CN106467130B - 用于驱动马达的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种马达驱动装置，其包括：H桥电路，其包括第一腿部和第二腿部，第一腿部和第二腿部中的每一个具有设置在其中并且彼此串联的一对开关并且被配置成将驱动电流供给至马达；电流传感器，其设置在H桥电路和电压源之间；以及控制器，其被配置成在第一时间段从电流传感器获取第一感测信号，在第一时间段期间，打开信号被供给至设置在第一腿部中的第一开关或设置在第二腿部中的第四开关，被配置成在第二时间段从电流传感器获取第二感测信号，在第二时间段期间，打开信号被供给至设置在第一腿部中的第二开关或设置在第二腿部中的第三开关，并被配置成根据第一感测信号和第二感测信号中的至少一个的特性确定H桥电路中是否存在异常。

Description

用于驱动马达的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月21日提交的申请号为10-2015-0117622的韩国专利申请的优先权，其通过引用并入本文用于所有目的，如同在本文中充分阐述。
技术领域
本发明涉及用于驱动马达的技术。更具体地，本发明涉及一种确定在马达驱动电路中是否存在异常以及执行安全算法的技术。
背景技术
转向系统是指一种根据驾驶员的转向控制车辆的前进方向的设备。转向系统包括由驾驶员直接操作的方向盘和将方向盘的转向力传输至车辆的车轮的转向装置。此外，最新转向系统进一步包括用于通过协助有驾驶员通过其操作方向盘的力而提供驾驶的便利性的辅助动力转向设备。
辅助动力转向设备通过产生与驾驶员通过其操作方向盘的力成比例的马达转矩协助传输至车辆的车轮的力，这能使驾驶员使用马达转矩的协助容易地操作车辆的车轮。
辅助动力转向设备包括用于产生上述马达转矩的马达驱动装置。如果马达驱动装置正常运行，则马达能够被控制以产生如上所述与驾驶员通过其操作方向盘的力成比例的马达转矩。与此相反，如果马达驱动装置不正常运行，则马达驱动装置本身很可能被损坏，并且可能会异常操作马达以导致转向控制被非正常执行或导致转向系统进入锁定状态。
发明内容
在这种背景下，本发明的方面是提供一种确定在马达驱动装置中是否存在异常的技术。本发明的另一方面是提供一种根据马达驱动装置的异常操作执行安全算法的技术。
根据本发明的方面，提供一种马达驱动装置。马达驱动装置包括：H桥电路，其包括第一腿部和第二腿部，第一腿部和第二腿部中的每一个具有设置在其中并且彼此串联的一对开关并且配置成将驱动电流供给至马达；电流传感器，其设置在H桥电路和电压源之间；以及控制器，其被配置成在第一时间段从电流传感器获取第一感测信号，在第一时间段期间，打开信号被供给至设置在第一腿部中的第一开关或设置在第二腿部中的第四开关，被配置成在第二时间段从电流传感器获取第二感测信号，在第二时间段期间，打开信号被供给至设置在第一腿部中的第二开关或设置在第二腿部中的第三开关，并且被配置成根据第一感测信号和第二感测信号中的至少一个的特性确定H桥电路中是否存在异常。
根据本发明的另一方面，提供一种使用H桥电路驱动马达的方法。方法包括：栅极驱动步骤，其在第一时间段将打开栅极信号供给至设置在H桥电路的第一腿部中的第一开关以及设置在第二腿部中的第四开关以及在第二时间段将打开栅极信号供给至设置在第一腿部中的第二开关以及设置在第二腿部中的第三开关；电流感测步骤，其在第一时间段和第二时间段采样在设置在H桥电路和电压源之间的分流电阻器中形成的感测电压一次或多次；正常确定步骤，其根据在第一时间段采样的第一感测信号和在第二时间段采样的第二感测信号中的至少一个的特性确定H桥电路中是否存在异常；以及故障安全步骤，其当确定H桥电路中存在异常时，将根据故障安全算法的栅极信号供给至各个开关。
如上所述，根据本发明，有可能确定马达驱动装置中是否存在异常并且根据确定结果执行安全算法。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点将根据结合附图得到的以下详细描述更显而易见，其中：
图1A说明根据一个实施例的马达驱动装置的结构。
图1B说明根据另一实施例的马达驱动装置的结构。
图2是图1A的控制器的框图。
图3说明在处于正常运行状态的驱动装置产中产生的波形。
图4说明运行异常的马达驱动装置的一个实施例的结构。
图5说明与图4中说明的驱动装置类似的处于异常运行状态中的驱动装置中产生的波形。
图6是说明根据一个实施例的控制驱动装置的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施例。在每张附图中的元件添加附图标记时，虽然它们在不同附图中示出，如果有可能，相同的元件将由相同的附图标记指定。另外，在本发明的以下描述中，当确定描述可使本发明的主题相当不清楚时，本文中包括的已知功能和配置的详细描述将被省略。
此外，当描述本发明的组件时，可在本文中使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等术语。这些术语仅仅用于区分一个结构元件与其它结构元件，相应的结构元件的属性、顺序、序列等不受术语的限制。应当注意的是，当说明书中描述一个组件“被连接至”、“被联接至”或“被接合至”另一组件时，虽然第一组件可被直接连接至、联接至或接合至第二组件，但是第三组件可“被连接”、“被联接”或“被接合”在第一组件和第二组件之间。
图1A说明根据一个实施例的马达驱动装置的结构。
参照图1A，驱动装置100可包括H桥电路110、电压源120、电流传感器130以及控制器140。
H桥电路110可包括第一腿部111和第二腿部115。彼此串联连接的第一开关112和第二开关114可被设置在第一腿部111中。此外，彼此串联连接的第三开关116和第四开关118可被设置在第二腿部115中。
开关112、114、116和118可包括可分别经受打开控制的功率半导体。例如，开关112、114、116和118可包括场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极模式晶体管(IGBT)等。开关112、114、116和118可包括被并联连接至功率半导体用于允许反向电流的二极管。
通过H桥电路110产生的驱动电流im可被供给至马达10，马达10的一侧被连接至第一开关112和第二开关114接合的节点，马达10的另一侧被连接至第三开关116和第四开关118接合的节点。
电流传感器130可被设置在H桥电路110和电压源120之间。电流传感器130可以是霍尔传感器型或电阻型。被称为分流电阻器的高精度电阻器可用作电流传感器130。
电流传感器130可与电压源120的正电极或负电极连接。电压源120的负电极可与地面连接，在这种情况下，电流传感器130也可与地面连接。
控制器140可从电流传感器130获取感测信号并且可使用感测信号控制H桥电路110。对应于感测电流is的感测电压Vs可在电流传感器130中形成，控制器140可根据感测电压Vs估计或计算感测电流is。
控制器140可打开或关闭被设置在H桥电路110中的开关112、114、116和118。为了控制开关112、114、116和118，控制器140可产生栅极信号G1、G2、G3和G4并可将栅极信号G1、G2、G3和G4传输至开关112、114、116和118。
开关112、114、116和118可根据通过控制器140产生的栅极信号G1、G2、G3和G4被打开或关闭。此外，朝向马达10流动的驱动电流im可根据开关112、114、116和118的打开或关闭产生。
图1B示出根据另一实施例的马达驱动装置的结构。
参照图1B，驱动装置100可包括H桥电路110、电压源120、电流传感器190和控制器140。在图1B中的电流传感器190可被设置在H桥电路110和电压源120之间，但可在电流传感器190的正电极处与电压源120连接且在电流传感器190的负电极处与H桥电路110连接，其与图1A的电流传感器130相反。即，电流传感器190可被连接在电压源120和H桥电路110的第一开关112和第三开关116之间。同时，在这种情况下，通过电流传感器感测的电流的极性可与图1A中的极性相反。
此后，为了描述的方便，假设电流传感器130如图1A中说明的方式连接。然而，本发明的实施例的概念也可被相同地应用于电流传感器190如图1B说明的方式连接的情况，其可落入本发明的精神和范围内。
图2是图1A的控制器的框图。
参照图2，控制器140可包括感测块210、分析块220以及栅极驱动块230。
感测块210可使用从电流传感器130输入的感测电压Vs估计或计算感测电流is。分析块220可使用获得的感测电流is确定H桥电路110中是否存在异常。栅极驱动块230可产生用于控制开关112、114、116和118的打开或关闭的栅极信号G1、G2、G3和G4并且可根据分析块220的分析结果控制H桥电路110的开关112、114、116和118。
感测块210可包括采样&保持电路并可通过在每个特定时间点处理从电流传感器130接收的感测信号估计或计算感测电流。开关112、114、116和118可根据脉冲宽度调制(PWM)周期(参见图3的T)被重复地打开或关闭，感测块210可响应于PWM周期(参见图3的T)处理感测信号。
栅极驱动块230可包括用于产生栅极信号G1、G2、G3和G4的栅极驱动电路。此外，栅极驱动块230可进一步包括用于感测开关112、114、116和118的状态的电路。例如，栅极驱动块230可进一步包括用于感测漏-源电压的电路。开关112、114、116和118的感测的状态值可被传递至分析块220。
分析块220可根据从感测块210接收的感测信号确定H桥电路110中是否存在异常。
此外，根据实施例，分析块230可根据从栅极驱动块230接收的信号确定H桥电路110中是否存在异常。例如，栅极驱动块230可感测开关112、114、116和118的状态，分析块220可基于这些状态值确定H桥电路110中是否存在异常。通过特定示例的方式，栅极驱动块230可感测开关112、114、116和118的漏-源电压，分析块220可基于漏-源电压确定开关112、114、116和118是否正常停止工作。当打开栅极信号被传递至开关112，114、116和118时，漏-源电压必须是接近0V的低电压，当关闭栅极信号被传递至开关112、114、116和118时，漏-源电压必须是高电压。当漏-源电压不匹配栅极信号G1、G2、G3和G4时，分析块220可确定开关112、114、116和118中存在故障。
同时，分析块220可通过分析从感测块210接收的感测信号的特性确定H桥电路110中是否存在异常。与当H桥电路110正常运行时相比，当H桥电路110异常运行时从感测块210接收的感测信号的特性可变化，并且分析块220可通过分析感测信号的特性确定H桥电路110中是否存在异常。
图3说明在处于正常运行状态中的驱动装置中产生的波形。
参照图3，栅极信号G1、G2、G3和G4具有根据预定的脉冲宽度调制(PWM)周期T重复的逻辑高值和逻辑低值。在这种情况下，当被供给至开关112、114、116和118的栅极信号G1、G2、G3和G4具有逻辑高值时，开关112、114、116和118可被打开，当被供给至开关112、114、116和118的栅极信号G1、G2、G3和G4具有逻辑低值时，开关112、114、116和118可被关闭。
被供给至第一开关112的第一栅极信号G1和被供给至第四开关118的第四栅极信号G4可彼此同步。此外，被供给至第二开关114的第二栅极信号G2和被供给至第三开关116的第三栅极信号G3可彼此同步PWM周期T可被划分成第一周期T1和第二周期T2。打开栅极信号可在第一时间段T1被供给至第一开关112和第四开关118，打开栅极信号可在第二时间段T2被供给至第二开关114和第三开关116。
在这种情况下，朝向马达10流动的驱动电流im可相对于特定的幅度(magnitude)反复地增大和减小。
当驱动电流im相对于特定的幅度反复地增大和减小时，感测电流is的极性可变化。例如，感测电流is可具有正极性同时具有与在第一时间段T1内的驱动电流im相同的幅度并且可具有与驱动电流im相反的负极性同时具有与在第二时间段T2内的驱动电流im相同的绝对值。
控制器140可在第一时间T1中的一个时间点A处采样感测电流is并且可在第二时间T2中的一个时间点B处采样感测电流is。在这种情况下，如果驱动装置100正常运行，则在第一时间T1中的时间点A处的感测电流的极性可与在第二时间T2中的时间点B处的感测电流的极性不同。
针对第一周期时间T1的感测电流is可具有与驱动电流im相同的绝对值和极性，针对第二周期时间T2的感测电流is可具有与驱动电流im相同的绝对值但是与驱动电流im极性不同的极性。
当与在H桥电路110的正常运行状态下观测的感测电流is的特性不同的特性如上所述被感测到时，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当与在H桥电路110的正常运行状态下观测的感测电流is的特性相同的特性被感测到时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
例如，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与第一正常信号的极性(例如在图3中说明的正极性)不同或在时间点B处感测的第二感测信号的极性与第二正常信号的极性(例如在图3中说明的负极性)不同时，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与第一正常信号的极性(例如在图3中说明的正极性)相同或在时间点B处感测的第二感测信号的极性与第二正常信号的极性(例如在图3中说明的负极性)相同时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
在另一示例中，当在时间点A处感测的第一感测信号的幅度超出第一正常信号的范围(例如相对于图3中说明的10A的特定范围)或当时间点B处感测的第二感测信号的幅度超出第二正常信号的范围(例如相对于图3中说明的-10A的特定范围)时，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当在时间点A处感测的第一感测信号的幅度在第一正常信号的范围(例如相对于图3中说明的10A的特定范围)中或当时间点B处感测的第二感测信号的幅度在第二正常信号的范围(例如相对于图3中说明的-10A的特定范围)中时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
在另一示例中，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与在时间点B处感测的第二感测信号的极性彼此相同时，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与在时间点B处感测的第二感测信号的极性彼此不同时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
图4说明异常运行的马达驱动装置的一个实施例的结构。
马达驱动装置可以各种形式发生故障。故障的代表性示例可以是开关112、114、116和118的短路或断路。图4说明第一开关112具有短路的情况。当如图4中说明，短路发生在第一开关112中时，电阻器与功率半导体并联连接的效果可被获得。在这种情况下，电阻器的幅度可非常小。
当开关112、114、116和118具有短路时，开关112、114、116和118的打开和关闭不通过栅极信号控制。因此，大电流可在具有短路的开关中引起。
图5说明与图4中说明的驱动装置类似的处于异常运行状态中的驱动装置中产生的波形。
当正常的栅极信号G1、G2、G3和G4被供给至开关112、114、116和118同时短路发生如图4中说明的第一开关112中时，第一开关112不通过栅极信号G1控制，但是剩余的开关114、116和118通过栅极信号G2、G3和G4被正常地打开或关闭。
参照图5，在第一周期T1期间，打开栅极信号被供给至第一开关112和第四开关118，关闭栅极信号被供给至第二开关114和第三开关116。在这种情况下，因为第一开关112不通过第一栅极信号G1控制，但是具有短路，所以驱动装置100如处于正常运行状态一样同样地运行。
与此相反，在第二周期T2期间，关闭栅极信号被供给至第一开关112和第四开关118，打开栅极信号被供给至第二开关114和第三开关116。在这种情况下，第一开关112不被第一栅极信号G1控制并连续地保持在短路状态，因为位于第一腿部111中的第二开关114被打开，所以大电流在第一腿部111中流动。
控制器140可在PWM周期(T)内的第一时间段T1和第二时间段T2中感测感测电流is一次或多次以检测驱动装置100的异常运行。
例如，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与第一正常信号的极性不同时或当在时间点B处感测的第二感测信号的极性与第二正常信号的极性不同时(例如当第二感测信号具有正极性而不是如图5中说明的为正常信号极性的负极性时)，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与第一正常信号的极性相同时或当在时间点B处感测的第二感测信号的极性与第二正常信号的极性相同时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
在另一示例中，当在时间点A处感测的第一感测信号的幅度超出第一正常信号的范围时或当时间点B处感测的第二感测信号的幅度超出第二正常信号的范围时(例如当第二感测信号超出相对于图5中说明的-10A的特定范围时)，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当在时间点A处感测的第一感测信号的幅度在第一正常信号的范围中时和当时间点B处感测的第二感测信号的幅度在第二正常信号的范围中时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
在另一示例中，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与在时间点B处感测的第二感测信号的极性彼此相同时(例如当第一感测信号和第二感测信号均具有如图5中说明的正极性时)，控制器140可确定在H桥电路110中存在异常。在不同的方面，当在时间点A处感测的第一感测信号的极性与在时间点B处感测的第二感测信号的极性彼此不同时，控制器140可确定H桥电路110正常运行。
图6是说明根据一个实施例的控制驱动装置的方法的流程图。
参照图6，驱动装置100可在第一时间段T1中将打开栅极信号供给至设置在H桥电路110的第一腿部111中的第一开关112以及设置在第二腿部115中的第四开关118，并且可在第二时间段T2中将打开栅极信号供给至设置在第一腿部111中的第二开关114以及设置在第二腿部115中的第三开关116(步骤S610)。
驱动装置100可在第一时间段T1和第二时间段T2中采样在设置在H桥电路110和电压源120之间的分流电阻器rs中形成的感测电压Vs一次或多次(步骤S620)。
驱动装置100根据在第一时间段T1中采样的第一感测信号的特性和在第二时间段T2中采样的第二感测信号的特性确定H桥电路110中是否存在异常(步骤S630)，当确定H桥电路110中存在异常(步骤S630-A)时，驱动装置100将根据故障安全算法的栅极信号供给至各个开关(步骤S650)。在这种情况下，当确定H桥电路110正常运行(步骤S630-N)时，驱动装置100将正常栅极信号供给至各个开关(步骤S640)。
在确定H桥电路110中是否存在异常的步骤(步骤S630)中，当第一感测信号的极性与第一正常信号的极性不同时或当第二感测信号的极性与第二正常信号的极性不同时，驱动装置100可确定H桥电路110中存在异常。
在确定H桥电路110中是否存在异常的步骤(步骤S630)中，当第一感测信号的幅度超出第一正常信号的范围时或当第二感测信号的幅度超过第二正常信号的范围时，驱动装置100可确定H桥电路110中存在异常。
在确定H桥电路110中是否存在异常的步骤(步骤S630)中，当第一感测信号和第二感测信号具有不同的极性时，驱动装置100可确定H桥电路110正常运行。
在确定H桥电路110中是否存在异常的步骤(步骤S630)中，当第一感测信号和第二感测信号的幅度处于正常信号范围中时，驱动装置100可确定H桥电路110正常运行。
同时，在执行故障安全算法的步骤(步骤S650)中，驱动装置100可将关闭栅极信号传输至开关112、114、116和118以停止H桥电路110的运行。
另外，由于诸如“包括”、“包含”和“具有”的术语是指可存在一个或多个相应组件，除非它们被特别描述为相反，否则其应被理解为一个或多个其它组件可被包括在内。所有技术术语、科学术语或其它方面的术语与如本领域技术人员所理解含义一致，除非被定义为相反的含义。在词典中找到的常用术语应该在相关科技写作的上下文中被解释而不应该太理想或不切实际地解释，除非在本发明中明确地如此定义。
虽然为了说明的目的本发明的优选实施例已被描述，但是本领域的技术人员将理解的是，在不脱离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、增加和替换都是可能的。因此，在本发明中公开的实施例旨在说明本发明的技术思想的范围，并且本发明的范围并不由实施例限定。本发明的范围应在所附权利要求的基础上以包括在等同于权利要求的范围内的所有技术思想属于本发明的方式被理解。

Claims (12)

1.一种马达驱动装置，其包括H桥电路，所述H桥电路包括第一腿部和第二腿部，所述第一腿部和所述第二腿部中的每一个具有设置在其中并且彼此串联的一对开关，并且被配置成将驱动电流供给至马达，
其特征在于，所述马达驱动装置还包括：
电流传感器，其设置在所述H桥电路和电压源之间；以及
控制器，其被配置成在第一时间段从所述电流传感器获取第一感测信号，在所述第一时间段期间，打开信号被供给至设置在所述第一腿部中的第一开关或设置在所述第二腿部中的第四开关，其被配置成在第二时间段从所述电流传感器获取第二感测信号，在所述第二时间段期间，打开信号被供给至设置在所述第一腿部中的第二开关或设置在所述第二腿部中的第三开关，并且其被配置成根据所述第一感测信号和所述第二感测信号中的至少一个的特性确定所述H桥电路中是否存在异常。
2.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中所述控制器被配置成当所述第一感测信号的极性与第一正常信号的极性不同时或当所述第二感测信号的极性与第二正常信号的极性不同时确定所述H桥电路中存在异常。
3.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中所述控制器被配置成当所述第一感测信号的幅度超出第一正常信号的范围时或当所述第二感测信号的幅度超出第二正常信号的范围时确定所述H桥电路中存在异常。
4.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中所述控制器被配置成当所述第一感测信号和所述第二感测信号具有不同的极性时确定所述H桥电路正常运行。
5.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中所述控制器被配置成当所述第一感测信号和所述第二感测信号的幅度在正常信号的范围中时确定所述H桥电路正常运行。
6.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中所述控制器被配置成当确定所述H桥电路中存在异常时产生用于控制设置在所述H桥电路中的开关的打开和关闭的栅极信号并且将关闭栅极信号传输至所述开关。
7.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其中所述电流传感器是分流电阻器，并且
所述控制器包括：
感测块，其被配置成使用采样和保持电路感测所述第一感测信号和所述第二感测信号；
确定块，其被配置成根据所述第一感测信号和所述第二感测信号的特性确定所述H桥电路中是否存在异常；以及
栅极驱动块，其被配置成根据关于所述H桥电路中是否存在异常的确定结果控制设置在所述H桥电路中的开关的打开和关闭。
8.一种使用H桥电路驱动马达的方法，其包括：
栅极驱动步骤，其在第一时间段中将打开栅极信号供给至设置在所述H桥电路的第一腿部中的第一开关以及设置在第二腿部中的第四开关以及在第二时间段中将打开栅极信号供给至设置在所述第一腿部中的第二开关以及设置在所述第二腿部中的第三开关；
电流感测步骤，其在所述第一时间段和所述第二时间段中对设置在所述H桥电路和电压源之间的分流电阻器中形成的感测电压进行采样一次或多次；
正常确定步骤，其根据在所述第一时间段中采样的第一感测信号和在所述第二时间段中采样的第二感测信号中的至少一个的特性确定所述H桥电路中是否存在异常；以及
故障安全步骤，其当确定所述H桥电路中存在异常时，将根据故障安全算法的栅极信号供给至各个开关。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述正常确定步骤中，当所述第一感测信号的极性与第一正常信号的极性不同时或当所述第二感测信号的极性与第二正常信号的极性不同时，确定所述H桥电路中存在异常。
10.根据权利要求8所述的方法，其中在所述正常确定步骤中，当所述第一感测信号的幅度超出第一正常信号的范围时或当所述第二感测信号的幅度超出第二正常信号的范围时，确定所述H桥电路中存在异常。
11.根据权利要求8所述的方法，其中在所述正常确定步骤中，当所述第一感测信号和所述第二感测信号具有不同极性时，确定所述H桥电路正常运行。
12.根据权利要求8所述的方法，其中在所述正常确定步骤中，当所述第一感测信号和所述第二感测信号的幅度处于正常信号的范围中时，确定所述H桥电路正常运行。
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