CN109204445B - 用于电动助力转向的监测系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于电动助力转向的监测系统。一种用于电动助力转向系统的监测系统，该电动助力转向系统包括：直流电源；逆变桥，包括用于将多相电机的各相选择性地连接至直流电源的多个桥开关，该多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；用于向逆变桥提供控制信号的桥驱动电路；以及介于直流电源与逆变桥之间的直流链路电容器电路，该直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器。该监测系统包括：监测电路，被配置用于监测直流链路电容器电路的完整性，并且输出指示直流电源的输出中的纹波电压的纹波值；以及比较装置，用于将纹波值与指示直流链路电容器电路中的故障的至少一个纹波参数进行比较并且确定是否存在故障。

Description

用于电动助力转向的监测系统

技术领域

本发明涉及电动助力转向系统的改进。

背景技术

已知要提供一种电动助力转向系统，包括：直流电源；包括与多相电机连接的多个桥开关的逆变桥，该逆变桥被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；用于给逆变桥提供控制信号的桥驱动电路；以及在直流链路内介于直流电源的整流器与多个逆变桥之间的直流链路电容器电路。该直流链路电容器电路有助于消除在电路的操作期间可能会引入的瞬变，并且以其他方式消除从直流电源到电机桥的纹波。

直流链路电容器电路可以包括单个直流链路电容器或多个直流链路电容器，其进行操作以使得系统能够管理最大纹波并且能够在例如特定的负荷曲线期间经受住高热应力。高应力负荷曲线可以包括，例如，典型为在用户正在执行停车操作时所需的动力曲线的停车周期。通过使用多个直流链路电容器，纹波电流在电容器之间共用(在理想情况下为相等地)，从而在每个电容器上只有较小的应力。

当一组直流链路电容器中的一个电容器发生故障或者多个电容器发生故障时，剩余的电容器必须通过承担额外的负荷并从而承担额外的应力以针对该故障进行补偿。在剩余电容器上有额外的应力的情况下，每个电容器自身都更容易产生故障。如果每个电容器都进而发生故障，则桥电路可能会在某个点变为无法将足够大的电流驱动到电机内，链路电压将变得不稳定，并且转向系统的动力辅助将无法运行。

在具有双桥架构的助力转向系统(由此辅助系统的两个通道驱动双定子电机)中，对故障有更强的抵抗力，因为即使电桥之一发生故障，另一个电桥也能够操作电机。在正常操作中，每个电桥都可以使用其高达100％的潜在功率容量，尽管这通常并不是正常驱动条件下的情形，或者至少不是延长的时间段的情形。当一个电桥发生故障时，另一个电桥可能更有可能被要求使用其100％的或接近100％的潜在功率容量。在这种情况下，更重要的是识别出潜在的故障，因为只能依靠一个电桥来提供动力辅助；重要的是要知道剩余的电桥能否提供所需的辅助。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于电动助力转向系统的监测系统，该电动助力转向系统包括：直流电源；包括用于将多相电机的各相选择性地连接至直流电源的多个桥开关的逆变桥，该多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；用于给逆变桥提供控制信号的桥驱动电路；以及介于直流电源与逆变桥之间的直流链路电容器电路，该直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器；该监测系统包括：被配置用于监测直流链路电容器电路的完整性的监测电路，该监测电路输出用于指示直流电源的输出中的纹波电压的纹波值；以及比较装置，用于将纹波值与用于指示直流链路电容器电路中的故障的至少一个纹波参数进行比较并且确定是否存在故障。

“直流链路电容器电路的完整性”指的是在电路中存在还是不存在故障。“故障”指的是直流链路电容器电路的可导致电容损失的任何退化。这样的电容损失可以归因于单个电容器或多个电容器中的故障。重要的是直流链路电容器电路的总电容损失，而不是直流链路电容器电路的任意单个电容器的个体电容损失。

“直流链路电容器电路”指的是位于直流链路内的且用于使操作逆变桥所需的电流平滑的电容器组。电容器组包括一个或多个电容器。这些电容器中的每个通常彼此并联连接，以连接直流链路的正极和负极(或正极/负极和地)。

因此，以上所限定的监测系统提供了检查直流链路电容器电路的局部故障的能力。实际上，它提供了监测电路的能力，以便能够在故障对于电动助力转向系统的操作成为问题之前通过维护或其他方式来纠正或减轻故障。还可以改变系统的操作特性，以便防止直流链路电容器电路内的其他故障。

比较装置可以形成控制电路的一部分。因此，控制电路可以包括存储器，用于存储一个或多个纹波参数。比较装置还可以包括于监测装置内，在这种情况下监测装置可以包括存储器。

要确定是否存在故障，比较装置可以确定纹波值是否与所存储的任意纹波参数匹配或紧密匹配，如果存在匹配或紧密匹配，则指示有故障。可以确定纹波值是否超过了所存储的最低纹波参数值，该最低纹波参数值是与电路中只有一个电容器发生故障的情形对应的纹波值。

因此，监测装置可以确定在开路模式下是否有一个或多个电容器已经发生故障，并且由此对直流链路电容器电路的能量存储没有贡献，从而降低了电路限制纹波电压的能力。

控制电路可以被配置用于根据电动助力转向系统的参数来更新或以其他方式修改一个或多个纹波参数的值。这样的参数可以包括由逆变桥施加的相电流、电池电压和/或系统的温度或系统的选定构件的温度。

控制电路可以被配置用于将信号输出到桥驱动电路，该信号可促使桥驱动电路改变提供给逆变桥的控制信号。

该至少一个纹波参数可以包括用于指示是否存在故障的第一纹波参数，该第一纹波参数对应于在直流链路电容器电路中的第一预定电容损失。该至少一个纹波参数还可以包括用于指示是否存在故障的第二纹波参数，该第二纹波参数对应于直流链路电容器电路中的第二预定电容损失。

一个或多个预定电容损失可以等于整数个直流链路电容器的电容损失。

该至少一个纹波参数可以包括数量等于多个直流链路电容器中的直流链路电容器的数量的纹波参数，每个附加的纹波参数都指示相当于多个直流链路电容器中的一个附加的直流链路电容器的电容损失的故障。

纹波监测装置可以包括真有效值-直流转换器。

纹波值可以与纹波电压的有效值成比例。

一个或多个纹波参数可以等于这一纹波值：在其以上即可确定至少有一个电容器发生故障。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定电机驱动电路的操作状态的方法，该电机驱动电路包括：直流电源；包括用于将多相电机的各相选择性地连接至直流电源的多个桥开关的逆变桥，该多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；用于给逆变桥提供控制信号的桥驱动电路；介于直流电源与逆变桥之间的直流链路电容器电路，该直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器；该方法包括以下步骤：监测用于指示直流电源的输出中的纹波电压的纹波值的监测步骤；将纹波值与用于指示直流链路电容器电路中的故障的至少一个纹波参数进行比较的比较步骤；以及故障确定步骤，在该故障确定步骤中，在纹波值指示直流链路电容器电路中有故障的情况下，确定故障存在。

根据本发明的第三方面，提供了一种电动助力转向系统，包括：直流电源；包括用于将多相电机的各相选择性地连接至直流电源的多个桥开关的逆变桥，该多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；用于给逆变桥提供控制信号的桥驱动电路；介于直流电源与逆变桥之间的直流链路电容器电路，该直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器；以及根据本发明的第一方面的监测系统。

电动助力转向系统还可以包括用于将多相电机的附加相选择性地连接至直流电源的至少一个附加的逆变桥。该系统还可以包括用于给附加的逆变桥提供控制信号的附加桥驱动电路，该附加桥驱动电路接收来自监测系统的信号。

桥驱动电路和/或附加桥驱动电路可以被配置用于在监测系统确定直流链路电容器电路和/或附加的直流链路电容器电路中存在故障时，修改提供给逆变桥和/或附加的逆变桥的控制信号。

每个直流链路电容器电路都可以由单独的电源滤波器供电，每个电源滤波器介于直流电源与相应的直流链路电容器电路之间。

以此方式，多定子多相电机可以由所描述的装置驱动。例如，双定子电机可以经由被配置用于驱动每个定子的逆变桥来驱动。使用双定子电机可以是有利的，因为它为电动助力转向系统提供了一定程度的冗余。

单个桥驱动电路可以驱动两个或更多个逆变桥。

通过使用结合监测系统来驱动多个逆变桥的桥驱动电路，可以独立控制逆变桥以减轻任一逆变桥中的任何故障的影响，其中监测系统用于监测供应到逆变桥的电压的纹波。例如，如果监测电路指示在一个直流链路电容器电路中有大量的电容器发生故障并且因此逆变器可能无法满负荷操作，则可以通过另一逆变桥来引导更大的功率。

单个监测电路可以监测每个纹波值，或者可以使用多个监测电路。在使用多个监测电路的情况下，它们可以各自与控制电路通信或者相互通信。

可以使用多个桥驱动电路，该多个桥驱动电路中的每一个都可以由控制电路进行中央控制，或者该多个桥驱动电路可以相互通信，以便实现电机的同步或协同控制。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明，在附图中：

图1是包括根据本发明的第一方面的监测电路的一种实施例的根据本发明的第三方面的电动助力转向系统的一种实施例的电路图；

图2是图1的逆变桥的详细视图；

图3是图1的直流链路电容器电路的详细视图；

图4是图1的控制电路的详细视图；

图5是根据本发明的第二方面的方法的图示；

图6是包括双定子电机的根据本发明的第三方面的电动助力转向系统的第二实施例的电路图；

图7是示例纹波值和纹波参数的表格；以及

图8是第三实施例的电路图。

具体实施方式

首先参考图1，该图示出了电动助力转向系统100的一种实施例。电动助力转向系统100包括直流电源102、电源滤波器103、直流链路电容器电路104、控制电路105，以及用于驱动多相电机108的逆变桥106。多相电机108为车辆的转向系统(未示出)提供电动助力。除了上述器件外，电动助力转向系统100还包括用于驱动逆变桥106的桥驱动电路110以及用于监测供应到逆变桥106的电压的监测电路112。

电源滤波器103介于直流电源102与直流链路电容器电路104之间，并且用于防止不需要的频率传播通过电路。

逆变桥106(示于图2中)包括多个桥开关114。桥开关布置为包含上部桥开关114a和下部桥开关114b的对，每对桥开关114控制到多相电机108的一相的电流。在本实施例中，每个桥开关114都包括MOSFET，其开关由来自桥驱动电路110的信号控制。因而，桥开关114可以根据需要进行开关，以向多相电机108的每相提供所需的功率。

当使用逆变器将直流转换成交流时，如同在本例中，所产生的纹波电流从直流电源102引出。由于该纹波电流，在供应到逆变桥106的电压中可能形成纹波电压。为了解决这个问题，如图3所示，直流链路电容器电路104包括多个电容器116，其提供所需的纹波电流，并因此降低供应到逆变桥106的纹波电压。为了达到预期效果，可以使用单个电容器116。但是，在本实施例中使用了六个电容器116，以便将负载分散到许多电容器116中。如前所述，这同样增加了系统100的冗余度。

纹波电压可以被定义为远离由直流电源提供的基线直流电压的重复波动。该重复波动可以被建模为交流电压，因此纹波值可以是例如纹波电压的测得的有效值。该有效值将响应于一个或多个电容器的故障而随着纹波电压的幅度变化而变化。

纹波电压可能会受到电路的许多属性影响，包括由逆变桥引出的纹波电流、等效串联电阻(ESR)、直流链路电容器电路的总电容、纹波电流的频率，以及温度。由逆变桥引出的纹波电流与负载成比例，并且纹波电流的频率取决于逆变桥的开关频率，即脉宽调制(PWM)频率。

在电路中产生的纹波通过监测电路112的纹波监测装置112a来检测，纹波监测装置112a的输出被馈送到控制电路105。控制电路105包括纹波比较装置120。如图4所示，若需要，还可以包括存储器122。监测电路112对供应到逆变桥106的电压中的纹波进行监测。然后，在比较装置120中将纹波的大小与至少一个纹波参数进行比较。该比较的结果导致监测电路112确定在直流链路电容器电路104中是否存在故障。

如图3所示，在本实施例中，共有六个直流链路电容器116。因此，监测电路112包括六个不同的纹波参数。每个纹波参数与等同于直流链路电容器116发生故障(即直流链路电容器116不再正常运行)的直流链路电容器电路中的预定电容损失相对应。当直流链路电容器116故障时，纹波值将会相应地升高。现在将参照图4来描述监测电路112如何运行的示例。

作为示例，指示等同于一个电容器完全故障的电容降低的纹波电压也可以指示两个电容器的50％电容损失或者四个电容器的25％电容损失。正因如此，纹波电压测量值是对电容总损失的测量，而不是对任何单个电容器或电容器组合的具体故障的测量。

如上所述，尽管在本实施例中示出了六个电容器，但是这并不是对本发明的限定，而是可以使用任何数量的电容器。例如，可以使用单个电容器，也可以使用两个、三个或四个电容器，或者本领域技术人员认为是优选的或必要的任意其它数量的电容器。

在正常使用期间，纹波电压有效值将在预定值以下。该值将作为第一纹波参数存储于存储器122内。如果纹波上升至第一纹波参数以上的值，则比较装置120将指示有一个直流链路电容器116存在故障。存储与有两个直流链路电容器116发生故障对应的第二纹波参数。第二纹波参数将在第一纹波参数的值以上，对应于较大的纹波值。

更多的纹波参数(如第三纹波参数、第四纹波参数、第五纹波参数和第六纹波参数)将指示是否有附加的直流链路电容器116存在故障，每个后续的纹波参数与等同于附加的直流链路电容器116发生故障的电容损失相对应。

如上所述，纹波参数可以是简单的值，由此如果纹波值大于每个参数，则比较装置120指示一个或多个直流链路电容器116有故障。可替代地，每个纹波参数可以是值的范围，由此纹波值必须保持在这样的范围内以使得不会检测为有故障。

控制电路可以取决于电路的其它各种参数来调整纹波参数，因此纹波参数可以不是固定的，而可以是动态的。例如，增加相电流可以增加纹波电压的大小而没有任何电容损失。正因如此，应当对纹波参数进行调整以便考虑纹波电压的这种自然增加。纹波电压的增加可能不与相电流的增加成线性关系，而是可以有更复杂的关系，这可以由本领域技术人员确定。为了动态地改变纹波参数而可以考虑的其它参数可以包括例如实际电池电压和电路的温度。这并不是在动态改变纹波参数时可以考虑的参数的排他性列表，其它参数及其测量方法也可由本领域技术人员容易地实现。

可以通过测试和/或通过最坏情况分析计算来预先确定纹波参数，该计算将由电路的容限导致的变化考虑在内。电动助力转向系统100的每种设计将会具有它自己的特性纹波，取决于系统100中的构件的电特性以及存在于直流链路电容器电路104内的直流链路电容器116的数量和类型。因为这种情况，测试将会允许对每个系统的纹波参数进行微调以对应于直流链路电容器电路104中的电容器116的故障。

监测电路可以例如使用真有效值-直流转换器集成电路。这样的电路能够测量纹波电压的有效值。真有效值-直流转换器集成电路的一个实例是Analog Devices的AD8436。尽管本实施例通过监测有效值来监测纹波电压，但是可替换的方法也是可行的，例如，对纹波电压的峰-峰监测或者对纹波电压的其它任何已知的测量，这是本领域技术人员已知的。

根据以上描述，可以使用图5所示的监测步骤S1、比较步骤S2和故障确定步骤S3来确定一种用于确定所描述的电机驱动电路的操作状态的方法。

首先，监测步骤S1包括监测指示供应到逆变桥106的纹波电压的纹波值。该纹波值可以是纹波电压自身或者取决于纹波电压的某种其它信号。然后在比较步骤S2中将该纹波值与一个或多个纹波参数进行比较，该一个或多个纹波参数可以通过例如附加电路来预先确定或计算。然后在故障确定步骤S3中基于比较的结果来确定直流链路电容器电路104是否存在故障。

在图6中示出了用于驱动双定子多相电机208的第一示例性电路图。在适当的情况下，用于图1的相同附图标记被用来示出相似的构件。系统200按照与图1的方式相似的方式来操作，但是为了驱动双通道电机的第一定子绕组和第二定子绕组二者而进行了扩展。正因如此，提供了两个逆变桥206a、206b以及两个桥驱动器110a，其中的一个驱动双定子电机208的每个绕组通道。每个逆变桥206连同监测电路212和直流链路电容器电路204一起被提供于通道224内。每个通道224由同一直流电源202供电，不过也可以设置多个电源以及相应地分离的通道224。

提供两个桥驱动电路210a、210b，用于输出信号以驱动每个逆变桥206的开关。因此，桥驱动电路210在正常运行的电路的情形中可以给每个逆变桥206提供相同的信号(不过偏移了相绕组的偏移)，或者在直流链路电容器电路204中的一个或多个直流链路电容器内检测到故障的情形中可以改变提供给每个逆变桥206的信号。在此，为每个逆变桥提供一个桥驱动电路，并且如果存在更多的逆变桥(例如在电机内存在更多绕组的情况下)，则这可以根据需要进行缩放。可替代地，也可以提供一个桥驱动电路以用于驱动两个或更多个逆变桥。

尽管为了简便起见示出为单独的监测电路212，但是可以使用单个监测电路用于监测供应到每个逆变桥206的电压中的纹波。不管是提供单个监测电路还是多个监测电路，一个或多个监测电路212都将与桥驱动电路210通信，使得桥驱动电路210可以相应地修改到逆变桥206的驱动信号。

图中示出了与桥驱动电路210和监测电路212通信的控制电路。因而，实现了系统200的中央控制。作为专用控制器的替代，监测电路或桥驱动电路除了它们的内部控制以外还可以包括控制电路。

当然，图6的系统可以进行扩展，以驱动具有更多定子的电机，这是本领域技术人员应当清楚的。

在图8中示出了一种替代的且更复杂的布置的一个示例。在该示例300中，提供了完全的双通道系统以用于驱动具有完全独立的两组相绕组308的电机。这两个通道可以是相同的，并且所示出的每个通道301a、302b都具有它自己的电源302、电源滤波级303、直流链路电容器电路304、监测电路312、微控制器305、桥驱动电路310、逆变桥306等。实际上，每个通道都包括在图1的简单布置中示出的所有特征。针对每个通道所存储的参数可以是相同的，但是每个通道的参数也可以是不同的。例如，如果参数随温度进行了修改，则如果每个通道中的直流链路电容器的温度不同，就可以使用不同的参数。如图所示，微控制器相互通信，但是它们可以是完全独立的。

在图7中，示出了故障的电容器的数量以及由监测电路检测到的所产生的有效值的测量值。根据这些测量值，可以确定指示一个或多个电容器存在故障的纹波参数的可能的限度。在所示的实例中，升高到纹波参数的值以上的纹波值将指示一个或多个电容器存在故障，如表中所示。因此，选择每个附加的纹波参数以与等同于直流链路电容器电路中的一个电容器的电容的电容损失相对应。纹波参数的实际值和有效值测量值将取决于系统的静态和动态特性而改变。

Claims (15)

1.一种用于电动助力转向系统的监测系统，所述电动助力转向系统包括：

直流电源；

逆变桥，包括用于将多相电机的各相选择性地连接至所述直流电源的多个桥开关，所述多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；

桥驱动电路，用于向所述逆变桥提供控制信号；以及

介于所述直流电源与所述逆变桥之间的直流链路电容器电路，所述直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器；

所述监测系统包括：

被配置用于监测所述直流链路电容器电路的完整性的监测电路，所述监测电路输出指示所述直流电源的输出中的纹波电压的纹波值；以及

比较装置，用于将所述纹波值与指示所述直流链路电容器电路中的故障的至少一个纹波参数进行比较并且确定是否存在故障。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其中所述比较装置形成控制电路的一部分。

3.根据权利要求2所述的监测系统，其中所述控制电路包括存储器，所述存储器存储一个或多个纹波参数。

4.根据权利要求2所述的监测系统，其中所述控制电路被配置用于根据所述电动助力转向系统的参数来更新一个或多个纹波参数。

5.根据权利要求2所述的监测系统，其中所述控制电路被配置用于将如下信号输出到所述桥驱动电路，该信号使得所述桥驱动电路改变向所述逆变桥提供的控制信号。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的监测系统，其中所述至少一个纹波参数包括第一纹波参数，所述第一纹波参数指示是否存在指示所述直流链路电容器电路中的第一预定电容损失的故障。

7.根据权利要求6所述的监测系统，其中所述至少一个纹波参数包括第二纹波参数，所述第二纹波参数指示是否存在对应于所述直流链路电容器电路中的第二预定电容损失的故障。

8.根据权利要求6所述的监测系统，其中一个或多个预定电容损失等同于整数个所述直流链路电容器的电容损失。

9.根据权利要求1所述的监测系统，其中所述监测电路包括纹波监测装置，并且所述纹波监测装置包括真有效值-直流转换器。

10.根据权利要求1所述的监测系统，其中所述纹波值与所述纹波电压的有效值成比例。

11.一种用于确定电机驱动电路的操作状态的方法，所述电机驱动电路包括：

直流电源；

逆变桥，包括用于将多相电机的各相选择性地连接至所述直流电源的多个桥开关，所述多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；

桥驱动电路，用于向所述逆变桥提供控制信号；

介于所述直流电源与逆变桥之间的直流链路电容器电路，所述直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器；

所述方法包括以下步骤：

监测指示所述直流电源的输出中的纹波电压的纹波值的监测步骤；

将所述纹波值与指示所述直流链路电容器电路中的故障的至少一个纹波参数进行比较的比较步骤；以及

故障确定步骤，其中，在所述纹波值指示所述直流链路电容器电路中的故障的情况下确定故障存在。

12.一种电动助力转向系统，包括：

直流电源；

逆变桥，包括用于将多相电机的各相选择性地连接至所述直流电源的多个桥开关，所述多相电机被配置用于为车辆的转向系统提供动力辅助；

桥驱动电路，用于向所述逆变桥提供控制信号；

介于所述直流电源与所述逆变桥之间的直流链路电容器电路，所述直流链路电容器电路包括至少一个直流链路电容器；以及

根据权利要求1至10中的任一项所述的监测系统。

13.根据权利要求12所述的电动助力转向系统，还包括至少一个附加的逆变桥，用于将多相电机的附加的相选择性地连接至所述直流电源。

14.根据权利要求13所述的电动助力转向系统，还包括用于向所述附加的逆变桥提供控制信号的附加的桥驱动电路，所述附加的桥驱动电路接收来自所述监测系统的信号。

15.根据权利要求12所述的电动助力转向系统，其中所述桥驱动电路和/或附加的桥驱动电路被配置用于，当所述监测系统确定所述直流链路电容器电路和/或附加的直流链路电容器电路中存在故障时，修改向所述逆变桥和/或附加的逆变桥提供的控制信号。

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