DE112018001171B4

DE112018001171B4 - Antriebssteuervorrichtung für elektromotor und antriebssteuerverfahren dafür

Info

Publication number: DE112018001171B4
Application number: DE112018001171.2T
Authority: DE
Inventors: Haruhiko Fujita; Hirofumi Watanabe
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: DE112018001171T5; CN110383666B; CN110383666A; US20200036318A1; US10833621B2; WO2018163928A1; JP2018148693A

Abstract

Antriebssteuervorrichtung für einen Elektromotor (10), umfassend:eine Wechselrichterschaltung (21), die konfiguriert ist, um den Elektromotor (10) anzutreiben;einen Nebenschlusswiderstand (22) zum Erfassen eines Busstroms (Im) in der Wechselrichterschaltung (21);eine mehrschichtige Leiterplatte (20), auf der die Wechselrichterschaltung (21) und der Nebenschlusswiderstand (22) montiert sind;einen stromaufwärtigen Verdrahtungsabschnitt (21a) und einen stromabwärtigen Verdrahtungsabschnitt (21b) der Wechselrichterschaltung (21), die einander gegenüberliegend in benachbarten Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte (20) angeordnet sind, wobei die benachbarten Schichten jeweils zwischen sich eine Isolierschicht angeordnet haben;eine Abtastmusterschicht (PSu, PSv, PSw, PSr), die auf der mehrschichtigen Leiterplatte (20) vorgesehen ist und die einen Ableitstrom (Is) zum Nebenschlusswiderstand (22) leitet, der vom stromaufwärts gelegenen Leitungsabschnitt (21a) zum stromabwärts gelegenen Leitungsabschnitt (21b) fließt; undeine Steuereinheit (30), die konfiguriert ist, um ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) in die Wechselrichterschaltung (21) einzugeben, um eine Steuerung durchzuführen und ein Vorhandensein oder Fehlen des Ableitstroms (Is) basierend auf einem Strom, der durch den Nebenschlusswiderstand (22) während einer Periode fließt, in der ein Regenerativstrom im Elektromotor (10) erzeugt wird, zu bestimmen.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuervorrichtung für Elektromotoren, bei der eine Wechselrichterschaltung und ein Nebenschlusswiderstand zum Erfassen eines Busstroms auf einer mehrschichtigen Leiterplatte montiert sind, und bezieht sich auf ein Antriebssteuerverfahren für diese.
HINTERGRUND
Das Patentdokument 1 offenbart einen Stromrichter, bei dem die Verdrahtung eines Hauptkreises aus einer Leiterplatte mit mehreren übereinander gestapelten Schichten besteht. Eine Vielzahl von positiven und negativen DC-Hauptschaltleitern des Stromrichters sind jeweils in der Leiterplatte vorgesehen, und diese positiven und negativen DC-Hauptschaltleiter sind abwechselnd mit dazwischen liegenden Isolationsschichten laminiert.
Das Patentdokument 2 beschreibt eine mehrschichtige Leiterplatte für eine Antriebssteuerung eines Elektromotors, bei der Verdrahtungsabschnitte so angeordnet sind, dass eine Induktivität verringert wird.
Das Patentdokument 3 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Leckströmen in Stromrichterschaltungen, speziell eines Erdschlussstroms. Das Verfahren beruht darauf, dass der während der Nullvektorphasen durch einen Shunt-Widerstand fließenden Strom gemessen wird. Ein Leckstrom wird detektiert, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.
REFERENZDOKUMENTLISTE
PATENTSCHRIFT

Patentdokument 1: JP 2000-102253 A
Patentdokument 2: US 2011/0011633 A1
Patentdokument 3: US 8,645,087 B2

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEM, DAS DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN IST
In einer solchen mehrschichtigen Leiterplatte verschlechtert sich aufgrund der Wärmebelastung durch Wärme, die durch montierte elektronische Komponenten, Alterung und dergleichen erzeugt wird, die Isolationsschicht zwischen den Leitungen (DC-Hauptkreisleiter), und es kann ein Ableitstrom zwischen den Leitungen mit der dazwischen liegenden Isolationsschicht auftreten. Um einen solchen Ableitstrom zu erfassen, muss ein Stromsensor vorgesehen werden, was die Produktkosten erhöht.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorgenannten Umstände gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebssteuervorrichtung für einen Elektromotor bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Ableitstrom einer mehrschichtigen Leiterplatte zu erfassen, ohne einen Stromsensor bereitstellen zu müssen, und ein Antriebssteuerverfahren dafür bereitzustellen.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
In einer Antriebssteuervorrichtung für einen Elektromotor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Antriebssteuervorrichtung: eine Wechselrichterschaltung, die konfiguriert ist, um den Elektromotor anzutreiben; einen Nebenschlusswiderstand zum Erfassen eines Busstroms in der Wechselrichterschaltung; eine mehrschichtige Leiterplatte, auf der die Wechselrichterschaltung und der Nebenschlusswiderstand montiert sind; einen stromaufwärts gerichteten Verdrahtungsabschnitt und einen stromabwärts gerichteten Verdrahtungsabschnitt der Wechselrichterschaltung, die einander gegenüberliegend in benachbarten Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet sind, wobei die benachbarten Schichten jeweils zwischen sich eine Isolierschicht angeordnet haben; eine Abtastmusterschicht, die auf der mehrschichtigen Leiterplatte vorgesehen ist und die einen Leckstrom, der vom stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt zum stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt fließt, zum Nebenschlusswiderstand leitet; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) in die Wechselrichterschaltung einzugeben, um eine Steuerung durchzuführen und ein Vorhandensein oder eine Abwesenheit des Leckstroms basierend auf einem Strom zu bestimmen, der während einer Periode, in der ein regenerativer Strom in dem Elektromotor erzeugt wird, durch den Nebenschlusswiderstand fließt.
Darüber hinaus hat ein Antriebssteuerverfahren für einen Elektromotor gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Elektromotor, der eine Inverterschaltung umfasst, die konfiguriert ist, um den Elektromotor anzutreiben; einen Nebenschlusswiderstand zum Erfassen eines Busstroms in der Inverterschaltung; eine mehrschichtige Leiterplatte, auf der die Inverterschaltung und der Nebenschlusswiderstand montiert sind; einen stromaufwärtigen Verdrahtungsabschnitt und einen stromabwärtigen Verdrahtungsabschnitt der Inverterschaltung, die einander gegenüberliegend in benachbarten Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet sind, wobei die benachbarten Schichten jeweils dazwischen eine Isolierschicht aufweisen; eine Abtastmusterschicht, die auf der mehrschichtigen Leiterplatte vorgesehen ist und die einen Leckstrom, der vom stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt zum stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt fließt, zum Nebenschlusswiderstand leitet; und eine Steuereinheit, die zum Antreiben des Elektromotors konfiguriert ist, wobei das Verfahren die Schritte des Eingebens und Steuerns eines Pulsweitenmodulationssignals (PWM) von der Steuereinheit in die Wechselrichterschaltung zum Antreiben des Elektromotors umfasst; und des Bestimmens durch die Steuereinheit eines Vorhandenseins oder Fehlens des Leckstroms basierend auf einem Strom, der durch den Nebenschlusswiderstand während einer Periode fließt, in der ein Regenerationsstrom in dem Elektromotor erzeugt wird.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Erfindung wird ein Ableitstrom unter Verwendung einer Abtastmusterschicht, die in einer mehrschichtigen Leiterplatte vorgesehen ist, und eines Nebenschlusswiderstandes zum Erfassen eines Busstroms erfasst. Da in dem Nebenschlusswiderstand während einer Zeitspanne, in der in einem Elektromotor ein regenerativer Strom erzeugt wird, kein Strom fließt, ist es möglich, das Vorhandensein oder Fehlen des Ableitstroms zu bestimmen, indem man erkennt, ob der Strom während dieser Zeitspanne fließt oder nicht.
Daher kann nach der vorliegenden Erfindung der Ableitstrom in der mehrschichtigen Leiterplatte erkannt werden, ohne einen Stromsensor bereitstellen zu müssen, und ein Anstieg der Produktkosten kann vermieden werden.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan, der eine schematische Konfiguration einer Antriebssteuervorrichtung eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Schaltplan, der ein weiteres Konfigurationsbeispiel einer Wechselrichterschaltung in der Antriebssteuervorrichtung des Elektromotors gemäß 1 darstellt.
3 ist ein Schaltplan, der ein Konfigurationsbeispiel einer Stromerfassungseinheit in der Antriebssteuervorrichtung des in 1 dargestellten Elektromotors darstellt.
4 ist eine Draufsicht auf ein Verdrahtungsmuster der ersten Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte in der Antriebssteuervorrichtung des in 1 dargestellten Elektromotors.
5 ist eine Draufsicht auf ein Verdrahtungsmuster der zweiten Schicht der in 1 dargestellten mehrschichtigen Leiterplatte.
6 ist eine Draufsicht auf ein drittschichtiges Verdrahtungsmuster der in 1 dargestellten mehrschichtigen Leiterplatte.
7 ist eine Draufsicht auf ein vierlagiges Verdrahtungsmuster der in 1 dargestellten mehrlagigen Leiterplatte.
8 ist ein Wellenformdiagramm, das den Erfassungszeitpunkt eines Ableitstroms in der Antriebssteuervorrichtung des Elektromotors gemäß 1 darstellt.

MODUS ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
1 zeigt den schematischen Aufbau der Antriebssteuervorrichtung des Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Hauptteile, die sich auf die Erfassung des zwischen den Verdrahtungsmustern der mehrschichtigen Leiterplatte erzeugten Ableitstroms beziehen, entnommen werden.
In diesem Beispiel ist ein zu steuernder Elektromotor 10 ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor mit U-, V- und W-Phasen-Drehstromspulen 11u, 11v und 11w, die sternförmig mit einem zylindrischen Stator verbunden sind (nicht dargestellt). Der Permanentmagnet-Rotator (Rotor) ist drehbar in einem Raum angeordnet, der an dem zentralen Abschnitt des Stators ausgebildet ist. Die Stromsensoren 12u, 12v und 12w zum Erfassen des Stroms (Phasenstromes), der durch die dreiphasigen Spulen 11u, 11v und 11w fließt, sind jeweils in Reihe mit den dreiphasigen Spulen 11u, 11v und 11w verbunden. Der Elektromotor 10 wird antriebsgesteuert, indem er von der Antriebssteuervorrichtung mit einem Pulsweitenmodulationssignal (PWM) versorgt wird.
Die Antriebssteuervorrichtung besteht aus den elektronischen Komponenten, die auf einer mehrschichtigen Leiterplatte 20 und einer Steuereinheit 30, wie beispielsweise dem Mikrocomputer, montiert sind. Die elektronischen Komponenten wie eine Wechselrichterschaltung 21, ein Nebenschlusswiderstand 22, ein Phasenspannungsdetektor 23, ein Glättungskondensator 24, eine Filterschaltung 25, eine Stromerfassungseinheit 26, ein Abschaltrelais 27 und ein Rückflussverhinderungsrelais 28 werden beispielsweise durch Löten auf einer mehrschichtigen Leiterplatte 20 montiert.
Die Wechselrichterschaltung 21 besteht aus dreiphasig überbrückten Schaltelementen T1 bis T6. Obwohl jedes der Schaltelemente T1 bis T6 in diesem Beispiel einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet, können, wie in 2 dargestellt, andere Halbleitervorrichtungen zur Steuerung der elektrischen Leistung, wie Feldeffekttransistoren (FETs) Q1 bis Q6, verwendet werden. Zwischen dem Kollektor und dem Emitter jedes IGBTs sind die Kathode und die Anode einer entsprechenden Diode D1 bis D6 so verbunden, dass die Energierichtung umgekehrt wird. Bei den FETs werden im Drain- und Source-Bereich parasitäre Dioden D1' bis D6' gebildet.
Zwischen einem stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt 21a und einem stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt 21b der Wechselrichterschaltung 21 wird die Betriebsleistung von einer Gleichstromversorgung 40, wie beispielsweise der Batterie, über ein Abschaltrelais 27 geliefert, das auf einem elektrischen Kabel 40a für Stromversorgungen (heiße Verbindung), ein Rückflussverhinderungsrelais 28 und eine Filterschaltung 25 zur Geräuschdämpfung vorgesehen ist. Hier ist die Filterschaltung 25 vom LC-Typ, bestehend aus einem Induktor 25a und einem Kondensator 25b. Zusätzlich wird zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der Gleichstromversorgung 40 der Glättungskondensator 24 über das Abschaltrelais 27 und das Rückflussverhinderungsrelais 28 angeschlossen.
Der Ausgang der Steuervorrichtung 30 wird den Steueranschlüssen (Gate-Elektroden) der Schaltelemente T1 bis T6 im Wechselrichterschaltkreis 21 zugeführt (nicht dargestellt). Das Ein- und Ausschalten der Schaltelemente T1 bis T6 wird über PWM gesteuert, so dass die an dem Elektromotor 10 anliegende Spannung (Motoreingangsspannung) gesteuert wird.
Die Spannungen der U-, V- und W-Phase des Elektromotors 10 werden jeweils vom Phasenspannungsdetektor 23 erfasst. Der Phasenspannungsdetektor 23 besteht aus den Widerständen R1 bis R3 mit einem Ende, das mit den U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Antriebsleitungen 29u, 29v und 29w verbunden ist, und einem Widerstand R4, der zwischen den anderen Enden der Widerstände R1 bis R3 und der Erde verbunden ist. Die Phasenspannung wird vom Übergang der Widerstände R1 bis R3 und des Widerstands R4 ausgegeben. Diese Phasenspannung wird der Steuervorrichtung 30 zugeführt und dient zur Steuerung der Schaltelemente T1 bis T6.
Ein Ende des Nebenschlusswiderstandes 22 ist mit dem stromabwärtigen (masseseitigen) Verdrahtungsabschnitt 21b der Wechselrichterschaltung 21 verbunden, und das andere Ende ist über einen Draht für Masse (kalte Verbindung) 40b mit der negativen Elektrode der Gleichstromversorgung 40 verbunden. Der Nebenschlusswiderstand 22 ist vorgesehen zum Erfassen eines Busstroms Im, der durch den stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt 21b der Wechselrichterschaltung 21 fließt, und zum Steuern der Drehung des Elektromotors 10.
Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform der Nebenschlusswiderstand 22 auch zum Erfassen eines Ableitstroms Is verwendet, der durch die Isolierschichten fließt, die zwischen dem stromaufwärtigen Leitungsabschnitt 21a und dem stromabwärtigen Leitungsabschnitt 21b der Wechselrichterschaltung 21 angeordnet sind. Die Spannung über dem Nebenschlusswiderstand 22 wird der Stromerfassungseinheit 26 zum Erfassen des durch den Nebenschlusswiderstand fließenden Stroms zugeführt, und die Spannung für die Motorsteuerung und für die Kurzschluss-Stromerfassung wird dem A/D-Wandler zugeführt, der in der Steuereinheit 30 integriert ist.
3 zeigt das Konfigurationsbeispiel der Stromerfassungseinheit 26 in der Antriebssteuervorrichtung des Elektromotors 10 gemäß 1. Hier wird die Stromerfassungseinheit 26, die aus einem Verstärker 26a mit Verstärkung G1 und einem Verstärker 26b mit Verstärkung G2 (Verstärkung G1> G2) besteht, als Beispiel dargestellt. Die an dem Nebenschlusswiderstand 22 erzeugte Spannung wird durch den Verstärker 26a verstärkt. Die Offset-Vorspannung wird an den Verstärker 26a angelegt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 26a zum Steuern des Elektromotors 10 wird dem A/D-Wandler (ADC) in der Steuervorrichtung 30 als Signal zum Steuern des Elektromotors 10 zugeführt. Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Verstärkers 26a, das durch den Verstärker 26b weiter verstärkt wird, dem A/D-Wandler (ADC) in der Steuereinheit 30 als Signal für die Kurzschluss-Stromerkennung zugeführt.
Durch die vorstehend beschriebene Verwendung von zweistufigen Verstärkern 26a und 26b zur Erhöhung der Verstärkung kann der vom Nebenschlusswiderstand 22 erfasste Ableitstrom Is mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit überwacht werden. Insbesondere da der durch die Isolationsschichten fließende Kurzschluss-Strom klein ist, ermöglicht die Verstärkung des Signals durch die zweistufigen Verstärker 26a und 26b die Erkennung selbst eines kleinen Leckstroms, der nahe der Grenze der Erfassungsgenauigkeit liegt, wenn ein Stromsensor vorgesehen wäre.
4 bis 7 zeigen jeweils die Verdrahtungsmuster der ersten bis vierten Schicht der mehrschichtigen Leiterplatte 20 in der Antriebssteuervorrichtung des Elektromotors 10 gemäß 1. Zwischen jedem Verdrahtungsmusterpaar ist eine Isolierschicht angeordnet, d.h. zwischen der ersten und zweiten Schicht, zwischen der zweiten und dritten Schicht und zwischen den Verdrahtungsmustern der dritten und vierten Schicht. Die Verdrahtungsmuster der benachbarten Schichten sind einander gegenüberliegend angeordnet.
Ein in 4 dargestelltes Verdrahtungsmuster 20-1 der ersten Schicht dient als Montagefläche für die elektronischen Komponenten. Die Schaltelemente T1 bis T6, der Nebenschlusswiderstand 22, das Abschaltrelais 27 und das Rückflussverhinderungsrelais 28 und dergleichen sind an dem Verdrahtungsmuster 20-1 montiert.
Hier entfallen zur Vereinfachung der Darstellung Phasenspannungsdetektor 23, Glättungskondensator 24, Filterschaltung 25, Stromerfassungseinheit 26 und dergleichen.
Das Verdrahtungsmuster 20-1 der ersten Schicht ist mit Musterabschnitten P29u, P29v und P29w versehen, die den U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Antriebsleitungen 29u, 29v und 29w des Elektromotors 10 entsprechen, und mit Abtastmuster-Schichten PSu, PSv und PSw, die benachbart zu den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w angeordnet sind. Die Kollektoren der Schaltelemente T2, T4 und T6 sind mit den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w verbunden, und die Emitter der Schaltelemente T2, T4 und T6 sind mit den Abtastungsmuster-Schichten PSu, PSv und PSw verbunden. Der Elektromotor 10 ist über einen Stecker 50 für den Motoranschluss mit den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w verbunden.
Ein Musterabschnitt P40b, der einem Erdungsdraht 40b entspricht, ist separat in der Abtastmusterschicht PSu angeordnet, und die Abtastmusterschicht PSu und der Musterabschnitt P40b sind über den Nebenschlusswiderstand 22 elektrisch miteinander verbunden. Das Erfassen der Musterschichten PSu, PSv und PSw erkennt jeweils den Leckagefehler der elektronischen Komponenten im Wechselrichterkreis 21, beispielsweise den Einschaltausfall der Schaltelemente T1 bis T6. Der EIN-Fehler wird erkannt, wenn eines der Schaltelemente T1-T6 im EIN-Zustand bleibt und der Strom zu dem Zeitpunkt weiterfließt, zu dem das Schaltelement ausgeschaltet werden soll.
Wenn beispielsweise die Steuereinheit 30 erkennt, dass der durch den Nebenschlusswiderstand 22 fließende Stromwert den zweiten vorgegebenen Wert überschreitet, der größer ist als der erste vorgegebene Wert für die Ableitstromerkennung, bestimmt die Stromerfassungseinheit 26, dass das Schaltelement nicht ausgeschaltet werden konnte. In diesem Fall kann ein großer Strom fließen, der eine abnormale Wärmeentwicklung und ein Ausbrennen der Wechselrichterschaltung 21 und anderer elektronischer Komponenten verursacht, so dass die Steuervorrichtung 30 das Abschaltrelais 27 ausschaltet, um den Antrieb des Elektromotors 10 sofort zu stoppen.
Zusätzlich sind die Emitter der Schaltelemente T1, T3 und T5 mit jeweils den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w und die Kollektoren der Schaltelemente T1, T3 und T5 mit einem Musterabschnitt P21a verbunden, der dem stromaufwärts liegenden Verdrahtungsabschnitt 21a der Wechselrichterschaltung 21 entspricht. Ein Musterabschnitt P40a, der dem elektrischen Draht 40a für Stromversorgungen entspricht, ist angrenzend an den Musterabschnitt P21a, der dem stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt 21a entspricht, angeordnet, um einen Musterabschnitt P40c dazwischen zu schichten. Der Musterabschnitt P40c entspricht dem Draht, der das Abschaltrelais 27 und das Rückflussverhinderungsrelais 28 verbindet. Der Musterabschnitt P40a und der Musterabschnitt P40c sind über das Abschaltrelais 27 verbunden, und der Musterabschnitt P40c und der Musterabschnitt P21a sind über das Rückflussverhinderungsrelais 28 verbunden. Ein Verbinder 51 für den Anschluss der Stromversorgungsleitung zum Anschluss an die Gleichstromversorgung 40 ist mit dem Musterabschnitt P40a und dem Musterabschnitt P40b verbunden.
Ein in 5 dargestelltes Verdrahtungsmuster der zweiten Schicht (innere Schicht 1) 20-2 ist mit einer Abtastmusterschicht PSr versehen, die durch die Isolationsschicht (nicht dargestellt) den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w, den Abtastmuster-Schichten PSu, PSv und PSw und dem Musterabschnitt P21a der ersten Schicht zugewandt ist. Die sensitive Musterschicht PSr hat eine größere Fläche als diese Muster. Die Sensormusterschicht PSr erfasst den Leckstrom, der in den Isolationsschichten zwischen dem Verdrahtungsmuster der ersten und dritten Schicht erzeugt wird, und ist über den Nebenschlusswiderstand 22 mit dem Musterabschnitt P40b entsprechend dem Erdungsdraht 40b verbunden. Diese Abtastmusterschicht PSr und die Abtastmusterschichten PSu, PSv und PSw sind über die Durchgangsbohrungen verbunden, um den stromabwärtigen Verdrahtungsabschnitt 21b der Wechselrichterschaltung 21 zu bilden, und der durch den stromabwärtigen Verdrahtungsabschnitt 21b fließende Strom wird zu einem Ende des Nebenschlusswiderstandes 22 geführt.
Zusätzlich sind der Musterabschnitt P40a aus Elektrodraht 40a für Stromversorgungen und der Musterabschnitt P40c an der Stelle angeordnet, die dem Verdrahtungsmuster 20-1 der ersten Schicht entspricht.
Auf einem in 6 dargestellten Verdrahtungsmuster der dritten Schicht (innere Schicht 2) 20-3 sind die Musterabschnitte P29u, P29v und P29w an der Stelle angeordnet, die den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w des Verdrahtungsmusters 20-1 der ersten Schicht entspricht. Die Musterabschnitte P29u, P29v und P29w des Verdrahtungsmusters 20-3 der dritten Schicht haben größere Flächen als die des Verdrahtungsmusters 20-1 der ersten Schicht. Zusätzlich sind die Musterabschnitte P40a, P40c, P21a und P40b entsprechend denen der ersten und zweiten Schicht angeordnet.
Die Musterabschnitte P29u, P29v und P29w, die mit denen der dritten Schicht identisch sind, sind auf einem in 7 dargestellten Verdrahtungsmuster 20-4 der vierten Schicht (Lötfläche) angeordnet. Zusätzlich werden die Musterteile P40a, P40c, P21a und P40b angeordnet.
Wechselrichterschaltung 21, Nebenschlusswiderstand 22, Abschaltrelais 27, Rückflussverhinderungsrelais 28 und dergleichen sind durch Löten an dem Verdrahtungsmuster 20-4 montiert.
Die Gleichstromversorgung 40 wird an die Musterabschnitte P40a und P40b in den Verdrahtungsmustern der ersten bis vierten Schicht 20-1 bis 20-4 der mehrschichtigen Leiterplatte 20 über den Verbinder 51 angelegt. Die Gleichstromversorgung 40 wird dem Musterabschnitt P21a über das Abschaltrelais 27 und das Rückflussverhinderungsrelais 28 zugeführt und auch vom Musterabschnitt P40b über den Nebenschlusswiderstand 22 den Abtastungsmusterschichten PSu, PSv, PSw und PSr zugeführt. Dadurch wird die Betriebsleistung zwischen dem stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt 21a und dem stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt 21b der Wechselrichterschaltung 21 zugeführt, und das PWM-Signal gemäß dem Ein-Aus-Zustand der Schaltelemente T1 bis T6 wird den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w zugeführt, die den Antriebsleitungen 29u, 29v und 29w entsprechen. Anschließend wird der Elektromotor 10, der über den Stecker 50 mit den Musterabschnitten P29u, P29v und P29w verbunden ist, durch die PWM-Steuerung angetrieben.
Anschließend wird die Vorgehensweise zum Erfassen des Ableitstroms in der oben beschriebenen Konfiguration beschrieben. 8 zeigt den Erfassungszeitpunkt des Ableitstroms befindet sich in der Antriebssteuervorrichtung des in 1 dargestellten Elektromotors. In einem PWM-Zyklus können nur zweiphasige Busströme erfasst werden, und die verbleibende eine Phase wird aus der Summe der einzelnen Ströme „0“ geschätzt. 8 zeigt ein Beispiel, in dem ein W-Phasenstrom -lw und ein U-Phasenstrom lu zu den durch die Pfeile angegebenen Zeiten erfasst werden und die durch den Nebenschlusswiderstand 22 erfasste Spannung von der Stromerfassungseinheit 26 an den A/D-Wandler in der Steuereinheit 30 zur Digitalisierung zugeführt wird. Die Steuervorrichtung 30 erhält aus der digitalisierten Spannung den W-Phasenstrom -lw und den U-Phasenstrom lu. Die Steuervorrichtung 30 berechnet einen V-Phasenstrom Iv aus dem Verhältnis „lu + Iv + Iv + Iw = 0“.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Ableitstrom basierend auf dem Strom bestimmt, der durch den Nebenschlusswiderstand 22 während der Zeitspanne fließt, in der der regenerative Strom im Elektromotor 10 im PWM-Zyklus erzeugt wird. Das heißt, der Busstrom Im fließt normalerweise nicht während der Regenerationsperiode der PWM-Steuerung. Der Strom fließt jedoch, wenn beispielsweise die Isolationsschichten, die zwischen den Verdrahtungsmustern 20-1 und 20-3 der ersten und dritten Schicht in der mehrschichtigen Leiterplatte 20 angeordnet sind, abgebaut und verkohlt werden, um den Weg des Ableitstroms Is zu bilden. Der Leckstrom wird durch die Abtastung der Musterschicht PSr empfangen und zum Nebenschlusswiderstand 22 geführt. Dann wird während der Zeit, in der der Rückspeisestrom im Elektromotor 10 erzeugt wird, die Spannung an dem Nebenschlusswiderstand 22 verstärkt und dem A/D-Wandler in der Steuervorrichtung 30 zugeführt, so dass die Spannung digitalisiert und erfasst wird.
Insbesondere, wenn der Strom durch den Nebenschlusswiderstand 22 fließt, beispielsweise wenn der Stromwert dieses Stroms weiterhin gleich oder größer als der erste vorgegebene Wert für einen vorbestimmten Zeitraum ist, wird bestimmt, dass der Ableitstrom vorhanden ist. Hier gilt: Je größer der vom Nebenschlusswiderstand 22 erfasste Stromwert, desto kürzer ist die vorgegebene Zeitspanne, und der erste vorgegebene Wert ist der Stromwert, der kleiner als der maximale Strom zum Antreiben des Elektromotors 10 ist. Diese Daten können im Voraus in der Speichervorrichtung in der Steuereinheit 30 gespeichert werden und können zur Bestimmung des Zeitpunktes der Ableitstromerkennung herangezogen werden.
Wenn der Wert des durch den Nebenschlusswiderstand 22 fließenden Stroms den zweiten vorgegebenen Wert überschreitet, der größer als der erste vorgegebene Wert ist, kann die abnormale Wärmeentwicklung der mehrschichtigen Leiterplatte 20 und das Ausbrennen der elektronischen Teile durch Abschalten des Abschaltrelais 27 unterdrückt werden, um die Versorgung der Gleichstromversorgung 40 abzuschalten, um den Antrieb des Elektromotors 10 sofort zu stoppen.
Gemäß der obigen Konfiguration kann der Ableitstrom durch den Einsatz des Nebenschlusswiderstandes 22 zum Erfassen des Busstroms während der Zeit, in der der Rückspeisestrom in Elektromotor 10 erzeugt wird, erfasst werden, so dass der Stromsensor nicht vorgesehen werden muss. Die Sensormusterschicht PSr kann das Leitermuster bei der Bildung einer mehrschichtigen Leiterplatte 20 bilden, beispielsweise bei der Bildung eines stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitts 21a oder eines stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitts 21b, und somit können erhöhte Produktkosten vermieden werden.
Darüber hinaus kann die obige Konfiguration auch den EIN-Fehler erkennen, bei dem eines der Schaltelemente T1 bis T6 im Wechselrichterschaltkreis 21 im EIN-Zustand bleibt und der Strom zum Zeitpunkt des Ausschaltens des Schaltelements weiterfließt. Darüber hinaus kann ein Effekt erzielt werden, dass die großflächige, über den Nebenschlusswiderstand elektrisch geerdete Abtastmusterschicht PSr zwischen den beiden Verdrahtungsabschnitten 21a und 21b eingefügt wird, so dass das vom mehrschichtigen Verdrahtungssubstrat 20 emittierte elektromagnetische Strahlungsrauschen abgeschirmt und unterdrückt werden kann.
In der obigen Ausführungsform wurde das nachgeschaltete Nebenschlussverfahren, das den auf der Erdungsseite der Wechselrichterschaltung 21 vorgesehenen Nebenschlusswiderstand 22 zum Erfassen des Ableitstroms Is verwendet, als Beispiel beschrieben. Die vorliegende Erfindung gilt aber auch für das vorgeschaltete NebenschlussVerfahren, das den Busstrom auf der Stromversorgungsseite erfasst.
Darüber hinaus sind die Anordnung und Formen der Abtastmuster-Schichten PSu, PSv, PSw und PSr nur Beispiele, und es ist natürlich möglich, dass sie entsprechend den geforderten Eigenschaften in verschiedene Formen und Größen verformt werden können.
Obwohl die vorstehende Ausführungsform das Beispiel beschreibt, in dem die Steuereinheit 30 getrennt von der mehrschichtigen Leiterplatte 20 vorgesehen ist, kann die Steuereinheit 30 auch auf der mehrschichtigen Leiterplatte 20 montiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit der oben genannten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannte Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Änderungen in der Umsetzungsphase können vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Die vorstehende Ausführungsform umfasst die Erfindung in verschiedenen Phasen, und verschiedene Erfindungen können durch geeignete Kombination der Vielzahl der offenbarten Merkmale extrahiert werden. Selbst wenn beispielsweise einige Merkmale aus allen in der Ausführungsform dargestellten Merkmalen weggelassen werden, wenn mindestens eines der in Problem zu lösen durch die Erfindung dargestellten Probleme gelöst werden kann und mindestens einer der in Effects of the Invention dargestellten Effekte erzielt werden kann, kann die Konfiguration, aus der solche Merkmale weggelassen werden, als Erfindung extrahiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Elektromotor
11u, 11v, 11v, 11w: Dreiphasenspule
20: Mehrschichtige Leiterplatte
20-1 bis 20-4: Verdrahtungsmuster
21: Wechselrichterschaltung
21a: Vorgeschalteter Verdrahtungsabschnitt
21 b: Nachgeschalteter Verdrahtungsabschnitt
22: Nebenschlusswiderstand
26: Stromerfassungseinheit
29u, 29v, 29w: Antriebsleitungen für Phasen U, V, W
30: Steuereinheit (Mikrocomputer)
T1 bis T6: Schaltelement
PSu, PSv, PSw, PSr: Sensormusterschicht
P21a, P29u, P29v, P29w: Musterabschnitte von Verdrahtungsmustern
Is: Leckstrom
Im: Busstrom

Claims

Antriebssteuervorrichtung für einen Elektromotor (10), umfassend: eine Wechselrichterschaltung (21), die konfiguriert ist, um den Elektromotor (10) anzutreiben; einen Nebenschlusswiderstand (22) zum Erfassen eines Busstroms (Im) in der Wechselrichterschaltung (21); eine mehrschichtige Leiterplatte (20), auf der die Wechselrichterschaltung (21) und der Nebenschlusswiderstand (22) montiert sind; einen stromaufwärtigen Verdrahtungsabschnitt (21a) und einen stromabwärtigen Verdrahtungsabschnitt (21b) der Wechselrichterschaltung (21), die einander gegenüberliegend in benachbarten Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte (20) angeordnet sind, wobei die benachbarten Schichten jeweils zwischen sich eine Isolierschicht angeordnet haben; eine Abtastmusterschicht (PSu, PSv, PSw, PSr), die auf der mehrschichtigen Leiterplatte (20) vorgesehen ist und die einen Ableitstrom (Is) zum Nebenschlusswiderstand (22) leitet, der vom stromaufwärts gelegenen Leitungsabschnitt (21a) zum stromabwärts gelegenen Leitungsabschnitt (21b) fließt; und eine Steuereinheit (30), die konfiguriert ist, um ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) in die Wechselrichterschaltung (21) einzugeben, um eine Steuerung durchzuführen und ein Vorhandensein oder Fehlen des Ableitstroms (Is) basierend auf einem Strom, der durch den Nebenschlusswiderstand (22) während einer Periode fließt, in der ein Regenerativstrom im Elektromotor (10) erzeugt wird, zu bestimmen.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Abtastmusterschicht (PAu, PSv, PSw, PSr) in der Isolationsschicht zwischen dem stromaufwärtigen Verdrahtungsabschnitt (21a) und dem stromabwärtigen Verdrahtungsabschnitt (21b) vorgesehen und mit einem Ende des Nebenschlusswiderstandes (22) elektrisch verbunden ist.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 1, wobei, wenn der Strom durch den Nebenschlusswiderstand (22) während der Zeitspanne fließt, in der der rückspeisende Strom im Elektromotor (10) erzeugt wird, die Steuereinheit (30) bestimmt, dass der Ableitstrom (Is) vorhanden ist, wenn ein Stromwert weiterhin gleich oder größer als ein erster vorgegebener Wert für eine vorbestimmte Zeitspanne ist.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 3, wobei je größer der vom Nebenschlusswiderstand (22) erfasste Stromwert ist, desto kürzer ist die vorgegebene Zeitspanne.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 3, wobei der erste vorbestimmte Wert der Stromwert ist, der kleiner als der maximale Strom zum Antreiben des Elektromotors (10) ist.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (30) den Antrieb des Elektromotors (10) sofort stoppt, wenn der durch den Nebenschlusswiderstand (22) fließende Stromwert einen zweiten vorbestimmten Wert überschreitet, der größer als der erste vorbestimmte Wert ist.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 1, wobei entweder einer der stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitte (21a) oder der stromabwärts gelegene Verdrahtungsabschnitt (21b) der Wechselrichterschaltung (21), der eine Stromerkennung durch den Nebenschlusswiderstand (22) durchführt, einen größeren Bereich aufweist als der Verdrahtungsabschnitt (21a, 21b), der keine Stromerkennung durchführt.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Phasenspannungsdetektor (23) zum Erfassen von U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenspannungen des Elektromotors (10) umfasst, wobei der Steuereinheit (30) eine Phasenspannung vom Phasenspannungsdetektor (23) zugeführt wird, die zum Steuern eines Schaltelements (T1, T2, T3, T4, T5) verwendet wird, das die Wechselrichterschaltung (21) bildet.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 8, wobei der Phasenspannungsdetektor (23) erste bis dritte Widerstände (R1, R2, R3) mit einem Ende, das mit U-Phasen-, V-Phasen- bzw. W-Phasen-Antriebsleitungen des Elektromotors (10) verbunden ist, und einen vierten Widerstand (R4), der zwischen den anderen Enden der ersten bis dritten Widerstände (R1, R2, R3) und einer Masse verbunden ist, umfasst, und wobei die Phasenspannung von einer Verbindung des ersten bis dritten Widerstands (R1, R2, R3) und des vierten Widerstands (R4) ausgegeben wird.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Stromerfassungseinheit (26) zum Erfassen des durch den Nebenschlusswiderstand (22) fließenden Stroms umfasst, wobei der Steuereinheit (30) eine erste Spannung zur Motorsteuerung, die von der Stromerfassungseinheit (26) ausgegeben wird, und eine zweite Spannung zur Kurzschluss-Stromerfassung zugeführt wird.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 10, wobei die Stromerfassungseinheit (26) einen ersten Verstärker, der eine über den Nebenschlusswiderstand (22) erzeugte Spannung um eine erste Verstärkung verstärkt, und einen zweiten Verstärker, der ein Ausgangssignal des ersten Verstärkers um eine zweite Verstärkung verstärkt, die kleiner als die erste Verstärkung ist, umfasst, wobei das Ausgangssignal des ersten Verstärkers der Steuereinheit (30) als Ausgangssignal zur Steuerung des Elektromotors (10) zugeführt wird und ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers der Steuereinheit (30) als Ausgangssignal zur Kurzschluss-Stromerfassung zugeführt wird.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 11, wobei eine Offset-vorspannung an den ersten Verstärker angelegt wird.
Antriebssteuervorrichtung für den Elektromotor (10) nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (30) einen A/D-Wandler umfasst, dem das Ausgangssignal des ersten Verstärkers und das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers zugeführt werden.
Antriebssteuerverfahren für einen Elektromotor (10), der eine Inverterschaltung (21) umfasst, die konfiguriert ist, um den Elektromotor (10) anzutreiben; einen Nebenschlusswiderstand (22) zum Erfassen eines Busstroms (Im) in der Inverterschaltung (21) umfasst; eine mehrschichtige Leiterplatte (20) umfasst, auf der die Inverterschaltung (21) und der Nebenschlusswiderstand (22) montiert sind; einen stromaufwärts gerichteten Verdrahtungsabschnitt (21a) und einen stromabwärts gerichteten Verdrahtungsabschnitt (21b) der Inverterschaltung (21) umfasst, die einander gegenüberliegend in benachbarten Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte (20) angeordnet sind, wobei die benachbarten Schichten jeweils zwischen sich eine Isolierschicht angeordnet haben; eine Abtastmusterschicht (PSu, PSv, PSw, PSr) umfasst, die auf der mehrschichtigen Leiterplatte (20) vorgesehen ist und die einen Leckstrom (Is), der vom stromaufwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt (21a) zum stromabwärts gelegenen Verdrahtungsabschnitt (21b) fließt, zum Nebenschlusswiderstand (22) leitet; und eine Steuereinheit (30) umfasst, die zum Antreiben des Elektromotors (10) konfiguriert ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Eingeben und Steuern eines Pulsweitenmodulationssignals (PWM) von der Steuereinheit (30) an die Wechselrichterschaltung (21) zum Antreiben des Elektromotors (10); und Bestimmen eines Vorhandenseins oder Fehlens des Ableitstroms (Is) durch die Steuereinheit (30) basierend auf einem Strom, der durch den Nebenschlusswiderstand (22) während einer Periode fließt, in der ein Rückspeisestrom im Elektromotor (10) erzeugt wird.
Antriebssteuerverfahren für den Elektromotor (10) nach Anspruch 14, wobei, wenn der Strom durch den Nebenschlusswiderstand (22) während der Zeitspanne fließt, in der der rückspeisefähige Strom im Elektromotor (10) erzeugt wird, die Steuereinheit (30) bestimmt, dass der Ableitstrom (Is) vorhanden ist, wenn ein Stromwert weiterhin gleich oder größer als ein erster vorgegebener Wert für eine vorbestimmte Zeitspanne ist.
Antriebssteuerverfahren für den Elektromotor (10) nach Anspruch 15, wobei, je größer der vom Nebenschlusswiderstand (22) erfasste Stromwert ist, desto kürzer ist die vorgegebene Periode.
Antriebssteuerverfahren für den Elektromotor (10) nach Anspruch 15, wobei der erste vorbestimmte Wert der Stromwert ist, der kleiner als der maximale Strom zum Antreiben des Elektromotors (10) ist.
Antriebssteuerverfahren für den Elektromotor (10) nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit (30) den Antrieb des Elektromotors (10) sofort stoppt, wenn der durch den Nebenschlusswiderstand (22) fließende Stromwert einen zweiten vorbestimmten Wert überschreitet, der größer als der erste vorbestimmte Wert ist.
Antriebssteuerverfahren für den Elektromotor (10) nach Anspruch 14, wobei die Steuereinheit zweiphasige Busströme (Im) des Elektromotors (10) in einem PWM-Zyklus erfasst und die verbleibende eine Phase aus der Summe der einzelnen Ströme „0“ schätzt.