CN113365901A - 用于将机电式机动车辆动力转向系统的多相电动马达与直流电压源断开连接的方法及用于控制电动马达的控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助于用于控制多相电动马达(9)的控制单元(12)将机电式机动车辆动力转向系统(1)的电动马达(9)与直流电压源(13)断开连接的方法，多相电动马达(9)包括具有连接线路(16u,16v,16w)的至少三个相绕组(u,v,w)，连接线路(16u,16v,16w)可以在每种情况下经由高侧开关元件(14u,14v,14w)和低侧开关元件(15u,15v,15w)交替地连接至直流电压源(13)的每个极，以用于借助于控制单元(12)的马达控制器(22)和驱动器电路(23)来操作电动马达(9)，并且连接线路(16u,16v,16w)各自具有至少一个相断开连接装置(19,20,21)，以在故障的情况下将相绕组(u,v,w)与直流电压源(13)断开连接，控制单元(12)执行以下方法步骤：‑在电动马达(9)的操作期间针对短路故障来监测开关元件(14u,14v,14w,15u,15v,15w)；‑如果已经确定短路故障，则关断开关元件(14u,14v,14w,15u,15v,15w)；‑确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件(14u,14v,14w)还是低侧开关元件(15u,15v,15w)；‑除了接通引起短路故障的高侧开关元件或低侧开关元件外，还对应地接通高侧开关元件(14u,14v,14w)中的至少另一高侧开关元件或低侧开关元件(15u,15v,15w)中的至少另一低侧开关元件，以制动电动马达(9)；‑在经过可选择的制动时段之后关断开关元件(14u,14v,14w,15u,15v,15w)；‑断开相断开连接装置(19,20,21)。

Description

用于将机电式机动车辆动力转向系统的多相电动马达与直流 电压源断开连接的方法及用于控制电动马达的控制单元
说明书
本发明涉及用于将机电式机动车辆动力转向系统的多相电动马达与DC电压源断开连接(disconnect)的方法以及用于驱动电动马达的控制单元。
在机电式机动车辆动力转向系统中，通过在转向轴或齿条的区域中的伺服单元的多相的、通常永久激励的电动马达将动力辅助引入转向系统中。由马达控制器经由对逆变器电路的开关元件进行控制的驱动器电路来驱动电动马达。根据开关元件的开关状态，例如以星形互连的电动马达的相绕组交替地连接至DC电压源(通常为车载DC电压网络)的极。
在开关元件中的一个中发生电气短路故障的情况下，即使驱动器电路输出断开(opening)命令，受影响的开关元件仍保持导通。因此，电动马达的两相绕组在接通周期期间和/或经由其他开关元件的体二极管连接至电压源的同一极，其结果是创建闭合的导体回路。因此，由于转子的旋转在导体回路中感应出电流，该电流又生成阻碍转子的旋转的磁场，因而生成制动扭矩。因此，短路故障不仅导致转向辅助的故障，而且还以附加阻力来对抗驾驶员的转向运动，其还可能具有脉动效应。由于安全原因，这在用于机动车辆的转向系统中不能被容忍。
为了解决这个问题，已知在马达的相绕组的馈电线路上提供相断开连接装置，以能够在短路故障的情况下中断各个相中的电流的流动。然而，该解决方案的缺点在于，如果突然将相连接断开连接，特别是如果马达轴在断开连接时正在快速旋转，则可能产生高感应电压。如果因此超过所使用的半导体相断开连接装置的击穿电压，则相断开连接装置在导通状态下烧毁并且不再能够实现它们的断开连接功能。因为在马达的旋转速度与相断开连接装置的所需电流中断能力之间仅存在间接关联，所以已经使用了尺寸过大、笨重且昂贵的相分离器来防止这样的损坏。
US 2017/264221 A1也公开了具有两相或更多相的马达驱动器电路以及具有用于马达的每个相的桥臂的马达桥电路。马达驱动器电路包括至少一个固态相断开连接继电器，该至少一个固态相断开连接继电器串联连接在马达的各个相与相关联的桥臂之间。继电器在正常操作时被闭合，并且在故障模式下被断开，以防止相中的电流的流动。电路还包括监测装置，该监测装置用于监测马达相中的电流曲线并且在故障模式下指示相断开连接继电器可以在相断开连接继电器不会因雪崩击穿而损坏的情况下被安全地断开的时间。为了检测电流分布的零交叉而提供附加的电流监测是复杂且昂贵的。
因此，本发明的目的是指定用于将机电式机动车辆动力转向系统的多相电动马达与DC电压源断开连接的方法以及用于驱动电动马达的控制单元，借助于其，在减少部件和控制支出的情况下安全且快速地执行断开连接。
通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求11的特征的控制单元来实现该目的。
本发明指定一种借助于用于驱动多相电动马达的控制单元将机电式机动车辆动力转向系统的电动马达与DC电压源断开连接的方法，其中，多相电动马达具有至少三个相绕组，该至少三个相绕组具有连接线路，所述连接线路可以各自经由高侧开关元件和低侧开关元件交替地连接至DC电压源的相应极，以用于借助于控制单元的马达控制器和驱动器电路来操作电动马达，并且连接线路各自具有至少一个相断开连接装置，以在故障的情况下将相绕组与DC电压源断开连接，其中，控制单元执行以下方法步骤：
-在电动马达的操作期间针对短路故障来监测开关元件；
-如果已经确定短路故障，则关断开关元件；
-确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件还是低侧开关元件；
-除了接通引起短路故障的高侧开关元件或低侧开关元件外，还对应地接通高侧开关元件中的至少另一高侧开关元件或低侧开关元件中的至少另一低侧开关元件，以制动电动马达；
-在经过可选择的制动时段之后关断开关元件；
-断开相断开连接装置。
因此，提供了一种断开连接方法，在该断开连接方法中，有利地使用由逆变器中的闭合的导体回路引起的永久不期望的制动效应，以避免在相断开连接装置处的过电压。根据本发明，提供的是，在逆变器的开关元件中的一个开关元件中确定短路故障之后，通过接通连接至DC电压源的同一极的至少一个另外的开关元件来使导体回路闭合，该闭合的导体回路在转子上引起制动扭矩。通过在制动时段的持续时间内有意地引入附加制动扭矩，在断开相断开连接装置之前降低了马达的旋转速度。在相断开连接装置处产生的感应电压和电流被有效地减小，使得可以防止由过电压引起的损坏风险，并且可以使所使用的相断开连接装置具有较小的尺寸。因此，不再需要等待电动马达以低速度旋转并且不再需要等待感应电流过零，而是可以通过主动式制动快速且安全地启动并且执行断开连接。对电动马达的有意制动将电动马达中剩余的电能和机械能减少到不再能够对相断开连接装置造成损坏的水平。通过断开相断开连接装置，然后控制单元的感应制动扭矩可以被完全关断。
优选地，同时对应地接通所有高侧开关元件或所有低侧开关元件，以制动电动马达。以这样的方式，可以使最大的可能制动扭矩可用并且以分布在电动马达的所有相上的方式耗散制动热输出。此外，有利地实现了制动扭矩在转子的一圈旋转中基本上保持恒定并且避免了脉动的制动扭矩。
由于制动扭矩随着转子速度增大而增大，因此通过相短路对马达的感应制动是特别有效的。因此，可以优选地提供在从5ms至50ms的范围内的短制动时段，这已经充分地降低了所产生的感应电压。
在优选的、特别简单的实施方式中，选择固定的预定值作为制动时段。这具有不需要附加部件来监测电动马达的旋转速度的优点。
替选地，可以根据电动马达的旋转速度来选择制动时段。例如，可以经由查找表将要选择的制动时段的值分配给测量的旋转速度。
特别优选地，驱动器电路在电动马达被制动的同时执行对电动马达的旋转速度的阈值监测，并且一旦旋转速度下降到可选择的阈值以下，就结束制动时段。由于对旋转速度的连续监测，因此制动时段可以最佳地适应各自的当前转向情况，其结果是在安全且可靠地的情况下尽快断开相断开连接装置。优选地，在从电动马达的额定速度的10％至30％的范围内——特别优选地在从该额定速度的15％至25％的范围内——选择旋转速度的阈值。特别地，阈值可以被选择为电动马达的额定速度的20％。
可以以脉冲的方式一个接一个地单独接通高侧开关元件和低侧开关元件，并且可以在此期间测量DC电压源的短路电流，以确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件还是低侧开关元件。通过相继地接通逆变器的所有开关元件，可以清楚地识别出故障开关元件。如果在接通开关元件时检测到短路电流，则同一桥支路中的相应其他开关元件有故障。可以有利地将关于故障开关元件的信息用于逆变器的故障诊断和修复。
作为替选方案，以脉冲的方式同时接通所有高侧开关元件，并且在与同时接通所有高侧开关元件的时间分开的时间处，以脉冲的方式同时接通所有低侧开关元件，并且在此期间可以测量DC电压源的短路电流，以确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件还是低侧开关元件。通过该过程，仅使用两次测量来确定后续方法步骤所需的信息，其结果是可以实现电动马达与DC电压源的特别快速的断开连接。
优选地，高侧开关元件和低侧开关元件为半导体开关元件。特别优选地，半导体开关元件在制动时段期间以部分地受驱动的方式被接通。通过选择部分驱动，可以以有针对性的方式设置施加的制动扭矩。由于与全驱动相比，开关元件的电阻增加，使生成的制动扭矩减小，并且因此使要在电路中耗散的热输出减小。以这样的方式，可以防止电子部件的过热，特别是在电动马达以高速度旋转时。
可以从以下描述和从属权利要求中得出本发明的进一步改进。
下面将参照附图中所示的示例性实施方式更详细地说明本发明。
图1示意性地示出了具有根据本发明的控制单元和用于布置伺服马达的若干选项的机电式动力转向系统；
图2示意性地示出了根据图1的示例性实施方式的控制单元的结构；
图3示意性地示出了具有电动马达的旋转速度、制动信号和相断开连接信号的时间分布的曲线图，以说明制动过程。
图1示意性地示出了具有方向盘2的机电式机动车辆动力转向系统1，该方向盘2以旋转固定的方式联接至上转向轴3。驾驶员经由方向盘2将扭矩作为转向指令引入转向轴3中。然后，扭矩经由上转向轴3和下转向轴4被传递至转向小齿轮5。小齿轮5与齿条6的齿段啮合。齿条6被安装在转向壳体中以能够沿所述齿条的纵向轴线的方向移位。齿条6在其自由端部处通过球窝接头(未图示)连接至拉杆7。拉杆7本身在各种情况下通过转向节连接至机动车辆的一个转向轮8。
通过转向轴3、4和小齿轮5的连接，方向盘2的旋转引起齿条6的纵向移位，并且因此引起转向轮8的枢转。转向轮8通过行车道80被给予反馈效果，所述反馈效果与转向运动相反地起作用。因此需要在方向盘2处要求对应扭矩的力来使轮8枢转。伺服单元10的电动马达9被设置成用于在该转向运动中辅助驱动器。上转向轴3和下转向轴4经由扭杆(其未被示出)以扭转弹性的方式彼此联接。扭矩传感器单元11检测上转向轴3相对于下转向轴4的旋转，作为对经由方向盘2施加在转向轴3上的扭矩的量度。控制单元12根据由扭矩传感器单元11测量的扭矩来计算由伺服单元10提供的转向辅助。
在这种情况下，伺服单元10可以作为动力辅助装置10、100、101联接至转向轴3、转向轴4、转向小齿轮5或齿条6。相应的动力辅助装置10、100、101将辅助扭矩引入转向轴3、转向轴4、转向小齿轮5和/或齿条6中，由此辅助驾驶员执行转向工作。图1中所示的三个不同的动力辅助装置10、100、101示出了其布置的替选位置。通常，所示位置中仅单个位置设置有动力辅助装置。
图2示意性地示出了用于控制单元12的电力部分的电路图，伺服单元的多相电动马达9连接至该控制单元12。如图2所示，通常使用三相电动马达9。为了驱动机电式机动车辆动力转向系统1的多相电动马达9，控制单元12包括马达控制器(MCU)22以及连接至马达控制器22的驱动器电路(GDU)23。控制单元12还包括：高侧开关元件14u、14v、14w和低侧开关元件15u、15v、15w，其由驱动器电路23驱动；以及至少三个连接线路16u、16v、16w，电动马达9的相绕组u、v、w可以连接至该至少三个连接线路16u、16v、16w。连接线路16u、16v、16w各自具有可以由驱动器电路23驱动的至少一个相断开连接装置19、20、21。连接线路16u、16v、16w可以各自借助于驱动器电路23经由高侧开关元件14u、14v、14w和低侧开关元件15u、15v、15w交替地连接至DC电压源13的相应极。控制单元12还具有电流测量装置24、25，其用于测量在DC电压源13的极之间流动的电流。
高侧开关元件14u、14v、14w和低侧开关元件15u、15v、15w形成桥电路18，电动马达9的相绕组u、v、w经由该桥电路18连接至DC电压源13，该DC电压源13通常是机动车辆的车载电气系统。桥电路18具有针对电动马达9的每个相u、v、w的桥支路17u、17v、17w。每个桥支路17u、17v、17w具有连接至DC电压源13的正极的高侧开关元件14u、14v、14w以及连接至DC电压源13的负极(即通常是车载电气系统的接地连接)的低侧开关元件15u、15v、15w。各个相绕组u、v、w经由相关联的连接线路16u、16v、16w连接在高侧开关元件与低侧开关元件之间。充电电容器(未示出)通常与DC电压源13并联连接，以使桥电路的波动功率要求平滑。
出于电流测量的目的，如图2所示，桥支路17u、17v、17w可以经由分流电阻器24连接至DC电压源13的极中之一。跨分流电阻器24下降的电压是流过DC电压源13的极之间的桥电路18的电流的量度。施加至分流电阻器24的电压差可以经由放大器25被放大并且作为驱动器电路23中的电流测量信号被评估。出于诊断目的，还可以使电流测量信号对于马达控制器22可用。还可以在每个桥支路17u、17v、17w中分别地测量电流。
在操作期间，图2所示的用于驱动电动马达9的控制单元12执行用于将机电式机动车辆动力转向系统1的多相电动马达9与DC电压源13断开连接的以下方法步骤：
-在电动马达9的操作期间针对短路故障来监测开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w；
-如果已经确定短路故障，则关断开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w；
-确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件14u、14v、14w还是低侧开关元件15u、15v、15w；
-除了接通引起短路故障的高侧开关元件或低侧开关元件外，还对应地接通高侧开关元件14u、14v、14w中的至少另一高侧开关元件或低侧开关元件15u、15v、15w的至少另一低侧开关元件，以制动电动马达9；
-在经过可选择的制动时段之后，关断开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w；
-断开相断开连接装置19、20、21。
优选地，由电流测量装置24、25针对短路故障来监测开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w。在开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w中发生短路故障的情况下，受影响的开关元件保持闭合，而不管断开命令。在马达操作期间，发生开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w的开关周期，在该开关周期期间，桥支路17u、17v、17w的两个开关元件同时闭合，其结果是在DC电压源13的极之间存在直接连接。这引起可以被检测为可测量的电流峰值的短路电流。如果电流测量装置24、25测量到这样的电流峰值，则可以相应地推断出短路故障。也可以在常规的在线诊断(例如，脉冲宽度监测(PWM监测)、驱动器电路(GDU)的内部诊断或开关元件处的过电流检测)的背景下监测开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w。
一旦检测到短路故障，就关断所有开关元件14、15，以防止短路电流并且减小发生的制动扭矩。此时相断开连接装置19、20、21仍保持闭合。通常用作开关元件的半导体开关元件(例如，MOSFET或IGBT)经常具有反向二极管。由于反向二极管，因此，即使当开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w是开路时，只要开关元件中的一个出现短路故障，则因此闭合的导体回路至少针对一个电流方向仍保持在原位。因此，通过单独断开开关元件无法完全消除制动效应。
为了确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件还是低侧开关元件，优选地，可以一个接一个地单独接通开关元件14u、14v、14w、15u、15v、15w，并且可以使用电流测量装置24、25来确定在该过程中产生的短路电流。一旦产生短路电流，就可以结束该确定。因此，可以将与同一桥支路17u、17v、17w中的经切换的高侧开关元件或低侧开关元件相关联的低侧开关元件或高侧开关元件识别为有故障。替选地，可以在彼此分开的时间处以脉冲的方式同时接通所有低侧开关元件或所有高侧开关元件，以尽可能快地确定引起短路故障的开关元件是高侧开关元件还是低侧开关元件。
通过仅在经过预定义的制动时段之后才断开相断开连接装置，可以使用具有较小尺寸的相断开连接装置。有意地启动的制动过程与相开关的随后断开的结合还具有以下优点：控制单元可以安全地断开相断开连接装置，并且控制单元不再生成感应制动扭矩。
图3示出了伺服单元10的电动马达9的旋转速度ω以及制动信号26和相断开连接信号27的时间分布。马达9的旋转速度ω最初增大，并且然后在大约300rad/s处达到平稳状态。在时间t1处，通过制动信号26接通所有高侧开关元件14或所有低侧开关元件15。因此，电动马达9的旋转速度ω急剧减小。在时间t2处，通过相断开连接信号27来断开相断开连接装置19、20、21。例如，在t1与t2之间的制动时段可以是22ms。
特别地，本发明可以用于其中存在DC总线监测装置、转子位置传感器并且因此还存在转子速度传感器和相断开连接装置的所有机动车辆动力转向系统中。所提出的方法解决了特定技术问题，而与相断开连接装置中提供的反向二极管的安装方向无关。
附图标记列表
1 机动车辆动力转向系统
2 方向盘
3 上转向轴
4 下转向轴
5 小齿轮
6 齿条
7 拉杆
8 轮
9 电动马达
10 伺服单元
11 扭矩传感器单元
12 控制单元
13 DC电压源
14u,14v,14w 高侧开关元件
15u,15v,15w 低侧开关元件
16u,16v,16w 连接线路
17u,17v,17w 桥支路
18 桥电路
19,20,21 相断开连接装置
22 马达控制器(MCU)
23 驱动器电路(GDU)
24 分流电阻器
25 放大器
26 制动信号
27 相断开连接信号
80 行车道
10,100,101 动力辅助单元
u,v,w 相绕组
ω 旋转速度

Claims (12)

1.一种借助于用于驱动多相电动马达(9)的控制单元(12)将机电式机动车辆动力转向系统(1)的所述电动马达(9)与DC电压源(13)断开连接的方法，其中，所述多相电动马达(9)具有至少三个相绕组(u,v,w)，所述至少三个相绕组具有连接线路(16u,16v,16w)，所述连接线路能够各自经由高侧开关元件(14u,14v,14w)和低侧开关元件(15u,15v,15w)交替地连接至所述DC电压源(13)的相应极，以用于借助于所述控制单元(12)的马达控制器(22)和驱动器电路(23)来操作所述电动马达(9)，并且所述连接线路(16u,16v,16w)各自具有至少一个相断开连接装置(19,20,21)，以在故障的情况下将所述相绕组(u,v,w)与所述DC电压源(13)断开连接，其中，所述控制单元(12)执行以下方法步骤：
-在所述电动马达(9)的操作期间针对短路故障来监测所述开关元件(14u,14v,14w,15u,15v,15w)；
-如果已经确定短路故障，则关断所述开关元件(14u,14v,14w,15u,15v,15w)；
-确定引起所述短路故障的所述开关元件是高侧开关元件(14u,14v,14w)还是低侧开关元件(15u,15v,15w)；
-除了接通引起所述短路故障的所述高侧开关元件或所述低侧开关元件外，还对应地接通所述高侧开关元件(14u,14v,14w)中的至少另一高侧开关元件或低侧开关元件(15u,15v,15w)中的至少另一低侧开关元件，以制动所述电动马达(9)；
-在经过可选择的制动时段之后关断所述开关元件(14u,14v,14w,15u,15v,15w)；
-断开所述相断开连接装置(19，20，21)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，同时对应地接通所有高侧开关元件(14u,14v,14w)或所有低侧开关元件(15u,15v,15w)，以制动所述电动马达(9)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在从5ms至50ms的范围内选择所述制动时段。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其特征在于，选择固定的预定值作为所述制动时段。
5.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其特征在于，根据所述电动马达(9)的旋转速度(ω)来选择所述制动时段。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述驱动器电路(23)在所述电动马达(9)被制动的同时执行对所述电动马达的旋转速度(ω)的阈值监测，并且一旦所述电动马达(9)的旋转速度(ω)下降到可选择的阈值以下，就结束所述制动时段。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阈值是在从所述电动马达(9)的额定速度的10％至30％的范围内选择的，优选地是在从所述额定速度的15％至25％的范围内选择的。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的方法，其特征在于，以脉冲的方式一个接一个地单独接通所述高侧开关元件(14u,14v,14w)和所述低侧开关元件(15u,15v,15w)，并且在此期间，测量所述DC电压源(13)的短路电流，以确定引起所述短路故障的所述开关元件是高侧开关元件(14u,14v,14w)还是低侧开关元件(15u,15v,15w)。
9.根据权利要求1至7中的一项所述的方法，其特征在于，以脉冲的方式同时接通所有高侧开关元件(14u,14v,14w)，并且在与同时接通所有高侧开关元件(14u,14v,14w)的时间分开的时间处，以脉冲的方式同时接通所有低侧开关元件(15u,15v,15w)，并且在此期间测量所述DC电压源(13)的短路电流，以确定引起所述短路故障的所述开关元件是高侧开关元件(14u,14v,14w)还是低侧开关元件(15u,15v,15w)。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，所述高侧开关元件(14u,14v,14w)和所述低侧开关元件(15u,15v,15w)是半导体开关元件。
11.根据权利要求9所述方法，其特征在于，在所述制动时段期间以部分驱动的方式接通所述半导体开关元件。
12.一种用于驱动机电式机动车辆动力转向系统(1)的多相电动马达(9)的控制单元，所述控制单元包括：马达控制器(22)；驱动器电路(23)，其连接至所述马达控制器(22)；高侧开关元件(14u,14v,14w)和低侧开关元件(15u,15v,15w)，其由所述驱动器电路(23)驱动；至少三个连接线路(16u,16v,16w)，所述电动马达(9)的相绕组(u,v,w)能够连接至所述至少三个连接线路，其中，所述连接线路(16u,16v,16w)各自具有由所述驱动器电路(23)驱动的至少一个相断开连接装置(19,20,21)，并且能够借助于所述驱动器电路(23)经由高侧开关元件(14u,14v,14w)和低侧开关元件(15u,15v,15w)各自交替地连接至DC电压源(13)的相应极；以及电流测量装置，其用于测量在所述DC电压源(13)的所述极之间流动的电流，
其特征在于，所述驱动电路(23)被设计成执行根据权利要求1至10中的一项所述的方法。
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