CN109247058B - 具有多系统电路的电子控制装置 - Google Patents

Abstract

在具有多系统电路的电子控制装置中，对各自的所有系统电路独立地设置电源切断单元，在异常检测时使用所述切断单元来切断异常系统电路，并利用正常系统电路来继续控制，从而提高冗余性。从电源线的分岔点分离成由驱动部系统电路及控制部系统电路构成的多个系统电路，并且，在所述电源线的最上游位置分别对每个系统电路配置切断电源供给的继电器单元，由此能独立地切断各系统电路，并能继续动作。

Description

具有多系统电路的电子控制装置

技术领域

本发明涉及电子控制装置，其具有多个独立的系统电路，在某个系统电路发生了异常的情况下，通过切换成其他系统电路，或仅利用正常的系统电路来继续控制，从而具有冗余性。

背景技术

在现有的具有冗余性的电子控制装置中，已知有如下电子控制装置，即：作为具有冗余系统的结构，具有至少双系统的驱动部(逆变器部)，并在各系统的电源侧分别配置能切断电源的电源继电器，当任意系统发生异常时，使得仅使用正常侧来继续控制(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013－215040号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1所公开的装置中，公开了如下技术，即：独立地具备多个系统的驱动部(逆变器部)，在各系统的电源侧与驱动部间配置对两者进行电连接或切断两者的电源继电器，并且还具备在每个系统中对所述驱动部的异常进行检测的故障检测单元，在上述多个系统中的任意驱动部(逆变器部)发生了故障的情况下，切断插入至该系统的电源继电器从而仅利用其它系统来继续控制，并且，对于故障系统，通过具备将所述电源继电器控制为再生通电状态的控制单元，从而能防止电动机因旋转而产生的感应电压所导致的电路元件的破损。

然而，在上述专利文献1中，对于驱动部(逆变器部)，通过独立地具备多个系统而确保了冗余性，但对该电源继电器输出导通/断开指令、对驱动部输出控制指令、或对驱动部的动作状况进行监视的控制单元仅分别独立地存在于各系统，这些控制单元并不具备任何冗余性。因此，作为装置整体来看，冗余性并不充分。

本发明提供一种具有多系统电路的电子控制装置，将控制单元的异常包含在内作为装置整体而确保了冗余性。

解决技术问题所采用的技术方案

在具有从电源的分岔点经由电源线而彼此分离的多系统电路的电子控制装置中，

所述多系统电路由分别从上述电源线经由驱动部向负载供电的至少2个驱动部系统电路、以及从上述电源线经由控制部来控制上述驱动部的至少1个控制部系统电路构成，每个系统电路分别在所述电源线的最上游位置具备切断电源供给的继电器单元。

发明效果

根据本发明的具有多系统电路的电子控制装置，具有由驱动部系统电路和控制部系统电路构成的多个系统电路，并且还将能对提供给各系统电路的电源供给进行切断控制的继电器功能配置在各个系统电路的最上游位置，由此能独立地切断各系统电路或使各系统电路继续动作，无论在哪个系统电路中发生了异常的情况下，都能仅利用正常的系统电路来使动作继续，能提高作为控制装置整体的冗余性。

附图说明

图1是示出本发明实施方式1中的具有多系统电路的电子控制装置的整体简要结构的电路图。

图2是本发明实施方式2中的电子控制装置的整体电路图。

图3是本发明实施方式2中的电子控制装置中所使用的电源电路的一个示例。

图4是作为本发明的实施方式3而示出控制部的其他结构的示意图。

图5是上述图4的电源电路的具体的电路结构图。

具体实施方式

实施方式1.

下面，基于附图对本发明的实施方式1进行说明。

图1是成为本发明的具有多系统电路的电子控制装置的整体示意图。电子控制装置1具有3系统以上的能以功能模块或电路模块进行分离的系统电路。本实施方式中，作为一个示例，对具备4系统的独立的系统电路的电子控制装置进行说明。

如图1所示，电子控制装置1由驱动致动器(电动机)2a、2b的驱动部1、2(3a、3b)的系统、以及运算对于所述驱动部的控制量并输出指令的控制部1、2(4a、4b)的系统这4系统以分离的方式构成。该电子控制装置1与来自电源9的电源电压(+B)及接地(GND)相连接。此外，电源电压+B从分岔点6起通过电源线向各系统电路分离并进行电源供给。此外，将继电器单元5a、5b、5c、5d分别配置于各系统，以使得当各系统电路发生异常时不对其他系统电路造成影响。

继电器单元5a、5b、5c、5d分别连接有能提供、切断电源的控制信号7a、7b、7c、7d。若是像这样构成的电路网，则例如在控制部1(4a)中发生了流过过电流那样的短路故障的情况下，可能无法维持电源电压(+B)，有可能陷入也无法正常地对其他系统进行电源供给的状况。因此，在异常时利用控制信号7a切断继电器单元5a。这里，控制信号7a、7b、7c、7d的输出源可以由各继电器单元5a、5b、5c、5d下游侧的控制部、或驱动部来输出，此外，也可以不经由上述控制部、驱动部，而是由能检测出所述短路故障那样的具有过电流检测功能等的其他电路来输出。

实施方式2.

图2示出将图1的示意图应用于车辆用的电动助力转向装置而得到的整体电路图，示出了将图1的控制部用继电器单元兼用作控制部电路的一部分开关元件的变形例。

图2大致地由电动机2、控制单元1e、1f、传感器部8、16a、16b、以及电源9构成。电动机2在这里为三相无刷电动机，具备双系统的三相线圈绕组。因此，控制单元1e、1f也分别具备双系统的相当于上述图1的驱动部1、2(3a、3b)的逆变器电路3a、3b、以及相当于上述图1的控制部1、2(4a、4b)的控制电路4a、4b。因此，构成为双系统能分别独立地对电动机2的三相线圈绕组供电。

控制单元1e、1f的外部设置有搭载于车辆的电池9、车速传感器/用于检测方向盘的转向转矩的转矩传感器等传感器类8，在电动机2的附近配置有检测电动机的旋转角的旋转传感器16a、16b。在控制单元1e、1f内，为了向电动机2供电而配置有所谓的逆变器电路3a、3b，并且还配置有电源用开关元件5b、5d，其中，上述逆变器电路3a、3b的高电压侧(以下，称为上臂)、低电压侧(以下，称为下臂)的各相分别连接有开关元件31au、32au、31bu、32bu，上述电源用开关元件5b、5d具有用于向所述逆变器电路3a、3b进行供电及切断向所述逆变器电路3a、3b进行的供电的继电器功能。

来自电池9的电力从分岔点6被分岔，构成控制部的控制电路4a、4b配置有：产生用于使各电子元器件动作的电源电压的电源电路13a、13b；来自所述传感器类8、旋转传感器16a、16b等的控制所需的各种信息的输入电路12a、12b；运算控制量的CPU1、2(10a、10b)；以及用于基于所述CPU1、2的运算结果来驱动所述逆变器电路3a、3b的驱动电路1、2(11a、11b)。

在本实施方式中，控制单元1e、1f彼此由同一电路网形成，因此，这里仅对控制单元1e进行说明。

控制单元1e内的所述各部位的动作概要如下：若电力从电池9被提供至控制单元1e，则对电源电路13a内的CPU10a、输入电路12a、驱动电路11a以及旋转角传感器16a等提供用于使它们正常地进行动作的电压。此外，逆变器电路3a用的电源也由电池9来提供。

来自车速传感器、转矩传感器等传感器类8的信息经由输入电路12a被输入至CPU10a，CPU10a基于这些信息来运算向电动机2进行供电的控制量。基于该运算结果的指令从CPU10a被传输至驱动电路11a，驱动电路11a输出用于驱动逆变器电路3a的信号。

此外，检测逆变器电路3a内的各部分的电压或电流，并且所述检测出的电压或电流经由例如输入电路12a等被传输至CPU10a。在进行不检测逆变器电路3a内的电压或电流等来进行控制的所谓的无传感器控制等的情况下，逆变器电路3a内的各部分的电压、电流也未必一定要传输至CPU10a。

朝向逆变器电路3a的+B电源线配置有具有能提供、切断电力的继电器功能的电源用开关元件5b。该电源用开关元件5b例如是MOSFET。该示例中，出于使得具备提供、切断电力的功能、以及例如在电池的+B与GND反接的情况下保护逆变器电路3a的功能这两者的目的，串联地插入MOSFET，以使得MOSFET的寄生二极管配置于电流供给的正方向与反方向。

利用该电源用开关元件5b，能在逆变器电路3a或电动机2产生了故障等情况下强制性切断供电。CPU10a经由驱动电路11a控制该电源用开关元件5b的驱动。然而，电源用开关元件5b的驱动也可以由与CPU10a、驱动电路11a独立的电路来进行驱动。

为了向电动机2的三相绕组(U相、V相、W相)提供所希望的电力，逆变器电路3a由在各相配置于上臂、下臂的开关元件31au、32au、分流电阻33au、滤波电容器30au等构成。V相、W相为同一电路结构，因此省略图示，以下的说明中仅对U相进行说明。

U相分别具备：串联的2个构成上下臂的开关元件(31au、32au)；以及具有能对电动机绕组与所述开关元件(31au、32au)间的供电进行导通、断开的继电器功能的电动机继电器用开关元件34au。基于CPU10a的控制量运算结果，经由驱动电路11a来驱动上下臂用开关元件31au、32au。

出于抑制开关时的电源电压变动、噪声的目的，在开关元件31au、32au的附近也连接有滤波电容器30au。

并且，为了检测流过电动机2的电流，还连接有分流电阻33au。上下臂的开关元件31au、32au之间、或电动机绕组的端子的电压、以及分流电阻33au的两端电压被传输至CPU10a，掌握CPU10a的控制指令值(目标值)与实际的电流、电压值的差异，并进行用于使电动机旋转的所谓的反馈控制。并且，也进行各部分的故障判定。

此外，利用旋转传感器16a检测旋转角，从而由CPU10a计算电动机的旋转位置或旋转速度，并在用于使电动机旋转的控制运算中利用。

对图2中与图1的各部位之间的对应关系进行说明。电源线的分岔点6用同一标号来进行记载。图1的继电器单元5a、5c相当于图2的电源电路13a、13b，图1的继电器单元5b、5d相当于图2的电源用开关元件5b、5d。图1的控制部4a、4b相当于图2的控制电路4a、4b，驱动部3a、3b相当于逆变器电路3a、3b。

在图2中，控制电路4a、4b具备电源电路1、2(13a、13b)。另外，如图1的实施方式1中所说明的那样，可以在电源电路1、2(13a、13b)的上游侧(电池侧)具备继电器单元5a、5c。

在该继电器单元5a、5c的下游侧(负载侧)，万一发生了至GND的接地短路故障那样的异常的情况下，例如能通过过电流检测电路那样的能检测接地短路的电路来切断上述继电器单元5a、5c，并能使得所产生的接地短路故障的影响不波及到其他系统。例如，在控制电路4a的电源1的下游侧发生了接地短路故障的情况下，若不切断继电器单元5a，则将因过电流而导致无法保持电源电压(+B)，控制电路4b、逆变器电路3b也难以继续动作，但通过切断位于电源线的最上游位置的继电器单元5a，从而消除了对控制电路4b、逆变器电路3b的影响，作为装置整体能继续动作。

在图2中，所述继电器单元5a、5c并非如图1那样是作为继电器单元5a、5c而独立的电路，而能够包含在电源电路1、2(13a、13b)的功能中。例如，在将降压斩波电路、LDO(LowDrop Out：低压差)稳压器应用于电源电路1、2(13a、13b)的情况下，由于这些电路一般具有与电源线串联的双极型晶体管、MOSFET那样的开关元件13d、13f，因此，在这些电源电路1、2(13a、13b)的下游侧例如发生了接地短路故障那样的异常的情况下，通过采用切断包含于所述降压斩波电路、LDO稳压器的开关元件13d、13f的电路结构，从而能达成与所述继电器单元5a、5c相同的功能。

图3示出了将降压斩波电路应用于上述电源电路1、2(13a、13b)时的具体的电路图，该示例中，在电源电路1、2(13a、13b)的下游侧发生了接地短路故障、过电流那样的异常的情况下，在管理降压斩波电路的反馈控制的控制器13j中检测出所述异常，通过将开关元件13d保持为切断状态，从而能将在正常动作时以降压斩波电路的电力斩波用途进行使用的开关元件13d也作为继电器单元来进行使用。这在之后进行说明的图5中的电源电路19所示那样的LDO稳压器电路中也相同。即，无需独立地配置继电器单元5a、5c，可以将构成控制部的开关元件兼用作上述继电器单元，因此，能力图实现电子控制装置的小型化。

对于彼此的CPU的运算内容、例如从传感器类等输入的信息、在系统中检测出的异常内容、或控制量等，图2的CPU10a、10b可以利用通信线14来掌握彼此的动作状况。由此，能识别对方系统有无异常，例如在对方系统发生异常时也能进行控制，以使得自身的控制量可变。

同样地，与驱动部相当的逆变器电路3a、3b通过由CPU10a、10b监视与控制指令不同的电压、电流等，从而能检测逆变器电路3a、3b内的各开关元件、甚至是电动机2的线圈绕组的异常等。例如在检测出逆变器电路3a一侧的异常的情况下，当该异常对逆变器电路3b一侧造成影响时，CPU10a输出控制指令，以切断继电器单元即电源用开关元件5b。利用该指令使电源用开关元件5b断开，来切断向电动机2的电力供给。

另外，根据所检测出的异常，有时也无需切断电源用开关元件5b。例如，在上下臂即开关元件31au、32au的开路故障、电动机继电器用开关元件34au的短路故障的情况下，只要其他相的开关元件正常，则也可以使用正常的剩余的两相来继续驱动，因此不切断电源用开关元件5b。

虽然所述控制部系统的继电器单元5a、5c与所述驱动部系统的继电器单元5b、5d分别是大致相同的电路结构，但控制信号7a、7b、7c、7d的输出源不同。

继电器单元5a、5c如上述所述，配置在电源电路13a、13b的上游侧，或者如上述那样，在电源电路13a、13b中包含继电器单元5a、5c的功能。另一方面，电源电路13a、13b中生成的电压也被提供给CPU10a、10b。在电源电路13a、13b的下游侧发生了异常的情况下切断继电器单元5a、5c，但该情况下CPU10a、10b也有可能产生某些异常、或有可能被异常的影响所波及，有可能无法正常地控制继电器单元5a、5c。因此，继电器单元5a、5c的控制(控制信号7a、7c)并非由CPU10a、10b进行，而由其他电路(例如，所述过电流检测电路)来控制。

另一方面，电源用开关元件5b、5d基于CPU10a、10b所得出的判断的结果经由驱动电路11a、11b被控制。

如上所述，对于各个继电器单元的控制信号的输出源，使输出源根据其配置场所而不同。

图3的电容器13m是出于抑制相当于电源电路13a的降压斩波电路的输入电压变动的影响的目的、抑制噪声的目的而配置的。

另一方面，电容器13n是出于使相当于电源电路13a的降压斩波电路的输出电压平滑化的目的而配置的。例如，电容器13m设为陶瓷电容器，13n设为电解电容器。在电容器13m使用层叠陶瓷电容器、特别是表面安装型的贴片电容器的情况下，作为其故障模式有可能是短路故障，在万一发生了故障的情况下电源线将发生接地短路。该情况下，由于所述接地短路故障的影响，其他系统电路、例如电源电路13b等将无法正常地继续动作。因此，串联连接多个电容器13m(图3中为2个)，以降低针对接地短路故障的故障发生率。

另一方面，电解电容器中，作为故障模式，陷入短路故障的可能性极低，即使不像这样串联连接多个，也能充分降低针对接地短路故障的故障发生率。因此，在电容器13n及图2的电容器15的情况下，由于它们是电解电容器，因此设为使用1个，如上所述那样将故障模式、故障发生率考虑在内来变更使用方法。

如上所述，在本发明所涉及的具有多系统电路的电子控制装置中，由分别从电源线经由驱动部向负载供电的至少2个驱动部系统电路、以及从上述电源线经由控制部来控制上述驱动部的至少1个控制部系统电路构成，每个系统电路分别在所述电源线的最上游位置具备切断电源供给的继电器单元。

由此，分别具有切断驱动部的电源供给的单元、以及切断控制部的电源供给的单元，从而能使得不因一部分的异常而影响到其他正常的部位，能提高作为电路整体的冗余性。

并且，在一部分系统电路中发生异常时也能作为装置来继续控制，不会发生在车辆驾驶中因异常而突然导致其功能不起作用的情况，能确保车辆的安全性。

此外，构成为切断继电器单元的控制信号7a、7b、7c、7d根据其配置场所来变更输出源，控制部的继电器单元并非由控制部的例如CPU来进行控制，而是在不经由CPU的情况下由其他电路来进行控制，另一方面，驱动部的继电器单元也可以由控制部的例如CPU来进行控制，因此，能确保双重的冗余性。

实施方式3

实施方式2中，示出了2个控制部4a、4b内的电源电路13a、13b为最简单的电路例，但实际上串联连接多个电源电路来与需要各种电源电压的负载相对应的情况较多。图4是示出其一个示例的控制部4a、4b的简要电路结构图，图中，在电源线的最上游位置配置继电器单元5a，在其后级串联连接第1电源电路18与第2电源电路19这2个恒压电路。

从原电源的分岔点6向控制部4a提供电源，首先，由继电器单元5a、第1电源电路18输出第1恒定电压(例如6.5V)。接着，使用该恒定电压输出，由第2电源电路19输出恒定电压(例如5V)。此外，第1电源电路18被提供给例如传感器用电源的负载1(17a)。第2电源电路19还向例如CPU10、负载b(17b)提供电源。继电器单元5a的控制信号7a例如由第1电源电路18来控制。

由此，串联连接电源电路，将至少1个继电器单元5a配置在仅电源电路的最上游位置，从而能保护控制部电路整体，因此能使电路结构变得简单。

图5示出了图4中的2个电源电路18、19即2个恒压输出电路部分的具体的电路结构图。电源电路18包含图4的继电器单元5a以及第1电源电路18。开关元件5a1相当于继电器单元5a，控制器部18e具有降压、升压这两个功能。由开关元件5a1、二极管18b、电感器18c构成降压斩波电路，由电感器18c、开关元件18f、二极管18d构成升压斩波电路。

在图5的电路例中，开关元件5a1由从控制器部18e的Buck端子输出的信号控制成作为降压稳压器来进行动作，开元元件18f由从控制器部18e的Boost端子输出的信号控制成作为升压稳压器来进行动作。

即，在作为电池电压将12V提供给图4的分岔点6的情况下，由降压稳压器输出6.5V，但在电池电压下降，例如在6～7V附近的情况下，若考虑各元器件中的电压降，则难以保持6.5V的输出。当发生这样的电池电压下降时，升压稳压器的功能将发挥，能保持6.5V的输出。

在图5的示例中，控制器部18e的Vin是电源端子，Vreg是为了进行降压斩波电路、升压斩波电路的反馈控制而监视输出电压(6.5V)的端子，将该电压始终控制为恒定电压。

如图5的示例所示，希望关注以下情况，即：降压斩波电路始终配置在升压斩波电路的上游侧(电池一侧)。这是由于虽然在降压斩波电路中开关元件5a1与电源线串联地配置，但在升压斩波电路中开关元件18f并未与电源线串联地配置，无法在升压斩波电路中起到继电器单元的功能。

如图4那样，在电源线的分岔点6的下游侧(负载一侧)，在最上游位置配置继电器单元5a的情况下，若如上述那样采用例如降压斩波电路与升压斩波电路串联地混合在一起的电路结构，则通过将降压斩波电路配置在上游侧，从而能将继电器单元设置在更上游侧。然而，在与电源电路18相独立地进一步在上游位置设置继电器单元5a的情况下，即使例如电源电路18包含降压斩波电路与升压斩波电路双方，升压斩波电路也可以配置在降压斩波电路的上游侧。

电源电路19例如是LDO稳压器电路，是由用于将输出电压控制为5V的输出晶体管19c、控制所述输出晶体管的控制电路19b构成的公知的恒压输出电路。这里，图示出插入了过电流保护电路19d的示例，构成为在产生了过电流的情况下对其进行检测并切断输出晶体管19c。万一在电源电路19的下游侧(负载一侧)发生了接地短路故障那样的异常的情况下，由所述过电流保护19d切断输出晶体管19c，由此也能对电源电路19附加与继电器单元等同的功能。

由此，若串联连接2个恒定电源电路，则能利用各电源电路所具有的开关元件来串联连接2个继电器单元(5a1、19c)，此外，能简单地降低针对接地短路故障的故障发生率。

此外，上述继电器单元的控制信号并非分别通过下游的CPU的判断来进行控制，而是内置对各输出电压进行监视、并在异常时切断继电器单元来停止电压输出的单元，能与CPU相独立地进行动作。

如上所述，能使电源电路包含继电器单元，也能使各个电源电路介入有继电器单元，此外，使至少1个继电器单元介于更上游并在下游电路异常时进行电源切断，由此能构成为不对发生了异常的电路以外的电路造成影响。

标号说明

1 电子控制装置

1a、1c 控制部

1c、1d 驱动部

1e、1f 控制单元

2 电动机

3a、3b 逆变器电路(驱动部)

4a、4b 控制电路(控制部)

5a、5b、5c、5d 继电器单元

5a1 开关元件

6 分岔点

7a、7b、7c、7d 控制信号

8 传感器类

9 电池

10a、10b CPU

11a、11b 驱动电路

12a、12b 输入电路

13a、13b 电源电路

13c、13e 控制电路用电源

13d、13f 电源电路用开关元件

13j 控制器

13m 输入电容器

13n 输出电容器

14 通信线

15 电容器

16a、16b 旋转传感器

17a、17b 负载

18、18a、19、19a 电源电路

18b、18d 二极管

18c 线圈

18e 控制器部

18f 开关元件

19b LDO用控制电路

19c 输出晶体管

19d LDO用过电流保护电路

30au、30bu 滤波电容器

31au、31bu 上臂

32au、32bu 下臂

33au、33bu 分流电阻

34au、34bu 电动机继电器

Claims (7)

1.一种具有多系统电路的电子控制装置，具有从电源的分岔点经由电源线而彼此分离的多系统电路，其特征在于，

所述多系统电路由分别经由驱动部从所述电源线向负载供电的至少2个驱动部系统电路、以及经由控制部从所述电源线控制所述驱动部的至少2个控制部系统电路构成，每个所述驱动部系统电路及所述控制部系统电路分别在所述电源线的最上游位置具备切断电源供给的继电器单元。

2.如权利要求1所述的具有多系统电路的电子控制装置，其特征在于，

配置于各个所述驱动部系统电路及控制部系统电路的所述继电器单元独立地具有用于导通、切断所述继电器单元的控制信号，所述控制信号的输出源根据所述系统电路而不同。

3.如权利要求1或2所述的具有多系统电路的电子控制装置，其特征在于，

所述控制部包含CPU，所述驱动部系统电路的继电器单元的控制信号经由所述CPU或所述CPU以外的单元输出。

4.如权利要求1或2所述的具有多系统电路的电子控制装置，其特征在于，

所述控制部包含CPU，所述控制部系统电路的继电器单元的控制信号从所述CPU以外的单元输出。

5.如权利要求1至4的任一项所述的具有多系统电路的电子控制装置，其特征在于，

所述控制部包含由与所述电源线串联地插入的开关元件构成的电源电路，作为所述控制部系统电路的继电器单元，使用所述电源电路的开关元件。

6.如权利要求5所述的具有多系统电路的电子控制装置，其特征在于，

在所述电源电路的输入侧，在所述电源线与接地间具备电容器，该电容器至少串联连接有2个以上。

7.如权利要求2所述的具有多系统电路的电子控制装置，其特征在于，

所述控制部由彼此串联连接的多个电源电路构成，将切断来自所述电源线的电源供给的继电器单元插入至多个所述电源电路中的至少最接近电源的电源电路。

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