CN1747305A - 变换器的故障检测装置 - Google Patents

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CN1747305A CNA200510064922XA CN200510064922A CN1747305A CN 1747305 A CN1747305 A CN 1747305A CN A200510064922X A CNA200510064922X A CN A200510064922XA CN 200510064922 A CN200510064922 A CN 200510064922A CN 1747305 A CN1747305 A CN 1747305A
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喜福隆之
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Abstract

实现不需要高速的A/D变换器、还能提高母线电压的电压利用率的三相PWM变换器的故障检测装置。包括对三相PWM变换器(52)的母线电压进行监视的母线电压监视单元(56)；将三相PWM变换器(52)的各相输出电压相加、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器输出相加后的输出电压的输出电压监视单元(55a)；以及故障判定单元(60a)，当上述输出电压监视单元(55a)输出的输出电压值与上述母线电压监视单元(56)监视的与母线电压的3/2倍相对应的电压值大致相等时，上述故障判定单元(60a)就判定上述三相PWM变换器(52)为故障。

Description

变换器的故障检测装置
技术领域
本发明涉及进行变换器(例如，三相PWM变换器)的故障检测的故障检测装置。
背景技术
例如，专利第2902455号公报等所示的现有三相功率变换器(三相变换器)的故障检测装置包括监测与三相功率变换器相关的三相电压和三相电流的检测器；对由该检测器检测到的三相电压和三相电流的模拟信号进行取样保持(sample hold)的取样保持电路；按顺序逐个选择由检测器检测到的三相电压和三相电流的模拟信号并进行输出的多路传送器(multiplexer)；将由该多路传送器依次选择的三相电压和三相电流的模拟信号依次变换成数字值并进行输出的A/D变换器；以及读入由该A/D变换器依次变换的三相电压和三相电流的数字值、使用该值进行控制运算的微处理器(microprocessor)，判定当微处理器读入的各相电压值之和与各相电流之和分别在以零为中心的某个范围内时为正常，当脱离该范围时为异常。
即，根据如上述专利公报所述的现有的三相变换器的故障检测装置，三相相电压的瞬间值和相电流的瞬间值经取样保持电路进行A/D变换，通过检测相电压的相加值和相电流的相加值是否都接近零来进行故障判定。
[专利文献1]专利第2902455号公报(图1)
发明内容
现有的三相变换器的故障检测装置由于如上构成，因此问题在于为了观测矩形波状的变换器输出电压的瞬间值必须使用高速的A/D变换器。
另外，在母线电压低的车用的三相变换器等中，为了提高母线电压的电压利用率，有时控制三相变换器，使得线电压(即，各相间的电压)成为正弦波。
在这样的情况下，问题在于相电压的相加值不为零，不能检测三相变换器的故障。
还有，所谓母线电压是指为了变换到交流电压在三相变换器上外加的直流电压(例如，在车用的三相变换器的情况下为蓄电池电压)。
本发明是为了解决上述问题而提出来的，其目的在于提供一种不要高速的A/D变换器、还能提高母线电压的电压利用率的三相PWM变换器的故障检测装置。
其目的还在于提供一种能够不要高速的A/D变换器、还能提高母线电压的电压利用率，同时在使各相的输出电压成为正弦波的第1驱动方式或使各个输出线电压成为正弦波的第2驱动方式中的任一驱动方式中一直能进行故障判定的变换器的故障检测装置。
本发明的变换器的故障检测装置包括对三相PWM变换器的母线电压进行监视的母线电压监视单元；将三相PWM变换器的各相输出电压相加、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器输出相加后的输出电压的输出电压监视单元；以及故障判定单元；当上述输出电压监视单元输出的输出电压值不是上述母线电压监视单元监视的与母线电压的3/2倍相对应的电压值的近似值时，上述故障判定单元就判定上述三相PWM变换器为故障。
本发明的变换器的故障检测装置，包括对三相PWM变换器各相的输出电压进行监视、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器分别输出的输出电压监视单元；根据上述输出电压监视单元输出的输出电压，求出各相之间的线电压并相加的线电压加法单元；以及故障判定单元，当由上述线电压加法单元得到的各个线电压的相加值不是接近零的值时，上述故障判定单元就判定上述三相PWM变换器为故障。
根据第1发明的变换器的故障检测装置，不必使用高速的A/D变换器。
另外，根据第2发明的变换器的故障检测装置，能够不需要高速的A/D变换器、还能提高母线电压的电压利用率，同时在使各相的输出电压成为正弦波的第1驱动方式或使各个输出线电压成为正弦波的第2驱动方式中的任一驱动方式中都能进行故障判定。
附图说明
图1是表示将实施方式1的变换器的故障检测装置用于电动机的控制器时的构成例子的方框图。
图2是表示将实施方式2的变换器的故障检测装置用于电动机的控制器时的构成例子的方框图。
标号说明
1   控制器
2   电动机
3   转子角度传感器
4   蓄电池
51  输入接口
52  三相PWM变换器
53  栅极驱动电路
54  开关单元
55a、55b  输出电压监视电路(输出电压监视单元)
56  母线电压监视电路(母线电压监视单元)
57  第1微型控制器(第1控制部)
58  第2微型控制器(第2控制部)
60a、60b  故障判定单元
61  线电压加法单元
具体实施方式
以下，根据附图，说明本发明的一个实施方式。
还有，在各个附图中，同一标号表示同一或相当的单元。
实施方式1
以下，根据附图，说明本发明的一个实施方式。
图1表示将实施方式1的变换器的故障检测装置用于例如车用电动机的控制器时的构成例的方框图。
在图中，1是控制器、2是车用电动机，电动机2使用DC无刷电动机。
3是为了对与电动机2的磁极相应的相进行励磁，检测电动机2的转子角度的转子角度传感器、4是蓄电池。
51是将检测转子角度传感器3的转子角度信号输入到控制器1用的输入接口、52是驱动电动机2的三相PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)变换器、53是驱动三相变换器52的栅极驱动电路、54是断开向栅极驱动电路53供电用的开关单元。
另外，55a是监视三相PWM变换器52的输出电压用的输出电压监视电路、56是监视母线电压(在图1的例中，是蓄电池4的蓄电池电压)用的母线电压监视电路、57是控制三相PWM变换器52用的第1微型控制器(第1控制部)、58包含第1微型控制器(第1控制部)57，检测电动动力转向装置等的动作用的第2微型控制器(第2控制部)。
另外，60a是根据输出电压监视电路55a的输出电压，判定三相PWM变换器52是否为故障的故障判定单元，故障判定单元60a配置在第1微型控制器(第1控制部)57内。
接着说明本实施方式的变换器的故障检测装置的动作。
第1微型控制器(也称为第1控制部)57根据转子角度传感器3检测到的转子角度信号将蓄电池供给的直流电压(即，母线电压)利用三相PWM变换器52变换成三相交流电压。
然后，第1微型控制器(第1控制部)57为了根据变换的三相交流电压相应地驱动电动机2，经栅极驱动电路53控制三相变换器52的输出电压。将其作为第1驱动方式。
还有，三相PWM变换器52输出的三相交流电压进行PWM(Pulse WidthModulation)，使各相的输出电压波形成为矩形波状。
设蓄电池4的电压值为VB，则各个相电压为正弦波电压时线电压最大值为31/2·VB/2，电源电压(即，蓄电池4的电压值VB)的利用率下降。
这里，所知的有以下方法，在各个相电压上叠加3次高次谐波，使得在将线电压保持在正弦波的同时，提高电源电压的利用率。
但是，在电动机2的负载很大，旋转速度很大的情况下，存在外加电压不足的倾向。
因此，这里，根据转子角度传感器3的转子角度信号，当电动机2的转速大于规定值时以该驱动方式(即，在各个相电压上叠加3次高次谐波，使得在将线电压保持在正弦波的同时，提高电源电压的利用率的方法)驱动三相PWM变换器52。将其称为第2驱动方式。
这里，若将三相PWM变换器52的输出即三相交流电压相加，则成为三相PWM变换器52的中性点的电压。
因而，在第1驱动方式中，通过检测相电压的相加值(即，中性点的电压)是否为零，从而能够检测三相变换器52是否发生接地短路的故障。
输出电压监视电路55a是为了这样的目的而设置的，其结构做成，将三相变换器52的各个相电压相加，同时除去PWM的载波分量，当三相变换器52为正常时能得到与中性点电压相当的值。
即，输出电压监视电路55a将三相PWM变换器52的各相输出电压相加，同时经具有截止频率小于PWM载波频率的低通特性的滤波器(由R1、R2、C1构成)输出相加后的输出电压。
这里，设各相的输出电压为V1、V2、V3，输出电压监视电路55a的输出电压为Vo，s为拉普拉斯算子，则满足下式。
Vo＝R′Vcc+R″(V1+V2+V3)/(1+τs)              (1)
只是，
Vcc为规定的恒定电压
R′＝{R1//(R/3)}/〔R2+{R1//(R/3)}〕
R″＝{R1//R2//(R/2)}/〔R+{R1//R2//(R/2)}〕
τ＝C·R·R″
τ设定成，与PWM载波周期相比足够长、且能够忽视接地短路检测的延迟。
例如，当PWM载波周期为50μs时，只要使τ＝1ms左右即可。
如上所述，若设母线电压(蓄电池电压)为零，则只要除去PWM载波，在第1驱动方式中，在上述(1)式中，V1+V2+V3＝3VB/2，Vo＝R’Vcc+3R″VB/2。
也就是说，〔Vo＝R’Vcc+3R″VB/2〕是与母线电压VB的3/2倍相对应的输出电压监视电路(输出电压监视单元)55a的输出电压值。
所以，在电动机2的旋转速度很小、以上述第1驱动方式驱动三相PWM变换器52的情况下，第1微型控制器(第1控制部)57内的故障判定单元60a通过认证输出电压监视电路(输出电压监视单元)55a的输出电压Vo是否在根据母线电压监视电路56检测到的母线电压VB的规定范围内，进行故障判定。
即，当输出电压监视电路55a输出的输出电压值Vo不是母线电压监视电路56监视的与母线电压的3/2倍相对应的电压值(即，R″Vcc+3R″VB/2)的近似值时，故障判定单元60a就判定三相PWM变换器52为故障。
如上所述，本实施方式的变换器的故障检测装置在第1微型控制器(第1控制部)57内包括对三相PWM变换器52的母线电压进行监视的母线电压监视电路(母线电压监视单元)56；将三相PWM变换器52的各相输出电压相加、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器输出相加后的输出电压的输出电压监视电路(输出电压监视单元)55a；以及故障判定单元60a，当输出电压监视电路(输出电压监视单元)55a输出的输出电压值不是母线电压监视电路(母线电压监视单元)56监视的与母线电压的3/2倍相对应的电压值的近似值时，该故障判定单元60a就判定三相PWM变换器52为故障。
从而，根据本实施方式的变换器的故障检测装置，不需要高速的A/D变换器(检测矩形波状的变换器输出电压的瞬时值用的高速A/D变换器)、还能提高母线电压的电压利用率。
还有，若故障判定单元60a判定三相PWM变换器52的故障，则第1微型控制器(第1控制部)57就对栅极驱动电路53发出应切断由三相PWM变换器52向电动机2供电的指令。
由此，在电动机2驱动中当然能实现，从驱动之前开始，也能检测三相PWM变换器52的接地短路故障，能将电动机2的烧损防患于未然。
另外，断开开关单元54的接点，切断向栅极驱动电路53供电。
由此，即使在栅极驱动电路53故障的情况下，也能够防止向电动机2的异常通电。
另外，在以上说明中，说明了在第1微型控制器(第1控制部)57内设置故障判定单元60a的情况，但通过在第2微型控制器(第2控制部)58内设置故障判定单元60a，同样，第2微型控制器(第2控制部)58也能进行三相PWM变换器52的故障判定。
若判定三相PWM变换器52为故障，则断开开关单元54的接点，切断向栅极驱动电路53供电，禁止三相PWM变换器52的输出。
由此，能够防止因第1微型控制器(第1控制部)57的失常而产生的向电动机2的异常供电。
还有，这里说明了能切换三相PWM变换器52的驱动方式的情况，但当然也可以一直设定在第1驱动方式，以该方式一直进行故障监视。
另外，在上述说明中，切断了栅极驱动电路53的电源，但也可以在电动机驱动电路(即，三相PWM变换器52)与蓄电池4之间设置开关单元，通过该开关单元切断施加蓄电池电压。
由此，能够防止因电动机驱动电路(三相PWM变换器52)的故障而产生的向电动机2的异常通电。
另外，能将输出电压监视单元55a的滤波器(低通滤波器)用作一次低通特性，也可以用作两次低通特性。
在该情况下，能更快地除去PWM载波分量，能够不耽误对接地短路的检测。
另外，根据母线电压来设定判定阈值，但在蓄电池4的电压能看作恒定的情况下，也可以将故障判定阈值定为一定的值。
另外，利用一次低通特性来除去PWM载波，但也可以通过与PWM载波同步并对输出电压监视电路55a的输出进行取样，除去PWM载波分量。
另外，当电动机2的旋转速度很小时采用第1驱动方式，而当电动机2的旋转速度很大时采用第2驱动方式，但也可以当输出到三相PWM变换器52的相电压振幅小于规定值时采用第1驱动方式，当相电压振幅大于规定值时为了提高电源电压的利用率而采用第2驱动方式。
还可以，当线电压振幅小于规定值时采用第1驱动方式，而当线电压振幅大于规定值时采用第2驱动方式。
还包括检测相电流的单元，当检测出的相电流振幅小于规定值时采用第1驱动方式，当检测到的相电流振幅大于规定值时为了提高电源电压的利用率采用第2驱动方式。
当然，也可以在电流反馈控制的情况下，当目标相电流振幅或d-q轴(两轴直流坐标轴)上的目标电流小于规定值时采用第1驱动方式，大于规定值时采用第2驱动方式。
还可以，当母线电压大于规定值时定在第1驱动方式，而小于规定值时为了提高电源电压的利用率定在第2驱动方式。
实施方式2
在上述的实施方式1中，根据相电压的相加值来判定三相PWM变换器的故障，但也可以根据线电压来进行故障判定。
在该情况下，即使在实施方式1所示的三相PWM变换器中的任何一种驱动方式(即，第1驱动方式或第2驱动方式)中，也具有能一直进行故障判定的效果。
图2是表示将实施方式2的变换器的故障检测装置用于电动机的控制器时的构成例子的方框图。
在图中，55b是输出电压监视电路(输出电压监视单元)、60b是故障判定单元、61是线电压加法单元。
还有，在图中，与图1相同的标号是具有与图1的单元相同或相当功能的单元，其说明省略。
输出电压监视电路(输出电压监视单元)55b监视三相PWM变换器52的各相输出电压，同时经具有截止频率小于PWM载波频率的低通特性的滤波器(由R、R1、C1构成)分别进行输出。
例如，设三相PWM变换器52的U相输出电压定为Vu、输出电压监视电路(输出电压监视单元)55b的U相电压输出为Vou、s为拉普拉斯算子，则满足下式。
Vou＝VuR’/(1+τs)
只是，
R’＝{R1/(R+R1)}
τ＝R’C
τ设定成，与PWM载波周期相比足够长、且能够忽视接地短路检测的延迟。例如，当PWM载波周期为50μs时，只要使τ＝1ms左右即可。
线电压加法单元61根据输出电压监视电路(输出电压监视单元)55b输出的输出电压，求出各相之间的线电压，通过运算相加。
故障判定单元60b，当利用线电压加法单元61进行的各线电压的相加值大致不为零时，就判定三相PWM变换器52为故障。
线电压一直是三相交流形状，由于线电压的相加值一直为零，因此通过根据线电压进行故障判定，从而一直能进行三相PWM变换器52的故障检测。
还有，在图2的例中，展示了在第1微型控制器(第1控制部)57内设置故障判定单元60b和线电压加法单元61的情形，但也可以在第2微型控制器(第2控制部)58内设置故障判定单元60b和线电压加法单元61。
还可以将线电压加法单元61设置在第1微型控制器(第1控制部)57或第2微型控制器(第2控制部)58的外部。
这样，本实施方式的变换器的故障检测装置包括对三相PWM变换器52的各相输出电压进行监视、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器输出相加后的输出电压的输出电压监视电路(输出电压监视单元)55b；根据该输出电压监视电路(输出电压监视单元)55b输出的输出电压求各相之间的线电压并进行相加的线电压加法单元61；以及故障判定单元60b，当由线电压加法单元61计算的各个线电压的相加值不是接近零的值时，该故障判定单元60b就判定三相PWM变换器52为故障。
因而，根据本实施方式的变换器的故障检测装置，能够不需要高速的A/D变换器、还能提高母线电压的电压利用率，同时在使各相的输出电压为E玄波的第1驱动方式或使各个输出线电压为正弦波的第2驱动方式中的任一驱动方式中都能进行故障判定。
工业上的实用性
本发明对实现不需要高速的A/D变换器、还能提高母线电压的电压利用率的三相PWM变换器的故障检测装置相当有用。

Claims (11)

1.一种变换器的故障检测装置，其特征在于，包括：
对三相PWM变换器的母线电压进行监视的母线电压监视单元；将三相PWM变换器的各相输出电压相加、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器输出相加后的输出电压的输出电压监视单元；
以及故障判定单元，当所述输出电压监视单元输出的输出电压值不是所述母线电压监视单元监视的与母线电压的3/2倍相对应的电压值的近似值时，所述故障判定单元就判定所述三相PWM变换器为故障。
2.一种变换器的故障检测装置，其特征在于，包括：
对三相PWM变换器各相的输出电压进行监视、同时经具有截止频率低于PWM载波频率的低通特性的滤波器分别将其输出的输出电压监视单元；
根据所述输出电压监视单元输出的输出电压，求各相之间的线电压并相加的线电压加法单元；
以及故障判定单元，当由所述线电压加法单元得到的各个线电压的相加值不是接近零的值时，所述故障判定单元就判定所述三相PWM变换器为故障。
3.如权利要求1或2所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
包括控制所述三相PWM变换器的动作的第1控制部、和监视所述第1控制部的第2控制部，
所述故障判定单元设置在所述第1控制部上。
4.如权利要求1或2所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
包括控制所述三相PWM变换器的动作的第1控制部、和监视所述第1控制部的第2控制部，
所述故障判定单元设置在所述第2控制部上。
5.如权利要求1所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
所述三相PWM变换器具有各相的输出电压为正弦波电压的第1驱动方式、和各个输出线电压为正弦波电压的第2驱动方式，
选择所述第1驱动方式时所述故障判定单元就进行故障判定。
6.如权利要求2所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
所述三相PWM变换器具有各相的输出电压为正弦波电压的第1驱动方式、和各个输出线电压为正弦波电压的第2驱动方式，
选择所述第2驱动方式时所述故障判定单元就进行故障判定。
7.如权利要求5或6所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
当各相电流小于等于规定值时，就选择所述第1驱动方式。
8.如权利要求5或6所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
当各个输出相电压的振幅小于等于规定值时，就选择所述第1驱动方式。
9.如权利要求5或6所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
当各个输出线电压的振幅小于等于规定值时，就选择所述第1驱动方式。
10.如权利要求5或6所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
所述三相变换器将三相电动机作为负载，当所述三相电动机的旋转速度小于等于规定值时就选择所述第1驱动方式。
11.如权利要求5或6所述的变换器的故障检测装置，其特征在于，
 当所述母线电压大于等于规定值时，就选择所述第1驱动方式。
CNA200510064922XA 2004-09-10 2005-04-04 变换器的故障检测装置 Pending CN1747305A (zh)

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