CN109121460B - 电动机装置 - Google Patents

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Abstract

电动机装置具备控制部。控制部构成为通过调整第一期间和第二期间的比率来调整变压比，其中，在上述第一期间全部的上臂侧开关元件导通并且全部的下臂侧开关元件截止，在上述第二期间全部的上臂侧开关元件截止并且全部的下臂侧开关元件导通，并且，控制部构成为在每个控制周期从多个驱动模式中选定一个模式。多个驱动模式具有：双驱动模式，在电动机的驱动中的一个控制周期内包含第一期间和第二期间；以及电动机驱动模式，在电动机的驱动中的一个控制周期内不包含第一期间和第二期间。

Description

电动机装置
技术领域
本发明涉及电动机装置。
背景技术
在电动机装置中，具有在利用逆变器将直流电源的直流转换为交流并供给至电动机时，通过配置于逆变器的前段的由开关和电感器构成的变压电路，对直流进行变压的技术。在这样的系统中需要非常高价且体型也较大的开关、电感器。对于此，专利文献1公开了一种在定子线圈的中性点连接电池进行升压控制的电动机装置。另外，该电动机装置在发生故障时打开设置在电池与中性点之间的开关。
专利文献1：日本特开2009－118633号公报
既有在电动机驱动中还需要进行变压动作的情况，也有仅需要进行电动机驱动的情况。另外，在专利文献1所公开的技术中需要在发生故障时打开开关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够一同进行电动机驱动和2个电源间的变压驱动，并能够仅容易地进行电动机驱动的电动机装置。
解决上述课题的电动机装置具备：电动机，构成为通过多相交流电力旋转驱动；逆变器电路，是具有正极母线和负极母线，并构成为向上述电动机供给多相交流电力的逆变器电路，具有多个由相互串联连接的上臂侧开关元件和下臂侧开关元件构成的开关元件对；第一电源，与上述正极母线和上述负极母线连接；第二电源，与上述负极母线和上述电动机的中性点连接；以及控制部，构成为使目标转矩从上述电动机输出，并且在每个控制周期控制上述逆变器电路的各开关元件对，以便进行使上述第二电源的电压变压对上述第一电源充电、或者使上述第一电源的电压变压对上述第二电源充电。上述控制部构成为通过调整第一期间和第二期间的比率，来调整从上述第二电源朝向上述第一电源的变压比或者从上述第一电源朝向上述第二电源的变压比，其中，在上述第一期间全部的上臂侧开关元件导通并且全部的下臂侧开关元件截止，在上述第二期间全部的上臂侧开关元件截止并且全部的下臂侧开关元件导通，并且上述控制部构成为在每个上述控制周期从多个驱动模式中选定一个模式。上述多个驱动模式具有：双驱动模式，通过在上述电动机的驱动中的一个控制周期内包含上述第一期间以及上述第二期间，从而进行电动机驱动和变压驱动；以及电动机驱动模式，通过在上述电动机的驱动中的一个控制周期内不包含上述第一期间和上述第二期间，从而仅进行电动机驱动。
附图说明
图1是实施方式中的电动机装置的电气结构图。
图2(a)是双驱动模式时的空间矢量PWM控制下的开关模式(波形生成模式)，图2(b)是双驱动模式时的矢量图。
图3(a)是双驱动模式时的空间矢量PWM控制下的开关模式(波形生成模式)，图3(b)是双驱动模式时的矢量图。
图4(a)是电动机驱动模式时的空间矢量PWM控制下的开关模式(波形生成模式)，图4(b)是电动机驱动模式时的矢量图。
图5(a)是变压驱动模式时的空间矢量PWM控制下的开关模式(波形生成模式)，图5(b)是变压驱动模式时的矢量图。
图6是用于对作用进行说明的流程图。
具体实施方式
以下，根据附图对将本发明具体化的一个实施方式进行说明。
图1所示的电动机装置10安装于车辆。电动机装置10具备逆变器电路20、电动机30、第一电源40、第二电源50、控制部70以及电压传感器80、81。
第一电源40是直流电源，例如是48伏的车载电池。第一电源40与逆变器电路20的正极母线Lp和负极母线Ln连接。换句话说，第一电源40的正极与正极母线Lp连接并且第一电源40的负极与负极母线Ln连接。
电动机30是3相马达，通过作为多相交流电力的三相交流电旋转驱动。电动机30具有3个定子线圈31、32、33，定子线圈31、32、33星形连接。电动机30具有中性点A。
逆变器电路20构成为向电动机30供给作为多相交流电力的三相交流电。逆变器电路20具有构成U相用的上下的臂的开关元件S1、S2、构成V相用的上下的臂的开关元件S3、S4以及构成W相用的上下的臂的开关元件S5、S6。作为开关元件S1～S6使用IGBT，各开关元件S1～S6反并列连接有二极管(D1～D6)。在正极母线Lp和负极母线Ln之间，开关元件S1、S2串联连接，开关元件S3、S4串联连接，开关元件S5、S6串联连接。开关元件S1、S2间的位置与3相电动机30的线圈31的一端连接。开关元件S3、S4间的位置与3相电动机30的线圈32的一端连接。开关元件S5、S6间的位置与3相电动机30的线圈33的一端连接。
这样，逆变器电路20具有多个(详细而言，3个)由相互串联连接的上臂侧开关元件S1、S3、S5和下臂侧开关元件S2、S4、S6构成的开关元件对。另外，连接正极母线Lp和负极母线Ln的电容器60与开关元件S1～S6相比设置于第一电源40的附近。
第二电源50是直流电源，例如是12伏的车载电池。即，第一电源40是比第二电源50高压的高压电池。第二电源50与逆变器电路20的负极母线Ln和电动机30的中性点A连接。详细而言，第二电源50的正极与电动机30的中性点A连接并且第二电源50的负极与负极母线Ln连接。
控制部70具有驱动电路71和控制器72。驱动电路71与各开关元件S1～S6的栅电极连接。控制器72例如可以包含控制电路，具体而言，ASIC等一个以上的专用的硬件电路、根据计算机程序(软件)动作的一个以上的处理器、或者它们的组合。处理器包含CPU以及RAM和ROM等存储器，存储器储存有构成为使CPU执行处理的程序代码或者指令。存储器即计算机可读介质包含通过通用或者专用的计算机能够访问的所有的可利用的介质。控制器72经由驱动电路71开关各开关元件S1～S6。换句话说，通过开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6的开关动作将来自第一电源40的直流电力转换为交流电力并供给至线圈31、32、33星形连接而成的作为多相电动机的3相电动机30。即，通过逆变器(逆变器电路20、控制部70等)进行空间矢量PWM控制。控制器72能够输入转矩指令信号以及旋转数指令信号检测转矩指令值(或转矩推断值)以及旋转数指令值(或旋转数推断值)。另外，控制器72连接有电压传感器80、81。电压传感器80检测第一电源40的端子间电压。电压传感器81检测第二电源50的端子间电压。控制器72根据来自电压传感器80、81的信号检测第一电源40的端子间电压以及第二电源50的端子间电压。另外，控制器72使用第一电源40的端子间电压检测第一电源40的充电状态(充电率)并且使用第二电源50的端子间电压检测第二电源50的充电状态(充电率)。进一步，控制器72根据第二电源50的端子间电压检测第二电源50的开路电压(无负荷状态下的第二电源50的端子间电压：开电路电压)，由此，判断第二电源50是否是满充电。
控制部70构成为能够设定图2(a)和图2(b)或者图3(a)和图3(b)所示的双驱动模式、图4(a)和图4(b)所示的电动机驱动模式、以及图5(a)和图5(b)所示的变压驱动模式(升降压驱动模式)。
在图2(a)和图2(b)或者图3(a)和图3(b)所示的双驱动模式下，控制部70使目标转矩从电动机30输出，并且在每个控制周期控制逆变器电路20的各开关元件对(S1、S2、S3、S4、S5、S6)，以便进行使第二电源50的电压升压(变压)对第一电源40充电、或者使第一电源40的电压降压(变压)对第二电源50充电。另外，控制部70构成为调整全部的上臂侧开关元件S1、S3、S5导通并且全部的下臂侧开关元件S2、S4、S6截止的第一期间和全部的上臂侧开关元件S1、S3、S5截止并且全部的下臂侧开关元件S2、S4、S6导通的第二期间的比率而能够调整从第二电源50朝向第一电源40的升压比(变压比)或者从第一电源40朝向第二电源50的降压比(变压比)。而且，在双驱动模式下，控制部70通过在电动机30的驱动中的一个控制周期内包含第一期间以及第二期间，从而进行电动机驱动和变压驱动(升降压驱动)。详细而言，控制器72监视第一电源40的充电状态和第二电源50的充电状态，根据它们的充电状态利用一个电源对另一个电源充电。换句话说，若第一电源40的充电率较低则控制器72使第二电源50的电压升压对第一电源40充电，若第二电源50的充电率较低则控制器72使第一电源40的电压降压对第二电源50充电。
在图4(a)和图4(b)所示的电动机驱动模式下，控制部70由于在电动机30的驱动中的一个控制周期内不包含第一期间以及第二期间，从而仅进行电动机驱动。
在图5(a)和图5(b)所示的变压驱动模式(升降压驱动模式)下，控制部70不使电动机30驱动在一个控制周期内包含有第一期间以及第二期间。
控制部70构成为能够在每个控制周期切换双驱动模式、电动机驱动模式以及变压驱动模式。即，控制部70构成为在每个控制周期从多个驱动模式中选定一个模式。而且，控制部70执行图6所示的处理，根据第二电源50以及电动机30的状况，切换双驱动模式、电动机驱动模式以及变压驱动模式(升降压驱动模式)。
此外，在图2(a)、图3(a)、图4(a)、图5(a)中，也可以设置延迟以使上臂侧开关元件S1、S3、S5从导通下降到截止的时机和下臂侧开关元件S2、S4、S6从截止上升到导通的时机不同时。同样地，也可以设置延迟以使上臂侧开关元件S1、S3、S5从截止上升到导通的时机和下臂侧开关元件S2、S4、S6从导通下降到截止的时机不同时。
以下，对双驱动模式、电动机驱动模式、变压驱动模式进行详细说明。
通过在电动机30的中性点A连接低压的第二电源50，并利用电动机30的线圈31、32、33作为升降压用电感器来实现变压电路(升降压电路)，为此研究控制方法(开关方法)在电动机驱动的执行中也能够进行升压以及降压。
如图1所示，低压的第二电源50的正极与电动机30的中性点A连接。低压的第二电源50的负极与高压的第一电源40的负极共用。在这里，在使逆变器进行通常动作时，具有使上臂用的开关元件S1、S3、S5同时导通的第一期间和使下臂用的开关元件S2、S4、S6同时导通的第二期间，在第一期间以及第二期间对电动机30不施加转矩。另外，D/(D－1)为变压比(升压比、降压比)。在这里，D为有关零电压矢量V0的导通时间和零电压矢量V7的导通时间的占空比。即，在图2(a)中，若将零电压矢量V7的导通期间设为T1、将零电压矢量V0的前期导通期间设为T2、将零电压矢量V0的后期导通期间设为T3，则变压比为{T1/(T1+T2+T3)}/{(T1/(T1+T2+T3))－1}。
而且，逆变器通过调整上下的开关元件S1、S3、S5、S2、S4、S6的占空比来进行升降压(变压)。换句话说，通过调整第一期间和第二期间的比率来调整从第二电源50朝向第一电源40的升压比或者从第一电源40朝向第二电源50的降压比进行升降压驱动。因此，在逆变器电路20中能够省略升降压用的开关以及电感器，而成为小型并且低成本的系统。
在通常的控制(双驱动模式)的情况下，如图2(a)以及图2(b)所示，零电压矢量V0和零电压矢量V7具有升压以及降压的功能，例如电压矢量V4、V5作为电动机驱动的电压施加给电动机30。此时，电压矢量V4、V5的总和亦即合成矢量B1是对电动机30施加的电压。
通过图2(a)所示的开关得到的输出电压和通过图3(a)所示的开关得到的输出电压如图2(b)以及图3(b)所示相同。另外，通过图2(a)所示的开关得到的升降压的效果和通过图3(a)所示的开关得到的升降压的效果相同。
在图4(a)中示出电动机驱动模式下的仅驱动电动机30时的PWM控制例。如图4(a)所示，通过调整开关元件的导通期间，消除产生零电压矢量V0的期间和产生零电压矢量V7的期间，从而不进行升压/降压(电流不流过中性点A)，能够仅进行电动机30的驱动。图2(b)所示的电压矢量V4、V5的总和亦即合成矢量B1和图4(b)所示的电压矢量V4、V5的总和亦即合成矢量B2相同，因合成矢量B1而对电动机30施加的电压和因合成矢量B2而对电动机30施加的电压相同。
这样，能够仅进行电动机30的驱动(电流不流过中性点A)。进一步，也能够进行只有升降压(变压)的变压驱动模式，能够分为3种模式来使用。
图5(a)和图5(b)是仅进行升降压的变压驱动模式的情况，单纯地仅使用零电压矢量V0和零电压矢量V7即可。在该变压驱动模式下，电动机30能够不产生转矩地进行升降压。
这样，能够根据运转状况等分为1个开关周期中的空间矢量相互不同的双驱动模式、电动机驱动模式、变压驱动模式来使用。
接下来，对作用进行说明。
如图6所示，控制器72在步骤S100中判定第二电源50的状态，即判定第二电源50是否正常(是否发生了故障)。具体而言，控制器72判定在施加电压时通过电压传感器81得到的第二电源50的端子间电压值是否比规定的阈值低。而且，若该第二电源50的端子间电压值比规定的阈值高，则控制器72判定为第二电源50正常。另一方面，若该第二电源50的端子间电压值比规定的阈值低，则控制器72判定为是第二电源50发生故障的状态。
如图6所示，控制器72在步骤S101中判定第二电源50的充电状态，即判定第二电源50是充电中还是满充电。具体而言，控制器72判定第二电源50的开路电压值是超过了规定的满充电阈值，还是小于规定的满充电阈值。而且，若第二电源50的开路电压值超过规定的满充电阈值，则控制器72判定为满充电。另一方面，若第二电源50的开路电压值小于规定的满充电阈值，则控制器72判定为充电中。
如图6所示，控制器72在步骤S102中判定电动机30的效率是通常，还是效率较低的区域的运转模式。具体而言，控制器72获取转矩指令值和旋转数指令值，根据三维图(预先规定有转矩指令值、旋转数指令值以及效率的图)判定电动机30的效率是通常区域还是低效率区域。
如图6所示，若第二电源50正常，且第二电源50是充电中，电动机30的效率为通常，则控制器72在步骤S103中设定双驱动模式。另外，若第二电源50发生故障、或者第二电源50满充电，则控制器72在步骤S104中设定电动机驱动模式。进一步，若第二电源50正常，第二电源50是充电中，且是电动机30的效率较低的区域的运转模式，则控制器72确定不需要转矩在步骤S105中设定变压驱动模式(升降压驱动模式)。
这样，控制器72在第二电源50发生故障或者第二电源50的满充电状态下设定无需电流流过第二电源50的电动机驱动模式。另外，控制器72由于在电动机30的效率较低的区域运转的情况下无需使转矩用的电流流过电动机30，所以能够设定只有升降压(变压)的变压驱动模式(升降压驱动模式)。
故障判定使用电压传感器81来进行，但也可以检测流过电动机30的电流，若电流值小于阈值则判定为第二电源50发生故障。
根据上述实施方式，能够得到以下的效果。
(1)电动机装置10具备通过作为多相交流电力的三相交流电旋转驱动的电动机30、和构成为向电动机30供给作为多相交流电力的三相交流电的逆变器电路20。逆变器电路20具有多个(详细而言为3个)由相互串联连接的上臂侧开关元件S1、S3、S5和下臂侧开关元件S2、S4、S6构成的开关元件对。另外，电动机装置10具备：第一电源40，与逆变器电路20的正极母线Lp和负极母线Ln连接；第二电源50，与逆变器电路20的负极母线Ln和电动机30的中性点A连接；以及控制部70，使目标转矩从电动机30输出，并且在每个控制周期控制逆变器电路20的各开关元件对(S1、S2、S3、S4、S5、S6)，以便进行使第二电源50的电压升压(变压)对第一电源40充电、或者使第一电源40的电压降压(变压)对第二电源50充电。控制部70构成为通过调整第一期间和第二期间的比率，来调整从第二电源50朝向第一电源40的升压比(变压比)或者从第一电源40朝向第二电源50的降压比(变压比)，其中，在上述第一期间全部的上臂侧开关元件S1、S3、S5导通并且全部的下臂侧开关元件S2、S4、S6截止，在上述第二期间全部的上臂侧开关元件S1、S3、S5截止并且全部的下臂侧开关元件S2、S4、S6导通，并且控制部70构成为在每个控制周期从多个驱动模式中选定一个模式。多个驱动模式具有：双驱动模式，通过在电动机30的驱动中的一个控制周期内包含第一期间以及第二期间，从而进行电动机驱动和变压驱动(升降压驱动)；以及电动机驱动模式，在电动机30的驱动中的一个控制周期内不包含第一期间以及第二期间，从而仅进行电动机驱动。这样，能够在双驱动模式下，进行电动机驱动和变压驱动。另外，能够在电动机驱动模式下，无需打开开关的动作仅进行电动机驱动。因此，电动机装置10能够与电动机驱动一起进行2个电源间的变压驱动(升降压驱动)，且能够容易地仅进行电动机驱动。
(2)多个驱动模式还具有不驱动电动机30在一个控制周期内包含第一期间以及第二期间的变压驱动模式(升降压驱动模式)，控制部70构成为根据第二电源50以及电动机30的状况，在每个控制周期从多个驱动模式中选定一个模式。因此，电动机装置10能够根据第二电源50以及电动机30的状况，容易地进行电动机驱动和2个电源间的变压驱动、仅电动机驱动、仅变压驱动(升降压驱动)。
(3)由于第二电源50的状况包含关于第二电源50有无故障的状况，所以能够在第二电源50发生故障的情况下仅进行电动机驱动。
(4)由于第一电源40是比第二电源50高压的高压电池，所以很实用。
实施方式并不限定于上述，例如，也可以以如下方式具体化。
·控制部70根据第二电源50的状况从多个驱动模式中选定一个模式，但也可以根据第一电源40的状况从多个驱动模式中选定一个模式。
·电动机30的相数也可以是3相以外的相数。
·第一电源40以及第二电源50的电压的范围也可以是12伏、24伏、48伏等，只要第一电源40的负极和第二电源50的负极能够共用也可以是任意的电源电压。
·第二电源50与第一电源40相比是低压，但也可以第二电源50与第一电源40相比是高压。
·第一电源40和第二电源50既可以是二次电池也可以是电容器等。
·开关元件S1～S6并不限于IGBT，例如也可以是功率MOSFET。

Claims (4)

1.一种电动机装置，具备：
电动机，构成为通过多相交流电力旋转驱动；
逆变器电路，是具有正极母线和负极母线，并构成为向上述电动机供给多相交流电力的逆变器电路，具有多个由在正极母线和负极母线之间相互串联连接的上臂侧开关元件和下臂侧开关元件构成的开关元件对；
第一电源，正极和负极分别与上述正极母线和上述负极母线连接；
第二电源，负极和正极分别与上述负极母线和上述电动机的中性点连接；以及
控制部，构成为使目标转矩从上述电动机输出，并且在每个控制周期控制上述逆变器电路的各开关元件对，以便进行使上述第二电源的电压变压对上述第一电源充电、或者使上述第一电源的电压变压对上述第二电源充电，
上述控制部构成为通过调整第一期间和第二期间的比率，来调整从上述第二电源朝向上述第一电源的变压比或者从上述第一电源朝向上述第二电源的变压比，其中，在上述第一期间全部的上臂侧开关元件导通并且全部的下臂侧开关元件截止，在上述第二期间全部的上臂侧开关元件截止并且全部的下臂侧开关元件导通，并且
上述控制部构成为在每个上述控制周期从多个驱动模式中选定一个模式，
上述多个驱动模式具有：双驱动模式，通过在上述电动机的驱动中的一个控制周期内包含上述第一期间和上述第二期间，从而进行电动机驱动和变压驱动；以及电动机驱动模式，通过在上述电动机的驱动中的一个控制周期内不包含上述第一期间和上述第二期间，从而仅进行电动机驱动。
2.根据权利要求1所述的电动机装置，其特征在于，
上述多个驱动模式还具有不驱动上述电动机在一个控制周期内包含上述第一期间和上述第二期间的变压驱动模式，
上述控制部构成为根据上述第一电源或者上述第二电源的状况以及电动机的状况，在每个上述控制周期从上述多个驱动模式中选定一个模式。
3.根据权利要求2所述的电动机装置，其中，
上述第一电源或者上述第二电源的状况包含关于上述第一电源或者上述第二电源有无故障的状况。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电动机装置，其中，
上述第一电源是比上述第二电源高压的高压电池。
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