DE112018001706T5

DE112018001706T5 - Leistungswandler, motorantriebseinheit und elektrische servolenkvorrichtung

Info

Publication number: DE112018001706T5
Application number: DE112018001706.0T
Authority: DE
Inventors: Ahmad GHADERI
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-12-19
Also published as: US20200028446A1; CN110392977B; WO2018180238A1; CN110392977A; JP7070548B2; US11031880B2; JPWO2018180238A1

Abstract

Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung wandelt eine Leistung von einer Leistungsversorgung in eine Leistung um, die einem Motor mit n-Phasenwicklungen (wobei n eine Ganzzahl von 3 oder mehr ist) zugeführt wird, wobei die einen Enden derselben in einer Y-Schaltung miteinander verbunden sind, und ist versehen mit: einem Inverter, der mit den anderen Enden der n-Phasenwicklungen verbunden ist; einer Phasentrennrelaisschaltung zum Umschalten zwischen der Verbindung und Trennung des Wegs zwischen der Leistungsversorgung und den n-Phasenwicklungen auf einer Pro-Phase-Basis; einem Neutralpunktschenkel, der mit einem Neutralpunktknoten des Motors verbunden ist, wobei die einen Enden der n-Phasenwicklungen Y-verschaltet sind; und einer Neutralpunkttrennrelaisschaltung zum Umschalten zwischen der Verbindung und Trennung des Wegs zwischen der Leistungsversorgung und dem Neutralpunktknoten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Leistungswandler, eine Motorantriebseinheit und eine elektrische Servolenkvorrichtung.
Hintergrundtechnik
In jüngster Vergangenheit wurde ein elektromechanischer integrierter Motor entwickelt, in dem ein Elektromotor (im Folgenden lediglich als „Motor“ bezeichnet), ein Leistungswandler und eine elektronische Steuereinheit (ECU; ECU = electronic control unit) integriert sind. Unterdessen ist in einem Fahrzeugbereich unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit eine qualitativ hochwertige Absicherung erforderlich. Somit wird eine redundante Gestaltung angenommen, die dazu in der Lage ist, einen sicheren Betrieb auch dann fortzusetzen, wenn ein Teil einer Komponente ausfällt. Als Beispiel der redundanten Gestaltung wurde die Bereitstellung zweier Leistungswandler für einen Motor berücksichtigt. Als weiteres Beispiel wurde die Bereitstellung einer Sicherungsmikrosteuerung in einer Hauptmikrosteuerung berücksichtigt.
Patentdokument 1 offenbart eine Motorantriebsvorrichtung mit einem ersten System und einem zweiten System. Das erste System ist mit einem ersten Wicklungssatz eines Motors verbunden und beinhaltet einen ersten Inverter, ein Leistungsversorgungsrelais, ein Sperrschaltungsschutzrelais und dergleichen. Das zweite System ist mit einem zweiten Wicklungssatz des Motors verbunden und beinhaltet einen zweiten Inverter, ein Leistungsversorgungsrelais, ein Sperrschaltungsschutzrelais und dergleichen. Wenn in der Motorantriebsvorrichtung kein Ausfall vorliegt, kann die Motorantriebsvorrichtung den Motor unter Verwendung sowohl des ersten Systems als auch des zweiten Systems antreiben. Wenn jedoch ein Ausfall in dem ersten System oder dem zweiten System oder dem ersten Wicklungssatz oder dem zweiten Wicklungssatz auftritt, schneidet das Leistungsversorgungsrelais die Versorgung mit Leistung von einer Leistungsquelle ab, die mit dem ausgefallenen System oder dem ausgefallenen Wicklungssatz verbunden ist. Entsprechend kann der Motor unter Verwendung des anderen nicht ausgefallenen Systems stetig angetrieben werden.
Patentdokumente 2 und 3 offenbaren ebenso eine Motorantriebsvorrichtung mit einem ersten System und einem zweiten System. Selbst wenn ein System oder ein Wicklungssatz ausgefallen ist, kann ein Motor durch ein System, das nicht ausgefallen ist, stetig angetrieben werden.
Patentdokument 4 offenbart eine Motorantriebsvorrichtung mit vier elektrischen Trennvorrichtungen und zwei Invertern, die ausgebildet ist zum Umwandeln von Leistung, die einem Dreiphasenmotor zugeführt wird. In jedem Inverter ist eine elektrische Trennvorrichtung zwischen einer Leistungsversorgung und dem Inverter eingebaut und eine elektrische Trennvorrichtung ist zwischen dem Inverter und einer Masse eingebaut. Ein Motor kann durch einen Inverter, der nicht ausgefallen ist, unter Verwendung eines neutralen Punkts einer Wicklung eines Inverters, der ausgefallen ist, angetrieben werden. Hier ist der ausgefallene Inverter von der Leistungsversorgung und der Masse durch Verändern der beiden elektrischen Trennvorrichtungen, die mit dem ausgefallenen Inverter verbunden sind, in einen abgeschnittenen Zustand getrennt.
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2016-34204 .
Patendokument 2: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2016-32977 .
Patentdokument 3: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2008-132919 .
Patentdokument 4: Japanisches Patent Nr. 5797751

Offenbarung
Technisches Problem
Bei der oben beschriebenen verwandten Technik besteht Bedarf nach einer weiteren Verbesserung einer Motorausgabe bei der Steuerung in einem anormalen Zustand.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung richten sich auf das Bereitstellen eines Leistungswandlers, der dazu in der Lage ist, eine Motorausgabe bei der Steuerung in einem anormalen Zustand zu verbessern.
Technische Lösung
Ein Leistungswandler gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung wandelt Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung um, die einem Motor mit n-Phasenwicklungen (wobei n eine Ganzzahl von 3 oder mehr ist) zugeführt wird, wobei die einen Enden derselben Y-verschaltet sind, und umfasst einen Inverter, der mit den anderen Enden der n-Phasenwicklungen verbunden ist und n Schenkel aufweist, die jeweils ein Low-Side- bzw. tiefseitiges Schaltelement und ein High-Side- bzw. hochseitiges Schaltelement aufweisen, eine Phasentrennrelaisschaltung, die ausgebildet ist, um zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und der n-Phasenwicklungen für jede Phase umzuschalten, einen Neutralpunktschenkel mit einem tiefseitigen Schaltelement und einem hochseitigen Schaltelement, der mit einem Neutralpunktknoten des Motors verbunden ist, wobei die einen Enden der n-Phasenwicklungen Y-verschaltet sind, und eine Neutralpunkttrennrelaisschaltung, die ausgebildet ist, um zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und des Neutralpunktknotens umzuschalten.
Vorteilhafte Auswirkungen
Gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung durchgeführt werden durch geeignetes Bestimmen von An- oder Aus-Zustand einer Phasentrennrelaisschaltung und einer Neutralpunkttrennrelaisschaltung gemäß einem Steuermodus. So werden ein Leistungswandler, der eine Motorausgabe bei der Steuerung in einem anormalen Zustand verbessern kann, eine Motorantriebseinheit mit dem Leistungswandler und eine elektrische Servolenkvorrichtung mit der Motorantriebseinheit bereitgestellt.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine typische Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit (1000) gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine typische Schaltungskonfiguration des Leistungswandlers (100) gemäß dem ersten exemplarischem Ausführungsbeispiel darstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine typische Blockkonfiguration einer Steuerschaltung 300 darstellt.
4 ist ein Graph, der ein Beispiel von Stromsignalverläufen (Sinuswellen) darstellt, die erhalten werden durch Abbilden von Werten von Strömen, die durch die Wicklungen (M1, M2, M3) fließen, durch eine Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung.
5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Drehzahl pro Zeiteinheit (Umdrehungen pro Sekunde (U/s)) eines Motors und einem Drehmoment T (Newtonmeter (N·m)) darstellt.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine typische Schaltungskonfiguration eines Leistungswandlers 100A gemäß einem modifizierten Beispiel des ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels darstellt.
7 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine typische Schaltungskonfiguration eines Leistungswandlers 100B gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
8 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine typische Schaltungskonfiguration eines Leistungswandlers 100C gemäß einem modifizierten Beispiel des zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels darstellt.
9 ist ein schematisches Diagramm, das eine typische Konfiguration einer elektrischen Servolenkvorrichtung 2000 gemäß einem dritten exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.

Modi der Erfindung
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines Leistungswandlers, einer Motorantriebseinheit und einer elektrischen Servolenkvorrichtung der vorliegenden Offenbarung Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Um unnötige Wiederholungen in der folgenden Beschreibung zu vermeiden und das Verständnis für Fachleute zu erleichtern, ist eine unnötige detaillierte Beschreibung möglicherweise weggelassen. Beispielsweise sind möglicherweise die detaillierte Beschreibung bereits bekannter Elemente und eine redundante Beschreibung einer im Wesentlichen gleichen Konfiguration weggelassen.
In der vorliegenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung anhand eines Beispiels eines Leistungswandlers beschrieben, der Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung umwandelt, die einem Dreiphasenmotor mit Dreiphasenwicklungen (U-Phase, V-Phase und W-Phase-Wicklung) zugeführt wird. Ein Leistungswandler jedoch, der Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung umwandelt, die einem n-Phase-Motor mit n Phasen (wobei n eine Ganzzahl von 4 oder mehr ist) wie z. B. Vier- oder Fünfphasenwicklungen, zugeführt wird, befindet sich ebenso innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Struktur der Motorantriebseinheit 1000 und des Leistungswandlers 100.
1 stellt schematisch eine typische Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit 1000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar.
Die Motorantriebseinheit 1000 beinhaltet üblicherweise einen Leistungswandler 100, einen Motor 200, eine Steuerschaltung 300 und einen Winkelsensor 500. Der Winkelsensor 500 ist abhängig von einem Verfahren zum Steuern des Motors (beispielsweise sensorlose Steuerung) unter Umständen nicht nötig.
Die Motorantriebseinheit 1000 ist modularisiert und kann als Motormodul mit beispielsweise einem Motor, einem Sensor, einem Treiber und einer Steuerung hergestellt und verkauft werden. In der vorliegenden Beschreibung wird die Motorantriebseinheit 1000 als ein Beispiel eines Systems beschrieben, das den Motor 200 als Komponente beinhaltet. Die Motorantriebseinheit 1000 könnte jedoch auch ein System zum Antreiben des Motors 200 sein, ohne den Motor 200 als Komponente zu beinhalten.
Der Leistungswandler 100 beinhaltet einen Inverter 110, einen Neutralpunktschenkel 120, eine Phasentrennrelaisschaltung 130, eine Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 und einen Stromsensor 400. Der Leistungswandler 100 kann Leistung von einer Leistungsversorgung 101 (siehe 2) in Leistung umwandeln, die dem Motor 200 zugeführt wird. Der Inverter 110 ist mit dem Motor 200 verbunden. Beispielsweise kann der Inverter 110 eine Gleichstrom(DC)-Leistung in eine Dreiphasen-Wechselstrom(-AC)-Leistung umwandeln, die eine Pseudo-Sinuswelle einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase ist. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich „Verbindung“ zwischen Teilen (Komponenten) hauptsächlich auf eine elektrische Verbindung.
Der Motor 200 ist beispielsweise ein Dreiphasen-AC-Motor. Der Motor 200 beinhaltet eine U-Phase-Wicklung M1, eine V-Phase-Wicklung M2 und eine W-Phase-Wicklung M3. Die einen Enden der Wicklungen M1, M2 und M3 sind Y-verschaltet.
Die Steuerschaltung 300 ist mit einer Mikrosteuerung und dergleichen ausgebildet. Die Steuerschaltung 300 steuert den Leistungswandler 100 gemäß Eingangssignalen von dem Stromsensor 400 und dem Winkelsensor 500. Die Steuerverfahren beinhalten beispielsweise eine Vektorsteuerung, Pulsbreitenmodulation (PWM; PWM = pulse width modulation) und eine Direktdrehmomentsteuerung (DTC; DTC = direct torque control).
Der Winkelsensor 500 ist beispielsweise ein Resolver (Koordinatenwandler) oder eine integrierte Hall-Schaltung (Hall-IC). Der Winkelsensor 500 ist implementiert durch eine Kombination eines Magnetowiderstands(MR)-Sensors mit einem MR-Element und einem Sensormagneten. Der Winkelsensor 50 erfasst bzw. detektiert einen Rotationswinkel (im Folgenden „Rotationssignal“ genannt) eines Rotors des Motors 200 und gibt das Rotationssignal an die Steuerschaltung 300 aus.
Die spezifische Schaltungskonfiguration des Leistungswandlers 100 wird Bezug nehmend auf 2 beschrieben.
2 stellt schematisch eine typische Schaltungskonfiguration des Leistungswandlers 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar.
Die Leistungsversorgung 101 erzeugt eine vorbestimmte Leistungsversorgungsspannung (beispielsweise 12 V). Eine Gleichstrom-Leistungsversorgung wird beispielsweise als Leistungsversorgung 101 verwendet. Die Leistungsversorgung 101 könnte jedoch ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler oder ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler sein und könnte eine Batterie (Speicherbatterie) sein.
Eine Sicherung 102 ist zwischen die Leistungsversorgung 101 und den Inverter 110 geschaltet. Die Sicherung 102 kann einen hohen Strom, der von der Leistungsversorgung 101 zu dem Inverter 110 fließen kann, abschneiden. Ein Relais oder dergleichen könnte anstelle der Sicherung eingesetzt werden.
Obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist eine Spule zwischen der Leistungsversorgung 101 und dem Inverter 110 eingebaut. Die Spule fungiert als Rauschfilter und glättet Hochfrequenzrauschen, das in einem Spannungssignalverlauf beinhaltet ist, der dem Inverter zugeführt wird, oder Hochfrequenzrauschen, das in dem Inverter erzeugt wird, damit dieses nicht in Richtung der Leistungsversorgung 101 fließt. Ferner ist ein Kondensator mit einem Leistungsanschluss des Inverters verbunden. Der Kondensator ist ein sogenannter Überbrückungs- bzw. Nebenschlusskondensator und unterdrückt Spannungswelligkeiten. Der Kondensator ist beispielsweise ein Elektrolytkondensator und die Kapazität und die zu verwendende Anzahl werden gemäß Entwurfsspezifikationen und dergleichen geeignet bestimmt.
Der Inverter 110 beinhaltet eine Brückenschaltung aus drei Schenkeln. Jeder Schenkel beinhaltet ein hochseitiges Schaltelement und ein tiefseitiges Schaltelement. Ein U-Phase-Schenkel beinhaltet ein hochseitiges Schaltelement SW_AH und ein tiefseitiges Schaltelement SW_AL. Ein V-Phase-Schenkel beinhaltet ein hochseitiges Schaltelement SW_BH und ein tiefseitiges Schaltelement SW_BL. Ein W-Phase-Schenkel beinhaltet ein hochseitiges Schaltelement SW_CH und ein tiefseitiges Schaltelement SW_CL. Beispielsweise könnte ein Feldeffekttransistor (FET) (üblicherweise ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)) oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) als Schaltelement verwendet werden.
Der Inverter 110 ist ein Stromsensor 400 (siehe 1), der ausgebildet ist, um einen Strom (manchmal „Phasenstrom“ genannt) zu erfassen, der durch beispielsweise eine Wicklung sowohl der U-Phase als auch der V-Phase und der W-Phase fließt, und beinhaltet einen Nebenschlusswiderstand (nicht gezeigt), der in jedem Schenkel desselben vorgesehen ist. Ein Stromsensor 400 beinhaltet eine Stromerfassungs- bzw. -detektionsschaltung (nicht gezeigt), die einen Strom erfasst, der durch jeden Nebenschlusswiderstand fließt. Beispielsweise kann der Nebenschlusswiderstand zwischen das tiefseitige Schaltelement und eine Masse in jedem Schenkel geschaltet sein. Ein Widerstandswert des Nebenschlusswiderstands liegt beispielsweise in dem Bereich von etwa 0,5 mΩ bis 1,0 mΩ.
Die Anzahl von Nebenschlusswiderständen ist nicht auf drei eingeschränkt. Es ist beispielsweise möglich, zwei Nebenschlusswiderstände für die U-Phase und die V-Phase, zwei Nebenschlusswiderstände für die V-Phase und die W-Phase und zwei Nebenschlusswiderstände für die U-Phase und die W-Phase zu verwenden. Die zu verwendende Anzahl von Nebenschlusswiderständen und die Anordnung der Nebenschlusswiderstände werden in Anbetracht von Produktkosten, Entwurfspezifikationen und dergleichen geeignet bestimmt.
Der U-Phase-Schenkel des Inverters 110 (insbesondere ein Knoten n1 zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement) ist mit dem anderen Ende der U-Phase-Wicklung M1 des Motors verbunden. Ein Knoten n2 des V-Phase-Schenkels ist mit dem anderen Ende der V-Phase-Wicklung M2 verbunden. Ein Knoten n3 des W-Phase-Schenkels ist mit dem anderen Ende der W-Phase-Wicklung M3 verbunden.
Der Neutralpunktschenkel 120 beinhaltet ein hochseitiges Schaltelement SW_NH und ein tiefseitiges Schaltelement SW_NL. Der Neutralpunktschenkel 120 beinhaltet Nebenschlusswiderstände, wie auch die anderen Schenkel. Der Neutralpunktschenkel 120 ist zwischen einen tiefseitigen und einen hochseitigen Knoten geschaltet, mit denen die drei Schenkel der Inverter 110 verbunden sind. Der Inverter 110 könnte als eine Brückenschaltung hergestellt sein, die mit vier Schenkeln mit dem Neutralpunktschenkel 120 versehen ist.
Ein Knoten n4 des Neutralpunktschenkels 120 kann mit einem Knoten N verbunden sein, bei dem die einen Enden der Wicklungen M1, M2 und M3 des Motors 200 Y-verschaltet sind. Der Knoten N fungiert als neutraler Punkt, während der Motor angetrieben wird, und wird so „Neutralpunktknoten N“ genannt.
Die Phasentrennrelaisschaltung 130 schaltet zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung 101 und jeder der Dreiphasenwicklungen M1, M2 und M3 um. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel schaltet die Phasentrennrelaisschaltung 130 zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung 101 und des Inverters 110 für jede Phase um.
In dem Inverter 110 beinhaltet die Phasentrennrelaisschaltung 130 Dreiphasentrennrelais ISW_AH, ISW_BH und ISW_CH, die zwischen den hochseitigen Knoten und die drei hochseitigen Schaltelemente SW_AH, SW_BH beziehungsweise SW_CH geschaltet sind. Das Phasentrennrelais ISW_AH ist in dem U-Phase-Schenkel positioniert. Das Phasentrennrelais ISW_BH ist in dem V-Phase-Schenkel positioniert. Das Phasentrennrelais ISW_CH ist in dem W-Phase-Schenkel positioniert.
In dem Inverter 110 beinhaltet die Phasentrennrelaisschaltung 130 ferner Dreiphasentrennrelais ISW_AL, ISW_BL und ISW_CL, die zwischen den tiefseitigen Knoten und die drei tiefseitigen Schaltelementen SW_AL, SW_BL beziehungsweise SW_CL geschaltet sind. Das Phasentrennrelais ISW_AL ist in dem U-Phase-Schenkel positioniert. Das Phasentrennrelais ISW_BL ist in dem V-Phase-Schenkel positioniert. Das Phasentrennrelais ISW_CL ist in dem W-Phase-Schenkel positioniert.
Als Beispiel könnte ein Halbleiterschalter, wie zum Beispiel ein MOSFET, als Trennrelais verwendet werden. Andere Halbleiterschalter, wie zum Beispiel Thyristoren und Analogschalter-ICs, oder mechanische Relais könnten verwendet werden. Eine Kombination aus IGBTs und Dioden könnte ebenso eingesetzt werden.
In 2 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem ein MOSFET mit einer Parasitärdiode in demselben als Schaltelement verwendet wird, sowie jedes Trennrelais des Inverters 110. In jedem Phasenschenkel sind das hochseitige Phasentrennrelais und das hochseitige Schaltelement in Serie zueinander geschaltet, so dass ein Durchlassstrom durch die internen Parasitärdioden desselben in der gleichen Richtung fließt. Das tiefseitige Phasentrennrelais und das tiefseitige Schaltelement sind in Serie zueinander geschaltet, so dass ein Durchlassstrom durch die internen Parasitärdioden desselben in der gleichen Richtung fließt.
Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 schaltet zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung 101 und des Neutralpunktknotens N um. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 zwischen den Neutralpunktschenkel 120 und den Neutralpunktknoten N geschaltet. Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 schaltet zwischen Verbindung und Trennung des Neutralpunktschenkels 120 und des Neutralpunktknotens N um.
Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 beinhaltet einen bidirektionalen Schalter. Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 beinhaltet beispielsweise zwei Neutralpunkttrennrelais ISW_N1 und ISW_N2, die in Serie zueinander geschaltet sind. Das Neutralpunkttrennrelais ISW_N1 ist mit dem Neutralpunktschenkel 120 verbunden. Das Neutralpunkttrennrelais ISW_N2 ist mit dem Neutralpunktknoten N verbunden. Das Neutralpunkttrennrelais ISW_N1 ist derart angeordnet, dass ein Durchlassstrom in der internen Diode in Richtung des Neutralpunktknotens N fließt. Das Neutralpunkttrennrelais ISW_N2 ist derart angeordnet, dass ein Durchlassstrom in der internen Diode in Richtung des Neutralpunktschenkels 120 fließt.
Das Neutralpunkttrennrelais ISW_N1 ist mit sowohl dem hochseitigen Schaltelement SW_NH als auch dem tiefseitigen Schaltelement SW_NL des Neutralpunktschenkels 120 in Serie geschaltet. Das Neutralpunkttrennrelais ISW_N2 ist außerdem mit sowohl dem hochseitigen Schalter SW_NH als auch dem tiefseitigen Schalter SW_NL in Serie geschaltet.
3 stellt eine typische Blockkonfiguration der Steuerschaltung 300 dar.
Die Steuerschaltung 300 beinhaltet beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung 310, eine Eingangsschaltung 320, eine Mikrosteuerung 330, eine Treiberschaltung 340 und einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 350. Die Steuerschaltung 300 ist mit dem Leistungswandler 100 verbunden. Die Steuerschaltung 300 kann den Motor 200 durch Steuern des Leistungswandlers 100, insbesondere des Inverters 110, des Neutralpunktschenkels 120, der Phasentrennrelaisschaltung 130 und der Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 (siehe 1) antreiben. Die Steuerschaltung 300 kann eine Geschlossene-Schleife-Steuerung implementieren durch Steuern einer Zielposition, Rotationsgeschwindigkeit und eines Stroms oder dergleichen des Rotors. Außerdem kann ein Drehmomentsensor anstelle des Winkelsensors 500 verwendet werden (siehe 1). In diesem Fall kann die Steuerschaltung 300 ein Zielmotordrehmoment steuern.
Die Leistungsversorgungsschaltung 310 erzeugt Gleichstromspannungen (beispielsweise 3 V oder 5 V), die für jeden Block in der Schaltung notwendig sind.
Die Eingangsschaltung 320 empfängt einen Motorstromwert (im Folgenden „tatsächlicher Stromwert“ genannt), der durch den Stromsensor 400 erfasst wird. Die Eingangsschaltung 320 wandelt einen Pegel des tatsächlichen Stromwerts in einen Eingangspegel der Mikrosteuerung 330 wie benötigt um und gibt den tatsächlichen Stromwert an die Mikrosteuerung 330 aus. Die Eingangsschaltung 320 ist eine Analog-Digital-Wandlungsschaltung.
Die Mikrosteuerung 330 empfängt ein Rotationssignal des Rotors, das durch den Winkelsensor 500 erfasst wird. Die Mikrosteuerung 330 setzt einen Zielstromwert gemäß dem tatsächlichen Stromwert, dem Rotationssignal des Rotors und dergleichen, um ein Pulsbreitenmodulations(PWM)-Signal zu erzeugen, und gibt das erzeugte PWM-Signal an die Treiberschaltung 340 aus.
Beispielsweise erzeugt die Mikrosteuerung 330 das PWM-Signal zum Steuern des Schaltvorgangs (An- oder Ausschalten) jedes Schaltelements des Inverters 110 und des Neutralpunktschenkels 120 des Leistungswandlers 100. Die Mikrosteuerung 330 erzeugt ein Signal, das einen An- oder Aus-Zustand jedes Trennrelais in jeder der Trennrelaisschaltungen des Leistungswandlers 100 bestimmt.
Die Treiberschaltung 340 ist typischerweise ein Gate-Treiber. Die Treiberschaltung 340 erzeugt ein Steuersignal (beispielsweise ein Gate-Steuersignal) zum Steuern des Schaltvorgangs jedes Schaltelements des Inverters 110 und des Neutralpunktschenkels 120 gemäß dem PWM-Signal und liefert das erzeugte Steuersignal an jedes Schaltelement. Ferner kann die Treiberschaltung 340 ein Steuersignal (Analogsignal) zum An- oder Ausschalten jedes Trennrelais gemäß dem Signal von der Mikrosteuerung 330 erzeugen, was den An- oder Aus-Zustand jedes Trennrelais bestimmt, und das erzeugte Steuersignal an jedes Trennrelais liefern. Die Mikrosteuerung 330 kann die Funktion der Treiberschaltung 340 haben. In diesem Fall ist die Treiberschaltung 340 nicht erforderlich.
Der ROM 350 ist beispielsweise ein beschreibbarer Speicher (zum Beispiel ein programmierbarer ROM (PROM)), ein wiederbeschreibbarer Speicher (beispielsweise ein Flash-Speicher) oder ein ROM. Der ROM 350 speichert Steuerprogramme einschließlich einer Befehlsgruppe, die es der Mikrosteuerung 330 ermöglicht, den Leistungswandler 100 zu steuern. Beispielsweise werden die Steuerprogramme einmal beim Booten in einen Direktzugriffspeicher (RAM) (nicht gezeigt) geladen.
Steuermodi des Leistungswandlers 100 beinhalten einen Steuermodus in einem Normalzustand und einen Steuermodus in einem anormalen Zustand. Die Steuerschaltung 300 (hauptsächlich die Mikrosteuerung 330) kann die Steuerung des Leistungswandlers 100 von dem Steuermodus in dem Normalzustand zu dem Steuermodus in einem anormalen Zustand umschalten. Abhängig von dem Steuermodus wird der An- oder Aus-Zustand jedes Trennrelais der Phasentrennrelaisschaltung 130 und der Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 bestimmt.
Im Folgenden wird eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen der Leistungsversorgung 101, dem Inverter 110 und den Wicklungen M1, M2 und M3 des Motors 200 gemäß dem An- oder Aus-Zustand der Phasentrennrelaisschaltung 130 und dem An- oder Aus-Zustand der Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 detailliert beschrieben.
In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich „die Phasentrennrelaisschaltung 130 wird angeschaltet“ auf alle Phasentrennrelais ISW_AH, ISW_BH, ISW_CH, ISW_AL, ISW_BL und ISW_CL der Phasentrennrelaisschaltung 130, die angeschaltet werden. „Die Phasentrennrelaisschaltung 130 wird ausgeschaltet“ bezieht sich auf alle Phasentrennrelais ISW_AH, ISW_BH, ISW_CH, ISW_AL, ISW_BL und ISW_CL, die ausgeschaltet werden.
Wenn die Phasentrennrelaisschaltung 130 angeschaltet wird, ist der Inverter 110 elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 verbunden. Wenn die Phasentrennrelaisschaltung 130 ausgeschaltet wird, ist der Inverter 110 elektrisch von der Leistungsversorgung 101 getrennt.
Wie oben beschrieben wurde, können eine Schaltverbindung und- trennung zwischen den drei Schenkeln des Inverters 110 und der Leistungsversorgung 101 für jede Phase durchgeführt werden. Beispielsweise wird der U-Phase-Schenkel durch Ausschalten des Phasentrennrelais ISW_AH und des Phasentrennrelais ISW_AL elektrisch von der Leistungsversorgung 101 getrennt. Hier sind der V-Phase-Schenkel und der W-Phase-Schenkel mit der Leistungsversorgung 101 verbunden.
In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich „die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 wird angeschaltet“ darauf, dass die Neutralpunkttrennrelais ISW_N1 und ISW_N2 der Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 angeschaltet werden. „Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 wird abgeschaltet“ bezieht sich darauf, dass die Neutralpunkttrennrelais ISW_N1 und ISW_N2 ausgeschaltet werden.
Wenn die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 angeschaltet wird, ist der Knoten n4 des Neutralpunktschenkels 120 mit dem Neutralpunktknoten N des Motors 200 verbunden. Wenn die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 ausgeschaltet wird, ist der Knoten n4 des Neutralpunktschenkels 120 elektrisch von dem Neutralpunktknoten N des Motors 200 getrennt.
Funktionsweise der Motorantriebseinheit 1000
Im Folgenden wird ein spezifisches Beispiel einer Funktionsweise der Motorantriebseinheit 1000 beschrieben und wird dabei hauptsächlich ein spezifisches Beispiel einer Funktionsweise des Leistungswandlers 100 beschrieben.
Steuerung im Normalzustand
Als erstes wird ein spezifisches Beispiel eines Steuerverfahrens in dem Normalzustand des Leistungswandlers 100 beschrieben.
In der vorliegenden Beschreibung zeigt ein „Normalzustand“ an, dass kein Ausfall in dem Inverter 110, dem Neutralpunktschenkel 120 und den Wicklungen M1, M2 und M3 des Motors 200 vorliegt. Ein „anormaler Zustand“ zeigt an, dass ein Ausfall in den Schaltelementen in der Brückenschaltung des Inverters auftritt und ein Ausfall in der Motorwicklung auftritt. Der Ausfall des Schaltelements bezieht sich hauptsächlich auf einen Offen- bzw. Unterbrechungs-Ausfall und einen Kurzschluss-Ausfall des Halbleiterschaltelements, wie zum Beispiel eines FET. Der „Offen-Ausfall“ bezieht sich auf einen Ausfall, bei dem eine Verbindung zwischen einer Source und einem Drain des FET geöffnet ist (anders ausgedrückt wird ein Widerstandswert rds zwischen der Source und dem Drain zu einer Hochimpedanz), und der „Kurzschluss-Ausfall“ bezieht sich auf einen Ausfall, bei dem die Source und das Drain des FET kurzgeschlossen sind. Der Ausfall der Wicklung ist beispielsweise eine Trennung der Wicklung.
In dem Steuermodus in dem Normalzustand schaltet die Steuerschaltung 300 (hauptsächlich die Mikrosteuerung 330) die Phasentrennrelaisschaltung 130 an. Der Inverter 110 wird durch diese Steuerung mit der Leistungsversorgung 101 verbunden. Anders ausgedrückt werden die Wicklungen M1, M2 und M3 des Motors 200 elektrisch durch den Inverter 110 mit der Leistungsversorgung 101 verbunden. So kann Leistung von dem Inverter 110 an den Motor 200 geliefert werden.
Die Steuerschaltung 300 schaltet die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 aus. Aufgrund der Steuerung ist der Neutralpunktschenkel 120 elektrisch von dem Neutralpunktknoten N des Motors 200 getrennt. Keine Leistung wird von dem Neutralpunktschenkel 120 an den Neutralpunktknoten N geliefert.
Die Steuerschaltung 300 kann die Dreiphasenwicklungen M1, M2 und M3 durch Steuern des Schaltvorgangs des Schaltelements des Inverters 110 mit Energie versorgen. In der vorliegenden Beschreibung wird eine derartige Energieversorgungssteuerung als „Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung“ bezeichnet.
4 stellt ein Beispiel von Stromsignalverläufen (Sinuswellen) dar, die erhalten werden durch Abbilden von Werten der Ströme, die durch die Wicklungen M1, M2 und M3 fließen, durch die Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung. Eine horizontale Achse stellt elektrische Winkel (Grad) des Motors dar und eine vertikale Achse stellt die Werte (A) des Stroms dar. I_pk stellt den Maximalwert (Spitzenstromwert) des Phasenstroms dar, der durch jede Phase fließt. In einem Motor mit einer allgemeinen Y-Verschaltung ist die Summe der Ströme, die durch die Dreiphasenwicklungen fließen, unter Betrachtung der Richtung des Stroms gleich „0“.
Die Steuerschaltung 300 steuert den Schaltvorgang jedes Schaltelements des Inverters 110, um beispielsweise die Pseudo-Sinuswelle zu erhalten, die in 4 gezeigt ist. Deshalb wird der Motor 200 angetrieben.
Steuerung im anormalen Zustand
Wenn der Leistungswandler 100 über einen langen Zeitraum verwendet wird, kann ein Ausfall in den Schaltelementen des Inverters 110 oder den Wicklungen des Motors 200 auftreten. Diese Ausfälle unterscheiden sich von den Herstellungsausfällen, die während der Herstellung auftreten können. Wenn ein derartiger Ausfall auftritt, kann die oben beschriebene Steuerung in dem Normalzustand nicht durchgeführt werden.
Als ein Beispiel einer Ausfallerfassung überwacht die Treiberschaltung 340 eine Spannung Vds zwischen dem Drain und der Source des Schaltelements und vergleicht die Vds mit einer vorbestimmten Schwellenspannung, um den Ausfall des Schaltelements zu erfassen. Die Schwellenspannung wird in der Treiberschaltung 340 durch beispielsweise extern angebrachte Komponenten und Datenkommunikation mit externen ICs (nicht gezeigt) gesetzt. Die Treiberschaltung 340 ist mit Anschlüssen der Mikrosteuerung 330 verbunden und benachrichtigt die Mikrosteuerung 330 über ein Ausfallerfassungssignal. Beispielsweise legt die Treiberschaltung 340, wenn die Treiberschaltung 340 den Ausfall des Schaltelements erfasst, das Ausfallerfassungssignal an. Wenn die Mikrosteuerung 330 das angelegte Ausfallerfassungssignal empfängt, kann die Mikrosteuerung 350 die internen Daten der Treiberschaltung 340 lesen, um zu bestimmen, welches Schaltelement der Mehrzahl von Schaltelementen in dem Inverter 110 ausgefallen ist.
Als weiteres Beispiel der Ausfallerfassung kann die Mikrosteuerung 330 den Ausfall des Schaltelements auf der Basis der Differenz zwischen dem tatsächlichen Stromwert des Motors und dem Zielstromwert erfassen. Ferner kann die Mikrosteuerung 330 auch erfassen, ob die Wicklung des Motors 200 getrennt ist, und zwar beispielsweise auf der Basis der Differenz zwischen dem tatsächlichen Stromwert des Motors und dem Zielstromwert. Die Ausfallerfassung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und bekannte Verfahren in Bezug auf die Ausfallerfassung können breit eingesetzt werden.
Wenn das Ausfallerfassungssignal angelegt ist, schaltet die Mikrosteuerung 330 die Steuerung des Leistungswandlers 100 von der Steuerung in dem Normalzustand zu der Steuerung in dem anormalen Zustand um. Eine Zeit, zu der die Steuerung von dem Normalzustand in den anormalen Zustand umgeschaltet wird, liegt beispielsweise in dem Bereich von etwa 10ms bis 30ms, nachdem das Ausfallerfassungssignal angelegt wurde.
Im Folgenden werden Steuerverfahren jedes Trennrelais in jeder Trennrelaisschaltung als Beispiele veranschaulichender Ausfallstrukturen beschrieben.
Es wird wieder Bezug auf 2 genommen.
Beispielsweise wird angenommen, dass das hochseitige Schaltelement SW_AH des U-Phase-Schenkels des Inverters 110 einen Offen-Ausfall hat. In diesem Fall schaltet die Steuerschaltung 300 die Zweiphasen-Trennrelais ISW_AH und ISW_AL des U-Phase-Schenkels aus, in dem das ausgefallene Schaltelement beinhaltet ist, und schaltet die Vierphasen-Trennrelais ISW_BH, ISW_BL, ISW_CH und ISW_CL, die in dem V-Phase- und W-Phase-Schenkel beinhaltet sind, an. Durch diese Steuerung ist der ausgefallene U-Phase-Schenkel elektrisch von der Leistungsversorgung 101 getrennt. Die V-Phase- und die W-Phase-Wicklung M2 und M3 sind durch den V-Phase- und den W-Phase-Schenkel mit der Leistungsversorgung 101 verbunden.
Die Steuerschaltung 300 schaltet ferner die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 an. Durch diese Steuerung ist der Neutralpunktschenkel 120 mit dem Neutralpunktknoten N des Motors 200 verbunden. In diesem Verbindungszustand kann der Motor 200 stetig durch Versorgen der Zweiphasenwicklungen M2 und M3 unter Verwendung des V-Phase- und des W-Phase-Schenkels des Inverters 110 mit Energie angetrieben werden. In der vorliegenden Beschreibung wird die Energieversorgungssteuerung unter Verwendung von Zweiphasenschenkeln als „Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung“ bezeichnet.
Der Phasenstrom, der von dem Knoten n2 des V-Phase-Schenkels durch die Wicklung M2 in den Neutralpunktknoten N des Motors 200 fließt, wird I_b genannt und der Phasenstrom, der von dem Knoten n3 des W-Phase-Schenkels durch die Wicklung M3 in den Neutralpunktknoten N fließt, wird I_c genannt. Ferner wird der Strom, der aus dem Neutralpunktknoten N heraus zu dem Knoten n4 des Neutralpunktschenkels 120 fließt, I_z genannt. Bei der Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung bildet sich I_b+I_c=I_z.
Die Steuerschaltung 300 kann die Wicklungen M2 und M3 beispielsweise durch Steuern des Schaltvorgangs der Schaltelemente des V-Phase- und des W-Phase-Schenkels und des Neutralpunktschenkels 120 des Inverters 110 mit Energie versorgen. Insbesondere kann die Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung durchgeführt werden durch Steuern von Potenzialen des Knotens n2 des V-Phase-Schenkels, des Knotens n3 des W-Phase-Schenkels und des Neutralpunktknotens N, so dass I_b+I_c=I_z erfüllt ist. Der Phasenstrom I_b fließt gemäß dem Potenzialunterschied zwischen dem Knoten n2 und dem Neutralpunktknoten N. Der Phasenstrom I_c fließt gemäß dem Potenzialunterschied zwischen dem Knoten n3 und dem Neutralpunktknoten N.
Beispielsweise kann die Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung selbst dann durchgeführt werden, wenn die beiden Schaltelemente SW_AH und SW_AL des U-Phase-Schenkels gleichzeitig ausgefallen sind. Ferner kann, wenn beispielsweise die U-Phase-Wicklung M1 ausgefallen ist, die Wicklung M1 durch Ausschalten der Zweiphasen-Trennrelais ISW_AH und ISW_AL wie bei dem Fall, in dem der U-Phase-Schenkel ausgefallen ist, elektrisch von der Leistungsversorgung 101 getrennt werden.
Wenn beispielsweise Zweiphasen-Schenkel in einem Inverter mit Vierphasen-Schenkeln zum Antreiben eines Vierphasen-Wechselstrom-Motors ausgefallen sind, kann das Zweiphasen-Energieversorgungssteuerverfahren der vorliegenden Offenbarung geeignet angewendet werden.
Gemäß dem oben beschriebenen Steuerverfahren kann bei der Steuerung in dem anormalen Zustand der ausgefallene Schenkel unter Verwendung des Phasentrennrelais elektrisch von der Leistungsversorgung 101 getrennt werden und kann der Neutralpunktschenkel 120 unter Verwendung der Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 mit dem Neutralpunktknoten N verbunden sein/werden. Die Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung kann durch geeignetes Steuern des Potenzials des Neutralpunktknotens N unter Verwendung des Neutralpunktschenkels 120 durchgeführt werden. Die Motorantriebseinheit 1000 kann stetig getrieben werden.
5 stellt eine Beziehung zwischen der Drehzahl pro Zeiteinheit (Umdrehungen pro Sekunde (U/s)) des Motors und dem Drehmoment T (Newtonmeter (N*m)) dar. In dem Graphen stellt eine horizontale Achse die Drehzahl dar und eine vertikale Achse stellt Werte des normierten Drehmoments dar. Bei der Drehzahl stellt Wmn die maximale Drehzahl dar. Bei Motorausgabecharakteristika stellt Wcn die Drehzahl an einem veränderten Punkt dar, an dem sich das Drehmoment schnell ändert.
Die sogenannte T-N-Kurve, die in 5 gezeigt ist, stellt die Motorausgabecharakteristika, die erhalten werden durch die Steuerung in dem Normalzustand, und die Motorausgabecharakteristika dar, die erhalten werden durch die Steuerung in dem anormalen Zustand. Der Drehmomentwert, der erhalten wird durch die Steuerung in dem anormalen Zustand, stellt einen Wert dar, der durch den Drehmomentwert normiert ist, der erhalten wird durch die Steuerung in dem Normalzustand. Ferner sind als Vergleichsbeispiel die Motorausgabecharakteristika bei der Steuerung in dem anormalen Zustand, die erhalten werden durch das Steuerverfahren, das im Patentdokument 1 ( japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2016-34204 ) und im Patentdokument 4 ( japanisches Patent Nr. 5797751 ) offenbart ist, in 5 gezeigt.
In der Motorantriebsvorrichtung des Patentdokuments 1 ( japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2016-34204 ) wird der Motor bei der Steuerung in dem anormalen Zustand unter Verwendung eines des ersten und des zweiten Systems angetrieben, das nicht ausgefallen ist. Da der maximale Wert des Phasenstroms bei der Steuerung in dem anormalen Zustand auf etwa 50 % im Vergleich zu demjenigen bei der Steuerung in dem Normalzustand reduziert ist, ist auch das Drehmoment, das erhalten wird durch die Steuerung in dem anormalen Zustand, auf etwa 50 % im Vergleich zu demjenigen bei der Steuerung in dem Normalzustand reduziert. Unterdessen wird, da der Maximalwert der Phasenspannung, die an jede Phasenwicklung angelegt wird, durch die Steuerung in dem Normal- und dem anormalen Zustand nicht verändert wird, die maximale Drehzahl Wmn beibehalten.
In der Motorantriebsvorrichtung des Patentdokuments 4 ( japanisches Patent Nr. 5797751 ) kann der Strom, der durch jede der Dreiphasenwicklungen fließt, bei der Steuerung in dem Normalzustand unabhängig gesteuert werden. So kann bei der Steuerung in dem anormalen Zustand der Motor durch einen Inverter im Wesentlichen nur einer Seite unter Verwendung des Neutralpunkts des ausgefallenen Inverters angetrieben werden. Da der Maximalwert der Phasenspannung, die an jede Phasenwicklung angelegt wird, im Vergleich zu demjenigen in dem Normalzustand auf etwa 58 % reduziert ist, ist die maximale Drehzahl, die erhalten wird durch die Steuerung in dem Normalzustand, auf etwa 58 % im Vergleich zu der maximalen Drehzahl Wmn in dem Normalzustand reduziert. So wird eine Hochgeschwindigkeits-Rotationsregion zu einer Niedriggeschwindigkeits-Seite reduziert und der Motor kann nicht mit höherer Geschwindigkeit angetrieben werden. Unterdessen wird, da der maximale Wert des Phasenstroms des Motors durch die Steuerung in dem Normal- und dem anormalen Zustand nicht verändert wird, das Drehmoment beibehalten.
Gemäß dem Steuerverfahren der vorliegenden Offenbarung wird, wenn der Maximalwert I_pk des Phasenstroms bei der Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung in dem Normalzustand auf 1 gesetzt ist, der Maximalwert I_pk des Phasenstroms durch die Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung in dem anormalen Zustand theoretisch etwa 0,58. So beträgt das Drehmoment, das erhalten wird durch die Steuerung in dem anormalen Zustand, etwa 58 % desjenigen bei der Steuerung in dem Normalzustand. Unterdessen wird, da der Maximalwert der Phasenspannung, die an jede Phasenwicklung angelegt wird, durch die Steuerung in dem Normal- und dem anormalen Zustand nicht verändert wird, die maximale Drehzahl Wmn beibehalten. Außerdem kann die Drehzahl Wcn beibehalten werden.
Zusammenfassend können, wie in 5 gezeigt ist, im Vergleich zur verwandten Technik die maximale Drehzahl Wmn und die Drehzahl Wcn des Motors bei der Steuerung in dem anormalen Zustand auf dem gleichen Wert wie in dem Normalzustand beibehalten werden. Folglich ist es möglich, die Motorausgabe, das heißt einen Antriebsbereich des Motors, zu verbessern. Insbesondere kann ein höheres Drehmoment in der Hochgeschwindigkeits-Rotationsregion erhalten werden. Verglichen mit der verwandten Technik wird das erhaltene Drehmoment um 16 % (=58/50) erhöht. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Motorausgabecharakteristika bei der Steuerung in dem anormalen Zustand weiter verbessert werden.
6 stellt schematisch eine typische Schaltungskonfiguration eines Leistungswandlers 100A gemäß einem modifizierten Beispiel des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar.
Der Leistungswandler 100A unterscheidet sich von dem Leistungswandler 100 dadurch, dass eine Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 in einem Neutralpunktschenkel 120 eingebaut ist. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben.
Bei dem vorliegenden modifizierten Beispiel schaltet die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 zwischen Verbindung und Trennung einer Leistungsversorgung 101 und des Neutralpunktschenkels 120 um. Der Neutralpunktschenkel 120 ist mit einem Neutralpunktknoten N verbunden. Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 beinhaltet ein Neutralpunkttrennrelais ISW_NH, das zwischen ein hochseitiges Schaltelement SW_NH des Neutralpunktschenkels 120 und einen hochseitigen Knoten geschaltet ist, und beinhaltet ein Neutralpunkttrennrelais ISW_NL, das zwischen ein tiefseitiges Schaltelement SW_NL des Neutralpunktschenkels 120 und einen tiefseitigen Knoten geschaltet ist. Das Neutralpunkttrennrelais ISW_NH ist in Serie zu dem hochseitigen Schaltelement SW_NH geschaltet und das Neutralpunkttrennrelais ISW_NL ist in Serie zu dem tiefseitigen Schaltelement SW_NL geschaltet.
Bei Steuerung in dem Normalzustand ist der Neutralpunktschenkel 120 durch Ausschalten der beiden Neutralpunkttrennrelais ISW_NH und ISW_NL elektrisch von der Leistungsversorgung 101 getrennt. Hier ist der Neutralpunktschenkel 120 beim Liefern von Leistung an einen Motor 200 nicht involviert. Bei Steuerung in dem anormalen Zustand ist der Neutralpunktschenkel 120 durch Anschalten der beiden Neutralpunkttrennrelais ISW_NH und ISW_NL mit der Leistungsversorgung 101 verbunden. Hier kann der Neutralpunktschenkel 120 beim Liefern der Leistung an den Motor 200 involviert sein.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
7 stellt schematisch eine typische Schaltungskonfiguration eines Leistungswandlers 100B gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dar.
Der Leistungswandler 100B unterscheidet sich von dem Leistungswandler 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass eine Phasentrennrelaisschaltung 130 zwischen einen Inverter 110 und Wicklungen M1, M2 und M3 geschaltet ist. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben.
Die Phasentrennrelaisschaltung 130 ist zwischen den Inverter 110 und andere Enden der Wicklungen M1, M2 und M3 geschaltet. Die Phasentrennrelaisschaltung 130 schaltet zwischen Verbindung und Trennung der drei Schenkel des Inverters 110 und der anderen Enden der Wicklungen M1, M2 und M3 für jede Phase um.
Die Phasentrennrelaisschaltung 130 beinhaltet Dreiphasen-Trennrelais ISW_A, ISW_B und ISB_C, die zwischen die drei Schenkel des Inverters 110 und die anderen Enden der Wicklungen M1, M2 und M3 geschaltet sind. Die Dreiphasen-Trennrelais ISW_A, ISW_B und ISB_C können Einweg-Schalter oder bidirektionale Schalter, wie zum Beispiel die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140, die in 2 gezeigt ist, sein.
Das Phasentrennrelais ISW_A ist in Serie zu sowohl dem hochseitigen Schaltelement SW_AH als auch dem tiefseitigen Schaltelement SW_AL eines U-Phase-Schenkels geschaltet. Das Phasentrennrelais ISW_B ist in Serie zu sowohl dem hochseitigen Schaltelement SW_BH als auch dem tiefseitigen Schaltelement SW_BL eines V-Phase-Schenkels geschaltet. Das Phasentrennrelais ISW_C ist in Serie zu sowohl dem hochseitigen Schaltelement SW_CH als auch dem tiefseitigen Schaltelement SW_CL eines W-Phase-Schenkels geschaltet.
Der U-Phase-Schenkel des Inverters 110 wird durch Anschalten des Phasentrennrelais ISW_A mit einer Wicklung M1 verbunden und der U-Phase-Schenkel wird durch Ausschalten des Phasentrennrelais ISW_A elektrisch von der Wicklung M1 getrennt. Der V-Phase-Schenkel wird durch Einschalten des Phasentrennrelais ISW_B mit einer Wicklung M2 verbunden und der V-Phase-Schenkel wird durch Ausschalten des Phasentrennrelais ISW_B elektrisch von der Wicklung M2 getrennt. Der W-Phase-Schenkel wird durch Einschalten des Phasentrennrelais ISW_C mit einer Wicklung M3 verbunden und der W-Phase-Schenkel wird durch Ausschalten des Phasentrennrelais ISW_C elektrisch von der Wicklung M3 getrennt.
Eine Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 schaltet zwischen Verbindung und Trennung einer Leistungsversorgung 110 und eines Neutralpunktschenkels 120 um. Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 beinhaltet ein Neutralpunkttrennrelais ISW_NH, das zwischen ein hochseitiges Schaltelement SW_NH des Neutralpunktschenkels 120 und einen hochseitigen Knoten geschaltet ist, und beinhaltet ein Neutralpunkttrennrelais ISW_NL, das zwischen ein tiefseitiges Schaltelement SW_NL des Neutralpunktschenkels 120 und einen tiefseitigen Knoten geschaltet ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine Zweiphasen-Energieversorgungssteuerung in einem anormalen Zustand durchgeführt werden durch Bestimmen eines An- oder Aus-Zustands jedes Trennrelais der Phasentrennrelaisschaltung 130 und der Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 gemäß Ausfallmustern.
8 stellt schematisch eine typische Schaltungskonfiguration eines Leistungswandlers 100C gemäß einem modifizierten Beispiel des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar.
Der Leistungswandler 100C unterscheidet sich von dem Leistungswandler 100B dadurch, dass eine Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 zwischen einen Neutralpunktschenkel 120 und einen Neutralpunktknoten N geschaltet ist.
Die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 ist zwischen den Neutralpunktschenkel 120 und den Neutralpunktknoten N geschaltet. Bei dem vorliegenden modifizierten Beispiel sind eine Phasentrennrelaisschaltung 130 und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 zwischen einen Inverter 110 und einen Motor 200 geschaltet. Die Phasentrennrelaisschaltung 130 und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung 140 können als eine von dem Inverter 110 separate Komponente hergestellt sein.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
9 stellt schematisch eine typische Konfiguration einer elektrischen Servolenkvorrichtung 2000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiels dar.
Fahrzeuge, wie etwa Automobile, umfassen im Allgemeinen eine elektrische Servolenkvorrichtung (EPS-Vorrichtung; EPS = electric power steering). Die elektrische Servolenkvorrichtung 200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst ein Lenksystem 520 und einen Hilfsdrehmomentmechanismus 540, der ein Hilfsdrehmoment erzeugt. Die elektrische Servolenkvorrichtung 2000 erzeugt das Hilfsdrehmoment, das ein Lenkdrehmoment des Lenksystems, das durch das Bedienen eines Lenkrads durch den Fahrer erzeugt wird, unterstützt. Die Belastung auf der Bedienung durch den Fahrer wird durch das Hilfsdrehmoment reduziert.
Das Lenksystem 520 kann beispielsweise ein Lenkrad 521, eine Lenkwelle 522, Universalgelenke 523A und 523B, eine Rotationswelle 524, einen Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus 525, eine Zahnstangenwelle 526, ein linkes und ein rechtes Kugelgelenk 552A und 552B, Spurstangen 527A und 527B, Gelenke 528A und 528B und ein linkes und ein rechtes Lenkrad 529A und 529B umfassen.
Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 umfasst beispielsweise einen Lenkdrehmomentsensor 541, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 542 für ein Automobil, einen Motor 543 und einen Reduktionsmechanismus 544. Der Lenkdrehmomentsensor 541 erfasst ein Lenkdrehmoment in dem Lenksystem 520. Die ECU 542 erzeugt ein Treibersignal auf der Basis des durch den Lenkdrehmomentsensor 541 erfassten Signals. Der Motor 543 erzeugt ein Hilfsdrehmoment auf der Basis des Lenkdrehmoments auf der Basis des Treibersignals. Der Motor 543 überträgt das erzeugte Hilfsdrehmoment durch den Reduktionsmechanismus 544 an das Lenksystem 520.
Die ECU 542 umfasst beispielsweise die Mikrosteuerung 330 und die Treiberschaltung 340 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In Automobilen ist ein elektronisches Steuersystem unter Verwendung einer ECU als Kern aufgebaut. In der elektrischen Servolenkvorrichtung 2000 ist eine Motorantriebseinheit beispielsweise aus der ECU 542, dem Motor 543 und einem Inverter 545 aufgebaut. Die Motorantriebseinheit 1000 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann geeignet für das System verwendet werden.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auch geeignet für Motorsteuersysteme verwendet werden, wie zum Beispiel ein Schalten-mittels-Draht-System, ein Lenken-mittels-Draht-System, ein X-by-wire- bzw. X-mittels-Draht-System, wie zum Beispiel ein Bremsen-mittels-Draht-System, ein Traktionsmotorsystem und dergleichen. Beispielsweise kann das Motorsteuersystem gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung an einem automatisiert fahrenden Fahrzeug angebracht sein, das den Stufen 0 bis 4 (Automatisierungsstufen) entspricht, die durch die japanische Regierung und die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA = nationale Highway-Verkehrssicherheitsverwaltung) des Verkehrsministeriums der Vereinigten Staaten definiert sind.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können breit in einer Vielzahl von Vorrichtungen eingesetzt werden, die mit verschiedenen Motoren ausgerüstet sind, wie beispielsweise Reinigungsvorrichtungen, Trocknern, Deckenventilatoren, Waschmaschinen, Kühlschränken und elektrischen Servolenkvorrichtungen.
Bezugszeichenliste

100, 100A, 100B, 100C:: LEISTUNGSWANDLER
101:: LEISTUNGSVERSORGUNG
102:: SICHERUNG
110:: INVERTER
120:: NEUTRALPUNKTSCHENKEL
130:: PHASENTRENNRELAISSCHALTUNG
140:: NEUTRALPUNKTTRENNRELAISSCHALTUNG
200:: MOTOR
300:: STEUERSCHALTUNG
310:: LEISTUNGSVERSORGUNGSSCHALTUNG
320:: EINGANGSSCHALTUNG
330:: MIKROSTEUERUNG
340:: TREIBERSCHALTUNG
350:: ROM
400:: STROMSENSOR
500:: WINKELSENSOR
1000:: MOTORANTRIEBSEINHEIT
2000:: ELEKTRISCHE SERVOLENKVORRICHTUNG

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 201634204 [0005, 0076, 0077]
JP 201632977 [0005]
JP 2008132919 [0005]
JP 5797751 B [0005, 0076, 0078]

Claims

Ein Leistungswandler, der ausgebildet ist, um Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung umzuwandeln, die einem Motor mit n-Phasenwicklungen (wobei n eine Ganzzahl von 3 oder mehr ist) zugeführt wird, wobei die einen Enden derselben Y-verschaltet sind, wobei der Leistungswandler folgende Merkmale aufweist: einen Inverter, der mit den anderen Enden der n-Phasenwicklungen verbunden ist und n Schenkel aufweist, die jeweils ein tiefseitiges Schaltelement und ein hochseitiges Schaltelement aufweisen; eine Phasentrennrelaisschaltung, die ausgebildet ist, um zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und der n-Phasenwicklungen für jede Phase umzuschalten; einen Neutralpunktschenkel, der ein tiefseitiges Schaltelement und ein hochseitiges Schaltelement aufweist und mit einem Neutralpunktknoten des Motors verbunden ist, wobei die einen Enden der n-Phasenwicklungen Y-verschaltet sind; und eine Neutralpunkttrennrelaisschaltung, die ausgebildet ist, um zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und des Neutralpunktknotens umzuschalten.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, bei dem der Neutralpunktschenkel zwischen einen tiefseitigen und einen hochseitigen Knoten geschaltet ist, mit denen die n Schenkel des Inverters verbunden sind.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Phasentrennrelaisschaltung zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und des Inverters für jede Phasen umschaltet.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3, bei dem die Neutralpunkttrennrelaisschaltung zwischen den Neutralpunktschenkel und den Neutralpunktknoten geschaltet ist und zwischen Verbindung und Trennung des Neutralpunktschenkels und des Neutralpunktknotens umschaltet.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3, bei dem die Neutralpunkttrennrelaisschaltung zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und des Neutralpunktschenkels umschaltet.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, bei dem die Phasentrennrelaisschaltung n erste Phasentrennrelais in dem Inverter, die zwischen den hochseitigen Knoten, mit dem die n Schenkel des Inverters verbunden sind, und die n hochseitigen Schaltelemente geschaltet sind, und n zweite Phasentrennrelais in dem Inverter aufweist, die zwischen den tiefseitigen Knoten, mit dem die n Schenkel des Inverters verbunden sind, und die n tiefseitigen Schaltelemente geschaltet sind, und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung ein erstes und ein zweites Neutralpunkttrennrelais aufweist, die in Serie geschaltet sind.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 6, bei dem sowohl das erste als auch das zweite Neutralpunkttrennrelais eine Diode aufweist, das erste Neutralpunkttrennrelais, das mit dem Neutralpunktschenkel verbunden ist, derart angeordnet ist, dass ein Durchlassstrom in der Diode in Richtung des Neutralpunktschenkels fließt, und das zweite Neutralpunkttrennrelais, das mit dem Neutralpunktknoten verbunden ist, derart angeordnet ist, dass ein Durchlassstrom in der Diode in Richtung des Neutralpunktschenkels fließt.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, bei dem die Phasentrennrelaisschaltung n erste Phasentrennrelais in dem Inverter, die zwischen den hochseitigen Knoten, mit dem die n Schenkel des Inverters verbunden sind, und die hochseitigen Schaltelemente geschaltet sind, und n zweite Phasentrennrelais in dem Inverter aufweist, die zwischen den tiefseitigen Knoten, mit dem die n Schenkel des Inverters verbunden sind, und die n tiefseitigen Schaltelemente geschaltet sind, und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung ein erstes Neutralpunkttrennrelais, das zwischen den hochseitigen Knoten und das hochseitige Schaltelement des Neutralpunktschenkels geschaltet ist, und ein zweites Neutralpunkttrennrelais aufweist, das zwischen den tiefseitigen Knoten und das tiefseitige Schaltelement des Neutralpunktschenkels geschaltet ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Phasentrennrelaisschaltung zwischen den Inverter und die anderen Enden der n-Phasenwicklungen geschaltet ist und zwischen Verbindung und Trennung der n Schenkel des Inverters und der anderen Enden der n-Phasenwicklungen für jede Phase umschaltet.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 9, bei dem die Neutralpunkttrennrelaisschaltung zwischen Verbindung und Trennung der Leistungsversorgung und des Neutralpunktschenkels umschaltet.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 9, bei dem die Neutralpunkttrennrelaisschaltung zwischen den Neutralpunktschenkel und den Neutralpunktknoten geschaltet ist und zwischen Verbindung und Trennung des Neutralpunktschenkels und des Neutralpunktknotens umschaltet.
Leistungswandler gemäß Anspruch 10, bei dem die Phasentrennrelaisschaltung n Phasentrennrelais aufweist, die zwischen die n Schenkel des Inverters und die anderen Enden der n-Phasenwicklungen geschaltet sind, und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung ein erstes Neutralpunkttrennrelais, das zwischen den hochseitigen Knoten, mit dem die n Schenkel des Inverters verbunden sind, und das hochseitige Schaltelement des Neutralpunktschenkels geschaltet ist, und ein zweites Neutralpunkttrennrelais aufweist, das zwischen den tiefseitigen Knoten, mit dem die n Schenkel des Inverters verbunden sind, und das tiefseitige Schaltelement des Neutralpunktschenkels geschaltet ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, bei dem die Phasentrennrelaisschaltung n Phasentrennrelais aufweist, die zwischen die n Schenkel des Inverters und die anderen Enden der n-Phasenwicklungen geschaltet sind, und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung ein erstes und ein zweites Neutralpunkttrennrelais aufweist, die in Serie geschaltet sind.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem ein Steuermodus in einem Normalzustand und ein Steuermodus in einem anormalen Zustand als Steuermodi einer Leistungsumwandlung beinhaltet sind und in dem Steuermodus in einem Normalzustand die Phasentrennrelaisschaltung angeschaltet ist und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung ausgeschaltet ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 14, bei dem die Neutralpunkttrennrelaisschaltung bei der Steuerung in dem anormalen Zustand angeschaltet ist.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 6, 8, 12 und 13, bei dem ein Steuermodus in einem Normalzustand und ein Steuermodus in einem anormalen Zustand als Steuermodi einer Leistungsumwandlung beinhaltet sind und, wenn n-2 Schenkel der n Schenkel ausgefallen sind, bei der Steuerung in dem anormalen Zustand n-2 erste Phasentrennrelais und n-2 zweite Phasentrennrelais der n-2 ausgefallenen Schenkel unter den n ersten Phasentrennrelais und den n zweiten Phasentrennrelais ausgeschaltet sind, zwei erste Phasentrennrelais und zwei zweite Phasentrennrelais von zwei nicht ausgefallenen Schenkeln angeschaltet sind und die Neutralpunkttrennrelaisschaltung angeschaltet ist.
Eine Motorantriebseinheit, die folgende Merkmale aufweist: den Motor; den Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16; und eine Steuerschaltung, die ausgebildet ist, um den Leistungswandler zu steuern.
Eine elektrische Servolenkvorrichtung mit der Motorantriebseinheit gemäß Anspruch 17.