CN212413082U - 电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置。电力转换装置能够在更短的时间内检测逆变器的开关元件的故障。电力转换装置(1000)具有第1逆变器(120)、第2逆变器(130)、检测第1以及第2逆变器中的开关元件的开路故障的故障检测装置(340)以及存储器(341)。故障检测装置在故障检测的基准时刻获得dq坐标系中所表示的d轴电流以及零相电流，并将所获得的d轴电流以及零相电流的数据写入存储器中，根据所获得的d轴电流与零相电流之间的差分的绝对值来检测第1以及第2逆变器中的开关元件的开路故障。

Description

电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置

技术领域

本公开涉及将来自电源的电力转换为供给到电动马达的电力的电力转换装置、马达模块以及电动助力转向装置。

背景技术

近年来，开发出了电动马达(以下，简记为“马达”。)以及ECU(Electrical ControlUnit)成为一体化的机电一体型马达。尤其是在车载领域中，从安全性的观点考虑，要求保证高质量。因此，引入了即使在部件的一部分发生故障的情况下也能够继续安全工作的冗余设计。作为冗余设计的一例，研究了针对一个马达设置两个逆变器的设计。作为其他一例，研究了对主微控制器设置备用微控制器。

专利文献1公开了具有控制部和两个逆变器并将来自电源的电力转换为供给到三相马达的电力的电力转换装置。两个逆变器分别与电源以及地(以下，记作“GND”)连接。一个逆变器与马达的三相绕组的一端连接，另一逆变器与三相绕组的另一端连接。各逆变器具有由三个支路构成的桥电路，该三个支路分别包含高压侧开关元件以及低压侧开关元件。控制部在检测到两个逆变器中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，例如通过对两个逆变器的开关元件进行开启和关闭来驱动马达。在异常时的控制中，例如使用发生故障的逆变器中的绕组的中性点，并通过未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

专利文献2：日本特开2017-063571号公报

实用新型内容

实用新型要解决的课题

在如上述的使用两个逆变器来驱动马达的装置中，在逆变器发生故障的情况下，要求在尽可能较短的时间内确定其故障部位。

专利文献2公开了通过一个逆变器驱动具有被进行Y形接线的绕组的马达的装置(之后，记作“单逆变器类型的装置”。)。在专利文献2中公开了如下技术：将在预先规定的通电模式下检测出的信号与预先规定的异常种类对应表进行核对，来检测布线的断线以及短路。

但是，在专利文献2的技术中，由于利用测量到的电流值以及电压值进行布线的断线等故障检测，因此故障检测以及故障部位的确定花费更多的时间。

本公开的实施方式提供能够在更短的时间内检测逆变器的开关元件的故障的电力转换装置、具有该电力转换装置的马达模块以及具有该马达模块的电动助力转向装置。

用于解决课题的手段

本公开的例示性的电力转换装置将来自电源的电力转换为供给到具有n相绕组的马达的电力，其中，n是3以上的整数，所述电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接，并具有n个支路，所述n个支路分别具有低压侧开关元件以及高压侧开关元件；第2逆变器，其与所述马达的各相绕组的另一端连接，并具有n个支路，所述n个支路分别具有低压侧开关元件以及高压侧开关元件；故障检测装置，其检测所述第1逆变器以及第2逆变器中的开关元件的开路故障；以及存储器，其存储所述故障检测装置进行运算处理的数据，所述故障检测装置按照每个规定周期获得所述马达的n相电流以及dq坐标系中所表示的电流/电压，并将所获得的电流/电压的数据写入所述存储器中，所述故障检测装置响应所述 dq坐标系中所表示的电流/电压的变动而分析所述n相电流的变动，由此根据所述n 相电流的变动的分析结果，检测所述第1逆变器以及第2逆变器中的开关元件的开路故障。

本公开的例示性的马达模块，具有：马达；以及上述的电力转换装置。

本公开的例示性的电动助力转向装置，具有上述的马达模块。

实用新型效果

根据本公开的例示性的实施方式，提供能够通过参照在故障检测的基准时刻之前获得的过去的数据组而在更短的时间内检测逆变器的开关元件的故障的电力转换装置、具有该电力转换装置的马达模块以及具有该马达模块的电动助力转向装置。

附图说明

图1是示出例示性的实施方式1的逆变器单元100的电路结构的电路图。

图2示出了例示性的实施方式1的马达模块2000的块结构，是主要示出电力转换装置1000的块结构的框图。

图3是例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)的图表，该电流值是在按照三相通电控制对电力转换装置1000进行控制时在马达200的A相、B相以及C 相的各绕组中流动的电流的值。

图4是示出H桥的结构的示意图。

图5是例示了A相H桥的开关元件L1发生开路故障时的三相电流Ia、Ib以及Ic的仿真结果的波形的图表。

图6是例示了故障检测装置340的内部寄存器341中记录的三相电流的数据组的表的图。

图7是例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形的图表，该电流值是在绕组 M1断线的情况下按照两相通电控制而对电力转换装置1000进行了控制时在马达200 的B相、C相的各绕组中流动的电流的值。

图8是例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形的图表，该电流值是在绕组 M2断线的情况下按照两相通电控制而对电力转换装置1000进行了控制时在马达200 的A相、C相的各绕组中流动的电流的值。

图9是例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形的图表，该电流值是在绕组 M3断线的情况下按照两相通电控制而对电力转换装置1000进行了控制时在马达200 的A相、B相的各绕组中流动的电流的值。

图10A是示出在A相H桥的高压侧的开关元件发生开路故障时获得的三相电流、 d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形的图表。

图10B是示出在A相H桥的高压侧的开关元件发生短路故障时获得的三相电流、d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形的图表。

图10C是示出在A相H桥的低压侧的开关元件发生开路故障时获得的三相电流、d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形的图表。

图10D是示出在A相H桥的低压侧的开关元件发生短路故障时获得的三相电流、 d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形的图表。

图11是例示了内部寄存器341中记录的d轴电流、q轴电流、零相电流以及q轴电压的数据组的表的图。

图12是示出例示性的实施方式3的电动助力转向装置3000的代表性的结构的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的电力转换装置、马达模块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不必要地冗长并且便于本领域技术人员理解，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略众所周知的事项的详细说明或对实质上相同的结构的重复说明。

在本说明书中，以将来自电源的电力转换为供给到具有三相(A相、B相、C 相)绕组的三相马达的电力的电力转换装置为例，对本公开的实施方式进行说明。但是，将来自电源的电力转换为供给到具有四相或五相等n相(n是4以上的整数)绕组的n相马达的电力的电力转换装置也是本公开的范畴。

(实施方式1)

〔1-1.逆变器单元100的结构〕

图1示意性地示出了本实施方式的逆变器单元100的电路结构。

逆变器单元100具有电源切断电路110、第1逆变器120以及第2逆变器130。逆变器单元100能够将来自电源101A、101B的电力转换为供给到马达200的电力。例如，第1以及第2逆变器120、130能够将直流电力转换为作为A相、B相以及C相的模拟正弦波的三相交流电力。

马达200例如是三相交流马达。马达200具有A相绕组M1、B相绕组M2以及C相绕组M3，并与第1逆变器120以及第2逆变器130连接。具体说明的话，第1逆变器120 与马达200的各相绕组的一端连接，第2逆变器130与各相绕组的另一端连接。在本说明书中，部件(构成要素)彼此之间的“连接”主要指电连接。

第1逆变器120具有与各相对应的端子A_L、B_L以及C_L。第2逆变器130具有与各相对应的端子A_R、B_R以及C_R。第1逆变器120的端子A_L与A相绕组M1的一端连接，端子B_L与B相绕组M2的一端连接，端子C_L与C相绕组M3的一端连接。与第1逆变器120同样地，第2逆变器130的端子A_R与A相绕组M1的另一端连接，端子 B_R与B相绕组M2的另一端连接，端子C_R与C相绕组M3的另一端连接。这样的马达接线与所谓的星形接线以及三角形接线不同。

电源切断电路110具有第1至第4开关元件111、112、113以及114。在逆变器单元100中，第1逆变器120能够通过电源切断电路110而与电源101A以及GND电连接。第 2逆变器130能够通过电源切断电路110而与电源101B以及GND电连接。具体说明的话，第1开关元件111对第1逆变器120与GND之间的连接/非连接进行切换。第2开关元件112对电源101与第1逆变器120之间的连接/非连接进行切换。第3开关元件113对第2逆变器130与GND之间的连接/非连接进行切换。第4开关元件114对电源101与第2 逆变器130之间的连接/非连接进行切换。

第1至第4开关元件111、112、113以及114的导通/截止例如能够通过微控制器或专用驱动器而控制。第1至第4开关元件111、112、113以及114能够切断双向电流。作为第1至第4开关元件111、112、113以及114，例如能够使用晶闸管、模拟开关IC 或在内部形成有寄生二极管的场效应管(代表性地为MOSFET)等半导体开关以及机械继电器等。也可以使用二极管以及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等的组合。在本说明书的附图中，示出了将MOSFET用作第1至第4开关元件111、112、113以及114 的例。以下，有时将第1至第4开关元件111、112、113以及114分别记作SW111、 112、113以及114。

SW111配置成在内部的寄生二极管中正向电流朝向第1逆变器120流动。SW112 配置成在寄生二极管中正向电流朝向电源101A流动。SW113配置成在寄生二极管中正向电流朝向第2逆变器130流动。SW114配置成在寄生二极管中正向电流朝向电源 101B流动。

如图所示，优选电源切断电路110还具有反向连接保护用的第5以及第6开关元件115、116。第5以及第6开关元件115、116代表性地为具有寄生二极管的MOSFET的半导体开关。第5开关元件115与SW112串联连接，配置成在寄生二极管中正向电流朝向第1逆变器120流动。第6开关元件116与SW114串联连接，配置成在寄生二极管中正向电流朝向第2逆变器130流动。即使在电源101A、101B反向连接的情况下，也能够通过反向连接保护用的两个开关元件来切断反向电流。

并不限于图示的例，所使用的开关元件的个数能够考虑设计规格等而适当确定。尤其是在车载领域中，从安全性的观点考虑，要求保证高质量，因此优选设置多个开关元件作为各逆变器用。

电源能够具有第1逆变器120用的电源101A以及第2逆变器130用的电源101B。电源101A、101B生成规定的电源电压(例如12V)。作为电源，例如可以使用直流电源。但是，电源可以是AC-DC转换器以及DC-DC转换器，也可以是电池(蓄电池)。并且，电源101也可以是与第1以及第2逆变器120、130共用的单一电源。

在电源101A、101B与电源切断电流110之间设置有线圈102。线圈102作为噪声滤波器发挥功能，将供给到各逆变器的电压波形中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，以免向电源侧流出。

在各逆变器的电源端子连接有电容器103。电容器103是所谓的旁通电容器，抑制电压波动。电容器103例如是电解电容器，根据设计规格等而适当确定容量和所使用的个数。

第1逆变器120具有包含三个支路的桥电路。各支路具有低压侧开关元件以及高压侧开关元件。A相支路具有低压侧开关元件121L以及高压侧开关元件121H。B相支路具有低压侧开关元件122L以及高压侧开关元件122H。C相支路具有低压侧开关元件123L以及高压侧开关元件123H。作为开关元件，例如能够使用FET或IGBT。以下，对将MOSFET用作开关元件的例进行说明，有时将开关元件记作SW。例如，开关元件121L、122L以及123L记作SW121L、122L以及123L。

第1逆变器120具有三个分流电阻121R、122R以及123R作为用于检测在A相、B 相以及C相的各相绕组中流动的电流的电流传感器150(参照图3)。电流传感器150 包含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 121R、122R以及123R分别连接在第1逆变器120的三个支路中所包含的三个低压侧开关元件与GND之间。具体地说，分流电阻121R电连接在SW121L与SW111之间，分流电阻122R电连接在SW122L与SW111之间，分流电阻123R电连接在SW123L与 SW111之间。分流电阻的电阻值例如是0.5mΩ～1.0mΩ左右。

第2逆变器130与第1逆变器120同样地具有包含三个支路的桥电路。A相支路具有低压侧开关元件131L以及高压侧开关元件131H。B相支路具有低压侧开关元件 132L以及高压侧开关元件132H。C相支路具有低压侧开关元件133L以及高压侧开关元件133H。并且，第2逆变器130具有三个分流电阻131R、132R以及133R。这些分流电阻连接在三个支路中所包含的三个低压侧开关元件与GND之间。

相对于各逆变器，分流电阻的数量不限于三个。例如，能够使用A相、B相用的两个分流电阻、B相、C相用的两个分流电阻以及A相、C相用的两个分流电阻。所使用的分流电阻的数量以及分流电阻的配置考虑产品成本以及设计规格等而适当确定。

如上所述，第2逆变器130具有实质上与第1逆变器120的结构相同的结构。在图1中，为了便于说明，将纸面的左侧的逆变器记作第1逆变器120，将右侧的逆变器记作第2逆变器130。但是，这样的记法不应以限定本公开的目的解释。第1以及第2逆变器120、130能够无区别地用作逆变器单元100的构成要素。

〔1-2.电力转换装置1000以及马达模块2000的结构〕

图2示意性地示出了本实施方式的马达模块2000的块结构，主要示意性地示出了电力转换装置1000的块结构。

马达模块2000具有：具有逆变器单元100以及控制电路300的电力转换装置 1000；以及马达200。

马达模块2000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机电一体型马达来制造以及销售。并且，马达200以外的电力转换装置1000也能够被模块化来制造以及销售。

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、控制器 340、驱动电路350以及ROM360。控制电路300与逆变器单元100连接，通过控制逆变器单元100来驱动马达200。

具体地说，控制电路300能够对作为目标的马达200的转子的位置、转速以及电流等进行控制来实现闭环控制。另外，控制电路300也可以代替角度传感器320而具有扭矩传感器。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。或者，角度传感器320还通过具有磁阻(MR)元件的MR传感器和传感器磁铁的组合来实现。角度传感器320检测转子的旋转角(以下，记作“旋转信号”)，并将旋转信号输出到控制器340。

输入电路330接收通过电流传感器150检测到的马达电流值(以下，记作“实际电流值”。)，根据需要而将实际电流值的电平转换为控制器340的输入电平，并将实际电流值输出到控制器340。输入电路330例如是模拟数字转换电路。

控制器340是对电力转换装置1000整体进行控制的集成电路，例如是微控制器或FPGA(Field Programmable Gate Array)。

控制器340控制逆变器单元100的第1以及第2逆变器120、130中的各SW的开关动作(打开或关闭)。控制器340按照实际电流值以及转子的旋转信号等来设定目标电流值，生成PWM信号，并将该PWM信号输出到驱动电路350。并且，控制器340能够控制逆变器单元100的电源切断电路110中的各SW的导通/截止。

控制器340还能够检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的故障的有无。因此，在本说明书中，在对检测开关元件的故障的有无的动作进行说明时，作为该动作的主体，有时将“控制器340”记作“故障检测装置340”。

驱动电路350代表性地为栅极驱动器(或预驱动器)。驱动电路350按照PWM信号来生成控制第1以及第2逆变器120、130中的各SW的MOSFET的开关动作的控制信号(栅极控制信号)，并将控制信号提供给各SW的栅极。并且，驱动电路350能够按照来自控制器340的指示来生成控制电源切断电路110中的各SW的导通/截止的控制信号。当驱动对象为能够以低电压驱动的马达时，有时并非必需需要栅极驱动器。在该情况下，栅极驱动器的功能能够装在控制器340。

ROM360与控制器340电连接。ROM360例如是可写入的存储器(例如 PROM)、可改写的存储器(例如闪速存储器)或只读存储器。ROM360存储控制程序，该控制程序包含用于使控制器340控制电力转换装置1000的命令组以及用于使控制器340执行后述的开关元件的故障检测的命令组。例如，控制程序在启动时被临时加载到RAM(未图示)中。

〔1-3.开关元件的故障检测〕

首先，对电力转换装置1000的正常时的控制方法的具体例进行说明。正常是指第1逆变器120、第2逆变器130以及电源切断电路110的各SW没有发生故障并且马达 200的三相绕组M1、M2以及M3均未发生故障的状态。在本说明书中，电源切断电路110的反向连接保护用的SW115、116始终为导通状态。

在正常时，控制电路300使电源切断电路110的SW111、112、113以及114全部导通。由此，电源101A与第1逆变器120电连接，并且电源101B与第2逆变器130电连接。并且，第1逆变器120与GND电连接，并且第2逆变器130与GND电连接。在该连接状态下，控制电路300使用第1以及第2逆变器120、130这两者对绕组M1、M2以及 M3进行通电，由此驱动马达200。在本说明书中，将对三相绕组进行通电的控制称作“三相通电控制”，将对两相绕组进行通电的控制称作“两相通电控制”。

图3例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)，该电流值是在按照三相通电控制对电力转换装置1000进行控制时在马达200的A相、B相以及C相的各绕组中流动的电流的值。横轴表示马达电角(deg)，纵轴表示电流值(A)。在图3 的电流波形中，按照每30°电角标绘了电流值。I_pk表示各相的最大电流值(峰电流值)。

在图3所示的电流波形中，考虑了电流方向的在三相绕组中流动的电流的总和按照每个电角为“0”。但是，根据电力转换装置1000的电路结构，由于能够独立地控制在三相绕组中流动的电流，因此还能够进行电流的总和不是“0”的控制。例如，控制电路300通过可获得图3所示的电流波形的PWM控制对第1以及第2逆变器120、 130的各开关元件的开关动作进行控制。

故障检测装置(即，控制器)340能够根据马达200的三相电流以及dq坐标系 (还能记作dqz旋转坐标系。)中所表示的电流/电压中的至少1个，检测第1以及第2 逆变器120、130中的开关元件的故障的有无。dq坐标系的电流/电压例如是零相电流，后面详细叙述。

故障检测装置340例如能够一边根据矢量控制来驱动马达200，一边检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的故障的有无。例如，若向电力转换装置1000接入电源而开始进行马达控制，则故障检测装置340响应该开始而开始进行开关元件的故障的检测。例如，故障检测装置340可以在控制马达200的期间持续进行开关元件的故障的检测，也可以只在指定的期间(例如定期)实施开关元件的故障的检测。

对开关元件的故障进行说明。开关元件的故障是指第1以及第2逆变器120、130 中的开关元件的故障。开关元件的故障大致分为“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(换句话说，源极-漏极间的电阻 rds成为高阻抗)，“短路故障”是指FET的源极-漏极间短路的故障。

若长期使用电力转换装置1000，则有可能导致两个逆变器的多个SW中的至少1 个发生故障。这些故障与在制造时有可能发生的制造故障不同。只要多个开关元件中的1个发生故障，就无法进行正常时的三相通电控制。故障检测装置340检测该开关元件的故障。

开关元件的故障检测的概要如下。

故障检测装置(控制器)340按照规定周期获得马达200的三相电流以及dq坐标系中所表示的电流/电压中的至少1个，并将所获得的电流/电压的数据例如写入控制器内部的寄存器341(参照图2)中。内部寄存器341存储故障检测装置340进行运算处理的数据。故障检测装置340根据在故障检测的基准时刻获得的电流/电压的数据与在该基准时刻之前的时刻获得的包含多个电流/电压的数据的过去的数据组的比较结果，检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的故障的有无。规定周期由马达电角的一个周期以及在一个周期期间获得电流/电压的数据的点数来确定。规定周期例如是100μs。

<A.根据三相电流的开关元件的故障检测>

在该例中，故障检测装置340按照规定周期获得马达200的三相电流，并写入内部寄存器341中。故障检测装置340根据在基准时刻获得的三相电流的数据与在基准时刻之前的时刻获得的多个三相电流的数据组的比较结果，检测第1以及第2逆变器 120、130中的开关元件的故障的有无。换句话说，故障检测装置340根据内部寄存器 341中记录的与三相电流相关的过去的数据组，检测开关元件的故障的有无。

图4示意性地示出了各相的H桥。各相的H桥具有第1逆变器120的高压侧的开关元件H1、低压侧的开关元件L1、第2逆变器130的高压侧的开关元件H2、低压侧的开关元件L2以及绕组M。

本发明人为了验证H桥的开关元件发生故障之后的三相电流Ia、Ib以及Ic的举动而实施了仿真。在设A相H桥的开关元件L1(相当于图1的SW121L)发生开路故障的时刻为0.01ms的条件下，实施了本仿真。

图5例示了A相H桥的开关元件L1发生开路故障时的三相电流Ia、Ib以及Ic的仿真结果的波形。图5的上下图表的横轴表示时间〔s〕，纵轴表示电流〔A〕。上侧的图表例示了0s～0.02s期间的三相电流Ia、Ib以及Ic的波形，下侧的图表放大示出了上侧的图表的三相电流Ia、Ib以及Ic的波形的从9.6ms至11ms为止的部分的波形。

图5所示的三相电流的波形基于以0.1ms的周期获得的三相电流Ia、Ib以及Ic的数据。例如，若假设A相H桥的开关元件L1发生了开路故障，则如图所示出现A相的相电流Ia发生变动而表现出特异举动的期间。更具体地说，当H桥的低压侧开关元件或高压侧开关元件发生开路故障时，能够观测相电流成为零而不变的期间。这例如起因于，A相的实际电流或实际电压无法追随矢量控制中的PI(Proportional-Integral) 控制的目标电流或目标电压。另外，由于B相桥、C相桥没有发生故障，因此相电流 Ib、Ic未发现异常的变化。

图6例示了故障检测装置340的内部寄存器341中记录的三相电流的数据组的表。在图6的表中示出了图5的图表的在9.6ms至11ms期间获得的14个点的A相、B相的相电流Ia、Ib的值。另外，未示出C相的相电流Ic的值。

故障检测装置340例如将在马达电角的一个周期期间每隔0.1ms获得的三相电流的最新的数据组写入内部寄存器341中，并按照电角的一个周期更新内部寄存器341 中记录的数据组。例如，作为故障检测装置340，能够使用具有数据宽度为8比特的内部寄存器的微控制器。或者，能够代替内部寄存器341而使用专用缓冲存储器(未图示)。只要该缓冲存储器具有能够记录在电角的一个周期期间获得的三相电流的最新的数据组的容量即可。

故障检测装置340例如也可以将在马达电角的一个周期中的一部分期间获得的三相电流的数据组作为最新的数据组来写入内部寄存器中。在该情况下，规定周期由该一部分期间以及在该期间获得电流/电压的数据的点数来确定。

基准时刻是获得或计算最新的数据组中的最新的数据的时刻。换句话说，基准时刻是在开关元件的故障检测中获得或计算最新的数据的最新的时刻，随着时间的经过而发生变化。但是，基准时刻在最新的数据组中能够任意设定。能够将获得最新的数据组中的某个数据的时刻设为基准时刻，并将在该基准时刻之前的时刻获得的数据组作为过去的数据组来处理。

例如，观察故障检测的基准时刻处于时刻11ms(相当于点编号13)的时刻。在该基准时刻之前的时刻获得的包含多个电流/电压的数据的过去的数据组由在点编号 0～点编号12(9.6ms～10.9ms)的合计13个点获得的三相电流的数据组构成。该过去的数据组包含于上述的最新的数据组(电角的一个周期的数据组)中。换句话说，过去的数据组是最新的数据组的一部分。

故障检测装置340对基准时刻(点编号13)的数据与过去(点编号0～点编号 12)的数据组进行比较。在图6的表中，观测到在从基准时刻至过去7个点为止的8个点期间A相的相电流连续地为零。在从基准时刻起回溯的规定点(例如8个点)的期间A相的相电流连续地为零的情况下，故障检测装置340确定A相H桥的故障。H桥的故障是指4个开关元件H1、L1、H2以及L2中的至少1个发生开路故障。

故障检测装置340能够在A相H桥的低压侧开关元件121L发生开路故障之后，在基准时刻(11ms)确定其故障。与此相对，故障检测装置340在基准时刻根据过去的数据组中的B相、C相(未图示)的数据组来判定为没有发生B相H桥、C相H桥的故障。

在以往的开关元件的故障检测中，例如响应通知开始进行开关元件的故障检测的触发来进行开关元件的故障检测。在该情况下，响应该触发来获取开关元件的故障检测所需的数据，并根据获取到的数据来进行开关元件的故障检测。因此，开关元件的故障检测花费更多的时间。在控制马达的期间同时并行地进行开关元件的故障检测的情况下，期望尽可能缩短检测时间，以免影响马达控制。

根据本实施方式，根据在故障检测的基准时刻之前的时刻获取的过去的数据组来进行开关元件的故障检测。也可以不用为了检测开关元件的故障而重新获取数据。因此，无需重新获取数据，能够在更短的时间内进行开关元件的故障检测。其结果是，例如能够迅速地将马达控制从三相通电控制切换为后述的两相通电控制。

当检测到开关元件的开路故障时，故障检测装置340能够将马达的控制模式从正常时的三相通电控制切换为异常时的两相通电控制。在本说明书中，将对三相绕组进行通电的控制称作“三相通电控制”，将对两相绕组进行通电的控制称作“两相通电控制”。

例如，当检测到A相H桥的故障时，故障检测装置340能够进行使用A相以外的B 相、C相的H桥对绕组M2、M3进行通电的两相通电控制。当检测到B相H桥的故障时，故障检测装置340能够进行使用B相以外的A相、C相的H桥对绕组M1、M3进行通电的两相通电控制。当检测到C相H桥的故障时，故障检测装置340能够进行使用C 相以外的A相、B相的H桥对绕组M1、M2进行通电的两相通电控制。

图7例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是在A相H桥发生故障的情况下按照两相通电控制对电力转换装置1000进行控制时在马达200的B相、C 相的各绕组中流动的电流的值。图8例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是在B相H桥发生了故障的情况下按照两相通电控制对电力转换装置1000进行控制时在马达200的A相、C相的各绕组中流动的电流的值。图9例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是在C相H桥发生了故障的情况下按照两相通电控制对电力转换装置1000进行控制时在马达200的A相、B相的各绕组中流动的电流的值。横轴表示马达电角(deg)，纵轴表示电流值(A)。在图7至图9的电流波形中，按照每30°电角标绘了电流值。Ipk表示各相的通电控制时的各相的最大电流值 (峰电流值)。

<B.根据dq坐标系的电流/电压的开关元件的故障检测>

在如图1所示的两个逆变器分别与绕组的一端以及另一端连接的结构、即具有每个相的H桥的电路结构中，能够独立地控制在三相绕组中流动的电流，在该情况下，有可能流过零相电流。零相电流还被称作z相电流。另外，在dq坐标系中，将与零相对应的轴表示为z轴。故障检测装置340例如能够监视零相电流，并按照该电流的变化来检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的故障。

故障检测装置340能够以dq坐标系中所表示的电流/电压为监视对象。dq坐标系的电流/电压是指d轴电流、q轴电流、零相电流、d轴电压、q轴电压以及z相电压中的至少1个。作为监视对象的dq坐标系的电流/电压优选包含零相电流。在本实施方式中，对主要将零相电流用作dq坐标系的电流/电压的实施例进行说明。

故障检测装置(即，控制器)340按照规定周期获得dq坐标系中所表示的电流/ 电压。规定周期例如是0.1ms。故障检测装置340例如具有进行故障检测的故障检测单元。例如，故障检测单元使用转换矩阵将电流Ia、Ib以及Ic转换为dqz旋转坐标系中的d轴电流Id、q轴电流Iq以及零相电流Iz。或者，控制器340代表性地具有进行矢量控制的控制单元。故障检测单元还能够从控制单元接收d轴电流、q轴电流、零相电流、d轴电压、q轴电压以及z相电压中的必要的数据。这样，故障检测装置340获得dq坐标系的这些电流/电压中的至少1个。

本发明人为了验证H桥的开关元件发生了故障之后的三相电流Ia、Ib、Ic、d轴电流、q轴电流以及零相电流的举动而实施了仿真。在设A相H桥的开关元件H1或L1 (相当于图1的SW121H或121L)发生开路故障或短路故障的时刻为0.015s的条件下，实施了本仿真。

图10A示出了在A相H桥的高压侧的开关元件发生开路故障时获得的三相电流、 d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形。图10B示出了在A相H桥的高压侧的开关元件发生短路故障时获得的三相电流、d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形。图10C示出了在A相H桥的低压侧的开关元件发生开路故障时获得的三相电流、d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形。图10D示出了在A 相H桥的低压侧的开关元件发生短路故障时获得的三相电流、d轴电流、q轴电流以及零相电流的仿真结果的波形。图表的横轴表示时间(s)，纵轴表示电流(A)。

在本仿真中可知，在开关元件发生了故障之后，出现三相电流中的相电流Ia发生变动而表现出异常的举动的期间。尤其是在开路故障的情况下，能够观测到相电流成为零而不变的期间。此情况如已说明。在短路故障的情况下，也能够确认到相电流Ia的变动。

着眼于dq坐标系中的d轴电流、q轴电流以及零相电流。由于dq坐标系中的电流能够视为DC分量，因此在正常时的三相通电控制中不发生变化。但是，当开关元件发生故障时，能够观测到d轴电流、q轴电流以及零相电流的变动。这起因于A相的相电流Ia的变动。不限于A相的相电流Ia的变动，通过B相的相电流Ib或C相的相电流 Ic的变动，也能够观测到该现象。这样，通过监视dq坐标系中的电流(或电压)的变化，能够检测两个逆变器中的至少1个开关元件的故障。另外，根据abc相电压来计算dq坐标系中的d轴电压、q轴电压。

故障检测装置340例如根据三相电流来获得dq坐标系中的d轴电流、q轴电流、零相电流以及q轴电压，并将所获得的这些数据写入内部寄存器341中。故障检测装置 340根据在基准时刻获得的数据与在基准时刻之前的时刻获得的多个数据组的比较结果，检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的故障的有无。

图11例示了内部寄存器341中记录的d轴电流、q轴电流、零相电流以及q轴电压的数据组的表。在表中示出了所获得的最新的数据组中的5个点的数据。故障检测装置340参照该表来监视dq坐标系的电流/电压的变动，例如监视零相电流的变动。在基准时刻的点的值偏离过去的数据组的值的情况下，故障检测装置340检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的故障。

当故障检测的基准时刻处于点T+3时，故障检测装置340判定为基准时刻的Iz值“20”偏离了在基准时刻之前的时刻获取的过去的数据组：点T、T+1、T+2中的Iz值“6.8”、“5”、“7”。在该判定中例如能够使用预先保存在ROM360中的阈值。在基准时刻的Iz值与过去的数据组中所包含的各Iz值之间的差分均为阈值以下的情况下，故障检测装置340不检测开关元件的故障。另一方面，在该差分比阈值大的情况下，故障检测装置340能够判定为第1以及第2逆变器120、130中的至少1个开关元件发生了开路故障或短路故障。

例如在将值“3”用作阈值的情况下，当基准时刻处于点T+2时，故障检测装置 340不检测开关元件的故障，基准时刻推移到点T+3，能够初次确定开关元件的故障。这样，故障检测装置340能够通过监视作为DC分量的dq坐标系的电流/电压的变动来检测开关元件的故障。

当检测到开关元件的短路故障或开路故障时，控制器340的故障检测单元例如也可以生成马达控制关断信号，并输出到控制单元。控制单元也可以响应该信号而关断三相通电控制。由此，例如在电动助力转向(EPS)装置中，能够将控制模式从扭矩的辅助模式切换为手动转向模式。

根据本实施例，通过监视作为DC分量的dq坐标系中的信号变化，更加容易地对在基准时刻获得的数据与在基准时刻之前的时刻获得的多个数据组进行比较。因此，例如在安装于微控制器时，得到电路规模或存储器大小的缩小这样的优点。而且，通过根据过去的数据组来进行故障检测，能够在更短的时间内进行故障检测。

(实施方式2)

本实施方式的故障检测装置340响应dq坐标系的电流/电压的变动而分析三相电流的变动，由此根据三相电流的变动的分析结果而检测第1以及第2逆变器120、130 中的开关元件的开路故障。更具体地说，故障检测装置340能够根据三相电流的变动的分析结果而确定三相的H桥中的包含发生了开路故障的开关元件的相的H桥。本实施方式的逆变器单元、控制电路以及电力转换装置例如具有图1、图2所示的结构。以下，主要对与实施方式1之间的差异点进行说明。

再来参照图10A至图10D。

如上所述，例如在A相H桥的第1逆变器120侧的SW121H或121L发生开路故障时，观测到dq坐标系的电流/电压的信号的变动。如在图10A或图10C的Idqz的波形中所示，观测到d轴电流、q轴电流以及零相电流的信号的变动。而且，当着眼于三相电流时，在发生了故障的A相的相电流的波形中，能够观测到相电流成为零而不变的期间。如在图10A或图10C的Iabc的波形中所示，相电流Ia在一定期间成为零而不变。

故障检测装置340例如响应零相电流或d轴电流的变动而分析三相电流的变动，由此根据该分析结果而检测第1以及第2逆变器120、130中的开关元件的开路故障。

故障检测装置340例如每隔0.1ms获得三相电流、d轴电流以及零相电流，并将所获得的这些数据写入内部寄存器341中。例如，故障检测装置340根据在故障检测的基准时刻获得的零相电流的数据与在基准时刻之前的时刻获得的包含多个零相电流的数据的过去的数据组之间的比较结果，检测零相电流的变动。故障检测装置340例如能够利用参照图11说明的检测方法来检测零相电流的变动。

例如，故障检测装置340也可以根据在故障检测的基准时刻获得的d轴电流的数据与在基准时刻之前的时刻获得的包含多个d轴电流的数据的过去的数据组的比较结果，检测d轴电流的变动而代替零相电流。故障检测装置340例如能够利用与参照图 11说明的零相电流相同的检测方法来检测d轴电流的变动。

故障检测装置340例如在检测到dq坐标系中的零相电流或d轴电流的变动时，响应该变动而开始进行三相电流的变动的分析。故障检测装置340例如能够利用参照图 5以及图6说明的检测方法，根据在基准时刻获得的三相电流的数据和在基准时刻之前的时刻获得的包含多个三相电流的数据的过去的数据组，分析三相电流的变动。

在连续地为零而不变的相电流的数据组包含于过去的数据组中的情况下，故障检测装置340检测三相中的包含该相电流的数据组的一个相的开关元件的开路故障。例如，图10A或图10C所示的Iabc的相电流Ia包含相电流成为零而不变的期间。在该情况下，故障检测装置340能够根据三相电流的变动的分析结果而确定三相的H桥中的包含发生了开路故障的开关元件的A相H桥。

例如，故障检测装置340在确定了发生了故障的A相H桥时，能够进行使用该H 桥以外的B相、C相的H桥对绕组M2、M3进行通电的两相通电控制。这样，在某个相的H桥发生了故障的情况下，故障检测装置340能够确定该H桥，并使用发生了故障的H桥以外的剩余的H桥而继续对绕组进行通电。

根据本实施方式，通过响应dq坐标系的信号的变动而分析三相电流的变动，能够确定包含发生了开路故障的开关元件的H桥。由于只要仅在作为DC分量的dq坐标系中的信号发生变动时分析三相电流即可，因此无需始终分析三相电流，例如能够降低微控制器的运算负荷。而且，能够缩短至故障确定为止的时间。

(实施方式3)

图12示意性地示出了本实施方式的电动助力转向装置3000的代表性的结构。

汽车等车辆通常具有电动助力转向装置。本实施方式的电动助力转向装置3000具有转向系统520以及生成辅助扭矩的辅助扭矩机构540。电动助力转向装置3000生成辅助扭矩，该辅助扭矩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。通过辅助扭矩，能够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、左右的球窝接头552A、552B、拉杆527A、 527B、转向节528A、528B以及左右的转向车轮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对转向系统520中的转向扭矩进行检测。ECU542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根据驱动信号生成与转向扭矩相应的辅助扭矩。马达543将所生成的辅助扭矩借助减速机构544而传递到转向系统520。

ECU542例如具有实施方式1或2的控制器340以及驱动电路350等。在汽车中构建以ECU为核心的电子控制系统。在电动助力转向装置3000中，例如由ECU542、马达 543以及逆变器545构建马达驱动单元。在该单元中能够适宜地使用实施方式1的马达模块2000。

产业上的可利用性

本公开的实施方式能够广泛地用于吸尘器、吹风机、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样的设备。

标号说明

100：逆变器单元；110：电源切断电路；120：第1逆变器；130：第2逆变器； 150：电流传感器；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：控制器；350：驱动电路；360：ROM；1000：电力转换装置；2000：马达模块；3000：电动助力转向装置。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为供给到具有n相绕组的马达的电力，其中，n是3以上的整数，其特征在于，

所述电力转换装置具有：

第1逆变器，其与所述马达的各相绕组的一端连接，并具有n个支路，所述n个支路分别具有低压侧开关元件以及高压侧开关元件；

第2逆变器，其与所述马达的各相绕组的另一端连接，并具有n个支路，所述n个支路分别具有低压侧开关元件以及高压侧开关元件；

故障检测装置，其检测所述第1逆变器以及第2逆变器中的开关元件的开路故障；以及

存储器，其存储所述故障检测装置进行运算处理的数据，

所述故障检测装置按照每个规定周期获得所述马达的n相电流以及dq坐标系中所表示的电流/电压，并将所获得的电流/电压的数据写入所述存储器中，

所述故障检测装置响应所述dq坐标系中所表示的电流/电压的变动而分析所述n相电流的变动，由此根据所述n相电流的变动的分析结果而检测所述第1逆变器以及第2逆变器中的开关元件的开路故障。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述dq坐标系中所表示的电流/电压是d轴电流、q轴电流、零相电流、d轴电压、q轴电压以及z相电压中的至少1个。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述电力转换装置还具有：

第1开关元件，其对所述第1逆变器与地之间的连接/非连接进行切换；

第2开关元件，其对所述第1逆变器与所述电源之间的连接/非连接进行切换；

第3开关元件，其对所述第2逆变器与所述地之间的连接/非连接进行切换；以及

第4开关元件，其对所述第2逆变器与所述电源之间的连接/非连接进行切换。

4.一种马达模块，其特征在于，具有：

马达；以及

权利要求1所述的电力转换装置。

5.一种电动助力转向装置，其特征在于，具有权利要求4所述的马达模块。

Images