CN105375844A - 旋转机械的控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种旋转机械(80)的控制设备对具有绕组组(801，802)的旋转机械的驱动进行控制。控制设备包括多个***中的电力转换器(601，602)、故障检测部(751，752)以及控制器(65)。电力转换器具有上臂中的开关元件和下臂中的开关元件，并且对直流电力进行转换。故障检测部检测电力转换器的故障或绕组组的故障。控制器对开关元件进行操作并且控制电力供应。当故障检测部检测到故障时，控制器停止对故障***中的电力转换器的输出，并且控制器减少正常操作的***中的开关元件的每单位时间的总开关次数。

Description

旋转机械的控制设备
技术领域
本公开内容涉及用于控制旋转机械的驱动的控制设备。
背景技术
专利文献1：JP2013-219905A(对应于US2013/0264974A1)。
通常，旋转机械的控制设备中的PWM控制对诸如逆变器的电力转换器中的开关元件的开关定时进行控制，使得控制对旋转机械的电力供应。PWM控制基于电压指令值来生成占空比信号(dutysignal)。占空比信号是关于开关周期(switchingperiod)的导通/关断周期(on/offcycle)的比率。PWM控制通过将占空比信号与诸如三角波、锯齿波的载波相比较来导通和关断开关元件。
在PWM控制中，当作为载波的频率的PWM频率被设置得较高时，也就是说，当周期长度被设置得较短时，提高了可控性。例如，专利文献1公开了例如可以将载波的频率设置为20kHz并且可以将周期长度设置为50μs。
本申请的发明人已经发现以下内容。
当PWM频率增大时，每单位时间的开关次数可能增加，并且开关损耗可能增加。在正常驱动状态下，为了提高可控性，使用例如20kHz的频率。
在车辆的电动助力转向设备中所使用的、用于生成转向辅助扭矩的电机的控制设备中，特别是当控制设备附接至转向柱时，由于控制设备被布置成靠近驾驶员，使得驾驶员和乘客较不可能听到操作声音，所以出于静音的目的可以优选地使用20kHz或更大的PWM频率。
假设旋转机械的控制设备包括电力转换器的多个***，并且控制对与多个***对应的多个绕组组的电力供应。另外，假设多个***当中的任一个***中的电力转换器或绕组组发生故障，并且仅通过正常操作的***来对旋转机械进行驱动。顺便提及，正常操作的***意指正常地操作的***。对于电动助力转向设备，上述情形可以对应于下述情况：在行驶过程中任一***中发生了故障，驾驶员执行向车辆经销商等的撤离行驶，同时仅通过正常操作的***来保证转向扭矩的辅助功能。在这种情况下，可能期望的是通过降低正常操作的***的电力转换器中的开关损耗来提高电力效率以及防止热生成，而非提高可控性和静音。
发明内容
本公开内容的目的是提供一种控制旋转机械的驱动的控制设备，其包括电力转换器的多个***，并且包括多个绕组组。当***当中的任一个***中的电力转换器或绕组组发生故障时，该控制设备降低正常操作的***中的电力转换器的开关损耗。
根据本公开内容，提供了一种旋转机械的控制设备。该控制设备对具有多个绕组组的旋转机械的驱动进行控制。该旋转机械的控制设备包括：多个***中的电力转换器、故障检测部以及控制器。电力转换器中的每个电力转换器具有上臂中的开关元件和下臂中的开关元件，并且通过开关操作来对直流电力进行转换以供应至与电力转换器中的每一个相对应的对应绕组组。上臂中的开关元件和下臂中的开关元件被桥接。故障检测部对电力转换器的故障或绕组组的故障进行检测。控制器针对多个***中的每个***来对电力转换器中的开关元件进行操作并且控制对旋转机械中的绕组组的电力供应。当故障检测部检测到***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，控制器停止对电力转换器当中的、故障***中的电力转换器的输出，并且与正常驱动状态相比，控制器减少电力转换器当中的、正常操作的***中的电力转换器中的开关元件的每单位时间的总开关次数。在正常驱动状态下，这些***中的所有电力转换器和所有绕组组均正常地操作。
根据旋转机械的控制设备，减少了每单位时间的开关次数，并且降低了正常操作的***的电力转换器中的开关损耗。可以提高电力效率并且防止热生成，而非提高可控性和静音。
附图说明
根据参照附图所做的以下详细描述，本公开内容的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显。在附图中：
图1是示意性地示出本实施例中的电机控制设备所控制的两个***的逆变器的电路的图；
图2是示意性地示出使用本实施例中的电机控制设备的电动助力转向设备的图；
图3是示出第一实施例中的电机控制设备的框图；
图4是示出PWM载波的时序图的图；
图5是示出PWM控制的时序图的图；
图6A是示出在使用两个***的正常驱动状态时的PWM频率的时序图的图；
图6B是示出在单个***驱动状态时的PWM频率的时序图的图；
图7A是示出PWM频率的特性的示例并且示出元件温度和PWM频率之间的关系的图；
图7B是示出PWM频率的特性的另一示例并且示出元件温度与PWM频率之间的关系的图；
图7C是示出PWM频率的特性的另一示例并且示出元件温度与PWM频率之间的关系的图；
图8是示出与正常的两***驱动状态的情况相比在单个***驱动状态时的输出增益的减少的示例的图；
图9A是示出当占空比等于93％时热生成的改变量的示例的图；
图9B是示出当占空比等于50％时热生成的改变量的示例的图；
图10是部分地示出第二实施例中的电机控制设备的框图；
图11是说明平顶(flattop)两相调制处理的图；
图12是说明平板(flatbed)两相调制处理的图；以及
图13是示出在第三实施例中的电机控制设备中使用的脉冲波形的图。
具体实施方式
在下文中，假设在车辆的电动助力转向(EPS)设备中使用本公开内容中的旋转机械的控制设备。将参照附图对实施例进行描述。
将参照图1和图2对每个实施例共同的配置进行说明。
(共同配置)
在本实施例中，转向***90包括电动助力转向设备1。图2示出了转向***90的整体结构。转向轴92连接至方向盘91。转向轴92包括用于检测转向扭矩的扭矩传感器94。转向轴92包括转向轴92的头部处的小齿轮96。小齿轮96与齿条轴97啮合。在齿条轴97的两端处，一对车轮98通过拉杆等与齿条轴97可旋转地连接。通过小齿轮96将转向轴92的旋转运动改变为齿条轴97的线性运动，使得一对车轮98以根据齿条轴97的线性运动的位移的角度进行转向。
电动助力转向设备1包括致动器2和减速齿轮89。致动器2使旋转轴旋转。减速齿轮89降低旋转轴的旋转速度并且传送到转向轴92。
致动器2还包括EPS电机80和EPS电机控制设备10。EPS电机80对应于用于生成转向辅助扭矩的旋转机械。EPS电机控制设备10对应于旋转机械的控制设备，并且对电机80进行驱动。EPS电机控制设备10还可以被称为电机控制设备。本实施例中的电机80对应于三相交流(AC)无刷电机，并且电机80使减速齿轮89在向前方向和向后方向上旋转。
电机控制设备10包括控制器65和逆变器601、602。逆变器601、602对应于用于根据控制器65的指令来控制对电机80的电力供应的电力转换器。
旋转角传感器85包括设置到电机80的磁体以及设置到电机控制设备10的磁检测元件。磁体对应于磁生成部。旋转角传感器85检测电机80的转子旋转角θ。
控制器65基于扭矩指令trq*、来自旋转角传感器85的旋转角信号、以及反馈电流来操作逆变器601、602的开关，并且控制对电机80的电力供应。因此，电动助力转向设备1中的致动器2生成支持方向盘91的转向的转向辅助扭矩，并且将转向辅助扭矩传送到转向轴92。
如图1中所示，电机80具有两个绕组组801、802。绕组组801、802包括第一绕组组801和第二绕组组802。第一绕组组801包括对应于U相、V相和W相的三相绕组线811至813。第二绕组组802包括对应于U相、V相和W相的三相绕组线821至823。对应于第一绕组组801设置了逆变器601。对应于第二绕组组802设置了逆变器602。在下文中，将包括逆变器和对应于逆变器的三相绕组组的组合指定为***。两个***的电气特性是相同的。在构造元件或物理量的每个附图标记的最后一位处，第一***中的附图标记包括“1”，并且第二***中的附图标记包括“2”。
电机控制设备10包括：电源继电器521、522，电容器53，逆变器601、602，电流传感器701、702，控制器65。
电源继电器521、522使得能够切断从电池51向每个***中的逆变器601、602的电力供应。电源继电器521使得能够切断从电池51向逆变器601的电力供应。电源继电器522使得能够切断从电池51向逆变器602的电力供应。
电容器53与电池51并联连接。电容器53存储电荷，支持对逆变器601、602的电力供应，并且抑制诸如浪涌电流的噪声分量。占空比计算部361获得电容器53中的电极之间的电压Vc。
因为逆变器601包括在第一***中，所以逆变器601还可以被称为第一***逆变器。并且，关于包括在每个***中的其他部件，可以在每个部件的名称之前加上短语“第一***”或者“第二***”。
在第一***逆变器601中，为了改变对第一绕组组801中的绕组线811至813中的每个绕组线的电力供应，六个开关元件611至616被桥接。作为示例，开关元件611至616在本实施例中为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在下文中，为简单起见开关元件611至616可以被称为MOS611至MOS616。
如图1中所描述的，对应于高电压侧的上臂中的MOS611至MOS613的漏极连接至电池51的正极侧。上臂中的MOS611至MOS613的源极连接至对应于低电压侧的下臂中的MOS614至MOS616的漏极。下臂中的MOS614至MOS616的源极连接至电池51的负极侧。上臂中的MOS611至MOS613与下臂中的MOS614至MOS616之间的连接点分别连接至绕组线811至绕组线813的一端。
电流传感器701检测从逆变器601向绕组组801所通电的相电流。虽然电流传感器701检测图1中的三相中的电流中的每一个，但是电流传感器可以检测三相中的两相中的电流，并例如使用基尔霍夫定律来计算另一相中的电流。
通过第一***逆变器601的电源线与接地线之间的预定的分压来检测输入电压Vr1。
关于第二***逆变器602，开关元件(MOS)621至626和电流传感器702的结构、以及用于检测输入电压Vr2的结构类似于第一***逆变器601的结构。
控制器65包括微型计算机67和驱动电路68。驱动电路68对应于预驱动器。微型计算机67根据基于输入信号(诸如扭矩信号、旋转角信号)的控制来执行每个运算值的控制计算。驱动电路68连接至MOS611至616、621至626的栅极，并基于微型计算机67的控制来执行开关输出。
当两个***中的一个***发生故障时，控制器65停止对故障***中的逆变器的输出，并且执行对于对正常操作的***中的逆变器的输出的控制。将说明对于对正常操作的***中的逆变器的输出的控制。当两个***中的一个***发生故障时，两个***中的一个***处于故障***中。
(控制器的配置)
假设两个***的逆变器601、602或绕组组801、802的一个***发生故障。在这种情况下，将在每个实施例中对控制器65的结构进行说明，并且还将在每个实施例中对由控制器65执行的处理进行说明，其中，控制器65用于仅利用正常操作的***的驱动来维持电机80的输出扭矩。将对每个实施例中类似的配置给出相同的附图标记，并且将省略说明。
(第一实施例)
将参照图3至图9B对第一实施例中的电机控制设备10进行说明。
图3的控制框图通过在电机控制设备10中用双点划线的围绕来示出控制器65。因此，逆变器601、602、电流传感器701、702以及故障检测部751、752不包括在本公开内容中的控制器中。应当注意的是，这种解释限于概念上的区别。应当注意的是，电子元件在实际的基板中并非被单独布置。
当所有***中的所有逆变器和所有绕组组均正常地操作而没有任何故障时，第一***和第二***这两个***中的逆变器和绕组组均正常地操作，并且这种情况被称为正常驱动状态。
代表所有***，将对在正常驱动状态时的第一***的结构进行说明。控制器65利用电流反馈控制和PWM控制来控制对电机80的电力供应。电流反馈控制使用已知的电流矢量控制。关于第一***，控制器65包括电流指令值计算部151、三相至两相转换器251、控制装置301、两相至三相转换器351、占空比计算部361和载波比较部401。在图1中，微型计算机67包括电流指令值计算部151、三相至两相转换器251、控制装置301、两相至三相转换器351和占空比计算部361。驱动电路68包括载波比较部401。
电流指令值计算部151基于接收到的扭矩指令trq*将输入乘以预定增益，并且计算dq轴电流指令值Id*、Iq1*作为输出。顺便提及，电流指令值计算部151可以对应于电流指令值计算部的示例。
三相至两相转换器251执行dq转换。三相至两相转换器251基于从旋转角传感器85反馈的旋转角θ，来将由电流传感器701所检测的三相中的相电流检测值Iu1、Iv1、Iw1转换成dq轴电流检测值Id1、Iq1。
控制装置301接收dq轴电流指令值Id1*、Iq1*和dq轴电流检测值Id1、Iq1之间的电流偏差。为了使电流偏差为零，控制装置301通过PI比例积分(PI)控制计算等来计算电压指令值Vd1、Vq1。
两相至三相转换器351基于从旋转角传感器85反馈的旋转角θ，来执行从dq轴电压指令值Vd1、Vq1到三相电压值Vu1、Vv1、Vw1的逆dq变换。
占空比计算部361基于三相指令值Vu1、Vv1、Vw1和电容器电压Vc来计算以％为单位的每相占空比指令信号Du、Dv、Dw。例如，每相占空比指令信号Du、Dv、Dw具有基本上相同的幅度，并且均为正弦波信号。每相占空比指令信号Du、Dv、Dw的相位被偏移120度。
载波比较部401将每个相中的占空比指令信号Du、Dv、Dw与PWM载波信号进行比较，并且计算MOS611至MOS616的导通/关断信号U_H1、U_L1、V_H1、V_L1、W_H1、W_L1以将这些信号输出到逆变器601。
逆变器601利用导通信号和关断信号来操作每个相中的MOS的开关，并且指定的三相交流电压被施加于电机80。因此，电机80生成预定的辅助扭矩。
关于第二***，配置与第一***的配置类似。
假设两个***的逆变器和绕组组中的一者发生故障。
在这种情况下，假设第一***发生故障，而第二***正常操作。根据这种情况，第一***中的故障检测部751以及第二***中的PWM频率改变部412以实线进行描述，并且将在本实施例中对其进行说明。第二***中的故障检测部752和第一***中的PWM频率改变部411以点划线进行描述，并且在本实施例中不对其进行说明。
故障包括短路故障和开路故障。
短路故障被定义为以下情况：在逆变器601或绕组组801中，布线之间的任一部分与预期非导电状态的控制相反地是导电的。
当在逆变器601中发生短路故障时，每个相中的上臂和下臂中的MOS611至MOS616中的任一个的漏极与源极之间的一部分处于导电状态，而不管关断信号从驱动电路68被输入到栅极的情况。当在绕组组801中发生短路故障时，任一相中的绕组线和供电线处于空故障(skyfault)，或者任一相中的绕组线和接地线处于接地故障。
开路故障被定义为以下情况：在逆变器601或绕组组801中，布线之间的任一部分与预期导电状态的控制相反地是非导电状态。
当逆变器601中发生开路故障时，每个相中的上臂和下臂中的MOS611至MOS616中的任一个的漏极与源极之间的一部分处于非导电状态，而不管导通信号从驱动电路68被输入到栅极的情况。当在绕组组801中发生开路故障时，任一相中的绕组线、或者绕组线与端子之间的连接部分被断开(处于非连接状态)。
故障检测部751基于由电流传感器701所检测的相电流检测值Iu1、Iv1、Iw1以及逆变器601的输入电压Vr1来检测逆变器601或者绕组组801的故障。
当故障检测部751检测到第一***中的故障时，故障检测部751停止对逆变器601的输出。作为停止输出的方式，由电流指令值计算部151指示的电流指令值Id1*、Iq1*可以变为等于0。可以关断从驱动电路58到MOS611至MOS616的所有驱动信号。当短时间内不存在重新通电的可能性时，可以切断电路上的设置到逆变器601的供电线的电源继电器521。
控制器65仅利用处于正常驱动状态的第二***来保持对电机80进行驱动。通过对正常操作的***进行操作，当一个***发生故障时，可以防止转向扭矩的辅助功能完全丧失。
当单个***中的逆变器602生成与由处于正常驱动状态下的两个***中的逆变器601、602所生成的输出相对应的输出时，流向MOS621至MOS626的电流可能增大并且所生成的热可能增加。当在用单个***进行驱动时MOS621至MOS626确保了足够的热阻时，例如，可能需要具有低电阻的部件，或者可增大散热器。于是，制造成本可能增加。
本公开内容的发明人已经发现PWM控制中的开关损耗。通过降低在单个***驱动时的开关损耗，可以降低MOS的热生成。
在PWM控制中，当将PWM载波的频率(下文称为PWM频率)设置得较高时，开关损耗增大，并且提高可控性。为了防止车辆中的驾驶员听到操作声音，也就是说，出于静音的目的，附接至转向柱的EPS电机控制设备10使用20kHz或更高的频率。20kHz或更高的频率的声音对应于人听得见的区域的上限。
仅当两个***正常地操作时，可控性和静音对于驾驶员可能是重要的。在本实施例中，考虑下述情况：两个***中的一个***发生故障，并且剩余的一个***需要保持电机驱动。
在这种情况下，当在到达车辆经销商处进行修理之前车辆处于撤离行驶时，当然保证转向辅助功能可能是重要的，而非可控性和静音。因此，在本实施例中，与正常驱动状态相比，在使用正常操作的***的单个***驱动状态时，降低PWM频率。
将参照图4和图5对一般的PWM控制进行说明。
如在图4中描述的，占空比指令信号D包括U相占空比指令信号Du、V相占空比指令信号Dv、以及W相占空比指令信号Dw。U相占空比指令信号Du、V相占空比指令信号Dv以及W相占空指令信号Dw的幅度基本上相同。U相占空比指令信号Du、V相占空比指令信号Dv、以及W相占空指令信号Dw是正弦波信号并且彼此偏移120度。占空比指令信号D的最大值和最小值的平均值对应于约50％的占空比。
在本实施例中，PWM载波C是三角波。顺便提及，在另一示例中，PWM载波可以是锯齿波。PWM载波以相等周期往复于占空比的下限(>0％)与上限(<100％)之间。
图5是图4中的区域K的放大图，并且图5示意性地示出了在PWM载波C与占空比指令信号D之间的大小关系。PWM控制将每个相中的占空比指令信号Du、Dv、Dw与PWM载波C进行比较，并且生成每个相中的上MOS或下MOS的导通/关断信号。
在本实施例中，在每个相中的占空比指令信号Du、Dv、Dw超过PWM载波C的部分中，上MOS导通并且相应的下MOS关断。在每个相中的占空比指令信号Du、Dv、Dw低于PWM载波C的部分中，上MOS关断并且相应的下MOS导通。例如，在部分KV1中，在U相中上MOS导通并且下MOS关断，并且在V相和W相中上MOS关断并且下MOS导通。也就是说，部分KV1对应于被描述为矢量图1的电压矢量V1的时段。
如在图3中所描述的，当故障检测部751检测到第一***中的逆变器601或绕组组801的故障时，故障检测部751向第二***中的PWM频率改变部412通知故障。然后，PWM频率改变部412指示载波比较部402来降低PWM频率(对应于PWM载波C的频率)。
也就是说，如在图6A和图6B所描述的，与正常驱动状态时相比，在单个***驱动状态时PWM频率改变部412将PWM频率设置得较短。也就是说，与正常驱动状态时相比，在单个***驱动状态时PWM频率改变部412将PWM周期设置得较长。例如，当在正常驱动状态时的PWM频率等于20kHz并且周期等于50μs时，在单个***驱动状态时的PWM频率被设置为5kHz并且周期被设置为200μs。在该示例中，在单个***驱动状态时的PWM频率等于正常驱动状态的PWM频率的四分之一。顺便提及，在图6A和图6B中，没有精确地描述该比率。
例如，当降低PWM频率以便参照U相中的上MOS的导通/关断信号时，每单位时间的开关次数也减少。如在本实施例中所描述的，当两个***中的一个***中的逆变器601或绕组组801发生故障并且电机80利用单个正常***保持驱动时，降低PWM频率。
在本实施例中，当仅一个***进行驱动时，可以根据正常操作的***的元件温度来降低PWM频率。更具体地，当正常操作的***的元件温度较高时，可以降低PWM频率。顺便提及，正常操作的***的元件温度对应于逆变器602中的MOS621至MOS626的温度。元件温度可以是从设置到基板的温度传感器所得到的检测温度，或者可以是基于映射等根据由电流传感器702所检测的电流值来估计的估计温度。
图7A至图7C示出了PWM频率对正常操作的***中的元件温度的特性图。
根据图7A中所描述的特性图，当温度Td低于α1时，PWM频率被设置为与正常驱动状态基本相同的20kHz。当元件温度等于或高于α1时，PWM频率被设置为5kHz。根据该特性图，PWM频率在两个等级之间简单地改变。
根据图7B中所描述的特性图，当元件温度Td从α1增大到α2时，以逐个等级的方式降低PWM频率。也就是说，当元件温度低于α1时，PWM频率被设置为15kHz。当元件温度处于α1与α2之间时，PWM频率被设置为10kHz。当元件温度等于或高于α2时，PWM频率被设置为5kHz。
根据图7C中所描述的特性图，当元件温度从α1增大到α2时，PWM频率从15kHz线性地降低至5kHz。
取代使用元件温度，可以使用旋转机械的驱动负载。也就是说，当旋转机械的驱动负载较高时，可以降低PWM频率。在这种情况下，可以通过与驱动负载相关的参数来确定旋转机械的驱动负载。该参数例如是正常操作的***中的电流检测值、电流指令值、转向扭矩等。在这种情况下，可以针对每个参数来取代图7A至图7C中的横轴中的元件温度，并且可以根据各种特性图来设置PWM频率。
在本实施例中，如在图3中所描述的，当故障检测部751检测到第一***中的故障时，故障检测部751向第二***中的电流指令值计算部152通知故障的发生。
如在图8所描述的，在单个***驱动状态时，与在正常驱动状态时相比，电流指令值计算部152可以减少电流指令值Id*2、Iq*2对扭矩指令trq*的输入的输出增益，并且可以限制流向逆变器602的电流。顺便提及，正常的驱动状态是两个***正常地驱动的状态。在另一实施例中，替代扭矩指令trq*或除了扭矩指令trq*以外，还可以输入车辆速度等。
顺便提及，当电机控制设备具有除电流指令值计算部152以外的、用于对作为电流指令值的上限的最大电流限制值进行设置的部分时，并且当故障检测部751检测到第一***的故障时，可以降低第二***中的最大电流限制值。
将对第一实施例中的电机控制设备10的优点进行说明。
(1)在本实施例中，当两个***中的一个***中的逆变器601或绕组组801发生故障并且电机80仅利用正常操作的***来保持驱动时，正常操作的***中的PWM频率改变部412向载波比较部402发送指令，以将PWM频率例如从20kHz降低至5kHz。因此，可能的是，在由两个***对电机80进行驱动的正常驱动状态时，确保可控性和静音，而在单个***驱动状态时，降低正常操作的***中的逆变器602的开关损耗。
图9A和图9B示出了基于当PWM频率被改变时的实际测量数据的、MOS的热生成量的减少。MOS的热生成量包括：在导通状态下所生成的导通电阻损耗(对应于稳定损耗)；以及根据开关操作所生成的开关损耗。导通电阻损耗根据负载的输出而是恒定的。可以通过减少每单位时间的开关次数来降低开关损耗。在本实施例中，通过将PWM频率设置为四分之一，可以将开关损耗降低至四分之一。
当占空比等于93％时，如在图9A中所描述的，可以将MOS的热生成量降低5％或更多。图9A和图9B概念性地示出了MOS中的热生成量的改变。当占空比等于50％时，如在图9B中所描述的，因为降低了导通电阻损耗的量，并且相对放大了开关损耗的贡献程度，所以增强了MOS的热生成量的降低效果。
因此，通过降低开关损耗，能够提高控制设备的热性能，而无需使用低电阻部件以及增加散热器的尺寸。
顺便提及，在图9A和图9B中，用实斜线描述的柱状图表示导通电阻损耗(稳定损耗)，并用点斜线描述的柱状图来表示开关损耗。
(2)通过根据元件温度或诸如电流检测值、电流指令值、转向扭矩的参数来降低PWM频率，能够适当地降低开关损耗，同时更准确地反映出防止热生成的必要性。
(3)在本实施例中，降低频率之后的PWM频率被设置为对应于人听得见的区域的从20Hz至20kHz。更优选地，降低频率之后的PWM频率被设置为甚至当考虑到个体差异时也可以由许多人听到的低于10kHz。因此，可能的是，附接至转向柱的EPS电机控制设备10使驾驶员听到操作声音，使得驾驶员发现故障的发生。也就是说，在正常驱动状态时静音具有优先性并且使用20kHz的PWM频率，使得驾驶员不会听到噪声。相反，在单个***驱动状态下，发出噪声，使得可以向驾驶员通知快速修复处理。可以向驾驶员通知需要尽快修复等。
(4)考虑到由单个***对电机80进行驱动的时间基本上限于向车辆经销商等的撤离行驶。基于这种假设，电流指令值计算部152关于在单个***驱动状态时输入的扭矩指令来降低电流指令值的输出增益，并且流向逆变器602的电流被限制。因此，通过结合根据PWM频率的降低的、开关损耗的降低效果，可以更优选地防止MOS的热生成。
顺便提及，当在单个***驱动状态时降低作为电流指令值的上限的最大电流限制值时，将获得类似于本实施例的效果。
(第二实施例)
将参照图10至图12对第二实施例进行说明。
第二实施例中的电机控制设备10在正常驱动状态时通过PWM控制中的三相调制处理来操作逆变器601、602的开关元件611至616、621至626，并且控制三相AC电机80。
图10描述了控制器65具有在占空比计算部362与载波比较部402之间的两相调制处理部382。在图10中，作为示例描述第二***。两相调制处理部382执行平顶两相调制处理或平板两相调制处理。两相调制处理部382向占空比计算部362所计算的、每个相中的占空比指令信号Du、Dv、Dw添加两相调制处理，并且输出至载波比较部402。每个相中的占空比指令信号Du、Dv、Dw对应于电压指令信号。
顺便提及，在日本专利5045799中描述了平顶两相调制处理和平板两相调制处理。
如在图11中所描述的，平顶两相调制处理从所有相的电压指令信号中减去通过从最大电压指令信号中减去预定上限值Smax而得到的差值，使得对应于三相的电压指令信号Du、Dv、Dw当中的最大电压指令信号具有预定上限值Smax。
如在图12中所描述的，平板两相调制处理从所有相的电压指令信号中减去通过从最小电压指令信号中减去预定下限值Smin而得到的差值，使得对应于三相的电压指令信号Du、Dv、Dw当中的最小电压指令信号具有预定下限值Smin。
以下将说明平板两相调制处理。通过下述方式来调制用作参考的基波正弦波：从所有相中减去最小相的占空比与最小参考值之间的差(即，通过从最小相的占空比减去最小参考值而计算出的差)，使得最小相的占空比变为最小参考值。
以下将说明平顶两相调制处理。通过下述方式来调制基波正弦波：从所有相中减去最大相的占空比与最大参考值之间的差(即，通过从最大相的占空比减去最大参考值而计算出的差)，使得最大相的占空比变为最大参考值。
将说明比较示例，在该示例中，经历了平板两相调制处理的第一占空比指令信号和经历了平顶两相调制处理的第二占空比指令信号具有相同的相位(即，同相)。
第一占空比指令信号中的最小值基本等于可允许的占空比输出范围的最小值，并且第一占空比指令信号中的最大值仅略大于中心输出值。第二占空比指令信号的最大值基本等于可允许的占空比输出范围的最大值，并且第二占空比指令信号的最小值仅略小于中心输出值。第一占空比指令信号的最大值和第二占空比指令信号的最小值相对于中心输出值基本对称。此外，第一占空比指令信号取得最大值的定时和第二占空比指令信号取得最小值的定时在每60度处发生重叠，因而第一占空比指令信号和第二占空比指令信号彼此相交。
第一占空比指令信号中的最大U相占空比大于第二占空比指令信号中的最小W相占空比。因此，当第一PWM参考信号和第二PWM参考信号被控制为具有相同相位时，下述的第二***的放电时段变得长于下述的第一***的充电时段：该第二***的放电时段是第二PWM参考信号的有效电压矢量的生成时段，该第一***的充电时段是第一PWM参考信号的山腰(mountainside)的零电压矢量的生成时段。因此，第一***的电容器放电时段和第二***的电容器充电时段在电压指令的一个周期中彼此重叠两次，从而导致纹波电流的增加。
可允许的占空比输出范围的最小值可以被设置为0％，并且最大值可以被设置为100％。在这样的情况下，作为占空比范围的中心值的中心输出值被设置为50％。
与逆变器单元的驱动有关的第一PWM参考信号和与另一逆变器单元的驱动有关的第二PWM参考信号是具有20kHZ的频率(即，具有50μs的周期时间)的斩波信号。
将说明相位提前30度的情况。第二占空比指令信号的相位从第一占空比指令信号的相位提前30度。在这样的情况下，第二占空比指令信号取得最小值的定时和第一占空比指令信号取得最大值的定时彼此相移30度。即，第二占空比指令信号恰在第一占空比指令信号在每60度处取得最大值的两个定时的中间(即，在正中心处)取得最小值。
作为第一占空比指令信号中最大的U相占空比小于作为第二占空比指令信号中最小的W相占空比。
当第一PWM参考信号和第二PWM参考信号被控制为具有相同相位时，下述的第一***的充电时段变得长于下述的第二***的放电时段：该第一***的充电时段是第一PWM参考信号的山腰的零电压矢量的生成时段，该第二***的放电时段是第二PWM参考信号的有效电压矢量的生成时段。因此，第一***和第二***的电容器放电时段没有重叠。因此，纹波电流被减小。
平顶两相调制处理和平板两相调制处理可以通过对基于基波(正弦波)的指令占空比的平均值进行操作来提高电压利用率。三相电压的波形可能失真。当电流传感器检测到载波的波峰和波谷处的相电流时，不能根据占空比的上限值和下限值的设置来确保检测时间。因此，在第二实施例中，在正常驱动状态时不执行平顶两相调制处理和平板两相调制处理。仅在单个***驱动状态时执行平顶两相调制处理和平板两相调制处理。
第二实施例可以与第一实施例结合。也就是说，当故障检测部751检测到第一***中的逆变器601或绕组组801的故障时，可以通过与用于降低第二***中的PWM频率的处理相结合来执行平顶两相调制处理和平板两相调制处理。
替选地，在不与第一实施例结合的情况下，可以仅执行平顶两相调制处理和平板两相调制处理，同时保持正常驱动状态时的PWM频率。
在第二实施例中，在正常驱动状态时，通过从三相调制处理改变为平顶两相调制处理和平板两相调制处理，可以将每单位时间的开关次数减少为三分之二。因为通过平顶两相调制处理和平板两相调制处理提高了电力利用率，所以可以防止将等于正常驱动状态的电力输出至旋转机械的开关元件621至626的热生成。
(第三实施例)
将参照图13对第三实施例进行说明。
当检测到第一***中的逆变器601或绕组组801的故障并且仅由第二***对电机80进行驱动时，第三实施例中的电机控制设备10通过用脉冲波控制代替PWM控制来对逆变器602的开关操作进行操作。
JP2011-35991A1和JP2013-162660A1公开了脉冲波控制。脉冲波控制基于输出电压的脉冲波形来对开关元件的开关进行操作，该脉冲波形与电机80的电角度同步。具体地，根据调制率、电压相位和预定时段中的开关次数，参照映射等选择合适的脉冲波形。
图13示出了删除五次谐波分量的脉冲波形的示例。1/2的电周期中的开关次数被设置为七。因此，可以根据所选择的脉冲波形来极大地减少开关次数，并且可以降低开关损耗。
脉冲波控制与PWM控制相比可能具有较差的可控性，并且可能具有谐波和噪声方面的困难，因此，在EPS电机控制中的正常驱动状态时可能存在缺点。可以在单个***驱动状态时由正常操作的***使用脉冲波控制。在本公开内容中考虑了这种情况。
因此，根据本实施例，可以利用通过脉冲波形进行控制的控制设备来实现类似于使用PWM控制的另一实施例的效果。本公开内容不限于通过PWM控制来控制电机的电力供应的控制设备。
(其他实施例)
(1)应当注意的是，第一实施例中的旋转机械的控制设备不限于利用逆变器的多个***来控制三相AC电机的驱动的控制设备。第一实施例中的旋转机械的控制设备可以在下述控制设备中使用：该控制设备利用H桥电路的多个***来控制直流(DC)电机的驱动。在这种情况下，H桥电路的多个***可以对应于电力转换器的示例。
第一实施例和第三实施例中的旋转机械的控制设备不限于三相AC电机。替代地，旋转机械的控制设备可以在四相或更多相的多相AC电机中使用。
(2)电力转换器(对应于逆变器和H桥电路)的多个***不限于两个***，并且替代地，电力转换器的多个***可以是三个***或更多个***。在这种情况下，当多个***中的一个或更多个***发生故障并且驱动器保持利用单个***或更多个***中的正常操作的***时，可以关于每个正常***的PWM频率等来使用类似于本实施例的配置。
(3)电机控制设备10的具体配置不限于本实施例。例如，开关元件可以是除了MOSFET以外的场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
(4)流至绕组组的两个***的三相电流不限于相同相位，并且可以对三相电流的相位进行偏移。
(5)本公开内容中的旋转机械的控制设备不限于用作EPS电机控制设备的控制设备。旋转机械的控制设备可以用作用于除了电动助力转向设备以外的车辆的设备，或者用作除了用于车辆的设备以外的、各种设备中的电机或发电机的控制设备。
根据本公开内容的一个方面，提供了控制具有多个绕组组的旋转机械的驱动的控制设备。
控制设备控制具有多个绕组组的旋转机械的驱动。旋转机械的控制设备包括多个***中的电力转换器、故障检测部以及控制器。电力转换器中的每个电力转换器具有上臂中的开关元件和下臂中的开关元件，并且通过开关操作来对直流电力进行转换以供应至对应于电力转换器中的每个电力转换器的对应绕组组。上臂中的开关元件和下臂中的开关元件被桥接。故障检测部检测电力转换器的故障或绕组组的故障。控制器针对多个***中的每个***来操作电力转换器中的开关元件并控制对旋转机械中的绕组组的电力供应。当故障检测部检测到***当中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，控制器停止对电力转换器当中的、故障***中的电力转换器的输出，并且与正常驱动状态相比，控制器减少电力转换器当中的、正常操作的***中的电力转换器中的开关元件的每单位时间的总开关次数。在正常驱动状态下，***中的所有电力转换器和所有绕组组均正常地操作。因此，通过减少每单位时间的开关次数并且通过降低正常操作的***的电力转换器的开关损耗，可以提高电力效率并且防止热生成，而不是提高可控性和静音。
另外，在利用PWM控制对电力转换器中的开关元件进行操作并且控制旋转机械的驱动的控制设备中，控制器可以包括对PWM频率进行改变的PWM频率改变部。与正常驱动状态的情况相比，当***中的任一个***发生故障时，控制器可以关于正常操作的***中的电力转换器来降低PWM频率。例如，假设在正常驱动状态下的PWM频率被设置为20kHz。PWM频率改变部可以在***中的任一个***发生故障时将正常操作的***中的电力转换器的PWM频率改变为5kHz，其是正常驱动状态时的四分之一。
在这种情况下，当构成电力转换器的开关元件的温度较高时，或者当旋转机械中的驱动负载较高时，可以降低PWM频率。开关元件的温度可以是检测温度或估计温度。可以通过与驱动负载相关的参数来确定旋转机械的驱动负载。该参数可以是电流检测值、电流指令值、转向扭矩等。
当PWM频率被设置为对应于人听得见的频率范围的20Hz至20kHz时，可以向驾驶员通知故障的发生。
另外，假设在正常驱动中，控制设备通过PWM控制中的三相调制处理来控制电力转换器中的开关元件，并且控制三相旋转机械的驱动。当故障检测部检测到了***当中的任一个***中的电力转换器或绕组组的故障时，PWM频率改变部可以降低PWM频率，并且除了该处理之外或代替该处理，控制器可以执行平顶两相调制处理或平板两相调制处理。
如在日本专利5045799中所描述的，平顶两相调制处理是下述处理：该处理从所有三相的电压指令信号中减去通过从三相的电压指令信号当中的最大电压指令信号中减去预定上限值而得到的差值，使得电压指令信号当中的最大电压指令信号具有该预定上限值。平板两相调制处理是下述处理：该处理从所有三相的电压指令信号中减去通过从三相的电压指令信号当中的最小电压指令信号中减去预定下限值而得到的差值，使得电压指令信号当中的最小电压指令信号具有该预定下限值。
在正常驱动状态时的三相调制处理被改变为两相调制处理，并且可以将每单位时间的总开关次数减少为三分之二。可以提高电力利用，并且可以防止开关元件在向旋转机械输出相同的电力的情况下生成热。
另外，控制器可以包括电流指令值计算部，该电流指令值计算部基于诸如扭矩指令的预定输入，计算对旋转机械中的绕组组所通电的电流的电流指令值。当故障检测部检测到***中的任一个***中的故障时，电流指令值计算部可以关于与正常操作的***中的电力指令值有关的输入来减少输出的增益。
顺便提及，该处理基于以下假设：仅在向车辆经销商等的撤离行驶时，仅利用正常操作的***来对旋转机械进行驱动。因此，可以通过结合由于开关次数的降低而引起的开关损耗的降低来更有效地防止开关元件生成热。
EPS电机控制设备10可以对应于旋转机械的控制设备的示例。逆变器601、602可以对应于电力转换器的示例。电机80可以对应于旋转机械的示例。
虽然已经参照本公开内容的实施例描述了本公开内容，但是应当理解的是，本公开内容不限于所述实施例和构造。本公开内容旨在涵盖各种修改和等同布置。另外，尽管公开了各种组合和配置，然而包括更多元件、更少元件或仅单个元件的其他组合和配置也在本公开内容的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种旋转机械(80)的控制设备，所述控制设备控制具有多个绕组组(801，802)的所述旋转机械的驱动，所述控制设备包括：
多个***中的电力转换器(601，602)，所述电力转换器中的每一个均具有上臂中的开关元件(611-613，621-623)和下臂中的开关元件(614-616，624-626)，并且所述电力转换器中的每一个通过开关操作来对直流电力进行转换以供应至与所述电力转换器中的每一个相对应的对应绕组组，其中，所述上臂中的开关元件和所述下臂中的开关元件被桥接；
故障检测部(751，752)，用于检测电力转换器的故障或绕组组的故障；以及
控制器(65)，用于针对所述多个***中的每个***来操作所述电力转换器中的开关元件并控制对所述旋转机械中的绕组组的电力供应；
其中：
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
所述控制器停止对所述电力转换器当中的、故障***中的电力转换器的输出，以及
与正常驱动状态相比，所述控制器减少所述电力转换器当中的、正常操作的***中的电力转换器中的开关元件的每单位时间的总开关次数；以及
在所述正常驱动状态下，所述***中的所有电力转换器和所有绕组组均正常操作。
2.根据权利要求1所述的旋转机械的控制设备，其中：
所述旋转机械的控制设备通过PWM控制来操作所述电力转换器中的开关元件，以控制所述旋转机械的驱动；
所述控制器包括PWM频率改变部(411，412)，所述PWM频率改变部改变作为PWM载波的频率的PWM频率；以及
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
与所述正常驱动状态相比，所述PWM频率改变部降低所述正常操作的***中的电力转换器的PWM频率。
3.根据权利要求2所述的旋转机械的控制设备，其中：
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
当所述正常操作的***中的电力转换器的开关元件的温度较高或者所述旋转机械的驱动负载较高时，所述PWM频率改变部降低所述正常操作的***中的电力转换器的PWM频率。
4.根据权利要求2所述的旋转机械的控制设备，其中：
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
所述PWM频率改变部对于所述正常操作的***中的电力转换器设置20Hz至20kHz的PWM频率；以及
所述20Hz至20kHz的PWM频率是人听得见的频率。
5.根据权利要求2所述的旋转机械的控制设备，其中：
在所述正常驱动状态下，所述旋转机械的控制设备通过PWM控制的三相调制处理来操作所述电力转换器中的开关元件，并且控制所述旋转机械的驱动；
所述旋转机械为三相旋转机械；
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
所述控制器进一步针对处于所述正常操作的***中的电力转换器来执行平顶两相调制处理或平板两相调制处理；
在所述平顶两相调制处理中，控制单元从所有三相的电压指令信号中减去通过从所述三相的电压指令信号当中的最大电压指令信号中减去预定上限值而得到的差值，使得分别与所述三相对应的所述电压指令信号当中的所述最大电压指令信号具有所述预定上限值；以及
在所述平板两相调制处理中，所述控制单元从所有三相的电压指令信号中减去通过从所述三相的电压指令信号当中的最小电压指令信号中减去预定下限值而得到的差值，使得分别与所述三相对应的所述电压指令信号当中的所述最小电压指令信号具有所述预定下限值。
6.根据权利要求1所述的旋转机械的控制设备，其中：
在所述正常驱动状态下，所述旋转机械的控制设备通过PWM控制的三相调制处理来操作所述电力转换器中的开关元件，并且控制所述旋转机械的驱动；
所述旋转机械为三相旋转机械；
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
所述控制器针对处于所述正常操作的***中的电力转换器来执行平顶两相调制处理或平板两相调制处理；
在所述平顶两相调制处理中，控制单元从所有三相的电压指令信号中减去通过从所述三相的电压指令信号当中的最大电压指令信号中减去预定上限值而得到的差值，使得分别与所述三相对应的所述电压指令信号当中的所述最大电压指令信号具有所述预定上限值；以及
在所述平板两相调制处理中，所述控制单元从所有三相的电压指令信号中减去通过从所述三相的电压指令信号当中的最小电压指令信号中减去预定下限值而得到的差值，使得分别与所述三相对应的所述电压指令信号当中的所述最小电压指令信号具有所述预定下限值。
7.根据权利要求1所述的旋转机械的控制设备，其中：
在所述正常驱动状态下，所述旋转机械的控制设备通过PWM控制来操作所述电力转换器中的开关元件，以控制所述旋转机械的驱动；
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
所述控制器通过脉冲波控制来操作所述电力转换器；以及
所述脉冲波控制基于与所述旋转机械的电角度同步的输出电压的脉冲波形来操作所述电力转换器中的开关元件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转机械的控制设备，其中：
所述控制器包括电流指令值计算部(151，152)，所述电流指令值计算部基于预定输入来计算与供应至所述旋转机械的绕组组的电流有关的电流指令值；
当所述故障检测部检测到所述***中的任一个***中的电力转换器的故障或绕组组的故障时，
所述电流指令值计算部减小处于所述正常操作的***中的电力转换器的对所述预定输入的输出增益。
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