旋轉電機控制設備和使用它的電動助力轉向設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種旋轉電機控制設備和使用它的電動助力轉向設備。在所述旋轉電機控制設備中，逆變器電路（20）通過FET（21至26）的接通/關斷操作來變換向發動機（2）供應的電力。微控制器（40）通過控制FET（21至26）的接通/關斷操作來控制發動機（2）的驅動。微型計算機（40）作為電路方向確定部分。當每一個相的兩個FET處于關斷狀態時，微型計算機（40）檢測作為在每一個二極管（31至33）的兩端之間的電勢差的第一電勢差和作為在每一個二極管（34，35，36）的兩端之間的電勢差的第二電勢差。微型計算機（40）可以基于所檢測的第一電勢差和所檢測的第二電勢差來進一步確定在發動機（2）中流動的電流的方向。
【專利說明】旋轉電機控制設備和使用它的電動助力轉向設備
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及旋轉電機控制設備和使用該旋轉電機控制設備的電動助力轉向設備。【背景技術】
[0002]傳統的旋轉電機控制設備通過利用諸如電流傳感器等電子部件檢測向旋轉電機的線圈流動的相電流，來控制旋轉電機的驅動。在例如JP-A-2005-210871中公開的旋轉電機控制設備中，與逆變器電路的每一個相(phase)對應的一對開關元件連接有分流電阻器，由此檢測每一個相的相電流。
[0003]因為旋轉電機包括電感部件，所以在被提供用于驅動旋轉電機的命令電流和實際上在旋轉電機的每一個線圈中流動的實際電流之間產生相位差。如果這個相位差產生，則有可能旋轉電機不能輸出所命令的轉矩。根據傳統的旋轉電機控制設備，通過反饋控制來控制旋轉電機產生的轉矩。在反饋控制中，通過檢測相電流(即，在旋轉電機控制設備中流動的實際電流)來計算在命令電流和實際電流之間的相位差，并且通過相位補償控制等來校正相位差。該旋轉電機控制設備需要諸如多個分流電阻器等電子部件來檢測在旋轉電機控制設備中流動的實際電流。結果，旋轉電機控制設備變得配置復雜和大型，并且制造成本大。
[0004]在另一種傳統旋轉電機控制設備中，檢測通過形成逆變器電路的開關元件或與所述開關元件并聯連接的整流元件所產生的電壓。基于在檢測時間開關元件的溫度和所述元件的電壓電流特性來檢測向每一個相的線圈流動的實際電流。然而，該旋轉電機控制設備需要用于檢測元件溫度的諸如熱敏電阻等溫度檢測元件。它還需要存儲器裝置，諸如R0M，用于存儲不同溫度的電壓電流特性。結果，所述旋轉電機控制設備不容易有小的尺寸。
【發明內容】
[0005]目的是提供一種旋轉電機控制設備，所述旋轉電機控制設備以簡單配置確定在旋轉電機的每一個相的線圈中流動的電流的方向。
[0006]根據一個方面，提供了一種旋轉電機控制設備，用于控制旋轉電機的驅動，所述旋轉電機具有由對應于多個相的線圈形成的線圈組。所述旋轉電機控制設備包括電力變換器和控制單元。
[0007]所述電力變換器包括多個開關元件、第一整流元件和第二整流元件。所述多個開關元件通過分別設置在電源的高電勢側和低電勢側的第一開關元件和第二開關元件來形成對應于所述線圈的每一個相的開關元件對。與第一開關元件并聯地設置第一整流元件。與第二開關元件并聯地設置第二整流元件。電力變換器通過第一開關元件和第二開關元件的接通/關斷操作來變換從電源向旋轉電機供應的電力。
[0008]所述控制單元控制第一開關元件和第二開關元件的接通/關斷操作，由此控制旋轉電機的驅動。
[0009]所述控制單元包括電流方向確定部分，所述電流方向確定部分當第一開關元件和第二開關元件都處于關斷狀態時檢測在第一整流元件的兩端之間的第一電勢差和在第二整流元件的兩端之間的第二電勢差，并且基于所述第一電勢差和所述第二電勢差來確定在所述線圈的每一個相中流動的電流的方向。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]通過下面參考附圖進行的詳細描述，上面和其他目的、特征和優點將變得更清楚。在附圖中:
[0011]圖1是根據一個實施例的旋轉電機控制設備的電路圖；
[0012]圖2是使用第一實施例的旋轉電機控制設備的電動助力轉向設備的示意圖；
[0013]圖3是示出在電流從逆變器向發動機流動的情況下分別由第一開關元件和第二開關元件的接通/關斷操作引起的第一電勢差和第二電勢差的改變的時序圖；
[0014]圖4是示出在電流從發動機向逆變器流動的情況下分別由第一開關元件和第二開關元件的接通/關斷操作引起的第一電勢差和第二電勢差的改變的時序圖；以及
[0015]圖5A、圖5B和圖5C是根據本發明的其他實施例的旋轉電機控制設備的一部分的簡化電路圖。
【具體實施方式】
[0016]將參考附圖描述根據各實施例的旋轉電機控制設備。
[0017](一個實施例)
[0018]在圖1中示出根據一個實施例的旋轉電機控制設備。旋轉電機控制設備I被設置用于控制向作為旋轉電機的發動機2供應的電力，由此控制發動機2的驅動。例如在輔助汽車的轉向操作的電動助力轉向設備中使用旋轉電機控制設備I以及發動機2。
[0019]圖2示出包括電動助力轉向設備109的轉向系統100的整體配置。電動助力轉向設備109配備了轉矩傳感器104，轉矩傳感器104附接到與方向盤101耦合的轉向軸102。轉矩傳感器104檢測由司機通過方向盤101向轉向軸102施加的轉向轉矩。
[0020]行星齒輪106附接到轉向軸102的頂端。行星齒輪106與齒條軸(rack shaft)107接合。一對輪胎108通過轉向橫拉桿等可旋轉地耦合到齒條軸107的端部。因此，當司機旋轉方向盤101時，耦合到方向盤101的轉向軸102旋轉。轉向軸102的旋轉移動被行星齒輪106變換為齒條軸107的線性移動。一對輪胎108轉向與齒條軸107的線性移動對應的角度。
[0021]電動助力轉向設備109包括發動機2、旋轉電機控制設備I和減速齒輪103等。發動機2產生轉向輔助轉矩。旋轉電機控制設備I控制發動機2的驅動。減速齒輪103在減小旋轉時向轉向軸102和齒條軸107傳遞發動機2的旋轉。發動機2例如是三相無刷發動機，并且具有轉子和定子(未示出)。轉子是盤狀構件，永磁體附接在轉子以提供磁極。定子中容納轉子，并且定子可旋轉地支撐轉子。定子包括突出部，該突出部以每一個預定角度間隔在徑向上向內突出。在該突出部上，纏繞了在圖1中所示的U相線圈(U線圈)11、V相線圈(V線圈)12和W相線圈(W線圈)13。U相線圈11、V相線圈12和W相線圈13分別是與U相、V相和W相對應的繞組，并且聯合形成線圈組14。
[0022]發動機2由來自作為電源提供的電池3的電力供應驅動。發動機2在正常方向和反方向上旋轉減速齒輪103。電動助力轉向設備109除了轉矩傳感器104之外進一步包括汽車速度傳感器105，汽車速度傳感器105檢測汽車的行駛速度。如上所述配置的電動助力轉向設備109基于來自轉矩傳感器104和速度傳感器105等的信號來從發動機2產生用于輔助方向盤101的轉向操作的轉向輔助轉矩。該轉矩被傳送到轉向軸102或齒條軸107。
[0023]接著參考圖1來描述旋轉電機控制設備I。旋轉電機控制設備I配備了作為電力變換器(power converter)的逆變器電路20和微型計算機40等。逆變器電路20包括開關元件21至26。逆變器電路20是三相逆變器，其中，6個開關元件21至26以橋形式連接，以轉換向線圈組14中的U相線圈11、V相線圈12和W相線圈13的每一個的電力供應。開關元件21至26是金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)。開關元件21至26當適當時分別被稱為FET。
[0024]三個FET21至23的漏極連接到作為電源設置的電池3的正極性側。FET21至23的源極分別連接到FET24至26的漏極。FET24至26的源極連接到電池3的負極性側，即，接地。在配對的FET21和FET24之間的結連接到U相線圈11的一個端子。在配對的FET22和FET25之間的結連接到V相線圈12的一個端子。在配對的FET23和FET26之間的結連接到W相線圈13的一個端子。
[0025]FET21至23對應于逆變器電路20中的第一開關元件。FET24至26對應于逆變器電路20中的第二開關元件。下面當適當時，將第一開關元件和第二開關元件分別稱為高側FET (H-FET)和低側FET (L-FET)。此外，在一些情況下，對應的相U、V或W也被標識出來，例如U-L-FET24。另外，當適當時，FET21和FET24組成的對、FET22和FET25組成的對以及FET23和FET26組成的對分別被稱為開關元件對27、開關元件對28和開關元件對29。
[0026]逆變器電路20進一步包括二極管31至36，二極管31至36分別與FET21至26并聯連接。MOSFET在結構上在其源極-漏極路徑之間具有被稱為寄生二極管的二極管(整流元件)。二極管31至36分別是FET21至26的寄生二極管。二極管31至36當適當時分別被稱為寄生二極管31至36。二極管31至33對應于第一整流元件，第一整流元件分別與第一開關元件21至23對應。二極管34至36對應于第二整流元件，第二整流元件分別與第二開關元件24至26對應。二極管31至36在允許電流僅分別從FET21至26的源極側(低電勢偵彳)向漏極側(高電勢偵D流動的方向上被反向偏置。
[0027]旋轉電機控制設備I因此具有一個逆變器(逆變器電路20)系統。逆變器電路20在下述的微型計算機(MC) 40的控制下操作，并且變換從電池3向發動機2供應的電力，以由此旋轉地驅動發動機2。逆變器電路20通過FET21至26的接通/關斷操作來變換從電池3向發動機2供應的電力。
[0028]微型計算機40是半導體封裝，該半導體封裝包括算術部分、存儲器部分和輸入/輸出部分等。微型計算機40響應于來自在汽車的各個部分處設置的傳感器的信號并且基于在存儲器部分中存儲的程序來控制在汽車中安裝的各個裝置和設備的操作。微型計算機40主要控制電動助力轉向設備109的發動機2的驅動。
[0029]微型計算機40根據來自轉矩傳感器104和速度傳感器105等的信號來計算命令電流，使得發動機2產生用于輔助方向盤101的轉向操作的轉向輔助轉矩。微型計算機40控制逆變器電路20的FET21至26的接通/關斷操作，使得所計算的命令電流在發動機2的U線圈11、V線圈12和W線圈13中流動。因此，從電池3向發動機2供應的電力被變換，使得與命令電流對應的實際電流在發動機2的U線圈11、V線圈12和W線圈13中流動。發動機2被驅動來旋轉以向轉向軸102和齒條軸107施加轉向輔助轉矩。因為發動機2具有電感部件，所以在用于驅動發動機2的命令電流和實際上在發動機2的U線圈11、V線圈12和W線圈13中流動的實際電流之間產生相位差。
[0030]雖然未示出，但是在微型計算機40與每一個二極管31至36的兩端之間設置了定制的集成電路(1C)。定制的IC包括差分放大器電路和比較器電路。因此使得微型計算機40能夠通過定制IC來檢測在每個二極管31至36的端部之間的小電勢差。當適當時，在每一個二極管31至33的兩端之間的電勢差被稱為與在高電勢側的第一開關元件和第一整流元件對應的第一電勢差(Vh)，并且，在每一個二極管34至36的兩端之間的電勢差被稱為與在低電勢側的第二開關元件和第二整流元件對應的第二電勢差(VI)。每一個二極管31至36的正向電壓被稱為Vf。微型計算機40和定制IC對應于控制單元。
[0031]微型計算機40提供了每一個開關對27、28、29關于每一個開關元件(FET21至26)的操作的停滯時間(dead time)。該停滯時間是其中H-FET和L_FET(FET21和FET24、FET22和FET25、FET23和FET26)兩者都關斷(關斷狀態)的時段。在停滯時間期間，電流根據在開關元件關斷之前在逆變器電路20和發動機2之間流動的電流的方向而流過第一開關元件(FET21至23)的寄生二極管31至33或第二開關元件(FET24至26)的寄生二極管34至36。因為該電流的幅值隨著電壓Vf變化，所以有可能通過確認電壓Vf的幅值來確定電流在逆變器電路20和發動機2之間在什么方向上流動，S卩，在U線圈11、V線圈12和W線圈13中流動的相電流的方向(極性)。
[0032]以下面參考圖3和圖4描述的方式來確定相電流的方向。確定相電流的流動方向的方法在各相(U線圈11、V線圈12、W線圈13)中相同。因此，僅相對于U相(U線圈11)來進行關于相電流流動方向的確定的描述，以相對于其他相V和W簡化關于相電流流動方向的確定的描述。
[0033]圖3示出當電流在從逆變器電路20到發動機2的方向上在逆變器電路20和發動機2之間流動時，通過U-H-FET21和U-L-FET24的接通/關斷操作引起的第一電勢差(Vh)和第二電勢差(Vl)的改變。在此，在逆變器電路20和發動機2之間，假定從逆變器電路20到發動機2的方向是正方向，并且假定從發動機2到逆變器電路20的方向是負方向。
[0034]如圖3中所示，直到時間tl，U-H_FET21和U_L_FET24分別處于接通狀態和關斷狀態。結果，電流從電池3通過U-H-FET21向發動機2流動。在從時間tl至時間t2的時段中，U-H-FET21和U-L-FET24兩者都因為停滯時間DT而處于關斷狀態。發動機2趨向于繼續流動電流。然而，因為U-H-FET21處于關斷狀態，所以電流流過U-L-FET24的寄生二極管34。此時，第一電勢差(Vh)增大電壓Vf的量，并且第二電勢差(Vl)減小電壓Vf的量。
[0035]在從時間t2至時間t3的時段中，U-H-FET21處于關斷狀態，并且U-L-FET24處于接通狀態。因為發動機2趨向于繼續流動電流，所以電流從地側通過U-L-FET24向發動機2流動。在從時間t3至時間t4的時段中，U-H-FET21和U-L-FET24兩者都因為停滯時間DT而再一次處于關斷狀態。發動機2趨向于繼續使電流流動。然而，因為U-L-FET24處于關斷狀態，所以電流流過U-L-FET24的寄生二極管34。此時，與從時間tl至時間t2的時段類似，第一電勢差(Vh)增大電壓Vf的量，并且第二電勢差(Vl)減小電壓Vf的量。在從時間t4至時間t5的時段中的操作與在時間tl之前的時段中相同。[0036]圖4示出當電流在從發動機2到逆變器電路20的方向(負方向)上在逆變器電路20和發動機2之間流動時，因為U-H-FET21和U-L-FET24的接通/關斷操作而引起的第一電勢差(Vh)和第二電勢差(Vl)的改變。
[0037]如圖4中所示，直到時間tll，U-H-FET21處于接通狀態而U_L_FET24處于關斷狀態。假定電流在負方向上流動。發動機2趨向于繼續使電流流動。結果，電流從發動機2通過U-H-FET21向電池3流動。
[0038]在從時間tll到時間tl2的時段中，U-H-FET21和U_L_FET24兩者都因為停滯時間DT而處于關斷狀態。發動機2趨向于繼續流動電流。然而，因為U-H-FET21處于關斷狀態，所以電流流過U-H-FET21的寄生二極管31。此時，第一電勢差(Vh)減小電壓Vf的量，并且第二電勢差(Vl)增大電壓Vf的量。在從時間tl2至時間tl3的時段中，U-H-FET21處于關斷狀態，并且U-L-FET24處于接通狀態。因為發動機2趨向于繼續流動電流，所以電流從發動機2通過U-L-FET24向地流動。
[0039]在從時間tl3至時間tl4的時段中，U-H-FET21和U_L_FET24兩者都因為停滯時間DT而處于關斷狀態。發動機2趨向于繼續流動電流。然而，因為U-L-FET24處于關斷狀態，所以電流流過U-H-FET21的寄生二極管31。此時，與從時間tll至時間tl2的時段類似，第一電勢差(Vh)減小電壓Vf的量，并且第二電勢差(Vl)增大電壓Vf的量。在從時間tl4至時間tl5的時段中的操作與在時間tll之前的時段中相同。因此有可能確定電流流動的方向，因為電流流動的方向不同地影響第一電勢差(Vh)和第二電勢差(VI)。
[0040]因為這個原因，所以控制單元(微型計算機40和定制IC)可以通過下述方式來確定相電流的方向:在U-H-FET21和U-L-FET24兩者都處于關斷狀態時，即，在停滯時間DT期間，檢測第一電勢差(Vh)和第二電勢差(VI)。例如，如果在停滯時間中檢測到的第一電勢差(Vh)和第二電勢差(Vl)分別增大了電壓Vf和減小了電壓Vf，則將相電流的方向確定為正的(從逆變器電路20到發動機2的方向)。如果在停滯時間中檢測到的第一電勢差(Vh)和第二電勢差(Vl)分別減小了電壓Vf和增大了電壓Vf，則將相電流的方向確定為負的(從發動機2到逆變器電路20的方向)。因此，微型計算機40作為電流方向確定部分，并且可以基于在停滯時間期間引起的第一電勢差和第二電勢差來確定相電流流動方向。
[0041 ] 根據本實施例，有可能通過下述方式檢測實際上在發動機2的U線圈11、V線圈12和W線圈13中流動的實際電流的相位:檢測相電流的方向從正改變為負(相電流變為零)或者相電流的方向從負改變為正(相電流變為零)的時間點。微型計算機40通過下述方式檢測在發動機2中流動的實際電流的相位:檢測在以下時間點的第一電勢差(Vh)和第二電勢差(Vl):在該時間點處，相電流的方向從正改變為負(相電流變為零)或者相電流的方向從負改變為正(相電流變為零)。微型計算機40然后基于與命令電流的相位相關的所檢測的實際電流的相位來計算在命令電流和實際電流之間的相位差。微型計算機40因此作為相位差計算部分。
[0042]根據本實施例，微型計算機40在命令電流和實際電流之間的相位差的計算后通過校正相位差使得相位差變為0來計算命令電流。即，微型計算機40執行與命令電流相關的反饋控制。微型計算機40因此作為相位差校正部分。
[0043]本實施例具有下面的特征
[0044](I)逆變器電路20包括多個開關元件(FET21至26)，該多個開關元件通過在電池3的高電勢側設置的FET21、22、23和在電池3的低電勢側設置的FET24、25、26來形成分別與U線圈11、V線圈12、W線圈13對應的開關元件對27、28、29。逆變器電路20進一步包括分別與FET21、22、23并聯地設置的二極管31、32和33 ;以及分別與FET24、25、26并聯地設置的二極管34、35、36。逆變器電路20通過FET21、22、23和FET24、25、26的接通/關斷操作來變換從電池3向電機2供應的電力。
[0045]微型計算機40作為電流方向確定部分。當FET21和FET24兩者、FET22和FET25兩者或FET23和FET26兩者都關斷(處于關斷狀態)時，微型計算機40可以檢測作為在每一個二極管31、32、33的兩端之間的電勢差的第一電池差和作為在每一個二極管34、35、36的兩端之間的電勢差的第二電勢差。微型計算機40可以基于所檢測的第一電勢差和所檢測的第二電勢差來進一步確定在U線圈11、V線圈12、W線圈13中流動的電流的方向。可以以簡化的配置來確定在U線圈11、V線圈12、W線圈13中流動的電流的方向，而不使用諸如分流電阻器等的電流傳感器。可以在尺寸上減小并且以低成本來制造旋轉電機控制設備
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[0046](2)另外，微型計算機40作為相位差計算部分。微型計算機40可以基于所確定的在U線圈11、V線圈12、W線圈13中流動的電流的流動方向來計算在用于驅動發動機2的命令電流和實際上在U線圈11、V線圈12、W線圈13中流動的實際電流之間的相位差。
[0047](3)此外，微型計算機40作為相位差校正部分，并且校正在所計算的命令電流和實際電流之間的相位差。通過如此執行反饋控制以校正相位差，可以高精度地控制電機2的驅動。
[0048](4)另外，二極管 31、32、33 和二極管 34、35、36 分別是 FET21、22、23 和 FET24、25、26的寄生二極管。因為這個原因，在分別與第一開關元件和第二開關元件并聯地設置第一整流元件和第二整流元件時，不需要單獨地設置整流元件(二極管)作為電子部件部分。因此，旋轉電機控制設備I可以在尺寸上減小，并且降低制造成本。
[0049](5)另外，因為可以在尺寸上減小旋轉電機控制設備1，所以在需要被安裝在特定的有限空間中的電動助力轉向設備10等中適當地應用旋轉電機控制設備I。
[0050](其他實施例)
[0051]在上述實施例中，第一開關元件和第二開關元件由MOSFET構成。第一整流元件和第二整流元件由MOSFET的寄生二極管形成。然而，如圖5A中所示，第一開關元件和第二開關元件的每一個可以由絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 51形成。二極管61可以與IGBT51并聯連接，作為第一整流元件或第二整流元件。
[0052]作為另一個實施例，如圖5B中所示，第一開關元件和第二開關元件的每一個可以由晶體管52形成。二極管61可以與晶體管52并聯連接，作為第一整流元件或第二整流元件。
[0053]作為另一個實施例，如圖5C中所示，第一開關元件和第二開關元件的每一個可以由半導體閘流管53形成。二極管61可以與半導體閘流管53并聯連接。
[0054]在如上所述的實施例中，旋轉電機控制設備被應用到作為示例的三相無刷發動機。然而，旋轉電機控制設備可以被應用到具有四個或更多相的無刷發動機。旋轉電機控制設備可以控制除了用于電動助力轉向設備的旋轉電機之外的旋轉電機(發動機和發電機)。
【權利要求】
1.一種旋轉電機控制設備(1)，用于控制旋轉電機(2)的驅動，所述旋轉電機具有由對應于多個相的線圈(11，12，13)形成的線圈組(14)，所述旋轉電機控制設備包括: 電力變換器(20)，其包括多個開關元件(21、22、23、24、25、26)、第一整流元件(31、32、33)和第二整流元件(34、35、36)，所述多個開關元件通過分別在電源的高電勢側和低電勢側設置的第一開關元件(21、22、23)和第二開關元件(24、25、26)來形成對應于所述線圈的每一個相的開關元件對(27、28、29)，所述第一整流元件與所述第一開關元件并聯地設置，所述第二整流元件與所述第二開關元件并聯地設置，所述電力變換器通過所述第一開關元件和所述第二開關元件的接通/關斷操作來變換從所述電源向所述旋轉電機供應的電力；以及 控制單元(40)，用于控制所述第一開關元件和所述第二開關元件的接通/關斷操作，由此控制所述旋轉電機的驅動， 其中，所述控制單元(40)包括電流方向確定部分(40)，所述電流方向確定部分當所述第一開關元件和所述第二開關元件都處于關斷狀態時檢測在所述第一整流元件的兩端之間的第一電勢差和在所述第二整流元件的兩端之間的第二電勢差，并且基于所述第一電勢差和所述第二電勢差來確定在所述線圈的每一個相中流動的電流的方向。
2.根據權利要求1所述的旋轉電機控制設備，其中， 所述控制單元(40)包括相位差計算部分(40)，所述相位差計算部分基于在由所述電流方向確定部分確定的所述線圈的每個相中流動的電流的方向，來計算在用于驅動所述旋轉電機的命令電流和在所述線圈中實際流動的實際電流之間的相位差。
3.根據權利要求2所述的旋轉電機控制設備，其中， 所述控制單元(40)包括相位差校正部分(40)，所述相位差校正部分校正由所述相位差計算部分計算的在所述命令電流和所述實際電流之間的相位差。
4.根據權利要求1至3中任何一項所述的旋轉電機控制設備，其中， 所述第一整流元件和所述第二整流元件分別是所述第一開關元件和所述第二開關元件的寄生二極管。
5.一種電動助力轉向設備(109),包括: 根據權利要求1至3中任何一項所述的旋轉電機控制設備；以及 旋轉電機(2)，用于輸出用于汽車的轉向操作的輔助轉矩。
【文檔編號】B62D5/04GK103580583SQ201310287842
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月10日 優先權日:2012年7月20日
【發明者】山中隆廣 申請人:株式會社電裝