CN104052372A - 电机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有用于驱动电源继电器的驱动电路和提供故障保险功能的相继电器的电机驱动装置。该电机驱动装置包括：用于向电机供电的逆变电路；布置在供电线上、用于从电源向逆变电路供电的电源继电器；布置在逆变电路与电机之间的驱动线上、由半导体开关元件构成的相继电器；以及连接至相继电器和电源继电器的驱动电路。相继电器和电源继电器共享同一条驱动电路，并且相继电器和电源继电器由来自于驱动电路的驱动信号同时驱动。

Description

电机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于驱动电机的电机驱动装置，更具体地说，涉及一种具有用于驱动电源继电器的驱动电路和提供故障保险功能的相继电器的电机驱动装置。
背景技术
日本公开专利申请2011-244611揭示了一种采用脉宽调制（PWM）控制方法的电机驱动装置。该电机驱动装置具有由具有预定占空比的PWM信号驱动的逆变电路和布置在逆变电路与电机之间的位置的故障保险电路。
逆变电路由所谓的三相电桥构成，其中，每个开关元件根据PWM信号执行通断操作，从而通过故障保险电路从逆变电路向电机的每相提供驱动电压。例如，当发生异常状况时，故障保险电路会切断从逆变电路至电机的供电，从而执行故障保险功能。文中揭示了采用N沟道MOS场效应晶体管（MOSFET）作为构成逆变电路和故障保险电路的开关元件的例子。
在上述专利文件内揭示的电机驱动装置中，故障保险电路的MOSFET的通断分别由故障保险驱动单元控制。而且，采用机械继电器作为电源继电器，机械继电器的开合由控制单元控制。虽然该专利文件揭示了可以采用半导体开关元件来代替机械继电器，但是该电路结构基于采用机械开关的前提，并且机械开关的控制独立于故障保险电路的MOSFET的控制。
但是，若故障保险电路的MOSFET配置为逐个控制通断，则故障保险驱动单元的电路构造会变得复杂。而且，由于故障保险驱动单元是与控制单元分开布置的，因此存在器件数目增加且难以节省成本的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电机驱动装置，该电机驱动装置可实现电路构造简化，减少器件数目，从而降低成本。
为了实现上述目的，本发明的电机驱动装置包括：用于向电机供电的逆变电路；布置在供电线上、用于从电源向逆变电路供电的电源继电器；布置在逆变电路与电机之间的驱动线上、由半导体开关元件构成的相继电器，其特征在于，该电机驱动装置还包括：连接至相继电器和电源继电器用于驱动相继电器和电源继电器的驱动电路。
通过下文中参照附图进行的说明，能够理解本发明的其它目的和特征。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例的电机驱动装置的电路图。
图2是示出本发明的第二实施例的电机驱动装置的电路图。
图3是示出本发明的第三实施例的电机驱动装置的电路图。
图4是图3所示的电机驱动装置的第一种变化形式的电路图。
图5是图3所示的电机驱动装置的第二种变化形式的电路图。
图6是一种EPS系统的构造实例的示意图，该EPS系统包括助力转向电机，本发明的一个实施例的电机驱动装置应用在该电机上。
具体实施方式
图1是示出本发明的第一实施例的电机驱动装置的电路图。该电机驱动装置包括：用于驱动电机M（在此例子中为三相电机）的逆变电路1；用于控制逆变电路1的逆变驱动电路2；相继电器3U、3V和3W；用于电涌保护的齐纳二极管4U、V和4W；电源继电器5；电源集成电路（IC）6；作为控制器的微型计算机7；具有分立结构的驱动电路8；升压电路9；以及开关10等。
逆变电路1具有分别用于经由驱动线11U、11V和11W驱动电机M的U、V和W相的三组开关元件。在此例子中，开关元件由N沟道MOSFET1UH、1UL、1VH、1VL、1WH和1WL构成。MOSFET1UH和1UL串联在用于从电源（例如电池14）供电的供电线13与接地点之间，从而其漏极-源极电流路径串联，其公共连接点还与驱动线11U的一端连接。MOSFET1VH和1VL串联在供电线13与接地点之间，从而其漏极-源极电流路径串联，其公共连接点还与驱动线11V的一端连接。MOSFET1WH和1WL串联在供电线13与接地点之间，从而其漏极-源极电流路径串联，其公共连接点还与驱动线11W的一端连接。
逆变驱动电路2具有分别与电源侧MOSFET1UH、1UH和1VH对应的高侧（H侧）驱动装置2UH、2VH和2WH，以及分别与接地点侧MOSFET1UL、1UL和1VL对应的低侧（L侧）驱动装置2UL、2VL和2WL。这些H侧驱动装置2UH、2VH和2WH和L侧驱动装置2UL、2VL和2WL由升压电路9产生的升高电压供电。H侧驱动装置2UH、2VH和2WH的输出端子分别连接至MOSFET1UH、1UH和1VH的栅极，从而有选择性地对这些MOSFET进行通断控制。L侧驱动装置2UL、2VL和2WL的输出端子分别连接至MOSFET1UL、1UL和1VL的栅极，从而有选择性地对这些MOSFET进行通断控制。
相继电器3U、3V和3W分别布置在用于驱动电机M的驱动线11U、11V和11W上。这些相继电器3U、3V和3W是半导体继电器，在此例子中，它们是N沟道MOSFET。控制信号CS从驱动电路8经由第一控制线15提供至这些MOSFET的栅极。在第一控制线15和分别把电机M的各相与相继电器3U、3V和3W连接的驱动线11U、11V和11W的电机侧线路部分之间，连接有用于各相的齐纳二极管（第一电涌保护装置）4U、4V和4W的阴极和阳极，从而它们作为电涌保护电路。即，齐纳二极管4U、4V和4W布置在连接至驱动电路8的相继电器3U、3V和3W的MOSFET的第一连接端子和连接至电机M的MOSFET的第二端子之间的位置。
在微型计算机7的控制下，驱动电路8经由第一控制线15向相继电器3U、3V和3W提供具有由升压电路9升高的电压电平的控制信号CS，从而同时控制这些相继电器的通断。而且，驱动电路8配置为经由第二控制线16向电源继电器5（机械继电器）提供控制信号CS，以开合电源继电器5，从而从电池14向逆变电路1供电（工作电力）。
电源IC6根据从电池14经由开关10（例如点火开关）提供的供电电压向微型计算机7提供工作电力。供电电压还从电池14经由开关10向升压电路9提供，升压电路9使供电电压升高，以产生升高电压。
在此，在MOSFET1UH、1UL、1VH、1VL、1WH、1WL中和构成相继电器3U、3V和3W的MOSFET中，漏极和源极之间的二极管D1-D9是寄生二极管。
在上述构造中，当开关10接通时，从电源IC6向微型计算机7提供工作电力，供电电压被升压电路9升高，并提供至逆变驱动电路2。微型计算机7控制驱动电路8，使驱动电路8向逆变驱动电路2输出信号，例如脉宽调制（PWM）信号。在逆变驱动电路2中，H侧驱动装置2UH、2VH和2WH以及L侧驱动装置2UL、2VL和2WL根据PWM信号分别向逆变电路1中的MOSFET1UH、1VH、1WH、1UL、1VL和1WL的栅极提供驱动信号，从而有选择性地对这些MOSFET进行通断控制。
而且，此驱动电路8经由第一控制线15向相继电器3U、3V和3W提供控制信号CS，从而同时对这些相继电器进行通断控制，驱动电路8还经由第二控制线16向电源继电器5提供控制信号CS，从而对电源继电器5进行通断控制。
然后，在驱动电机M时，相继电器3U、3V和3W的MOSFET导通，电源继电器5闭合，在此状态中，逆变电路1的MOSFET1UH、1VH、1WH、1UL、1VL和1WL被有选择性地控制通断，从而经由驱动线11U、11V和11W对电机M进行三相驱动。在此，可以根据具体情况改变PWM信号的占空比，以控制电机M的转速。
同时，在发生异常状态时，相继电器3U、3V和3W的MOSFET会被驱动电路8关断，以切断从逆变电路1至电机M的电力供应，电源继电器5开路，以切断电池14的供电。通过这种方式，能够强制停止电机M，以执行故障保险功能等。
根据上述构造，可以使相继电器3U、3V、3W与电源继电器5共享驱动电路8，以同时控制相继电器和电源继电器。相应地，能够简化驱动电路的电路结构并减少器件数目，从而实现降低成本、减少尺寸、降低故障率和提高可靠性等目的。
而且，从电池14至逆变电路1的供电线路13断开，电机M的驱动线路11U、11V和11W断开，从而停止向逆变电路1供电，并停止向电机M提供驱动电压，这样，即使供电线路13和驱动线路11U、11V和11W中的某一条无法切断，也能停止电机M。
[第二实施例]
图2是示出本发明的第二实施例的电机驱动装置的电路图。该电机驱动装置的电路与图1所示的电路相同，不同之处是电源继电器5从机械继电器变为半导体继电器。在这个实施例中，采用一个N沟道MOSFET作为电源继电器17的半导体开关元件。此MOSFET提供在供电线13上，其漏极连接至电源（例如电池14），其源极连接至逆变电路1的电源端子。从驱动电路8经由第二控制线16向此MOSFET的栅极提供控制信号CS。在此MOSFET的源极和栅极之间，分别连接有用作电涌保护电路的齐纳二极管（第二电涌保护装置）的阳极和阴极。
在此，MOSFET的漏极和源极之间的二极管D10是寄生二极管。
由于图2中的其它基本电路结构与图1中所示的相同，因此图2与图1中共用的器件以相同的数字表示，并省略其详细说明。
在上述的第二实施例中，由于电源继电器17从机械继电器变为半导体继电器，因此能够降低故障率，提高可靠性，并通过减小体积来实现小型化。
[第三实施例]
图3是示出本发明的第三实施例的电机驱动装置的电路图。该电机驱动装置在图2所示的电路的第一控制线15和第二控制线16上分别具有高阻值电阻19和20（第一和第二减流装置）。而且，该电机驱动装置在接地点和把电源继电器17与逆变电路1连接的供电线13的逆变器侧线路部分之间具有电荷积聚元件，即滤波电容（蓄电装置）。
由于图3中的其它基本电路结构与图2中所示的相同，因此图3与图2中共用的器件以相同的数字表示，并省略其详细说明。
根据这种构造，当相继电器3U、3V和3W处于关断状态时，高阻值电阻19和20可防止由电机M的绕组中产生的反电动势导致的电流通过齐纳二极管4U、4V和4W、第一控制线15、以及第二控制线16流入电源继电器17（作为潜行电流）。相应地，能够防止作为电源继电器17的MOSFET的栅极和源极之间的电压升高，从而避免误导通。
而且，由于在逆变电路1的供电线13上提供有滤波电容21，因此能够获得逆变电路1的供电能力。另外，当电机M停止时，高阻值电阻20和19能够防止由本实施例中的滤波电容21中的电荷积聚导致的电流通过齐纳二极管18、第二控制线16和第一控制线15流入相继电器3U、3V和3W（作为潜行电流）。相应地，能够防止作为相继电器3U、3V和3W的MOSFET的栅极和源极之间的电压升高，从而避免误导通。
因此，在第三实施例中，由于能够减少由相继电器3U、3V和3W以及电源继电器17的驱动电路8的分压导致的潜行电流，因此能够防止相继电器3U、3V和3W以及电源继电器17发生误导通。
（第一变化形式）
图4是图3所示的电机驱动装置的第一种变化形式的电路图。该电机驱动装置的电路与图3所示的电路相同，不同之处是不采用高阻值电阻19，而是在分别构成相继电器3U、3V和3W的MOSFET的栅极与用于从驱动电路8提供控制信号CS的第一控制线15之间的位置提供有用作减流电路（第一减流装置）的高阻值电阻19U、19V和19W。换言之，虽然图3所示的电路在第一控制线15上具有高阻值电阻19，但是图4所示的电路在第一控制线15的分接位置具有高阻值电阻19U、19V和19W，从而高阻值电阻19U、19V和19W布置为分别与齐纳二极管4U、4V和4W串联。
由于图4中的其它基本电路结构与图3中所示的相同，因此图4与图3中共用的器件以相同的数字表示，并省略其详细说明。
根据这种构造，当相继电器3U、3V和3W处于关断状态时，高阻值电阻19U、19V、19W和20可防止由电机M的绕组中产生的反电动势导致的电流通过齐纳二极管4U、4V和4W、第一控制线15、以及第二控制线16流入电源继电器17（作为潜行电流）。相应地，能够防止构成电源继电器17的MOSFET导致误导通。
而且，当电机M停止时，高阻值电阻19U、19V、19W和20能够防止由本实施例中的滤波电容21中的电荷积聚导致的电流通过齐纳二极管18、第二控制线16和第一控制线15流入相继电器3U、3V和3W（作为潜行电流）。相应地，能够防止构成相继电器3U、3V和3W的MOSFET导致误导通。
（第二变化形式）
图5是图3所示的电机驱动装置的第二种变化形式的电路图。该电机驱动装置采用齐纳二极管作为第一和第二减流电路（第一和第二减流装置），而不是采用电阻。即，除了用于相继电器3U、3V和3W的电涌保护的齐纳二极管4Ua、4Va和4Wa，还提供了齐纳二极管4Ub、4Vb和4Wb，从而构成背靠背结构，以防止潜行电流。而且，除了用于电源继电器17的电涌保护的齐纳二极管18a，还提供了齐纳二极管18b，从而构成背靠背结构，以防止潜行电流。齐纳二极管4Ub、4Vb和4Wb作为第二减流电路，即，第二减流装置。
由于图5中的其它基本电路结构与图3中所示的相同，因此图5与图3中共用的器件以相同的数字表示，并省略其详细说明。
根据这种构造，当相继电器3U、3V和3W处于关断状态时，反向布置的齐纳二极管4Ub、4Vb和4Wb可防止由电机M的绕组中产生的反电动势导致的电流通过齐纳二极管4Ua、4Va和4Wa、第一控制线15、以及第二控制线16流入电源继电器17。从而能够防止电源继电器17发生故障。
而且，当电机M停止时，齐纳二极管18b能够防止由本实施例中的滤波电容21中的电荷积聚导致的电流通过齐纳二极管18a、第二控制线16和第一控制线15流入相继电器3U、3V和3W。从而能够防止相继电器3U、3V和3W发生故障。
在此，在第一至第三实施例以及第一和第二变化形式中，升压电路9的输出提供至逆变驱动电路2和驱动电路8。但是，该输出还可提供至逆变电路1，从而从同一条升压电路向电源继电器17、相继电器3U、3V和3W、以及逆变电路1提供升高电压。
而且，本文中说明了采用齐纳二极管实现电涌保护的例子。但是，也可以采用二极管，并且可以根据需要把多级二极管串联起来。而且，本文中说明了采用电阻或齐纳二极管减少潜行电流的例子。但是，也可以采用二极管、其它负载元件或它们的组合。
（应用实例）
图6是一种电动助力转向（EPS）系统的构造实例的示意图，该EPS系统包括助力转向电机，本发明的一个实施例的电机驱动装置应用在该电机上。该EPS系统包括方向盘30、转向扭矩检测传感器31、助力电机32和控制单元33等。在包裹着转向轴34的转向柱35中，提供有转向扭矩检测传感器31和减速器36。
当车辆司机操作方向盘30时，转向扭矩检测传感器31检测转向轴34中产生的转向扭矩，控制单元33根据此转向扭矩信号S1和车速信号S2等信号驱动助力电机32，使助力电机32产生适合于行车状况的转向辅助力。通过这种方法，当布置在转向轴34的末端的小齿轮37转动时，齿条轴38相对于车行方向左右水平移动，而车辆司机对方向盘30的操作传递至轮胎39，从而实现转向。
在此，助力电机32与电机M对应，控制单元33与微型计算机7对应，转向扭矩信号S1和车速信号S2提供至微型计算机7，以控制驱动电路8。然后，助力电机32由逆变驱动电路2和逆变电路1驱动，产生适合于行车状况的转向辅助力，从而构成一个具有在上述实施例和其变化形式中所述的功能和效果的EPS系统。
（研究结果）
对采用每个继电器都配有驱动电路的结构的常规电子控制器（ECU）以及本发明的实施例的电路结构的成本估算结果表明，本发明能够降低25%成本。
当然，本发明的电机驱动装置不仅可用于上述的动力转向助力电机，而且可用于各种电机驱动装置。
于2013年3月14日提交的日本专利申请2013-052145的完整内容通过引用结合在此，本文要求该专利申请的优先权。
虽然本发明是通过一些选定实施例来示意和说明的，但是对所属领域的技术人员显而易见的是，根据本文中的揭示，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的前提下，能够做出各种更改和变化。
而且，本发明的实施例的上述说明仅是为了示例目的而提供的，不对本发明构成任何限制。本发明的范围仅由所附权利要求和其等效内容限定。

Claims (18)

1.一种电机驱动装置，包括：
用于向电机（M）供电的逆变电路(1)；
布置在电源线(13)上、用于从电源(14)向逆变电路(1)供电的电源继电器(5、17)；和
布置在逆变电路(1)和电机(M)之间的驱动线(11U、11V、11W)上、由半导体开关元件构成的相继电器(3U、3V、3W)，
其特征在于，该电机驱动装置还包括：
连接至相继电器(3U、3V、3W)和电源继电器(5、17)、用于驱动相继电器(3U、3V、3W)和电源继电器(5、17)的驱动电路(8)。
2.如权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：
把驱动电路(8)与相继电器(3U、3V、3W)连接起来的第一控制线(15)；
第一电涌保护装置(4U、4V、4W、4Ua、4Va、4Wa)，布置在把电机(M)与相继电器(3U、3V、3W)连接起来的驱动线(11U、11V、11W)的电机侧线路部分与第一控制线(15)之间的位置，并配置为保护相继电器(3U、3V、3W)不受电涌侵害；和
用于减少从电机(M)流入第一控制线(15)的潜行电流的第一减流装置(19、19U、19V、19W、4Ub、4Vb、4Wb)。
3.如权利要求2所述的电机驱动装置，其特征在于，第一减流装置(19)布置在第一控制线(15)上。
4.如权利要求2所述的电机驱动装置，其特征在于，第一减流装置(19U、19V、19W)布置在从第一控制线(15)分接的位置，从而与第一电涌保护装置(4U、4V、4W、4Ua、4Va、4Wa)串联。
5.如权利要求2-4中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，第一电涌保护装置(4U、4V、4W、4Ua、4Va、4Wa)包括齐纳二极管和二极管中的至少一种，第一减流装置(19、19U、19V、19W、4Ub、4Vb、4Wb)包括齐纳二极管、二极管、电阻和负载元件中的至少一种。
6.如权利要求2-5中任一项所述的电机驱动装置，还包括：
把驱动电路(8)与电源继电器(17)连接起来的第二控制线(16)；
电荷积聚装置(21)，布置在逆变电路(1)与电源继电器(17)之间的供电线(13)的逆变器侧线路部分上；
第二电涌保护装置(18)，连接在第二控制线(16)和逆变器侧线路部分之间的位置；和
第二减流装置(20)，用于减少从电荷积聚装置(21)流入第二控制线(16)的潜行电流。
7.如权利要求6所述的电机驱动装置，其特征在于，电源继电器(17)由半导体开关元件构成。
8.如权利要求6或7所述的电机驱动装置，其特征在于，电荷积聚装置(21)是布置在供电线(13)和接地点之间的位置的滤波电容。
9.如权利要求6或7所述的电机驱动装置，其特征在于，第二减流装置(20)包括布置在第二控制线(16)上的齐纳二极管、二极管、电阻和负载元件中的至少一种。
10.如权利要求6所述的电机驱动装置，其特征在于，第二减流装置(20)包括与第二电涌装置(18)串联的齐纳二极管和二极管中的至少一种。
11.如权利要求1-10中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，构成相继电器(3U、3V、3W)的半导体开关元件包括N沟道MOSFET。
12.如权利要求1-11中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，电机(M)是三相电机。
13.如权利要求12所述的电机驱动装置，其特征在于，逆变电路(1)包括为三相电机的驱动线(11U、11V、11W)中的每一条提供的上游侧驱动元件(1UH、1VH、1WH)和下游侧驱动元件(1UL、1VL、1WL)。
14.如权利要求13所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：
由升高供电电压供电、用于控制逆变电路的逆变驱动电路(2)。
15.如权利要求14所述的电机驱动装置，其特征在于，逆变驱动电路(2)包括：为每相提供的高侧驱动装置(2UH、2VH、2WH)和低侧驱动装置(2UL、2VL、2WL)，所述高侧驱动装置(2UH、2VH、2WH)用于控制逆变电路(1)的上游侧驱动元件(1UH、1VH、1WH)，所述低侧驱动装置(2UL、2VL、2WL)用于控制逆变电路(1)的下游侧驱动元件(1UL、1VL、1WL)。
16.如权利要求1-15中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：
升压电路(9)，用于升高供电电压并向驱动电路(8)提供升高电压，以便使驱动电路(8)根据升高电压向相继电器(3U、3V、3W)和电源继电器(5、17)提供控制信号。
17.如权利要求1-16中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：
用于控制驱动电路(8)的微型计算机(7)；和
用于根据供电电压向微型计算机(7)提供工作电力的电源IC(6)。
18.如权利要求1-5和11-17中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，电源继电器(5、17)包括机械继电器和半导体继电器中的一种。
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