CN100377490C - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

用于例如车辆的电动动力转向控制的电动机控制装置监视其动作，如检测到异常就必须不拖延，而立即采取停止控制等措施。但是问题是，现有的监视装置在检测上花费很长时间，不能检测到不输出这样的异常。采用在不驱动电动机2的瞬间逆变器52也将输出波形输出的具有大致恒定的动作周期的三相逆变器电路52。设置监视该输出波形周期的逆变器周期监视电路555。当该周期相比于上述逆变器的载波周期过大、或过小时，就输出警报，同时停止逆变器的控制。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及电动机控制装置，特别是涉及辅助驱动车辆的方向盘用的电动机控制装置。
背景技术
在以下的说明中，作为例子说明对车辆的转向(steering)装置加上辅助力的电动转向装置，但本发明不限定于转向装置，通常能够适用于从直流电源通过逆变器驱动电动机的控制装置。
在车辆的电动动力转向装置中，由于若在驾驶中电动机的控制装置(通常使用逆变器)发生异常，则估计会直接处于危险状况，因此最好例如在逆变器的一个周期内能够尽快检测到异常。
例如，在专利文献1的第1图和第3图(b)中揭示了一种电动机控制装置，它是监视用逆变器驱动的电动机的端电压，另外，在第1图和第3图(b)中监视驱动电动机的的开关元件的驱动信号，若这些驱动电动机的状态持续规定时间以上，则判断为异常，并切断向电动机驱动电路的供电。
专利文献1的问题是，由于监视驱动电路输出时的输出状态，因此在不输出状态下就不判定为异常。但是，作为一种故障模式，驱动电路不能输出的故障相对来说很容易发生，这样就不能说准确地捕捉到了各种各样的故障，实际上没有起到作用。另外，有时也会这样，即使在实际驾驶中驱动电路持续相当长的时间连续输出的情况下，例如当以高速行驶在圆形试验场，结果是一直打着方向盘产生了转矩，为了在该情况下不产生误动作，必须使判断异常的时间超过某种程度，要相当长，结果是存在需花费长时间去判定异常的问题。
另外，专利文献1揭示的只是驱动电路为单向逆变器的情况，问题是不敢说在三相、或多相逆变器中也同样有效。
[专利文献1]
日本专利第2501030号
发明内容
问题是由于过去的电动机控制装置如上那样构成，因此在发生驱动装置不向电动机输出这样形式的故障的情况下，或在电动机内部或引向电动机的布线发生接地故障、或者短路故障中电动机驱动电路的输出电压固定在低电平的情况下，不能进行异常检测。问题还有，没有给出驱动电路为三相逆变器时的应对方法。问题还有，需花费长时间去判定异常。
本发明是为了解决上述问题而提出来的，其目的在于得到一种电动机控制装置，它具有监视电路，该监视电路在驱动电路以大致恒定周期动作的三相逆变器的情况下，即使在发生驱动装置不向电动机输出这样形式的故障的情况下，或在电动机内部或引向电动机的布线发生接地故障、或者短路故障中电动机驱动电路的输出电压固定在低电平的情况下，也能进行异常检测。
其目的还在于，得到用例如逆变器的一个周期左右的较短时间就能进行异常判定的电动机控制装置。
本发明的一种电动机控制装置，该电动机控制装置包括：与具有车辆电压H伏的直流电源连接并进行以大致恒定的载波周期控制在规定范围的输出占空比的PWM动作、使得在一个周期中存在所有输出相的电压同时为零或同时为H伏的期间的三相或三相以上的多相逆变器；和监视所述逆变器的输出电压波形的周期、并当所述周期相对于所述载波周期大于等于规定倍率或小于等于规定倍率时就判定所述逆变器为故障并输出信号的逆变器周期监视电路。
根据本发明，用简单的电路结构就能在与PWM载波周期相同程度的时间内检测三相逆变器的异常或微控制器的异常，提高车辆的安全性。
附图说明
图1是本发明实施方式1的电动机控制装置的方框图。
图2是图1的电动机控制装置正常时的各个部分的波形图。
图3是图1的电动机控制装置异常时的各个部分的波形图。
图4是本发明实施方式2的电动机控制装置的方框图。
图5是图4的电动机控制装置正常时的各个部分的波形图。
图6是图4的电动机控制装置异常时的各个部分的波形图。
标号说明
1             电动机控制装置
2             电动机
4             蓄电池
52            三相逆变器电路
53            栅极驱动电路
54            开关单元
55            输出电压监视电路
55A           与门电路
56            第1微控制器
57            第2微控制器
56X、57X      定时器
550           输出电压监视电路
555           逆变器周期监视电路
C1、C2、C3    电容器
B1、B2、B3    缓冲器
FF            触发器
CP1           第1比较器
CP2           第2比较器
具体实施方式
实施方式1
图1是本发明实施方式1的电动机控制装置的方框图。电动机2安装在未图示的车辆的转向装置上，与由该车辆的蓄电池4供电的电动机控制装置(以下，有时也称为控制器)1的输出端连接。电动机2是DC无刷电动机。另外，为了对与电动机2的磁极的角度位置相对应的相进行励磁从检测电动机2的转子角度的转子角度传感器3接收信号。这里不限于将转子角度传感器3作为信号提供源的例子。
控制器1具有接收来自外部的信号的接口51、根据接口51的输出进行控制的第1微控制器56、由第1微控制器56控制的栅极驱动电路53、驱动由栅极驱动电路53控制的电动机2的三相逆变器电路52、切断从蓄电池4向三相逆变器52供电用的继电器等的开关单元54、检测三相逆变器52的输出电压并作为能测量周期的波形输入到第1微控制器56的输出电压监视电路55、以及监视或验证包含第1微控制器56的电动动力转向装置的动作用的第2微控制器57。这里作为例子说明了三相逆变器，但只要是三相或三相以上的多相逆变器都一样。
第1、第2微控制器56、57除了上述各控制外，还都加上根据本身的时钟信号周期测量逆变器周期监视电路55输出的波形的周期。本发明将包括输出电压监视电路55、上述的第1、第2微控制器56、57的未图示的上述周期测量电路、以及发现异常时进行随后的报警输出等的处理部分都称为逆变器周期监视电路555。为了便于说明，蓄电池4的电压定为H伏。
三相逆变器电路52在该车辆的未图示的发动机点火开关钥匙处于接通状态期间，与是否一直打着方向盘无关，或与是否电动机2输出转矩无关，一直输出电压波形。
输出电压监视电路55具有与三相逆变器电路52的输出端V1、V2、V3连接的电容器C1、C2、C3、与该电容器连接的缓冲器B1、B2、B3、以及接收缓冲器B1、B2、B3的输出的与门电路55A。
与门电路55A的输出作为到第1、第2微控制器56、57的输入。
接着说明图1的电动机控制装置的动作。第1微控制器56根据转子角度传感器3产生的转子角度信号将信号，输出到栅极驱动电路53，将蓄电池4提供的直流电压通过三相逆变器电路52变换为三相交流电压，提供给电动机2进行控制。
三相逆变器电路52的逆变器驱动方式，即从所谓三角波比较的PWM相互驱动构成各个桥臂的上下的开关元件。由于限制在规定范围，使得驱动各个桥臂的占空比不为接近0％的值，或接近100％的值(例如控制在大于等于5％而小于等于95％)，因此作为结果无论输出值怎样，在一个周期期间存在各相电压全部为低电平或全部为高电平的期间。输出电压监视电路55的与门电路55A若各相电压全部为高电平，则输出高电平(蓄电池的电压H)到输出端VO，除此以外，则输出低电平(在这里是0伏)。
图2是说明图1的输出电压监视电路55的动作用的三相逆变器电路52的输出波形图。在三相逆变器52的输出相电压V1、V2、V3为高电平期间，输出电压监视电路55的输出电压VO为高电平。VO的周期(例如VO的上升沿之间的时间)T是三相逆变器电路52的PWM载波周期(为t)，如上所述，在这里为大致恒定值。第1微控制器56用未图示的内置定时器56X测量输出电压监视电路55的输出周期T，若T在规定范围内，则判断为正常。这里所说的规定范围是指对于三相逆变器电路52的载波频率的周期t只要例如是其0.5倍～2倍即可。
另一方面，若在引向电动机2的布线的中途等发生接地等的故障，例如图3所示的在V2线上发生接地故障，则VO为低电平，变为恒定，若T偏离了上述规定范围(在图3的情况下，在VO不输出信号)，则第1微控制器56判断为异常。
三相逆变器52的各个输出端经电容器C1、C2、C3和输出电压监视电路55进行交流耦合，即使各相电压固定在高电平、或固定在低电平，上述缓冲器B1或B2或B3的输入电压也都为低电平，能够监测出异常。
若输出电压监视电路55判定为异常，则第1微控制器56打开开关单元54，或经栅极驱动电路53向三相逆变器电路52发出切断输出的指令(或停止向栅极驱动电路53输出控制信号)。另外通过未图示的报警器向驾驶员发出异常通知。由此，在发生从三相逆变器电路52什么也不输出的这种故障的情况下，也能够避免因不知异常的发生还一直驾驶下去的危险。
另一方面，第2微控制器57同样也接收输出电压监视电路55的信号VO。与上述的一样，若根据内部时钟的周期测量该信号的周期，与预定的上述倍率进行比较，并判定故障，则与第1微控制器56相同打开开关单元54，切断向三相逆变器52的供电，禁止输出。由于开关单元54构成以第1微控制器56的指令和第2微控制器57的指令的逻辑积进行接通驱动(即只在双方都指令接通时才为接通)，因此即使第1微控制器56向开关单元54发出接通指令，也能够用第2微控制器57来进行断开(反之亦然)。由此，能防止因第1微控制器56的失控而产生的向电动机2的异常通电。
还有，可以取代切断向三相逆变器电路52的供电，而采用切断栅极驱动电路53的电源的结构，也能够得到类似的效果。在发生三相逆变器电路52的元件短路故障的情况下，由于栅极驱动电路53的电源切断之后也一直输出，因此其故障本身虽必须通过其它的检测单元来检测，但作为开关单元54，能够使用电流容量更小的例如半导体开关元件。
进而或者，可以取代监视三相逆变器52的输出电压，而采用监视栅极驱动电路53的输出、或第1微控制器56的输出口的结构，也能够得到类似的效果。即使栅极驱动电路53的输出、或第1微控制器56的输出口没有异常，而在逆变器输出也发生异常的故障(例如元件故障)虽很难检测，但相对于直接监视功率部，能监视噪声较小的信号，动作比较稳定。
在图1说明中，是通过第1微控制器56的内部时钟来检视输出电压监视电路55的周期T。但是，例如在第1微控制器失控时等的情况下，虽PWM周期t缩短，但内部时钟同样也走得很快，第1微控制器56恐怕会检测不到异常。但是，即使在该情况下，由于第2微控制器57能检测出异常，因此作为整个系统能够检测异常。这样通过以生成PWM周期的时钟自身为基准来测量PWM周期和以与生成PWM周期的时钟不同的其它时钟为基准来测量PWM周期这两种方法能够提高系统的可靠性。
还有，在车辆起动时(发动机点火开关钥匙刚接通之后)，当然考虑在第1、第2微控制器56、57的监视顺序中设置等待时间等，使得三相逆变器电路52在进入稳定动作之前的期间不会发生检测出异常的现象。
实施方式2
图4是本发明实施方式2的电动机控制装置的方框图。与图1同标号的部分表示相同或相当部分，省略详细说明。输出电压监视电路550包含与三相逆变器电路52的输出端V1、V2、V3连接的具有相等值的电阻器(都称为R)、加上任意偏压的电阻器R2、与这些电阻器连接的第1、第2比较器CP1、CP2、以及接收比较器CP1、CP2的输出的触发器FF。
与实施方式1的图1的输出电压监视电路55相比较，图4的输出电压监视电路550通过三个电阻器R与电动机2的供电线直流耦合。
输出电压监视电路550用比较器CP1、CP2监视将各相电压相加的电压。即，设各相电压为V1、V2、V3，向比较器CP1、CP2的输入电压为V4，Vcc为规定的恒定电压例如电源电压。
若设〔R1与(1/3)·R并联连接的电阻值〕为Z，则
R’＝Z/(R2+Z)               (1)
设〔R1与R2与(1/2)·R并联连接的电阻值〕为Y，则
R”＝Y/(R+Y)                (2)
这样，下式成立。
V4＝R’Vcc+R”(V1+V2+V3)    (3)
在上述V4与用比较器预先设定的VTH1、VTH2的电压相比较、并进行波形整形之后，一个比较器的输出作为触发器FF的置位端S的输入，另一个比较器的输出作为触发器FF的复位端R的输入。VTH1、VTH2的电压如图5、图6所示，是为了将V1、V2、V3相加的V4波形的峰值切除用的适当电平。由于该电平取决于蓄电池4的电压，因此不用说能够预先决定。
在正常的情况下，如图5的Q所示，在PWM载波周期T中能从触发器FF得到上升沿，与上述实施方式1一样，能通过周期是否脱离规定范围来进行故障判定。另一方面，在三相逆变器电路52的输出一侧发生接地等的异常时，如图6所示，由于VO变为不小于VTH1、或不大于VTH2中的任一情况，触发器的输出不反转，因此能够检测异常。
工业上的实用性
在以上的说明中，是将辅助车辆方向盘的旋转的电动机为例进行了说明，但本发明的电动机控制装置是由大致恒定周期的逆变器驱动的电动机控制装置，驱动各个桥臂的占空比限制在规定范围，使得不是接近0％的值，也不是接近100％的值，结果不管输出的值怎样，只要在一个周期的期间存在各相电压全部为低电平或全部为高电平的期间，就能够不限于安装在车辆的电动机控制装置，能全部使用。

Claims (14)

1.一种电动机控制装置，其特征在于，该电动机控制装置包括：
与具有车辆电压H伏的直流电源连接并进行以大致恒定的载波周期控制在规定范围的输出占空比的PWM动作、使得在一个周期中存在所有输出相的电压同时为零或同时为H伏的期间的三相或三相以上的多相逆变器；
和监视所述逆变器的输出电压波形的周期、并当所述周期相对于所述载波周期大于等于规定倍率或小于等于规定倍率时就判定所述逆变器为故障并输出信号的逆变器周期监视电路。
2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路监视所述多相逆变器的多个桥臂的所有输出成为所述H伏的状态的重复周期。
3.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路监视所述多相逆变器的多个桥臂的所有输出为零的状态的重复周期。
4.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器具有生成PWM动作的载波周期的时钟，所述逆变器周期监视电路以所述时钟为基准测量所述逆变器的周期。
5.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器具有生成PWM动作的载波周期的时钟，所述逆变器周期监视电路以与所述时钟不同的其它的时钟为基准测量所述逆变器的周期。
6.如权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路包含一端与所述逆变器的多个交流输出端的各个端连接的多个电容器；与所述多个电容器的另一端连接、当所述交流端的所有电压为所述H伏时就输出信号的逻辑积电路；以及测量所述逻辑积电路的输出周期的周期测量电路。
7.如权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路包含一端与所述逆变器的多个交流输出端的各端连接的多个电容器；与所述多个电容器的另一端连接、当所述交流端的所有电压为零时就输出信号的逻辑积电路；以及测量所述逻辑积电路的输出周期的周期测量电路。
8.如权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路包含一端与所述逆变器的多个交流输出端的各端连接的多个电阻器；与所述多个电阻器的另一端连接、当所述交流端的所有电压为所述H伏时就输出信号的逻辑积电路；以及测量所述逻辑积电路的输出周期的周期测量电路。
9.如权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路包含一端与所述逆变器的多个交流输出端的各端连接的多个电阻器；与所述多个电阻器的另一端连接、当所述交流端的所有电压为零时就输出信号的逻辑积电路；以及测量所述逻辑积电路的输出周期的周期测量电路。
10.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述逆变器周期监视电路包含向所述逆变器供给控制信号的第1微控制器、和以本身的时钟信号周期为基准测量所述逆变器的周期的第2微控制器。
11.如权利要求10所述的电动机控制装置，其特征在于，
构成为当所述第2微控制器判定所述逆变器的输出电压周期异常时，使得所述第1微控制器停止所述逆变器的控制。
12.如权利要求10所述的电动机控制装置，其特征在于，该电动机控制装置包括：
开关单元，该开关单元连接在所述直流电源与所述逆变器之间，当所述第2微控制器判定所述逆变器的输出电压周期异常时，就停止向所述逆变器供电。
13.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述占空比大于等于5％、小于等于95％。
14.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述周期大于等于规定倍率或小于等于规定倍率是指所述逆变器的载波周期的2倍以上或0.5倍以下。
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