CN110168922A - 马达驱动装置以及电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

提供在开关元件的动作的安全性方面有利的马达驱动装置。一种马达驱动装置，其具有：逆变器电路；开关电路，其将电源‑逆变器电路之间切换为导通或切断；以及开关驱动部，其向开关电路输出指示切换动作的指令电压，开关电路从电源侧起依次具有利用彼此的源极串联连接的第1场效应晶体管和第2场效应晶体管，开关驱动部包含：输出电路，其在各场效应晶体管的漏极间的电位差超过阈值的情况下，输出切断指令电压；以及延迟电路，其使指令电压输入到第1场效应晶体管的栅极的定时比指令电压输入到第2场效应晶体管的栅极的定时延迟。

Description

马达驱动装置以及电动助力转向装置

技术领域

本发明涉及马达驱动装置以及电动助力转向装置。

背景技术

作为对在电动助力转向装置等中使用的马达进行驱动的马达驱动装置，公知有具有使逆变器电路与电源之间的电流供给路径在导通状态和切断状态之间进行切换的开关电路的马达驱动装置。当在逆变器电路与电源之间的电流供给路径中流过的电流的电流值超过了规定的阈值的情况下，开关电路将逆变器电路与电源之间的电流供给路径切换为切断状态。

在从导通状态向切断状态切换时，例如，由于开关电路中所包含的抗噪声的扼流线圈的电感的影响而产生浪涌电压。根据浪涌电压的大小，会出现浪涌电压超过开关电路中所包含的场效应晶体管等开关元件的最大额定值而使开关元件破损的情况。这会引起电动助力转向装置的误动作。

专利文献1公开了一种马达驱动装置，该马达驱动装置通过在向马达供电的供电线不通电的情况下将串联连接的两个紧急用开关元件断开，防止紧急用开关元件破损。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-220705号公报

发明内容

发明要解决的课题

这里，在同时断开了串联连接的两个紧急用开关的情况下，有时也会产生浪涌电压而使任意一方破损。在上述专利文献1中，没有发现与两个紧急用开关的断开的顺序相关的记载。

本发明的目的在于，提供例如在开关元件的动作的安全性方面有利的马达驱动装置。

用于解决课题的手段

本申请的例示的第1发明是马达驱动装置，其对马达进行驱动，其特征在于，该马达驱动装置具有：逆变器电路，其向马达供给从外部电源供给的电流；开关电路，其使外部电源与逆变器电路之间的电流供给路径在导通状态和切断状态之间进行切换；以及开关驱动部，其向开关电路输出指示切换动作的电压，开关电路从外部电源侧起依次具有利用彼此的源极串联连接的第1场效应晶体管和第2场效应晶体管，开关驱动部包含：输出电路，其在第1场效应晶体管的漏极与第2场效应晶体管的漏极之间的电位差超过规定的阈值的情况下，输出指示将电流供给路径从导通状态切换为切断状态的切断指令电压；以及延迟电路，其使切断指令电压输入到第1场效应晶体管的栅极的第1定时比切断指令电压输入到第2场效应晶体管的栅极的第2定时延迟。

发明效果

根据本申请的例示的第1发明，能够提供在开关元件的动作的安全性方面有利的马达驱动装置。

附图说明

图1是具有马达驱动装置的电动助力转向装置的概略图。

图2是示出马达驱动装置的结构的框图。

图3是示出控制部的各功能的框图。

图4是示出延迟电路的结构例的图。

图5A是示出导通状态的电源线的图。图5B是示出在切断电源线时开始产生延迟的情形的图。图5C是示出产生了延迟的情形的图。图5D是示出延迟逐渐结束的情形的图。图5E是示出延迟已结束的情形的图。

图6是示出变形例1的延迟电路的结构的图。

图7是示出对两个马达进行控制的情况下的马达驱动装置的结构的框图。

图8是示出变形例2的马达驱动装置的结构的框图。

图9是示出变形例3的延迟电路的结构的图。

具体实施方式

以下，参照附图等对用于实施本发明的方式进行说明。另外，本发明的范围并不限定于以下的实施方式，能够在本发明的技术思想的范围内任意变更。

[实施方式]

<电动助力转向装置>

图1是具有本实施方式的马达驱动装置30的电动助力转向装置1的概略图。电动助力转向装置1在汽车等运输设备中是辅助驾驶员的方向盘操作的装置。如图1所示，本实施方式的电动助力转向装置1具有扭矩传感器10、马达20以及马达驱动装置30。在本实施方式中，马达20和马达驱动装置30内置在共同的壳体中。通过将马达20设为所谓的机电一体型，例如能够使装置小型化。

扭矩传感器10安装于转向轴92。当驾驶员对方向盘91进行操作而使转向轴92旋转时，扭矩传感器10检测施加给转向轴92的扭矩。作为扭矩传感器10的检测信号的扭矩信号从扭矩传感器10输出到马达驱动装置30。马达驱动装置30根据从扭矩传感器10输入的扭矩信号而使马达20驱动。另外，马达驱动装置30不仅可以参照扭矩信号，还可以一并参照其他信息(例如车速等)。

马达驱动装置30利用从外部电源40得到的电力而向马达20供给驱动电流。从马达20产生的驱动力经由齿轮箱50而传递给车轮93。由此，车轮93的转向角发生变化。这样，电动助力转向装置1通过马达20使转向轴92的扭矩增大而使车轮93的转向角变化。因此，驾驶员能够以较小的力操作方向盘91。

<马达驱动装置>

接着，对马达驱动装置30的结构进行说明。图2是示出马达驱动装置30的结构的框图。如图2所示，该马达驱动装置30具有控制部31、电流检测部32、开关驱动部33、第1开关电路34、第2开关电路35、逆变器驱动部36以及逆变器电路37。另外，在开关驱动部33与第1开关电路34和第2开关电路35之间配置有限制电阻R。

<马达>

在本实施方式中，作为马达20，使用三相同步无刷马达。马达20由U相20u、V相20v及W相20w的三相线圈构成。在对马达20进行驱动时，从马达驱动装置30向马达20内的U相20u、V相20v及W相分别供给电流。当供给电流时，在具有U相20u、V相20v及W相20w的三相线圈的定子与具有磁铁的转子之间产生旋转磁场。其结果是，转子相对于马达20的定子进行旋转。

<控制部>

控制部31接收从扭矩传感器10输出的扭矩信号。控制部31例如使用具有CPU等运算处理部、RAM等存储器以及硬盘驱动器等存储部的计算机。不过，也可以代替计算机而使用具有微控制器等运算装置的电路。

图3是示出控制部31的各功能的框图。控制部31具有设定部311、反馈控制部312以及开关指令部313。设定部311根据来自扭矩传感器10的扭矩信号，设定对马达20进行驱动的驱动信号。

反馈控制部312生成如下的驱动信号：使电流检测部32检测出的流过逆变器电路37的电流的电流值接近与设定部311设定的驱动信号对应的电流值。例如，在本实施方式中，所生成的驱动信号是脉冲宽度调制方式(PWM方式)的PWM驱动信号，包含占空比的信息。反馈控制部312向逆变器驱动部36输出PWM驱动信号。

向开关指令部313输入由电流检测部32检测出的流过逆变器电路37的电流的电流值。另外，向开关指令部313输入表示开关驱动部33内的监视部332向输出电路331发出了切断指令的信号。并且，还输入监视部332监视有无流过第1开关电路34的过电流的监视结果。另外，监视部332不是必须向开关指令部313输出监视结果。

在流过逆变器电路37的电流的电流值为规定的阈值以下的情况下，开关指令部313针对第1开关电路34和第2开关电路35而向输出电路331输出使电流供给路径成为导通状态的导通指令电压。规定的阈值是指在逆变器电路37等发生短路的情况下在逆变器电路37与外部电源40之间流过的过电流的电流值。

另外，在流过逆变器电路37的电流的电流值超过了规定的阈值的情况下，开关指令部313向输出电路331输出对第1开关电路34和第2开关电路35指示将连接切断的切断指令电压。

将连接切断是指：将外部电源40与逆变器电路37(以下，称为电源线。)之间的电流供给路径从导通状态切换为切断状态；以及将逆变器电路37与马达20之间的电流供给路径从导通状态切换为切断状态。以上的各功能可根据预先存储在控制部31内的存储器中的程序来实现。

<电流检测部>

回到图2，电流检测部32是用于检测流过逆变器电路37中所包含的分流电阻372的电流的电路。电流检测部32通过计测3个分流电阻372的两端的电位差，生成表示流过各分流电阻372的电流的检测信号。所生成的检测信号从电流检测部32被发送到图3所示的控制部31的反馈控制部312和开关指令部313。

<开关驱动部>

开关驱动部33具有输出电路331、监视部332以及延迟电路333。输出电路331根据需要使所输入的导通指令电压或切断指令电压上升并输出到第1开关电路34和第2开关电路35。监视部332对流过电源线的过电流的有无进行监视并将监视结果向控制部31和输出电路331输出。在该结构的情况下，在通过监视部332检测到过电流时，不经由控制部31便从监视部332向输出电路331发出切断指示。延迟电路333是使输出所输入的信号的定时延迟的电路。

在向输出电路331输入导通指令电压的情况下，输出电路331使导通指令电压上升到使包含在第1开关电路34和第2开关电路35中的场效应晶体管导通的电压，并向各开关电路输出。场效应晶体管导通(ON)是指在场效应晶体管的源极与漏极之间流过电流。另外，场效应晶体管截止(OFF)是指在场效应晶体管的源极与漏极之间不流过电流。另外，在向输出电路331输入切断指令电压的情况下，输出电路331输出使场效应晶体管的栅极与源极之间的电位差为0V的切断指令电压。

监视部332通过对第1场效应晶体管341a的漏极与第2场效应晶体管341b的漏极之间的电位差进行监视而对流过电源线的过电流进行监视。将在电源线中流过过电流时的漏极间电压的电位差作为阈值，在漏极间电压超过了阈值的情况下，监视部332判断为检测到过电流。在阈值以下的情况下，监视部332判断为过电流未流过电源线。

监视部332在判断为检测到过电流的情况下，将表示检测到过电流的信号输出到开关指令部313。另外，监视部332在判断为检测到过电流的情况下，向输出电路331输出切断指令。监视部332将表示向输出电路331输出了切断指令的信号输出到开关指令部313。输出电路331根据切断指令，对第1开关电路34和第2开关电路35输出指示将连接切断的切断指令电压。

监视部332在判断为过电流未流过电源线的情况下，将表示过电流未流过电源线的信号输出到开关指令部313。输出电路331对第1开关电路34和第2开关电路35输出指示将连接导通的导通指令电压。

由于能够通过开关驱动部33内的监视部332来进行流过电源线的过电流的有无的监视和切断指令，所以能够使电路结构紧凑。

<延迟电路>

延迟电路333是使输出所输入的信号的定时延迟的电路。将到输入至延迟电路333的信号从延迟电路333输出为止的时间设为延迟时间。在本实施方式中，延迟时间为μ秒数量级。延迟电路333配置在第1开关电路34与输出电路331之间。另外，延迟电路333与第1场效应晶体管341a的栅极和第2场效应晶体管341b的栅极连接。

输出电路331将切断指令电压输出到第1开关电路34和第2开关电路35。延迟电路333使切断指令电压输入到第1场效应晶体管341a的栅极的第1定时比切断指令电压输入到第2场效应晶体管341b的栅极的第2定时延迟。

通过按照上述方式配置延迟电路333，当在电源线中检测到过电流的情况下，能够将第1场效应晶体管341a和第2场效应晶体管341b截止的定时错开。即，能够首先使第2场效应晶体管341b截止，然后使第1场效应晶体管341a截止。

通过使截止定时错开，在将电源线切断之前，能够使流过电源线的过电流流向第2场效应晶体管341b的体二极管而使过电流减小。由此，能够防止在将电源线切断时产生的浪涌电压超过第1场效应晶体管341a的最大额定值。这里，浪涌电压也表现为峰值电压或过电压。

<开关电路>

第1开关电路34是使电源线在导通状态和切断状态之间进行切换的电路。第1开关电路34从外部电源40侧起依次具有利用彼此的源极串联连接的第1场效应晶体管341a和第2场效应晶体管341b。另外，第1开关电路34在外部电源40侧具有抗噪声的扼流线圈L。

第2开关电路35是使逆变器电路37与马达20之间的电流供给路径在导通状态和切断状态之间进行切换的电路。第2开关电路35具有与马达20的相数相同数量的场效应晶体管351。另外，场效应晶体管351各自的漏极与马达20的各相连接。根据该连接方法，当在逆变器电路37中发生因短路或断路引起的故障的情况下，能够将逆变器电路37与马达20的各相可靠地切断，从而避免因逆变器电路37的故障而引起的马达20的锁定。

<逆变器驱动部>

逆变器驱动部36是用于使逆变器电路37进行动作的电路。在本实施方式中，逆变器驱动部36将图3所示的反馈控制部312输出的PWM驱动信号供给到逆变器电路37所包含的6个开关元件371。

<逆变器电路>

逆变器电路37是将从外部电源40供给的电流供给到马达20的电路。作为逆变器电路37所包含的6个开关元件371，例如，使用场效应晶体管等晶体管。在本实施方式中，在外部电源40与接地之间串联连接的1对开关元件371并联地设置有三组。在本实施方式中，作为场效应晶体管341a、341b、351和开关元件371，使用金属氧化膜半导体场效应晶体管(MOSFET)。

<延迟电路的结构例>

图4是示出延迟电路333的结构例的图。图4所示的延迟电路333A具有：延迟时间确定部381A，其确定第1定时与第2定时之间的时间差，即，延迟时间的大小；以及延迟产生部382A，其产生使第1定时比第2定时延迟的延迟时间。通过该结构，能够在电路设计时预先设定延迟时间，按照所设定的延迟时间产生延迟。

延迟时间确定部381A具有电阻R1和电容器C1。另外，延迟产生部382A具有npn型晶体管T1和pnp型晶体管T2。延迟时间可以根据电阻R1的电阻值和电容器C1的电容值来确定，能够通过npn型晶体管T1和pnp型晶体管T2产生延迟。

如图4所示，npn型晶体管T1的集电极与第2场效应晶体管341b的栅极和输出电路331的输出侧连接。pnp型晶体管T2的集电极接地，npn型晶体管T1的发射极和pnp型晶体管T2的发射极与第1场效应晶体管341a的栅极连接。在pnp型晶体管T2的基极与npn型晶体管T1的基极之间配置有电阻R1，在pnp型晶体管T2的基极与电阻R1之间配置有电容器C1。电容器C1接地。通过以上的配置，能够根据电阻R1的电阻值和电容器C1的电容值来确定延迟时间，能够通过npn型晶体管T1和pnp型晶体管T2产生延迟。

图5A～图5E是按顺序对图4所示的延迟电路333A的动作进行说明的图。将外部电源40的电压设为12V。图5A是示出导通状态的电源线的图。第1场效应晶体管341a和第2场效应晶体管341b根据来自输出电路331的导通指令电压而导通。在本实施方式中，将从输出电路331输出的导通指令电压设为20V。在延迟电路333A的各元件中，npn型晶体管T1导通。另外，对电容器C1充电荷，pnp型晶体管T2截止。

图5B是示出切断电源线时开始产生延迟的情形的图。当来自输出电路331的切断指令电压被输出时，第2场效应晶体管341b和npn型晶体管T1截止。在本实施方式中，将切断指令电压设为0V。第1场效应晶体管341a维持着导通，直到寄生电容的电荷消失为止。也就是说，产生延迟。

图5C是示出在切断电源线时产生了延迟的情形的图。在图5B之后，充到电容器C1的电荷朝向开关驱动部33逐渐消失。此时，电容器C1的电容值和电阻R1的电阻值越高，电荷越不容易消失。即，电容器C1的电容值和电阻值越高，延迟时间越大。

图5D是示出在切断电源线时延迟逐渐结束的情形的图。在图5C之后，由于充到电容器C1的电荷逐渐消失，所以电容器C1的两端间的电压也下降。与此相伴地，pnp型晶体管T2的基极与发射极之间的电位差增大。在本实施方式中，作为pnp型晶体管T2，使用了在基极与发射极之间的电位差为0.6V以上时导通的晶体管。因此，随着电容器C1的两端间的电压的下降，在pnp型晶体管T2的基极与发射极之间的电位差达到0.6V时，pnp型晶体管T2导通。

图5E是示出在切断电源线时延迟结束的情形的图。在图5D之后，第1场效应晶体管341a的寄生电容的电荷朝向pnp型晶体管T2逐渐消失。当寄生电容的电荷消失时，第1场效应晶体管341a截止。延迟电路333A如以上那样进行动作。

[变形例1]

图6是示出延迟电路333的变形例的图。图6所示的延迟电路333B在pnp型晶体管T2的发射极与第1场效应晶体管341a的栅极之间配置有电阻R2，并且在pnp型晶体管T2的发射极配置有电阻R3。电阻R3接地。延迟电路333B相比于延迟电路333A，能够增大延迟时间。

以上，根据本实施方式和本变形例，能够提供在配置于电源线的开关电路中所包含的场效应晶体管的动作的安全性方面有利的马达驱动装置。另外，在特别要求安全性的电动助力转向装置中，通过具有本实施方式和本变形例的马达驱动装置，能够满足安全性的要求。

[变形例2]

在上述实施方式和变形例中，对控制部31控制1个马达的情况进行了说明，所控制的马达数量并不限定于1个。例如，也可以对两个马达进行控制。图7是示出对两个马达进行控制的情况下的马达驱动装置的结构的框图。在该情况下，电动助力转向装置1具有两个马达20。

将图2中的电流检测部32、开关驱动部33、第1开关电路34、第2开关电路35、逆变器驱动部36、逆变器电路37以及马达20的组合设为第1系统601。图7的马达驱动装置60除了具有第1系统601之外，还具有第2系统602，该第2系统602具有与第1系统601同样的组合。即，第2系统602包含电流检测部62、开关驱动部63、第1开关电路64、第2开关电路65、逆变器驱动部66、逆变器电路67以及马达20。开关驱动部63具有输出电路631、监视部632以及延迟电路633。

马达驱动装置60具有包含第1控制部611和第2控制部612的控制部61。第1控制部611进行第1系统601的控制，第2控制部612进行第2系统602的控制。在任意一方出现故障的情况下，能够通过另一方的系统继续进行电动助力转向装置1的动作。通过使用包含两个系统的马达驱动装置，能够提高电动助力转向装置的安全性。另外，在使用包含多个系统的马达驱动装置的情况下，需要设计成各系统互不影响。

[变形例3]

在上述实施方式中，在从控制部31侧观察时，输出电路331和延迟电路333按顺序配置。在本变形例中，调换了输出电路和延迟电路的顺序。即，将延迟电路配置在控制部31的输出侧与输出电路的输入侧之间。

通过将延迟电路配置在输出电路的输入侧，能够将从输出电路输出切断指令电压的定时错开，因此能够先使第2场效应晶体管341b截止，接着使第1场效应晶体管341a截止。通过先使第2场效应晶体管341b截止，能够在流过电源线的过电流流到第2场效应晶体管341b的体二极管之后将电源线切断。因此，能够抑制在切断电源线时产生的浪涌电压，从而防止第1场效应晶体管341a的故障。

图8是示出本变形例的马达驱动装置80的结构的框图。对与图2所示的实施方式同样的结构赋予相同的标号而省略说明。马达驱动装置80具有开关驱动部83。

开关驱动部83具有输出电路831、监视部832以及延迟电路833。输出电路831具有第1输出电路831A、第2输出电路831B以及第3输出电路831C。第1输出电路831A向第1场效应晶体管341a的栅极输入导通指令电压或切断指令电压。第2输出电路831B向第2场效应晶体管341b的栅极输入导通指令电压或切断指令电压。第3输出电路831C向场效应晶体管351的各栅极输入导通指令电压或切断指令电压。

图9是示出延迟电路833的结构例的图。延迟电路833具有电阻R9和电容器C9。延迟时间可以根据电阻R9的电阻值和电容器C9的电容值来确定。

另外，上述延迟电路333也可以仅由电阻构成。在连接延迟电路333的第1场效应晶体管341a中，由于在栅极与源极之间存在寄生电容，所以即使省略延迟电路333内的电容器等而仅使用电阻，也确保了μ秒左右的延迟时间。

另一方面，延迟电路833也可以仅由电阻构成。不过，由于在连接延迟电路833的第1输出电路831A中不包含具有寄生电容的元件，所以不能确保延迟电路333仅为电阻的情况下的程度的延迟时间。

马达20不限于3相。另外，也可以将上述马达驱动装置30、60或80应用于助力转向装置以外的装置。例如，也可以通过上述马达驱动装置30、60或80对在汽车等运输设备的其他部位中使用的马达进行驱动。另外，也可以通过上述马达驱动装置30、60或80对搭载在产业用机器人等汽车以外的设备中的马达进行驱动。

另外，也可以代替设置监视部332或监视部632，而是通过控制部31对第1场效应晶体管341a的漏极与第2场效应晶体管341b的漏极之间的电位差进行监视，从而对流过电源线的过电流进行监视。

以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式，能够在其主旨的范围内进行各种变形和变更。

标号说明

30：马达驱动装置；31：控制部；32：电流检测部；33：开关驱动部；331：输出电路；333：延迟电路；34：第1开关电路；35：第2开关电路；36：逆变器驱动部；37：逆变器电路

Claims (9)

1.一种马达驱动装置，其对马达进行驱动，其特征在于，

该马达驱动装置具有：

逆变器电路，其向所述马达供给从外部电源供给的电流；

开关电路，其将所述外部电源与所述逆变器电路之间的电流供给路径在导通状态与切断状态之间进行切换；以及

开关驱动部，其向所述开关电路输出指示切换动作的电压，

所述开关电路从所述外部电源侧起依次具有利用彼此的源极串联连接的第1场效应晶体管和第2场效应晶体管，

所述开关驱动部包含：

输出电路，其在所述第1场效应晶体管的漏极与所述第2场效应晶体管的漏极之间的电位差超过规定的阈值的情况下，输出指示将所述电流供给路径从导通状态切换为切断状态的切断指令电压；以及

延迟电路，其使所述切断指令电压被输入到所述第1场效应晶体管的栅极的第1定时比所述切断指令电压被输入到所述第2场效应晶体管的栅极的第2定时延迟。

2.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，

所述延迟电路配置在所述输出电路的输出侧，与所述第1场效应晶体管的所述栅极和所述第2场效应晶体管的所述栅极连接。

3.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，

所述延迟电路配置在所述输出电路的输入侧。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的马达驱动装置，其特征在于，

所述延迟电路具有：

延迟时间确定部，其确定所述第1定时与所述第2定时之间的时间差的大小；以及

延迟产生部，其产生所述时间差。

5.根据权利要求4所述的马达驱动装置，其特征在于，

所述延迟产生部具有npn型晶体管和pnp型晶体管，所述延迟时间确定部具有电阻和电容器。

6.根据权利要求5所述的马达驱动装置，其特征在于，

所述npn型晶体管的集电极与所述第2场效应晶体管的所述栅极和所述开关驱动部的输出侧连接，

所述pnp型晶体管的集电极接地，

所述npn型晶体管的发射极和所述pnp型晶体管的发射极与所述第1场效应晶体管的所述栅极连接，

在所述pnp型晶体管的基极与所述npn型晶体管的基极之间配置有所述电阻，

在所述pnp型晶体管的所述基极与所述电阻之间配置有接地的所述电容器。

7.根据权利要求6所述的马达驱动装置，其特征在于，

在所述pnp型晶体管的所述发射极与所述第1场效应晶体管的所述栅极之间配置有电阻，

在所述pnp型晶体管的所述发射极连接有接地的电阻。

8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的马达驱动装置，其特征在于，

由所述开关驱动部来计测所述电位差。

9.一种电动助力转向装置，其特征在于，具有由权利要求1至8中的任意一项所述的马达驱动装置进行驱动的马达。