CN102412769A - 旋转电机的控制设备 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转电机的控制设备，其包括具有组成逆变器的高压侧开关元件和低压侧开关元件的DC-AC转换电路。在该设备中，连接/断开电路被布置成在DC-AC转换电路与电源之间电气上开路和闭合。确定部件确定高压侧开关元件和低压侧开关元件是否具有故障。当确定开关元件中发生故障时，故障保护执行单元使连接/断开电路开路，以及接通位于逆变器的一部分中的高压侧开关元件和低压侧开关元件。在接通的高压侧开关元件和低压侧开关元件中实现短路状态。

Description

旋转电机的控制设备

技术领域

本发明涉及用于旋转电机的控制设备，尤其涉及装配有直流-交流DC-AC转换器的控制设备，其中，该DC-AC转换器具有开关元件以控制从直流DC电源到旋转电机的电力。

背景技术

这种类型的控制设备是公知的。例如，专利文献JP-A-2007-312588公开了一种控制设备，其能够接通所有相的一侧上的臂，包括具有短路的开关元件的臂。因此，可在电动机的相中的每个相中抑制电流的峰值。

在以上专利文献公开的控制设备中，执行故障保护处理以抑制电动机的相中的每个相中的电流的峰值。在执行故障保护处理时，需要驱动所有相的一侧上的臂的开关元件。因此，故障保护处理中所消耗的电力趋向于大。

发明内容

已考虑到上述问题而提出了本发明，而且本发明的目标是提供一种用于处理已发生在DC-AC转换电路的开关元件中的短路故障的方案，其中，通过串联连接高压侧开关元件和低压侧开关元件的群组以选择性地将旋转电机的端子连接到DC电源的正输出端子和负输出端子，来配置该DC-AC转换电路。

为了实现该目标，提供了一种用于旋转电机的控制设备，该旋转电机具有从具有正输出端子和负输出端子的直流DC电源接收电力的端子，该控制设备包括：设置有串联连接电路的直流-交流DC-AC转换电路，每个串联连接电路具有高压侧开关元件和低压侧开关元件，高压侧开关元件和低压侧开关元件选择性地将旋转电机的端子连接到电源的正输出端子和负输出端子，用于控制旋转电机的受控变量；连接/断开电路，被布置成在DC-AC转换电路与电源之间电气上开路和闭合，以电气上连接和断开连接DC-AC转换电路和电源的电气路径；确定装置，其确定高压侧开关元件和低压侧开关元件是否具有故障；以及故障保护执行装置，当确定装置确定高压侧开关元件和低压侧开关元件具有故障时，该故障保护执行装置使连接/断开电路开路，以及接通位于串联连接电路的一部分中的高压侧开关元件和低压侧开关元件，从而在接通的高压侧开关元件和低压侧开关元件中实现短路状态。

在开关元件具有短路故障的情况下，如果断开配置DC-AC转换电路的所有开关元件，则通过旋转电机的端子的电流可能偏离零点并成为不对称的。另外，电流中的每个电流的峰值会变大而使没有短路故障的开关元件的可靠性退化，进而使旋转电机的可靠性退化。在这点上，当通过接通串联连接的群体的一部分的高压侧开关元件和低压侧开关元件来执行针对短路故障的故障保护处理时，减少了与零点的偏离，并且还使峰值变小。已考虑到该点而配置了本发明的故障保护执行装置。

优选的是，控制设备包括估计装置，其估计开关元件中已发生故障的元件，其中，故障保护执行装置包括用于接通开关元件的装置，该开关元件电气上串联连接到由估计装置估计的开关元件。

在本发明中，可通过电气上仅接通高压侧开关元件和低压侧开关元件之一，来接通高压侧开关元件和低压侧开关元件。

优选地，故障保护执行装置包括用于接通仅组成串联连接电路之一的高压侧开关元件和低压侧开关元件的装置，其中，该串联连接电路之一是短路的串联连接电路。

另优选地，旋转电机安装在设置有旋转电机、主机、低压电源、和降压转换器的车辆上，其中，低压电源的输出电压低于DC电源的输出电压，降压转换器降低DC电源的输出电压并将降压后的电压供应给低压电源，基于来自低压电源的电力而接通或断开DC-AC转换电路的开关元件，以及基于来自低压电源的电力而控制主机；以及降压转换器经由连接/断开电路而电气上连接到DC电源。

在本发明中，可由第二主机执行失效保护运行(limp-home running)的时间段取决于低压电源的剩余容量。当故降保护执行装置被激活时，无法增加剩余容量。因此，尤其期望的是，减少由故障保护执行装置消耗的电力。

附图说明

在附图中：

图1是一般性地图示根据本发明的第一实施例的电动机的控制系统的示意图；

图2是图示设置在控制系统中的逆变器与控制设备之间的电子装置的示意图；

图3A至图3C是指示由短路故障导致的问题的图；

图4A至图4C是说明根据第一实施例的针对故障的故障保护处理的原理的图；

图5是图示根据第一实施例的针对故障的故障保护处理的流程图；

图6A至图6C是图示根据本发明的第二实施例的故障保护处理的原理的图；

图7是图示根据第二实施例的针对故障的故障保护处理的流程图。

具体实施方式

参考附图，在下文中描述本发明的实施例。

首先参考图1至图5，描述根据本发明的控制设备的第一实施例。在第一实施例中，将本发明的用于旋转电机的控制设备应用于并行混合动力车辆。

图1是一般性地图示根据第一实施例的电动机的控制系统的示意图。如图1所示，控制系统包括电动发电机10(即，第一主机或第一主引擎)、内燃机12(即，第二主机或第二主引擎)、传动装置14、DC-DC转换器18、驱动轮16、具有正输出端子和负输出端子的高压电池20(DC电源)、逆变器IV(DC-AC转换电路)、控制设备40、和低压电池42。

电动发电机10是三相永磁同步旋转电机。另外，电动发电机10是具有凸极性(saliency)(凸极式机器，salient pole machine)的旋转电机。更准确的，电动发电机10是内部永磁同步电动机(IPMSM)。电动发电机10具有输出轴，该输出轴直接并同轴地连接到内燃机12的输出轴(曲轴)。因此，电动发电机10的输出轴和内燃机12的曲轴以同轴和整体的方式旋转，而不是以彼此相对的方式旋转。电动发电机10的输出轴经由传动装置(transmission)14连接到驱动轮16。

电动发电机10连接到逆变器IV。逆变器IV将高压电池20的DC电压转换成用于施加到电动发电机10的AC电压。在逆变器IV与高压电池20之间，连接继电器SMR2、电阻21和继电器SMR1。具体地，继电器SMR2和电阻21的串联连接电路与继电器SMR1并联连接，以提供作为整体的并联连接电路。并联连接电路连接在逆变器IV与高压电池20的正输出端子之间。电池20的负输出端子接地。如图1和图2所示，并联连接电路的输出侧经由DC-DC转换器18与低压电池42电气上相连接。

另一方面，控制设备40将电动发电机10作为要被控制的对象，而将逆变器IV作为要被操作的对象。控制设备40获取用于检测状态量的各种传感器(未示出)的输出等，以基于获取的输出来操作逆变器IV，从而控制电动发电机10的受控变量。控制设备40将低压电池42用作其电源。低压电池42具有的端子电压(例如大于10V)小于高压电池20的端子电压(大于100V)。

在本实施例中，低压电池42仅将高压电池20用作充电装置。换言之，高压电池20的电压被DC-DC转换器18降低，并且被施加到低压电池42，以对低压电池42进行充电。

图2是图示设置在控制系统中的逆变器IV与控制设备40之间的电子装置的示意图。

逆变器IV由三个高压侧开关元件Swp和三个低压侧开关元件Swn来配置。具体地，三个高压侧开关元件Swp串联连接到相应的三个低压侧开关元件Swn，以提供三个串联连接群组。将三个串联连接群组并联连接，以配置逆变器IV。高压侧开关元件Swp与相应的低压侧开关元件Swn之间的连接点连接到电动发电机10的相应的相。

高压侧开关元件Swp中的每个具有输入端子和输出端子(集电极和发射极)，其中高压侧续流二极管FDp连接在端子之间。在端子之间的连接中，续流二极管FDp的阴极和阳极分别连接到开关元件Swp的集电极和发射极。类似地，低压侧开关元件Swn中的每个具有输入端子和输出端子(集电极和发射极)，其中低压侧续流二极管FDn连接在端子之间。在端子之间的连接中，续流二极管的FDn的阴极和阳极分别连接到开关元件Swn的集电极和发射极。

开关元件Swp和Swn中的每个由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成。另外，开关元件Swp和Swn中的每个设置有传感端子St，该传感端子St用于输出与通过开关元件的输入端子和输出端子的电流相关联的微小电流。

由传感端子St输出的微小电流通过分路电阻器43以降低电压。驱动单元DU获取电压降的量，其中驱动单元DU连接到开关元件Sw#(#＝p或n)的导通控制端子(栅)以驱动Sw#。驱动单元DU使用分路电阻器43中的电压降的量，来对通过开关元件Sw#的输入端子和输出端子的电流进行确定。如果确定通过端子的电流不小于阈值电流Ith，则驱动单元DU执行强制断开开关元件Sw#的功能。当强制断开开关元件Sw#时，驱动单元DU输出故障信号FL。

另一方面，控制设备40从诸如电压传感器24、电流传感器26和28、和旋转角传感器30的各种传感器获取检测值，其中，电压传感器24检测逆变器IV的输入端子和输出端子上的电压(电容器22的电压)，电流传感器26和28分别检测电动发电机10的V相和W相电流，而旋转角传感器30检测电动发电机10的电角度。

控制设备40使用这些各种传感器的检测值，来生成和输出用于逆变器IV的U相、V相和W相的操作信号。具体地，控制设备40输出操作信号gup、gvp和gwp以及操作信号gun、gvn和gwn，其中，操作信号gup、gvp和gwp分别用于操作U相、V相和W相的开关元件Swp，而操作信号gun、gvn和gwn分别用于操作U相、V相和W相的开关元件Swn。

因此，控制设备40经由驱动单元DU来操作开关元件Swp和Swn，其中驱动单元DU连接到相应的开关元件Swp和Swn的导通控制端子(栅)。

包括逆变器IV的高压系统与包括控制设备40的低压系统通过具有未示出的诸如光耦合器的绝缘装置的接口32而彼此绝缘。经由接口32向高压系统输出操作信号g＊#(＊＝u、v或w；#＝p或n)。

接口32在低压系统和高压系统之间基本绝缘。同时，接口32具有初级侧，该初级侧还包括故障保护处理器32a。当从驱动单元DU输出故障信号FL时，故障保护处理器32a关闭逆变器IV。故障保护处理器32a可具有诸如JP-A-2009-060358中所公开的用于关闭逆变器的电路配置。

接口32还包括回扫转换器32b。回扫转换器32b用作绝缘转换器，该绝缘转换器将低压电池42的电力供应给驱动单元DU。

开关元件Sw#可被置于使流经开关元件Sw#的电流超过阈值电流Ith的情形中。该情形主要发生于当开关元件Sw#中发生短路故障时，其中开关元件Sw#进入一直导通状态而不管给予开关元件Sw#的电操作。该过量电流的发生的机制是，当接通具有短路故障的开关元件及与其串联连接的开关元件时，电流过量地流经该对开关元件Swp和Swn。在下面的描述中，描述了补救开关元件Swp和Swn的这种短路故障的处理。

图3A图示了等效电路，其中在W相上臂开关元件Swp中已发生了短路故障，因此已断开了所有的其它开关元件Swp和Swn。图3B图示了在图3A所示的状态下的三相中的电流的情况(behavior)。图3C图示了扭矩情况。图4A至图4C是描述根据第一实施例的针对故障的故障保护处理的原理的图。

如图3B所示，三相的电流的幅度中心偏离零，因此每个电流的绝对值的最大值变大。因此，在每个电流的路径中生成的热量增加，趋向于使诸如逆变器IV和电动发电机10的可靠性退化。

在这点上，在本发明中，如图4A所示，继电器SMR1和SMR2开路，以及接通逆变器IV的相之一，例如相U的上臂和下臂。因此，如图4B所示，防止三相的电流的幅度中心偏离零，从而使每个电流的绝对值的最大值变小。在这种情况下，扭矩也减小，因此不会防止使用内燃机12的失效保护运行。

图5示出根据本实施例的针对故障的故障保护处理。例如由控制设备40，以预定的周期来重复执行该处理。

在处理的一系列的步骤中，首先，在步骤S10确定是否从驱动单元DU输出故障信号FL。如果输出故障信号FL，则断开继电器SMR1和SMR2。应当理解，当电动发电机10在运行中时，继电器SMR1通常处于接通状态，而继电器SMR2处于断开状态，因此实际上，需要必须被断开的仅为继电器SMR1。在随后的步骤S14，确定是否已消除了故障。在该步骤，例如当通过电动发电机10的电流的幅度中心没有偏离零到很大程度时，可确定消除了故障。如果确定消除了故障，则控制前进到步骤S16，其中执行返回处理。换言之，例如，接通继电器SMR2以对电容器22充电，继之以接通继电器SMR1。然后，操作逆变器IV以开始控制电动发电机10的受控变量。

另一方面，如果在步骤S14做出否定的确定，则控制前进到步骤S18，其中执行故障保护处理。在步骤S18，将操作信号gup和gun用作使相U的上臂和下臂短路的操作中命令。

当完成步骤S16和S18时，或者如果在步骤S10做出否定的确定，则暂时结束一系列的步骤。

如上所述，在本实施例中，当发生短路故障时，容易实现故障保护处理，而无需指定发生故障的部件。而且，在这种情况下，接通的开关元件的数目为2。因此，减小了低压电池42的功耗，另外增加了车辆可通过其而进入失效保护模式(limp-home mode)的距离。

更准确的，经由回扫转换器42b，通过低压电池42的电力来激活驱动单元DU。因此，由于要接通的开关元件Sw#的数目增加，所以驱动单元DU消耗的电力趋向于增加。同时，当断开继电器SMR1和SMR2时，无法再经由DC-DC转换器18对低压电池42充电。因此，车辆可通过其而进入失效保护模式的距离取决于低压电池42的剩余容量。因此，为了增加失效保护运行的距离，需要减少低压电池42的功耗。

根据以上具体描述的实施例，获得以下优点。

(1)当确定开关元件Sw#具有短路故障时，断开继电器SMR1和SMR2，以及使相之一的上臂和下臂短路。因此，减少流经电动发电机10的电流的绝对值。

(2)低压电池42仅将DC-DC转换器18用作充电装置。在这种情况下，与单独地设置交流发电机以基于内燃机12的动力生成电力的情况相比，减少了部件的数目。但是，另一方面，通过低压电池42的剩余电力来限制失效保护运行的距离，或者失效保护运行的距离取决于低压电池42的剩余电力。因此，尤其期望的是，在执行故障保护处理时减少功耗。在这点上，上述故障保护处理非常有用。

[第二实施例]

现在参考图6和图7，在下文中描述本发明的第二实施例，集中于与第一实施例的不同。在第二实施例中，为了省略不必要的说明，向与第一实施例中的部件相同或类似的部件给出相同的附图标记。

图6A至图6C是描述根据第二实施例的针对故障的故障保护处理的原理的图。如图6A所示，在具有短路故障的相(相W)中，接通没有故障的臂。还在这种情况下，如图6B和图6C所示，可获得与第一实施例中的优点相同的优点。

图7示出根据本实施例的针对故障的故障保护处理。例如，该处理由控制设备40以预定的周期来重复执行。在图7中，为了方便，为与图5中的步骤相对应的那些步骤赋以相同的步骤标记。

在一系列的步骤中，如果在步骤S14做出否定的确定，则控制前进到步骤S20，其中指定具有短路故障的部件。具体地，如图3B所示，例如，具有短路故障的相的电流的绝对值变得等于剩余的两相的电流的绝对值之和。因此，可指定具有短路故障的相，以及可基于电流的量值来指定具有短路故障的臂。

因此，当完成指定具有短路故障的部件的步骤时，则控制前进到步骤S18a。在步骤S18a，在具有短路故障的相中接通没有短路故障的开关元件。

[修改]

可如下修改所描述的实施例。

故障保护执行装置不限于其中在一个相中接通高压侧开关元件Swp和低压侧开关元件Swn、以及均断开剩余相的开关元件Swp和Swn的故障保护执行装置。对此可替代的，可配置故障保护执行装置，使得在包括具有短路故障的相的两相中均接通高压侧开关元件Swp和低压侧开关元件Swn，以及断开剩余相的开关元件Swp和Swn。

逆变器IV的每个相可具有高压侧开关元件Swp和低压侧开关元件Swn的多个串联连接群组。在这种情况下，可仅在串联连接群组中的任一个中接通高压侧开关元件Swp和低压侧开关元件Swn。

确定装置可不必通过安装在每个驱动单元DU中的过量电流保护功能来实现。对此可替代的，确定装置可通过控制设备40来配置，其中，向控制设备40输入电流传感器26和28的输出信号。

用于在DC电源与逆变器IV之间连接/断开的连接/断开电路不限于在高压侧输入端子与DC电源的正输出端子之间连接/断开的连接/断开电路。对此可替代的，连接/断开电路可为在低压侧输入端子与DC电源的负输出端子之间连接/断开的连接/断开电路。可替代地，连接/断开电路可建立连接/断开两者，即高压侧输入端子与DC电源的正输出端子之间的连接/断开，以及低压侧输入端子与DC电源的负极之间的连接/断开。

指定装置不限于在以上实施例中例示的指定装置。替选地，指定装置可具有这样的配置，在该配置中接通在电动发电机10的一个端子(一个相)与DC电源的一个极之间连接的开关元件，以及顺序地开关要接通的开关元件。在该配置的开关元件的顺序开关中，发生这样的改变，在该改变中在流经电动发电机10的电流中减少与零点的偏离。基于与零点的偏离的这种改变，可指定具有短路故障的开关元件。换言之，当已发生改变时，可将短路故障的发生指定给直接连接到接通的开关元件的开关元件。

低压电源不限于仅经由DC-DC转换器18供应电能的低压电源。对此可替代的，可将从交流发电机输出的电力用作低压电源的电能，其中，交流发电机使用经由内燃机12的曲轴传送的扭矩来生成电力。还在这种情况中，如果使用本发明的实施例的故障保护处理，则在故障保护处理期间容易减少功耗。

控制系统可在逆变器IV与电动发电机10之间设置有开关。在这种情况下，一旦使开关开路，则电流不再流经逆变器IV，因此不需要接通开关元件。但是，当在开关的开路之前的时间段期间使用本发明的故障保护执行装置时，可享有诸如减少功耗的优点。

配置DC-AC转换电路的开关元件不限于IGBT。对此可替代的，可将MOS型场效应晶体管(MOSFET)用作开关元件。自然，开关元件可不必是电压控制型晶体管，而是可为电流控制型晶体管，例如双极型晶体管。在使用电流控制型晶体管的情况中，当电流流经晶体管的基极时接通每个晶体管。因此，在故障保护处理中，根据保持在接通状态中的开关元件的数目，可相当大地影响失效保护运行。因此，当将本发明应用于这种情况时，可获得尤其大的优点。

旋转电机不限于内部永磁同步电动机(IPMSM)。可替选地，可使用例如表面永磁同步电动机(SPMSM)。可想到的是，与本发明的归结原理(resolution principle)类似的归结原理可应用于这样的至少包括永磁体的旋转电机。

混合动力车辆不限于并联混合动力车辆。可替选地，车辆可为串联混合动力车辆。可替选地，车辆可为并行混联混合动力车辆。但是，在多个逆变器中的上臂相互连接以及下臂也相互连接的情况中，所期望的是，即使当一对旋转电机停止时，在系统中也可利用失效保护模式。

可替选地，车辆可为电动车辆，其中为用作车载驱动源而存储的电动车辆的能量形式仅为电能(包括生成电能的燃料电池)。还在这种情况中，将可利用失效保护模式。例如，如果电动车辆包括用于前轮和后轮的分离的电动发电机，则可关闭连接到电动发电机之一的逆变器，然后可执行故障保护处理。因此，使用剩余的电动发电机使得车辆能够进行失效保护运行。

Claims (4)

1.一种用于旋转电机的控制设备，所述旋转电机具有从具有正输出端子和负输出端子的直流DC电源接收电力的端子，所述控制设备包括：

设置有串联连接电路的直流-交流DC-AC转换电路，每个所述串联连接电路具有高压侧开关元件和低压侧开关元件，所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件选择性地将所述旋转电机的端子连接到所述电源的正输出端子和负输出端子，用于控制所述旋转电机的受控变量；

连接/断开电路，被布置成在所述DC-AC转换电路与所述电源之间电气上开路和闭合，以电气上连接和断开连接所述DC-AC转换电路和所述电源的电气路径；

确定装置，其确定所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件是否具有故障；以及

故障保护执行装置，当所述确定装置确定所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件具有所述故障时，所述故障保护执行装置使所述连接/断开电路开路，以及接通位于所述串联连接电路的一部分中的所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件，从而在接通的高压侧开关元件和低压侧开关元件中实现短路状态。

2.如权利要求1所述的控制设备，包括估计装置，其估计所述开关元件中已发生所述故障的开关元件，

其中，所述故障保护执行装置包括用于接通开关元件的装置，该开关元件电气上串联连接到由所述估计装置估计的开关元件。

3.如权利要求1或2所述的控制设备，其中，所述故障保护执行装置包括用于接通仅组成所述串联连接电路之一的所述高压侧开关元件和低压侧开关元件的装置，其中所述串联连接电路之一为短路的串联连接电路。

4.如权利要求1至3中任一项所述的控制设备，其中，

所述旋转电机安装在设置有所述旋转电机、主机、低压电源、和降压转换器的车辆上，其中，所述低压电源的输出电压低于所述DC电源的输出电压，以及所述降压转换器降低所述DC电源的所述输出电压并将降压后的电压供应给所述低压电源，其中，基于来自所述低压电源的电力来接通或断开所述DC-AC转换电路的开关元件，以及基于来自所述低压电源的电力来控制所述主机；以及

所述降压转换器经由所述连接/断开电路电气上连接到所述DC电源。

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