CN107968612A - 马达驱动电路 - Google Patents

Abstract

公开了马达驱动电路。本发明涉及马达控制领域。公开了用于驱动至少一个电动马达的电路，至少一个马达具有至少一组相绕组。电路被布置为包括马达驱动电路的至少一个通道，该马达驱动电路在使用中可操作地将驱动电压提供给马达的一组相绕组。为至少一个通道提供反向电池保护电路，并且位于从电源到马达驱动电路的馈路中或从马达驱动电路到电源的返回路径中。反向电池保护电路包括当电池断开时常开并且在电池以与驱动电路相反的极性错误连接的情况下保持断开的开关。电路还包括控制装置，被布置成控制反向电池保护电路的开关，以在控制装置确定电池以正确的极性连接的情况下闭合开关。在满足一个或多个附加条件的情况下在马达的操作期间断开开关。

Description

马达驱动电路

技术领域

本发明涉及用于电动马达的马达驱动电路，特别地但不限于用于汽车应用中。

背景技术

已知在一系列汽车应用中提供马达，包括其中马达直接作用在转向系统的一部分上以生成驾驶员辅助扭矩的电动辅助转向系统，以及其中马达驱动泵，泵又将液压流体移动到系统周围的制动和转向系统。

已知通过将马达的各相通常以桥接的形式连接到马达驱动电路来驱动多相电动马达。在已知的驱动电路中，各相的端部被连接到包括连接到电池的一个端子的开关的上臂，以及包括连接到电池的另一端子的半导体开关的下臂。对于三相马达，驱动级可以包括具有这样的三对臂的三相桥。

在使用中，控制器向驱动电路的每个开关施加电压模式，以使开关以限定的模式快速地断开和闭合，从而控制施加到马达的各相的电压的幅度和相位。依赖于所使用的马达控制策略，根据需要，相位可以相对于由马达旋转生成的任何反电动势电压超前或之后。

通过连接到驱动电路的多相马达，马达将生成可以超过电池电源电压的反电动势。当马达不通过桥式电路驱动而是经受施加到转子上的使得转子高速旋转的扭矩时，或者甚至在被驱动的速度足够高的情况下，可能会发生这种情况。如果任其发展，则该反电动势可以被证明是有问题的。图1示出了通过电池电源102和驱动桥101中的MOSFET开关的体二极管的、马达100周围的可能闭合路径。当马达驱动时，可以通过在峰值反电动势之前使得施加到马达的电流波形超前来弱化磁场，从而克服高的反电动势。这允许马达比其它情况下更快地旋转。

在驱动电路或将电路连接到电源的供电线或马达控制器发生故障的情况下，或者简单地当马达未被驱动而是被施加到转子的扭矩反向驱动使其作为发电机时，通过使电场超前可能不能充分弱化电场。这将导致生成全反电动势，全反电动势然后经由MOSFET二极管传导到电池上—理论上传导到DC电池总线上，并从DC电池总线传导回电池中。虽然没有破坏性，但申请人已经意识到这可能会对马达造成巨大拖曳，从而限制了高速运行。

对于许多应用，通过在电路设计中使用冗余来提供额外的安全性的需求正在增加。在一种布置中，提出了一种双驱动桥式电路，其具有两个马达或具有两组独立的相绕组的一个马达，并且桥被分成两个独立的通道，每个通道包括全H桥式电路，该全H桥式电路被连接到相中的一个。在使用中，通道中的一个可用于驱动马达，而另一个通道被保留以在所述一个通道发生故障时使用。可替代地，两者可以同时被驱动，并且当检测到通道中发生故障时，该通道被关闭。同时驱动两者的优点在于，两个通道的功率损耗可以低于单个桥式驱动的功率损耗，从而允许使用更薄的布线和较低的额定开关。

在完全独立的双通道布置(即双桥)中，每个通道可以从其自己的控制电路接收控制信号，并且可以具有其自身与电池的独立连接。可替代地，对于一些应用，提供与电池的共享连接，以及共享控制器。

如果提供双通道布置，并且一个通道处于故障状态，则在该通道中生成的反电动势可能会产生抵抗良好通道驱动马达的尝试的拖曳。这将降低可达到的峰值马达速率。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种用于驱动至少一个电动马达的电路，所述至少一个马达具有至少一组相绕组，所述电路被布置为至少一个通道，所述至少一个通道包括马达驱动电路，所述马达驱动电路能操作以用于向相绕组中的一个提供驱动电压，所述电路包括用于所述至少一个通道的相应的反向电池保护电路，所述反向电池保护电路位于从电源到所述马达驱动电路的馈路中或者从所述马达驱动电路到所述电源的返回路径中，所述反向电池保护电路包括当电池断开时常开并且在电池以与驱动电路相反的极性错误连接的情况下保持断开的开关，

其特征在于，所述电路包括控制装置，所述控制装置被布置成控制所述反向电池保护电路的开关，以在所述控制装置确定所述电池以正确的极性连接的情况下闭合所述开关，并且特征还在于控制装置被另外布置成在满足一个或多个附加条件的情况下在马达的操作期间断开所述开关。

将使得控制装置断开开关的一个或多个条件可以包括由马达生成的反电动势超过预定阈值。该阈值可以被设置为基本上标称的电池电源电压或者接近电池电源电压的电压，例如在1伏特或2伏特内。如果反电动势超过该阈值电压，则开关将被断开。该装置可以包括反电动势测量装置，其测量跨马达驱动级的电压以确定反电动势。

这种情况可以被修改，使得当电路有意地要求马达作为发电机运行并且将电力返回到电源时，开关不被断开。因此，控制装置可以接收指示马达是否被允许作为发电机运行的触发信号。

一个或多个条件可以另外地或替代地包括由马达生成的反电动势基本上达到或超过瞬时电池电源电压。申请人认识到在某些情况下，电池电压将下降到标称值以下。该装置可以包括测量电池电源电压的电源电压测量装置。再次，这种情况可以被修改，使得当电路有意地要求马达作为发电机运行并将电力返回到电源时，开关不被断开。因此，控制装置可以接收指示马达是否被允许作为发电机运行的触发信号。

一个或多个条件可以包括装置的一部分被确定为有故障，例如存在短路，该短路形成了包括至少两个马达相的闭合回路。该装置可以包括故障确定装置，其测试电路的一个或多个部分的完整性以确定是否存在故障。例如，可以将测试电压施加到桥式开关和马达相以确定其完整性。

可能检测到的故障包括驱动级的驱动级开关或控制驱动级开关的调制的驱动电路的控制器的故障。

在装置包括至少两个通道的情况下，一个或多个条件可以包括在通道未被用于驱动马达的情况下该通道的一部分被确定为发生故障。因此，控制电路可以监视驱动电路的两个或更多个通道中的每一个的功能，并且在检测到故障的情况下可以另外断开相应的反向电池保护电路的开关。

该动作防止了故障通道中的反电动势导致电流回流到电源，即使是低于阈值电平的反电动势。这也可以有助于确保马达中的不需要的能量不会转存到电池上。

在设置两个或更多个通道的情况下，申请人已经意识到隔离故障通道以确保反电动势不会传递到电池电源是有益的，这将降低剩余良好通道所看到的电池电压，从而减少马达可用的电力。在没有隔离的情况下，一个好的通道会试图驱动马达，并且故障通道可能会施加试图阻止马达被驱动的拖曳。隔离故障通道移除了这种拖曳。

因此，本发明提供了对反向电池保护电路的操作的控制，以提供电池反向连接保护并且减轻马达反电动势在一定范围的操作条件下对马达供电的影响的双重功能。通过在双重职能中使用一个开关，与独立地解决每个问题的解决方案(诸如在每个通道的马达恒星点处提供隔离开关)相比，电路的复杂性降低并且电压下降最小。

电源可以包括电池，例如当电路被提供作为车辆的电气装置的一部分时。该装置可以包括其中马达向转向器施加扭矩以辅助驾驶员的电动辅助转向系统。可替代地，该装置可以包括使用马达来驱动泵的叶轮的转向或制动系统。在另一替代方案中，装置可以包括用于在安全关键应用中致动平面的主控制表面或者可能用于致动器的定位系统的致动装置。

反向电池保护电路的开关可以包括在驱动电路和电源的正极之间串联，或在马达驱动电路和到电源的返回路径之间串联的继电器或固态开关，诸如晶体管或MOSFET。二极管可以在外部跨开关并联连接，或者可以在内部跨开关的极并联设置，该二极管被定向成当电池以正确的极性连接时允许电流的传导但不允许在相反方向上传导。

事实上，开关可以包括并联布置的两个子开关，两个子开关都由控制装置控制。

控制装置可以包括模拟电气部件的离散布置，模拟电气部件被配置成当电池正确连接时，通过将电池电压的一部分施加到晶体管的基极来使开关闭合。

可替代地或附加地，控制装置可以包括数字电路，其测量跨电路的一个或多个部分的电压下降，并且根据测量结果生成施加到开关的电压，例如当要断开或闭合开关时，生成施加到MOSFET的栅极或晶体管的基极的电压。

控制装置可以包括两个离散电路，用于根据电池极性来控制开关，并根据反电动势控制开关，两个电路的输出在被施加到开关之前通过逻辑门。

可替代地，控制装置可以包括数字电路，其测量跨电路的一个或多个部分的电压下降，以控制开关用于反向电池保护，并且当测量的电压指示反电动势足够对马达提供拖曳时使开关断开。

控制装置可以包括数字电路，其基于马达的操作模式或驱动电路内的所有部件的健康性来控制用于反向电池保护的开关。

控制装置可以包括用于测量通过反向电池保护的电流的方向的装置，并且当命令这样做时仅允许再生电流流动，但是在正常操作期间启用开关以最小化损耗。

每个通道可以设置有位于通道和电源之间的相应的反向电池保护电路。可以提供公共控制电路，其对电池保护电路的每个开关给予独立控制，或者每个反向电池保护电路可以设置有其自己的控制装置。

驱动电路可以包括连接在两个通道的正馈路和两个通道的接地回路之间的滤波电容器，每个通道的反向电池保护开关位于电路中，使得当反向电池保护开关被断开时，反向电池保护开关在隔离电池时不会将滤波电容器与驱动电路隔离。

这允许滤波电容器在电池被隔离时存储能量。可能有两个滤波电容器。每个电容器可以包括超级电容器。

因此，当马达生成电力时，例如当转子由于外部负载而在定子内旋转时，控制电路可以被布置成用于断开开关。在这种情况下，所产生的电能将被推到滤波电容器上，其中能量被存储以便以后释放到发动机中。

控制电路可以监视存储在电容器中的能量并根据电容器中存储的能量来控制开关操作。

控制电路可以通过测量与电池反向电压保护电路的开关串联设置的电阻上下降的电压来确定反电动势已经超过预定电平，该电压与流过电阻的电流成比例，电流反过来又依赖于反电动势，并因此提供了马达正在再生(regenerate)的指示。

电池可以直接连接到电路，或者可以连接到与驱动电路连接的电力传输总线。在后一种情况下，反向电池保护电路可以在断开时将驱动电路与总线的连接之一隔离开来。

每个驱动级可以包括H桥驱动器，其包括用于马达的每个相的将每个相连接到电源的一个端子的驱动级开关，以及将每个相连接到电源的另一个端子的另外的驱动级开关。

马达可以包括用于驱动电路的每个通道的一组相绕组，每组相互独立。可替代地，两个或更多个通道都可以连接到一组电源，使得它们仅部分独立。只有第一个布置才能完全独立控制马达。

附图说明

参考附图并且如附图所示，现在将仅作为示例来描述本发明的各种实施例，在附图中：

图1是用于驱动电动马达的现有技术的电路的电路图；

图2是示出了根据本发明的电路的第一实施例的马达和一个通道的电路图；

图3是图2的电路的更详细的视图，示出了反向电池保护电路的开关的控制电路；

图4是示出了根据本发明的电路的第二实施例的马达和一个通道的电路图；

图5是第一或第二实施例的反向电压保护电路的开关的控制电路的可能布置的详细视图；以及

图6是示出了根据本发明的具有两个完全独立的通道以驱动两组完全独立的马达相的电路的电路图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的电路1的实施例的一部分。该图示出了多通道电路的单个通道，为了清楚起见，省略了其它通道。

电路1包括传统的三相桥式马达驱动电路2，其被包围在图中的虚线内，连接到标称电压为V_{DC Bus}的供电总线(未示出)的正极端子3，并连接到供电总线的接地端子4。供电总线由电池(也未显示)供电。如图所示的桥2包括三对臂6，每对臂6以中心抽头连接到电动马达的相的自由端。该电路用于驱动马达7，马达7如图所示具有三相7a、7b、7c，它们在恒星点8处连接在一起。其它拓扑结构，诸如三角形连接的马达，也适用于本发明。桥的每个臂6包括固态MOSFET或双极晶体管驱动级开关9。每个开关9由马达控制器(未示出)控制，马达控制器在马达被驱动时将PWM电压波形施加到每个开关的栅极或基极。这些波形的形状和定时对读者来说是众所周知的，因此这里不再赘述。

反向电池保护电路10被串联连接在桥2和接地端子4之间的线中。这在图2中非常简单地由与二极管12并联的MOSFET开关11表示。二极管12被布置成使得开关11断开，电流可以从正极端子通过二极管流到接地，而不是其它方式。这确保了正确连接的电池将立即通过桥传导并经由二极管导出，但如果连接方式错误，则不能通过断开的开关或反向连接的二极管传导。

图3示出了电路的附加细节，特别是主动地控制开关的断开和闭合的控制装置。如图所示，控制装置包括微处理器13，其执行控制逻辑以确定何时断开开关。在该示例中，控制电路响应于在电路周围的各个位置处的电压的测量结果以及对诸如驱动级桥之类的电路的一部件执行的完整性测试的结果。例如，微处理器可以执行控制策略，该控制策略基于确定桥驱动器的状态、桥的状态、控制逻辑的状态、反电动势电平的测量结果以及电源电压的测量结果、电池的状态、桥式开关的完整性中的一个或者多个来确定何时断开或闭合开关。

在正确连接电池的情况下，反向电池保护电路的二极管12用于传导，直到控制装置13或其它安全电路确认桥的操作和电池状态为止。在这种状态下，二极管12允许正向传导，从而允许电流流动以向控制电路和其它电路供电，但是防止桥式二极管将任何反电动势从马达整流到DC电源上。然后，一旦满足证明桥能够控制马达的适当条件，则通过闭合开关11来启用反向电池保护设备。这是通过控制装置向MOSFET开关的栅极施加电压使得其闭合来实现的。这导致在高电流需求期间在设备上的损耗减少，并且如果需要，允许单元在正常操作期间向DC总线上发电。

使用的控制装置13也断开开关11，以将电池与马达部分地断开，以防止电流在单元不可操作的时候流动。图1示出了正常马达旋转期间的电流流动，造成高于V_{DC Bus}电平的反电动势，而桥不被主动驱动。这导致电流流过MOSFETS内部的内部二极管并流入电源线，从地面抽取电流并将其推到电源上。依赖于马达旋转期间转子的位置，所示的路径仅仅是许多可能路径之一。利用根据本发明的实施例，可以通过控制电路断开电池反向电压保护开关来防止这样的流动。

所示实施例中的控制装置13的功能可以如下：

-初始确定桥的运行时间，并且仅在以下情况下闭合反向极性保护电路的开关：

(i)系统能够实现正常的马达驱动操作，或者

(ii)当控制电路确定需要允许马达发电并将电力重新放回电源时，例如当快速制动马达时。

在其它时间，诸如当有高反电动势或故障时，或者当确定需要将能量转储到滤波电容器时，控制电路断开开关或使得开关保持断开。

这些情况可以基于桥操作、电流流动、直流总线电压感测、相电压感测、预测算法或任何其它过程来确定，以防止电流在不期望的时候流入电源。

直到反向电池保护电路由闭合的开关11启用，正常电流才可以通过电池反向极性保护电路的二极管流动以为桥式驱动电路的控制电路和其它控制逻辑供电，从而允许低功率器件继续工作。在消耗任何高功率之前，诸如在正常的马达驱动操作中，需要连接反向电池保护设备以减少设备内的功率消耗以及可能导致的任何过热问题。在可以提供任何所需的阻尼扭矩之前，也需要连接反向电池保护设备。

图2和图3的实施例中的反向电池保护电路被放置在到接地的回路中。然而，本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，可以将其置于具有相同效果的正极电源线中。这种布置如图4所示。

尽管图2至图4的实施例可以使用微控制器来提供对开关的完全主动控制，但是可以提供替代的布置，其将电池的正确连接之后的开关被动操作和用于其它功能的开关的主动控制相结合。这种布置如图5所示。可以看出，开关11的栅极被连接到包括分压器(电阻器R1和R2)和齐纳二极管14的无源模拟电路。一旦电流流过感测电阻器R1，模拟电路将向开关11的栅极施加电压。该电流最初通过二极管从正极电池端子流到接地。所示的电路包括限流电阻器R1、限压齐纳二极管14和栅极电阻器R2(可选)。当处于V_{DC Bus}的电压超过开关的阈值电压时，开关导通，然后开关通过齐纳二极管14由栅极上的过压保护，并且齐纳二极管14由电阻器R1提供的过压保护。R2保护开关免受R1或14的故障。

因此，当连接正确定向的电池时，开关自动打开。该信号通过与门(AND gate)16传递到栅极，并且与门的另一输入提供有来自控制电路13的电压。这允许控制电路13在需要时通过移除来自与门的电压重新断开开关。

当然，可以使用其它逻辑来代替与门，或者可以将感测电阻器上的下降的电压作为控制输入馈送到控制电路中。

本发明特别适用于双通道电路。虽然为了清楚地说明电路的操作，图1至图3仅示出了一个通道，但实际上至少有两个通道。图6示出了完全独立的两个通道的布置。每个通道包括驱动桥2a和2b、专用电池反向极性保护开关11a、11b和二极管12a、12b以及专用控制器13a和13b。同样如图所示，本示例中的马达为双绕组，具有两组独立的三相绕组，每组具有其自己的恒星点。本领域技术人员将理解，可以使用通过机械连接的两个马达而不是一个马达。每个马达将具有多组绕组中的一个。

考虑图6的双重布置，可以容易地理解有源电池反向极性保护电路的显著优点。在两个通道(在多通道系统当然可能有两个以上的通道)之一的供电网络内，考虑马达驱动器的外部的相对较低但非零电阻故障的情况。这将导致马达驱动电力电子设备的端子处的电压减小，使得马达驱动器的该通道不能有效地用于马达驱动操作。在没有任何反向电池模块(图1的现有技术电路)的情况下，来自马达的良好通道的任何马达驱动操作(一旦反电动势已经超过两个二极管电压下降的反电动势)将导致通过三相桥的六个晶体管的体二极管发电。这将导致故障通道提供拖曳扭矩。如果包括反向电池模块，并且不运行，则发电操作停止。然而，通过对反向电池模块的被动控制，则依赖于反电动势、故障电源中的外部电阻和启用反向电池模块的阈值，反向电池模块可以在获得更高速度后自动关闭：这将使得电力被生成到低的电阻故障以及相应的拖曳扭矩，从而影响驱动的性能。

本发明的电路提供了主动控制的反向电池保护电路。这有助于防止拖曳，并有助于减轻马达驱动器的外部的供电故障。

此外，直流链路电容器中生成和存储的反向电池模块无效的任何电力都可以保留在马达驱动器内，并用于为微处理器的相对较低的电力要求供电，以使其能够将故障的细节传递给其它系统组件。

如果足够的本地能量存储器可用且具有足够高的额定电压，则包含受控反向电池模块(并且由于实际原因也可能在任何功率级滤波电路周围的续流二极管)也有助于：

(i)减轻连接到同一电源的其它设备否则会看到的某些瞬变。马达驱动器经常连接到复杂的配电网络。快速瞬变可能导致这些网络的不稳定：能够在设备内容纳瞬态可以帮助提高网络稳定性，并减少其它连接的设备必须面受影响的电压瞬变。

(ii)在非开关桥中的马达的反电动势超过电源电压的情况下，通过局部存储来自由于上述情况导致的马达减速的能量来增加可用于加速的驱动电压。除了提供可用于加速的增加的电压，并且克服马达的电感从而允许相电流更快地改变，这具有最小化否则在连接电缆中将导致的损耗的进一步的优点。

(iii)通过将相对于反电动势具有适当的延迟相电流施加到双通道系统的一个通道，来增加可用于加速的驱动电压，以实现发电操作模式。这可以在零以上的任何速度处应用。系统的第二(或另外的)通道提供马达驱动操作以提供负载扭矩和功率传递二者以增加第一通道中的直流链路的内部电压。

(ⅳ)

在这三种情况下，不是允许马达生成的电力返回到电源，而是反向电池模块被断开，并且能量被存储在直流链路电容器中或其它合适的能量存储器中。

Claims (11)

1.一种用于驱动至少一个电动马达的电路，所述至少一个马达具有至少一组相绕组，所述电路被布置为至少一个通道，所述至少一个通道包括马达驱动电路，所述马达驱动电路能操作以用于向马达的相绕组中的一个提供驱动电压，所述电路包括用于所述至少一个通道的相应的反向电池保护电路，所述反向电池保护电路位于从电源到所述马达驱动电路的馈路中或者从所述马达驱动电路到所述电源的返回路径中，所述反向电池保护电路包括当电池断开时常开并且在电池以与驱动电路相反的极性错误连接的情况下保持断开的开关，

其特征在于，所述电路包括控制装置，所述控制装置被布置成控制所述反向电池保护电路的开关，以在所述控制装置确定所述电池以正确的极性连接的情况下闭合所述开关，并且特征还在于控制装置被另外布置成在满足一个或多个附加条件的情况下在马达的操作期间断开所述开关。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，将使得所述控制装置断开所述开关的一个或多个条件包括由所述马达生成的反电动势超过预定阈值。

3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述阈值被设置为基本上标称的电池电源电压或接近电池电源电压的电压。

4.根据权利要求1所述的电路，其中，一个或多个条件包括由所述马达生成的反电动势基本上达到或超过瞬时电池电源电压。

5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述一个或多个条件包括所述装置的一部分被确定为有故障。

6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述控制装置修改所述条件，使得所述开关在所述电路需要所述马达作为发电机运行并且将电力返回到电源中时不被断开。

7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述反向电池保护电路的开关串联连接在所述驱动电路和所述电池的正极或接地端子之间，并且二极管在外部跨所述开关并联连接或者在内部跨开关的极并联设置，所述二极管被定向成当电池以正确的极性连接时允许电流的传导，但不允许在相反方向上传导。

8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述控制装置包括模拟电气部件的离散布置，所述模拟电气部件被配置成当所述电池被正确地连接时，通过将一部分电池电压施加到所述开关来使所述开关闭合。

9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述控制装置包括数字电路，所述数字电路测量跨所述电路的一个或多个部分下降的电压，并且根据测量结果生成施加到所述开关的电压。

10.根据权利要求1所述的电路，其中，存在至少两个通道，并且每个通道设置有位于所述通道和所述电源之间的相应的反向电池保护电路。

11.根据权利要求10所述的电路，包括连接在两个通道的正馈路和两个通道的接地回路之间的滤波电容器，每个通道的反向电池保护开关位于所述电路中，使得当反向电池保护开关被断开时，所述反向电池保护开关在隔离电池时不会将滤波电容器与驱动电路隔离。