用于致动机电机动车辆转向系统的电动机的具有短路保护的电子控制装置

说明书

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于致动机电机动车辆转向系统的电动机的具有短路保护的电子控制装置。

用于致动电动机的具有短路保护的电子控制装置表现出保护机制，以便在控制装置内发生短路的情况下将控制装置与连接的电源隔离。如果控制装置正由独立于电网的移动电源——例如，诸如电池——馈电，则这种保护机制特别有利。在机动车辆的控制单元中——例如，在机电机动车辆转向系统的控制装置中——的短路可能会导致车辆电池的电压降，并且可能在短时间内使车辆电池放电至使得车辆的电气系统的其他电气部件可能不再正常操作的程度。

用于致动机电机动车辆转向系统的电动机的电子控制装置通常表现出：用于为采用三相电机形式的电动机供电的三相逆变器，以及与三相逆变器并联连接以便为逆变器的快速波动的电流需求而提供的至少一个充电电容器。控制装置中的短路的主要原因是正在逆变器中使用的开关元件或在充电电容器中的故障，因此导致这些部件起低阻抗电阻器(通常在仅几毫欧的范围内)一样的作用，这导致在车辆电池的极点之间建立直接连接。为了防止车辆电池的电压降和放电，控制装置因此应该能够检测到这些故障并对这些故障作出反应。

为此，众所周知，为逆变器的致动而提供的集成电路——栅极驱动器单元(GDU)——表现出对在漏电极与源电极之间的开关元件处产生的电压降的内置监测。然而，这种监测并不像应有的那样准确和可靠，特别是在高性能电子器件的领域中，因为在该领域中用作开关元件的MOSFET表现出几毫欧的范围内的导通电阻和寄生线电阻，以及产生在各个相之间的差，这影响测量的结果。另外，这种类型的监测不提供任何对充电电容器中的短路的保护，因为无法检测到这些短路。

从DE 10 2014 114 716 A1，已知一种用于电源电流的监测装置，用于监测电动机的驱动电路中的电源电流的强度。监测装置表现出故障确定器和电源继电器控制器。故障确定器基于电源电流流过的分流电阻器两端的电压来确定是否发生短路故障。电源继电器控制器打开和关闭电源继电器，以便将逆变器与电源路径隔离和将逆变器连接至电源路径。为了消除例如由于瞬态开关触点由短路或由噪声而导致的检测故障，执行循环监测过程，在该过程中一旦过流条件已经被显示出来，则电源继电器就反复接通和断开。这种监测装置的不利方面是，对电源路径中的电流的测量会导致欧姆损耗并且不允许区分短路的各种原因。

因此，本发明的目的是详细说明一种用于致动电动机的电子控制装置，所述装置具有改进的短路保护。

该目的通过具有权利要求1的特征的电子控制装置来实现。

通过这种方式，为机电机动车辆转向系统的电动机创建电子控制装置，该电子控制装置的短路保护基于对流过与逆变器并联连接的至少一个电容器的电流的评估。因此，电流测量装置与至少一个电容器串联并与逆变器并联布置。本发明的基本概念是在控制装置的正常操作中流过电容器的电流是纹波电流，该电流的频率取决于在逆变器中使用的开关元件的开关频率。在正常操作中，所测量的电流的直流分量几乎为零。然而，在短路的情况下，具体地，当电容器导致短路时和当逆变器的开关元件导致短路时，均产生所测量的电流的直流分量。因此，可以经由流过电容器的电流的直流分量可靠地检测到功率模块中的故障状况，而不管原因如何。例如，当直流分量偏离可预定的容差区间时，可以由电流测量装置输出短路故障信号。

此外，通过根据本发明的与逆变器并联的电流测量装置的布置，确保在正常操作中仅用于供应电动机的功率电流的一小部分流过测量装置，使得降低了控制装置的欧姆损耗。

另外，根据本发明的测量装置允许基于直流分量的方向来相互区分上述两种短路的原因。在至少一个电容器中的短路的情况下，电容器的充电电流不受阻碍地通过电容器，而在逆变器的故障的开关元件的情况下，短路导致电容器中的放电电流。因此，电流测量装置优选地被设计成输出包含直流分量的方向的短路故障信号。在这种情况下，可以利用短路故障信号进行有区别的故障诊断。

控制单元优选地包含用于存储短路故障信号的存储器。在将电子控制装置与电源隔离之后，然后可以读出存储器，以便能够甚至追溯地确定短路的原因。

可以从以下描述和从属权利要求中收集本发明的其他配置。

下面将参考附图中表示的示例性实施方式更详细地阐明本发明。

图1在框图中示意性地示出了根据本发明的电子控制装置的结构，以及

图2在框图中，以更详细的形式示意性地示出了根据图1的电子控制装置的结构。

在图1中，示意性地表示了根据本发明的示例性实施方式的用于致动机电机动车辆转向系统的电动机的具有短路保护的电子控制装置的结构。控制装置可以采用例如单独的控制装置或集成至电动机中的控制装置的形式。

电子控制装置10包括开关装置2、功率模块3、电流测量装置4和控制单元5。电子控制装置10经由开关装置2连接至电源1。在控制装置10内，将功率模块3耦接至开关装置2。电动机33(参见图2)能够耦接至功率模块3以用于对所述电机的电力供应。功率模块3包含逆变器31以及与逆变器31并联连接的至少一个电容器30(参见图2)。将电流测量装置4连接至功率模块3，该电流测量装置4被设计成根据功率模块3中产生的电流的强度输出短路故障信号。将用于控制开关装置2的控制单元5连接至电流测量装置4，该控制单元5被设计成在接收到短路故障信号时通过开关装置2触发功率模块3与电源1的隔离。电流测量装置4还被设计成测量流过电容器30的电流并且基于测量的电流的直流分量输出短路故障信号。如在图1中所表示的，开关装置2的控制可以由控制单元5进行，优选地在驱动电路6的帮助下进行。

如在图2中所表示的，电子控制装置10连接在例如电源1优选地诸如车辆电池的DC电压源与优选地多相电动机33之间，该多相电动机33将被致动并且作为机电机动车辆转向系统的一部分，用于辅助驾驶员的转向运动。电源1经由开关装置2连接至耦接电动机33的功率模块3。开关装置2可以优选地包含至少两个串联连接的半导体开关元件，这些半导体开关元件经由驱动电路6致动。然而，开关装置2也可以替选地例如采用开关继电器的形式。

除了至少一个电容器30和逆变器31之外，功率模块3还包括致动逆变器31的开关元件的栅极驱动器单元(GDU)32。半导体开关元件——特别是，MOSFET或IGBT——优选地被提供作为开关元件。

至少一个电容器30用作用于平滑施加至逆变器31的输入电压的充电电容器。因此，电容器30可以补偿逆变器的波动电流需求。为了测量流过电容器30的电流，电流测量装置4与电容器30串联布置。电流测量装置4优选地包括电流测量单元41，其将要测量的电流转换为电压信号。例如，电流测量单元41可以被设计成确定与电容器30串联连接的分流电阻器处的电压降。替选地，电流测量单元还可以通过其他测量原理，例如经由由要测量的电流产生的磁场来确定流过电容器的电流。

电流测量装置4优选地还包括用于确定要测量的电流的直流分量的低通滤波器40。低通滤波器40滤除由于电动机33的致动而在电容器30中流动的纹波电流的交流分量。由于流过电容器30的电流在正常操作中几乎没有表现出直流分量，因此低通滤波器40的输出信号位于零附近的容差内。低通滤波器40优选地是具有DC电压校正的有源低通滤波器。可以通过施加可调偏移电压来进行DC电压校正，在正常操作中低通滤波器40的输出信号已经由该可调偏移电压基本上校准为零。

如在图2中所表示的，低通滤波器40的输出信号可以被供应至测量装置4的窗口比较器42，如果该输出信号位于可预定的容差区间之外，则该窗口比较器42输出短路故障信号。短路故障信号随后可以被馈送至由微控制器50控制的控制单元5的D触发器51。在D触发器的帮助下，短路故障信号可以被存储为故障状况。如果在电容器30处测量的电流以及因此短路故障信号在开关装置2已经被断开(switch off)之后不复存在，则为了防止开关装置2再次被接通(switch on)，这是有利的。

由于在控制单元5中对短路故障信号的处理，另外可以将预期的短路故障信号与实际的短路故障区分开，以避免错误地打开开关装置2。如果电容器30第一次被充电，例如在点火装置被接通时，则电流测量装置4确定流过电容器30的直流分量，其并不是基于短路故障而建立的。因此，微控制器50可以仅在控制装置10已经接通之后以接通延迟优先地激活D触发器。

根据未表示的示例性实施方式，控制单元可以另外包含用于存储短路故障信号的存储器。该存储器优选地采用非易失性存储器的形式，该非易失性存储器可以被读出，例如用于控制装置的维护和/或修理。此外，如果短路故障信号包含直流分量的方向，这是有利的。在这种情况下，通过对短路故障信号的评估，可以获得关于导致短路故障的分量的诊断信息。

如在图2中所表示的，基于控制单元5的输出信号，开关装置2经由驱动电路6致动，以便将功率模块3与电源1隔离。为此，驱动电路6优选地包括：高侧栅极驱动器61，其被设计成即使欠载(under load)也将功率模块3与电源1隔离；以及升压转换器60，其用于向高侧栅极驱动器61供应开关装置2所需的开关电压。

在电子控制装置10的操作期间，监测过程因此被连续地执行，在该监测过程中电流测量装置4监测流过电容器30的电流的直流分量，如果直流分量偏离预定的容差区间，则电流测量装置4向控制单元5输出短路故障信号，并且控制单元5在接收到短路故障信号时触发开关装置2以用于将功率模块3与电源1隔离。随后，将故障的功率模块3与电源隔离，使得防止了电源1的电压降，并且其他负载可以继续在电源1处正常操作。控制装置5优先地将短路故障信号的出现存储为故障状况，以防止开关装置2在短路故障信号不复存在之后被再次接通。

参考符号的列表

1 电源

2 开关装置

3 功率模块

4 电流测量装置

5 控制单元

6 驱动电路

30 电容器

31 逆变器

32 栅极驱动器单元(GDU)

33 电动机

40 低通滤波器

41 电流测量单元

42 窗口比较器

50 微控制器

51 D触发器

60 升压转换器

61 高侧栅极驱动器