CN110463024B - 电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置 - Google Patents

电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置 Download PDF

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Abstract

电力转换装置具有：第1逆变器，其与m个线圈组的一端连接，m为3以上的整数；第2逆变器，其与m个线圈组的另一端连接；m‑1个分离继电器电路，它们分别连接于m个线圈组中的相邻的两个线圈组之间；m‑1个第1中性点继电器电路，它们在相邻的两个线圈组之间分别设置于m‑1个分离继电器电路的第1逆变器侧；以及m‑1个第2中性点继电器电路，它们在相邻的两个线圈组之间分别设置于m‑1个分离继电器电路的第2逆变器侧。

Description

电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置
技术领域
本发明涉及电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置。
背景技术
近年来，开发出了将电动马达(以下，表述为“马达”)、电力转换装置以及ECU一体化的机电一体型马达。特别是在车载领域，从安全性的观点出发，要求高品质的保证。因此，引入了即使在部件的一部分发生了故障的情况下也能够使安全动作持续进行的冗余设计。作为冗余设计的一例，研究了对1个马达设置2个电力转换装置的结构。作为另一例，研究了在主微控制器中设置备用微控制器的结构。
专利文献1公开了一种电力转换装置，其具有控制部和2个逆变器，对向三相马达提供的电力进行转换。2个逆变器分别与电源和接地(以下，表述为“GND”)连接。一个逆变器与马达的三相的绕组的一端连接，另一个逆变器与三相的绕组的另一端连接。各逆变器分别具有桥电路，该桥电路由包含高侧开关元件和低侧开关元件的3个桥臂构成。控制部在检测到2个逆变器的开关元件的故障的情况下，将马达控制从正常时的控制切换为异常时的控制。在正常时的控制中，例如，通过切换2个逆变器的开关元件来驱动马达。在异常时的控制中，例如，使用构成于发生了故障的逆变器中的绕组的中性点，由没有发生故障的逆变器来驱动马达。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-192950号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述的现有技术中，要求进一步提高马达输出。
本发明的实施方式提供能够通过调整与逆变器连接的线圈组的数量而使马达输出变化为任意大小的电力转换装置。
用于解决课题的手段
本发明的例示的电力转换装置将来自电源的电力转换为向具有能够串联连接的m个线圈组的n相的马达提供的电力，m为3以上的整数，n为3以上的整数，其中，该电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述m个线圈组的一端连接；第2逆变器，其与所述m个线圈组的另一端连接；m-1个分离继电器电路，它们分别连接于所述m个线圈组中的相邻的两个线圈组之间，分别切换相邻的两个线圈组的连接和非连接；m-1个第1中性点继电器电路，它们在相邻的两个线圈组之间设置于所述m-1个分离继电器电路各自的所述第1逆变器侧，分别切换相邻的两个线圈组中的所述第1逆变器侧的线圈组的端部彼此的连接和非连接；以及m-1个第2中性点继电器电路，它们在相邻的两个线圈组之间设置于所述m-1个分离继电器电路各自的所述第2逆变器侧，分别切换相邻的两个线圈组中的所述第2逆变器侧的线圈组的端部彼此的连接和非连接。
发明效果
根据本发明的例示的实施方式，提供了以下电力转换装置、具有该电力转换装置的马达驱动单元以及具有该马达驱动单元的电动助力转向装置，该电力转换装置能够使用多个分离继电器电路、多个第1中性点继电器电路以及多个第2中性点继电器电路来调整与逆变器连接的线圈组的数量，由此使马达输出变化为任意大小。
附图说明
图1是示出例示的实施方式1的马达驱动单元1000的典型的块结构的框图。
图2是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的典型的电路结构的电路图。
图3是例示了标绘在进行三相通电控制时在马达200的U相、V相以及W相的各线圈中流动的电流值而得到的电流波形(正弦波)的曲线。
图4是例示了标绘在第2逆变器120进行三相通电控制时在马达200的第2线圈组220中流动的电流值而得到的电流波形(正弦波)的曲线。
图5是例示了标绘在进行二相通电控制时在马达200的第1和第2线圈组210、220中流动的电流值而得到的电流波形(正弦波)的曲线。
图6是示出马达的每个单位时间的转速N(rps)与扭矩T(N·m)的关系的图。
图7是示出例示的实施方式1的变形例的电力转换装置100A的电路结构的电路图。
图8A是示出例示的实施方式1的变形例的电力转换装置100A的其他电路结构的电路图。
图8B是示出例示的实施方式1的变形例的电力转换装置100A的其他电路结构的电路图。
图9是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B的典型的电路结构的电路图。
图10是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B的其他电路结构的电路图。
图11是示出例示的实施方式3的电动助力转向装置2000的典型的的结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置的实施方式进行详细说明。但是，为了避免以下的说明过于繁琐，便于本领域技术人员的理解，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略对已经公知的事项的详细说明和实质上相同的结构的重复说明。
在本说明书中，以如下的电力转换装置为例对本发明的实施方式进行说明：将来自电源的电力转换为向具有三相(U相、V相、W相)的绕组(有时表述为“线圈”)的三相马达提供的电力。但是，将来自电源的电力转换为向具有四相或五相等n相(n为4以上的整数)的绕组的n相马达提供的电力的电力转换装置也属于本发明的范畴。
(实施方式1)
[马达驱动单元1000和电力转换装置100的构造]
图1示意性地示出本实施方式的马达驱动单元1000的典型的块结构。
典型地，马达驱动单元1000具有电力转换装置100、马达200以及控制电路300。
马达驱动单元1000被模块化，例如能够作为具有马达、传感器、驱动器以及控制器的马达模块而进行制造和贩卖。在本说明书中，以具有马达200作为构成要素的系统为例，对马达驱动单元1000进行说明。但是，马达驱动单元1000也可以是不具备马达200作为构成要素的用于驱动马达200的系统。
电力转换装置100具有第1逆变器110、第2逆变器120、分离继电器电路130、第1中性点继电器电路140、第2中性点继电器电路150以及电流传感器400。电力转换装置100能够将来自电源101(参照图2)的电力转换为向马达200提供的电力。例如，第1和第2逆变器110、120能够将直流电力转换为作为U相、V相以及W相的伪正弦波的三相交流电力。
第1逆变器110与马达200的第1线圈组210连接，第2逆变器120与第2线圈组220连接。在本说明书中，部件(构成要素)彼此之间的“连接”主要是指电连接。
马达200例如是三相交流马达。马达200具有第1和第2线圈组210、220。第1和第2线圈组210、220分别具有U相、V相以及W相的绕组。第1和第2线圈组210、220能够通过后述的分离继电器电路130而串联连接。绕组的绕线方法可以是集中绕线或分布绕线。
控制电路300具有微控制器等。控制电路300根据来自电流传感器400和角度传感器320的输入信号而对电力转换装置100进行控制。作为该控制方法，例如具有矢量控制、脉宽调制(PWM)以及直接扭矩控制(DTC)。
参照图2对电力转换装置100的具体的电路结构进行说明。
图2示意性地示出本实施方式的电力转换装置100的典型的电路结构。
典型地，电力转换装置100具有电源101、线圈102、电容器103、第1逆变器110、第2逆变器120、分离继电器电路130、第1中性点继电器电路140以及第2中性点继电器电路150。
电源101生成规定的电源电压(例如12V)。作为电源101，例如使用直流电源。但是，电源101也可以是AC-DC转换器或DC-DC转换器，也可以是电池(蓄电池)。电源101可以是第1和第2逆变器110、120共用的一个电源，也可以具有第1逆变器110用的第1电源和第2逆变器120用的第2电源。
在电源101与各逆变器之间设置有线圈102。线圈102作为噪声滤波器而发挥功能，对向各逆变器提供的电压波形所包含的高频噪声或在各逆变器中产生的高频噪声进行平滑化，使得它们不会向电源101侧流出。另外，各逆变器的电源端子与电容器103连接。电容器103是所谓的旁路电容器，抑制电压纹波。电容器103例如是电解电容器，其容量和使用的个数是根据设计规格等而适当决定的。
第1逆变器110具有桥电路，该桥电路具有3个桥臂。各桥臂具有高侧开关元件和低侧开关元件。具体而言，U相用桥臂具有高侧开关元件111H和低侧开关元件111L。V相用桥臂具有高侧开关元件112H和低侧开关元件112L。W相用桥臂具有高侧开关元件113H和低侧开关元件113L。作为开关元件，例如能够使用场效应晶体管(典型地是MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
第1逆变器110例如在各桥臂分别具有分流电阻111R、112R以及113R作为用于检测在U相、V相以及W相各相的绕组中流动的电流的电流传感器400(参照图1)。电流传感器400具有检测在各分流电阻中流动的电流的电流检测电路(未图示)。例如，分流电阻能够在各桥臂中连接于低侧开关元件与GND之间。分流电阻的电阻值例如为0.5mΩ～1.0mΩ左右。
分流电阻的数量不限于3个。例如，能够使用U相、V相用的2个分流电阻111R、112R、V相、W相用的2个分流电阻112R、113R或者U相、W相用的2个分流电阻111R、113R。所使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置是考虑产品成本和设计规格等而适当决定的。
第2逆变器120具有桥电路，该桥电路具有3个桥臂。U相用桥臂具有高侧开关元件121H和低侧开关元件121L。V相用桥臂具有高侧开关元件122H和低侧开关元件122L。W相用桥臂具有高侧开关元件123H和低侧开关元件123L。与第1逆变器110同样地，第2逆变器120例如具有分流电阻121R、122R以及123R。
第1逆变器110与第1线圈组210的一端连接。具体说明的话，第1逆变器110的U相用桥臂(即，高侧开关元件和低侧开关元件之间的节点)与第1线圈组210的U相线圈211的一端连接。V相用桥臂与V相线圈212的一端连接。W相用桥臂与W相线圈213的一端连接。
第2逆变器120与第2线圈组220的一端连接。具体说明的话，第2逆变器120的U相用桥臂与第2线圈组220的U相线圈221的一端连接。V相用桥臂与V相线圈222的一端连接。W相用桥臂与W相线圈223的一端连接。
分离继电器电路130与第1线圈组210的另一端和第2线圈组220的另一端连接。分离继电器电路130能够对第1和第2线圈组210、220的连接和非连接进行切换。
分离继电器电路130具有对第1线圈组210的3个线圈211、212、213与第2线圈组220的3个线圈221、222、223的连接和非连接进行切换的3个分离继电器131、132以及133。具体说明的话，分离继电器131与第1线圈组210的线圈211的另一端和第2线圈组220的线圈221的另一端连接，对这两个线圈的连接和非连接进行切换。分离继电器132与线圈212的另一端和线圈222的另一端连接，对这两个线圈的连接和非连接进行切换。分离继电器133与线圈213的另一端和线圈223的另一端连接，对这两个线圈的连接和非连接进行切换。
第1中性点继电器电路140与第1线圈组210的另一端连接。第1中性点继电器电路140能够对第1线圈组210的另一端彼此的连接和非连接进行切换。
第1中性点继电器电路140具有一端共同连接于节点N1并且另一端与第1线圈组210的3个线圈211、212以及213连接的3个第1中性点继电器141、142以及143。具体说明的话，第1中性点继电器141与节点N1和线圈211的另一端连接。第1中性点继电器142与节点N1和线圈212的另一端连接。第1中性点继电器143与节点N1和线圈213的另一端连接。
第2中性点继电器电路150与第2线圈组220的另一端连接。第2中性点继电器电路150能够对第2线圈组220的另一端彼此的连接和非连接进行切换。
第2中性点继电器电路150具有一端共同连接于节点N2并且另一端与第2线圈组220的3个线圈221、222以及223连接的3个第2中性点继电器151、152以及153。具体说明的话，第2中性点继电器151与节点N2和线圈221的另一端连接。第2中性点继电器152与节点N2和线圈222的另一端连接。第2中性点继电器153与节点N2和线圈223的另一端连接。
作为上述的分离继电器和中性点继电器，例如，能够使用MOSFET、晶闸管、模拟开关IC、双向三极晶闸管等半导体开关元件或机械继电器。
以下，对分离继电器电路130、第1和第2中性点继电器电路140、150的接通和断开状态、以及接通和断开状态下的第1和第2线圈组210、220的电连接关系进行详细说明。
当分离继电器电路130接通时，第1线圈组210与第2线圈组220连接。当分离继电器电路130断开时，第1线圈组210与第2线圈组220被电切断。“分离继电器电路130接通”是指分离继电器电路130内的分离继电器131、132以及133全部接通，“分离继电器电路130断开”是指分离继电器131、132以及133全部断开。
当第1中性点继电器电路140接通时，第1线圈组210的三相的线圈211、212以及213的另一端彼此连接。其结果为，第1线圈组210被Y接线。能够使第1中性点继电器电路140中的节点N1作为中性点而发挥功能。当第1中性点继电器电路140断开时，三相的线圈211、212以及213的另一端彼此不连接。“第1中性点继电器电路140接通”是指第1中性点继电器电路140内的第1中性点继电器141、142以及143全部接通，“第1中性点继电器电路140断开”是指第1中性点继电器141、142以及143全部断开。
当第2中性点继电器电路150接通时，第2线圈组220的三相的线圈221、222以及223的另一端彼此连接。其结果为，第2线圈组220被Y接线。能够使第2中性点继电器电路150中的节点N2作为中性点而发挥功能。当第2中性点继电器电路150断开时，三相的线圈221、222以及223的另一端彼此不连接。“第2中性点继电器电路150接通”是指第2中性点继电器电路150内的第2中性点继电器151、152以及153全部接通，“第2中性点继电器电路150断开”是指第2中性点继电器151、152以及153全部断开。
在本实施方式中，分离继电器电路130以及第1和第2中性点继电器电路140、150不是同时接通或断开的。当分离继电器电路130接通时，第1和第2中性点继电器电路140、150断开。当分离继电器电路130断开时，第1和第2中性点继电器电路140、150中的至少1个接通。
再次参照图1。控制电路300例如具有电源电路310、角度传感器320、输入电路330、微控制器340、驱动电路350以及ROM 360。控制电路300与电力转换装置100连接。控制电路300对电力转换装置100进行控制，具体而言，对第1逆变器110、第2逆变器120、分离继电器电路130、第1中性点继电器电路140以及第2中性点继电器电路150进行控制。
控制电路300能够对作为目标的转子的位置(旋转角)、旋转速度以及电流等进行控制而实现闭环控制。旋转速度例如是通过对旋转角(rad)求时间微分而得到的，用在单位时间(例如1分钟)内转子旋转的转数(rpm)来表示。控制电路300也可以具备扭矩传感器来代替角度传感器。在该情况下，控制电路300能够对作为目标的马达扭矩进行控制。
电源电路310生成电路内的各块所需要的DC电压(例如3V、5V)。
角度传感器320例如是旋转变压器或霍尔IC。角度传感器320也能够通过具有磁阻(MR)元件的MR传感器与传感器磁铁的组合而实现。角度传感器320检测马达200的转子的旋转角(以下，表述为“旋转信号”)，将旋转信号输出给微控制器340。根据马达控制方法(例如无传感器控制)，有时不需要角度传感器320。
输入电路330接受由电流传感器400检测到的马达电流值(以下，表述为“实际电流值”)。输入电路330根据需要将实际电流值的电平转换为微控制器340的输入电平而将实际电流值输出给微控制器340。输入电路330是模拟数字转换电路。
微控制器340接收由角度传感器320检测到的转子的旋转信号。微控制器340根据实际电流值和转子的旋转信号等来设定目标电流值，生成PWM信号，并将其输出给驱动电路350。
例如，微控制器340生成用于对电力转换装置100的第1和第2逆变器110、120的各开关元件的开关动作(接通或断开)进行控制的PWM信号。微控制器340能够生成决定电力转换装置100的分离继电器电路130中的各分离继电器的接通和断开的状态以及第1和第2中性点继电器电路140、150中的各中性点继电器的接通和断开的状态的信号。
典型地，驱动电路350是栅极驱动器。驱动电路350根据PWM信号而生成对第1和第2逆变器110、120的各开关元件的开关动作进行控制的控制信号(例如，栅极控制信号)，并向各开关元件提供控制信号。此外，驱动电路350能够根据来自微控制器340的决定各分离继电器和各中性点继电器的接通和断开的状态的信号，生成使这些继电器接通和断开的控制信号，并向它们提供控制信号。微控制器340也可以具有驱动电路350的功能。在该情况下，不需要驱动电路350。
ROM 360例如是可写入的存储器(例如PROM)、可重写的存储器(例如闪存)或只读存储器。ROM 360保存包含用于使微控制器340对电力转换装置100进行控制的命令组在内的控制程序。例如，控制程序在启动时在RAM(未图示)中被一次加载。
[马达驱动单元1000的动作]
以下，对马达驱动单元1000的动作的具体例进行说明，主要对电力转换装置100的动作的具体例进行说明。
在电力转换装置100的控制中具有正常时的控制和异常时的控制。控制电路300(主要是微控制器340)能够将电力转换装置100的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。
正常是指第1和第2逆变器110、120的开关元件没有产生故障的状态。电力转换装置100在正常时的控制中具有第1和第2动作模式。第1动作模式是不要求基于马达的高速旋转的高马达输出(高输出)的动作模式。第1动作模式相当于在线圈的一端与一个逆变器连接并且线圈的另一端与另一个逆变器连接的电力转换装置的驱动中通常使用的现有的模式。第2动作模式是要求基于马达的高速旋转的高输出的动作模式。控制电路300能够在第1和第2动作模式之间切换正常时的动作模式。
(第1动作模式)
控制电路300使分离继电器电路130接通，并且使第1和第2中性点继电器电路140、150断开。由此，在第1逆变器110与第1线圈组210的一端连接并且第2逆变器120与第2线圈组220的一端连接的状态下，第1与第2线圈组210、220的另一端彼此连接。在该连接状态下，第1和第2逆变器110、120进行三相通电控制，在该三相通电控制中独立地对在三相的线圈中流动的电流进行控制。
图3例示了标绘在进行三相通电控制时在马达200的U相、V相以及W相的各线圈中流动的电流值而得到的电流波形(正弦波)。横轴表示马达电角度(度)，纵轴表示电流值(A)。在图3的电流波形中，按照每30°电角度对电流值进行标绘。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。
表1示出在图3的正弦波中每个电角度下在各相的线圈中流动的电流值。具体而言，表1示出从第1逆变器110向各相的线圈流动的每30°电角度的电流的值以及从第2逆变器120向各相的绕组流动的每30°电角度的电流的值。这里，对于第1逆变器110，将从第1逆变器110向各相的线圈流动的电流方向定义为正方向。图3所示的电流方向遵从该定义。另外，对于第2逆变器120，将从第2逆变器120向各相的线圈流动的电流方向定义为正方向。因此，第1逆变器110的电流与第2逆变器120的电流的相位差为180°。在表1中，电流值I1的大小为[(3)1/2/2]*Ipk，电流值I2的大小为Ipk/2。
[表1]
Figure GDA0002207617860000101
在电角度为0°时，在U相的2个线圈211、221中不流动电流。在V相的2个线圈212、222中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I1的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I1的电流。
在电角度为30°时，在U相的2个线圈211、221中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I2的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为Ipk的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I2的电流。
在电角度为60°时，在U相的2个线圈211、221中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I1的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I1的电流。在W相的2个线圈213、223中不流动电流。
在电角度为90°时，在U相的2个线圈211、221中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为Ipk的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I2的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I2的电流。
在电角度为120°，在U相的2个线圈211、221中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I1的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I1的电流。在V相的2个线圈212、222中不流动电流。
在电角度为150°时，在U相的2个线圈211、221中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I2的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I2的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为Ipk的电流。
在电角度为180°时，在U相的2个线圈211、221中不流动电流。在V相的2个线圈212、222中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I1的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I1的电流。
在电角度为210°时，在U相的2个线圈211、221中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I2的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为Ipk的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I2的电流。
在电角度为240°时，在U相的2个线圈211、221中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I1的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I1的电流。在W相的2个线圈213、223中不流动电流。
在电角度为270°时，在U相的2个线圈211、221中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为Ipk的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I2的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I2的电流。
在电角度为300°时，在U相的2个线圈211、221中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I1的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为I1的电流。在V相的2个线圈212、222中不流动电流。
在电角度为330°时，在U相的2个线圈211、221中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I2的电流，在V相的2个线圈212、222中，从第2逆变器120向第1逆变器110流动大小为I2的电流，在W相的2个线圈213、223中，从第1逆变器110向第2逆变器120流动大小为Ipk的电流。
在图3示出的电流波形中，考虑了电流方向的在三相的线圈中流动的电流的总和在每个电角度为“0”。但是，根据电力转换装置100的电路结构，由于能够独立地对在三相的线圈中流动的电流进行控制，因此也能够进行使电流的总和不为“0”的控制。例如，控制电路300通过可得到图3所示的电流波形的PWM控制而对第1和第2逆变器110、120的各开关元件的开关动作进行控制。
(第2动作模式)
控制电路300在要求基于马达的高速旋转的高输出时，能够使动作模式从第1动作模式切换为第2动作模式。在第2动作模式中，分离继电器电路130断开，第1和第2中性点继电器电路140、150接通。由此，第1线圈组210与第2线圈组被切断。第1线圈组210的另一端彼此被Y接线，第2线圈组220的另一端彼此被Y接线。通过该连接，能够使第1中性点继电器电路140的节点N1和第2中性点继电器电路150的节点N2分别作为中性点而发挥功能。
第1逆变器110与Y接线的第1线圈组210连接，第2逆变器120与Y接线的第2线圈组220连接。在该连接状态下，第1逆变器110能够使第1线圈组210通电，第2逆变器120能够使第2线圈组220通电。
图4例示了标绘在第2逆变器120进行三相通电控制时在马达200的第2线圈组220中流动的电流值而得到的电流波形(正弦波)。横轴表示马达电角度(度)，纵轴示出电流值(A)。在图4的电流波形中，按照每30°电角度对电流值进行标绘。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。
表2示出在图4的正弦波中每个电角度下在第2线圈组220的各相的线圈中流动的电流值。如图4所示，电流值的正负标号遵从上述的电流方向的定义。
[表2]
Figure GDA0002207617860000121
例如，在电角度为30°时，在U相的线圈221中，朝向第2逆变器120流动大小为I2的电流，在V相的线圈222中，从第2逆变器120流动大小为Ipk的电流，在W相的线圈223中，朝向第2逆变器120流动大小为I2的电流。在电角度为60°时，在U相的线圈221中，朝向第2逆变器120流动大小为I1的电流，在V相的线圈222中，从第2逆变器120流动大小为I1的电流。在W相的线圈223中不流动电流。
在通常的Y接线的接线方式的马达中，在每个电角度，考虑了电流方向的在三相的绕组中流动的电流的总和为“0”。例如，控制电路300能够通过可得到图4所示的电流波形的PWM控制而对第2逆变器120的各开关元件的开关动作进行控制。控制电路300能够与第2逆变器120同样地对第1逆变器110进行控制。由于在第1和第2动作模式之间，整体的通电电流不变，因此马达的辅助扭矩相同。
在Y接线的接线方式中，公知有利用了节点N1、N2的电位(中性点电位)来改善电压利用率的方法。具体而言，通过将三相电压的三次谐波分量重叠而能够提高对线圈施加的最大电压。通过积极地利用该方法，在第2动作模式中，与第1动作模式相比，能够使马达200更高速地旋转。
(第3动作模式)
第3动作模式是在异常时的控制中使用的动作模式。异常是指第1和第2逆变器110、120的主要是开关元件发生故障从而无法通过第1和第2动作模式进行马达驱动的状态。例如，在使用MOSFET作为开关元件的情况下，该故障大体上具有“开路故障”和“短路故障”。“开路故障”是指FET的源极-漏极间开放的故障(换言之，源极-漏极间的电阻rds变为高阻抗)，“短路故障”是指FET的源极-漏极间短路的故障。以下，假设第1逆变器110中的开关元件发生了故障而对本动作模式进行说明。当然，本动作模式的控制也适用于第2逆变器120中的开关元件发生了故障的情况。
例如，与第1动作模式同样地，控制电路300使分离继电器电路130接通，使第1和第2中性点继电器电路140、150断开。由此，第1线圈组210与第2线圈组220连接。
假设第1逆变器110中的高侧开关元件111H发生了开路故障(参照图2)。例如，控制电路300使第1逆变器110中的其他高侧开关元件112H、113H断开，使全部低侧开关元件111L、112L以及113L接通。通过该控制，能够使第1逆变器110的低侧一侧的节点NL(参照图2)作为中性点而发挥功能。没有发生故障的第2逆变器120能够利用第1逆变器110中的中性点使第1和第2线圈组210、220通电。
使节点作为中性点来发挥功能也是指使将逆变器的各相的桥臂和各相的线圈连接起来的3个节点(各桥臂的高侧开关元件与低侧开关元件之间的节点)L1、L2以及L3的电位为等电位。用于使该3个节点为等电位的开关元件的接通和断开的模式不限于上述模式，也可以是其他各种模式。
控制电路300例如能够通过可得到图4所示的电流波形的PWM控制而对第2逆变器120的各开关元件的开关动作进行控制。第2逆变器120使第1和第2线圈组210、220通电。
电力转换装置100按照每个相具有H桥。U相的H桥具有包含开关元件111H、111L的桥臂和包含开关元件121H、121L的桥臂。V相的H桥具有包含开关元件112H、112L的桥臂和包含开关元件122H、122L的桥臂。W相的H桥具有包含开关元件113H、113L的桥臂和包含开关元件123H、123L的桥臂。例如，电力转换装置100能够使用包含有发生了故障的开关元件的H桥以外的其他2个H桥来进行二相通电控制。
例如，在第1逆变器110中的高侧开关元件111H发生了开路故障的情况下，无法使用U相的H桥。电力转换装置100使用V和W相的H桥进行二相通电控制。在无法使用V或W相的H桥的情况下，电力转换装置100能够使用其他2个相的H桥进行二相通电控制。
图5例示了标绘在电力转换装置100进行二相通电控制时在马达200的第1和第2线圈组210、220中流动的电流值而得到的电流波形(正弦波)。横轴表示马达电角度(度)，纵轴示出电流值(A)。在图5的电流波形中，按照每30°电角度对电流值进行标绘。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。电力转换装置100能够使用没有发生故障的V和W相的H桥而使V和W相的线圈通电。由此，能够继续驱动马达。
作为其他例子，也可以是，不使用发生了故障的逆变器，使用没有发生故障的逆变器以使与其连接的线圈组通电，由此进行马达驱动。例如，在第1逆变器110中的高侧开关元件111H发生了开路故障的情况下，控制电路300能够使分离继电器电路130和第1中性点继电器电路140断开，使第2中性点继电器电路150接通。使用第2逆变器120以使Y接线的第2线圈组220通电，由此能够进行马达驱动。
图6示出马达的每单位时间内的转数N(rps)与扭矩T(N·m)的关系。在图6中，示出了上述的第1至第3动作模式每个模式的所谓T-N曲线。
根据本实施方式，在第1线圈组210的一端与第1逆变器110连接并且第2线圈组220的一端与第2逆变器120连接的电力转换装置100中，能够通过按照规定的模式使分离继电器电路130、第1和第2中性点继电器电路140、150进行接通和断开而切换2个线圈组的接线方式。由此，能够使动作模式在第1动作模式和第2动作模式之间切换，能够进一步提高马达200的高速驱动。
图7示意性地示出本实施方式的变形例的电力转换装置100A的电路结构。
在本实施方式的变形例的电力转换装置100A中，第1线圈组210具有3个各相的线圈组，该3个各相的线圈组各自具有并联连接的至少2个线圈，第2线圈组220具有3个各相的线圈组，该3个各相的线圈组各自具有并联连接的至少2个线圈。在图7中例示了各相的线圈组具有并联连接的2个线圈的结构。
分离继电器电路130能够切换第1线圈组210的3个线圈组与第2线圈组220的3个线圈组的连接和非连接。
第1中性点继电器电路140具有一端共同连接于节点N1并且另一端与第1线圈组210的3个线圈组连接的3个第1中性点继电器141、142以及143。第2中性点继电器电路150具有一端共同连接于节点N2并且另一端与第2线圈组220的3个线圈组连接的3个第2中性点继电器151、152以及153。
根据本变形例，例如，即使在第1线圈组210的3个线圈组中的U相的线圈组中的线圈211_1产生了断线的情况下，也能够使用线圈211_2、221_1以及221_2作为U相用的线圈而继续进行第1或第2动作模式的马达驱动。例如，即使在第2线圈组220的3个线圈组中的U相的线圈组中的线圈221_2进一步产生了断线的情况下，也能够使用线圈211_2、221_1作为U相用的线圈而继续进行第1或第2动作模式的马达驱动。这样，即使在一个相所包含的多个线圈中的1个产生了断线的情况下，也能够使用其他线圈而继续进行第1或第2动作模式的马达驱动。
图8A示意性地示出本实施方式的变形例的电力转换装置100A的其他电路结构。
在本实施方式的变形例的电力转换装置100A中，第1线圈组210具有3个各相的线圈组，该3个各相的线圈组各自具有并联连接的2个线圈，第2线圈组220具有3个各相的线圈组，该3个各相的线圈组各自具有并联连接的2个线圈。分离继电器电路130能够切换第1线圈组210的3个线圈组与第2线圈组220的3个线圈组的连接和非连接。
第1中性点继电器电路140具有一端共同连接于节点N1并且另一端与第1线圈组210的3个线圈组各自的2个线圈中的一个连接的3个第1中性点继电器141_1、142_1以及143_1。第1中性点继电器电路140还具有一端共同连接于节点N3并且另一端与第1线圈组210的3个线圈组各自的2个线圈中的另一个连接的3个第1中性点继电器141_2、142_2以及143_2。
在图8A中，第1中性点继电器141_1与第1线圈组210中的U相的线圈组的线圈211_1连接，第1中性点继电器142_1与V相的线圈组的线圈212_1连接，第1中性点继电器143_1与W相的线圈组的线圈213_1连接。第1中性点继电器141_2与U相的线圈组的线圈211_2连接，第1中性点继电器142_2与V相的线圈组的线圈212_2连接，第1中性点继电器143_2与W相的线圈组的线圈213_2连接。
第2中性点继电器电路150具有一端共同连接于节点N2并且另一端与第2线圈组220的3个线圈组各自的2个线圈中的一个连接的3个第2中性点继电器151_1、152_1以及153_1。第2中性点继电器电路150具有一端共同连接于节点N4并且另一端与第2线圈组220的3个线圈组各自的2个线圈中的另一个连接的3个第2中性点继电器151_2、152_2以及153_2。
在图8A中，第2中性点继电器151_1与第2线圈组220中的U相的线圈组的线圈221_1连接，第2中性点继电器152_1与V相的线圈组的线圈222_1连接，第2中性点继电器153_1与W相的线圈组的线圈223_1连接。第2中性点继电器151_2与U相的线圈组的线圈221_2连接，第2中性点继电器152_2与V相的线圈组的线圈222_2连接，第2中性点继电器153_2与W相的线圈组的线圈223_2连接。
根据本变形例，例如，考虑以下情况：第1线圈组210中的线圈211_1、212_1和第2线圈组220中的线圈223_1在各相同时产生了断线。例如，能够使分离继电器电路130接通，使第1和第2中性点继电器电路140、150断开，使用没有断线的线圈来继续进行第1动作模式的马达驱动。
例如，能够使分离继电器电路130断开而继续进行第2动作模式的马达驱动。在该情况下，控制电路300使包含与产生了断线的线圈211_1、212_1连接的第1中性点继电器在内的3个第1中性点继电器141_1、142_1以及143_1全部断开，使其他第1中性点继电器141_2、142_2以及143_2接通。由此，线圈211_2、212_2以及213_2被Y接线。第1逆变器110能够使Y接线的线圈211_2、212_2以及213_2通电。
例如，控制电路300使包含与产生了断线的线圈223_1连接的第2中性点继电器在内的3个第2中性点继电器151_1、152_1以及153_1全部断开，使其他第2中性点继电器151_2、152_2以及153_2接通。由此，线圈221_2、222_2以及223_2被Y接线。第2逆变器120能够使Y接线的线圈221_2、222_2以及223_2通电。这样，即使在一个相所包含的多个线圈中的1个产生了断线的情况下，也能够使用其他线圈而继续进行第1或第2动作模式的马达驱动。
图8B示意性地示出本实施方式的变形例的电力转换装置100A的另一个电路结构。
各相的线圈组所包含的线圈的数量不限于2个。也可以是，第1线圈组210具有3个线圈组，该3个线圈组各自具有并联连接的3个以上的线圈。也可以是，第2线圈组220具有3个线圈组，该3个线圈组各自具有并联连接的3个以上的线圈。在图8B中例示了各相的线圈组具有3个线圈的结构。
第1中性点继电器电路140具有3个中性点继电器电路140_1、140_2以及140_3。各中性点继电器电路具有3个第1中性点继电器。第1线圈组210的3个线圈组各自的3个线圈与3个中性点继电器电路140_1、140_2以及140_3连接。
例如，U相的线圈组中的线圈211_1与第1中性点继电器141_1连接。线圈211_2与第1中性点继电器141_2连接。线圈211_3与第1中性点继电器141_3连接。V相的线圈组中的线圈212_1与第1中性点继电器142_1连接。线圈212_2与第1中性点继电器142_2连接。线圈212_3与第1中性点继电器142_3连接。W相的线圈组中的线圈213_1与第1中性点继电器143_1连接。线圈213_2与第1中性点继电器143_2连接。线圈213_3与第1中性点继电器143_3连接。
第2中性点继电器电路150具有3个中性点继电器电路150_1、150_2以及150_3。各中性点继电器电路具有3个第2中性点继电器。第2线圈组220的3个线圈组各自的3个线圈与3个中性点继电器电路150_1、150_2以及150_3连接。
例如，U相的线圈组中的线圈221_1与第2中性点继电器151_1连接。线圈221_2与第2中性点继电器151_2连接。线圈221_3与第2中性点继电器151_3连接。V相的线圈组中的线圈222_1与第2中性点继电器152_1连接。线圈222_2与第2中性点继电器152_2连接。线圈222_3与第2中性点继电器152_3连接。W相的线圈组中的线圈223_1与第2中性点继电器153_1连接。线圈223_2与第2中性点继电器153_2连接。线圈223_3与第2中性点继电器153_3连接。
(实施方式2)
本实施方式的电力转换装置100B能够将来自电源101的电力转换为向具有能够串联连接的m个(m为3以上的整数)线圈组的三相马达提供的电力。以下，主要对与实施方式1的电力转换装置100的不同点进行说明。
图9示意性地示出本实施方式的电力转换装置100B的典型的电路结构。
在图9中，例示了具有能够串联连接的3个线圈组210、220以及230的三相马达。第1逆变器110与3个线圈组210、220以及230的一端连接，第2逆变器120与3个线圈组210、220以及230的另一端连接。
2个分离继电器电路130_1、130_2分别连接于3个线圈组210、220以及230中的相邻的2个线圈组之间。各分离继电器电路能够切换相邻的2个线圈组的连接和非连接。具体说明的话，分离继电器电路130_1连接于第1和第2线圈组210、220之间，能够切换这2个线圈组的连接和非连接。分离继电器电路130_2连接于第2和第3线圈组220、230之间，能够切换这2个线圈组的连接和非连接。
2个第1中性点继电器电路140_1、140_2分别设置于相邻的2个线圈组之间。各第1中性点继电器电路能够切换相邻的2个线圈组中的第1逆变器110侧的线圈组的端部彼此的连接和非连接。
第1中性点继电器电路140_1在第1和第2线圈组210、220之间设置于分离继电器电路130_1的第1逆变器110侧。第1中性点继电器电路140_1能够切换第1线圈组210的端部彼此的连接和非连接。第1中性点继电器电路140_2在第2和第3线圈组220、230之间设置于分离继电器电路130_2的第1逆变器110侧。第1中性点继电器电路140_2能够切换第2线圈组220的端部彼此的连接和非连接。
2个第2中性点继电器电路150_1、150_2分别设置于相邻的2个线圈组之间。各第2中性点继电器电路能够切换相邻的2个线圈组中的第2逆变器120侧的线圈组的端部彼此的连接和非连接。
第2中性点继电器电路150_1在第1和第2线圈组210、220之间设置于分离继电器电路130_1的第2逆变器120侧。第2中性点继电器电路150_1能够切换第2线圈组220的端部彼此的连接和非连接。第2中性点继电器电路150_2在第2和第3线圈组220、230之间设置于分离继电器电路130_2的第2逆变器120侧。第2中性点继电器电路150_2能够切换第3线圈组230的端部彼此的连接和非连接。
各分离电路继电器和各中性点继电器电路的结构像在实施方式1中所说明那样。这里省略详细说明。
控制电路300对2个分离继电器电路130_1、130_2、2个第1中性点继电器电路140_1、140_2以及2个第2中性点继电器电路150_1、150_2的接通和断开状态进行控制。由此，能够改变3个线圈组210、220以及230中的与第1逆变器110连接的线圈组的数量和与第2逆变器120连接的线圈组的数量。
例如，考虑以下情况：控制电路300使分离继电器电路130_1接通、使分离继电器电路130_2断开，并且使第1中性点继电器电路140_1断开、使第1中性点继电器电路140_2接通，并且使第2中性点继电器电路150_1断开、使第2中性点继电器电路150_2接通。在该情况下，第1逆变器110与第1和第2线圈组210、220连接，第2逆变器120与第3线圈组230连接。通过使第1中性点继电器电路140_2接通，第2线圈组220被Y接线。通过使第2中性点继电器电路150_2接通，第3线圈组230被Y接线。通过该连接，第1逆变器110能够使第1和第2线圈组210、220通电，第2逆变器120能够使第3线圈组230通电。
例如，在第2线圈组220破损了的情况下，能够通过使分离继电器电路130_1、130_2断开而使破损的第2线圈组220与2个逆变器电分离。能够使第1线圈组210和第3线圈组230通电，从而继续进行马达驱动。
马达扭矩与线圈边的长度和匝数成比例。根据本实施方式，通过改变与第1逆变器110连接的线圈组的数量和与第2逆变器120连接的线圈组的数量，能够使马达输出变化为任意大小。
图10示意性地示出本实施方式的电力转换装置100B的其他电路结构。
在图10中，例示了能够对具有能够串联连接的4个线圈组210、220、230以及240的马达200进行驱动的电力转换装置100B的电路结构。
图10所示的电力转换装置100B具有3个分离继电器电路130_1、130_2、130_3、3个第1中性点继电器电路140_1、140_2、140_3、3个第2中性点继电器电路150_1、150_2、150_3。通过增加线圈组的数量、与这些线圈组连接的分离继电器电路和中性点继电器电路的数量，能够以更高的精度使马达输出变化为任意大小。
(实施方式3)
图11示意性地示出本实施方式的电动助力转向装置2000的典型的结构。
汽车等车辆通常具有电动助力转向(EPS)装置。本实施方式的电动助力转向装置2000具有转向系统520和生成辅助扭矩的辅助扭矩机构540。电动助力转向装置2000生成对通过驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的转向扭矩进行辅助的辅助扭矩。通过辅助扭矩来减轻驾驶员的操作负担。
转向系统520例如具有方向盘521、转向轴522、万向联轴器523A、523B、旋转轴524、齿条齿轮机构525、齿条轴526、左右球节552A、552B、横拉杆527A、527B、转向节528A、528B以及左右转向车轮529A、529B。
辅助扭矩机构540例如具有转向扭矩传感器541、汽车用电子控制单元(ECU)542、马达543以及减速机构544。转向扭矩传感器541检测转向系统520的转向扭矩。ECU 542根据转向扭矩传感器541的检测信号而生成驱动信号。马达543根据驱动信号而生成与转向扭矩对应的辅助扭矩。马达543经由减速机构544将生成的辅助扭矩传递给转向系统520。
ECU 542例如具有实施方式1的微控制器340和驱动电路350等。在汽车中，构筑了以ECU为核心的电子控制系统。在电动助力转向装置2000中，例如由ECU 542、马达543以及逆变器545构筑了马达驱动单元。该单元能够优选使用实施方式1的马达驱动单元1000。
产业上的可利用性
本发明的实施方式能够广泛用于吸尘器、烘干机、吊扇、洗衣机、冰箱以及电动助力转向装置等具有各种马达的多种设备。
标号说明
100、100A、100B：电力转换装置；101：电源；102：线圈；103：电容器；110：第1逆变器；120：第2逆变器；130：分离继电器电路；140：第1中性点继电器电路；150：第2中性点继电器电路；200：马达；300：控制电路；310：电源电路；320：角度传感器；330：输入电路；340：微控制器；350：驱动电路；360：ROM；400：电流传感器；1000：马达驱动单元；2000：电动助力转向装置。

Claims (4)

1.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为向具有能够通过m-1个分离继电器电路串联连接的m个线圈组的n相的马达提供的电力，m为3以上的整数，n为3以上的整数，其中，
该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述m个线圈组中的第1个线圈组的与分离继电器电路不相连的一端连接；
第2逆变器，其与所述m个线圈组中的最后1个线圈组的与分离继电器电路不相连的另一端连接；
所述m-1个分离继电器电路，它们分别连接于所述m个线圈组中的相邻的两个线圈组之间，分别切换相邻的两个线圈组的连接和非连接；
m-1个第1中性点继电器电路，它们在相邻的两个线圈组之间设置于所述m-1个分离继电器电路各自的所述第1逆变器侧，分别切换相邻的两个线圈组中的所述第1逆变器侧的线圈组的端部彼此的连接和非连接；以及
m-1个第2中性点继电器电路，它们在相邻的两个线圈组之间设置于所述m-1个分离继电器电路各自的所述第2逆变器侧，分别切换相邻的两个线圈组中的所述第2逆变器侧的线圈组的端部彼此的连接和非连接，
所述m个线圈组各自具有n个线圈，所述n个线圈分别与马达的n相对应，
所述m-1个分离继电器电路各自具有切换相邻的两个线圈组中的一个线圈组的n个线圈与另一个线圈组的n个线圈的连接和非连接的n个分离继电器，
所述m-1个第1中性点继电器电路各自具有n个第1中性点继电器，该n个第1中性点继电器的一端共同连接于第1节点，并且另一端与相邻的两个线圈组中的所述第1逆变器侧的线圈组的所述n个线圈连接，
所述m-1个第2中性点继电器电路各自具有n个第2中性点继电器，该n个第2中性点继电器的一端共同连接于第2节点，并且另一端与相邻的两个线圈组中的所述第2逆变器侧的线圈组的所述n个线圈连接。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
通过对所述m-1个分离继电器电路、所述m-1个第1中性点继电器电路以及所述m-1个第2中性点继电器电路的接通和断开状态进行控制，所述m个线圈组中的与所述第1逆变器连接的线圈组的数量以及与所述第2逆变器连接的线圈组的数量改变。
3.一种马达驱动单元，其具有：
权利要求1或2所述的电力转换装置；
控制电路，其对所述电力转换装置进行控制；以及
所述马达。
4.一种电动助力转向装置，其具有权利要求3所述的马达驱动单元。
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