CN103959632A - 逆变器系统的故障检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种逆变器系统的故障检测装置，对包含逆变器电路(2)和电动机(5)的逆变器系统的故障进行检测，所述逆变器电路(2)将所输入的直流功率转换为交流功率，所述电动机(5)由该逆变器电路来进行驱动，所述逆变器系统的故障检测装置根据逆变器电路(2)的驱动开始信号(sig1)的输入，利用试验电压施加单元(20)，来对检测流过逆变器电路(2)的电流的电流检测单元(10)施加第一试验电压，基于该所施加的第一试验电压，来对电流检测单元(10)的故障进行判定，并利用控制单元(30)，来对逆变器电路(2)及电动机(5)施加第二试验电压，基于该所施加的第二试验电压，来对逆变器电路(2)及电动机线圈的故障进行判定。由此，能在逆变器系统驱动开始前，对电流检测单元的故障进行判定，然后对逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。

Description

逆变器系统的故障检测装置
技术领域
本发明涉及一种对包含逆变器电路及由该电路驱动的电动机的逆变器系统的故障进行检测的故障检测装置，详细而言，涉及一种逆变器系统的故障检测装置，该逆变器系统的故障检测装置能在逆变器系统驱动开始前对检测流过逆变器电路的电流的电流检测单元的故障进行检测，然后对逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定，并能容易且廉价地进行制造。
背景技术
现有的逆变器电路的故障检测装置包括：电流检测单元，该电流检测单元对驱动电动机的逆变器电路的电流进行检测；过电流判定电路，该过电流判定电路利用电流检测单元的输出信号来对过电流进行判定；以及逆变器输出控制电路，该逆变器输出控制电路对逆变器驱动电路的输出进行控制，所述逆变器驱动电路利用过电流判定电路的输出信号来对所述逆变器电路进行驱动，所述逆变器电路的故障检测装置在利用逆变器电路来旋转驱动电动机之前，至少以规定时间强制对电动机线圈的1相进行通电，利用电流检测单元来检测其电流，过电流判定电路利用电流检测单元的输出信号来对是否产生过电流进行判定，利用过电流判定电路的输出信号来进行异常判定(例如参照专利文献1)。
这种情况下，在对逆变器电路的故障进行检测时，若电流检测单元发生故障，则无法对逆变器电路的电流进行检测，其结果是，无法检测逆变器电路的故障，因此，对电流检测单元的故障进行检测是很重要的。为应对上述情况，作为其它逆变器电路的故障检测装置，已知一种故障检测装置，为了对电流检测单元的故障进行检测而包括多个电流检测单元，通过比较各个电流检测单元所检测出的电流，来相互监视电流检测单元的故障。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2001-320894号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述现有的逆变器电路的故障检测装置中，由于需要用于检测电流检测单元的故障的多个电流检测单元，因此电路变得复杂，制造较为困难。另外，由于元器件数量较多，因此，制造成本较高。特别是在将分流电阻用于电流检测单元的情况下，为了利用分流电阻中微小的电压降来检测电流而需要精度较高且昂贵的放大电路，从而制造成本较高。
因此，为了应对这样的问题，本发明所要解决的课题在于，提供一种逆变器系统的故障检测装置，该逆变器系统的故障检测装置能在逆变器系统驱动开始前，对检测流过逆变器电路的电流的电流检测单元的故障进行检测，然后对逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定，并能容易且廉价地进行制造。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述课题，本发明所涉及的逆变器系统的故障检测装置是对包含逆变器电路和电动机的逆变器系统的故障进行检测的逆变器系统的故障检测装置，所述逆变器电路将所输入的直流功率转换为交流功率，所述电动机由该逆变器电路来进行驱动，所述逆变器系统的故障检测装置根据所述逆变器电路的驱动开始信号的输入，利用试验电压施加单元，来对检测流过所述逆变器电路的电流的电流检测单元施加预先确定的第一试验电压，基于该所施加的第一试验电压，来对所述电流检测单元的故障进行判定，并利用控制单元，来对所述逆变器电路及电动机施加预先确定的第二试验电压，基于该所施加的第二试验电压，来对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定，从而在所述逆变器系统驱动开始前，对所述电流检测单元的故障进行判定，然后对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。
利用这样的结构，根据所述逆变器电路的驱动开始信号的输入，来对电流检测单元施加预先确定的第一试验电压，在基于所施加的第一试验电压对所述电流检测单元的故障进行判定之后，对逆变器电路及电动机施加预先确定的第二试验电压，基于所施加的第二试验电压对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。
另外，所述控制单元也可以在由所述电流检测单元所具备的放大电路进行放大后的所述第一试验电压大于基于第一试验电压而预先确定的电压范围的上限值、或小于下限值的情况下，判定为所述电流检测单元发生故障。
此外，所述控制单元也可以在由所述电流检测单元所具备的放大电路进行放大后的所述第二试验电压大于基于第二试验电压而预先确定的电压范围的上限值、或小于下限值的情况下，判定为所述逆变器电路及电动机线圈发生故障。
而且，所述控制单元也可以在从开始施加所述第二试验电压起经过预先确定的时间时，对逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。
发明效果
根据权利要求1所涉及的发明，能根据所述逆变器电路的驱动开始信号的输入，来对电流检测单元施加预先确定的第一试验电压，在基于所施加的第一试验电压对所述电流检测单元的故障进行判定之后，对逆变器电路及电动机施加预先确定的第二试验电压，基于所施加的第二试验电压对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。因此，能在逆变器驱动开始前对电流检测单元的故障进行检测。另外，能对逆变器电路的故障进行检测，并且还能对电动机线圈的故障进行检测。在这种情况下，由于采用一个电流检测单元，因此，电路较为简单且能容易地进行制造。此外，由于元器件数量较少，因此，能便宜地进行制造。特别是在将分流电阻用于电流检测单元的情况下，只需一个用于利用分流电阻中微小的电压降来检测电流的精度较高且昂贵的放大电路，因此，能便宜地进行制造。
根据权利要求2所涉及的发明，所述控制单元无论是在利用所述电流检测单元所具备的放大电路进行放大后的所述第一试验电压大于预先确定的电压范围的上限值的情况下，还是在小于下限值的情况下，都能对所述电流检测单元的故障进行判定。因此，能可靠地对所述电流检测单元的故障进行检测。
根据权利要求3所涉及的发明，所述控制单元无论是在利用所述电流检测单元所具备的放大电路进行放大后的所述第二试验电压大于预先确定的电压范围的上限值的情况下，还是在小于下限值的情况下，都能对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。因此，能可靠地对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行检测。
根据权利要求4所涉及的发明，所述控制单元能在从开始施加所述第二试验电压起经过预先确定的时间时，对逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。因此，能正确地对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的逆变器系统的故障检测装置的实施方式的框图。
图2是对所述逆变器系统的故障检测装置的动作进行说明的流程图。
图3是连接有所述逆变器系统的故障检测装置的电动机驱动用逆变器电路的简图。
图4是将在对图3中的逆变器电路的短路进行检测时的、通电的IGBT、各IGBT的每个IGBT的电流的判定结果及短路的检测结果进行总结而得的表格。
图5是将在对图3中的逆变器电路及电动机线圈的短路进行检测时的、通电的IGBT间、各IGBT的每个IGBT间的电流的判定结果及短路的检测结果进行总结而得的表格。
图6是将在对图3中的逆变器电路及电动机线圈的断路进行检测时的、通电的IGBT间、各IGBT的每个IGBT间的通电的判定结果及断路的检测结果进行总结而得的表格。
标号说明
1…故障检测装置
2…逆变器电路
3…电源
4…驱动开始开关
5…电动机
10…电流检测单元
11…分流电阻
12…放大电路
20…试验电压施加单元
21…电池
22…开关
30…控制单元
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明所涉及的逆变器系统的故障检测装置的实施方式的框图。图1中作为框图而示出的电路表示将本发明所涉及的逆变器系统的故障检测装置(以下简称为“故障检测装置”)1与作为故障检测对象的逆变器电路2相连接的使用状态，逆变器电路2、电源3、驱动开始开关4与故障检测装置1相连接，所述逆变器电路2上连接有电动机5。逆变器电路2用于对电动机5等进行控制，是将由电源3所提供的直流功率转换为交流功率的电路。电源3将直流功率提供给逆变器电路2。驱动开始开关4是用于开始对逆变器电路2进行驱动控制的开关，将驱动开始开关4接通，从而输出逆变器电路2的驱动开始信号Sig1。驱动开始开关4既可以是手动的开关也可以是电子控制的开关。
本发明所涉及的故障检测装置1对包含逆变器电路2及其所驱动的电动机5的逆变器系统的故障进行检测，与驱动电动机5的逆变器电路2相连接，具有包括电流检测单元10、试验电压施加单元20、以及控制单元30的结构。
所述电流检测单元10连接于逆变器电路2的接地(ground)侧、即逆变器电路2与接地之间，对流过逆变器电路2的电流进行检测，包括分流电阻11和放大电路12。此外，电流检测单元10也可以连接于逆变器电路2的供电侧、即逆变器电路2与电源3之间。
分流电阻11串联连接于逆变器电路2的接地侧，当电流流过逆变器电路2时，使得产生电压降。分流电阻11的电阻值根据流过逆变器电路2的电流或电路的设计来决定。
放大电路12是以规定的放大率对分流电阻11前后的电压差进行放大的差动放大电路，与分流电阻11并联连接，在以规定的放大率对分流电阻11前后的电压差进行放大之后，将放大后的电压输出至后述的控制单元30。此外，所述放大率根据流过逆变器电路2的电流或电路的设计来决定。另外，也可以将功率放大器作为放大电路12来使用。
所述试验电压施加单元20对电流检测单元10施加预先确定的第一试验电压，包括电池21和开关22。电池21是向电流检测单元10提供直流的第一试验电压的电源，经由开关22与电流检测单元10相连接。电池21可以与驱动逆变器电路2的电源3分开设置，也可以使用电源3。开关22是利用后述的控制单元30来进行控制的开关，只在该开关导通期间对电流检测单元施加第一试验电压。作为开关22，可使用继电器或晶体管等。
所述控制单元30对逆变器电路2进行控制，基于由试验电压施加单元20对电流检测单元10所施加的第一试验电压来对电流检测单元10的故障进行判定，对逆变器电路2施加预先确定的第二试验电压，基于所施加的第二试验电压来对逆变器电路2及电动机5的线圈(以下简称为“电动机线圈”)的故障进行判定。作为控制单元30，可使用微型计算机。另外，也可以采用由不同的微型计算机来进行对逆变器电路2的控制、以及对逆变器电路2及电动机线圈的故障判定的结构。
接着，对具有上述结构的故障检测装置1的动作进行说明。首先，参照图1、2，对到本发明所涉及的故障检测装置1对检测流过逆变器电路2的电流的电流检测单元10的故障进行检测为止的动作进行说明。
首先，在图1中，若通过手动或电子控制来接通驱动开始开关4，则利用驱动开始开关4来输出驱动开始信号Sig1，将该驱动开始信号Sig1输入至控制单元30(图2的步骤S1)。若输入驱动开始信号Sig1，则控制单元30向开关22输出控制信号Sig2，并接通开关22。若开关22接通，则利用电池21对电流检测单元10施加第一试验电压(步骤S2)。然后，电流检测单元10中流过电流，从而在分流电阻11上产生电压降，利用放大电路12对分流电阻11前后的电压差进行放大，输出放大后的第一试验电压(以下称为“第一输入电压”)，并将其输入控制单元30(步骤S3)。
若输入第一输入电压，则控制单元30将该第一输入电压与基于第一试验电压来预先确定的电压范围(以下称为“第一电压范围”)进行比较(步骤S4)。在第一输入电压在第一电压范围外的情况下，即，在第一输入电压大于该范围的上限值或小于下限值的情况下，前进至图2的流程图中的“否”侧，控制单元30判定为电流检测单元10发生故障(步骤S5)。然后，控制单元30输出控制信号Sig3而将开关22断开，以停止施加第一试验电压，停止逆变器电路2的驱动开始控制(步骤S6)。
与之相反，在所述步骤S4中，在所述第一输入电压在所述第一电压范围内的情况下，即，在第一输入电压小于等于该范围的上限值或大于等于下限值的情况下，前进至图2的流程图中的“是”侧，控制单元30判定为电流检测单元10正常(步骤S7)。然后，控制单元30输出控制信号Sig3而将开关22断开，以停止施加第一试验电压。此外，所述第一电压范围存储于设置在控制单元30的内部或外部的存储单元中。
利用如上所述的结构和动作，控制单元30能基于由试验电压施加单元20对电流检测单元10所施加的第一试验电压，来对电流检测单元10的故障进行判定。因此，能在检测逆变器电路2的故障之前，对电流检测单元10的故障进行检测。另外，由于只有一个电流检测单元10，因此，电路较为简单，能容易地进行制造，并且元器件数量较少，能便宜地进行制造。特别是由于只有一个用于对分流电阻11中的微小的电压降进行检测的昂贵的放大电路12，因此，能便宜地进行制造。此外，无论是在第一输入电压大于第一电压范围的上限值的情况下，还是在小于下限值的情况下，所述控制单元30都能对电流检测单元10的故障进行判定，从而能可靠地对电流检测单元10的故障进行检测。
接着，参照图1、2，对到本发明所涉及的故障检测装置1对逆变器电路2的故障进行检测为止的动作进行说明。
在图2的步骤S7中，在控制单元30判定为电流检测单元10正常的情况下，控制单元30向逆变器电路2输出控制信号Sig4，以对逆变器电路2施加第二试验电压(步骤S8)。之后，用电流检测单元10来检测流过逆变器电路2的电流，利用该电流的流动在分流电阻11上产生电压降，利用放大电路12对分流电阻11前后的电压差进行放大，输出放大后的第二试验电压(以下称为“第二输入电压”)，并将其输入控制单元30(步骤S9)。
控制单元30对从开始施加第二试验电压起是否经过了预先确定的时间(以下称为“通电时间”)进行判定(步骤S10)，在未经过的情况下，前进至图2的流程图中的“否”侧。然后，在经过了所述通电时间的情况下，前进至“是”侧，将经过通电时间时所输入的第二输入电压与基于第二试验电压而预先确定的电压范围(以下称为“第二电压范围”)进行比较(步骤S11)。在第二输入电压在第二电压范围外的情况下，即，在第二输入电压大于该范围的上限值或小于下限值的情况下，前进至图2的流程图中的“否”侧，控制单元30判定为逆变器电路2发生故障(步骤S12)。然后，控制单元30输出控制信号Sig5而停止施加第二试验电压，以停止逆变器电路2的驱动开始控制(步骤S6)。
与之相反，在所述步骤S11中，在所述第二输入电压在所述第二电压范围内的情况下，即，在第二输入电压小于等于该范围的上限值或大于等于下限值的情况下，前进至图2的流程图中的“是”侧，控制单元30判定为逆变器电路2正常(步骤S13)。之后，控制单元30输出控制信号Sig6，并开始驱动逆变器电路2(步骤S14)。此外，所述第二电压范围及通电时间存储于设置在控制单元30的内部或外部的存储单元中。
利用这样的结构和动作，无论是在第二输入电压大于第二电压范围的上限值的情况下，还是在小于下限值的情况下，所述控制单元30都能对逆变器电路2的故障进行判定。因此，能可靠地对逆变器电路2的故障进行检测。另外，由于所述控制单元30能在经过第二试验电压的通电时间时对逆变器电路2的故障进行判定，因此，通过预先确定通电时间，能恰当地确定第二电压范围，因而，能正确地对逆变器电路2的故障进行判定。
接着，参照图3～6，对将具有如上所述结构的故障检测装置1用于电动机驱动用的逆变器电路2的情况的动作进行说明。
图3是与图1所示的故障检测装置1相连接的电动机驱动用的逆变器电路2的简图。在图3中，由逆变器电路2所驱动的电动机5是三相无刷DC电动机，逆变器电路2是由6个绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor：以下称为“IGBT”)所构成的三相逆变器电路。如图3所示，以下将由上下相连的2个IGBT所构成的电路部分从图3的左侧起分别称为U相、V相及W相，将由各相所驱动的电动机5的线圈分别称为U相线圈、V相线圈及W相线圈(省略图示)。
所述故障检测装置1的动作如上述所说明的那样，但在利用逆变器电路2对电动机5进行驱动的情况下，能基于第二试验电压的通电时间如下所述那样来设定基于检测逆变器电路2的故障时的第二试验电压的电压范围。
若将流过逆变器电路2的电流设为I，将第二试验电压设为V，将线圈的电感设为L，将开始对逆变器电路2进行通电起所经过的时间设为t，则在逆变器电路2中流过以I＝∫V/Ldt的式子来表示的电流。例如，在将第二试验电压设为100V、将线圈的电感设为1mH(将线圈的绕组电阻设为较小的值)、逆变器电路2的U相上侧与V相下侧之间流过电流的情况下，在开始对逆变器电路2进行通电起经过100μsec时，逆变器电路2中流过10A的电流。由此，能根据该10A、分流电阻11的电阻值、放大电路12的放大率来设定第二电压范围。
[逆变器电路2的短路检测]
在判定为图1所示的电流检测单元10正常之后，在对逆变器电路2的故障进行检测时，依次对6个IGBT进行通电，从而能检测出是哪个IGBT发生短路。图4是将在对图3中的逆变器电路2的短路进行检测时进行通电的IGBT、由控制单元30所获得的各IGBT的每个IGBT的电流的判定结果、以及与判定结果相对应的短路的检测结果进行总结而得的表格。
在图4中，利用图1所示的控制单元30对U相下侧的IGBT进行通电(施加第二试验电压)，利用电流检测单元10对流过该IGBT的电流进行检测。这里，在利用控制单元30判定为所检测出的电流为过电流的情况下，能对U相上侧的短路进行检测。另外，在判定为所检测出的所述电流在预先确定的电流范围内(第二输入电压在第二电压范围的范围内)的情况下，控制单元30判定为U相上侧的IGBT正常，停止通电。
在判定为U相上侧的IGBT正常的情况下，控制单元30对V相下侧的IGBT进行通电(施加第二试验电压)。然后，利用电流检测单元10对流过该IGBT的电流进行检测，控制单元30对此处所检测出的电流是否为过电流进行判定。在判定为该电流为过电流的情况下，对V相上侧的短路进行检测，在判定为处于预先确定的电流范围内(第二输入电压在第二电压范围的范围内)的情况下，控制单元30判定为V相上侧的IGBT正常，停止通电。
对6个IGBT都依次进行上述动作，从而能对逆变器电路2中的各IGBT的短路进行检测。在图4中，按照U相下侧、V相下侧、W相下侧、U相上侧、V相上侧、W相上侧的顺序对各IGBT进行通电，但其顺序是任意的，在对逆变器电路2的各相的上侧的IGBT进行通电的情况下，能对该相下侧的IGBT的短路进行检测，在对逆变器电路2的各相的下侧的IGBT进行通电的情况下，能对该相上侧的IGBT的短路进行检测。
[逆变器电路2及电动机5的线圈的短路检测]
接着，在判定为图1所示的电流检测单元10正常之后，在对逆变器电路2的故障进行检测时，依次对6个IGBT间进行通电，从而能对各IGBT中的短路、各IGBT间的短路及电动机5的各相线圈的短路进行检测。图5是将在对图3中的逆变器电路2及电动机5的各相线圈的短路进行检测时的、通电的IGBT之间、由控制单元30所获得的各IGBT的每个IGBT间的电流的判定结果、以及与判定结果相对应的短路的检测结果进行总结而得的表格。
在图5中，利用控制单元30，依次对例如逆变器电路2的U相上侧与V相下侧之间、U相上侧与W相下侧之间、V相上侧与U相下侧之间、V相上侧与W相下侧之间、W相上侧与U相下侧之间及W相上侧与V相下侧之间的IGBT进行通电(施加第二试验电压)，利用电流检测单元10对各个情况下各IGBT间所流过的电流进行检测，利用控制单元30来进行判定，其结果，在判定为U相上侧与V相下侧之间、U相上侧与W相下侧之间、V相上侧与U相下侧之间及W相上侧与U相下侧之间的IGBT中所流过的电流为预先确定的电流的大致2倍(第二输入电压为第二电压范围的大致2倍)、且判定为V相上侧与W相下侧之间及W相上侧与V相下侧之间的IGBT中所流过的电流在预先确定的电流范围内(第二输入电压在第二电压范围内)的情况下，能对电动机5的U相线圈的短路进行检测。此外，上述通电的顺序是任意的。另外，图5的通电结果中的“正常”是各IGBT间所流过的电流在预先确定的电流范围内(第二输入电压在第二电压范围内)的意思。
[逆变器电路2及电动机5的线圈的断路检测]
接着，在判定为图1所示的电流检测单元10正常之后，在对逆变器电路2的故障进行检测时，依次对6个IGBT间进行通电，从而能对各IGBT中的断路及电动机5的各相线圈的断路进行检测。图6是将在对图3中的逆变器电路2及电动机5的各相线圈的断路进行检测时的、通电的IGBT之间、由控制单元30所获得的各IGBT的每个IGBT间的通电的判定结果、以及与判定结果相对应的断路的检测结果进行总结而得的表格。
在图6中，利用控制单元30，依次对例如逆变器电路2的U相上侧与V相下侧之间、U相上侧与W相下侧之间、V相上侧与U相下侧之间、V相上侧与W相下侧之间、W相上侧与U相下侧之间及W相上侧与V相下侧之间的IGBT进行通电(施加第二试验电压)，利用电流检测单元10对各个情况下各IGBT间所流过的电流进行检测，利用控制单元30来进行判定，其结果，在判定为U相上侧与V相下侧之间、U相上侧与W相下侧之间、V相上侧与U相下侧之间及W相上侧与U相下侧之间的IGBT不通电(第二输入电压＝0V)、且判定为V相上侧与W相下侧之间及W相上侧与V相下侧之间的IGBT通电(第二输入电压＞0V)的情况下，能对电动机5的U相线圈的断路进行检测。另外，上述通电的顺序是任意的。此外，图6的通电结果中的“通电”是各IGBT间有电流流过的意思，与是否为过电流无关。
上述检测方法既能分别单独使用，也能将任意两个以上进行组合来使用。

Claims (4)

1.一种逆变器系统的故障检测装置，对包含逆变器电路和电动机的逆变器系统的故障进行检测，所述逆变器电路将所输入的直流功率转换为交流功率，所述电动机由该逆变器电路来进行驱动，所述逆变器系统的故障检测装置特征在于，
根据所述逆变器电路的驱动开始信号的输入，利用试验电压施加单元，来对检测流过所述逆变器电路的电流的电流检测单元施加预先确定的第一试验电压，基于该所施加的第一试验电压，来对所述电流检测单元的故障进行判定，
利用控制单元，来对所述逆变器电路及电动机施加预先确定的第二试验电压，基于该所施加的第二试验电压，来对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定，
从而在所述逆变器系统驱动开始前，对所述电流检测单元的故障进行判定，然后对所述逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。
2.如权利要求1所述的逆变器系统的故障检测装置，其特征在于，
在由所述电流检测单元所具备的放大电路进行放大后的所述第一试验电压大于基于第一试验电压而预先确定的电压范围的上限值、或小于下限值的情况下，所述控制单元判定为所述电流检测单元发生故障。
3.如权利要求1所述的逆变器系统的故障检测装置，其特征在于，
在由所述电流检测单元所具备的放大电路进行放大后的所述第二试验电压大于基于第二试验电压而预先确定的电压范围的上限值、或小于下限值的情况下，所述控制单元判定为所述逆变器电路及电动机线圈发生故障。
4.如权利要求1至3的任一项所述的逆变器系统的故障检测装置，其特征在于，
所述控制单元在从开始施加所述第二试验电压起经过预先确定的时间时，对逆变器电路及电动机线圈的故障进行判定。
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