CN110383666B - 电动机的驱动控制装置及其驱动控制方法 - Google Patents

电动机的驱动控制装置及其驱动控制方法 Download PDF

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Abstract

提供不新设置电流传感器而可以检测多层布线基板的漏泄电流的电动机的驱动控制装置及驱动控制方法。电动机的驱动控制装置包括：被安装在多层布线基板上的逆变器电路；以及检测该逆变器电路的母线电流的分流电阻。逆变器电路的上游侧布线部分和下游侧布线部分夹着绝缘层与多层布线基板的邻接层相对配置。而且，在多层布线基板中，设置将从上游侧布线部分流入下游侧布线部分的漏泄电流导入分流电阻的感应图案层，在电动机中发生再生电流的期间，基于流过分流电阻的电流判定有无漏泄电流。

Description

电动机的驱动控制装置及其驱动控制方法
技术领域
本发明涉及在多层布线基板上安装了逆变器电路和用于母线电流检测的分流电阻的电动机的驱动控制装置及其驱动控制方法。
背景技术
在专利文献1中，记载了由层叠了多层的布线板构成主电路的布线的电力变换装置。在上述布线板内，分别设置多张电力变换装置的正负的直流主电路导体，这些正负的直流主电路导体夹着绝缘层而被交替地层叠。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000－102253号公报
发明内容
发明要解决的课题
顺便说明一下，在这样的多层的布线板中，因安装的电子部件的发热造成的热负荷和老化等，有布线(直流主电路导体)间的绝缘层劣化，在夹着该绝缘层的布线间发生漏泄电流的风险。为了检测这样的漏泄电流，必须设置电流传感器，成为产品成本上升的主要原因。
本发明鉴于上述那样的情况而完成，其目的在于，提供不新设置电流传感器而可以检测多层布线基板的漏泄电流的电动机的驱动控制装置及其驱动控制方法。
用于解决课题的方案
本发明的一侧面的电动机的驱动控制装置的特征在于，包括：逆变器电路，构成为驱动电动机；分流电阻，检测所述逆变器电路的母线电流；多层布线基板，被安装了所述逆变器电路和所述分流电阻；所述逆变器电路的上游侧布线部分及下游侧布线部分，在所述多层布线基板的邻接层中夹着绝缘层被相对配置；感应图案层，被设置在所述多层布线基板中，将从所述上游侧布线部分流向所述下游侧布线部分的漏泄电流导入所述分流电阻；以及控制单元，构成为向所述逆变器电路输入PWM(Pulse Width Modulation；脉宽调制)信号并进行控制，在所述电动机中发生再生电流的期间，基于流过所述分流电阻的电流，判定有无漏泄电流。
此外，本发明的另一侧面的电动机的驱动控制方法，所述电动机包括：逆变器电路，构成为驱动电动机；分流电阻，检测所述逆变器电路的母线电流；多层布线基板，被安装了所述逆变器电路和所述分流电阻；所述逆变器电路的上游侧布线部分及下游侧布线部分，在所述多层布线基板的邻接层中夹着绝缘层被相对配置；感应图案层，被设置在所述多层布线基板中，将从所述上游侧布线部分流向所述下游侧布线部分的漏泄电流导入所述分流电阻；以及控制单元，构成为驱动所述电动机，其特征在于，该方法包括以下步骤：从所述控制单元向所述逆变器电路输入PWM(Pulse Width Modulation；脉宽调制)信号并进行控制，驱动所述电动机，在所述电动机中发生再生电流的期间，由所述控制单元基于在所述控制单元中流过所述分流电阻的电流，判定有无漏泄电流。
发明效果
在本发明中，利用在多层布线基板中设置的感应图案层和用于母线电流检测的分流电阻，检测漏泄电流。在分流电阻中，在电动机中发生再生电流的期间不流过电流，所以可以通过在该期间检测是否流过电流而判定有无漏泄电流。
因此，根据本发明，可以不新设置电流传感器而检测多层布线基板的漏泄电流，可以抑制产品成本的上升。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的电动机的驱动控制装置的概略结构的电路图。
图2是表示图1所示的电动机的驱动控制装置中的逆变器电路的另一结构例子的电路图。
图3是表示图1所示的电动机的驱动控制装置中的电流检测单元的结构例子的电路图。
图4是表示图1所示的电动机的驱动控制装置中的多层布线基板的第1层的布线图案的平面图。
图5是表示图1所示的多层布线基板的第2层的布线图案的平面图。
图6是表示图1所示的多层布线基板的第3层的布线图案的平面图。
图7是表示图1所示的多层布线基板的第4层的布线图案的平面图。
图8是表示图1所示的电动机的驱动控制装置中的漏泄电流的检测定时的波形图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图1表示在本发明的实施方式的电动机的驱动控制装置中，提取与检测在多层布线基板的布线图案间发生的漏泄电流有关的主要部分并示出概略结构。
控制对象的电动机10，在本例中为3相DC无刷电机，在未图示的圆筒状的定子上，包括星形连接的U相、V相及W相的3相绕组11u，11v，11w。在该定子的中央部形成的空间内，可旋转地设置永磁转子(转子)。3相绕组11u、11v、11w中分别串联连接着检测在这些绕组中流过的电流(相电流)的电流传感器12u、12v、12w。而且，在该电动机10中，从驱动控制装置供给PWM(Pulse Width Modulation；脉宽调制)信号而被驱动控制。
上述驱动控制装置由多层布线基板20上安装的电子部件和微计算机等的控制单元30构成。多层布线基板20上，例如通过焊接来安装逆变器电路21、分流电阻22、相电压检测器23、平滑电容器24、滤波器电路25、电流检测单元26、断路继电器27以及防回流继电器28等的电子部件。
3相桥式连接开关元件T1～T6而构成逆变器电路21。各开关元件T1～T6，在本例中使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；绝缘栅双极晶体管)，但如图2所示，也可以是FET(Field Effect Transistor；场效应晶体管)Q1～Q6等其他的用于功率控制的半导体元件。在这些IGBT的集电极、发射极间，二极管D1～D6的阴极、阳极分别反向通电方向地连接。在FET的情况下，在漏极和源极间形成寄生二极管D1’～D6’。
在该逆变器电路21的上游侧布线部分21a和下游侧布线部分21b之间，从电池等的直流电源40，通过电源用电线(热线)40a中设置的断路继电器27、防回流继电器28以及用于噪声除去的滤波器电路25供给工作电源。这里，以电感器25a和电容器25b的LC型构成滤波器电路25。此外，在直流电源40的正极和负极间，通过断路继电器27和防回流继电器28连接平滑电容器24。
对逆变器电路21中的开关元件T1～T6的控制端子(栅极电极)，供给控制单元30的输出(未图示)，通过PWM控制这些开关元件T1～T6的接通/关断，电动机10上外加的电压(电机输入，电压)被控制。
该电动机10的U相、V相及W相的电压分别由相电压检测器23检测。相电压检测器23由一端分别连接到U相、V相及W相的驱动线路29u、29v、29w的电阻R1～R3、以及连接到这些电阻R1～R3的另一端和地之间的电阻R4构成，从电阻R1～R3和电阻R4的连接点输出相电压。该相电压供给到控制单元30并用于开关元件T1～T6的控制。
分流电阻22的一端连接到逆变器电路21的下游侧(地侧)布线部分的21b，另一端通过用于地的电线(冷线)40b连接到直流电源40的负极。该分流电阻22检测流过逆变器电路21的下游侧布线部分21b的母线电流Im，为了进行电动机10的旋转控制而设置。
此外，在本实施方式中，还利用分流电阻22检测流过夹在逆变器电路21的上游侧布线部分21a和下游侧布线部分21b之间的绝缘层的漏泄电流Is。分流电阻22的两端的电压供给到用于检测流过该分流电阻的电流的电流检测单元26，用于电机控制和用于短路电流检测的电压供给到内置在控制单元30中的A/D转换器。
图3示出图1所示的电动机10的驱动控制装置中的电流检测单元26的结构例子。这里示出由增益G1的放大器26a和增益G2的放大器26b(增益G1＞G2)构成电流检测单元26的例子。分流电阻22的两端发生的电压在放大器26a中被放大。在该放大器26a上，被外加偏移偏置电压。放大器26a的输出信号用作电动机10的控制被供给到控制单元30中的A/D转换器(ADC)。此外，放大器26a的输出信号由放大器26b进一步放大的输出信号用作短路电流检测被供给到控制单元30中的A/D转换器(ADC)。
这样，通过使用两级的放大器26a、26b提高增益，可以高分辨率、并且高精度地监视由分流电阻22检测到的漏泄电流Is。特别是，流过绝缘层的短路电流较小，所以通过由两级的放大器26a、26b放大，还可以检测在接近设置了电流传感器的情况下的检测精度极限那样小的漏泄电流。
图4至图7分别示出图1所示的电动机10的驱动控制装置中的多层布线基板20的第1层的布线图案至第4层的布线图案。在各布线图案间，也就是说，在第1层和第2层之间、第2层和第3层之间、以及第3层和第4层之间分别夹入绝缘层，邻接层的布线图案被相对配置。
图4所示的第1层的布线图案20－1为电子部件的装载面，在布线图案20－1上安装了开关元件T1～T6、分流电阻22、断路继电器27以及防回流继电器28等。
再者，这里，为了简化说明，省略了相电压检测器23、平滑电容器24、滤波器电路25以及电流检测单元26等。
第1层的布线图案20－1中，设置与电动机10的U相、V相及W相的驱动线路29u、29v、29w对应的图案部分P29u、P29v、P29w，以及与这些图案部分P29u、P29v、P29w邻接配置的感应图案层PSu、PSv、PSw。开关元件T2、T4、T6的集电极分别连接到图案部分P29u、P29v、P29w，开关元件T2、T4、T6的发射极分别连接到感应图案层PSu、PSv、PSw。电动机10通过电机连接用连接器50连接到这些图案部分P29u、P29v、P29w。
在感应图案层PSu中，与用于地的电线40b对应的图案部分P40b被隔开配置，感应图案层PSu和图案部分P40b通过分流电阻22而电连接。感应图案层PSu、PSv、PSw分别检测逆变器电路21中的电子部件的漏泄故障，例如检测开关元件T1～T6的接通故障。若开关元件T1～T6之中的、任何一个开关元件一直为接通状态，在原来应关断的定时持续流过电流，则检测这种情况。
例如，在控制单元30检测出电流检测单元26中流过分流电阻22的电流值超过比用于漏泄电流检测的第1规定值大的第2规定值时，判定为开关元件未关断的故障。这种情况下，有可能流过大电流而发生逆变器电路21和其他电子部件的异常性的发热和烧毁，所以通过控制单元30关断断路继电器27而立即停止电动机10的驱动。
此外，在上述图案部分P29u、P29v、P29w中分别连接开关元件T1、T3、T5的发射极，在与逆变器电路21的上游侧布线部分21a对应的图案部分P21a中连接开关元件T1、T3、T5的集电极。与电源用电线40a对应的图案部分P40a被邻接配置，以在与上游侧布线部分21a对应的图案部分P21a之间，夹着图案部分P40c。图案部分P40c与连接断路继电器27和防回流继电器28的布线对应。而且，图案部分P40a和图案部分P40c通过断路继电器27连接，图案部分P40c和图案部分P21a通过防回流继电器28连接。在图案部分P40a和图案部分P40b中，连接用于连接到直流电源40的电源线连接用连接器51。
在图5所示的第2层的布线图案(内层1)20－2中，设置与上述第1层的图案部分P29u、P29v、P29w、感应图案层PSu，PSv，PSw、以及图案部分P21a通过未图示的绝缘层相对的、其面积大于这些图案的感应图案层PSr。该感应图案层PSr检测在第1层的布线图案和第3层的布线图案间的绝缘层中发生的漏泄电流，通过分流电阻22，连接到与用于地的电线40b对应的图案部分P40b。该感应图案层PSr和感应图案层PSu、PSv、PSw通过通孔连接并形成逆变器电路21的下游侧布线部分21b，在该下游侧布线部分21b中流过的电流导入到分流电阻22的一端。
此外，在与第1层的布线图案20－1对应的位置，配置电源用电线40a的图案部分P40a以及图案部分P40c。
在图6所示的第3层的布线图案(内层2)20－3上，在与上述图案部分P29u、P29v、P29w对应的位置，配置其面积大于这些图案的图案部分P29u、P29v、P29w。此外，配置与第1层和第2层对应的图案部分P40a、图案部分P40c、图案部分P21a以及图案部分P40b。
在图7所示的第4层焊接面)的布线图案20－4上，被配置与第3层同样的图案部分P29u、P29v、P29w。此外，被配置图案部分P40a、图案部分P40c、图案部分P21a以及图案部分P40b。
而且，逆变器电路21、分流电阻22、断路继电器27以及防回流继电器28等通过焊接而被安装在布线图案20－4中。
多层布线基板20的第1层布线图案20－1至第4层的布线图案20－4中的图案部分P40a和图案部分P40b，通过连接器51被外加直流电源40。该直流电源40通过断路继电器27和防回流继电器28供给到图案部分P21a，同时从图案部分P40b通过分流电阻22供给到感应图案层PSu、PSv、PSw、PSr。由此，对逆变器电路21的上游侧布线部分21a和下游侧布线部分21b间供给工作电源，与开关元件T1～T6的接通/关断状态对应的PWM信号供给到与驱动线路29u、29v、29w对应的图案部分P29u、P29v、P29w。然后，以PWM控制方式驱动由连接器50连接到图案部分P29u、P29v、P29w的电动机10。
接着，说明在上述那样的结构中，漏泄电流的检测动作。图8表示图1所示的电动机的驱动控制装置中的漏泄电流Is的检测定时。在1周期的PWM周期中，仅可以检测2相的母线电流，剩余的1相根据各电流之和为“0”来估计。图8中示出在以箭头所示的定时检测W相的电流－Iw和U相的电流Iu的例子，将由分流电阻22检测出的电压从电流检测单元26供给到控制单元30中的A/D转换器并进行数字化。在控制单元30中，从该数字化的电压求W相的电流－Iw和U相的电流Iu。由控制单元30从“Iu+Iv+Iw＝0”的关系计算V相的电流Iv。
在本实施方式中，在PWM周期中的电动机10中发生再生电流的期间，基于流过分流电阻22的电流，判定有无漏泄电流。也就是说，在由PWM控制的再生期间，通常不流过母线电流Im。但是，例如若夹在多层布线基板20中的第1层布线图案20－1和第3层的布线图案20－3中的绝缘层劣化、碳化而可以通过漏泄电流Is，则流过电流。在感应图案层PSr中接受该漏泄电流Is并导入分流电阻22。而且，在电动机10中发生再生电流的期间，将分流电阻22的两端的电压放大，供给控制单元30中的A/D转换器进行数字化检测。
具体而言，在电流流过分流电阻22的情况下，例如在该电流的电流值为第1规定值以上的状态持续规定期间时，判定为有漏泄电流。这里，由分流电阻22检测到的电流值越大，规定期间越短，第1规定值为小于驱动电动机10的最大电流的电流值。这些数据被预先存储在控制单元30中的存储装置中，也可以在检测到漏泄电流时参照并用于判定。
而且，在分流电阻22中流过的电流值超过大于第1规定值的第2规定值的情况下，如果通过关断断路继电器27而将直流电源40的供给断路，立即停止电动机10的驱动，则可以抑制多层布线基板20的异常性的发热和电子部件的烧毁。
根据上述的结构，在电动机10中发生再生电流的期间，可以利用用于母线电流检测的分流电阻22检测漏泄电流Is，所以不必新设置电流传感器。在多层布线基板20形成时，例如在形成上游侧布线部分21a或下游侧布线部分21b时，感应图案层PSr形成导体图案即可，所以可以抑制产品成本的上升。
而且，还可以检测逆变器电路21中的开关元件T1～T6一直为接通状态，在原来应关断的定时电流持续流过的接通故障。而且，面积较宽、通过分流电阻电气接地的感应图案层PSr被夹在两布线部分的面积21a、21b间，还可得到诸如可以屏蔽抑制从多层布线基板20辐射的电磁辐射噪声的效果。
再者，在上述实施方式中，举例说明了利用在逆变器电路21的接地侧设置的分流电阻22检测漏泄电流Is的下游分流方式，但同样适用于在电源侧检测母线电流的上游分流方式。
此外，感应图案层PSu、PSv、PSw以及PSr的配置和形状不过表示了一例子，当然可与必要的特性匹配而变形为各种各样的形状和大小。
而且，示出了将控制单元30与多层布线基板20分开设置的例子，但安装在多层布线基板20上也没关系。
使用以上实施方式进行了本发明的说明，但本发明不限定于上述实施方式，在实施阶段中不脱离其宗旨的范围内可进行各种各样变形。此外，在上述实施方式中包含各种阶段的发明，通过公开的多个结构要件的适当组合，可提取各种发明。例如即使从实施方式所示的全部结构要件中删除几个结构要件，也可以解决在发明要解决的课题栏中论述的至少一个课题，在可获得发明效果栏中论述的至少一个效果的情况下，删除了该结构要件的结构可作为发明提取。
标号说明
10…电动机、11u，11v，11w…3相绕组、20…多层布线基板、20－1～20－4…布线图案、21…逆变器电路、21a…上游侧布线部分、21b…下游侧布线部分、22…分流电阻、26…电流检测单元、30…控制单元(微计算机)、T1～T6…开关元件、PSu，PSv，PSw，PSr…感应图案层、Is…漏泄电流、Im…母线电流。

Claims (18)

1.一种电动机的驱动控制装置，其特征在于，包括：
逆变器电路，构成为驱动电动机；
分流电阻，检测所述逆变器电路的母线电流；
多层布线基板，被安装了所述逆变器电路和所述分流电阻；
所述逆变器电路的上游侧布线部分及下游侧布线部分，在所述多层布线基板的邻接层中夹着绝缘层被相对配置；
感应图案层，被设置在所述多层布线基板中，将从所述上游侧布线部分流向所述下游侧布线部分的漏泄电流导入所述分流电阻；以及
控制单元，构成为向所述逆变器电路输入脉宽调制信号即PWM信号并进行控制，在所述电动机中发生再生电流的期间，基于流过所述分流电阻的电流，判定有无漏泄电流，
所述感应图案层被设在所述上游侧布线部分和所述下游侧布线部分之间的所述绝缘层中，电连接所述分流电阻的一端。
2.如权利要求1所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
在所述电动机中发生再生电流的期间，在所述分流电阻中流过电流的情况下，电流值为第1规定值以上的状态持续规定期间时，所述控制单元判定为有漏泄电流。
3.如权利要求2所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
由所述分流电阻检测出的电流值越大，所述规定期间越短。
4.如权利要求2所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述第1规定值为小于驱动所述电动机的最大电流的电流值。
5.如权利要求2所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
在所述分流电阻中流过的电流值超过大于所述第1规定值的第2规定值时，所述控制单元立即停止所述电动机的驱动。
6.如权利要求1所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
在所述逆变器电路的所述上游侧布线部分及所述下游侧布线部分之中，由所述分流电阻进行电流检测一侧的布线部分的面积大于不进行电流检测一侧的布线部分的面积。
7.如权利要求1所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，还包括：
相电压检测器，检测所述电动机的U相、V相及W相的电压，
从所述相电压检测器输出的相电压被供给到所述控制单元，被用于构成所述逆变器电路的开关元件的控制。
8.如权利要求7所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述相电压检测器包含一端分别连接到所述电动机的U相、V相及W相的驱动线路的第1电阻至第3电阻、以及连接在所述第1电阻至第3电阻的另一端和地之间的第4电阻，从所述第1电阻至第3电阻和电阻第4电阻的连接点输出相电压。
9.如权利要求1所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，还包括：
电流检测单元，检测所述分流电阻中流过的电流，
从所述电流检测单元输出的用于电机控制的第1电压和用于短路电流检测的第2电压被供给到所述控制单元。
10.如权利要求9所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述电流检测单元包括：将在所述分流电阻的两端发生的电压以第1增益放大的第1放大器；以及将所述第1放大器的输出信号以小于所述第1增益的第2增益放大的第2放大器，所述第1放大器的输出信号用作所述电动机的控制被供给到所述控制单元，所述第2放大器的输出信号用作短路电流检测被供给到所述控制单元。
11.如权利要求10所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述第1放大器上，被外加偏移偏置电压。
12.如权利要求10所述的电动机的驱动控制装置，其特征在于，
所述控制单元包含被供给所述第1放大器的输出信号及所述第2放大器的输出信号的A/D转换器。
13.一种电动机的驱动控制方法，所述电动机包括：逆变器电路，构成为驱动电动机；分流电阻，检测所述逆变器电路的母线电流；多层布线基板，被安装了所述逆变器电路和所述分流电阻；所述逆变器电路的上游侧布线部分及下游侧布线部分，在所述多层布线基板的邻接层中夹着绝缘层被相对配置；感应图案层，被设置在所述多层布线基板中，将从所述上游侧布线部分流向所述下游侧布线部分的漏泄电流导入所述分流电阻；以及控制单元，构成为驱动所述电动机，其特征在于，该方法包括以下步骤：
从所述控制单元向所述逆变器电路输入脉宽调制信号即PWM信号并进行控制，驱动所述电动机，
在所述电动机中发生再生电流的期间，由所述控制单元基于流过所述分流电阻的电流，判定有无漏泄电流，
其中，所述感应图案层被设在所述上游侧布线部分和所述下游侧布线部分之间的所述绝缘层中，电连接所述分流电阻的一端。
14.如权利要求13所述的电动机的驱动控制方法，其特征在于，
在所述电动机中发生再生电流的期间，在所述分流电阻中流过电流的情况下，在电流值为第1规定值以上的状态持续规定期间时，所述控制单元判定为有漏泄电流。
15.如权利要求14所述的电动机的驱动控制方法，其特征在于，
由所述分流电阻检测出的电流值越大，所述规定期间越短。
16.如权利要求14所述的电动机的驱动控制方法，其特征在于，
所述第1规定值为小于驱动所述电动机最大电流的电流值。
17.如权利要求14所述的电动机的驱动控制方法，其特征在于，
在所述分流电阻中流过的电流值超过大于所述第1规定值的第2规定值时，所述控制单元立即停止所述电动机的驱动。
18.如权利要求13所述的电动机的驱动控制方法，其特征在于，
所述控制单元在1周期的PWM周期中检测所述电动机的2相的母线电流，剩余的1相根据各电流之和为“0”来估计。
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