DE112017001144T5 - Leistungsumwandlungsvorrichtung, motorantriebseinheit und elektrische servolenkungsvorrichtung - Google Patents

Leistungsumwandlungsvorrichtung, motorantriebseinheit und elektrische servolenkungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Diese Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 wandelt eine Leistung um, die einem Elektromotor 200 mit n Phasen (n ist eine Ganzzahl von 3 oder mehr) von Wicklungen zugeführt wird. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ist mit Folgendem versehen: einem ersten Inverter 110, der mit einem Ende der Wicklung jeder Phase des Elektromotors verbunden ist; einem zweiten Inverter 140, der mit dem anderen Ende der Wicklung jeder Phase verbunden ist; einer Steuerschaltung 350, die eine n-Phasenspeisungssteuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 ausführt; und einer Detektionsschaltung 351, die einen Ausfall einer Mehrzahl von Umschaltelementen einschließlich des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 detektiert. Wenn die Detektionsschaltung 351 einen Ausfall eines Umschaltelementes detektiert, wechselt die Steuerschaltung 350 eine Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der n-Phasenspeisungssteuerung zu einer m-Phasenspeisungssteuerung, bei der m Phasen (m ist eine Ganzzahl von 2 oder mehr aber kleiner als n) verwendet werden, wobei sich die m Phasen von der Phase der Wicklung unterscheiden, mit der das ausgefallene Umschaltelement unter den n Phasen verbunden ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Leistungsumwandlungsvorrichtungen zum Umwandeln von Leistung, die einem Elektromotor zuzuführen ist, auf Motorantriebseinheiten und auf elektrische Servolenkungsvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Elektromotoren (nachfolgend einfach als „Motoren“ bezeichnet) wie bürstenlose Gleichstrommotoren und Wechselstromsynchronmotoren werden für gewöhnlich durch Dreiphasenströme angetrieben. Eine komplizierte Steuertechnik wie etwa eine Vektorsteuerung ist erforderlich, um die Wellenformen der Dreiphasenströme genau zu steuern. Solch eine Steuertechnik erfordert komplizierte mathematische Berechnungen und wird daher unter Verwendung einer digitalen Rechenschaltung wie etwa einer Mikrosteuerung (Mikrocomputer) durchgeführt. Die Vektorsteuertechnik wird in den Anwendungsbereichen eingesetzt, in denen die Last an einen Motor erheblich variiert, z. B. bei Waschmaschinen, motorisierten Fahrrädern, Elektrorollern, elektrischen Servolenkungsvorrichtungen, Elektrofahrzeugen und industrieller Ausrüstung. Unterdessen werden andere Motorsteuertechniken wie etwa die Pulsweitenmodulation (PWM) für Motoren mit relativ geringer Leistungsabgabe verwendet.
  • Im Bereich der fahrzeugmontierten Vorrichtungen wird in einem Fahrzeug eine elektronische Fahrzeugsteuereinheit (ECU, Electronic Control Unit) verwendet. Die ECU umfasst eine Mikrosteuerung, eine Leistungsversorgung, eine Eingangs-/Ausgangsschaltung, einen A/D-Wandler, eine Lastantriebsschaltung und einen Nur-Lese-Speicher (ROM, Read-Only Memory), usw. Ein elektronisches Steuersystem ist unter Verwendung der ECU als eine Hauptkomponente aufgebaut. Beispielsweise verarbeitet die ECU ein Signal von einem Sensor, um einen Aktor wie etwa einen Motor zu steuern. Genauer gesagt steuert die ECU einen Inverter in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, während dieselbe die Drehzahl oder das Drehmoment eines Motors überwacht. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung wandelt unter der Steuerung der ECU eine Antriebsleistung um, die dem Motor zuzuführen ist.
  • In den letzten Jahren wurde ein mechanisch und elektronisch integrierter Motor entwickelt, bei dem ein Motor, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und eine ECU gemeinsam integriert sind. Insbesondere in dem Bereich der fahrzeugmontierten Vorrichtungen muss eine hohe Qualität für die Sicherheit gewährleistet sein. Daher wird eine fehlertolerante Ausführung verwendet, um zu ermöglichen, dass das Motorsystem auch bei Ausfall eines Teils des Motorsystems einen sicheren Betrieb fortsetzt. Als Beispiel einer solchen fehlertoleranten Ausführung kann ein einzelner Motor mit zwei Leistungsumwandlungsvorrichtungen versehen sein. Als weiteres Beispiel kann die ECU zusätzlich zu eine Hauptmikrosteuerung mit einem Zweitmikrosteuerung versehen sein.
  • Beispielsweise beschreibt das Patentdokument Nr. 1 eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Umwandeln von Leistung, die einem Dreiphasenmotor zuzuführen ist, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit und zwei Inverter umfasst. Die zwei Inverter sind jeweils mit einer Leistungsversorgung und einer Masse (im Folgenden als „GND“ bezeichnet) gekoppelt. Einer der zwei Inverter ist mit einem Ende jeder der Dreiphasenwicklungen des Motors gekoppelt und der andere Inverter ist mit dem anderen Ende jeder der Dreiphasenwicklungen gekoppelt. Jeder Inverter umfasst eine Brückenschaltung, die drei Schenkel umfasst, von denen jeder ein hochseitiges Umschaltelement und ein tiefseitiges Umschaltelement umfasst. Die Steuereinheit schaltet beim Detektieren eines Ausfalls in einem Umschaltelement in den zwei Invertern die Steuerung des Motors von einer Steuerung unter normalen Bedingungen zu einer Steuerung unter anomalen Bedingungen um. Wie hierin verwendet, beschreibt der Ausdruck „anomale Bedingungen“ hauptsächlich, dass ein Umschaltelement ausgefallen ist. Der Ausdruck „Steuerung unter normalen Bedingungen“ beschreibt eine Steuerung, die ausgeführt wird, wenn alle Umschaltelemente normal in Betrieb sind. Der Ausdruck „Steuerung unter anomalen Bedingungen“ beschreibt eine Steuerung, die bei einem Ausfall in einem Umschaltelement ausgeführt wird.
  • Bei der Steuerung unter anomalen Bedingungen wird ein Nullpunkt für die Wicklungen durch Ein- und Ausschalten von Umschaltelementen gemäß einer vorbestimmten Regel in einem der zwei Inverter gebildet, der das ausgefallene Umschaltelement umfasst (im Folgenden als „ausgefallener Inverter“ bezeichnet). Gemäß der Regel werden beispielsweise bei einem Leerlaufausfall, bei dem ein hochseitiges Umschaltelement immer ausgeschaltet ist, in der Brückenschaltung des ausgefallenen Inverters die drei hochseitigen Umschaltelemente außer dem ausgefallenen Umschaltelement ausgeschaltet und die drei tiefseitigen Umschaltelemente werden eingeschaltet. In diesem Fall wird der Nullpunkt auf der tiefen Seite gebildet. In dem Fall eines Kurzschlussausfalls, bei dem ein hochseitiges Umschaltelement immer eingeschaltet ist, werden in der Brückenschaltung des ausgefallenen Inverters die drei hochseitigen Umschaltelemente außer dem ausgefallenen Umschaltelement eingeschaltet und die drei tiefseitigen Umschaltelemente werden ausgeschaltet. In diesem Fall wird der Nullpunkt auf der hohen Seite gebildet. In der Leistungsumwandlungsvorrichtung aus Patentdokument Nr. 1 wird der Nullpunkt für die Dreiphasenwicklungen in einem ausgefallenen Inverter unter anomalen Bedingungen gebildet. Selbst in dem Fall eines Ausfalls in einem Umschaltelement kann der Motor weiterhin unter Verwendung eines der Inverter, der normal in Betrieb ist, angetrieben werden.
  • Liste der genannten Dokumente
  • Patentdokument
  • Patentdokument Nr. 1: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2014-192950
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technische Problemstellung
  • Beim obengenannten Stand der Technik besteht ein Bedarf nach weiteren Verbesserungen der Stromsteuerung unter normalen und anomalen Bedingungen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt eine Leistungsumwandlungsvorrichtung bereit, die sowohl unter normalen als auch unter anomalen Bedingungen eine geeignete Stromsteuerung ausführen kann.
  • Lösung der Problemstellung
  • Eine beispielhafte Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Umwandeln von Leistung, die einem Elektromotor mit n Phasenwicklungen (n = eine Ganzzahl von drei oder mehr) zuzuführen ist, umfasst einen ersten Inverter, mit dem ein Ende jeder Phasenwicklung des Elektromotors gekoppelt ist, einen zweiten Inverter, mit dem das andere Ende jeder Phasenwicklung gekoppelt ist, eine Steuerschaltung, die eine n-Phasenleitungssteuerung an dem ersten und dem zweiten Inverter ausführt, und eine Detektionsschaltung, die einen Ausfall in einer Mehrzahl von Umschaltelementen detektiert, die in dem ersten und dem zweiten Inverter enthalten sind. Wenn die Detektionsschaltung einen Ausfall in einem der Mehrzahl von Umschaltelementen detektiert hat, wechselt die Steuerschaltung die Steuerung des ersten und des zweiten Inverters von der n-Phasenleitungssteuerung zu einer m-Phasenleitungssteuerung, die m Phasen der n Phasen verwendet, die sich von der Phase einer Wicklung unterscheiden, die mit dem ausgefallenen Umschaltelement gekoppelt ist (m ist eine Ganzzahl, die nicht kleiner als zwei ist und kleiner als n ist).
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Steuerung des ersten und des zweiten Inverters von der n-Phasenleitungssteuerung zu einer m-Phasenleitungssteuerung (m ist eine Ganzzahl, die nicht kleiner als zwei ist und kleiner als n ist) gewechselt, wenn ein Ausfall in einem der Umschaltelemente detektiert worden ist. Folglich kann eine geeignete Stromsteuerung sowohl unter normalen als auch anomalen Bedingungen ausgeführt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 2 ist ein Diagramm, das eine H-Brücke zeigt, die in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel enthalten ist.
    • 3 ist ein Diagramm, das eine H-Brücke zeigt, die in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel enthalten ist.
    • 4 ist ein Diagramm, das eine H-Brücke zeigt, die in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel enthalten ist.
    • 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine andere Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das noch eine andere Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 7 ist ein Blockdiagramm, das eine Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit zeigt, die eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel enthält.
    • 8 ist ein Diagramm, das Stromwellenformen (Sinuswellen) zeigt, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch eine U-Phase-, eine V-Phase- und eine W-Phase-Wicklung eines Motors fließen, wenn eine Leistungsumwandlungsvorrichtung durch eine Dreiphasenleitungssteuerung unter normalen Bedingungen gesteuert wird.
    • 9 ist ein schematisches Diagramm, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel unter anomalen Bedingungen zeigt.
    • 10 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 11 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 12 ist ein Diagramm, das Stromwellenformen zeigt, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die während einer Steuerung unter anomalen Bedingungen gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel durch eine U-Phase-, eine V-Phase- und eine W-Phase-Wicklung eines Motors fließen.
    • 13 ist ein schematisches Diagramm, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel unter anomalen Bedingungen zeigt.
    • 14 ist ein Diagramm, das Stromwellenformen zeigt, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die während einer Steuerung unter anomalen Bedingungen gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel durch eine U-Phase-, eine V-Phase- und eine W-Phase-Wicklung eines Motors fließen.
    • 15 ist ein schematisches Diagramm, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel unter anomalen Bedingungen zeigt.
    • 16 ist ein Diagramm, das Stromwellenformen zeigt, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die während einer Steuerung unter anomalen Bedingungen gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel durch eine U-Phase-, eine V-Phase- und eine W-Phase-Wicklung eines Motors fließen.
    • 17 ist ein Schaltungsdiagramm, das noch eine andere Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 18 ist ein Diagramm, das eine H-Brücke zeigt, die in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel enthalten ist.
    • 19 ist ein Diagramm, das eine H-Brücke zeigt, die in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel enthalten ist.
    • 20 ist ein schematisches Diagramm, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel unter anomalen Bedingungen zeigt.
    • 21 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, werden die vorliegenden Erkenntnisse des Erfinders beschrieben, die die Basis der vorliegenden Offenbarung darstellen.
  • Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung aus Patentdokument Nr. 1 sind die zwei Inverter jeweils immer mit der Leistungsversorgung und der GND verbunden. Diese Konfiguration ermöglicht es nicht, dass die Leistungsversorgung und der ausgefallene Inverter voneinander getrennt werden. Der vorliegende Erfinder ist auf das Problem gestoßen, dass sogar dann, wenn unter anomalen Bedingungen ein Nullpunkt in einem ausgefallenen Inverter gebildet wird, ein Strom von der Leistungsversorgung in den ausgefallenen Inverter fließt. Als Folge tritt in dem ausgefallenen Inverter ein Leistungsverlust auf.
  • Wie bei der Leistungsversorgung kann ein ausgefallener Inverter nicht von der GND getrennt werden. Der vorliegende Erfinder ist auf das Problem gestoßen, dass sogar dann, wenn unter anomalen Bedingungen ein Nullpunkt in einem ausgefallenen Inverter gebildet wird, ein Strom, der jeder Phasenwicklung durch einen normal arbeitenden Inverter zugeführt wird, nicht zu dem Quellinverter zurückkehrt und durch den ausgefallenen Inverter zu der GND fließt. Mit anderen Worten, kann eine geschlossene Schleife eines Antriebsstromes nicht gebildet werden und daher ist es schwierig, eine geeignete Stromsteuerung auszuführen.
  • Unterdessen besteht ein Bedarf für eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die eine geeignete Stromsteuerung sowohl unter normalen als auch anomalen Bedingungen ausführen kann.
  • Ausführungsbeispiele einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, einer Motorantriebseinheit und einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Um unnötige Undeutlichkeiten der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden, werden zum Beispiel bekannte Merkmale nicht beschrieben oder im Wesentlichen gleiche Elemente nicht wiederholend beschrieben. Dies dient auch der Vereinfachung des Verständnisses der vorliegenden Offenbarung.
  • Zuerst wird beispielsweise ein Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung einer Leistungsumwandlungsvorrichtung beschreiben, die Leistung umwandelt, die einem Dreiphasenmotor mit drei Phasenwicklungen (U-Phase, V-Phase und W-Phase) zuzuführen ist. Wie weiter unten beschrieben ist, umfasst die vorliegende Offenbarung eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die Leistung umwandelt, die einem n-Phasenmotor mit n-Phasenwicklungen (n ist eine Ganzzahl von drei oder mehr) zuzuführen ist, zum Beispiel einem Vierphasenmotor oder einem Fünfphasenmotor.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt auf schematische Weise eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 umfasst einen ersten Inverter 110 und einen zweiten Inverter 140. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 umfasst außerdem eine Steuerschaltung 300, die in 7 gezeigt ist. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 kann Leistung umwandeln, die unterschiedlichen Motoren zuzuführen ist. Ein Motor 200 ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor. Der Motor 200 umfasst eine U-Phase-Wicklung M1, eine V-Phase-Wicklung M2 und eine W-Phase-Wicklung M3 und ist mit dem ersten Inverter 110 und dem zweiten Inverter 140 gekoppelt. Im Einzelnen ist der erste Inverter 110 mit einem Ende jeder Phasenwicklung des Motors 200 gekoppelt und der zweite Inverter 140 ist mit dem anderen Ende jeder Phasenwicklung gekoppelt. Wie hierin verwendet, beschreiben die Ausdrücke „koppeln“ und „verbinden“ in Bezug auf Teile (Komponenten) hauptsächlich eine elektrische Kopplung und Verbindung zwischen den Teilen.
  • Der erste Inverter 110 weist Anschlüsse U_L, V_L und W_L auf, die den jeweiligen Phasen entsprechen, und der zweite Inverter 140 weist Anschlüsse U_R, V_R und W_R auf, die den jeweiligen Phasen entsprechen. Der Anschluss U_L des ersten Inverters 110 ist mit einem Ende der U-Phase-Wicklung M1 gekoppelt, der Anschluss V_L ist mit einem Ende der V-Phase-Wicklung M2 gekoppelt und der Anschluss W_L ist mit einem Ende der W-Phase-Wicklung M3 gekoppelt. Wie bei dem ersten Inverter 110 ist der Anschluss U_R des zweiten Inverters 140 mit dem anderen Ende der U-Phase-Wicklung M1 gekoppelt, der Anschluss V_R ist mit dem anderen Ende der V-Phase-Wicklung M2 gekoppelt und der Anschluss W_R ist mit dem anderen Ende der W-Phase-Wicklung M3 gekoppelt. Eine derartige Kopplung unterscheidet sich von der so genannten Stern- oder Delta-Kopplung.
  • Der erste Inverter 110 kann hier auch als „Brückenschaltung L“ bezeichnet werden. Der zweite Inverter 140 kann hier auch als „Brückenschaltung R“ bezeichnet werden. Der erste Inverter 110 und der zweite Inverter 140 umfassen jeweils drei Schenkel, die jeweils ein tiefseitiges Umschaltelement und ein hochseitiges Umschaltelement umfassen. Die Umschaltelemente, die in diesen Schenkeln des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 enthalten sind, und die Wicklungen des Elektromotors 200 bilden eine Mehrzahl von H-Brücken.
  • Der erste Inverter 110 umfasst eine Brückenschaltung, die drei Schenkel enthält. Umschaltelemente 111L, 112L und 113L, die in 1 gezeigt sind, sind tiefseitige Umschaltelemente, und Umschaltelemente 111H, 112H und 113H, die in 1 gezeigt sind, sind hochseitige Umschaltelemente. Die Umschaltelemente können beispielsweise ein Feldeffekttransistor (normalerweise ein MOSFET) oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) sein. Hierin wird beispielsweise angenommen, dass die Umschaltelemente der Inverter ein FET sind und in der folgenden Beschreibung werden die Umschaltelemente auch durch FET bezeichnet. Beispielsweise wird das Umschaltelement 111L durch den FET 111L bezeichnet.
  • Der erste Inverter 110 umfasst drei Nebenschlusswiderstände 111R, 112R und 113R als einen Stromsensor zum Detektieren von Strömen, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklungen (siehe 7) fließen. Der Stromsensor 170 umfasst eine Stromdetektionsschaltung (nicht gezeigt) zum Detektieren eines Stromes, der durch jeden Nebenschlusswiderstand fließt. Beispielsweise sind die Nebenschlusswiderstände 111R, 112R und 113R jeweils zwischen das entsprechende der drei tiefseitigen Umschaltelemente, die in den drei Schenkel des ersten Inverters 110 enthalten sind, und die Masse gekoppelt. Im Einzelnen ist der Nebenschlusswiderstand 111R zwischen den FET 111L und die GND gekoppelt, der Nebenschlusswiderstand 112R ist zwischen den FET 112L und die GND gekoppelt, und der Nebenschlusswiderstand 113R ist zwischen den FET 113L und die GND gekoppelt. Die Nebenschlusswiderstände weisen einen Widerstandswert von beispielsweise rund 0.5-1.0 mΩ auf.
  • Wie bei dem ersten Inverter 110 umfasst der zweite Inverter 140 eine Brückenschaltung, die drei Schenkel enthält. FET 141L, 142L und 143L, die in 1 gezeigt sind, sind ein tiefseitiges Umschaltelement und FET 141H, 142H und 143H, die in 1 gezeigt sind, sind ein hochseitiges Umschaltelement. Der zweite Inverter 140 umfasst auch drei Nebenschlusswiderstände 141R, 142R und 143R. Diese Nebenschlusswiderstände sind zwischen die drei tiefseitigen Umschaltelementen, die in den drei Schenkeln enthalten sind, und die Masse gekoppelt. Die in dem ersten und dem zweiten Inverter 110 und 140 enthaltenen FET können beispielsweise durch eine Mikrosteuerung oder einen dedizierten Treiber gesteuert werden.
  • 2, 3 und 4 zeigen drei H-Brücken 131, 132 und 133, die in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 enthalten sind.
  • Der erste Inverter 110 weist Schenkel 121, 123 und 125 auf. Der Schenkel 121 weist einen FET 111H und einen FET 111L auf. Der Schenkel 123 weist einen FET 112H und einen FET 112L auf. Der Schenkel 125 weist einen FET 113H und einen FET 113L auf.
  • Der zweite Inverter 140 weist Schenkel 122, 124 und 126 auf. Der Schenkel 122 weist einen FET 141H und einen FET 141L auf. Der Schenkel 124 weist einen FET 142H und einen FET 142L auf. Der Schenkel 126 weist einen FET 143H und einen FET 143L auf.
  • Die H-Brücke 131 aus 2 umfasst den Schenkel 121, die Wicklung M1 und den Schenkel 122. Die H-Brücke 132 aus 3 umfasst den Schenkel 123, die Wicklung M2 und den Schenkel 124. Die H-Brücke 133 aus 4 umfasst den Schenkel 125, die Wicklung M3 und den Schenkel 126.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ist zwischen die Leistungsversorgung 101 und die GND gekoppelt. Im Einzelnen sind der erste und der zweite Inverter 110 und 140 jeweils zwischen die Leistungsversorgung 101 und die GND gekoppelt. Dem ersten und dem zweiten Inverter 110 und 140 wird Leistung aus der Leistungsversorgung 101 zugeführt.
  • Die Leistungsversorgung 101 erzeugt eine vorbestimmte Leistungsversorgungsspannung. Die Leistungsversorgung 101 kann beispielsweise eine Gleichstromleistungsversorgung sein. Es ist zu beachten, dass die Leistungsversorgung 101 ein WS-GS-Wandler oder ein GS-GS-Wandler oder alternativ dazu eine Batterie (elektrische Batterie) sein kann. Die Leistungsversorgung 101 kann eine einzelne Leistungsversorgung sein, die von dem ersten und dem zweiten Inverter 110 und 140 geteilt wird. Alternativ dazu kann die Leistungsversorgung 101 eine erste Leistungsversorgung für den ersten Inverter 110 und eine zweite Leistungsversorgung für den zweiten Inverter 140 bereitgestellt sein.
  • Zwischen der Leistungsversorgung 101 und der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ist eine Spule 102 bereitgestellt. Die Spule 102 fungiert als Rauschfilter, um eine Glättung durchzuführen, so dass Hochfrequenzrauschen, das in der jedem Inverter zugeführten Spannungswellenform enthalten ist, oder Hochfrequenzrauschen, das in jedem Inverter auftritt, nicht zu der Leistungsversorgung 101 fließt. Ein Kondensator oder mehrere Kondensatoren 103 ist/sind mit Leistungsversorgungsanschlüssen der Inverter gekoppelt. Der Kondensator 103 ist ein sogenannter Bypass-Kondensator und verhindert oder reduziert eine Spannungswelligkeit. Der Kondensator 103 ist beispielsweise ein Elektrolytkondensator. Die Kapazitäten und die Anzahl von Kondensatoren 103, die verwendet werden, werden je nach Eignung bestimmt, wobei Struktur und Spezifikationen, usw. berücksichtigt werden.
  • In der Beispielkonfiguration aus 1 ist ein Nebenschlusswiderstand in jedem Schenkel jedes Inverters bereitgestellt. Es ist zu beachten, dass der erste und der zweite Inverter 110 und 140 sechs oder weniger Nebenschlusswiderstände umfassen können. Die sechs oder weniger Nebenschlusswiderstände können zwischen die sechs oder weniger tiefseitigen Umschaltelementen der sechs Schenkel des ersten und des zweiten Inverters 110 und 140 und die GND gekoppelt sein. In dem Fall, in dem diese Konfiguration auf einen n-Phasenmotor erweitert wird, können der erste und der zweite Inverter 110 und 140 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände umfassen. Die 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände können zwischen die 2n oder weniger tiefseitigen Umschaltelementen der 2n Schenkel des ersten und des zweiten Inverters 110 und 140 und die GND gekoppelt sein.
  • 5 zeigt auf schematische Weise eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels. Drei Nebenschlusswiderstände können zwischen den Schenkeln eines des ersten und des zweiten Inverters 110 und 140 und den Wicklungen M1, M2 und M3 angeordnet sein. Wie in 5 gezeigt ist, können beispielsweise Nebenschlusswiderstände 111R, 112R und 113R jeweils zwischen dem ersten Inverter 110 und einem Ende der entsprechenden der Wicklungen M1, M2 und M3 angeordnet sein. Als andere beispielhafte Anordnung können die Nebenschlusswiderstände 111R und 112R jeweils zwischen dem ersten Inverter 110 und dem einen Ende der entsprechenden der Wicklungen M1 und M2 angeordnet sein und ein Nebenschlusswiderstand 143R kann zwischen dem zweiten Inverter 140 und dem anderen Ende der Wicklung M3 angeordnet sein. In einer solchen Konfiguration ist es ausreichend, drei Nebenschlusswiderstände für die U-, V- und W-Phase anzuordnen und zumindest zwei Nebenschlusswiderstände sind bereitgestellt.
  • 6 zeigt auf schematische Weise noch eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels. Beispielsweise kann ein einzelner Nebenschlusswiderstand in jedem Inverter bereitgestellt sein und von den Phasenwicklungen geteilt werden. Ein einzelner Nebenschlusswiderstand 111R ist beispielsweise zwischen einen tiefseitigen Knoten N1 (Kopplungspunkt der Schenkel) des ersten Inverters 110 und die GND gekoppelt. Ein anderer einzelner Nebenschlusswiderstand 141R kann beispielsweise zwischen einen tiefseitigen Knoten N2 des zweiten Inverters 140 und die GND gekoppelt sein. Es ist zu beachten, dass, wie bei der tiefen Seite, ein einzelner Nebenschlusswiderstand 111R beispielsweise zwischen einen hochseitigen Knoten N3 des ersten Inverters 110 und die Leistungsversorgung 101 gekoppelt sein kann. Ein anderer einzelner Nebenschlusswiderstand 141R kann beispielsweise zwischen einen hochseitigen Knoten N4 des zweiten Inverters 140 und die Leistungsversorgung 101 gekoppelt sein. Die Anzahl der Nebenschlusswiderstände, die verwendet werden, und die Anordnung der Nebenschlusswiderstände werden somit je nach Eignung bestimmt, wobei Herstellungskosten, Struktur, Spezifikationen, usw. berücksichtigt werden.
  • 7 zeigt auf schematische Weise eine Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit 400 einschließlich der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung umfasst eine Steuerschaltung 300. Die Motorantriebseinheit 400 umfasst die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 und den Motor 200.
  • Die Steuerschaltung 300 umfasst beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung 310, einen Winkelsensor 320, eine Eingangsschaltung 330, eine Mikrosteuerung 340, eine Antriebsschaltung 350 und einen ROM 360. Die Steuerschaltung 300 steuert den Betrieb der gesamten Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dahingehend, den Motor 200 anzutreiben. Im Einzelnen steuert die Steuerschaltung 300 den Rotor derart, dass der Rotor eine gewünschte Position, eine gewünschte Drehzahl und einen gewünschten Strom, usw. annimmt, und kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis erzielen. Es ist zu beachten, dass die Steuerschaltung 300 anstelle des Winkelsensors einen Drehmomentsensor umfassen kann. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 300 den Rotor derart steuern, dass der Rotor ein gewünschtes Motordrehmoment annimmt.
  • Die Leistungsversorgungsschaltung 310 erzeugt eine Gleichstromspannung (z. B. 3 V oder 5 V), die für die Schaltungsblöcke verwendet wird. Der Winkelsensor 320 ist beispielsweise ein Resolver oder ein Hall-IC. Der Winkelsensor 320 detektiert den Drehwinkel des Rotors des Motors 200 (im Folgenden als „Drehsignal“ bezeichnet) und gibt das Drehsignal an die Mikrosteuerung 340 aus. Die Eingangsschaltung 330 empfängt einen Motorstromwert (im Folgenden als „tatsächlicher Stromwert“ bezeichnet), der durch den Stromsensor 170 detektiert wird, und wandelt gegebenenfalls den Pegel des tatsächlichen Stromwertes in einen Eingangspegel der Mikrosteuerung 340 um und gibt den resultierenden tatsächlichen Stromwert an die Mikrosteuerung 340 aus.
  • Die Mikrosteuerung 340 steuert den Umschaltvorgang (das Einschalten oder Ausschalten) jedes FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 110 und 140 der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100. Die Mikrosteuerung 340 berechnet einen gewünschten Stromwert auf der Basis des tatsächlichen Stromwertes und des Rotordrehsignals, usw., um ein PWM-Signal zu erzeugen, und gibt das PWM-Signal an die Antriebsschaltung 350 aus.
  • Die Antriebsschaltung 350 ist typischerweise ein Gate-Treiber. Die Antriebsschaltung 350 erzeugt auf der Basis des PWM-Signals Steuersignale (Gate-Steuersignale) zum Steuern der Umschaltvorgänge der jeweiligen FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 110 und 140 und gibt die Steuersignale an die Gates der jeweiligen FET aus. Es ist zu beachten, dass die Mikrosteuerung 340 auch als die Antriebsschaltung 350 fungieren kann. In diesem Fall muss die Steuerschaltung 300 die Antriebsschaltung 350 nicht umfassen.
  • Der ROM 360 ist beispielsweise ein beschreibbarer Speicher, ein wiederbeschreibbarer Speicher oder ein Nur-Lese-Speicher. Der ROM 360 speichert ein Steuerprogramm, das Anweisungen umfasst, die bewirken, dass die Mikrosteuerung 340 die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 steuert. Beispielsweise wird das Steuerprogramm während des Startvorgangs temporär in einen RAM (nicht gezeigt) geladen.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 führt eine Steuerung unter normalen Bedingungen und eine Steuerung unter anomalen Bedingungen durch. Die Steuerschaltung 300 (hauptsächlich die Mikrosteuerung 340) kann die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Steuerung unter normalen Bedingungen zu der Steuerung unter anomalen Bedingungen umschalten.
  • Steuerung unter normalen Bedingungen
  • Zuerst wird ein spezifisches Beispielverfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 unter normalen Bedingungen beschrieben. Wie oben beschrieben ist, beschreibt der Ausdruck „normale Bedingungen“, dass keiner der FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 110 und 140 ausgefallen ist.
  • Unter normalen Bedingungen führt die Steuerschaltung 300 eine Dreiphasenleitungssteuerung unter Verwendung des ersten und des zweiten Inverters 110 und 140 durch, um den Motor 200 anzutreiben. Im Einzelnen führt die Steuerschaltung 300 die Dreiphasenleitungsschaltung durch Ausführung einer Umschaltsteuerung an den FET des ersten Inverters 110 und den FET des zweiten Inverters 140 unter Verwendung entgegengesetzter Phasen aus (Phasendifferenz = 180°). In dem Fall einer H-Brücke, die die FET 111L, 111H, 141L und 141H umfasst, wird beispielsweise der FET 141L ausgeschaltet, wenn der FET 111L eingeschaltet wird, und der FET 141L wird eingeschaltet, wenn der FET 111L ausgeschaltet wird. Gleichermaßen wird der FET 141H ausgeschaltet, wenn der FET 111H eingeschaltet wird, und der FET 141H wird eingeschaltet, wenn der FET 111H ausgeschaltet wird. Ein Stromausgang aus der Leistungsversorgung 101 fließt durch ein hochseitiges Umschaltelement, eine Wicklung und ein tiefseitiges Umschaltelement zu der GND.
  • 8 zeigt beispielhafte Stromwellenformen (Sinuswellen), die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklung des Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 durch die Dreiphasenleitungssteuerung unter normalen Bedingungen gesteuert wird. Die horizontale Achse stellt Motorphasenwinkel (Grad) dar und die vertikale Achse stellt Stromwerte (A) dar. Bei der Stromwellenform aus 8 sind Stromwerte bei jedem Phasenwinkel von 30° grafisch dargestellt. Ipk stellt den größten Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase dar.
  • Tabelle 1 zeigt die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Phasenwinkel der Sinuswellen aus 8 durch die Anschlüsse jedes Inverters fließen. Im Einzelnen zeigt Tabelle 1 die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_L, V_L und W_L des ersten Inverters 110 (die Brückenschaltung L) fließen, und die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 140 (die Brückenschaltung R) fließen. Hier ist eine positive Stromrichtung in Bezug auf die Brückenschaltung L als eine Richtung definiert, in der ein Strom von einem Anschluss der Brückenschaltung L zu einem Anschluss der Brückenschaltung R fließt. Diese Definition gilt für in 8 gezeigte Stromrichtungen. Eine positive Stromrichtung in Bezug auf die Brückenschaltung R ist als eine Richtung definiert, in der ein Strom von einem Anschluss der Brückenschaltung R zu einem Anschluss der Brückenschaltung L fließt. Daher besteht zwischen dem Strom in der Brückenschaltung L und dem Strom in der Brückenschaltung R eine Phasendifferenz von 180°. In Tabelle 1 ist die Größe eines Stromwertes I1 gleich [(3)1/2/2] * Ipk und die Größe eins Stromwertes I2 ist gleich Ipk/2.
    Figure DE112017001144T5_0001
  • Bei einem Phasenwinkel von 0° fließt kein Strom durch die U-Phase-Wicklung M1. Ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
  • Bei einem Phasenwinkel von 30° fließt ein Strom mit einer Größe von I2 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von Ipk fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
  • Bei einem Phasenwinkel von 60° fließt ein Strom mit einer Größe von I1 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die W-Phase-Wicklung M3 fließt kein Strom.
  • Bei einem Phasenwinkel von 90° fließt ein Strom mit einer Größe von Ipk durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
  • Bei einem Phasenwinkel von 120° fließt ein Strom mit einer Größe von I1 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die V-Phase-Wicklung M2 fließt kein Strom.
  • Bei einem Phasenwinkel von 150° fließt ein Strom mit einer Größe von I2 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von Ipk fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
  • Bei einem Phasenwinkel von 180° fließt kein Strom durch die U-Phase-Wicklung M1. Ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
  • Bei einem Phasenwinkel von 210° fließt ein Strom mit einer Größe von I2 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einer Größe von Ipk fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
  • Bei einem Phasenwinkel von 240° fließt ein Strom mit einer Größe von I1 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Durch die W-Phase-Wicklung M3 fließt kein Strom.
  • Bei einem Phasenwinkel von 270° fließt ein Strom mit einer Größe von Ipk durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
  • Bei einem Phasenwinkel von 300° fließt ein Strom mit einer Größe von I1 durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I1 fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Durch die V-Phase-Wicklung M2 fließt kein Strom.
  • Bei einem Phasenwinkel von 330° fließt ein Strom mit einer Größe von I2 durch die U-hase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einer Größe von I2 fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von Ipk fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
  • Bei der Dreiphasenleitungssteuerung dieses Ausführungsbeispiels beträgt die Summe von Strömen, die durch die Dreiphasenwicklungen fließen, bei jedem Phasenwinkel unweigerlich „0“, wobei die Stromrichtungen berücksichtigt werden. Beispielsweise steuert die Steuerschaltung 300 die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltungen L und R derart durch eine PWM-Steuerung, dass die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden.
  • Steuerung unter anomalen Bedingungen
  • Beschrieben wird ein spezifisches Beispielverfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 unter anomalen Bedingungen. Wie oben beschrieben ist, beschreibt der Ausdruck „anomale Bedingungen“ hauptsächlich, dass einer oder mehrere FET ausgefallen ist/sind. Ausfälle eines FET werden im Wesentlichen in einen „Leerlaufausfall“ und einen „Kurzschlussausfall“ unterteilt. In Bezug auf einen FET heißt „Leerlaufausfall“, dass zwischen Source und Drain des FET ein Leerlauf besteht (in anderen Worten weist ein Widerstand rds zwischen Source und Drain eine hohe Impedanz auf). In Bezug auf einen FET heißt „Kurzschlussausfall“, dass ein Kurzschluss zwischen Source und Drain des FET vorhanden ist.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird erwägt, dass während des Betriebes der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ein zufälliger Ausfall auftritt, bei dem einer der 12 FET der zwei Inverter zufällig ausfällt. Die vorliegende Offenbarung richtet sich hauptsächlich auf ein Verfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, wenn ein zufälliger Ausfall aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass sich die vorliegende Offenbarung außerdem auf ein Verfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 richtet, wenn mehrere FET gemeinsam ausgefallen sind, usw. Solch ein Mehrfachausfall heißt beispielsweise, dass ein Ausfall simultan in den hochseitigen und tiefseitigen Umschaltelementen eines Schenkels auftritt.
  • Wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 für einen langen Zeitraum verwendet wird, ist es wahrscheinlich, dass ein zufälliger Ausfall auftritt. Es ist zu beachten, dass sich der zufällige Ausfall von dem Herstellungsausfall unterscheidet, der während einer Herstellung auftreten kann. Wenn auch nur einer der FET in den zwei Invertern ausfällt, kann die normale Dreiphasenleitungssteuerung nicht länger ausgeführt werden.
  • Die Antriebsschaltung 350 dieses Ausführungsbeispiels umfasst die Detektionsschaltung 351 zum Detektieren eines Ausfalls in einer Mehrzahl von FET, die in dem ersten Inverter 110 und dem zweiten Inverter 140 enthalten sind. Jeder FET weist eine Gate-Elektrode eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode auf. Ein Ausfall kann beispielsweise wie folgt detektiert werden. Die Detektionsschaltung 351 überwacht eine Drain-Source-Spannung Vds eines FET und vergleicht die Spannung Vds mit einer vorbestimmten Schwellspannung, um einen Ausfall in dem FET zu detektieren. Die Schwellspannung wird in der Antriebsschaltung 350 beispielsweise durch eine Datenkommunikation mit einer externen IS (nicht gezeigt) und einem externen Teil festgelegt. Die Antriebsschaltung 350 ist mit einem Port der Mikrosteuerung 340 gekoppelt und sendet ein Ausfalldetektionssignal an die Mikrosteuerung 340. Beispielsweise aktiviert die Antriebsschaltung 350 das Ausfalldetektionssignal, wenn diese einen Ausfall in einem FET detektiert. Wenn die Mikrosteuerung 340 ein aktiviertes Ausfalldetektionssignal empfängt, liest diese interne Daten aus der Antriebsschaltung 350 und bestimmt, welcher der FET der zwei Inverter ausgefallen ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Antriebsschaltung 350 die Detektionsschaltung 351 zum Detektieren eines Ausfalls in einem FET. Eine derartige Detektionsschaltung zum Detektieren eines Ausfalls in einem FET kann separat von der Antriebsschaltung 350 bereitgestellt werden. Alternativ dazu kann ein Ausfall beispielsweise wie folgt detektiert werden. Die Mikrosteuerung 340 kann einen Ausfall in einem FET auf der Basis einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Stromwert des Motors und einem gewünschten Stromwert detektieren. Es ist zu beachten, dass die Detektion eines Ausfalls in einem FET nicht auf diese Techniken beschränkt ist und unter Verwendung einer großen Auswahl an bekannten Techniken ausgeführt werden kann, die sich auf die Detektion eines Ausfalls in einem FET beziehen.
  • Wenn die Mikrosteuerung 340 ein aktiviertes Ausfalldetektionssignal empfängt, schaltet dieselbe die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Steuerung unter normalen Bedingungen zu der Steuerung unter anomalen Bedingungen um. Beispielsweise ist ein Zeitpunkt, zu dem die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Steuerung unter normalen Bedingungen zu der Steuerung unter anomalen Bedingungen umgeschaltet wird, rund 10-30 ms nach der Aktivierung eines Ausfalldetektionssignals.
  • 9 ist ein Diagramm, das eine Situation zeigt, in der ein U-Phase-FET in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ausgefallen ist. 10 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt. 11 ist ein Flussdiagramm, das Details eines Betriebes in Schritt S104 zeigt, der in 10 gezeigt ist.
  • Unter normalen Bedingungen, d. h., wenn ein FET-Ausfall nicht detektiert worden ist, führt die Steuerschaltung 300 die Dreiphasenleitungssteuerung an dem ersten Inverter 110 und dem zweiten Inverter 140 aus (Schritt S101).
  • Die Antriebsschaltung 350 überwacht, ob ein FET in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 ausgefallen ist oder nicht (Schritt S102). Falls die Antriebsschaltung 350 keinen Ausfall detektiert hat (NEIN in Schritt S102) und die Steuerschaltung 300 keinen Befehl empfangen hat, den Antrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zu stoppen (NEIN in Schritt S103), fährt die die Steuerschaltung 300 damit fort, die Dreiphasenleitungssteuerung auszuführen. Falls die Steuerschaltung 300 während des Fortsetzens der Dreiphasenleitungssteuerung einen Befehl dahingehend empfangen hat, den Antrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zu stoppen (JA in Schritt S103), stoppt die Steuerschaltung 300 den Antrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100.
  • Falls die Antriebsschaltung 350 einen Ausfall in einem FET detektiert hat (JA in Schritt S102), wechselt die Steuerschaltung 300 die Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der Dreiphasenleitungssteuerung zu einer Zweiphasenleitungssteuerung (Schritt S104). In diesem Fall wird die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung von zwei Phasen ausgeführt, die sich von einer der drei Phasen unterscheiden, die einer mit dem ausgefallenen FET gekoppelten Wicklung entspricht.
  • Wie in 9 gezeigt ist, wird beispielsweise angenommen, dass der FET 111H des ersten Inverters 110 ausgefallen ist. Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass in dem FET 111H ein Leerlaufausfall aufgetreten ist. In diesem Fall schaltet die Steuerschaltung 300 den anderen FET 111L des Schenkels 121 (2) aus, der den ausgefallenen FET 111H enthält (Schritt S111). Zusätzlich dazu schaltet die Steuerschaltung 300 alle FET 141H und 141L des Schenkels 122 des zweiten Inverters 140 aus, der in der H-Brücke 131 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 121 und den Schenkel 122 gebildet ist (Schritt S112). Die Vorgänge in den Schritten S111 und S112 können simultan ausgeführt werden.
  • Die Steuerschaltung 300 führt die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen vier Schenkel 123, 124, 125 und 126 aus (3 und 4), die sich von dem ausgefallenen Schenkel 121, der den ausgefallenen FET 111H enthält, und dem Schenkel 122 unterscheiden, der in der H-Brücke 131 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 121 und den Schenkel 122 gebildet ist (Schritt S113). Mit anderen Worten führt die Steuerschaltung 300 die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen zwei H-Brücken 132 und 133 (V-Phase und W-Phase) aus, die sich von der H-Brücke 131 (U-Phase), die den ausgefallenen FET 111H enthält, unterscheiden.
  • Nach dem Wechsel von der Dreiphasenleitungssteuerung zu der Zweiphasenleitungssteuerung fährt die Steuerschaltung 300 damit fort, die Zweiphasenleitungssteuerung an der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 auszuführen (Schritt S105). Falls die Steuerschaltung 300 keinen Befehl empfangen hat, den Antrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zu stoppen (NEIN in Schritt S106), fährt die Steuerschaltung 300 damit fort, die Zweiphasenleitungssteuerung auszuführen. Falls die Steuerschaltung 300 einen Befehl empfangen hat, den Antrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zu stoppen (JA in Schritt S106), stoppt die Steuerschaltung 300 den Antrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100.
  • 12 zeigt beispielhafte Stromwellenformen (Sinuswellen), die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklungen des Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 durch die Zweiphasenleitungssteuerung gesteuert wird. Bei diesem Beispiel wird die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der V-Phase und der W-Phase und ohne Verwendung der U-Phase ausgeführt. Die horizontale Achse stellt Motorphasenwinkel (Grad) dar und die vertikale Achse stellt Stromwerte (A) dar. Wie in 8 sind in den Stromwellenformen aus 12 Stromwerte bei jedem Phasenwinkel von 30° grafisch dargestellt. Ipk stellt den größten Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase dar.
  • Tabelle 2 zeigt die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Phasenwinkel der Sinuswellen aus 12 durch die Anschlüsse jedes Inverters fließen. Wie bei Tabelle 1 zeigt Tabelle 2 die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_L, V_L und W_L des ersten Inverters 110 (die Brückenschaltung L) fließen. Tabelle 2 zeigt außerdem die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 140 (die Brückenschaltung R) fließen.
    Figure DE112017001144T5_0002
  • Bei diesem Beispiel wird die U-Phase nicht verwendet und daher fließt kein Strom durch den Anschluss U_L oder U_R. Die Zweiphasenleitungssteuerung wird unter Verwendung der V-Phase und der W-Phase ausgeführt. Ströme, die denen in Tabelle 1 gezeigten ähneln, fließen durch die Anschlüsse V_L, W_L, V_R und W_R. Die Steuerschaltung 300 steuert die Umschaltvorgänge der FET in den Brückenschaltungen L und R derart durch eine PWM-Steuerung, dass Ströme, die durch die Phasen fließen, in Tabelle 2 gezeigte Werte aufweisen.
  • In dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 111H wird eine Spannung durch den FET 111H an die Wicklung M1 angelegt. Jedoch sind alle anderen FET 111L, 141H und 141L derselben U-Phase ausgeschaltet und daher fließt kein Strom durch die Wicklung M1. Daher kann die Zweiphasenleitungssteuerung ausgeführt werden.
  • In dem Fall eines Ausfalls in einem der anderen FET 111L, 141H und 141L, die sich von dem FET 111H in der H-Brücke 131 unterscheiden, kann die Zweiphasenleitungssteuerung wie in dem obigen Fall ausgeführt werden.
  • Wenn also ein Ausfall in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, detektiert worden ist, wird die Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der Dreiphasenleitungssteuerung zu der Zweiphasenleitungssteuerung gewechselt. Folglich kann selbst in dem Fall eines Ausfalls in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, der Motor 200 weiterhin dahin gehend angetrieben werden, sich zu drehen.
  • 13 ist ein Diagramm, das eine Situation zeigt, in der ein V-Phase-FET in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ausgefallen ist. Bei diesem Beispiel ist der FET 112L des ersten Inverters 110 ausgefallen. Es wird angenommen, dass in dem FET 112L ein Leerlaufausfall aufgetreten ist. In diesem Fall schaltet die Steuerschaltung 300 den anderen FET 112H des Schenkels 123 aus (3), der den ausgefallenen FET 112L enthält (Schritt S111). Zusätzlich dazu schaltet die Steuerschaltung 300 alle FET 142H und 142L des Schenkels 124 des zweiten Inverters 140 aus, der in der H-Brücke 132 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 123 und den Schenkel 124 gebildet ist (Schritt S112). Die Vorgänge in den Schritten S111 und S112 können simultan ausgeführt werden.
  • Die Steuerschaltung 300 führt die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen vier Schenkel 121, 122, 125 und 126 aus (2 und 4), die sich von dem ausgefallenen Schenkel 123, der den ausgefallenen FET 112L enthält, und dem Schenkel 124 unterscheiden, der in der H-Brücke 132 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 123 und den Schenkel 124 gebildet ist (Schritt S113). Mit anderen Worten führt die Steuerschaltung 300 die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen zwei H-Brücken 131 und 133 (U-Phase und W-Phase) aus, die sich von der H-Brücke 132 (V-Phase), die den ausgefallenen FET 112L enthält, unterscheiden.
  • 14 zeigt beispielhafte Stromwellenformen (Sinuswellen), die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklungen des Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 durch die Zweiphasenleitungssteuerung gesteuert wird. Bei diesem Beispiel wird die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der U-Phase und der W-Phase und ohne Verwendung der V-Phase ausgeführt. Die horizontale Achse stellt Motorphasenwinkel (Grad) dar und die vertikale Achse stellt Stromwerte (A) dar. Wie in 8 sind in den Stromwellenformen aus 14 Stromwerte bei jedem Phasenwinkel von 30° grafisch dargestellt. Ipk stellt den größten Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase dar.
  • Tabelle 3 zeigt die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Phasenwinkel der Sinuswellen aus 14 durch die Anschlüsse jedes Inverters fließen. Wie bei Tabelle 1, zeigt Tabelle 3 die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_L, V_L und W_L des ersten Inverters 110 (die Brückenschaltung L) fließen. Tabelle 3 zeigt außerdem die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 140 (die Brückenschaltung R) fließen.
    Figure DE112017001144T5_0003
  • Bei diesem Beispiel wird die V-Phase nicht verwendet und daher fließt kein Strom durch den Anschluss V_L und V_R. Die Zweiphasenleitungssteuerung wird unter Verwendung der U-Phase und der W-Phase ausgeführt. Ströme, die denen in Tabelle 1 gezeigten ähneln, fließen durch die Anschlüsse U_L, W_L, U_R und W_R. Die Steuerschaltung 300 steuert die Umschaltvorgänge der FET in den Brückenschaltungen L und R derart durch eine PWM-Steuerung, dass Ströme, die durch die Phasen fließen, in Tabelle 3 gezeigte Werte aufweisen.
  • In dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 112L wird die Wicklung M2 mit der Masse verbunden. Jedoch sind alle anderen FET 112H, 142H und 142L derselben V-Phase ausgeschaltet und daher fließt kein Strom durch die Wicklung M2. Daher kann die Zweiphasenleitungssteuerung ausgeführt werden.
  • In dem Fall eines Ausfalls in einem der anderen FET 112H, 142H und 142L, die sich von dem FET 112L in der H-Brücke 132 unterscheiden, kann die Zweiphasenleitungssteuerung wie in dem obigen Fall ausgeführt werden.
  • Wenn also ein Ausfall in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, detektiert worden ist, wird die Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der Dreiphasenleitungssteuerung zu der Zweiphasenleitungssteuerung gewechselt. Folglich kann selbst in dem Fall eines Ausfalls in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, der Motor 200 weiterhin dahingehend angetrieben werden, sich zu drehen.
  • 15 ist ein Diagramm, das eine Situation zeigt, in der ein W-Phase-FET in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ausgefallen ist. Bei diesem Beispiel ist der FET 143H des zweiten Inverters 140 ausgefallen. Es wird angenommen, dass ein Leerlaufausfall in dem FET 143H aufgetreten ist. In diesem Fall schaltet die Steuerschaltung 300 den anderen FET 143L des Schenkels 126 (4) aus, der den ausgefallenen FET 143H enthält (Schritt S111). Zusätzlich dazu schaltet die Steuerschaltung 300 alle FET 113H und 113L des Schenkels 125 des ersten Inverters 110 aus, der in der H-Brücke 133 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 126 und den Schenkel 125 gebildet ist (Schritt S112).
  • Die Vorgänge in den Schritten S111 und S112 können simultan ausgeführt werden.
  • Die Steuerschaltung 300 führt die Zweiphasenteitungssteuerung unter Verwendung der anderen vier Schenkel 121, 122, 123 und 124 aus (2 und 3), die sich von dem ausgefallenen Schenkel 126, der den ausgefallenen FET 143H enthält, und dem Schenkel 125 unterscheiden, der in der H-Brücke 133 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 126 und den Schenkel 125 gebildet ist (Schritt S113). Mit anderen Worten führt die Steuerschaltung 300 die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen zwei H-Brücken 131 und 132 (U-Phase und V-Phase) aus, die sich von der H-Brücke 133 (W-Phase), die den ausgefallenen 143H enthält, unterscheiden.
  • 16 zeigt beispielhafte Stromwellenformen (Sinuswellen), die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklungen des Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 durch die Zweiphasenleitungssteuerung gesteuert wird. Bei diesem Beispiel wird die Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung der U-Phase und der V-Phase und ohne Verwendung der W-Phase ausgeführt. Die horizontale Achse stellt Motorphasenwinkel (Grad) dar und die vertikale Achse stellt Stromwerte (A) dar. Wie in 8 sind in den Stromwellenformen aus 16 Stromwerte bei jedem Phasenwinkel von 30° grafisch dargestellt. Ipk stellt den größten Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase dar.
  • Tabelle 4 zeigt die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Phasenwinkel der Sinuswellen aus 16 durch die Anschlüsse jedes Inverters fließen. Wie bei Tabelle 1, zeigt Tabelle 4 die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_L, V_L und W_L des ersten Inverters 110 (die Brückenschaltung L) fließen. Tabelle 4 zeigt außerdem die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 140 (die Brückenschaltung R) fließen.
    Figure DE112017001144T5_0004
  • Bei diesem Beispiel wird die W-Phase nicht verwendet und daher fließt kein Strom durch den Anschluss W_L oder W_R. Die Zweiphasenleitungssteuerung wird unter Verwendung der U-Phase und der V-Phase ausgeführt. Ströme, die denen in Tabelle 1 gezeigten ähneln, fließen durch die Anschlüsse U_L, V_L, U_R und V_R. Die Steuerschaltung 300 steuert die Umschaltvorgänge der FET in den Brückenschaltungen L und R derart durch eine PWM-Steuerung, dass Ströme, die durch die Phasen fließen, in Tabelle 4 gezeigte Werte aufweisen.
  • In dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 143H wird eine Spannung an der Wicklung M3 angelegt. Jedoch sind alle anderen FET 113H, 113L und 143L derselben W-Phase ausgeschaltet und daher fließt kein Strom durch die Wicklung M3. Daher kann die Zweiphasenleitungssteuerung ausgeführt werden.
  • In dem Fall eines Ausfalls in einem der anderen FET 113H, 113H und 143L, die sich von dem FET 143H in der H-Brücke 133 unterscheiden, kann die Zweiphasenleitungssteuerung wie in dem obigen Fall ausgeführt werden.
  • Wenn also ein Ausfall in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, detektiert worden ist, wird die Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der Dreiphasenleitungssteuerung zu der Zweiphasenleitungssteuerung gewechselt. Folglich kann selbst in dem Fall eines Ausfalls in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverters 140 enthalten ist, der Motor 200 weiterhin dahingehend angetrieben werden, sich zu drehen.
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein Dreiphasenmotor als der Motor 200 veranschaulicht. Alternativ dazu kann der Motor 200 einen Motor mit mehr als drei Phasen sein. Der Motor 200 kann ein n-Phasenmotor mit n Phasenwicklungen (n ist eine Ganzzahl von drei oder mehr) sein, z. B. ein Vierphasenmotor, ein Fünfphasenmotor oder ein Sechsphasenmotor. Als Beispiel wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Motor 200 ein Fünfphasenmotor ist.
  • 17 zeigt auf schematische Weise eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Bei dem Beispiel aus 17 ist ein Motor 200 ein Fünfphasenmotor. Der Motor 200 umfasst eine U-Phase-Wicklung M1, eine V-Phase-Wicklung M2, eine W-Phase-Wicklung M3, eine X-Phase-Wicklung M4 und eine Y-Phase-Wicklung M5.
  • Im Vergleich zu der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 aus 1 umfasst ein erster Inverter 110 in dem Beispiel aus 17 ferner Anschlüsse X_L und Y_L, die der X-Phase und der Y-Phase entsprechen, und ein zweiter Inverter 140 umfasst ferner Anschlüsse X_R und Y_R, die der X-Phase und der Y-Phase entsprechen. Der Anschluss X_L des ersten Inverters 110 ist mit einem Ende der X-Phase-Wicklung M4 gekoppelt und der Anschluss Y_L ist mit einem Ende der Y-Phase-Wicklung M5 gekoppelt. Der Anschluss X_R des zweiten Inverters 140 ist mit dem anderen Ende der X-Phase-Wicklung M4 gekoppelt und der Anschluss Y_R ist mit dem anderen Ende der Y-Phase-Wicklung M5 gekoppelt.
  • Unter Bezugnahme auf 17 umfasst der erste Inverter 110 ferner FET 114H, 114L, 115H und 115L. Der zweite Inverter 140 umfasst ferner FET 144H, 144L, 145H und 145L. Der erste Inverter 110 umfasst ferner Nebenschlusswiderstände 114R und 115R. Der zweite Inverter 140 umfasst ferner Nebenschlusswiderstände 144R und 145R. Der erste Inverter 110 und der zweite Inverter 140 umfassen jeweils fünf Schenkel, die jeweils ein tiefseitiges Umschaltelement und ein hochseitiges Umschaltelement umfassen. Die Umschaltelemente, die in den Schenkeln des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 enthalten sind, und die Wicklungen des Elektromotors 200 bilden fünf H-Brücken.
  • 18 und 19 sind Diagramme, die H-Brücken 134 und 135 zeigen, die in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 aus 17 enthalten sind. Der erste Inverter 110 umfasst Schenkel 127 und 129. Der Schenkel 127 weist den FET 114H und den FET 114L auf. Der Schenkel 129 weist den FET 115H und den FET 115L auf. Der zweite Inverter 140 weist Schenkel 128 und 130 auf. Der Schenkel 128 weist den FET 144H und den FET 144L auf. Der Schenkel 130 weist den FET 145H und den FET 145L auf. Die H-Brücke 134 aus 18 weist den Schenkel 127, die Wicklung M4 und den Schenkel 128 auf. Die H-Brücke 135 aus 19 weist den Schenkel 129, die Wicklung M5 und den Schenkel 130 auf.
  • Bei dem Beispiel aus 17 ist in jedem Schenkel jedes Inverters ein Nebenschlusswiderstand bereitgestellt. Die Nebenschlusswiderstände können auf eine Weise angeordnet sein, die der in 5 gezeigten ähnelt, d. h., fünf Nebenschlusswiderstände können zwischen den Schenkeln eines des ersten und des zweiten Inverters 110 und 140 und den Wicklungen M1, M2, M3, M4 und M5 bereitgestellt sein. Wie in dem Beispiel aus 6 kann alternativ dazu ein einzelner Nebenschlusswiderstand in jedem Inverter bereitgestellt sein und von den Phasenwicklungen geteilt werden.
  • Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 führt die Steuerschaltung 300 unter normalen Bedingungen (7) eine Fünfphasenleitungssteuerung unter Verwendung des ersten und des zweiten Inverters 110 und 140 aus, um den Motor 200 anzutreiben. Wie bei der Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 aus 1 führt die Steuerschaltung 300 die Fünfphasenleitungssteuerung durch Ausführung einer Umschaltsteuerung an den FET des ersten Inverters 110 und den FET des zweiten Inverters 140 unter Verwendung entgegengesetzter Phasen aus (Phasendifferenz = 180°). Beispielsweise wird in dem Fall der H-Brücke 134 (18), die die FET 114H, 114L, 144H und 144L enthält, der FET 144L ausgeschaltet, wenn der FET 114L eingeschaltet wird, und der FET 144L wird eingeschaltet, wenn der FET 114L ausgeschaltet wird. Gleichermaßen wird der FET 144H ausgeschaltet, wenn der FET 114H eingeschaltet wird, und der FET 144H wird ausgeschaltet, wenn der FET 114H eingeschaltet wird. Bei der Fünfphasenleitungssteuerung unter normalen Bedingungen ist die Wellenform eines Stromes, der durch jede der U-Phase-, V-Phase, W-Phase, X-Phase- und Y-Phase-Wicklungen fließt, eine Sinuswelle, die sich hinsichtlich einer Phase von der einer benachbarten um 72° unterscheidet.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 unter anomalen Bedingungen beschrieben. 20 ist ein Diagramm, das eine Situation zeigt, in der ein U-Phase-FET in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ausgefallen ist.
  • Wenn die Antriebsschaltung 350 (7) einen Ausfall in einem FET detektiert hat, wechselt die Steuerschaltung 300 die Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der Fünfphasenleitungssteuerung zu einer Vierphasenleitungssteuerung. In diesem Fall wird die Vierphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen vier Phasen ausgeführt, die sich von einer der fünf Phasen unterscheiden, die einer mit dem ausgefallenen FET gekoppelten Wicklung entspricht.
  • Wie in 20 gezeigt ist, wird beispielsweise angenommen, dass der FET 111H des ersten Inverters 110 ausgefallen ist. Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass ein Leerausfall in dem FET 111H aufgetreten ist. In diesem Fall schaltet die Steuerschaltung 300 den anderen FET 111L des Schenkels 121 (2) aus, der den ausgefallenen FET 111H enthält. Zusätzlich dazu schaltet die Steuerschaltung 300 alle FET 141H und 141L des Schenkels 122 des zweiten Inverters 140 aus, der in der H-Brücke 131 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 121 und den Schenkel 122 gebildet ist.
  • Die Steuerschaltung 300 führt die Vierphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen acht Schenkel 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129 und 130 aus (3, 4, 18 und 19), die sich von dem ausgefallenen Schenkel 121, der den ausgefallenen FET 111H enthält, und dem Schenkel 122 unterscheiden, der in der H-Brücke 131 enthalten ist, die durch den ausgefallenen Schenkel 121 und den Schenkel 122 gebildet ist. Mit anderen Worten führt die Steuerungsschaltung 300 die Vierphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen vier H-Brücken 132, 133, 134 und 135 aus (V-Phase, W-Phase, X-Phase und Y-Phase), die sich von der H-Brücke 131 (U-Phase), die den ausgefallenen FET 111H enthält, unterscheiden.
  • In dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 111H wird eine Spannung durch den FET 111H an die Wicklung M1 angelegt. Jedoch sind alle anderen FET 111L, 141H und 141L derselben U-Phase ausgeschaltet und daher fließt kein Strom durch die Wicklung M1. Daher kann die Vierphasenleitungssteuerung ausgeführt werden.
  • In dem Fall eines Ausfalls in einem der anderen FET 111L, 141H und 141L, die sich von dem FET 111H in der H-Brücke 131 unterscheiden, kann die Vierphasenleitungssteuerung unter Verwendung der H-Brücken außer der H-Brücke 131 wie in dem obigen Fall ausgeführt werden. Zusätzlich dazu kann in dem Fall eines Ausfalls in einem der FET, die in den anderen H-Brücken 132, 133, 134 und 135 enthalten sind, die sich von der H-Brücke 131 unterscheiden, die Vierphasenleitungssteuerung unter Verwendung der anderen H-Brücken, die sich von der ausgefallenen H-Brücke unterscheiden, wie in dem obigen Fall ausgeführt werden.
  • Wenn also ein Ausfall in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, detektiert worden ist, wird die Steuerung des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140 von der Fünfphasenleitungssteuerung zu der Vierphasenleitungssteuerung gewechselt. Folglich kann selbst in dem Fall eines Ausfalls in einem FET, der in dem ersten Inverter 110 oder dem zweiten Inverter 140 enthalten ist, der Motor 200 weiterhin dahingehend angetrieben werden, sich zu drehen.
  • Beim Vorgenannten wird die Fünfphasenleitungssteuerung durch die Vierphasenleitungssteuerung ersetzt, wenn ein Ausfall in einem FET detektiert worden ist. Die Anzahl von Phasen, die in dem Fall eines Ausfalls angetrieben werden, ist nicht auf die Anzahl von Phasen beschränkt, die eine weniger als unter normalen Bedingungen beträgt. Wenn ein Ausfall in einem FET detektiert worden ist, kann die Fünfphasenleitungssteuerung durch die Zweiphasenleitungssteuerung oder die Dreiphasenleitungssteuerung ersetzt werden. Wenn beispielsweise ein FET, der in der H-Brücke 131 (U-Phase) enthalten ist, ausgefallen ist, können zwei oder drei H-Brücken aus den anderen H-Brücken 132, 133, 134 und 135 (V-Phase, W-Phase, X-Phase und Y-Phase) ausgewählt werden, und die Zweiphasenleitungssteuerung oder Dreiphasenleitungssteuerung kann unter Verwendung der ausgewählten H-Brücken ausgeführt werden. In diesem Fall werden alle FET ausgeschaltet, die in der nicht ausgewählten der H-Brücken 132, 133, 134 und 135 enthalten sind.
  • Beispielsweise können in dem Fall eines Ausfalls in dem FET 111H alle FET 111L, 141H und 141L außer dem FET 111H der H-Brücke 131 ausgeschaltet werden. Zusätzlich dazu können alle FET der H-Brücken 133 und 135 ausgeschaltet werden. Die Zweiphasenleitungssteuerung kann unter Verwendung der FET der verbleibenden H-Brücken 132 und 134 ausgeführt werden.
  • Alternativ dazu werden beispielsweise in dem Fall eines Ausfalls in dem FET 111H alle FET 111L, 141H und 141L außer dem FET 111H der H-Brücke 131 ausgeschaltet. Zusätzlich dazu können alle FET der H-Brücke 133 ausgeschaltet werden. Die Zweiphasenleitungssteuerung kann unter Verwendung der FET der verbleibenden H-Brücken 132, 134 und 135 ausgeführt werden.
  • Gleichermaßen kann die Vierphasenleitungssteuerung in dem Fall, in dem der Motor 200 ein Vierphasenmotor ist, durch die Dreiphasenleitungssteuerung oder die Zweiphasenleitungssteuerung ersetzt werden, wenn ein Ausfall in einem FET detektiert worden ist.
  • Gleichermaßen kann die Sechsphasenleitungssteuerung in dem Fall, in dem der Motor 200 ein Sechsphasenmotor ist, durch die Fünfphasenleitungssteuerung, die Vierphasenleitungssteuerung, die Dreiphasenleitungssteuerung oder die Zweiphasenleitungssteuerung ersetzt werden, wenn ein Ausfall in einem FET detektiert worden ist.
  • Wenn also ein Ausfall an einem FET detektiert worden ist, wird eine n-Phasenleitungssteuerung mit einer m- Phasenleitungssteuerung ersetzt. Hier ist n eine Ganzzahl von drei oder mehr und m ist eine Ganzzahl, die nicht kleiner als zwei ist und kleiner als n ist. Wenn ein Ausfall in einem FET detektiert worden ist, kann der Motor 200 dahingehend angetrieben werden, sich unter Verwendung einer Mindestanzahl von Phasen zu drehen, die es ermöglicht, dass der Motor 200 dahingehend angetrieben wird, sich zu drehen. Beispielsweise kann ein bürstenloser Motor unter Verwendung von zwei oder mehr Phasen angetrieben werden. Durch das geeignete Einstellen der Anzahl von Phasen, die in dem Fall eines Ausfalls verwendet werden, kann eine optimale Motorleistung ausgewählt werden und in dem Motor 200 kann ein zusätzlicher Ausfall verhindert oder reduziert werden.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Fahrzeuge wie etwa PKW sind typischerweise mit einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung ausgestattet. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung erzeugt ein Hilfsdrehmoment, das dem Lenkdrehmoment eines Lenksystems hinzugefügt wird, welches dadurch erzeugt wird, dass ein Fahrer ein Lenkrad dreht. Das Hilfsdrehmoment wird durch einen Hilfsdrehmomentmechanismus erzeugt und kann eine Belastung des Fahrers beim Drehen eines Lenkrades reduzieren. Beispielsweise kann der Hilfsdrehmomentmechanismus einen Lenkdrehmomentsensor, eine ECU, einen Motor und einen Verzögerungsmechanismus, usw. umfassen. Der Lenkdrehmomentsensor detektiert ein Lenkdrehmoment in dem Lenksystem. Die ECU erzeugt ein Antriebssignal auf der Basis eines Detektionssignals von dem Lenkdrehmomentsensor. Der Motor erzeugt ein Hilfsdrehmoment in Abhängigkeit von dem Lenkdrehmoment auf der Basis des Motorantriebssignals. Das Hilfsdrehmoment wird durch den Verzögerungsmechanismus an das Lenksystem übertragen.
  • Die Motorantriebseinheit 400 der vorliegenden Offenbarung wird vorzugsweise bei der elektrischen Servolenkungsvorrichtung verwendet. 21 zeigt auf schematische Weise eine Konfiguration einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung 500 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 umfasst ein Lenksystem 520 und einen Hilfsdrehmomentmechanismus 540.
  • Das Lenksystem 520 umfasst beispielsweise ein Lenkrad 521, eine Lenkwelle 522 (auch „Lenksäule“ genannt), universelle Kopplungen 523A und 523B, eine Drehwelle 524 (auch „Ritzelwelle“ oder „Eingangswelle“ genannt), einen Zahnstange- und Ritzelmechanismus 525, eine Zahnstangenwelle 526, ein rechtes und ein linkes Kugelgelenk 552A und 552B, Spurstangen 527A und 527B, Gelenke 528A und 528B, und ein linkes und ein rechtes lenkbares Rad (z. B. ein linkes und ein rechtes Vorderrad) 529A und 529B. Das Lenkrad 521 ist durch die Lenkwelle 522 und die universalen Kopplungen 523A und 523B mit der Drehwelle 524 verknüpft. Die Drehwelle 524 ist durch den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 mit der Zahnstangenwelle 526 verknüpft. Der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 weist ein Ritzel 531, das auf der Drehwelle 524 bereitgestellt ist, und eine Zahnstange 532 auf, die auf der Zahnstangenwelle 526 bereitgestellt ist. Ein rechtes Ende der Zahnstangenwelle 526 ist durch das Kugelgelenk 552A, die Spurstange 527A und das Gelenk 528A in dieser Reihenfolge mit dem rechten lenkbaren Rad 529A verknüpft, wobei sich das Kugelgelenk 552A am nächsten zu dem rechten Ende der Zahnstangenwelle 526A befindet. Wie bei der rechten Seite ist ein linkes Ende der Zahnstangenwelle 526 durch das Kugelgelenk 552B, die Spurstange 572B und das Gelenk 528B in dieser Reihenfolge mit dem linken lenkbaren Rad 529B verknüpft, wobei sich das Kugelgelenk 552B am nächsten zu dem linken Ende der Zahnstangenwelle 526 befindet. Hier entsprechen die rechte Seite und die linke Seite der rechten Seite bzw. linken Seite eines Fahrers, der in einem Sitz sitzt.
  • Bei dem Lenksystem 520 wird ein Lenkdrehmoment dadurch erzeugt, dass ein Fahrer das Lenkrad 521 dreht, und wird durch den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 zu dem linken und dem rechten lenkbaren Rad 529A und 529B übertragen. Folglich kann der Fahrer das linke und das rechte lenkbare Rad 529A und 529B steuern.
  • Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 umfasst beispielsweise einen Lenkdrehmomentsensor 541, eine ECU 542, einen Motor 543, einen Verzögerungsmechanismus 544 und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 545. Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 legt an dem Lenksystem 520 ein Hilfsdrehmoment an, einschließlich von dem Lenkrad 521 zu dem linken und dem rechten lenkbaren 529A und 529B. Es ist zu beachten, dass das Hilfsdrehmoment auch „Zusatzdrehmoment“ genannt werden kann.
  • Als ECU 542 kann die Steuerschaltung 300 des Ausführungsbeispiels verwendet werden. Als Leistungsumwandlungsvorrichtung 545 kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels verwendet werden. Der Motor 543 ist äquivalent zu dem Motor 200 des Ausführungsbeispiels. Als mechanisch und elektronisch integrierte Einheit, die die ECU 542, den Motor 543 und die Leistungsumwandlungsvorrichtung 545 umfasst, kann vorzugsweise die Motorantriebseinheit 400 des Ausführungsbeispiels verwendet werden.
  • Der Lenkdrehmomentsensor 541 detektiert ein Lenkdrehmoment, das an dem Lenksystem 520 unter Verwendung des Lenkrades 521 angelegt wird. Die ECU 542 erzeugt ein Antriebssignal zum Antreiben des Motors 543 auf der Basis eines Detektionssignals (im Folgenden als „Drehmomentsignal“ bezeichnet) von dem Lenkdrehmomentsensor 541. Der Motor 543 erzeugt ein Hilfsdrehmoment in Abhängigkeit von dem Lenkdrehmoment auf der Basis des Antriebssignais. Das Hilfsdrehmoment wird durch den Verzögerungsmechanismus 544 auf die Drehwelle 524 des Lenksystems 520 übertragen. Der Verzögerungsmechanismus 544 ist beispielsweise ein Schneckengetriebemechanismus. Das Hilfsdrehmoment wird ferner von der Drehwelle 524 auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 übertragen.
  • Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 kann gemäß einem Abschnitt des Lenksystems 520, zu dem das Hilfsdrehmoment hinzugefügt wird, in folgende Typen kategorisiert werden: Ritzelhilfstyp, Zahnstangenhilfstyp, Säulenhilfstyp, usw. 21 veranschaulicht die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 vom Ritzelhilfstyp. Es ist zu beachten, dass die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 vom Zahnstangenhilfstyp, Säulenhilfstyp, usw. sein kann.
  • Zusätzlich zu dem Drehmomentsignal kann beispielsweise ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal in die ECU 542 eingegeben werden. Ein Teil einer externen Ausrüstung 560 kann beispielsweise ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor sein. Alternativ dazu kann die externe Ausrüstung 560 beispielsweise eine weitere ECU sein, die mit der ECU 542 über ein fahrzeuginternes Netzwerk kommuniziert, z. B. ein Controller Area Network (CAN). Die Mikrosteuerung der ECU 542 kann an dem Motor 543 eine Vektorsteuerung oder eine PWM-Steuerung auf der Basis des Drehmomentsignals und des Geschwindigkeitssignals, usw. ausführen.
  • Die ECU 542 bestimmt einen gewünschten Stromwert zumindest auf der Basis des Drehmomentsignals. Die ECU 542 bestimmt den gewünschten Stromwert vorzugsweise unter Berücksichtigung des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, das durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor detektiert wird, und zusätzlich dazu eines Rotordrehsignals, das durch einen Winkelsensor 320 detektiert wird. Die ECU 542 kann ein Antriebssignal, d. h. einen Antriebsstrom, für den Motor 543 derart steuern, dass ein durch einen Stromsensor 170 detektierter tatsächlicher Stromwert dem gewünschten Stromwert gleicht.
  • Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 kann durch die Zahnstangenwelle 526 unter Verwendung eines Zusammensetzungsdrehmoments, das durch Hinzufügen des Hilfsdrehmoments des Motors 543 zum Lenkdrehmoment eines Fahrers erhalten wird, das linke und das rechte lenkbare Rad 529A und 529B steuern. Falls die Motorantriebseinheit 400 der vorliegenden Offenbarung auf die obige mechanisch und elektronisch integrierte Einheit angewandt wird, ist im Einzelnen eine elektrische Servolenkungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Motorantriebseinheit umfasst, bei der die Qualität von Teilen verbessert sein kann und sowohl unter einer normalen als auch anomalen Bedingung eine geeignete Stromsteuerung ausgeführt werden kann.
  • In dem Vorgenannten wurden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die obigen Ausführungsbeispiele sind lediglich veranschaulichend, und es nicht beabsichtigt, dass dieselben die Technologie der vorliegenden Offenbarung einschränken. Die Komponenten der obigen Ausführungsbeispiele können je nach Eignung kombiniert werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können auf eine Vielzahl von Vorrichtungen angewendet werden, darunter verschiedene Motoren wie Staubsauger, Trockner, Deckenventilatoren, Waschmaschinen, Kühlschränke und elektrische Servolenkungsvorrichtungen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Leistungsumwandlungsvorrichtung
    101
    Leistungsversorgung
    102
    Spule
    103
    Kondensator
    110
    erster Inverter
    111H, 112H, 113H, 141H, 142H, 143H
    hochseitiges Umschaltelement (FET)
    111L, 112L, 113L, 141L, 142L, 143L
    tiefseitiges Umschaltelement (FET)
    111R, 112R, 113R, 141R, 142R, 143R
    Nebenschlusswiderstand
    121, 122, 123, 124, 125, 126
    Schenkel
    131, 132, 133
    H-Brücke
    140
    zweiter Inverter
    200
    Elektromotor
    300
    Steuerschaltung
    310
    Leistungsversorgungsschaltung
    320
    Winkelsensor
    330
    Eingangsschaltung
    340
    Mikrosteuerung
    350
    Antriebsschaltung
    351
    Detektionsschaltung
    360
    ROM
    400
    Motorantriebseinheit
    500
    elektrische Servolenkungsvorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2014192950 [0007]

Claims (12)

  1. Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Umwandeln von Leistung, die einem Elektromotor mit n Phasenwicklungen (n ist eine Ganzzahl von drei oder mehr) zuzuführen ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Inverter, mit dem ein Ende jeder Phasenwicklung des Elektromotors gekoppelt ist; einen zweiten Inverter, mit dem das andere Ende jeder Phasenwicklung gekoppelt ist; eine Steuerschaltung, die eine n-Phasenleitungssteuerung an dem ersten und dem zweiten Inverter ausführt; und eine Detektionsschaltung, die einen Ausfall in einer Mehrzahl von Umschaltelementen detektiert, die in dem ersten und dem zweiten Inverter enthalten sind, wobei die Steuerschaltung die Steuerung des ersten und des zweiten Inverters von der n-Phasenleitungssteuerung zu der m-Phasenleitungssteuerung wechselt, die m Phasen der n Phasen verwendet, die sich von der Phase einer Wicklung unterscheiden, die mit dem ausgefallenen Umschaltelement gekoppelt ist (m ist eine Ganzzahl, die nicht kleiner als zwei ist und kleiner als n ist), wenn die Detektionsschaltung einen Ausfall in einem der Mehrzahl von Umschaltelementen detektiert hat.
  2. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Inverter jeweils n Schenkel umfassen, die jeweils ein tiefseitiges Umschaltelement und ein hochseitiges Umschaltelement aufweisen.
  3. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Mehrzahl von Umschaltelementen des ersten und des zweiten Inverters eine Mehrzahl von H-Brücken bildet.
  4. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Steuerschaltung, wenn das ausgefallene Umschaltelement in dem ersten Inverter enthalten ist, die m-Phasenleitungssteuerung unter Verwendung von 2m Schenkeln ausführt, die sich von einem ausgefallenen Schenkel, der das ausgefallenen Umschaltelement enthält, und einem Schenkel des zweiten Inverters unterscheiden, der in einer durch den ausgefallenen Schenkel und den Schenkel des zweiten Inverters gebildeten H-Brücke enthalten ist.
  5. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2-4, bei der die Steuerschaltung, wenn das ausgefallene Umschaltelement in dem ersten Inverter enthalten ist, die m-Phasenleitungssteuerung ausführt, wobei das Umschaltelement außer dem ausgefallenen Umschaltelement des ausgefallenen Schenkels ausgeschaltet ist und alle Umschaltelemente eines Schenkels des zweiten Inverters in einer durch den ausgefallenen Schenkel und den Schenkel des zweiten Inverters gebildeten H-Brücke ausgeschaltet sind.
  6. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, die ferner Folgendes aufweist: 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände.
  7. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2-5, die ferner Folgendes aufweist: 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände, wobei die 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände zwischen 2n oder weniger tiefseitige Umschaltelemente der 2n Schenkel des ersten und des zweiten Inverters und eine Masse gekoppelt sind.
  8. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, die ferner Folgendes aufweist: einen Nebenschlusswiderstand, der zwischen den ersten Inverter und eine Masse gekoppelt ist, und einen Nebenschlusswiderstand, der zwischen den zweiten Inverter und eine Masse gekoppelt ist.
  9. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-8, bei der die Mehrzahl von Umschaltelementen jeweils ein Transistor mit einer Gate-Elektrode, einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode ist, und die Detektionsschaltung eine Drain-Source-Spannung des Transistors mit einer Schwellspannung vergleicht, um einen Ausfall in dem Transistor zu detektieren.
  10. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-9, bei der der Elektromotor drei Phasenwicklungen aufweist, wobei die Steuerschaltung, wenn die Detektionsschaltung einen Ausfall in einem der Mehrzahl von Umschaltelementen detektiert hat, die Steuerung des ersten und des zweiten Inverters von einer Dreiphasenleitungssteuerung zu einer Zweiphasenleitungssteuerung wechselt.
  11. Eine Motorantriebseinheit, die folgende Merkmale aufweist: die Leitungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-10; und den Elektromotor.
  12. Eine elektrische Servolenkungsvorrichtung, die folgendes Merkmal aufweist: die Motorantriebseinheit gemäß Anspruch 11.
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