CN111867919A

CN111867919A - 辅助电机的功率逆变器发生短路故障时补偿制动转矩的方法

Info

Publication number: CN111867919A
Application number: CN201980014778.9A
Authority: CN
Inventors: 阿诺·布歇
Original assignee: JTEKT Europe SAS
Current assignee: JTEKT Europe SAS
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-10-30
Also published as: BR112020016610A2; DE112019000939T5; JP2021515511A; FR3078050B1; FR3078050A1; US20200398890A1; US11618499B2; JP7322043B2; WO2019162622A1

Abstract

本发明公开了一种用于在辅助电机的相位(U、V、W)和向所述辅助电机(2)供电的逆变器(1)的电线(16)之间检测到短路型故障时驱动车辆动力转向系统的方法，所述动力转向系统包括方向盘和所述逆变器(1)，特征在于所述方法包括：配置步骤，用于确定所述辅助电机(2)的磁场的可控区域(ZC)和不可控区域(ZNC)；补偿步骤，用于补偿所述可控区域中的空间平均制动转矩。

Description

辅助电机的功率逆变器发生短路故障时补偿制动转矩的方法

技术领域

本发明涉及车辆的动力转向系统领域，并且更具体地涉及一种在辅助电机的相位和逆变器的电源线之间发生短路型故障时驱动动力转向系统的方法。

背景技术

车辆动力转向系统的目的是使驾驶员通过在方向盘上施加力来控制车辆轨迹。

一般来说，转向系统由若干元件组成，包括连接到转向柱的所述方向盘、齿条和两个均连接至杆的车轮。齿条是使方向盘通过转向柱与车轮通过杆连接的部件；也就是说，齿条将驾驶员施加在方向盘上的力转化为车辆车轮的旋转。

车辆中的电动助力转向系统使用由转向计算机驱动的辅助电机，以减少驾驶员在方向盘上转动车辆车轮所需的力。根据施加在方向盘上的力，即方向盘转矩，辅助电机在齿条上施加辅助力，即电机转矩，从而使车轮转动。

随后，在以下描述中，将认为辅助电机是三相同步电机，其具有由分别由U、V和W表示的三相供电的励磁转子或永磁体。

逆变器包含三条电源线，与逆变器接地相关的电线的每一部分都将被视为“低压侧”，而与逆变器供电相关的电线的每一部分将被视为“高压侧”。根据本领域技术人员已知的图，每条电线在“低压侧”部分包括的MOSFET类型的第一开关单元，称为“低压侧”，在“高压侧”部分包括MOSFET类型的第二开关单元，称为“高压侧”。

辅助电机的各相由逆变器的电线提供。更具体地说，每相连接到“低压侧”开关单元和“高压侧”开关单元之间的电线。

逆变器确定辅助电机的旋转方向、速度和电机转矩。

在动力转向系统的运行过程中，可能会在辅助电机的某一相和逆变器的某一电线之间出现短路型故障。通常，这种类型的故障出现在开关单元发生故障时。

当在动力转向系统中检测到短路型故障时，辅助电机将不再由处于停用状态(即，所有开关单元不再受电压影响的状态)的逆变器驱动。

然后，在电机旋转过程中，由电动势力引起的电流产生，导致辅助电机层面的制动转矩。因此，通过增加驾驶员转动方向盘所需的力，制动转矩与方向盘的旋转相反。因此，驾驶员将具有类似于方向盘阻挡的感觉。

供应商通过在辅助电机的相位上增加一个开路电路来防止所述制动转矩的产生。路电路主要由机电式或静态继电器组成，这增加了动力转向的成本、体积和接地。此外，这些附加继电器增加了材料故障的风险，因此降低了动力转向系统的整体可靠性。

发明内容

本发明的目的是补救所有或部分上述缺点，提出一种用于在辅助电机的相位和向辅助电机供电的逆变器的电线之间检测到短路型故障时驱动车辆动力转向系统的方法，所述动力转向系统包括方向盘和逆变器，其特征在于其包括：

配置步骤，用于确定所述辅助电机的磁场的可控区域和不可控区域，

补偿步骤，用于补偿所述可控区域中的空间平均制动转矩。

连接到逆变器的辅助电机包括三相。短路故障会使辅助电机的相位与逆变器电线的“低压侧”或“高压侧”部分接触。因此，与故障有关的相位不再能够确保辅助电机的正常供电，也就是说，不能再对所述相位进行监控，从而为辅助电机产生均匀的磁场。但是，两个相位续正常运行。

因此，短路型故障导致无法在全电周期时监控辅助电机的磁场。然后可以在电周期中定义可控区域和不可控区域，该电周期的特征在于电角，其取决于短路相位、短路的“低压侧”或“高压侧”部分、辅助电机的方向和转速。

配置步骤通过输出信号传输可控区域和不可控区域的特性。

此外，由于在辅助电机旋转期间产生的电动势而引起的短路型故障引起制动转矩。

空间平均制动转矩是指在电周期中平均施加在辅助电机上的制动转矩。更一般地，空间平均量被定义为辅助电机在电周期中的平均电量。这些空间平均值仅在辅助电机旋转时才有意义。

因此，该方法包括以平均电机转矩驱动辅助电机，以便在可控区域上提供严格大于在非可控区域上施加的制动转矩的平均电机转矩。在可控区域上，平均电机转矩大于或等于正常情况下根据方向盘转矩施加的平均电机转矩，方向盘转矩加上了估计的空间平均制动转矩。在不可控区域，只施加制动转矩。

估计的空间平均制动转矩可以具有固定值或可变值，这取决于动力转向系统是否包括开环监控或闭环监控。

在开环监控的情况下，估计的空间平均制动转矩被假定为恒定值，例如它可以基本对应于可施加于辅助电机的空间平均制动转矩的最大值。事实上，当估计的空间平均制动转矩固定时，额外的平均电机转矩(对应于假定为恒定的空间平均制动转矩与实际空间平均制动转矩之间的差)将通过实际空间平均制动转矩的组合以及与运动相反的齿条作用力而在随后的不可控制区域中部分耗散

在闭环监控的情况下，根据相电流和电角的测量值计算出估算的空间制动转矩当计算空间平均制动转矩时，在可控制区域上提供的平均电机转矩至少等于施加在不可控制区域上的制动转矩。

因此，电机转矩以及因此方向盘转矩在电周期时不是均匀的，而是在可控制区域和不可控制区域之间显示出变化。然而，利用所描述的方法，驾驶员不会感觉到方向盘阻挡的印象。然后，驾驶员可以在进行维修之前将车辆置于保证其安全的位置。

根据本发明的一个特征，该方法包括将方向盘的旋转方向与辅助电机的旋转方向进行比较的激活步骤。

“短路”型故障会使辅助电机的正常运行退化，辅助电机无法再自动从静态状态过渡到旋转状态。辅助电机必须通过驾驶员转动方向盘或车辆自然回位来“启动”，也就是说，进入旋转状态。在辅助电机低转速时，空间平均制动转矩很低，对驾驶员不敏感。

激活步骤确认方向盘的旋转方向与辅助电机的旋转方向相同，以授权执行补偿步骤。

因此，仅当辅助电机已经在与方向盘的旋转方向相同的方向上旋转以支持驾驶员的转向意图时才执行补偿步骤。

根据本发明的特征，激活步骤将方向盘转矩和/或辅助电机的速度与预定阈值进行比较。

该方法在可控制区域和不可控制区域之间引起电机转矩以及因此方向盘转矩的变化。然而，在高方向盘转矩和/或在辅助电机的高速时，即大于预定阈值时，减小了方向盘转矩感觉的变化。实际上，方向盘转矩感觉的变化频率与辅助电机的转速成正比。

此外，通过动力转向系统的减速系统以及动力转向系统的某些元件的固有扭转来减小感觉到的方向盘转矩的变化。增加辅助电机的极对数、降低动力转向系统的刚度或增加减速比是改善方向盘转矩均匀感觉的有利参数。

因此，通过考虑辅助电机的一个相位与逆变器的电线短路、其他相位和其他电线正常工作，该方法保证了感觉到的方向盘转矩基本上是均匀的。当估计的空间制动转矩可变时，感受到的方向盘转矩更均匀。

根据本发明的特征，配置步骤确定不受故障影响的辅助电机的两个相位。

因此，在短路型故障的情况下，该方法采用相同的策略，根据故障的特征，即故障相位和电线部分，采用不同的配置参数。

根据本发明的特征，补偿步骤包括：

检测辅助电机相对于可控区域的相对电位置的阶段，

根据测量的方向盘转矩确定空间平均电机转矩的阶段，

将空间平均电机转矩转换为瞬时电机转矩的阶段，

控制辅助电机相电流的阶段。

检测阶段接收测量的电角、测量的辅助电机的转速以及相对于由配置步骤确定的相对于可控区域和不可控区域的数据作为输入。

优选地，检测阶段确定辅助电机相对于可控制区域的入口的无符号电位置。

检测阶段还根据辅助电机的旋转方向限定方向盘转矩的方向，该方向盘转矩的方向可用于开关要采用的逆变器。

我们称逆变器开关为逆变器的六个开关单元的一组位置。开关单元可以处于断开或闭合位置。

确定阶段使得可以根据所测量的转向转矩来估计要施加在辅助电机上的空间平均电机转矩。

转换阶段接收空间平均电机转矩和辅助电机的相对电位置作为输入，以便确定要施加在辅助电机上的瞬时电机转矩。

最后，控制阶段接收瞬时电机转矩、辅助转矩的方向以及未因故障而退化的辅助电机的相位，从而经由两个功能阶段来控制辅助电机。控制阶段的作用是通过对Park/Clarke参考标记中的电流进行矢量监控来再现可控区域中瞬时电机转矩的分布，这对本领域技术人员是已知的。

根据本发明的一个特征，检测阶段触发用于确定空间平均电机转矩的阶段的实施。

因此，检测阶段允许每次辅助电机进入可控区域时执行确定步骤。

根据本发明的一个特征，转换阶段实现根据辅助电机相对于可控区域的相对电位置表示瞬时电机转矩的设定点曲线。

因此，瞬时电机转矩具有取决于辅助电机相对于可控区域的相对电位置的分布。该分布可以遵循例如以可控区域为中心的利基曲线或半正弦曲线。

设定点曲线是可调节的，以便集成在可控区域中的瞬时电机转矩等于空间平均电机转矩。

根据本发明的一个特征，控制阶段相继使用称为“失活的逆变器开关”的开关、第一开关组和第二开关组来执行相电流的矢量监控。

当辅助电机进入非控制区域时，逆变器开关单元进入与逆变器停用开关相对应的状态，也就是说，所有开关单元都处于断开状态。

当辅助电机进入可控区域时，根据故障情况，逆变器的开关单元依次进入两种可能的状态。

根据本发明的一个特征，驱动方法包括估计由不可控区域中的故障引起的空间平均制动转矩的步骤。

由不可控区域中的故障引起的空间平均制动转矩是实际空间平均制动转矩。

因此，在闭环监控的情况下，估计的空间平均制动转矩是根据可用相位的电流、电角和辅助电机的转速计算的。估计的空间平均制动转矩是可变的，并且基本上等于实际空间平均制动转矩。

根据本发明的一个特征，确定阶段使用在估计步骤期间估计的空间平均制动转矩来确定空间平均电机转矩。

然后，在补偿步骤中，在估计步骤期间估计的空间平均制动转矩在可控区域内通过电周期平均得到补偿。

附图说明

通过以下描述，将更好地理解本发明，该描述涉及根据本发明的实施例，其通过非限制性示例给出并参考所附示意图进行了解释，其中：

图1是根据本发明的方法的示意图；

图2是连接到具有短路型故障的辅助电机的无驱动逆变器的等效图；

图3是根据短路类故障和辅助转矩方向的辅助电机的可控制区域和不可控制区域的示意图；

图4是根据辅助电机相对于可控区域的相对电位置表示瞬时电机转矩的设定点曲线的示意图；

图5表示逆变器的开关表。

具体实施方式

图2所示为将逆变器1连接到车辆电动助力转向系统中的辅助电机2的电气图。

逆变器1是由包括接地部分12和供电部分13的直流发电机11供电的电子设备，使得可以提供三相交流电。

逆变器1包括平行布置在发电机11的接地部分12和发电机11的供电部分13之间的三条电线14、15、16。每条电线14、15、16包括“低压侧”开关单元117、118、119，即连接到发电机11的接地部分12的开关单元，以及“高压侧”开关单元17、18、19，即连接到发电机11的供电部分13的开关单元。开关单元17、18、19、117、118、119是MOSFET类型的。因此，逆变器1包括三个“低压侧”开关单元117、118、119和三个“高压侧”开关单元17、18、19。

每条电线14、15、16在“低压侧”开关单元117、118、119和“高压侧”开关单元17、18、19之间包括相线U、V、W。因此存在三条相线U、V、W。

每条相线U、V、W为辅助电机2的线圈28、27、29供电。

在正常操作中，在相线U、V、W中流动的电流产生旋转磁场，该旋转磁场确定辅助电机2的转子200的旋转方向、转速和电机转矩。

可以任意限定正方向和负方向。在说明书的其余部分中，正方向对应于三角方向。

在图2中，连接到相线U的“低压侧”开关单元119有缺陷，导致发电机11的相线U和接地部分12之间发生逆变器1的短路型故障。短路开关单元处于闭合位置。相线V和W仍然起作用，但相线U则不起作用。

在存在短路型故障的情况下，通过转子200的旋转产生电动势，从而在辅助电机2层面处产生制动转矩。

根据缺陷相线U、辅助电机2的速度和旋转方向以及短路逆变器11的接地12或电源13部分，可以确定辅助电机2的电周期、可控区域ZC和不可控区域ZNC。

不可控区域ZNC对应于电动势产生制动转矩的电角。

可控区域ZC对应于1次电周期减去不可控区ZNC的电角。相对于确定的线圈27、28、29限定与可控区域ZC的角位置Z_c相对应的可控区域ZC的输入角位置和出口角位置Z_c。在图3中，相对于由相线U供电的线圈27确定角位置。优选地，相对于由缺陷相线供电的线圈确定角位置。

如在图3中可以看到的，存在第一不可控区域25，其对应于当辅助电机2在正方向上进行辅助时相线U与接地部分12的短路，并且对应于当辅助电机2在负方向上进行辅助时相线U与供电部分13之间的短路。

存在第二不可控区域22，其对应于当辅助电机2在负方向上进行辅助时相线U与接地部分12的短路，并且对应于当辅助电机2在正方向上进行辅助时相线U与供电部分13之间的短路。

存在第三不可控区域24，其对应于当辅助电机2在正方向上进行辅助时相线V与接地部分12的短路，并且对应于当辅助电机2在负方向上进行辅助时相线V与供电部分13之间的短路。

存在第四不可控区域21，其对应于当辅助电机2在负方向上进行辅助时相线V与接地部分12的短路，并且对应于当辅助电机2在正方向上进行辅助时相线V与供电部分13之间的短路。

存在第五不可控区域26，其对应于当辅助电机2在正方向上进行辅助时相线W与接地部分12的短路，并且对应于当辅助电机2在负方向上进行辅助时相线W与供电部分13之间的短路。

最后，存在第六不可控区域23，其对应于当辅助电机2在负方向上进行辅助时相线W与接地部分12的短路，并且对应于当辅助电机2在正方向上进行辅助时相线W与供电部分13之间的短路。

当辅助电机2的转速为零时，不可控区域21、22、23、24、25、26的角度等于60°的电角。因此，可控区域ZC对应于辅助电机2的1次电周期减去对应于不可控区域ZNC的角度，即300°。

随着辅助电机2的转速增加，不可控区域ZNC的角度增加。

在不可控制区域ZNC中产生的制动转矩的总值和在不可控制区域ZNC中的分布取决于辅助电机2的转速。

因此，当辅助电机2处于相U与接地部分12短路的情况下，并且在闭环监控的情况下，如图1所示的根据本发明的方法允许在在配置步骤中限定特定于相线U和短路部分12的配置参数Z_c，φ。配置参数Z_c，φ尤其是可控区域ZC以及两个功能相线φ的输入和出口角位置Z_c。

在闭环监控中，估计步骤接收辅助电机2的转速V_m、电机的测量电角α_m以及与每个功能相线V、W上可用的相电流有关的信息作为输入。

因此，估计步骤确定由电动势施加在不可控制区域ZNC上的估计空间平均制动转矩C_fm。也就是说，估计步骤根据转速计算在随后的可控区域ZC中提供的转矩的最小值，以抵消施加在随后的非可控区域ZNC中的制动转矩。

根据本发明的方法执行激活步骤，接收辅助电机2的转速V_m和测量的方向盘转矩C_vm作为输入。

当测量的方向盘转矩C_vm和辅助电机2的转速V_m大于预定值，例如测量的转向轮转矩C_vm为5N.m，辅助电机2的转速V_m为50rpm，并且它们在同一方向上时，激活步骤允许激活补偿空间平均制动转矩的步骤。为此，激活步骤将发送激活信号。当不满足条件时，也就是说，当没有发出激活信号时，激活步骤不再驱动逆变器1，该逆变器然后处于停用状态，称为失活的逆变器开关。该激活步骤还可以接收在每个功能相线V、W上可用的相电流。

补偿步骤包括检测阶段、确定阶段、转换阶段和控制阶段。

检测阶段接收在配置步骤期间确定的辅助电机2的测量的电角α_m和转速Vm以及可控制区域ZC的输入和出口角度位置Z_c作为输入。

检测阶段确定相对于可控区域ZC的输入的电机2的相对电位置α_r(无符号)，还根据辅助电机2的旋转方向限定功能相线V、W的辅助转矩R的方向。

最后，检测阶段通过激活信号e，在每次电周期时激活确定阶段的实现。

确定阶段接收检测阶段的激活信号e、测量的方向盘转矩C_vm和估计的空间平均制动转矩C_fm作为输入。

确定阶段计算要施加在可控区域ZC上的平均电机转矩Cmm，以保持驾驶员可接受的转向转矩。确定阶段将无故障情况下测量的方向盘转矩C_vm考虑在内，并补偿估计的空间平均制动转矩C_fm。

转换阶段根据辅助电机2的相对电位置α_r将要施加在可控区域ZC上的平均电机转矩C_mm转换成瞬时电机转矩C_mi。平均电机转矩C_mm等于可控区域ZC上瞬时电机转矩C_mi的积分。根据图4所示的设定点曲线，平均电机转矩C_mm分布在可控制区域ZC的范围内(在我们的情况下为0°至300°)。不可控制区域ZNC对应于在300°至360°范围内的电角。

控制阶段接收辅助电机的辅助转矩R的方向、两个功能相线V、W和电机瞬时转矩C_mi，以便根据图5表示的开关表，通过逆变器1控制辅助电机2的两个功能相线V、W。

取决于激活信号和故障开关单元，逆变器可能有21种开关。

开关确定逆变器的每个开关单元的位置。

例如，开关C31限定相线U的“低压侧”开关单元处于闭合位置，相线U的“高压侧”开关单元处于断开位置，即“低压侧”相线V的开关单元处于关闭位置，相线V的“高压侧”开关单元处于断开位置，相线W的“低压侧”开关单元处于闭合位置，相线W的“高压侧”开关单元处于断开位置。

失活的开关逆变器是无源开关C0，其中6个开关单元处于断开位置。在不可控区域中，逆变器处于失活的开关逆变器状态。

在可控区域中，逆变器连续位于2个可能的有源开关中。

对于如图2所示的故障，也就是说，由于使相线U与接地部分12短路而引起的故障，相线U的“低压侧”开关单元闭合。因此，可以使用有源开关C31、C34、C35、C36、C205、C206、C209、C210中的一个来控制逆变器，即相线U的“低压侧”开关单元119处于闭合位置的有源开关。

此外，当相线U与供电部分13短路时，可能存在与可用开关相对应的“有源”开关C32、C33、C37、C38、C207、C208、C211、C212。

当相线U与接地部分12短路时，可能存在与可用开关相对应的“有源”开关C31、C32、C36、C37、C201、C202、C210、C212。

当相线V与供电部分13短路时，可能存在与可用开关相对应的“有源”开关C33、C34、C35、C38、C203、C204、C209、C211。

此外，当相线W与接地部分12短路时，可能存在与可用开关相对应的“有源”开关C31、C32、C33、C34、C201、C203、C205、C207。

此外，当相线W与供电部分13短路时，可能存在与可用开关相对应的“有源”开关C35、C36、C37、C38、C202、C204、C206、C208。

当激活信号发出时的每个电周期，逆变器依次将使用全部或部分8个控制开关在可控区域内经过监控阶段，在与开关C0对应的不可控制区域中经过无源阶段。

当然，本发明不限于在附图中描述和表示的实施例。仍然可以进行修改，特别是从各种元件的构成角度或通过替代技术等效物的方式进行修改，而不因此偏离本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于在辅助电机(2)的相位(U、V、W)和向所述辅助电机(2)供电的逆变器(1)的电线(14、15、16)之间检测到短路型故障时驱动车辆动力转向系统的方法，所述动力转向系统包括方向盘和所述逆变器(1)，特征在于所述方法包括：

配置步骤，用于确定所述辅助电机(2)的磁场的可控区域(ZC)和不可控区域(ZNC)，

补偿步骤，用于补偿所述可控区域中的空间平均制动转矩，所述补偿步骤包括：

检测所述辅助电机相对于所述可控区域(ZC)的相对电位置(α_r)的阶段，

根据测量的方向盘转矩(C_vm)确定空间平均电机转矩(C_mm)的阶段，

将所述空间平均电机转矩(C_mm)转换为瞬时电机转矩(C_mi)的阶段，

控制所述辅助电机(2)的相电流的阶段。

2.根据权利要求1所述的驱动方法，包括激活步骤，用于将所述方向盘的旋转方向与所述辅助电机(2)的旋转方向进行比较。

3.根据权利要求2所述的驱动方法，其中所述激活步骤将方向盘转矩(C_vm)和/或辅助电机的速度(V_m)与预定阈值进行比较。

4.根据前述权利要求中任一项所述的驱动方法，其中所述配置步骤确定不受故障影响的所述辅助电机(2)的两个相位(φ)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的驱动方法，其中所述检测阶段触发用于确定空间平均电机转矩(C_mm)的阶段的实施。

6.根据前述权利要求中任一项所述的驱动方法，其中所述转换阶段实现根据所述辅助电机相对于所述可控区域(ZC)的相对电位置(α_r)表示所述瞬时电机转矩(C_mi)的设定点曲线。

7.根据前述权利要求中任一项所述的驱动方法，其中所述控制阶段相继使用称为“失活的逆变器开关”的开关(C0)、第一开关组和第二开关组来执行相电流的矢量监控。

8.根据前述权利要求中任一项所述的驱动方法，包括估计由所述不可控区域中的故障引起的空间平均制动转矩的步骤。

9.根据权利要求8所述的驱动方法，其中所述确定阶段使用在估计步骤期间估计的空间平均制动转矩(C_fm)来确定所述空间平均电机转矩(C_mm)。