CN103378799A - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动机驱动装置(101，102)，其包括反EMF检测元件(71，72，73)和保护控制电路(601，602)。当所述反EMF检测元件(71，72，73)所检测的电压超过齐纳二极管(64)的阈值电压(Vt)时，电压信号通过检测信号线(61，62，63)被施加到感测栅极(541，551，561)，以使低侧臂的开关元件(54，55，56)反复地接通。由施加到驱动电路(50)的反EMF所引起的电流通过处于接通状态的低侧臂的开关元件流向地面。因此，制动转矩被施加到通过外力被驱动为转动的电动机(80)，从而反EMF被降低。因此驱动电路(50)中的开关元件被保护而不受到过量电压的影响。

Description

电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种例如包含在电动转向系统中的用于驱动电动机的电动机驱动装置。

背景技术

常规的电动机驱动装置包括驱动电路，该驱动电路包括多个开关元件。例如，驱动电路包括将直流电转换为三相交流电以驱动三相交流电动机的逆变电路。

在对车辆的电动转向系统中的转向辅助电动机进行驱动的电动机驱动装置的示例中，在汽车修理厂或者汽车经销商内车辆常常被顶起并且方向盘在车辆的点火处于熄火状态下来转动。在这种情况下，电动机作为发电机而工作并且产生反电动势(counter-electromotive force，反EMF)。当点火开关被断开时，在电动机驱动装置中断向驱动电路的直流电源供应的情况下，不可能朝向直流电源再生成感应的反EMF。因此，反EMF被施加到驱动电路并且可能引起由过量电压而导致的开关元件击穿以及错误操作。

JP-A-2010-254128(US2010/0270958A1)公开了一种结构，其中电动机继电器被设置在驱动电路和电动机之间的每个相中。电动机继电器在熄火状态下断开，从而使驱动电路和电动机之间的电连接中断。因此，即使当方向盘在熄火状态下被转动并且反EMF在电动机中被产生时，反EMF不会施加到驱动电路。因此驱动电路的开关元件被保护而不受反EMF的过量电压的影响。

根据如上所述的结构，需要在驱动电路和电动机之间设置与电动机的相的数量对应的多个电动机继电器，每个电动机继电器可以是开关元件或者机械继电器。这种电动机继电器就装置的大小、电路元件的数量和成本来说不是所期望的。在电动机继电器由于故障被短路的情况下，所产生的结构与未设置电动机继电器的情况相同。驱动电路的开关元件不能被保护而不受反EMF的影响。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种电动机驱动装置，该电动机驱动装置保护驱动电路的开关元件不受到在熄火状态下通过外力转动的电动机中所产生的反电动势的影响，即，驱动电路不连接到直流电源。

根据一个方面，为具有多个相的电动机而设置电动机驱动装置。电动机驱动装置包括驱动电路、电源开/关控制电路、驱动控制电路、反EMF检测电路以及保护控制电路。

驱动电路包括形成桥式电路的高侧臂和低侧臂的多个开关元件并且通过转换直流电源的电力来驱动电动机。

电源开/关电路使直流电源和驱动电路之间的电连接导通和中断。

当驱动电路驱动电动机时，驱动控制电路控制多个开关元件来接通和断开，并且当电连接被电源开/关电路中断时，使多个开关元件断开。

反EMF检测电路检测关于每个相反的EMF是否被产生。

在电源开/关电路中断电连接的状态下当反EMF检测电路在任何一个相中检测到反EMF时，保护控制电路使至少形成预定相的低侧臂的开关元件接通，该预定相对应于反EMF被检测到的相。

附图说明

根据参考附图做出的详细说明，上述和其它的目的、特征和优点将变得更明显。在附图中：

图1是根据第一实施例的电动机驱动装置的电路图；

图2是包含有根据第一实施例的电动机驱动装置的电动转向系统的示意图；

图3是通过根据第一实施例的电动机驱动装置执行的驱动电路保护处理的顺序图；

图4是根据第二实施例的电动机驱动装置的电路图；

图5是通过根据第二实施例的电动机驱动装置执行的驱动电路保护处理的顺序图；以及

图6是当产生反电动势时在比较例中出现的事件的顺序图。

具体实施方式

将参考实施例说明电动机驱动装置，该电动机驱动装置被包含在车辆的电动转向系统内。

(第一实施例)

参考示出了第一实施例的图1至图3，尤其是图2，电动转向系统1被配置为将转向辅助扭矩提供给车辆的转向轴92，以辅助驾驶员的转向扭矩。扭矩传感器9附接于耦接到方向盘91的转向轴92，以检测转向扭矩。小齿轮96附接于转向轴92的顶部并且与齿条轴97啮合。一对车轮98通过横拉杆等以可旋转的方式连接到齿条轴97的两端。小齿轮96将转向轴92的转动变换成齿条轴97的线性运动，使得这对车轮98以与齿条轴97的直线运动量对应的角度被转向。

电动转向系统1包括转向辅助电动机80、减速齿轮95和电动机驱动装置101。电动机80产生转向辅助扭矩。减速齿轮95是动力传递装置，该传递装置在电动机的转速降低后将电动机80的旋转输出传送给转向轴92。电动机驱动装置101驱动电动机80。电动机80是三相交流无刷电动机。

如图1所示，电动机驱动装置101包括点火开关30、驱动控制电路40、驱动电路50以及保护控制电路601。电动机驱动装置101通过转换从设置为直流电源的直流电池20供给的电力来驱动电动机80。点火开关30设置为电源开/关电路，以控制电池20和驱动电路50之间的电连接。例如，该点火开关30在为了停放车辆而被断开时，使电源中断。当点火开关30处于接通状态时，驱动控制电路40通过控制驱动电路50的开关元件51-56的通/断状态来驱动逆变电路。

驱动电路50包括总共8个开关元件51-58。6个开关元件51-56形成了三相逆变电路的高侧臂和低侧臂。2个开关元件57和58形成了电源继电器。开关元件51-58是例如MOSFET（metal-oxide-semiconductorfield-effect transistors），即金属氧化物半导体场效应晶体管。

用于电源继电器的开关元件57和58在各自的寄生二极管反方向地布置的情形下而串联连接在电池20和逆变电路之间的电源线Ls中。在高侧臂和低侧臂的开关元件51-56的任何一个发生故障而用于驱动电动机80的逆变电路仍在工作的情况下，用于电源继电器的开关元件57和58通过来自驱动控制电路40的控制信号而被断开，以中断从电池20到逆变电路的电力供给。开关元件57和58在各自的寄生二极管反方向地布置的情形下来彼此连接。因此，在电池20由于失误而反向连接的状态下，当开关元件57和58两者都断开时，没有电流流过寄生二极管。

高侧臂的每个开关元件51、52和53在它的漏极处连接到电源线Ls。高侧臂的开关元件51、52和53的源极连接到与对应高侧臂相连的低侧臂的开关元件的54、55和56的漏极。低侧臂的开关元件54、55和56的源极接地。高侧臂的开关元件51、52和53和低侧臂的开关元件54、55和56之间的结点分别通过电动机电力线Lu、Lv以及Lw连接到电动机80的线圈81、82和83的末端。检测由线圈81、82和83产生的反EMF的反电动势(反EMF)检测电路71、72和73分别设置在电动机电力线Lu、Lv和Lw中。

开关元件51-56通过从驱动控制电路40施加到它们的栅极的开关信号来被接通和断开，使得向电动机80的电力供应被变换。因此，逆变电路通过将电池20的直流电转换为三相交流电来驱动电动机80。当点火开关30被断开时，驱动控制电路40使所有开关元件51-56断开。低侧臂的开关元件54、55和56的栅极分别特定地表示为感测栅极541、551和561。

对于每个相，保护控制电路601包括检测信号线61、62和63、作为阈值电压设定装置的齐纳二极管64、作为连接开关的接地开关66以及电阻器67。检测信号线61、62和63将对应的感测栅极541、551、561与每个相的对应反EMF检测元件71、72和73相连。齐纳二极管64设置在每个检测信号线61、62和63中。齐纳二极管64的正极和负极连接到栅极541、551和561和反EMF检测元件71、72和73。

接地开关66分别通过电阻器67连接在栅极541、551、561和地面之间。接地开关66以与点火开关30关联的方式被接通和断开。当点火开关30处于图1示出的熄火状态时，接地开关66通过驱动控制电路40进一步被接通至电流导通状态以及被断开至电流中断状态。

具体地，当逆变电路在点火开关30被接通的情形下正常地工作时，接地开关66处于电流中断状态并且不影响逆变电路的正常驱动操作。然而，当点火开关30被断开时，接地开关66被接通到电流导通状态并且电动机驱动装置101如下述进行操作。

例如，在点火开关被断开以便在行驶后停放车辆时，保护控制电路601首先工作。当反EMF检测元件71、72和73侧的电压低于齐纳二极管64的预定阈值电压Vt时，没有电流从反EMF检测元件71、72和73侧流到栅极541、551和561侧。然而，当在电动机80中产生反EMF并且反EMF检测元件71、72和73侧的电压超过齐纳二极管64的阈值电压Vt时，电流经过检测信号线61、62和63流到栅极541、551和561侧。

因此，电压信号被施加到栅极541、551和561并且低侧臂的开关元件54、55和56接通。此外，电流通过处于接通状态的接地开关66流向地面。因此,可以保护栅极541、551和561不受到高于阈值电压Vt的过量电压。即，电阻器67的电阻被确定为:使得适当数值的电压信号可以被施加到栅极541、551、561。

电动机驱动装置101相对于比较例提供以下操作和优点。

比较例被配置为没有在图1示出的第一实施例的结构中的保护控制电路601。与第一实施例相同的部件通过相同的附图标记表示。在比较例中，假定电动机通过外力来转动并且在电动机驱动装置不工作的状态下作为发电机而工作。这个假设对应于以下情况：在汽车修理厂或者汽车经销商内，车辆被顶起并且方向盘在点火装置处于熄火状态下被转动。

图6以顺序图的形式示出了出现在上述比较例中的事件典型顺序。图6的顺序图不包括电动机驱动装置101尤其是保护控制电路601执行的控制处理。图6中的附图标记S表示事件的阶段。在图6中的S11，点火开关30被假设为断开。然后在S13，电动机80被外力转动，在S14，反EMF被产生，并且在S18，反EMF被施加到驱动电路50的开关元件。因为在比较例中没有提供保护功能来防止反EMF，在逆变电路侧等的电源继电器的开关元件58例如可能错误地工作并且被毁坏。

根据第一实施例的电动机驱动装置101通过上述结构执行图3中示出的驱动电路保护处理。在图3中，在S11之后，接地开关66被接通(导通)。S13和S14与图6中示出的比较例中的S13和S14相同。在S14，当反EMF通过反EMF检测元件71、72和73中的任何一个被检测并且超过阈值电压Vt时，电压信号被施加到相的栅极541、551和561，其中反EMF高于阈值电压Vt从而使齐纳二极管64击穿。在S15A，反EMF较高的相的低侧臂的开关元件被接通。经由S15A，电流通过在低侧臂的开关元件54、55、56中的已接通开关元件而流向地面。由于这个电流，反EMF降低并且驱动电路50的开关元件51-58被保护不受到过量电压影响(S16A)。

当反EMF降到阈值电压Vt以下时，低侧臂的已接通开关元件被断开(S17)。如果反EMF继续较高或者再次升高(S14)，从而超过阈值电压Vt，则低侧臂的开关元件再次被接通(S15A)。因此，包括S15A和S17的驱动电路保护处理被重复。

(第二实施例)

根据第二实施例的电动机驱动装置被配置为如图4和图5所示。根据第二实施例的电动机驱动装置102与在保护控制电路单元的结构方面与第一实施例不同。在实施例的以下描述中，与先前的实施例相同的结构通过相同的附图标记来标明，以使描述简单化。

如图4所示，保护控制电路602包括在每个相的信号检测线51、52和53和齐纳二极管64的正极侧之间的信号分配电路65。当在任何一个相中通过反EMF检测元件71、72和73检测的反EMF超过阈值电压Vt时，电压信号通过信号分配电路65被施加到所有相的栅极541、551和561。

此外，如图5的顺序图所示，电动机驱动装置102执行其驱动电路保护处理中的S15B和S16B而非第一实施例的S15A和S16A。即，在S15B和S16B，即使在多个相中的仅部分相的反EMF较高的情况下，所有相的低侧臂的开关元件541、551和561都被接通。根据第二实施例，与第一实施例类似，驱动电路50中的开关元件51-58可以通过降低反EMF而被保护不受到过量电压影响。

(其它实施例)

(A)逆变电路的桥式电路不限于三相逆变电路，而可以是包括四个开关元件的半桥式电路。半桥式电路被包括在例如用于电刷式电动机的驱动装置中。逆变电路可以具有四个或更多个相。

(B)阈值电压设定电路不限于齐纳二极管，而是可以以不同的结构来设置。

(C)半导体开关元件可以是除了MOSFET之外的具有寄生二极管的任何元件。

(D)如上所述的电动机驱动装置不限于应用到电动转向系统的转向辅助电动机，而且可以被应用于其它电动机。

电动机驱动装置还可以以其它变型实施例来实现。

Claims (4)

1.一种用于具有多个相的电动机(80)的电动机驱动装置(101，102)，所述电动机驱动装置(101，102)包括：

驱动电路(50)，所述驱动电路包括形成桥式电路的高侧臂和低侧臂的多个开关元件(51-56)并且通过转换直流电源(20)的电力来驱动所述电动机(80)；

电源开/关电路(30)，所述电源开/关电路使所述直流电源和所述驱动电路之间的电连接导通和中断。

驱动控制电路(40)，当所述驱动电路驱动电动机时，所述驱动控制电路控制所述多个开关元件来接通和断开，并且当所述电连接被所述电源开/关电路中断时断开所述多个开关元件。

反电动势检测电路(71，72，73)，所述反电动势检测电路检测关于每个相的反电动势是否被产生；以及

保护控制电路(601，602)，在所述电源开/关电路中断所述电连接的状态下当所述反电动势检测电路检测在任何一个所述相中的反电动势时，所述保护控制电路(601，602)使至少形成预定相的低侧臂的开关元件接通，所述预定相对应于所述反电动势被检测到的相。

2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其中：

在所述电源开/关电路中断所述电连接的状态下，当所述反电动势检测电路检测到在任何一个所述相中的反电动势过量时，所述保护控制电路(602)使形成所述低侧臂的全部开关元件接通。

3.如权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其中：

所述保护控制电路(601，602)包括：检测信号线(61，62，63)，所述检测信号线将形成所述驱动电路的低侧臂的开关元件的感测栅极(541，551，561)与所述反电动势检测电路相连；阈值电压设定电路(64)，所述阈值电压设定电路设定由所述反电动势检测电路检测的反电动势的预定阈值电压；以及连接开关(66)，当所述电连接被所述电源开/关电路中断时，所述连接开关通过电阻器(67)将所述感测栅极和地面电连接；并且

在所述电源开/关电路中断所述电连接的状态下，当所述反电动势检测电路在任何一个所述相中检测到所述反电动势超过预定阈值电压时，所述保护控制电路(602)使通过所述检测信号线而施加有电压信号的感测栅极的开关元件被接通。

4.一种电动转向系统(1)，包括：

如权利要求1-3的任一项所述的电动机驱动装置(101，102)；

转向辅助电动机(80)，所述转向辅助电动机产生用于辅助驾驶员的转向力的转向辅助扭矩；以及

动力传递装置(95)，所述动力传递装置将所述转向辅助电动机的转动传递到转向轴。

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