这些元件由于过电压而损坏或缩短使用寿命。

Description

电动机驱动设备

技术领域

本公开涉及一种驱动电动机的电动机驱动设备以及电动助力转向设备。

背景技术

[专利文献1]JP-2011-045212A（US 2011/0043152A）

传统上，已知一种设置有功率转换器的电动机驱动设备，该功率转换器包括不止一个半导体开关元件。示例电动机驱动设备将来自供电电源的DC功率转换成三相AC功率以驱动三相AC电动机。

根据专利文献1中所公开的电动机驱动设备，将功率转换器与电动机相连接的电力线设置有将功率转换器与电动机断开连接的切断开关。如果功率转换器的半导体开关元件由于短路而出故障，则该设备操作切断开关（即，关断该切断开关）以防止电动机进入中断状态。

通常，电动机作为发电机来工作，并且在外力使旋转轴旋转的情况下产生再生电压。基本上，如果电动机驱动设备的功率转换器被正常驱动，则供电电源和功率转换器相连接。再生电压可以被传递至供电电源。例如，如果在车辆正行驶时轮胎从障碍物碾过，则外力可能经常使电动助力转向设备上的旋转轴旋转。通常，如果在可能经常产生再生电压的情况下使用电动机驱动设备，则控制电动机驱动设备以抑制再生电压。

然而，例如，功率转换器中所包括的半导体开关元件可能短路。在这样的情况下，一些电动机驱动设备关断设置在供电电源与功率转换器之间的开关以停止驱动功率转换器。如果在功率转换器停止时产生再生电压，则这样的电动机驱动设备不能将再生电压传递至供电电源。例如，如果功率转换器出故障且在车辆正行驶时轮胎从障碍物碾过，则电动助力转向设备不能将所产生的再生电压传递至供电电源。电动机驱动设备由于功率转换器停止而不能提供抑制再生电压的控制。

可以存在如下电动机驱动设备，其在点火开关关断时关断设置在供电电源与功率转换器之间的开关。例如，假设在关断点火开关且使用起重机来抬起车辆时操作转向系统以产生再生电压。电动机驱动设备不能将所产生的再生电压传递至供电电源。电动机驱动设备不能提供抑制再生电压的控制。

结果，再生电压可能毁坏功率转换器的半导体开关元件。由于再生电压而导致的过电压可使对来自供电电源的能量进行平滑的平滑电容器的寿命缩短。

如果在功率转换器内部发生短路故障，则根据专利文献1的电动机驱动设备关断功率转换器与电动机之间的切断开关。如果切断开关由于短路而出故障，则电动机驱动设备等同于不具有切断开关。不能保护诸如功率转换器的半导体开关元件和平滑电容器的元件免受再生电压的影响。

发明内容

本公开是鉴于前述而提出的。因此，本公开的目的在于提供一种如下电动机驱动设备和包括该电动机驱动设备的电动助力转向设备，该电动机驱动设备保护功率转换器的半导体开关元件免受电动机由于外力旋转而产生的再生电压的影响。

为了实现以上目的，根据本公开的第一示例，提供了一种电动机驱动设备，其包括电流指令装置、功率转换器、供电电源开关装置、功率转换器故障检测装置、功率转换器控制装置以及第一开关控制装置。电流指令装置发出驱动具有多个相的电动机的电流指令值。功率转换器包括多个半导体开关元件，对从供电电源提供的功率进行转换并将该功率输出至电动机。供电电源开关装置设置在供电电源与功率转换器之间，并且在供电电源与功率转换器之间进行电气连接和断开连接之一。功率转换器故障检测装置检测功率转换器的故障。功率转换器控制装置根据电流指令值来控制功率转换器的驱动，并且在功率转换器故障检测装置检测到功率转换器的故障时，停止驱动功率转换器。第一开关控制装置控制供电电源开关装置，并且使得供电电源开关装置在功率转换器的驱动停止时能够进入再生传导状态，其中该再生传导状态使得能够将再生电流从功率转换器传导到供电电源。

在功率转换器停止驱动时，电动机可能由于外力而旋转从而产生再生电压。在这样的情况下，第一开关控制装置允许供电电源开关装置进入再生传导状态。再生电压可以被传递至供电电源。例如，功率转换器可能出故障且在车辆正行驶时轮胎可能从障碍物碾过。在这样的情况下，电动助力转向设备可以将所产生的再生电压传递至供电电源。

因此，可以保护诸如功率转换器的开关元件和平滑电容器的元件免受再生电压的影响并防止这些元件由于过电压而损坏或者缩短使用寿命。

根据本公开的第二示例，提供了一种电动助力转向设备，其包括根据第一示例的电动机驱动设备、电动机以及动力传递装置。电动机由电动机驱动设备驱动，并且产生辅助驾驶者的转向力的转向辅助转矩。动力传递装置将电动机的旋转传递至转向轴。

附图说明

根据以下参照附图所进行的详细描述，本公开的以上和其他目的、特征以及优点将变得更加明显。在附图中：

图1是示出根据本公开的第一实施例的电动机驱动设备的配置图；

图2是示出使用根据本公开的第一实施例的电动机驱动设备的电动助力转向设备的配置图；

图3是示出根据本公开的第二实施例的电动机驱动设备的配置图；以及

图4是示出根据本公开的第三实施例的电动机驱动设备的配置图。

具体实施方式

将参照附图更详细地描述将根据本公开的电动机驱动设备用于车辆的电动助力转向设备的实施例。

（第一实施例）

将参照图1和图2描述根据本公开的第一实施例的电动机驱动设备。

如图2所示，电动助力转向设备1向转向轴92提供辅助驾驶者的转向转矩的转向辅助转矩。

转向轴92连接至方向盘91并设置有检测转向转矩的转矩传感器94。小齿轮96设置在转向轴92的末端并与齿条轴97啮合。一对车轮98经由例如系杆可旋转地连接至齿条轴97的两端。小齿轮96将转向轴92的旋转运动转换成齿条轴97的直线运动。一对车轮98基于与齿条轴97的直线运动的改变对应的角度而转向。

电动助力转向设备1包括电动机80、减速齿轮89以及电动机驱动设备101。电动机80起到产生转向辅助转矩的转向辅助电动机的作用。减速齿轮89被设置作为动力传递装置或部件89，其对来自电动机80的旋转输出减速并将旋转输出传递至转向轴92。电动机驱动设备101驱动电动机80。根据该实施例的电动机80被设置作为三相AC无刷电动机。

电动机驱动设备101对从被设置作为供电电源的电池15提供的电功率进行转换并驱动电动机80。根据该实施例，从电动机80产生的再生电压再生用于电池15。为此目的，电池15优选具有大电容器容量且在再生操作期间几乎不增大电压。

如图1所示，电动机驱动设备101包括作为主要部件的功率转换器60。功率转换器60对功率进行转换并将其输出至电动机80。供电电源开关装置或部件20设置在功率转换器60与电池15之间。电动机驱动设备101包括作为控制部分的第一开关控制装置或部件31、电流指令装置或部件51、功率转换器控制装置或部件52以及功率转换器故障检测装置或部件53。具体地，控制部分的这些装置或部件被配置为微计算机或预驱动器。

供电电源开关装置20是针对电池15与功率转换器60之间的高电位线Ls而设置的。供电电源开关装置20将电池15与功率转换器60电气连接或断开连接。根据该实施例，供电电源开关装置20包括串联连接的一个第一电源继电器21和一个第二电源继电器22。

第一电源继电器21被设置作为第一开关。第二电源继电器22被设置作为第二开关。第一电源继电器21和第二电源继电器22等同于设置有寄生二极管的半导体开关元件。第一电源继电器21的寄生二极管使得电流从功率转换器60流向电池15。第二电源继电器22的寄生二极管使得电流从电池15流向功率转换器60。

第一开关控制装置31设置在例如微计算机中，并且相互独立地控制第一电源继电器21和第二电源继电器22的开关。第一开关控制装置31还可被称为电源侧开关控制装置或部件。具体地，第一开关控制装置31导通或关断第一电源继电器21和第二电源继电器22这两者。另外，第一开关控制装置31可以关断第一电源继电器21并导通第二电源继电器22。

关于半导体开关元件的开关的以下描述将“关断”、“释放”或“断开连接”的表达用作相同含义且将“导通”、“短路”或“连接”的表达用作相同含义。

如图1所示，电池15以正确的方向连接。即，第一电源继电器21连接至电池15的正电极。在这种情况下，关断第一电源继电器21停止电池15将功率提供至功率转换器60。

假设电池15以与图1所示的方向相反的方向连接，使得第一电源继电器21连接至电池15的接地侧。在这种情况下，即使在仅关断第一电源继电器21时，电流也流过第一电源继电器21的寄生二极管。电池15不能从功率转换器60断开连接。可以通过关断串联连接至第一电源继电器21的第二电源继电器22来禁止从电池15至功率转换器60的供电。

如上所述，供电电源开关装置20通过串联连接具有相反定向的寄生二极管的电源继电器21和22而构成。关断电源继电器21和22这两者可以禁止从电池15至功率转换器60的供电，而与电池15的连接方向无关。

根据该实施例的功率转换器60被设置作为三相逆变器，并且包括桥接的六个半导体开关元件61至66。半导体开关元件61至66被设置作为例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

较高电位的开关元件61、62以及63的漏极连接至电池15的正极侧。开关元件61、62以及63的源极连接至较低电位的开关元件64、65以及66的漏极。开关元件64、65以及66的源极经由线路（未示出）连接至地。开关元件61、62以及63与开关元件64、65以及66之间的连接点分别经由电力线Lu、Lv以及Lw连接至电动机80中所包括的线圈81、82以及83的一端。

开关元件61至66根据从功率转换器控制装置52输出至栅极的开关信号导通或关断，以控制对电动机80的传导。从而，功率转换器60将从电池15提供的DC功率转换成三相AC功率。

功率转换器60设置有与桥接电路并联的平滑电容器67。平滑电容器67储存电荷并对来自电池15的能量进行平滑。

电流指令装置51基于诸如提供至微计算机的转矩信号和旋转角信号的信号，提供驱动电动机80的电流指令值。

功率转换器控制装置52包括预驱动器，并且根据来自电流指令装置51的电流指令值来控制功率转换器60的驱动。

功率转换器故障检测装置53设置在例如微计算机中。功率转换器故障检测装置53检测功率转换器60的故障，或者更具体地，检测开关元件61至66的短路故障。

将描述电动机驱动设备101的操作。

功率转换器故障检测装置53检测功率转换器60的故障，并将故障检测信号传送至功率转换器控制装置52和第一开关控制装置31。然后，功率转换器控制装置52停止驱动功率转换器60。

第一开关控制装置31关断供电电源开关装置20的第一电源继电器21并导通其第二电源继电器22。也就是，启用再生传导状态，以允许再生电流从功率转换器60施加到电池15。

在功率转换器60停止时，电动机80可能由于外力而旋转从而产生再生电压。然后，再生电流从电动机80经由功率转换器60的供电电源处的开关元件的寄生二极管流出。平滑电容器67对再生电压的一部分充电。经由（i）导通的第二电源继电器22和（ii）第一电源继电器21的寄生二极管而在电池15中再生超再生电压。

根据该实施例的电动机驱动设备101可以将从电动机80产生的再生电压传递至电池15。例如，如果功率转换器60出故障并且在车辆正行驶时轮胎从障碍物碾过，则电动助力转向设备1可以将所产生的再生电压传递至电池15。

因此，电动机驱动设备101可以保护诸如功率转换器60的开关元件61至66和平滑电容器67的元件免受再生电压的影响，并且防止这些元件由于过电压而损坏或者缩短使用寿命。

第一开关控制装置31可以独立地控制供电电源开关装置20中所包括的第一电源继电器21和第二电源继电器22。第一开关控制装置31可以关断第一电源继电器21并导通第二电源继电器22。假设独立控制是不可用的。于是，必须同时导通第一电源继电器21和第二电源继电器22，以便导通第二电源继电器22使得再生电流可以被施加至电池15。在这种情况下，由于即使停止驱动功率转换器60电路也闭合，因此，少量电流从电池流出。可以通过关断第一电源继电器21并导通第二电源继电器22来防止该少量电流。

（第二实施例）

将参照图3描述根据本公开的第二实施例的电动机驱动设备。与第一实施例相比，根据第二实施例的电动机驱动设备还包括附加配置。

下文中，在以下实施例和先前实施例中相互对应的部分由相同的附图标记表示，并且为了简明而省略详细描述。

如图3所示，根据第二实施例的电动机驱动设备102包括为对应于每相的电力线Lu、Lv以及Lw设置的电动机继电器71、72以及73。电动机继电器71、72以及73与功率转换器60的开关元件61至66以及供电电源开关装置20的电源继电器21和22类似、等同于设置有寄生二极管的半导体开关元件。电动机继电器71、72以及73的寄生二极管可以传导在从功率转换器60到电动机80的方向上流动的电流。电动机继电器71、72以及73基于来自第二开关控制装置或部件42的开关信号而导通或关断，并且构成相开关装置或部件70。

相开关故障检测装置或部件75检测构成相开关装置70的电动机继电器71、72以及73的短路或断开连接故障。可以使用JP-A-2009-261067中所公开的故障检测方法。

为了检测相开关装置70的短路故障，关断所有电动机继电器71、72以及73。控制功率转换器60的供电电源处的开关元件以向指定相施加基于电源电压的电压。监视除了该指定相外的两个相的端电压。为了检测相开关装置70的断开连接故障，导通所有电动机继电器71、72以及73。控制功率转换器60的供电电源处的开关元件以向指定相施加基于电源电压的电压。监视除了该指定相外的两个相的端电压。

第二开关控制装置42设置在例如微计算机中。第二开关控制装置42对应于每相的电动机继电器71、72以及73而设置，并且控制对应的电动机继电器71、72以及73的操作。第二开关控制装置42还可被称为相开关控制装置或部件。根据该实施例，为三相电动机继电器71、72以及73共同设置第二开关控制装置42。

将描述电动机驱动设备102的操作。

功率转换器故障检测装置53检测功率转换器60的故障。故障检测信号被传送至功率转换器控制装置52、第一开关控制装置31以及第二开关控制装置42。然后，功率转换器控制装置52停止驱动功率转换器60。第一开关控制装置31关断供电电源开关装置20的电源继电器21和22。第二开关控制装置42关断相开关装置70的电动机继电器71、72以及73。

假设正常释放相开关装置70。如果再生电压通过电动机80由于外力旋转而产生，则相开关装置70阻断该再生电压。相开关装置70可以防止再生电压被施加至功率转换器60。

相开关故障检测装置75检测相开关装置70的故障。故障检测信号被传送至功率转换器控制装置52、第一开关控制装置31以及第二开关控制装置42。

如果检测到相开关装置70的断开连接故障，则功率转换器控制装置52停止驱动功率转换器60。第一开关控制装置31关断供电电源开关装置20的电源继电器21和22。第二开关控制装置42关断电动机继电器71、72以及73中的、除了经受断开连接故障的电动机继电器外的任何电动机继电器。也就是，关断包括经受断开连接故障的电动机继电器的所有电动机继电器71、72以及73。

此外，在这种情况下，如果再生电压通过电动机80由于外力旋转而产生，则相开关装置70阻断该再生电压。

如果在相开关装置70中检测到短路故障，则第一开关控制装置31关断供电电源开关装置20的第一电源继电器21并导通其第二电源继电器22以启用再生传导状态。第二开关控制装置42关断属于相开关装置70的电动机继电器71、72以及73且没有短路故障的电动机继电器。

在相开关装置70经受短路故障时，电动机80可能由于外力而旋转从而产生再生电压。然后，再生电流经过与引起相开关装置70的短路故障的相对应的电力线，并且经由功率转换器60的供电电源处的开关元件的寄生二极管流出。平滑电容器67对再生电压的一部分充电。经由（i）导通的第二电源继电器22和（ii）第一电源继电器21的寄生二极管而在电池15中再生超再生电压。

除了第一实施例的效果外，第二实施例还提供了能够阻断各个相的电力线Lu、Lv以及Lw的相开关装置70。阻断相开关装置70可以防止电动机80在功率转换器60的半导体开关元件由于短路而出故障的情况下进入中断状态。

相开关故障检测装置75可以检测相开关装置70的短路或断开连接故障，并且定位出故障的相。

对三相电动机继电器71、72以及73共同设置第二开关控制装置42。这使得能够小型化控制电路并且减少部件的数量以及降低制造成本。

（第三实施例）

将参照图4描述根据第三实施例的电动机驱动设备。根据第三实施例的电动机驱动设备与根据第二实施例的电动机驱动设备不同之处在于第一开关控制装置和第二开关控制装置的部分功能。

如图4所示，根据第三实施例的电动机驱动设备103包括替代第一开关控制装置31和第二开关控制装置42的第一开关控制装置或部件33和第二开关控制装置或部件43。

第一开关控制装置33仅控制供电电源开关装置20中的第一电源继电器21。第二开关控制装置43单独控制供电电源开关装置20中的第二电源继电器22以及共同控制相开关装置70的电动机继电器71、72以及73。也就是说，第二开关控制装置43共同控制第二电源继电器22和电动机继电器71、72以及73。

将描述电动机驱动设备103的操作。

如果功率转换器故障检测装置53检测到功率转换器60的故障并且相开关故障检测装置75检测到相开关装置70的断开连接故障，则电动机驱动设备103类似于第二实施例来进行操作。

相开关故障检测装置75可检测相开关装置70的短路故障。在这种情况下，第一开关控制装置33关断供电电源开关装置20的第一电源继电器21。第二开关控制装置43导通第二电源继电器22、并导通属于相开关装置70的电动机继电器71、72以及73且没有短路故障的电动机继电器。从而，供电电源开关装置20进入再生传导状态。

在相开关装置70经受短路故障时，电动机80可能由于外力而旋转从而产生再生电压。再生电流经过与引起相开关装置70的短路故障的相对应的电力线，并且经由功率转换器60的供电电源处的开关元件的寄生二极管流出。在平滑电容器67中对再生电压的一部分充电。经由导通的第二电源继电器22、以及第一电源继电器21的寄生二极管而在电池15上再生超再生电压。

除了第一和第二实施例的效果外，第三实施例还允许第二开关控制装置43共同控制第二电源继电器22和电动机继电器71、72以及73。这使得能够小型化控制电路并且减少部件的数量以及降低制造成本。

（其他实施例）

（a）根据上述实施例，供电电源开关装置包括各自一个串联连接的第一电源继电器21和第二电源继电器22。将不止一个第一电源继电器21和/或不止一个第二电源继电器22串联连接也是有利的。

供电电源开关装置可仅包括第一电源继电器21。在关断第一电源继电器21时，如果产生再生电流，则该再生电流可以经由寄生二极管从功率转换器流向供电电源。

（b）可以仅将作为相开关装置的电动机继电器71、72以及73添加至第一实施例。可省略相开关故障检测装置75和第二开关控制装置42。例如，如果电动机继电器71、72以及73确保足以几乎不引起故障的高规格，则可以简化配置。

（c）半导体开关元件还可被设置作为除了MOSFET或IGBT（绝缘栅双极晶体管）外的场效应晶体管。

（d）电动机不限于三相而可以使用四相或更多个相。

（e）根据本公开的电动机驱动设备可应用于除了电动助力转向设备的转向辅助电动机外的其他电动机。

尽管已参照本公开的优选实施例描述了本公开，但是要理解，本公开不限于优选实施例和构造。本公开旨在覆盖各种修改和等效布置。另外，尽管各种组合和配置是优选的，但是包括更多元件、更少元件或仅单个元件的其他组合和配置也在本公开的精神和范围内。

Claims

1.一种电动机驱动设备（101、102、103），包括：

电流指令装置（51），发出驱动具有多个相的电动机（80）的电流指令值；

功率转换器（60），包括多个半导体开关元件（61至66），所述功率转换器对从供电电源（15）提供的功率进行转换并将所述功率输出至所述电动机；

供电电源开关装置（20），设置在所述供电电源与所述功率转换器之间，并且在所述供电电源与所述功率转换器之间进行电气连接和断开连接之一；

功率转换器故障检测装置（53），检测所述功率转换器的故障；

功率转换器控制装置（52），根据所述电流指令值来控制所述功率转换器的驱动，并且在所述功率转换器故障检测装置检测到所述功率转换器的故障时，停止驱动所述功率转换器；以及

第一开关控制装置（31、33），控制所述供电电源开关装置以使所述供电电源开关装置在所述功率转换器的驱动停止时进入再生传导状态，所述再生传导状态允许再生电流从所述功率转换器传导到所述供电电源。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动设备，

其中，所述供电电源开关装置包括串联连接的至少一个第一开关（21）和至少一个第二开关（22）；

所述第一开关是附接有在从所述功率转换器到所述供电电源的方向上传导电流的寄生二极管的半导体开关元件，

所述第二开关是附接有在从所述供电电源到所述功率转换器的方向上传导电流的寄生二极管的半导体开关元件。

3.根据权利要求2所述的电动机驱动设备，

其中，所述第一开关控制装置独立地控制所述第一开关和所述第二开关，所述第一开关控制装置在所述功率转换器的驱动停止时关断所述第一开关并导通所述第二开关。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动设备（102、103），包括：

相开关装置（70），针对每相设置在所述功率转换器与所述电动机之间，所述相开关装置针对每相将所述功率转换器与所述电动机电气连接或断开连接。

5.根据权利要求4所述的电动机驱动设备，包括：

相开关故障检测装置（75），检测所述相开关装置的故障。

6.根据权利要求5所述的电动机驱动设备，包括：

第二开关控制装置（42、43），对应于每相的所述相开关装置而设置，并且控制对应的相开关装置。

7.根据权利要求6所述的电动机驱动设备，

其中，所述第二开关控制装置对所有相的所述相开关装置共同设置。

8.根据权利要求3所述的电动机驱动设备（103），包括：

相开关装置（70），针对每相设置在所述功率转换器与所述电动机之间，并且执行针对每相将所述功率转换器与所述电动机电气连接和断开连接的操作之一；

相开关故障检测装置（75），检测所述相开关装置的故障；以及

第二开关控制装置（43），对所有相的所述相开关装置共同设置，并且控制所述相开关装置，

所述第二开关控制装置还通过替代所述第一开关控制装置来控制所述第二开关，所述第二开关是所述第一开关控制装置的控制目标之一。

9.一种电动助力转向设备（1），包括：

根据权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动设备；

电动机（80），由所述电动机驱动设备驱动并且产生辅助驾驶者的转向力的转向辅助转矩；以及

动力传递装置（89），将所述电动机的旋转传递至转向轴。