CN103580583A - 旋转电机控制设备和使用它的电动助力转向设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转电机控制设备和使用它的电动助力转向设备。在所述旋转电机控制设备中，逆变器电路（20）通过FET（21至26）的接通/关断操作来变换向发动机（2）供应的电力。微控制器（40）通过控制FET（21至26）的接通/关断操作来控制发动机（2）的驱动。微型计算机（40）作为电路方向确定部分。当每一个相的两个FET处于关断状态时，微型计算机（40）检测作为在每一个二极管（31至33）的两端之间的电势差的第一电势差和作为在每一个二极管（34，35，36）的两端之间的电势差的第二电势差。微型计算机（40）可以基于所检测的第一电势差和所检测的第二电势差来进一步确定在发动机（2）中流动的电流的方向。

Description

旋转电机控制设备和使用它的电动助力转向设备

技术领域

本发明涉及旋转电机控制设备和使用该旋转电机控制设备的电动助力转向设备。

背景技术

传统的旋转电机控制设备通过利用诸如电流传感器等电子部件检测向旋转电机的线圈流动的相电流，来控制旋转电机的驱动。在例如JP-A-2005-210871中公开的旋转电机控制设备中，与逆变器电路的每一个相（phase）对应的一对开关元件连接有分流电阻器，由此检测每一个相的相电流。

因为旋转电机包括电感部件，所以在被提供用于驱动旋转电机的命令电流和实际上在旋转电机的每一个线圈中流动的实际电流之间产生相位差。如果这个相位差产生，则有可能旋转电机不能输出所命令的转矩。根据传统的旋转电机控制设备，通过反馈控制来控制旋转电机产生的转矩。在反馈控制中，通过检测相电流（即，在旋转电机控制设备中流动的实际电流）来计算在命令电流和实际电流之间的相位差，并且通过相位补偿控制等来校正相位差。该旋转电机控制设备需要诸如多个分流电阻器等电子部件来检测在旋转电机控制设备中流动的实际电流。结果，旋转电机控制设备变得配置复杂和大型，并且制造成本大。

在另一种传统旋转电机控制设备中，检测通过形成逆变器电路的开关元件或与所述开关元件并联连接的整流元件所产生的电压。基于在检测时间开关元件的温度和所述元件的电压电流特性来检测向每一个相的线圈流动的实际电流。然而，该旋转电机控制设备需要用于检测元件温度的诸如热敏电阻等温度检测元件。它还需要存储器装置，诸如ROM，用于存储不同温度的电压电流特性。结果，所述旋转电机控制设备不容易有小的尺寸。

发明内容

目的是提供一种旋转电机控制设备，所述旋转电机控制设备以简单配置确定在旋转电机的每一个相的线圈中流动的电流的方向。

根据一个方面，提供了一种旋转电机控制设备，用于控制旋转电机的驱动，所述旋转电机具有由对应于多个相的线圈形成的线圈组。所述旋转电机控制设备包括电力变换器和控制单元。

所述电力变换器包括多个开关元件、第一整流元件和第二整流元件。所述多个开关元件通过分别设置在电源的高电势侧和低电势侧的第一开关元件和第二开关元件来形成对应于所述线圈的每一个相的开关元件对。与第一开关元件并联地设置第一整流元件。与第二开关元件并联地设置第二整流元件。电力变换器通过第一开关元件和第二开关元件的接通/关断操作来变换从电源向旋转电机供应的电力。

所述控制单元控制第一开关元件和第二开关元件的接通/关断操作，由此控制旋转电机的驱动。

所述控制单元包括电流方向确定部分，所述电流方向确定部分当第一开关元件和第二开关元件都处于关断状态时检测在第一整流元件的两端之间的第一电势差和在第二整流元件的两端之间的第二电势差，并且基于所述第一电势差和所述第二电势差来确定在所述线圈的每一个相中流动的电流的方向。

附图说明

通过下面参考附图进行的详细描述，上面和其他目的、特征和优点将变得更清楚。在附图中：

图1是根据一个实施例的旋转电机控制设备的电路图；

图2是使用第一实施例的旋转电机控制设备的电动助力转向设备的示意图；

图3是示出在电流从逆变器向发动机流动的情况下分别由第一开关元件和第二开关元件的接通/关断操作引起的第一电势差和第二电势差的改变的时序图；

图4是示出在电流从发动机向逆变器流动的情况下分别由第一开关元件和第二开关元件的接通/关断操作引起的第一电势差和第二电势差的改变的时序图；以及

图5A、图5B和图5C是根据本发明的其他实施例的旋转电机控制设备的一部分的简化电路图。

具体实施方式

将参考附图描述根据各实施例的旋转电机控制设备。

（一个实施例）

在图1中示出根据一个实施例的旋转电机控制设备。旋转电机控制设备1被设置用于控制向作为旋转电机的发动机2供应的电力，由此控制发动机2的驱动。例如在辅助汽车的转向操作的电动助力转向设备中使用旋转电机控制设备1以及发动机2。

图2示出包括电动助力转向设备109的转向系统100的整体配置。电动助力转向设备109配备了转矩传感器104，转矩传感器104附接到与方向盘101耦合的转向轴102。转矩传感器104检测由司机通过方向盘101向转向轴102施加的转向转矩。

行星齿轮106附接到转向轴102的顶端。行星齿轮106与齿条轴（rackshaft）107接合。一对轮胎108通过转向横拉杆等可旋转地耦合到齿条轴107的端部。因此，当司机旋转方向盘101时，耦合到方向盘101的转向轴102旋转。转向轴102的旋转移动被行星齿轮106变换为齿条轴107的线性移动。一对轮胎108转向与齿条轴107的线性移动对应的角度。

电动助力转向设备109包括发动机2、旋转电机控制设备1和减速齿轮103等。发动机2产生转向辅助转矩。旋转电机控制设备1控制发动机2的驱动。减速齿轮103在减小旋转时向转向轴102和齿条轴107传递发动机2的旋转。发动机2例如是三相无刷发动机，并且具有转子和定子（未示出）。转子是盘状构件，永磁体附接在转子以提供磁极。定子中容纳转子，并且定子可旋转地支撑转子。定子包括突出部，该突出部以每一个预定角度间隔在径向上向内突出。在该突出部上，缠绕了在图1中所示的U相线圈（U线圈）11、V相线圈（V线圈）12和W相线圈（W线圈）13。U相线圈11、V相线圈12和W相线圈13分别是与U相、V相和W相对应的绕组，并且联合形成线圈组14。

发动机2由来自作为电源提供的电池3的电力供应驱动。发动机2在正常方向和反方向上旋转减速齿轮103。电动助力转向设备109除了转矩传感器104之外进一步包括汽车速度传感器105，汽车速度传感器105检测汽车的行驶速度。如上所述配置的电动助力转向设备109基于来自转矩传感器104和速度传感器105等的信号来从发动机2产生用于辅助方向盘101的转向操作的转向辅助转矩。该转矩被传送到转向轴102或齿条轴107。

接着参考图1来描述旋转电机控制设备1。旋转电机控制设备1配备了作为电力变换器（power converter）的逆变器电路20和微型计算机40等。逆变器电路20包括开关元件21至26。逆变器电路20是三相逆变器，其中，6个开关元件21至26以桥形式连接，以转换向线圈组14中的U相线圈11、V相线圈12和W相线圈13的每一个的电力供应。开关元件21至26是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。开关元件21至26当适当时分别被称为FET。

三个FET21至23的漏极连接到作为电源设置的电池3的正极性侧。FET21至23的源极分别连接到FET24至26的漏极。FET24至26的源极连接到电池3的负极性侧，即，接地。在配对的FET21和FET24之间的结连接到U相线圈11的一个端子。在配对的FET22和FET25之间的结连接到V相线圈12的一个端子。在配对的FET23和FET26之间的结连接到W相线圈13的一个端子。

FET21至23对应于逆变器电路20中的第一开关元件。FET24至26对应于逆变器电路20中的第二开关元件。下面当适当时，将第一开关元件和第二开关元件分别称为高侧FET（H-FET）和低侧FET（L-FET）。此外，在一些情况下，对应的相U、V或W也被标识出来，例如U-L-FET24。另外，当适当时，FET21和FET24组成的对、FET22和FET25组成的对以及FET23和FET26组成的对分别被称为开关元件对27、开关元件对28和开关元件对29。

逆变器电路20进一步包括二极管31至36，二极管31至36分别与FET21至26并联连接。MOSFET在结构上在其源极-漏极路径之间具有被称为寄生二极管的二极管（整流元件）。二极管31至36分别是FET21至26的寄生二极管。二极管31至36当适当时分别被称为寄生二极管31至36。二极管31至33对应于第一整流元件，第一整流元件分别与第一开关元件21至23对应。二极管34至36对应于第二整流元件，第二整流元件分别与第二开关元件24至26对应。二极管31至36在允许电流仅分别从FET21至26的源极侧（低电势侧）向漏极侧（高电势侧）流动的方向上被反向偏置。

旋转电机控制设备1因此具有一个逆变器（逆变器电路20）系统。逆变器电路20在下述的微型计算机（MC）40的控制下操作，并且变换从电池3向发动机2供应的电力，以由此旋转地驱动发动机2。逆变器电路20通过FET21至26的接通/关断操作来变换从电池3向发动机2供应的电力。

微型计算机40是半导体封装，该半导体封装包括算术部分、存储器部分和输入/输出部分等。微型计算机40响应于来自在汽车的各个部分处设置的传感器的信号并且基于在存储器部分中存储的程序来控制在汽车中安装的各个装置和设备的操作。微型计算机40主要控制电动助力转向设备109的发动机2的驱动。

微型计算机40根据来自转矩传感器104和速度传感器105等的信号来计算命令电流，使得发动机2产生用于辅助方向盘101的转向操作的转向辅助转矩。微型计算机40控制逆变器电路20的FET21至26的接通/关断操作，使得所计算的命令电流在发动机2的U线圈11、V线圈12和W线圈13中流动。因此，从电池3向发动机2供应的电力被变换，使得与命令电流对应的实际电流在发动机2的U线圈11、V线圈12和W线圈13中流动。发动机2被驱动来旋转以向转向轴102和齿条轴107施加转向辅助转矩。因为发动机2具有电感部件，所以在用于驱动发动机2的命令电流和实际上在发动机2的U线圈11、V线圈12和W线圈13中流动的实际电流之间产生相位差。

虽然未示出，但是在微型计算机40与每一个二极管31至36的两端之间设置了定制的集成电路（IC）。定制的IC包括差分放大器电路和比较器电路。因此使得微型计算机40能够通过定制IC来检测在每个二极管31至36的端部之间的小电势差。当适当时，在每一个二极管31至33的两端之间的电势差被称为与在高电势侧的第一开关元件和第一整流元件对应的第一电势差（Vh），并且，在每一个二极管34至36的两端之间的电势差被称为与在低电势侧的第二开关元件和第二整流元件对应的第二电势差（Vl）。每一个二极管31至36的正向电压被称为Vf。微型计算机40和定制IC对应于控制单元。

微型计算机40提供了每一个开关对27、28、29关于每一个开关元件（FET21至26）的操作的停滞时间（dead time）。该停滞时间是其中H-FET和L-FET（FET21和FET24、FET22和FET25、FET23和FET26）两者都关断（关断状态）的时段。在停滞时间期间，电流根据在开关元件关断之前在逆变器电路20和发动机2之间流动的电流的方向而流过第一开关元件（FET21至23）的寄生二极管31至33或第二开关元件（FET24至26）的寄生二极管34至36。因为该电流的幅值随着电压Vf变化，所以有可能通过确认电压Vf的幅值来确定电流在逆变器电路20和发动机2之间在什么方向上流动，即，在U线圈11、V线圈12和W线圈13中流动的相电流的方向（极性）。

以下面参考图3和图4描述的方式来确定相电流的方向。确定相电流的流动方向的方法在各相（U线圈11、V线圈12、W线圈13）中相同。因此，仅相对于U相（U线圈11）来进行关于相电流流动方向的确定的描述，以相对于其他相V和W简化关于相电流流动方向的确定的描述。

图3示出当电流在从逆变器电路20到发动机2的方向上在逆变器电路20和发动机2之间流动时，通过U-H-FET21和U-L-FET24的接通/关断操作引起的第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）的改变。在此，在逆变器电路20和发动机2之间，假定从逆变器电路20到发动机2的方向是正方向，并且假定从发动机2到逆变器电路20的方向是负方向。

如图3中所示，直到时间t1，U-H-FET21和U-L-FET24分别处于接通状态和关断状态。结果，电流从电池3通过U-H-FET21向发动机2流动。在从时间t1至时间t2的时段中，U-H-FET21和U-L-FET24两者都因为停滞时间DT而处于关断状态。发动机2趋向于继续流动电流。然而，因为U-H-FET21处于关断状态，所以电流流过U-L-FET24的寄生二极管34。此时，第一电势差（Vh）增大电压Vf的量，并且第二电势差（Vl）减小电压Vf的量。

在从时间t2至时间t3的时段中，U-H-FET21处于关断状态，并且U-L-FET24处于接通状态。因为发动机2趋向于继续流动电流，所以电流从地侧通过U-L-FET24向发动机2流动。在从时间t3至时间t4的时段中，U-H-FET21和U-L-FET24两者都因为停滞时间DT而再一次处于关断状态。发动机2趋向于继续使电流流动。然而，因为U-L-FET24处于关断状态，所以电流流过U-L-FET24的寄生二极管34。此时，与从时间t1至时间t2的时段类似，第一电势差（Vh）增大电压Vf的量，并且第二电势差（Vl）减小电压Vf的量。在从时间t4至时间t5的时段中的操作与在时间t1之前的时段中相同。

图4示出当电流在从发动机2到逆变器电路20的方向（负方向）上在逆变器电路20和发动机2之间流动时，因为U-H-FET21和U-L-FET24的接通/关断操作而引起的第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）的改变。

如图4中所示，直到时间t11，U-H-FET21处于接通状态而U-L-FET24处于关断状态。假定电流在负方向上流动。发动机2趋向于继续使电流流动。结果，电流从发动机2通过U-H-FET21向电池3流动。

在从时间t11到时间t12的时段中，U-H-FET21和U-L-FET24两者都因为停滞时间DT而处于关断状态。发动机2趋向于继续流动电流。然而，因为U-H-FET21处于关断状态，所以电流流过U-H-FET21的寄生二极管31。此时，第一电势差（Vh）减小电压Vf的量，并且第二电势差（Vl）增大电压Vf的量。在从时间t12至时间t13的时段中，U-H-FET21处于关断状态，并且U-L-FET24处于接通状态。因为发动机2趋向于继续流动电流，所以电流从发动机2通过U-L-FET24向地流动。

在从时间t13至时间t14的时段中，U-H-FET21和U-L-FET24两者都因为停滞时间DT而处于关断状态。发动机2趋向于继续流动电流。然而，因为U-L-FET24处于关断状态，所以电流流过U-H-FET21的寄生二极管31。此时，与从时间t11至时间t12的时段类似，第一电势差（Vh）减小电压Vf的量，并且第二电势差（Vl）增大电压Vf的量。在从时间t14至时间t15的时段中的操作与在时间t11之前的时段中相同。因此有可能确定电流流动的方向，因为电流流动的方向不同地影响第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）。

因为这个原因，所以控制单元（微型计算机40和定制IC）可以通过下述方式来确定相电流的方向：在U-H-FET21和U-L-FET24两者都处于关断状态时，即，在停滞时间DT期间，检测第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）。例如，如果在停滞时间中检测到的第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）分别增大了电压Vf和减小了电压Vf，则将相电流的方向确定为正的（从逆变器电路20到发动机2的方向）。如果在停滞时间中检测到的第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）分别减小了电压Vf和增大了电压Vf，则将相电流的方向确定为负的（从发动机2到逆变器电路20的方向）。因此，微型计算机40作为电流方向确定部分，并且可以基于在停滞时间期间引起的第一电势差和第二电势差来确定相电流流动方向。

根据本实施例，有可能通过下述方式检测实际上在发动机2的U线圈11、V线圈12和W线圈13中流动的实际电流的相位：检测相电流的方向从正改变为负（相电流变为零）或者相电流的方向从负改变为正（相电流变为零）的时间点。微型计算机40通过下述方式检测在发动机2中流动的实际电流的相位：检测在以下时间点的第一电势差（Vh）和第二电势差（Vl）：在该时间点处，相电流的方向从正改变为负（相电流变为零）或者相电流的方向从负改变为正（相电流变为零）。微型计算机40然后基于与命令电流的相位相关的所检测的实际电流的相位来计算在命令电流和实际电流之间的相位差。微型计算机40因此作为相位差计算部分。

根据本实施例，微型计算机40在命令电流和实际电流之间的相位差的计算后通过校正相位差使得相位差变为0来计算命令电流。即，微型计算机40执行与命令电流相关的反馈控制。微型计算机40因此作为相位差校正部分。

本实施例具有下面的特征

（1）逆变器电路20包括多个开关元件（FET21至26），该多个开关元件通过在电池3的高电势侧设置的FET21、22、23和在电池3的低电势侧设置的FET24、25、26来形成分别与U线圈11、V线圈12、W线圈13对应的开关元件对27、28、29。逆变器电路20进一步包括分别与FET21、22、23并联地设置的二极管31、32和33；以及分别与FET24、25、26并联地设置的二极管34、35、36。逆变器电路20通过FET21、22、23和FET24、25、26的接通/关断操作来变换从电池3向电机2供应的电力。

微型计算机40作为电流方向确定部分。当FET21和FET24两者、FET22和FET25两者或FET23和FET26两者都关断（处于关断状态）时，微型计算机40可以检测作为在每一个二极管31、32、33的两端之间的电势差的第一电池差和作为在每一个二极管34、35、36的两端之间的电势差的第二电势差。微型计算机40可以基于所检测的第一电势差和所检测的第二电势差来进一步确定在U线圈11、V线圈12、W线圈13中流动的电流的方向。可以以简化的配置来确定在U线圈11、V线圈12、W线圈13中流动的电流的方向，而不使用诸如分流电阻器等的电流传感器。可以在尺寸上减小并且以低成本来制造旋转电机控制设备1。

（2）另外，微型计算机40作为相位差计算部分。微型计算机40可以基于所确定的在U线圈11、V线圈12、W线圈13中流动的电流的流动方向来计算在用于驱动发动机2的命令电流和实际上在U线圈11、V线圈12、W线圈13中流动的实际电流之间的相位差。

（3）此外，微型计算机40作为相位差校正部分，并且校正在所计算的命令电流和实际电流之间的相位差。通过如此执行反馈控制以校正相位差，可以高精度地控制电机2的驱动。

（4）另外，二极管31、32、33和二极管34、35、36分别是FET21、22、23和FET24、25、26的寄生二极管。因为这个原因，在分别与第一开关元件和第二开关元件并联地设置第一整流元件和第二整流元件时，不需要单独地设置整流元件（二极管）作为电子部件部分。因此，旋转电机控制设备1可以在尺寸上减小，并且降低制造成本。

（5）另外，因为可以在尺寸上减小旋转电机控制设备1，所以在需要被安装在特定的有限空间中的电动助力转向设备10等中适当地应用旋转电机控制设备1。

（其他实施例）

在上述实施例中，第一开关元件和第二开关元件由MOSFET构成。第一整流元件和第二整流元件由MOSFET的寄生二极管形成。然而，如图5A中所示，第一开关元件和第二开关元件的每一个可以由绝缘栅双极晶体管（IGBT）51形成。二极管61可以与IGBT51并联连接，作为第一整流元件或第二整流元件。

作为另一个实施例，如图5B中所示，第一开关元件和第二开关元件的每一个可以由晶体管52形成。二极管61可以与晶体管52并联连接，作为第一整流元件或第二整流元件。

作为另一个实施例，如图5C中所示，第一开关元件和第二开关元件的每一个可以由半导体闸流管53形成。二极管61可以与半导体闸流管53并联连接。

在如上所述的实施例中，旋转电机控制设备被应用到作为示例的三相无刷发动机。然而，旋转电机控制设备可以被应用到具有四个或更多相的无刷发动机。旋转电机控制设备可以控制除了用于电动助力转向设备的旋转电机之外的旋转电机（发动机和发电机）。

Claims (5)

1.一种旋转电机控制设备（1），用于控制旋转电机（2）的驱动，所述旋转电机具有由对应于多个相的线圈（11，12，13）形成的线圈组（14），所述旋转电机控制设备包括：

电力变换器（20），其包括多个开关元件（21、22、23、24、25、26）、第一整流元件（31、32、33）和第二整流元件（34、35、36），所述多个开关元件通过分别在电源的高电势侧和低电势侧设置的第一开关元件（21、22、23）和第二开关元件（24、25、26）来形成对应于所述线圈的每一个相的开关元件对（27、28、29），所述第一整流元件与所述第一开关元件并联地设置，所述第二整流元件与所述第二开关元件并联地设置，所述电力变换器通过所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通/关断操作来变换从所述电源向所述旋转电机供应的电力；以及

控制单元（40），用于控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通/关断操作，由此控制所述旋转电机的驱动，

其中，所述控制单元（40）包括电流方向确定部分（40），所述电流方向确定部分当所述第一开关元件和所述第二开关元件都处于关断状态时检测在所述第一整流元件的两端之间的第一电势差和在所述第二整流元件的两端之间的第二电势差，并且基于所述第一电势差和所述第二电势差来确定在所述线圈的每一个相中流动的电流的方向。

2.根据权利要求1所述的旋转电机控制设备，其中，

所述控制单元（40）包括相位差计算部分（40），所述相位差计算部分基于在由所述电流方向确定部分确定的所述线圈的每个相中流动的电流的方向，来计算在用于驱动所述旋转电机的命令电流和在所述线圈中实际流动的实际电流之间的相位差。

3.根据权利要求2所述的旋转电机控制设备，其中，

所述控制单元（40）包括相位差校正部分（40），所述相位差校正部分校正由所述相位差计算部分计算的在所述命令电流和所述实际电流之间的相位差。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的旋转电机控制设备，其中，

所述第一整流元件和所述第二整流元件分别是所述第一开关元件和所述第二开关元件的寄生二极管。

5.一种电动助力转向设备（109），包括：

根据权利要求1至3中任何一项所述的旋转电机控制设备；以及

旋转电机（2），用于输出用于汽车的转向操作的辅助转矩。

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