CN109641613B - 用于机动车辆的转向机构的电动机的mosfet死区时间优化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机电式机动车辆动力转向机构或线控转向系统中的电动机(9)的电动机控制器(10)的逆变器(13)中的MOSFET(14，14'，14”)的死区时间优化的方法，其中，逆变器(13)包括至少两个MOSFET(14，14'，14”)：高侧MOSFET(14')和低侧MOSFET(14”)，并且其中，电动机控制器(10)利用具有至少一个或更多个死区时间(Td1，Td2)的栅极驱动器信号来控制该至少两个MOSFET(14，14'，14”)，死区时间(Td1，Td2)表示MOSFET(14，14'，14”)的用于从一个MOSFET(14，14'，14”)切换至串联连接的另一个MOSFET(14，14'，14”)的时间。该方法包括以下步骤：在电流测量单元(15)中测量高侧MOSFET(14')与低侧MOSFET(14”)之间的交叉导通；如果交叉导通发生，则增加死区时间(Td1，Td2)；否则减少死区时间(Td1，Td2)。

Description

用于机动车辆的转向机构的电动机的MOSFET死区时间优化
本发明涉及用于优化机动车辆的转向机构中的电动机的电动机控制器的逆变器中的MOSFET的死区时间(dead time)的方法以及用于辅助机动车辆的转向的机电式机动车辆动力转向机构。
在电力转向设备中，通过根据由驾驶员施加至方向盘的转向扭矩驱动电动机来将转向辅助力施加至转向机构。具有逆变器的电子控制单元(电动机控制器)控制电动机。逆变器为电动机提供正弦电动机参数(电流、电压、磁通量)以生成扭矩。逆变器包括总共六个MOSFET，其中对于三个相绕组中的每一个分别具有低侧MOSFET和高侧MOSFET。每个MOSFET将指定的相绕组U、V、W切换至车载车辆电源电压或地电位。这在高频率下发生使得在相绕组U、V、W中在时间上的平均值用作有效电压。MOSFET具有从接收到接通或关断栅极驱动信号到启动其开关动作的固有的延迟时间间隔。如果高侧MOSFET与低侧MOSFET之间的延迟时间不足以长到考虑与开关相关的延迟和瞬变，则对于MOSFET的控制信号交叠并且发生交叉导通，这导致了供应有效地短路。这也被称为击穿状况。在这种情况下，两个装置都将导通，因此在施加的输入电压与接地之间将会存在低电阻路径，从而导致输出中的噪音、较低的效率以及热生成。短路的另一个主要问题是它会引起在晶体管的集电极中的电流尖峰，这会引起晶体管故障。
为了防止短路，在逆变器运转循环中插入开关转换之间的死区时间，在此期间MOSFET均未接通。
众所周知，在逆变器中实现固定的死区时间。为了确保安全余量，典型的死区时间将为驱动时间的百分之几，这会降低逆变器的效率和范围。死区时间造成指令电压与实际输出电压之间的误差电压，从而导致诸如电流失真和扭矩波动的缺点。
US 2005/0146311 A1公开了死区时间补偿方法。在该方法中，相对于电流失真施加补偿电压。通过根据电流相位角调节PWM占空比来将自适应补偿电压添加至指令电压上。结果是，电流失真在反馈中得到补偿。
本发明的目的是提供用于死区时间优化的方法，该方法限制了击穿状况，并且产生了逆变器较高的效率，因此在寿命期间能更好地操作。
该目的通过具有本发明的用于死区时间优化的方法以及转向系统来实现。
因此，提供了一种用于机动车辆的机电式机动车辆动力转向机构或线控转向系统中的电动机的电动机控制器的逆变器中的MOSFET的死区时间优化的方法，其中，逆变器包括至少两个MOSFET，即高侧MOSFET和低侧MOSFET，并且其中，电动机控制器利用具有一个或更多个死区时间的栅极驱动器信号来控制至少两个MOSFET，死区时间表示MOSFET的用于从一个MOSFET切换至串联连接的另一个MOSFET的时间。该方法包括以下步骤：
在电流测量单元中测量高侧MOSFET与低侧MOSFET之间的交叉导通，
如果交叉导通发生，则增加死区时间；否则减少死区时间。
这种自适应方法将设置最佳死区时间。如果死区时间太短，则测量不到交叉导通，但是需要优化效率。因此，减少死区时间。如果死区时间太短，则将会引起交叉导通。在这种情况下，将检测到交叉导通，并且将死区时间设置为较高值。可以以电流尖峰检测的形式测量交叉导通。在该示例中，交叉导通可以被限定为存在高于预定阈值的电流。
优选地，在初始化处和/或在重启之后，将至少一个死区时间设置为最大值。优化从该最大值开始，并且在操作期间接近优化值。甚至更优选地，至少一个死区时间在在模拟中获得的最大值与最小值的范围内变化。预先可以执行最坏情况模拟，以获得最大值和最小值，从而设置用于优化的范围。
在优选实施方式中，该方法还包括以下步骤：
提供脉宽调制(PWM)参考信号；
由PWM参考信号触发利用电流测量单元检测交叉导通。
在这种情况下，不需要同步。使用参考信号来触发该方法。参考信号是MOSFET的没有死区时间的PWM栅极驱动器信号。
优选地，该检测在PWM参考信号改变之后的预定时间间隔之后发生。
由于每个MOSFET可以具有不同的行为，因此可以针对每一对高侧MOSFET和低侧MOSFET单独地优化死区时间。具体地，每个MOSFET可以具有其各自的优化的死区时间。
然而，在特定系统中，如果在一个过程中针对所有MOSFET优化死区时间，则可能是优选的。
为简单起见，可以有利的是针对高侧MOSFET和低侧MOSFET设置相同的死区时间。
在优化期间，优选地是，以预定时间间隔或以预定时间单位增加和减少死区时间。时间间隔优选地在1(一)纳秒(ns)至1000(一千)纳秒之间的范围内，并且更优选地在5纳秒至50纳秒之间，其中在优选实施方式中，最佳值是10ns。
在优选实施方式中，电流测量单元包括至少一个或更多个分流器，优选地为三个分流器。优选地放大分流器信号。
对于电动机控制器，如果逆变器包括总共六个MOSFET，其中对于电动机的三个相绕组中的每一个分别具有低侧MOSFET和高侧MOSFET，则是有利的。
此外，提供了一种用于通过将由电动机生成的扭矩赋予转向机构来辅助机动车辆的转向的机电式机动车辆动力转向机构。该机构包括：
电动机控制器单元，电动机控制器单元具有逆变器，逆变器包括至少两个MOSFET：高侧MOSFET和低侧MOSFET，其中，电动机控制器单元利用具有至少一个或更多个死区时间的栅极驱动器信号来控制至少两个MOSFET，死区时间表示MOSFET的用于从一个MOSFET切换至串联连接的另一个MOSFET的时间，
电流测量单元，电流测量单元用于检测在高侧MOSFET与低侧MOSFET之间流动的电流，电流测量单元连接至电动机控制器单元，其中，电动机控制器单元被设计成根据由电流测量单元检测到的电流的存在来调整MOSFET的死区时间，从而确保不发生高侧MOSFET与低侧MOSFET之间的交叉导通，并且同时不发生过长的开关暂停。
优选地，电流测量单元包括至少一个或更多个分流器，优选地为三个分流器。在优选实施方式中，逆变器包括具有总共六个MOSFET，其中对于电动机的三个相绕组中的每一个分别具有低侧MOSFET和高侧MOSFET。
下面借助附图描述本发明的示例性实施方式。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件或功能上相似的部件。
图1以示意图示出了机电式动力转向机构；
图2示出了具有单个分流器的逆变器的示意图；
图3示出了具有三个分流器的逆变器的另一示意图；
图4示出了指定至电动机的U相绕组的逆变器的一部分X及相应的信号的示意图；以及
图5示出了用于优化死区时间的方法的流程图。
在图1中，机电式动力转向机构1被示意性地示出为具有连接至用于驾驶员的操作的方向盘3的转向轴2。转向轴2经由小齿轮6联接至转向齿条5。转向齿条杆4连接至转向齿条5和机动车辆的转向轮30。转向轴2的旋转借助于以抗扭矩的方式连接至转向轴2的小齿轮6引起转向齿条5的轴向位移。通过转向控制器7和包括电动机9和电动机控制器10的动力辅助致动器8来提供电力辅助。该示例中的转向控制器7接收表示车辆速度v和由车辆操作者施加至方向盘的扭矩TTS的信号11。响应于车辆速度v、操作者扭矩TTS和转子位置信号，控制器7确定目标电动机扭矩Td并将信号12提供至电动机控制器10，其中，经由脉宽调制(PWM)计算电动机电流。此外，当电动机9的转子转动时，在电动机9内生成转子位置信号，并将转子位置信号提供至转向控制器7。该示例中的电动机9是永磁激励电动机。
本发明一般地涉及机动车辆的机电式机动车辆动力转向机构或线控转向系统中的电动机。
在下文中描述了可能的而非限制性的电动机应用。为了提供转向辅助，电动机9可以安装到齿条壳体的侧面，例如，经由齿形橡胶带和/或齿条小齿轮传动系统来驱动滚珠螺杆机构。另外，电动机可以布置成支承转向轴的旋转。在线控转向系统中，电动机可以是反馈致动器的一部分。
在图2中，示出了电动机控制器10的逆变器13。逆变器13将电压转换到电动机9的三维坐标系中，并且传感器将电压转换成电动机电流IU、IV、IW。伺服电动机9由控制单元7经由一组MOSFET 14致动，其中，对于三个相绕组，总共提供六个MOSFET 14。每个MOSFET 4通过三条线170、180和190将指定的相绕组U、V、W切换至车载车辆电源电压或地电位。这在高频率下发生使得在相绕组U、V、W中在时间上的平均值用作有效电压。相绕组U、V、W在电动机9的星形点中的中性点90处彼此连接。一个线程上的单个分流器15用于测量电动机电流IU、IV、IW，以及串联布置的MOSFET之间可能的交叉导通。分流电阻器15具有四个线连接：两个用于电流流动并且两个用于实际测量。输出信号16被传送至单元17。放大器18形成单元17的一部分，放大器18放大输出信号16。单元17连接至模数转换器(ADC)引脚19用于将引脚上的模拟电压转换为数字。ADC引脚19的输出20用于逆变器的控制电路中并用作电动机电流的电流反馈控制。
如图3所示，还可以实现三个分流器15，每个线程上有一个分流器15用于计算电动机电流以及用于测量串联布置的MOSFET 14之间可能的交叉导通。
图4在左侧示出了具有高侧MOSFET 14'和低侧MOSFET 14”的逆变器13的U相部分X。在左侧的顶部处示出了没有死区时间的参考U相PWM信号21。在这个信号的下方，示出了具有死区时间的U相开关元件14'、14”的实际栅极驱动器信号。在底部处示出了所得到的分流器测量的交叉导通电流信号IS。
为了防止两个栅极驱动器信号14'和14”之间的短路，提供了死区时间Td1和Td2，这确保了晶体管的接通状态不交叠。死区时间可以由栅极驱动器或可配置和操纵的PWM驱动器、即所谓的快速脉宽调制(FPWM)生成，其中，驱动器可以读出关于死区时间的参数表。关断MOSFET的时间取决于温度、驱动电路和电流。为了确保安全余量，典型的死区时间将为驱动时间的百分之几，这会降低逆变器的效率和范围。如果死区时间太短，则交叉导通会引起分流器信号IS中短时间的电流尖峰22。尖峰以系统方式生成，这意味着尖峰在PWM参考信号改变之后的一定时间之后出现。因此，在PWM参考信号改变之后的预定延迟时间T1之后测量放大器18的输出。这些测量点是固定的。在相同的电动机控制器生成PWM并测量电流尖峰的情况下，对于定时而言仅延迟时间T1是重要的。因此，不需要同步。
如果死区时间Td1和Td2太长，则测量不到交叉导通，但是需要优化效率。因此，Td1和/或Td2以小步长周期性地减少。如果死区时间太短，将会引起交叉导通。在这种情况下，将检测到电流尖峰，并且将死区时间设置为较高值。这种自适应方法将设置在ECU寿命期间的优化死区时间，而与温度变化和老化无关。结果是效率较好、操作温度较低和系统较可靠，这效果更好。
图5的流程图示出了优化方法。
在第一初始步骤100中，将死区时间设置为在冷启动之后的最坏情况计算中获得的最大值。之后，将死区时间减少预定时间单位(101)。在第三步骤102中，与相应的PWM参考信号同步的优选地在PWM信号边缘后具有T1的延迟的情况下，对放大器18的信号进行测量。如果未检测到电流尖峰IS(103)，则在步骤101中进一步减少死区时间。如果检测到尖峰(103)，则死区时间将增加一个时间单位(104)。之后，再次对放大器18的输出进行测量(105)。如果检测到尖峰(106)，则死区时间将增加一个时间单位(101)。如果未检测到尖峰，则死区时间将减少一个时间单位(104)。时间单位优选地在纳秒(ns)的范围内，甚至更优选地为约10ns。热参数将限定扫描周期。
针对单个数据表进行最大死区时间值和最小死区时间值的计算。计算基于具有精确值的模拟，这取决于所选的部件和设计。电动机控制单元10将使死区时间在由最坏情况模拟计算出的最大值和最小值设定的范围内变化。
本发明的方法有助于提高效率，并且降低电动机控制器中的热生成。热生成直接影响逆变器的故障率。在死区时间期间，在MOSFET动力模块相上存在电压尖峰。最佳死区时间还会降低电压尖峰能量。由于死区时间总是接近最佳值，因此提高了效率。

Claims (13)

1.一种用于机动车辆的机电式机动车辆动力转向机构或线控转向系统中的电动机(9)的电动机控制器(10)的逆变器(13)中的MOSFET(14，14'，14”)的死区时间优化的方法，其中，所述逆变器(13)包括至少两个MOSFET(14，14'，14”)：高侧MOSFET(14')和低侧MOSFET(14”)，并且其中，所述电动机控制器(10)利用具有至少一个或更多个死区时间(Td1，Td2)的栅极驱动器信号来控制所述至少两个MOSFET(14，14'，14”)，所述死区时间(Td1，Td2)表示所述MOSFET(14，14'，14”)的用于从一个MOSFET(14，14'，14”)切换至串联连接的另一个MOSFET(14，14'，14”)的时间，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在电流测量单元(15)中测量高侧MOSFET(14')与低侧MOSFET(14”)之间的交叉导通；
如果交叉导通(IS)发生，则增加所述死区时间(Td1，Td2)；否则减少所述死区时间(Td1，Td2)；
所述方法还包括以下步骤：
提供脉宽调制(PWM)参考信号(21)，所述参考信号是MOSFET的没有死区时间的PWM栅极驱动器信号；
由所述PWM参考信号(21)触发利用所述电流测量单元(15)检测交叉导通(IS)；
所述检测在所述PWM参考信号(21)改变之后的预定时间间隔(T1)之后发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在初始化处和/或在重启之后，将所述至少一个死区时间(Td1，Td2)设置为最大值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个死区时间(Td1，Td2)在模拟中获得的最大值与最小值的范围内变化。
4.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，针对每一对高侧MOSFET(14')和低侧MOSFET(14”)单独地优化所述死区时间(Td1，Td2)。
5.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，针对所有MOSFET(14，14'，14”)同时地优化所述死区时间(Td1，Td2)。
6.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述高侧MOSFET(14')和所述低侧MOSFET(14”)的死区时间(Td1，Td2)相同。
7.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，以预定时间间隔增加和减少所述至少一个死区时间(Td1，Td2)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述时间间隔在1纳秒至1000纳秒之间的范围内。
9.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电流测量单元(15)包括至少一个或更多个分流器。
10.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述逆变器(13)包括总共六个MOSFET(14，14'，14”)，其中对于所述电动机(9)的三个相绕组中的每一个分别具有低侧MOSFET(14”)和高侧MOSFET(14')。
11.一种用于通过将由电动机(9)生成的扭矩赋予转向机构来辅助机动车辆的转向的机电式机动车辆动力转向机构，所述机构执行权利要求1-10中任一项所述的方法；所述机构包括：
电动机控制器(10)，所述电动机控制器(10)具有逆变器(13)，所述逆变器(13)包括至少两个MOSFET(14，14'，14”)：高侧MOSFET(14')和低侧MOSFET(14”)，其中，所述电动机控制器(10)利用具有至少一个或更多个死区时间(Td1，Td2)的栅极驱动器信号来控制所述至少两个MOSFET(14，14'，14”)，所述死区时间(Td1，Td2)表示所述MOSFET(14，14'，14”)的用于从一个MOSFET(14，14'，14”)切换至串联连接的另一个MOSFET(14，14'，14”)的时间，其特征在于，所述电动机控制器(10)还包括：
电流测量单元(15)，所述电流测量单元(15)用于检测在高侧MOSFET(14')与低侧MOSFET(14”)之间流动的电流，其中，所述电动机控制器(10)被设计成根据由所述电流测量单元(15)检测到的电流的存在来调整所述MOSFET(14，14'，14”)的死区时间(Td1，Td2)，从而确保不发生所述高侧MOSFET(14')与所述低侧MOSFET(14”)之间的交叉导通，并且同时不发生过长的开关暂停。
12.根据权利要求11所述的机电式机动车辆动力转向机构，其特征在于，所述电流测量单元(15)包括至少一个或更多个分流器。
13.根据权利要求11或12所述的机电式机动车辆动力转向机构，其特征在于，所述逆变器(13)包括总共六个MOSFET(14，14'，14”)，其中对于所述电动机(9)的三个相绕组中的每一个分别具有低侧MOSFET(14”)和高侧MOSFET(14')。
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