專利名稱：負載驅動系統的故障檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及檢測負載驅動系統的負載及負載連接狀態的異常的故障檢測裝置。
背景技術：
在現有的負載驅動系統例如電動機驅動裝置中，具有電動機驅動單元，該電動機驅動單元由4個FET(場效應晶體管)組成的橋式電路構成；同時，還具有故障檢測單元，該故障檢測單元包括所述橋式電路的一個FET的源極與另一個FET的漏極連接并分別與構成支路的至少兩個FET并聯連接，與FET導通故障時的電阻值比具有充分地大的電阻值的高電阻、以及檢測接在橋式電路的輸出端子之間的電動機電壓的電壓檢測單元，通過設置上述高電阻，電動機的兩個端子處的電壓值在FET導通故障時改變，所以通過檢測電動機端子電壓能判定FET的導通故障(例如參照專利文獻1)。
另外，以與多相交流電動機的相數相同的數量使具有分別相等的阻抗值的阻抗元件的一端與基準中性點連接，同時各阻抗元件的另一端分別與上述多相交流電動機的各相線圈連接，檢測阻抗元件的基準中性點和連接上述多相交流電動機的各相線圈的中性點之間的電位差，在該電位差超過規定的閾值時，判定為上述各相線圈有異常(例如參照專利文獻2)。
專利文獻1專利第3034508號公報專利文獻2特開平6-311783號公報但是，按照專利文獻1所示的方式，各阻抗元件與構成支路的至少兩個FET連接，構成檢測負載(電動機)的端子電壓成為電源電位或地電位的短路故障方式(驅動元件短路、端子接地、端子懸空(日文天絡))，所以存在的問題是無法檢測負載端子電壓無變化的負載或負載連接線的斷開故障方式(斷線)。
另外，按照專利文獻所示的方式，由于是一種將多相交流電動機的中性點電位與由阻抗元件形成的基準中性點電位進行比較，根據其電位差之大小檢測異常的方法，所以需要電動機旋轉產生各相電壓。因此，存在的問題是無法用于以下情況，也就是，在從停止狀態到負載開始通電的初始階段，盡管已通電但仍不能判定有無問題，在負載處于接地或懸空等故障狀態下，會有大電流流過。
本發明為解決上述問題而提出，其目的在于提供一種在開始向負載供電前檢測負載或負載連接線的異常(斷線、接地、懸空)、具有進行向負載饋電或斷電的由上述FET組成的驅動單元的導通故障等的負載驅動系統的故障檢測裝置。
發明內容
本發明的負載驅動系統的故障檢測裝置，該負載驅動系統具有連接在直流電源的正極和負載的一端之間的上支路驅動單元、以及連接在所述直流電源的負極和上述負載的另一端之間的下支路驅動單元，通過對所述各驅動單元進行開關控制，控制供給所述負載的電壓或電流，其中具有分別與所述上支路驅動單元及下支路驅動單元并聯連接的電阻元件；以及通過監視所述負載端子中任何一端或兩端的端子電壓，檢測包括所述負載及與負載連接的配線在內的負載驅動系統的異常的負載狀態異常檢測單元。
如上所述地構成本發明的負載驅動系統的故障檢測裝置，驅動單元作為在所有截止期間確定在負載各端子上發生的電位的確定單元之一，由于利用負載及負載連接線，因此除了負載的端子電位被強制地固定的懸空、接地、以及驅動元件的導通故障等以外，也能明確地檢測出負載或負載連接線的斷線故障。
另外，通過檢測驅動單元斷開時的異常，不必在負載接地或懸空狀態下向負載供電，或在驅動單元導通故障的狀態下使驅動單元動作，能全面而迅速地檢測出異常。
特別是，從預防安全的角度出發，人們強烈要求裝在鐵路車輛或汽車等上的以旋轉電機為代表的多相接線負載的驅動系統，在負載的連接狀態異常檢測或驅動單元的故障檢測上能降低成本、增強功能，為此，本發明提出適用于此的異常檢測系統。
圖1為表示本發明實施方式1的構成的一示例用的電路圖。
圖2為表示實施方式1的正常時和異常時的檢測電壓的一示例用的圖。
圖3為表示本發明實施方式2的構成的一示例用的電路圖。
圖4為表示實施方式2的正常時和異常時的檢測電壓的一示例用的圖。
圖5為表示本發明實施方式3的構成的一示例用的電路圖。
圖6為表示實施方式3的正常時和異常時的檢測電壓的一示例用的圖。
圖7為表示本發明實施方式3的其它實施例的構成的電路圖。
圖8為表示圖7的實施例中正常時和異常時的檢測電壓的一示例用的圖。
具體實施例方式
實施方式1以下，參照附圖對本發明的實施方式1進行說明。
圖1為表示實施方式1的構成的一示例的電路圖。負載驅動系統1例如具有由FET等半導體元件構成的上支路驅動單元2a及同樣地由FET等半導體元件構成的下支路驅動單元2b，各驅動單元的一端與電池等直流電源10連接，而另一端與電動機等的負載11連接。
另外，電阻元件3a和上支路驅動單元2a并聯連接，電阻元件3b和下支路驅動單元2b并聯連接，通過對各驅動單元2a及2b進行開關控制，使其對負載11饋電或斷電。再有，各驅動單元2a及2b的另一端與以后將敘述的負載狀態異常檢測單元4連接。
在圖中示出的負載驅動系統中，例如設直流電源10的電壓為E(V)、負載11的直流等效電阻值為R11(Ω)、上支路元件2a的截止時直流等效電阻值為R2A(Ω)、下支路元件2b的截止時直流等效電阻值為R2B(Ω)、電阻元件3a的電阻值為R3A(Ω)、電阻元件3b的電阻值為R3B(Ω)，則在假定配線電阻可忽略不計充分地小的情況下，負載端子電壓V1(V)及V2(V)分別可用下式(1)、(2)表示。
V1=R11+(R2B//R3B)R11+(R2A//R3A)+(R2B//R3B)·E···---(1)]]>V2=R2B//R3BR11+(R2A//R3A)+(R2B//R3B)·E···---(2)]]>其中
R2A//R3A=R2A·R3AR2A+R3A]]>R2B//R3B=R2B·R3BR2B+R3B]]>式中，若選定R3A及R3B，使得R2A＞＞R3A、R2B＞＞R3B、而且R3A＞＞R11、R3B＞＞R11，則R2A、R2B及R11可忽略不計。再有，這里為便于說明，設R3A＝R3B。
根據上述的前提條件對式(1)、(2)進行改寫，則負載端子電壓V1(V)及V2(V)可分別簡化成下式(1A)、(2A)。
V1≅R3BR3A+R3B·E=E2···---(1A)]]>V2≅R3BR3A+R3B·E=E2···(2A)]]>在實施方式1的負載驅動系統的異常檢測中，在如以后將敘述的正常的情況下和不正常的情況下使負載端子電壓變化幅度增大的同時，還借助于此將判別變得容易作為基本點，由于不將規定嚴格的數值作為絕對必要的條件，所以，以下的說明是在上述前提條件之下加以簡化后再進行說明。
首先，在負載11或負載連接線斷線的情況下，負載端子電壓V1(V)根據R2A＞＞R3A、R2B＞＞R3B的前提條件變得與電源電壓E(V)實質上相等。V2(V)根據和V1(V)相同的理由實質上成為接地電壓(在這里為零(V))。
V1E…(1B)V2O…(2B)然后，在負載11或負載連接線接地的情況下，具體為在負載11正常連接的情況下，負載或負載連接線等一部分成為地電位的情況下，負載端子電壓V1(V)及V2(V)實質上成為接地電壓。
V1O…(1C)V2O…(2C)然后，在負載11或負載連接線懸空的情況下，具體為在負載11正常連接的情況下，負載或負載連接線等一部分成為電源電位E的情況下，負載端子電壓V1(V)及V2(V)實質上成為電源電壓。
V1E…(1D)V2E…(2D)
再有，在負載11正常連接的狀態下當上支路驅動單元2a導通故障時，負載端子電壓V1(V)及V2(V)實質上成為電源電壓。
V1E…(1E)V2E…(2E)再又，在負載11正常連接的狀態下當下支路驅動單元2b導通故障時，負載端子電壓V1(V)及V2(V)實質上成為地電位。
V10…(1F)V20…(2F)圖2為將以上的式(1A)、(2A)至(1F)、(2F)的結果以一覽表形式進行表示。如該圖所示，正常時和異常時的V1、V2各自數值之差異相當明顯，還有，利用正常時和異常時的電壓差大這一點，能大大減少誤檢之可能，能確實無誤地判別出異常。
此外，即使在負載連接線斷線狀態下的負載側接地或端子側接地、負載側懸空或端子側懸空、上支路元件或下支路元件導通故障時所有情況組合在一起出現，仍能和上述一樣地判別不正常。這里，按照上述示例能容易地導出結果，故其具體的說明就省略。
再有，在上述所有的情況下，V1或V2中，只要監視任何一方的電壓便能判別不正常。
實施方式2以下，利用圖2說明本發明的實施方式2。圖3為表示實施方式2的構成的一示例的電路圖。實施方式2的負載驅動系統1為，由FET等半導體元件組成的上支路驅動單元2a和同樣地由FET等半導體元件組成的下支路驅動單元2b串聯連接的第1驅動單元；與由FET等半導體元件組成的上支路驅動單元2c和同樣地由FET等半導體元件組成的下支路驅動單元2d串聯連接的第2驅動單元都與電池等直流電源10連接，同時，在第1驅動單元的上支路元件2a和下支路元件2b間的連接點和第2驅動單元的上支路元件2c和下支路元件2d間的連接點之間連接負載11及負載狀態異常檢測單元4。
另外，第1驅動單元的上支路元件2a和電阻元件3a并聯連接，同時，第2驅動單元的下支路元件2d和電阻元件3b并聯連接，通過對第1及第2驅動單元的上支路元件及下支路元件進行開關控制，能對負載11饋電或斷電。
在圖3的負載驅動系統中，例如設直流電源10的電壓為E(V)、負載1的直流等效電阻值為R11(Ω)、第1、第2驅動單元的各支路元件2a至2d截止時的直流等效電阻值為R2A(Ω)至R2D(Ω)、電阻元件3a的電阻值為R3A(Ω)、電阻元件3b的電阻值為R3B(Ω)，假定配線電線可以忽略不計充分地小。
另外，當設定和實施方式1同樣的前提條件時，負載端子電壓V1(V)及V2(V)分別能以下式(3A)及(4A)表示。
V1≅R3BR3A+R3B·E=E2···---(3A)]]>V2≅R3BR3A+R3B·E=E2···---(4A)]]>首先，在負載11或負載連接線斷線的情況下，V1(V)實質上與電源電壓E(V)相等，而V2(V)實質上成接地電壓(這里為零(V))。
V1E…(3B)V2O…(4B)然后，在負載11或負載連接線接地的情況下，具體為，在負載11正常連接的狀態下，當負載11或負載連接線等的一部分成為地電位時，負載端子電壓V1(V)和V2(V)實質上成接地電壓。
V1O…(3C)V2O…(4C)然后，在負載11或負載連接線懸空的情況下，具體為，在負載11正常連接的狀態下，當負載11或負載連接線等的一部分成為電源電位E時，負載端子電壓V1(V)和V2(V)實質上成電源電壓。
V1E…(3D)V2E…(4D)再有，在負載11正常連接的狀態下，當第1驅動單元的上支路元件2a或第2驅動單元的上支路元件2c中的一個或兩個都導通故障時，負載端子電壓V1(V)及V2(V)實質上成為電源電壓。
V1E…(3E)V2E…(4E)再又，在負載11正常連接的狀態下，當第1驅動單元的下支路元件2b或第2驅動單元的下支路元件2d中的一個或兩個都導通故障時，負載端子電壓V1(V)及V2(V)實質上成為地電位。
V1O…(3F)V2O…(4F)圖4為將以上的式(3A)、(4A)至(3F)、(4F)的結果以一覽表形式進行表示。如該圖所示，在將FET等半導體元件進行H橋式連接的負載驅動系統上，正常時和異常時的V1、V2各自數值之差異相當明顯，還有，利用正常時和異常時的電壓差大這一點，能大大減少誤檢之可能，能確實無誤地判別出異常。
此外，即使在負載連接線斷線狀態下的負載側接地或端子側接地、負載側懸空或端子側懸空、上支路元件或下支路元件導通故障時所有情況組合在一起出現，則仍能和上述一樣地判別不正常。這里，按照上述示例能容易地導出結果，故其具體的說明就省略。
再有，在上述所有的情況下，V1或V2中，只要監視任何一方的電壓便能判別不正常。
實施方式3以下，利用
本發明的實施方式3。圖5為表示實施方式3的構成的一示例用的電路圖。實施方式3的負載驅動系統1為，由FET等半導體元件組成的上支路元件2a和同樣地由FET等半導體元件組成的下支路元件2b串聯連接的第1驅動單元；和第1驅動單元同樣地構成的上支路元件2c和下支路元件2d串聯連接的第2驅動單元；以及和第1驅動單元同樣地構成的上支路元件2e和下支路元件2f串聯連接的第3驅動單元都分別同電池等直流電源10連接，同時，在各驅動單元的上支路元件和下支路元件間的連接點上連接多相接線負載11的各相端子及負載狀態異常檢測單元4。
另外，各驅動單元中，1個或不是全部的多個驅動單元的上支路元件和上位電阻元件并聯連接，未與上位電阻元件連接的驅動單元的下支路元件和下位電阻元件并聯連接。在圖5的例子中第1及第2驅動單元的上支路元件2a、2c分別和上位電阻元件3a、3b并聯連接，第3驅動單元的下支路元件2f和下位電阻元件3c并聯連接，通過對各驅動單元的上支路元件及下支路元件2a至2f進行開關控制，能對多相接線負載11饋電或斷電。
圖5的負載驅動系統中的多相接線負載11，可以設想為以三相交流旋轉設備為代表的Y形接線或△形接線等。也就是意味著，負載11各相端子間以包括零Ω(短路)在內的低阻抗形式進行結合，不限于特定的設備或接線。
在圖5的負載驅動系統中，例如設直流電源10的電壓為E(V)、多相接線負載11的直流等效電阻值為R11(Ω)、第1～第3驅動單元的各支路元件2a至2f的截止時直流等效電阻值為R2A(Ω)至R2F(Ω)、電阻元件3a的電阻值為R3A(Ω)、電阻元件3b的電阻值為R3B(Ω)、電阻元件3c的電阻值為R3C(Ω)，假定配線電阻可以忽略不計充分地小。
另外，當設定和實施方式1相同的前提條件時，能分別用以下的式(5A)、(6A)、(7A)表示負載端子電壓V1(V)、V2(V)、V3(V)。
但是在實施方式3中，為便于說明，除了上述前提條件外，還附加R3A＝2×R3C、R3B＝2×R3C的前提條件。
V1≅R3C(R3A//R3B)+R3C·E=E2···---(5A)]]>R2≅R3C(R3A//R3B)+R3C·E=E2···---(6A)]]>V3≅R3C(R3A//R3B)+R3C·E=E2···---(7A)]]>其中R3A//R3B=R3A·R3BR3A+R3B]]>首先，將多相接線負載11或負載連接線中，與電阻元件3a連接的部分線路截斷，與電阻元件3b及3c連接的線路保持正常連接不變，在這種斷線形態的情況下，V1(V)實質上和電源電壓E(V)相等，V2(V)和V3(V)實質上成為按照R3B和R3C的比例分壓的電壓。
V1≅E···---(5B)]]>V2≅R3CR3B+R3C·E=E3···(6B)]]>V3≅R3CR3B+R3C·E=E3···---(7B)]]>然后，截斷多相接線負載11或負載連接線之中，與電阻元件3b連接的部分線路，連接電阻元件3a及3c的線路保持正常的連接不變，在這種斷線形態下，V2(V)實質上和電源電壓E(V)相等，V1(V)和V3(V)成為實質上按照R3A和R3C之比分壓的電壓。
V1≅R3CR3B+R3C·E=E3···---(5C)]]>V2≅E···---(6C)]]>V3≅R3CR3B+R3C·E=E3···---(7C)]]>然后，截斷多相接線負載11或負載連接線之中，與電阻元件3c連接的部分線路，連接電阻元件3a及3b的線路保持正常的連接不變，在這種斷線形態下，V3(V)實質上等于接地電壓(在這里為零(V))，V1(V)和V2(V)成為實質上為電源電壓E(V)電壓。
V1E…(5D)V2E…(6D)V3O…(7D)再有，在多相接線負載11或負載連接線接地的情況下，具體為，多相接線負載在正常連接的狀態下，當多相接線負載或負載連接線等的一部分成為地電位時，負載端子電壓V1(V)、V2(V)、V3(V)實質上都成為接地電壓。
V1O…(5E)V2O…(6E)V3O…(7E)再又，在多相接線負載11或負載連接線懸空的情況下，具體為，多相接線負載在正常連接的狀態下，當多相接線負載或負載連接線等一部分成為電源電位時，負載端子電壓V1(V)、V2(V)、V3(V)實質上都成為電源電壓。
V1E…(5F)V2E…(6F)V3E…(7F)另外，在多相接線負載11正常連接的狀態下，當第1、第2、第3驅動單元的上支路元件2a、2c、2e的一個或多個導通故障時，負載端子電壓V1(V)、V2(V)、V3(V)實質上都成為電源電壓。
V1E…(5G)V2E…(6G)V3E…(7G)再有，在多相接線負載11正常連接的狀態下，第1、第2、第3驅動單元的下支路元件2b、2d、2f的一個或多個導通故障時，負載端子電壓V1(V)、V2(V)、V3(V)實質上都成為接地電壓。
V1O…(5H)V2O…(6H)V3O…(7H)圖6為將以上的式(5A)、(6A)、(7A)至(5H)、(6H)、(7H)的結果以一覽表形式進行表示。如該圖所示，在將FET等半導體元件進行三相橋式連接的負載驅動系統上，正常時和異常時之差異相當明顯，能確實無誤地進行判別。
此外，即使在負載連接線斷線狀態下的負載側接地或端子側接地、負載側懸空或端子側懸空、驅動單元的支路元件導通故障時所有的情況組合在一起出現，仍能和上述一樣地判別不正常。這里，按照上述示例能容易地導出結果，故其具體的說明就省略。
再有，在上述所有的情況下，V1至V3中，只要監視任何一個電壓便能判別不正常。
但是，上述各實施方式中，以計測負載上流過的電流值為目的在電氣連接布線上配置一個或多個分流電阻，從電源的正負兩極側看負載驅動系統時有時形成包括分流電阻在內的串聯電路。無論在任何實施方式中，在計測以直流電源的負極電位(接地電位)為基準的負載端子電壓V1(V)或V2(V)的情況下，若和上支路元件并聯連接的電阻元件、和下支路元件并聯連接的電阻元件、以及分流電阻形成串聯電路，則要考慮到分流電阻的電阻值對電壓分壓比會有影響。
然而，一般的開關元件例如為MOSFET，則支路元件的直流等效電阻值大于等于幾十MΩ，負載11的直流等效電阻值小于等于幾Ω。可以設想要選用的電阻元件3a至3c的電阻值為幾十kΩ～幾百kΩ，所以，只要是一般的分流電阻(小于等于幾Ω)，那末將分流電阻值忽略不計也無任何問題，上述結果不變。
還有，實施方式2中，在第2驅動單元的上支路元件2c和電阻元件3a并聯連接時，第1驅動單元的下支路元件2b和電阻元件3b就并聯連接。在這種情況下，與上述實施方式2同樣地能判別出不正常。這里，按照上述示例容易導出其結果，具體的說明省略。
另外，在實施方式3中，如圖7所示，第1驅動單元的上支路元件2a與電阻元件3a并聯連接，第2、第3驅動單元的下支路元件2d及2f分別與電阻元件3b、3c并聯連接。在這種情況下，通過改變R3B＝2×R3A、R3C＝2×R3A和前提條件，正常時負載端子電壓可用下式表示。
V1≅(R3B//R3C)R3A+(R3B//R3C)·E=E2···---(8A)]]>V2≅(R3B//R3C)R3A+(R3B//R3C)·E=E2···---(9A)]]>V3≅(R3B//R3C)R3A+(R3B//R3C)·E=E2···---(10A)]]>其中R3B//R3C=R3B·R3CR3B+R3C]]>雖然省略了發生異常時的電壓的說明，但根據與上述說明相同的運算，成為如圖8所示(一覽表)那樣，能容易地判別出不正常。
權利要求
1.一種負載驅動系統的故障檢測裝置，該負載驅動系統具有連接在直流電源的正極和負載的一端之間的上支路驅動單元、以及連接在所述直流電源的負極和所述負載的另一端之間的下支路驅動單元，通過對所述各驅動單元進行開關控制，控制供給所述負載的電壓或電流，其特征在于，具有分別與所述上支路驅動單元及下支路驅動單元并聯連接的電阻元件；以及通過監視所述負載端子中任何一端或兩端的端子電壓，檢測包括所述負載及與負載連接的配線在內的負載驅動系統的異常的負載狀態異常檢測單元。
2.一種負載驅動系統的故障檢測裝置，該負載驅動系統具有由半導體元件組成的上支路元件和下支路元件串聯連接的第1驅動單元、以及由半導體元件組成的上支路元件和下支路元件串聯連接的第2驅動單元與直流電源并聯連接，同時第1驅動單元的上支路元件和下支路元件間的連接點及第2驅動單元的上支路元件和下支路元件間的連接點之間連接負載，通過對所述各半導體元件進行開關控制，控制供給所述負載的電壓或電流，其特征在于，具有分別與第1驅動單元的上支路元件及第2驅動單元的下支路元件并聯連接的電阻元件；以及通過監視所述負載端子中任何一端或兩端的端子電壓，檢測包括所述負載及與負載連接的配線在內的負載驅動系統的異常的負載狀態異常檢測單元。
3.一種負載驅動系統的故障檢測裝置，該負載驅動系統將由半導體元件組成的上支路元件和下支路元件串聯連接的3個以上的驅動單元分別與直流電源并聯連接，各驅動單元的上支路元件和下支路元件的連接點分別與多相接線負載的各相端子連接，通過對所述各半導體元件進行開關控制，控制供給所述多相接線負載的電壓或電流，其特征在于，具有與所述各驅動單元中1個或不是全部的多個驅動單元的上支路元件并聯連接的上位電阻元件；與未連接所述上位電阻元件的驅動單元的下支路元件并聯連接的下位電阻元件；以及通過監視所述多相接線負載中任何一個或多個相的端子電壓，檢測包括所述多相接線負載或與多相接線負載連接的配線在內的負載驅動系統的異常的負載狀態異常檢測單元。
4.如權利要求1至3中任一項所述的負載驅動系統的故障檢測裝置，其特征在于，與所述驅動單元的上支路元件及下支路元件并聯連接的電阻元件的電阻值為比所述驅動單元斷開時的直流等效電阻值充分地小，而且為比負載或多相接線負載的端子間直流等效電阻值充分地大的值。
5.如權利要求4所述的負載驅動系統的故障檢測裝置，其特征在于，利用所述驅動單元全部為斷開狀態的所述負載或多相接線負載的端子電壓，判斷有無故障。
全文摘要
本發明揭示一種負載驅動系統的故障檢測裝置，在這種具有連接在直流電源的正極和負載的一端之間的上支路驅動單元、以及連接在直流電源的負極和負載的另一端之間的下支路驅動單元，通過對各驅動單元進行開關控制，控制供給負載的電壓或電流的負載驅動系統中，具有分別與上支路驅動單元及下支路驅動單元并聯連接的電阻元件；以及通過監視負載端子中任何一端或兩端的端子電壓，檢測包括負載及與負載的配線在內的負載驅動系統的異常的負載狀態異常檢測單元。
文檔編號H02H7/08GK1929291SQ20061012612
公開日2007年3月14日 申請日期2006年8月22日 優先權日2005年8月23日
發明者松岡尚吾 申請人:三菱電機株式會社