马达驱动装置的制作方法

1.本发明涉及一种驱动马达的马达驱动装置。


背景技术：

2.近年来，受惠于机器学习技术的发展，汽车的自动驾驶化正在发展。在自动驾驶车的情况下，假设驾驶员不在或者不是能够驾驶的状态。在这样的状况的情况下，对于车辆的操舵不能依赖于人的转动方向盘的力，电动动力转向装置承担全部的操舵力。假设在因电动动力转向装置故障而丧失了操舵力的情况下，变得不能进行车辆的操舵，因此要求电动动力转向装置即使发生故障也不丧失操舵力的故障可操作性的构成。同样地，对于承担电动汽车的车辆的前进驱动力的马达、逆变器，也需要维持在故障时使人乘坐的车辆至少移动到安全的路肩为止的驱动力，要求故障可操作性的构成。
3.为了满足以上那样的故障可操作性要求，对于驱动具有多个线圈的多相马达的逆变器，考虑了即使某一相发生故障也能继续驱动马达的马达驱动装置。
4.在专利文献1中有如下记载：“具备：马达，所述马达的五相以上的多相的线圈通过星形联结而被连接；逆变器，所述逆变器配置在各相线圈的一端，并且将直流电力变换为交流电力并共给至马达的各相；以及功率继电器，其被构成为能够使用多个触点来截断对马达的多相的线圈中的一相以上的线圈供给电力，所述多个触点被配置在各相线圈的另一端侧并且被插入到被进行星形联结的线圈间；以及控制部，所述控制部通过生成逆变器的控制信号来控制马达的驱动。控制部在马达的一相或更多相发生了故障的情况下，打开与该发生了故障的相对应的功率继电器的触点，并驱动剩下的多相中大致相同间隔的三相以上的相。”，通过该构成能够在即使马达的某一相发生了故障的情况下继续马达的驱动。现有技术文献专利文献
5.专利文献1：国际公开第2011/089656号


技术实现要素：

发明要解决的问题
6.在上述专利文献1所述的马达驱动装置中，为了将故障的相从其他的正常的相分离，使用功率继电器。但是，在通过利用mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)的半导体继电器构成各继电器的情况下，为了防止寄生二极管的导通，分别需要2个串联的mosfet。因此，在上述专利文献1所述的马达驱动装置中，在从电源到接地为止的电流路径上经由的mosfet的串联连接数变多，相应地接通电阻增加，电力损失有可能变大。
7.本发明的目的在于提供一种马达驱动装置，其在多相中的某相的故障时，不仅能够通过剩余的相继续运转，而且在正常时电力损失也小，能够进行高效率的运转。解决问题的技术手段
8.为了解决上述课题，本发明提供一种马达驱动装置，其通过逆变器驱动马达的多个线圈，在该马达驱动装置中，与所述逆变器不同的第1中性点以及第2中性点以相对于所述多个线圈并联连接的形式预先形成，在所述第1中性点与所连接的线圈之间具备在线圈侧具有体二极管的阴极的第1mosfet，在所述第2中性点与所连接的线圈之间具备在线圈侧具有体二极管的阳极的第2mosfet。发明的效果
9.根据本发明，能够提供一种马达驱动装置，其在多相中的某相的故障时，不仅能够通过剩余的相继续运转，而且在正常时电力损失也小，能够进行高效率的运转。
附图说明
10.图1是表示实施例1的马达驱动装置以及五相马达1的电路图。图2是表示实施例1中正常时的各mosfet的接通/断开状态的图。图3是表示实施例1中作为五相逆变器的上臂之一的m45发生短路故障时的各mosfet的接通/断开状态的图。图4是表示实施例1中作为五相逆变器的下臂之一的m55发生短路故障时的各mosfet的接通/断开状态的图。图5是表示实施例1中作为再生电流防止用的mosfet之一的m35发生开路故障时的各mosfet的接通/断开状态的图。图6是表示实施例1中作为五相马达1的线圈之一的w5在中性点侧的布线中发生接地故障时的各mosfet的接通/断开状态的图。图7是表示实施例1中作为五相马达1的线圈之一的w5在逆变器侧的布线中发生接地故障时的各mosfet的接通/断开状态的图。图8示出了实施例1中栅极驱动器的连接。图9是表示实施例2的马达驱动装置以及五相马达1的电路图。图10是表示实施例2中作为五相马达1的线圈之一的w1在中性点侧的布线中发生接地故障时的各mosfet的接通/断开状态的图。
具体实施方式
11.以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。此外，以下的实施例是实施本发明的一例，但不限定于此。
12.《实施例1》图1是表示本实施例的马达驱动装置以及五相马达1的一例的电路图。马达驱动装置具备：从电源供给直流电压的五相逆变器2；以及针对五相马达1的各相预先形成中性点的中性点切换部3。
13.首先，五相逆变器2具有第4mosfet组m41～m45和第5mosfet组m51～m55。第4mosfet组m41～m45是位于五相逆变器2的高电位侧且构成上臂的半导体开关元件组，第5mosfet组m51～m55是位于五相逆变器2的低电位侧且构成下臂的半导体开关元件组。这些开关元件组的接通/断开由来自未图示的逆变器控制部的控制信号控制。
14.另外，在上述五相逆变器2与接地之间具备第3mosfet组m31～m35，这些第3mosfet
组m31～m35与第5mosfet组m51～m55的各相输出串联连接。在此，第3mosfet组m31～m35的体二极管分别被连接成使电流流向接地的方向。即，第3mosfet组m31～m35的体二极管的方向都是阴极位于接地侧。
15.另外，作为体二极管，假设在mosfet的构造上必然形成的寄生二极管，但也可以是有意设置的二极管。如后所述，这些第3mosfet组m31～m35在五相马达1的中性点切换部3侧的布线中发生了接地故障时，起到防止再生电流流向五相马达1的作用。
16.接着，五相马达1是具备未图示的转子和卷绕在定子上的五相线圈(w1～w5)的无刷马达。各相的线圈的一端侧与五相逆变器2的各相的上臂以及下臂连接。另外，各相的线圈的另一端侧与设置在后述的中性点切换部3的、第1mosfet组m11～m15以及第2mosfet组m21～m25连接。
17.中性点切换部3通过与五相马达1的各相的线圈并联连接的第1mosfet组m11～m15以及第2mosfet组m21～m25，预先形成2个中性点。并且，该中性点切换部3在五相逆变器2的某相发生了故障时，根据来自未图示的中性点控制部的控制信号，如后述那样适当接通/断开各mosfet组，将发生了故障的相从五相马达1切断分离。
18.第1mosfet组m11～m15的一端侧与五相马达1连接，另一端侧相互星形联结而形成作为第1中性点的中性点4。第2mosfet组m21～m25也是一端侧与五相马达1连接，另一端侧相互星形联结而形成作为第2中性点的中性点5。此外，中性点4以及中性点5都不与电源连接、也不与接地连接。
19.在此，在第1mosfet组m11～m15的体二极管的方向都使得阴极位于五相马达1的线圈侧。另一方面，第2mosft组m21～m25的体二极管的方向都使得阳极位于五相马达1的线圈侧。
20.另外，在本实施例中，具备用于检测五相逆变器2、各mosfet的故障的、未图示的故障检测单元。作为该故障检测单元的一例，可以考虑通过监视mosfet的漏极-源极间的电压并与规定的阈值进行比较，来检测mosfet的故障。另外，作为其他例子，可以考虑通过检测流过各相的电流并与规定的阈值进行比较，来检测电流过大或过少，检测布线以及五相马达1的故障。故障检测方法可以使用其他公知的故障检测方法。
21.图2是表示没有发生故障的、正常时的各mosfet的接通/断开状态的图。如图2所示，正常时，中性点切换部3中的所有mosfet(第1mosfet组m11～m15以及第2mosfet组m21～m25)和再生电流防止用的所有mosfet(第3mosfet组m31～m35)接通，作为以中性点4和中性点5星形联结的五相逆变器以及马达进行动作。
22.接着，针对故障的每个种类说明发生故障时的各mosfet的动作。
23.首先，针对故障的每个种类说明逆变器发生故障时的各mosfet的动作。在此，逆变器的mosfet的故障大致分为“短路故障”和“开路故障”。“短路故障”是指由于mosfet的源极-漏极间短路，开关始终处于导通状态的故障，“开路故障”是指由于mosfet的源极-漏极间开放，开关始终处于切断状态的故障。
24.《逆变器的上臂的短路故障》作为一例，使用图3说明作为构成五相逆变器2的上臂的第4mosfet组之一的m45发生短路故障时的动作。在这种情况下，对与m45连接的线圈w5持续施加电池电压，通过中性点切换部3在线圈w5以及其他线圈w1～w4上持续流过对马达的旋转没有贡献的过大的dc电
流，不能继续马达的运转。因此，在检测到m45的短路故障的情况下，通过以下的操作切断流向线圈w5的电流，并以剩余的线圈w1～w4继续马达的运转。
25.在m45发生短路故障的情况下，与m45连接的线圈w5的中性点(中性点切换部3)侧的电压成为在电池电压上重叠了马达的感应电压的值。由于该电压比电池电压的1/2、即中性点电压高，因此使与发生了短路故障的m45的相对应的m15断开，由此从中性点4切断线圈w5，保护中性点4免受过电压影响。另外，m11～m14保持接通的状态。另一方面，即使使m25断开，电流也会通过体二极管流入中性点5，但通过使m21～m25全部断开，能够切断电流。此时，在构成下臂的第5mosfet组中的与m45同相的m55也断开。由此，能够以在线圈w5中不流过不期望的电流的方式进行切断，并且剩余的线圈w1～w4能够通过中性点4作为星形联结的四相马达继续运转。
26.《逆变器的上臂的开路故障》作为一例，在m45发生开路故障的情况下，在线圈w5中不流过电流，即使中性点切换部3的各mosfet保持接通，也能够作为基于剩余的线圈w1～w4的四相马达继续运转。此时，使构成下臂的第5mosfet组中的与m45同相的m55断开。
27.《逆变器的下臂的短路故障》作为一例，使用图4说明作为构成五相逆变器2的下臂的第5mosfet组之一的m55发生短路故障时的动作。在这种情况下，与m55连接的线圈w5的五相逆变器2侧的电压固定在接地。于是，在线圈w5的中性点侧施加了中性点电压的情况下，在线圈w5中持续流过过大的dc电流。因此，此时由于线圈w5的中性点侧的电压比中性点电压低，所以使与发生了短路故障的m55的相对应的m25断开，由此从中性点5切断线圈w5。由此，保护中性点5的电压，并且切断流向线圈w5的不期望的电流。另外，m21～m24保持接通的状态。另一方面，即使使m15断开，电流也会通过体二极管从中性点4流出，但能够通过使m11～m15全部断开来切断电流。此时，在构成上臂的第4mosfet组中的与m55同相的m45也断开。由此，能够以在线圈w5中不流过不期望的电流的方式进行切断，并且剩余的线圈w1～w4能够通过中性点5作为星形联结的四相马达继续运转。
28.《逆变器的下臂的开路故障》在m55发生开路故障的情况下，在线圈w5中不流过电流，即使中性点切换部3的各mosfet保持接通，也能够作为基于剩余的线圈w1～w4的四相马达继续运转。此时，使构成上臂的第4mosfet组中的与m55同相的m45断开。
29.《再生电流防止用的mosfet的短路故障》在再生电流防止用的第3mosfet组(m31～m35)中的某一个发生短路故障的情况下，毫无问题地作为五相逆变器以及马达正常动作。但是，在后述的中性点切换部侧的布线中的接地故障那样的、需要进行使第3mosfet组断开的应对的故障在之后发生的情况下，由于不能采取该应对，因此应该在检测出第3mosfet组的短路故障之后发出警告，催促管理者修理。
30.《再生电流防止用的mosfet的开路故障》作为一例，使用图5说明再生电流防止用的第3mosfet组(m31～m35)中的m35发生开路故障时的动作。在这种情况下，使处于与m35同相的上臂的m45断开。由此，除了发生了开路故障的m35的相之外，作为基于剩余的四相的四相马达继续运转。此时，在中性点切换
部3的mosfet中的与m35的相对应的m15和m25可以接通也可以断开。
31.接着，对五相马达1发生故障时的各mosfet的动作进行说明。关于五相马达1的故障，大致划分为除了各线圈w1～w5的短路故障或断线故障之外，还有在配线与接地之间短路的接地故障。关于在配线与电源之间短路的电源故障，在车辆的情况下，由于马达、逆变器的框体全部成为接地电位，所以发生电源故障的概率与接地短路故障相比，格外低，可以忽略。
32.《线圈的短路故障》线圈的短路故障是以线圈包覆的损伤、缺损等为例在线圈内发生的短路，线圈的电感显著减少，或产生的磁场变弱。对于各线圈w1～w5的短路故障，通过使与故障的线圈连接的逆变器相的上臂以及下臂的mosfet断开，切断流向故障的线圈的电流，能够以剩余的四相作为马达继续运转。作为一例，在线圈w5发生了短路故障的情况下，通过使m45以及m55断开，能够以在线圈w5中不会流过不期望的电流的方式进行切断。
33.《线圈的断线故障》线圈的断线故障是由于构成线圈的电线因烧损、机械振动引起的疲劳而断裂而产生的。在发生线圈的断线故障的情况下，电流不能流过线圈，也不能产生磁力。作为一例，在线圈w5中发生了断线故障的情况下，能够以剩余的线圈w1～w4来继续马达的运转。不需要操作中性点切换部3的mosfet、再生电流防止用的mosfet。
34.《中性点切换部侧的布线中的接地故障》作为一例，使用图6说明作为五相马达1的线圈之一的线圈w5在中性点侧的布线中发生了接地故障时的动作。在这种情况下，由于线圈w5的中性点侧的电压比中性点电压低，所以使与接地故障的相对应的m25断开，由此从中性点5切断线圈w5，保护中性点5免受接地故障影响。另外，m21～m24保持接通的状态。另一方面，由于中性点4接地故障，所以即使使m15断开，电流也会通过体二极管从中性点4流出，但通过使m11～m15全部断开，能够切断电流。此时，作为与线圈w5连接的五相逆变器2的mosfet、即m45以及m55也断开。由此，能够以在线圈w5中不流过不期望的电流的方式进行切断，并且剩余的线圈w1～w4能够通过中性点5作为星形联结的四相马达继续运转。另外，通过使再生电流防止用的第3mosfet组(m31～m35)中的与w5同相的m35断开，能够切断经由m55的体二极管以及接地的线圈w5的再生电流环路，防止制动转矩的产生。
35.《逆变器侧的布线中的接地故障》作为一例，使用图7说明作为五相马达1的线圈之一的线圈w5在五相逆变器2侧的布线中发生了接地故障时的动作。在这种情况下，由于线圈w5的中性点侧的电压比中性点电压低，因此使与接地故障的相对应的m25断开，由此从中性点5切断线圈w5。另外，m21～m24保持接通的状态。另一方面，即使使m15断开，电流也会通过体二极管从中性点4流出，但通过使m11～m15全部断开，能够切断电流。此时，与线圈w5连接的五相逆变器2的上臂的m45也断开。由此，能够以在线圈w5中不流过不期望的电流的方式进行切断，并且剩余的线圈w1～w4能够通过中性点5作为星形联结的四相马达继续运转。另外，下臂的m25和再生电流防止用的m35可以接通也可以断开。
36.最后说明中性点切换部3发生了故障时的各mosfet的动作。在构成中性点切换部3
的mosfet的故障中大致分为短路故障和开路故障。如上所述，在正常时，第1mosfet组m11～m15以及第2mosfet组m21～m25全部接通，因此即使在某一个mosfet中发生短路故障的情况下，也不会对马达的继续运转产生障碍。另外，即使在某一个mosfet中发生了开路故障的情况下，由于中性点切换部3预先并联具有2个中性点4、中性点5，因此不会因开路故障而马达的星形联结崩溃，能够继续马达的运转。
37.图8所示的是图1～7中未图示的栅极驱动器的连接例。栅极驱动器的故障有可能使该栅极驱动器所驱动的mosfet的接通、断开状态变成不是所希望的状态。因此，如果状态的组合不确定，则应该避免影响马达的继续运转的多个mosfet与同一栅极驱动器连接。
38.作为这样的mosfet的组合例，有逆变器的上臂的mosfet和下臂的mosfet。但是，如果栅极驱动器具有在栅极驱动器发生故障时使mosfet的状态可靠地接通或断开的安全机构，并保证该安全机构以充分的概率发挥功能，则能够在同一栅极驱动器上连接对状态的组合有限制的多个mosfet。在此，假设在栅极驱动器中没有这样的安全机构而对栅极驱动器的连接构成进行说明。
39.首先，由逆变器的上臂和下臂将栅极驱动器分为栅极驱动器组61和栅极驱动器组62。这是为了保护引起贯通电流的上下臂的同时接通不受栅极驱动器的故障影响。再生电流防止用的第3mosfet组可以与下臂的mosfet组为同一的栅极驱动器。这是因为即使在再生电流防止用的第3mosfet固定为断开状态的情况下，只要使对应的相的上臂断开，则下臂的mosfet的状态无论是接通还是断开都不会对剩余的四相的马达驱动产生影响。中性点切换部3的mosfet优选在第1mosfet组m11～m15和第2mosfet组m21～m25中如栅极驱动器63、64那样划分栅极驱动器。如果第1mosfet组和第2mosfet组同时变为断开，则中性点4以及中性点5两者都从五相马达分离，因此不能确保星形联结，不能进行马达的驱动。通过如栅极驱动器63、64那样划分栅极驱动器，在栅极驱动器的故障时也能够保证中性点4、5中的某一个必定发挥作用。
40.在此，对将上述的马达驱动装置应用于电动动力转向装置的情况进行说明。该电动动力转向装置除了具备上述的马达驱动装置之外，还具备方向盘、安装在该方向盘上的旋转轴、安装在该旋转轴上的转矩传感器、操舵机构、微处理器以及五相马达。操舵机构通过旋转轴操舵，从而控制车轮的方向。操舵机构或旋转轴由五相马达辅助操舵力。作为逆变器控制部的微处理器基于转矩传感器的输出，控制第4mosfet组m41～m45、第5mosfet组m51～m55。五相马达由通过这些开关元件构成的五相逆变器驱动。在某相中发生故障时，使规定的mosfet断开，由此切断分离该相，通过剩余的四相继续五相马达的运转。由此，作为电动动力转向装置，施加在方向盘上的人力对马达的操作、即对旋转轴、操舵机构的操作不会受到妨碍，能够确保安全。
41.另外，在本实施例中，对将马达驱动装置应用于电动动力转向装置的情况进行了说明，但也可以应用于电动汽车的主机马达等除此之外的装置。
42.接着，对本实施例的效果进行说明。
43.如以往那样，如果通过半导体继电器构成中性点切换部，则为了防止寄生二极管引起的接通，各半导体继电器需要2串联的mosfet。因此，在现有的马达驱动装置中，从电源到接地为止电流通过的mosfet数合计为6个。与此相对，如本实施例那样，并联形成2个中性点而将电流分割为两部分，在各中
性点与线圈之间设置mosfet，将mosfet设为2串联，由此，在中性点切换部中，mosfet成为与1个等价。因此，在本实施例的马达驱动装置中，从电源到接地为止电流通过的mosfet数合计为4。因此，马达正常驱动时的mosfet的总接通电阻减少，能够实现电力损失小的高效率的马达驱动装置。
44.另外，即使在五相中的一相发生了某种故障的情况下，也能够将该相从五相马达中切断分离，不仅能够继续马达的运转，而且能够使用剩余的全部四相来运转马达，因此能够抑制故障时的转矩的减少幅度。
45.进一步地，由于设置了再生电流防止用的mosfet，所以即使在中性点切换部侧的布线发生接地故障的情况下，再生电流环路被切断，也能够抑制因制动转矩而难以控制马达的情况。
46.《实施例2》图9是表示本实施例的马达驱动装置以及五相马达1的一例的电路图。本实施例的中性点切换部31在相对于五相马达1并联连接2个中性点的这一点上是共通的，但在以3个mosfet的二相-二相-一相相对于各中性点连接的这一点上与实施例1不同。
47.使用图10，针对作为本实施例中的五相马达1的线圈之一的线圈w1在中性点切换部31侧的布线中发生了接地故障的例子，说明各mosfet的动作。在这种情况下，由于线圈w1的中性点侧的电压比中性点电压低，因此使作为第2mosfet组之一的m2a断开，由此从中性点5切断线圈w1，保护中性点5不受接地故障影响。另一方面，由于中性点4接地故障，因此即使使作为第1mosfet组之一的m1a断开，电流也会通过体二极管从中性点4流出，但使m1a～m1c全部断开，由此能够切断电流。此时，与线圈w1连接的五相逆变器21中的上臂m41以及下臂m51也断开。由此，能够以在线圈w1中不流过不期望的电流的方式进行切断，并且作为通过中性点5由线圈w3～w5构成的三相马达而继续运转。另外，通过使再生电流防止用的mosfet组(m3a～m3c)中的与w1同相的m3a断开，能够切断经由m51的体二极管以及接地的线圈w1的再生电流环路，防止制动转矩的产生。
48.在本实施例中，在五相中的一相发生了故障的情况下，能够作为使用剩余的四相中的三相的三相马达继续运转。本实施例与即使一相故障也能够作为四相马达继续运转的实施例1相比，虽然转矩的减少幅度变大，但还具有能够抑制合计的mosfet数的优点。
49.本发明不限于上述实施例，还包含各种变形例。上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而进行的详细说明，并不一定限定于具备所说明的所有构成。另外，也可以将一个实施例的构成的一部分置换为其他实施例的构成。另外，也可以在一个实施例的构成中添加其他实施例的构成。另外，对于各实施例的构成的一部分，也可以追加、删除、置换其他的构成。例如，在上述的实施例1、2中，以五相马达的情况为例进行了说明，但也可以是具备其他多相的马达。但是，在三相马达的情况下，如果一相发生了故障，则不能以星形联结驱动马达，需要通过其他的逆变器驱动中性点，因此优选四相以上的马达。符号说明
50.1：五相马达，2、21：五相逆变器，3、31：中性点切换部，4：(第1)中性点，5：(第2)中性点，61、62：栅极驱动器组，63、64：栅极驱动器，m11～m12：第1mosfet组(五相逆变器的上臂)，m21～m25：第2mosfet组(五相逆变器的下臂)，m33～m35、m3a～m3c：第3mosfet组(再生
电流防止用)，m41～m45、m4a～m4c：第4mosfet组(形成第1中性点)，m51～m55、m5a～m5c：第5mosfet组(形成第2中性点)，w1～w5：线圈。