CN104052340A

CN104052340A - 电动机的驱动控制装置

Info

Publication number: CN104052340A
Application number: CN201310386379.XA
Authority: CN
Inventors: 坂下登美夫; 青柳宏
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: KR101721616B1; JP2014180105A; JP5946786B2; DE102013218314A1; US9143075B2; US20140265965A1; KR20140113272A; CN104052340B

Abstract

本发明在具有使用半导体继电器的切断电路且通过逆变器的占空控制来驱动电动机的控制装置中，使得即使在相之间的驱动占空存在偏移的运转状况下也可以稳定地驱动电动机。将逆变器电路的三相的输出线连接到电动机的各相，并且连接到升压电路，在电动机的驱动时将在升压电路升压的输出作为驱动信号分配给连接到电动机的各相的各半导体继电器，而且，将停止升压电路的工作从而切断电动机的驱动的开关电路插入并配设在向升压电路提供电源的线路之中。

Description

电动机的驱动控制装置

技术领域

本发明涉及具有停止电动机的驱动的切断电路的电动机的驱动控制装置。

背景技术

特开昭2006-21645公开了在电动动力转向装置中，在连接逆变器电路与电动机的各相的输出线路上设置与机械式继电器相比有更高的可靠性的半导体继电器，在切断电动机的驱动时关断该半导体继电器，从而停止电动机的驱动。

但是，在逆变器电路的某相与其他相相比使用特别大的占空来控制的运转状况下，在该占空大的相的输出线路中，存在驱动电动机时因未经升压电路的升压或者升压不足而半导体继电器关断，从而停止电动机的驱动的可能性。

发明内容

为此，本发明的目的在于，在具有使用可靠性高的半导体继电器的切断电路的电动机的驱动控制装置中，使得即使在驱动占空的大小在相之间有很大差异的运转状况下，也可以稳定地驱动电动机。

为了达到上述目的，本发明的电动机驱动控制装置为：一种将n（≥3）相的逆变器电路的各相的输出线路连接到n相的电动机的各相，基于逆变器电路的输出信号来驱动控制电动机的装置，其中，配设：升压电路，连接到逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路；以及半导体继电器，连接到与逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接的电动机的各相，并且具有开关电路，在电动机驱动时将所述升压电路升压的输出作为驱动信号分配给各半导体继电器，停止升压电路的工作从而切断电动机的驱动。

此外，本发明的电动机驱动控制方法为：一种将n（≥3）相的逆变器电路的各相的输出线路连接n相的电动机的各相，基于所述逆变器电路的输出信号来驱动控制电动机的电动机驱动控制方法，其中，在所述电动机的驱动时，通过升压电路对所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出进行升压，并将通过所述升压电路升压的输出作为电动机驱动信号分配给与电动机的各相连接的各半导体继电器，其中所述电动机与所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接，停止所述升压电路的工作从而切断电动机的驱动。

为了达到上述目的，本发明的电动机驱动控制装置为：在将n（≥3）相的逆变器电路的各相的输出线路连接到n相的电动机的各相，基于逆变器电路的输出信号来驱动控制电动机的装置中，配设：升压电路，连接到逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路；以及半导体继电器，连接到与逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接的电动机的各相，并且具有开关电路，在电动机驱动时将所述升压电路升压的输出作为驱动信号分配给各半导体继电器，停止升压电路的工作从而切断电动机的驱动。

通过参照下列附图说明，使得本发明的其他目标及特征更加容易理解。

附图说明

图1是车辆的电动动力转向装置（EPS）的系统结构图。

图2是表示适用于与上面相同的EPS等的本发明的电动机的驱动控制装置的概要的图。

图3是上述电动机的驱动控制装置的详细的第一实施方式的电路图。

图4是表示逆变器电路的U、V、W各相在以占空50%驱动时的各单元的电位的时序图。

图5是表示逆变器电路的在U相为占空100%，V、W相为占空50%驱动时的各单元的电位的时序图。

图6是表示逆变器电路的U、V、W各相以不同的占空驱动时的各单元的电位的时序图。

图7是上述电动机的驱动控制装置的详细的第二实施方式的电路图。

具体实施方式

图1是车辆的电动动力转向装置（EPS）的系统结构图。

适用EPS的转向装置包括操作机构、排挡结构以及连接机构。

操作机构包括转向盘SW和转向轴（柱轴）SS。转向轴SS由第一轴以及第二轴（中间轴）组成。

排挡机构为齿条（rack）和小齿轮（pinion）型，包括齿条R以及小齿轮P。小齿轮P设置在连接第二轴S2的小齿轮轴PS的前端，与齿条R相咬合。

连接机构包括：与齿条R连接的横拉杆（tie rod）TR、以及与横拉杆TR连接的转向轮FR、FR。

EPS101为电动机102直接驱动排挡而产生助力的电动直连式，且为安装在齿轮轴PS而对齿轮轴PS的旋转产生助力的齿轮辅助式的装置。

EPS101包括：电动机102，通过作为电源的电池BATT供给的电力（电流）而驱动；减速排挡机构103，减慢电动机的转动；扭矩传感器tS，检测转向盘扭矩；未图示的旋转变压器（resolver），检测电动机102的转动（转动角度以及转动位置）；以及电子控制单元ECU，从这些传感器类接收信号并控制电动机102的驱动。这些构成部件被容纳在同一个外罩（Housing）HSG的内部，EPS101为将机械部件和电子部件作为一体具备而构成的单元。

EPS101为小齿轮EPS的一例，此外还有双齿轮（dual pinion）式EPS，齿条（rack）式EPS以及转向柱（column）式EPS等，本发明适用于任何一种类型的EPS。

图2表示在上述EPS等中使用的具有切断电路的电动机驱动控制装置的概要。

CPU1向驱动器电路（FET驱动器）2输出逆变器驱动用的PWM信号。驱动器电路2将对逆变器驱动用的PWM信号进行放大电压电位后的PWM信号输出到逆变器电路3。

逆变器电路3进行各半导体的开关单元的开关控制，经由U相、V相、W相的各输出线路，将各相的PWM信号输出到三相电动机4（图1的EPS中的电动机102）的各相。由此，电动机4被驱动。

适用EPS的转向装置通过电动机4的驱动而发生的驱动力来辅助驾驶员的转向的操纵力。

此外，在EPS中，在车体发生事故的情况等需要使操纵转向的助力无效，此时设置用于切断电动机驱动的电动机的切断电路。

图2中，按照以下构成电动机的切断电路。

电动机4的各相（定子线圈的U、V、W相）在从逆变器电路3输入PMW信号的一端侧的相反侧的另一端之间经由半导体继电器5（5U、5V、5W）在中性点连接。

此外，逆变器电路3的U、V、W各相的输出线路分别分支并连接到升压电路10，在电动机4驱动时，将在升压电路10升压后的控制信号（栅极电压）供给到半导体继电器5，从而允许电动机4的驱动。此外，当从CPU1输出切断电动机4的驱动的指令时，输入该指令的开关电路11停止升压电路10的工作，维持半导体继电器5的关断，从而停止电动机4。

图3表示具有上述概要结构的电动机的驱动控制装置的详细的第一实施方式的电路图。

逆变器电路3由3相FET桥接电路构成，且输出到电动机4（定子线圈）的U相、V相、W相的各输出电压Vu、Vv、Vw被输入到升压电路10的上游侧的电容器Cu、Cv、Cw。

电容器Cu、Cv、Cw的输出侧分别连接下游侧的二极管Dud、Dvd、Dwd。这些二极管Dud、Dvd、Dwd的输出侧在上游侧的结合点uc连接，作为共同的输出电压（栅极电压）Vs取出。

共同的栅极电压Vs经由电阻r11，在下游侧的分支点db分支为U、V、W的三个相，经由电阻r21、r22、r23分别供给到U相、V相、W相的半导体继电器5U、5V、5W的栅极。

此外，在电阻r11的下游侧以及下游侧的分支点db之间连接下游侧的一个电容器Cd的一端，并将该电容器Cd的另一端连接电动机4的中性点Vn。

与电容器Cd并行地连接电阻r31以及齐纳二极管（Zener diode）Dz，将栅极电压Vs与中性点Vn之间的电位差限制在齐纳二极管Dz的击穿电压（例如15V左右）以下。由此，可以提高半导体继电器5U、5V、5W的耐久性。

电动机4的U、V、W相的下游侧端子连接半导体继电器5U、5V、5W的漏极，各半导体继电器的5U、5V、5W的源极连接中性点Vn。

此外，配设电源供给电路，将电源电压VB经由电阻r41以及分岔为U相、V相、W相的上游侧的二极管Duu、Dvu、Dwu供给到电容器Cu、Cv、Cw和下游侧的Dud、Dvd、Dwd之间。在本第一实施方式中，在电源以及电阻r41之间（或者在电阻r41与上游侧的二极管Duu、Dvu、Dwu之间）作为开关电路配设三极管Tr1。

该三极管Tr1将从CPU1输出的开关信号输入到基极端子，平常在三极管Tr1的基极端子维持低电平而使得三极管Tr1开启，从而向升压电路10供给电源电压使其工作，同时驱动电动机4。

下面，根据图4以后的时序图进行说明。

图4表示以逆变器电路3的U、V、W的各相的占空为50%来驱动的情况下的各部件的电位。

逆变器电路3的U、V、W各相的输出电压Vu、Vv、Vw为低电平（0V）时，电容器Cu、Cv、Cw的输入侧的各电压也同样为低电平（0V），电容器Cu、Cv、Cw的输出侧的各电压Vuc、Vvc、Vwc变为如下：

Vuc=VB–Vf

Vvw=VB–Vf

Vwc=VB–Vf

其中，Vf为二极管Duu、Dvu、Dwu（以及Dud、Dvd、Dwd）的起始电压（例如0.7V左右）。

另一方面，施加到半导体继电器5U、5V、5W的源极的中性点的电压（源极电压）Vn与逆变器电路3的输出电压同样为低电平（0V）。

此外，施加到半导体继电器5U、5V、5W的栅极的电压（栅极电压）Vs比所述电容器Cu、Cv、Cw的输出电压Vuc、Vvc、Vwc低相当于二极管Dud、Dvd、Dwd的起始电压Vf的量，因此成为如下：

Vs=VB–2Vf

因此，栅极电压Vs与源极电压Vn之间的电位差△Vsn成为VB–2Vf，但该电位差△Vsn=VB–2Vf超过齐纳二极管Dz的击穿电压时，将维持电位差△Vsn=Vz。由于二极管的起始电压为0.7V左右，当电源电压VB设为20V以上，击穿电压Vz设为15V左右时，将维持电位差△Vsn=Vz。

接下来，逆变器电路3的输出电压Vu、Vv、Vw上升为高电平（VB）时，电容器Cu、Cv、Cw的输出电压Vuc、Vvc、Vwc因电荷泵（charge pump）而被拉高相当于逆变器电路3的输出电压VB的量，成为如下：

Vuc=VB–Vf+VB=2VB–Vf

Vvw=VB–Vf+VB=2VB–Vf

Vwc=VB–Vf+VB=2VB–Vf

此外，栅极电压Vs比输出电压Vuc、Vvc、Vwc=2VB–Vf低相当于下游侧的二极管Dud、Dvd、Dwd的起始电压Vf的量，因此成为如下：

Vs=VB–Vf+VB–Vf=2VB–2Vf

同时，源极电压Vn也被拉高相当于逆变器电路3的输出电压上升的量VB。

因此，栅极电压Vs和源极电压Vn之间的电位差△Vsn按照如下计算：

△Vsn=Vs–Vm=2VB–2Vf–VB=VB–2Vf

另外，该电位差△Vsn的计算值VB-2Vf超过齐纳二极管Dz的击穿电压时，电位差△Vsn维持击穿电压Vz。正如上面，当电源电压VB设为20V以上，击穿电压Vz设为15V左右时VB-2Vf超过Vz，因此将维持电位差△Vsn=Vz。

正如上面所述，即使逆变器电路3的输出电压Vu、Vv、Vw在高电平以及低电平之间切换，各半导体继电器5U、5V、5W的栅极电压Vs、源极电压Vn之间也为齐纳二极管Dz规定的击穿电压Vz（或者或者VB–2Vf）。

半导体继电器5U、5V、5W只要电位差△Vsn为继电器驱动电压V0（例如10V左右）以上就会开启，因此确保该继电器驱动电压V0以上的电位差△Vsn（=Vz或者Vb–2Vf）。因此，各半导体继电器5U、5V、5W持续开启，可以继续电动机4的驱动。

接下来，参照图5来说明某一个相例如U相以占空100%驱动，其他的相以低于10%的占空例如以50%来驱动的情况。该运转状况，以动力转向装置为例，在向同一个转动方向进行大幅度转向操作或者将转动方向逆转的情况等电动机4的输出扭矩大幅度增大的情况等发生。

逆变器电路3的输出电压Vu如图所示维持高电平（VB），输出电压Vv、Vw以50%在高电平（VB）和低电平（0V）中反复。

在输出电压Vv、Vw为低电平（0V）时，中性点的电压（源极电压）Vn为从电动机4的U相施加电压Vb，同时V相和W相为低电平（0V），因此平均的电压为1/3·VB。

另一方面，栅极电压Vs通过下列方法求出：

与U、V、W各相以50%的占空驱动的情况同样地，比从电源供给线路施加的电容器Cu、Cv、Cw的输出侧的各电压Vuc、Vvc、Vwc（=VB–Vf）低相当于二极管Dud、Dvd、Dwd的起始电压Vf的量。因此，栅极电压Vs=VB–Vf–Vf=VB–2Vf。

因此，栅极电压Vs与源极电压Vn之间的电位差△Vsn可以按照以下算出：

△Vsn=VB–2Vf–1/3·VB=2/3·VB–2Vf

当该计算值2/3·VB–2Vf超过格纳二极管Dz的击穿电压Vz时，维持电压差△Vsn=Vz。此时，栅极电压Vs为Vs=Vn+△Vsn=1/3VB+Vz。图5表示了△Vsn=Vz、Vs=1/3VB+Vz的情况。

即，电位差△Vsn为2/3·VB–2Vf和Vz之中更小的那一个，任何一种情况都确保继电器驱动电压V0以上，各半导体继电器5U、5V、5W为开启。

此外，输出电压Vv、Vw为高电平（VB）时，输出电压Vu也维持高电平（VB），因此，中性点的电压（源极电压）Vn增大到VB。

此外，电容器Cu的输出电压Vuc维持Vuc=VB–Vf，但电容器Cv、Cw的输出电压Vvc、Vwc因电荷泵升压相当于VB的量，从而Vvc、Vwc=VB–Vf+VB=2VB–Vf。

然后，下游侧的二极管Dud、Dvd、Dwd的结合点uc的电位即栅极电压Vs为Vs=VB–Vf+VB–Vf=2VB–2Vf。

因此，栅极电压Vs与源极电压Vn之间的电位差△Vsn=2VB–2Vf–VB=VB–2Vf，当该电位差超过齐纳二极管Dz的击穿电压Vz时，维持该击穿电压Vz。

这样，一个相以占空100%驱动，其他相以小于100%的占空来驱动时，也确保栅极电压Vs与源极电压Vn之间的电位差△Vsn为继电器驱动电压V0以上，各半导体继电器5U、5V、5W维持开启，继续电动机4的驱动。

这里，在所述特开昭2006-2165中，同样地，在一个相例如U相以占空100%或者将近100%的占空驱动，其他V、W相以更小的占空驱动的运转状况下，由于升压电路按照每一个半导体继电器独立设置，因此电动机的驱动变困难。

即，在U相中以占空100%驱动时，不存在低电平的期间，因此不会上游侧的电容器的上下游之间的电位差保持小的值而进行电荷泵。此外，U相以将近100%而低电平期间短的占空驱动的情况下，同样上游侧电容器的充电放电量小，而不会充分地进行电荷泵。

因此，在U相无法将栅极电压Vs对于源极电压Vn进行充分升压，从而发生U相的半导体继电器不被开启而电动机停止的情况。

与此相比，在上述实施方式中，例如U相以占空100%驱动时，上游侧电容器Cu由于输入电压Vu维持VB，因此输出电压Vuc也维持VB–Vf。但是，其他的V相以及W相在输入电压Vv、Vw通过在低电平（0V）时放电，在高电平时充电的电荷泵，输出电压Vvc、Vwc被升压。然后该升压后的输出电压共同地供给到U、V、W各相，因此U相的半导体继电器5U也维持开启状态，从而可以继续电动机4的驱动。

图6表示逆变器电路2的各相的占空不同时的各部分的电位。

该情况也同样，栅极电压Vs和源极电压Vn之间的电位差△Vsn可以确保为V0以上的值，各半导体继电器5U、5V、5W维持开启，从而可以继续电动机4的驱动。

另一方面，在发生需要手动操作动力转向装置等的情况下等，从CPU1输出对应电动机的切断命令的高电平的开关信号时，三极管Tr关断而切断至升压电路10的电源电压VC的供给，从而电容器Cu、Cv、Cw释放电荷，各半导体继电器5U、5V、5W的栅极电压、源极电压之间的电位差△Vsn减少，半导体继电器的5U、5V、5W关断，从而停止电动机4的驱动。

这里，由于通过一个开关电路的的切断动作来停止多个半导体继电器的5U、5V、5W的工作，因此抑制了多个半导体继电器的停止时间的不一致，可以抑制从切断到各相的半导体继电器5U、5V、5W全部停止的期间的意图之外的电动机的工作，从而可以抑制转向性（驾驶性）的恶化。

图7表示电动机的驱动控制装置的详细的第二实施方式的电路图。

在第二实施方式中，在与第一实施方式同样的电路中，在电阻r11与电阻r12之间连接作为停止升压电路的升压功能而切断电动机的开关电路的三极管Tr2的集电极端子，发射极端子接地，向基极端子输入来自CPU1的开关信号。

平常，通过三极管Tr2的基极端子维持低电平而关断三极管Tr2，从而使得升压电路10工作，同时驱动电动机4。关于工作，与第一实施方式的平常的电动机驱动时（三极管Tr1为开启时）一样。

此外，在从CPU1输出对应电动机的切断命令的高电平的开关信号时，三极管Tr2导通，从而向下游侧电容器Cd充电的电荷被放电。由此，各半导体继电器5U、5V、5W的栅极电压、源极电压之间的电位差Vsn减少，关断各半导体继电器5U、5V、5W从而停止电动机4的驱动。

此外，在第二实施方式中也同样，使用动力转向装置时，由于通过一个开关电路的切断动作来停止多个半导体继电器5U、5V、5W的工作，因此抑制了多个半导体继电器的停止时间的不一致，可以抑制从切断到各相的半导体继电器5U、5V、5W全部停止的期间的意图之外的电动机的工作，从而可以抑制转向性（驾驶性）的恶化。

此外，在第二实施方式中，为了使得开关电路11的切断位置更加接近各半导体继电器5U、5V、5W，可以缩短半导体继电器的停止延迟时间。

此外，在以上的实施方式中，将下游侧的充电用电容器Cd连接到电动机4的电压变动的中性点，从而抑制从逆变器电路3供给的电荷，可以缩短向电容器Cd的充电时间，可以抑制半导体继电器5的工作开始延迟。

其中，也可以将半导体继电器5U、5V、5W连接到逆变器电路3的U、V、W相的输出端子和电动机4的U、V、W相的输入端子之间。

再有，在以上的实施方式中，将U、V、W的三相的输出线路连接升压电路，表示了控制三相的半导体继电器的电路，在电动机的切断时使得三相的半导体继电器关断，从而可以实现高响应的切断。

其中，也可以将U、V、W三相中的两个相的输出线路连接升压电路，从而控制对应的两个相的半导体继电器，可以切断两个相从而切断电动机，进而可以使结构简易化并降低成本而实施。

此外，本发明可以适用于三相以上的n各相的电动机，也可以切断（n–1）相而切断电动机。

作为参考，要求优先权的2013年3月14日申请的第2013-51579号日本发明专利申请的内容全部包含于此。

然而，在本发明中仅筛选了精选内容来进行图解和描述，显然，对于本领域技术人员而言，可以根据公开的内容在不脱离本附属权利要求定义的范围内进行各种变更和修改。

此外，根据本发明的上述内容的描述仅仅为示例，没有限制发明的意图，该发明以权利要求及其等效的内容为准。

Claims

1.一种电动机驱动控制装置，将n（n≥3）相的逆变器电路的各相的输出线路连接到n相的电动机的各相，基于所述逆变器电路的输出信号来驱动控制所述电动机，其中，包括：

升压电路，连接到所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路，将各输出线路的输出进行升压；

各半导体继电器，连接到与所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接的所述电动机的各相，在所述电动机的驱动时作为电动机的驱动信号分配在所述升压电路升压的输出；

开关电路，停止所述升压电路的工作并关断所述各半导体继电器从而切断所述电动机的驱动。

2.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述升压电路包括（n-1）以上的二极管组，通过向所述升压电路的电源供给线路以及所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路的连接点，与所述电源供给线路上游侧连接；以及电荷充电用的电容器，一端连接到该二极管组的输出端，所述电容器的另一端连接到与所述电动机的各相连接的中性点。

3.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述开关电路插入在通往所述升压电路的电源供给线路上。

4.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述开关电路插入在用于释放向所述电容器充电的电荷的线路上。

5.如权利要求2所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述升压电路包括齐纳二极管，该齐纳二极管与所述电容器并联连接并限制该电容器的端子间电压为规定值以下。

6.如权利要求2所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述升压电路还包括：（n-1）以上的上游侧的电荷充电用电容器组，连接到所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路与所述二极管组的连接点之间；以及（n-1）相以上的下游侧的二极管组，连接到该电容器组的下游侧，所述下游侧的二极管组的输出端子之间在一点连接，并将该一连接点的输出分配给所述各半导体继电器。

7.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述各半导体继电器连接到与所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接的电动机的各相的输出侧和所述电动机的各相所连接的中性点之间。

8.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

所述各半导体继电器连接到所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路和该（n-1）相以上的电动机的各相之间。

9.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

U、V、W的三相的逆变器的三相的输出线路连接到升压电路。

10.如权利要求1所述的电动机驱动控制装置，其中，

U、V、W的三相的逆变器的二相的输出线路连接到升压电路。

11.如权利要求1所述的电动机的驱动控制装置，其中，

所述电动机为用于驱动车辆的电动动力转向装置的电动机。

12.一种电动机驱动控制装置，将n（n≥3）相的逆变器电路的各相的输出线路连接到n相的电动机的各相，基于所述逆变器电路的输出信号来驱动控制所述电动机，其中，包括：

升压部件，连接到所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路，将各输出线路的输出进行升压；

各半导体继电器，连接与所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接的所述电动机的各相，在所述电动机的驱动时作为电动机的驱动信号分配在所述升压部件升压的输出；

开关部件，停止所述升压部件的工作并关断所述各半导体继电器从而切断所述电动机的驱动。

13.一种电动机驱动控制方法，将n（≥3）相的逆变器电路的各相的输出线路连接到n相的电动机的各相，基于所述逆变器电路的输出信号来驱动控制所述电动机，其中，包括以下步骤：

在所述电动机的驱动时，通过升压电路对所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出进行升压；

将通过所述升压电路升压的输出作为电动机驱动信号分配给与电动机的各相连接的各半导体继电器，其中所述电动机与所述逆变器电路的（n-1）相以上的输出线路连接；

停止所述升压电路的工作从而切断电动机的驱动。