专利名称：电动机驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有多相的电动机的驱动电路，尤其但是非排它地涉及用于电动辅助驾驶(EPAS)系统的电动机的驱动电路。
技术背景电动辅助驾驶系统在现有技术中是熟知的。由电动机产生的功率 用于沿着和车辆驾驶员转动驾驶盘产生的被检测的控制转矩相同的方向在驾驶杆中产生辅助转矩。例如，齿轮箱可以提供电动机和驾驶 杆轴之间的连接，或者直接置于构成驾驶机构的支架和小齿轮机构的 一部分上。借助于施加相同意义的辅助转矩，电动机用于帮助驾驶员对驾驶 机构施加转矩，从而使得例如在停车操纵期间比较容易地转动驾驶 盘。因而，电动机的操作可以帮助转动驾驶杆轴，或者帮助运动驾驶 架机构的一部分。当然，电动机可被连接到任何典型的驾驶机构的任 何部分上，只要其可以提供辅助转矩，以便帮助驾驶员转动驾驶盘。用于EPAS系统的一种典型的永磁体电动机包括例如包括永磁 体的磁性转子，以及包括磁轭上的多个相绕组的定子。在每个相绕组 的两端施加合适的电压而引起电流流过这些绕组，从而在定子和转子 之间的气隙中产生电流通量矢量。这个通量和转子的磁场相互作用， 从而使转子朝向平衡点转动，在所述平衡点，电流矢量和转子磁场的 轴线对准。为了使电动机不停地转动，通过绕组的电流必须按照一种顺序被 改变。这使得电流矢量旋转。这可以通过在电动机驱动电路的控制下 调制每个绕组两端的电压来实现。电动机可以由包括驱动电路的电动机控制装置控制，所述驱动电路通过操作用于从电源向电动机的相绕组提供电流。在一种结构中， 每一相通过上部晶体管被连接到电源的正端，通过下部晶体管被连接 到负端，这两个晶体管限定多臂桥的一个臂。这个桥构成驱动电路， 同时由微处理器或类似装置提供控制电路。该微处理器响应来自提供在驾驶杆上用于测量由驾驶员施加的 转矩的转矩传感器的信号、来自提供关于电动机速度和方向的电动机 转子位置传感器的信号、以及可选择地对应于电动机桥或电源中流过 的电流的信号而工作。这个信息可以和转矩传感器信号和/或杆位置传 感器信号组合使用，以便确定哪一相绕组应当被激励以及何时被激 励。微处理器产生用于激励驱动电路的晶体管的控制信号以便使电流在所需的电动机的相中流动。这种驱动电路可以在>^开号为0857135 的欧洲专利申请中见到。在电动机中产生的转矩首先取决于通过绕组的电流，以一种基本 上线性的方式，其次取决于所述电流相对于由于转子磁体所产生的磁通的相位。EPAS系统所需的转矩随车辆的载重的增加而增加，并且这种系 统被安装在较大的车辆上。由多相无刷电动机产生的最大转矩主要取 决于电源电压。已知使用增压电路提高来自电池的电压。这种电路能 够使电压暂时地增加，使得施加到电动机相端子的实际电压高于基本 的电池电压。不过，因为较高的电压被驱动电路的桥斩波，需要更多 的屏蔽来防止驱动信号的电磁(EM)辐射。还已知提前驱动信号相对于转子位置的相位，以便增加由这种电 动机产生的转矩。不过，这使得电动机的效率降低。发明内容按照本发明的第一方面，提供一种用于具有多个相的电动机的驱 动电路，包括用于直流信号的输入和多个相输出，该电路被配置用于 在使用时在每个相输出提供电流到电动机的一相，其中提供用于每个 相输出的变换器，每个变换器被配置成接收一直流信号作为输入，并输出包括具有比输入到该变换器的直流信号的电压幅值高的电压幅 值的交流分量的信号。通过在每一相设置一个单独的变换器，可以把输入的直流信号单 独地变换成用于驱动电动机所需的升高的交流信号。这样，便不需要对升高的信号斩波，因而不再需要对电压进行升高而后进行斩波；我 们已经认识到，这两步可以在每相中的同一个变换器中进行，而不首 先升高电压。因而，本发明可以提供一种可以产生具有较少的电磁发 射的驱动信号的比较简单的更方便的驱动电路。每个变换器典型地包括开关，并且所述电路进一步可以包括控制 装置，被配置用于在使用时对每个变换器的开关施加控制信号。控制 装置可以被配置用于以一给定频率转换所述开关，并且可以改变这种 转换的占空比，以便产生所述交流分量。这是有利的，因为产生这种脉宽调制(PWM)的信号是简单的并且在现有技术中是熟知的。这和现 有技术形成对照，在现有技术中，PWM驱动信号被施加于电动机的相，因而由于具有急剧变化的边沿的波形的大电流驱动信号而导致强的EM发射。所述电路可被这样设置，使得在使用时，在每个相输出端输出的 信号包括直流偏移；这一般不涉及这样设置电动机的相，使得正是提供给每一相的电压的差异控制流过每相的电流，例如在星形绕法或三 角形绕法的情况那样。产生的直流偏移可以对于每相输出是相同的。 在另一种方案中，可以没有直流偏移。所述控制装置还可以包括用于表示要由电动机产生的转矩的数 量的转矩控制信号的输入端，并被设置用于响应转矩控制信号中的改 变而改变开关的转换的占空比，以便改变交流分量的幅值。每个变换器可以包括一个变换器。这些是特别有用的，因为这种变换器典型地可以产生比其输入更高的电压输出信号，而在输 入端或输出端不产生脉动。因此比斩波升高的直流信号有利得多，因 为较少的电噪声被产生并被返回直流电源。在汽车环境中这是重要 的，其中由同一个直流电源(即车辆电池或发电机)供电的元件可能对噪声是敏感的。因此这种驱动电路可以要求较少的电滤波； 一般为 了滤掉可能返回直流电源的任何噪声需要大的电容器。如同现有技术中熟知的那样，每个Cuk变换器可以包括和变换 器的输入端耦连的输入电感，和变换器的输出端耦连的输出电感，以 及被串联耦连在输入电感与输出电感之间的储能电容器。在一个优选 实施例中，。uk变换器还包括被串联耦连在输入电感和输出电感之间 的变压器。这优选地、有利地用于隔离变换器的输入端和输出端；在 使用中电动机的一相对地的短路电流将不再返回直流电源。当变压器具有被耦连到输入电感的输入绕组和被耦连到输出电 感的输出绕组时，变换器可以包括两个储能电容器， 一个耦连到输入 绕組， 一个耦连到输出绕组。输入和输出电感可被绕在一个公共铁心上。这能够使得在输入端 和输出端流动的电流中的脉动以所需的方式被平衡。此外，所述公共 铁心可以是变压器的铁心。利用这些手段，在使用中从直流电源汲取 的电流的脉动可被减小到相当低的水平或者实际上被减小到零。在其 上缠绕输入和输出电感的公共铁心的部分中可以具有间隙。公共铁心可以是两个平行的细长侧件、并带有两个在侧件的端部 对之间延伸的端部分支以及在侧件的中心连接侧件的中央分支的形 状。输出和输入电感可以围绕着端部分支缠绕，变压器绕组可以缠绕 在中央分支上。每个端部分支可以包括一个间隙。当所述驱动电路要用于三相电动机时，驱动电路最好包括三个相 输出和三个变换器。这是在EPAS系统电动机中最通常的布置。按照本发明的第二方面，提供一种电力辅助的驾驶(EPAS)系统， 包括直流电压源，具有多个相的电动机和按照本发明的第 一方面的驱 动电路，其中驱动电路在其输入端被连接到直流电压源，在其输出端 被连接到电动机的 一相。优选地，驱动电路具有每个电动机相一个相输出，每个相输出连 接到电动机的一相。典型地，电动机具有三个相，并且是永磁无刷交 流电动机。优选地，这种EPAS系统被安装在车辆中，直流电源是车辆电池。
下面仅以举例方式参照
本发明的实施例，其中图l表示带有按照本发明的驱动电路的电力辅助驾驶(EPAS)系统；图2表示在图1的驱动电路中使用的亡uk变换器； 图3表示由图1的变换器产生的波形；以及 图4表示围绕公共铁心的图2的Cuk变换器的电感器和变压器 的绕组。
具体实施方式
图l表示在用于车辆的EPAS系统内的驱动电路2。驱动电路2 具有输入端3，其从作为车辆电池4的直流电源汲取电流，还具有3 个输出端5a，5b和5c,它们提供合适的用于驱动三相电动机10的电 压。电动机10在操作上和车辆的驾驶机构(未示出)的一部分耦连， 以便以适当的方式对驾驶车辆提供帮助。当对电动机的三相中的每一相提供等效的装置时，这些装置由具 有表示相的下标a，b，c的相同的数字表示。所述驱动电路包括3个亡uk变换器6a，6b和6c，其中的每一个 被连接到输入端3，并和输出端5a，5b，5c之一相连。Cuk变换器还和 控制电路7相连，控制电路7由3个信号发生器8a，8b，8c产生一组控 制信号9a，9a，，9b，9b，，9c，9c，，它们被成对地施加于Cuk变换器。施加 于每个变换器的一对信号，即9a和9a，， 9b和9b，， 9c和9c，是互补 的，即当一个是高时，另一个是低。亡uk变换器在现有技术中是已知 的，它们的操作在公开号2006552的英国专利中被描述了。在附图的图2中示出了一个6uk变换器的结构。该变换器在总 体上用6表示。该变换器包括具有输入绕组14和输出绕组16的变压 器15。该变压器把变换器分成输入和输出两个部分。在输入侧上，变换器具有一组输入端子11,输入3和该端子相连。按照输入电感器 12、输入储能电容器13和变压器15的输入绕组14的一端的顺序提 供和第一输入端子lla的串联连接。输入绕组14的另一端和另一个 即第二输入端llb相连。开关17例如FET可控地连接和断开输入电感器和输入电容器与 第二输入端lib之间的连接。开关17的打开和闭合可以通过对输入 控制端18施加信号进行控制；在使用中信号9a，9b，9c之一被提供给 这个端子。在变换器的输出侧上，输出储能电容器19被连接在输出绕组16 的一端和输出电感器20的一端之间。输出电感器20的另 一端被连接 到第一输出端21a。不和电容器19相连的输出绕组的一端被连接到笫 二输出端21b;第一和第二输出端形成一组输出端21。输出开关23例如FET连接在输出电容器和输出电感器20之间 的节点22，用于选择性地使节点22和第二输出端相连。开关23可以 通过对控制端24施加控制信号而被控制。在使用中，信号9a，，9b，，9c， 中的一个被施加到这一端。滤波电容器25被跨接在输出端上，用于 对输出电压滤波。在使用中，直流电源被跨接在输入端11上， 一般是正电压被施 加于第一端子lla。开关17和23被这样控制，使得当一个打开时另 一个闭合。当输出开关23闭合(因而输入开关17断开)时，输入电 容器13通过变压器15的输入绕组14充电。这在输出绕组16中感应 电压，该电压对输出电容器19充电。当输入开关17闭合输出开关23断开时，输入电容器13通过输 入绕组14放电(沿着和充电相反的方向)，因而在输出绕组16产生 电压。当开关23闭合时，在输出绕组16中产生的电压以及输出电容 器19两端的电压共同作用而在输出电感器20中产生电流，因而对跨 接在输出端21上的负栽供电。当这些开关被反复地断开和闭合时， 输出电感器确保对负栽提供稳定的电流，输入电感器确保从直流电源 汲取稳、定的电流。9在另一个实施例中，输出开关可以由二极管替代，该二极管被偏置使得允许电流从与第二输出端21b相连的变压器的一端流到节点 22。因此该二极管只在开关17断开时导通。通过改变这些开关的占空比，即一个特定的开关的断开时间对其 闭合时间的比，在输出端产生的电压可被改变。因此这是对于这些开 关的控制信号的一种脉宽调制(PWM)的形式。利用这种变换器可以产 生基本上为正弦的波形，如附图中的图3所示的例子所示。三个迹线26a，26b，26c分别表示在驱动电路5a，5b，5c的输出端产 生的电压。可以看出，它们基本上呈正弦的形式，具有公共的直流偏 移27。这是必须的，因为亡uk变换器不能产生不同极性的电压，它 们或者是反相的或者是同相的。图2所示的亡uk变换器是同相变换器， 因为变压器的输出和输入绕组是反向绕制的。直流偏移27是无关紧要的。因为该电压将被施加于电动机10 的三个相上，只有被施加的电压的差异才是重要的。已知产生的信号 的正弦性质和公共直流偏移，所示的任何两个示例的信号之间的差都 是具有可能有的小的直流偏移的正弦信号。通过引入和输入电感器12或者输出电感器20串联连接的漏电 感，在电感器12和20中的波紋电流可被控制流向输入端或者输出端。 为了减少在输出或输入电压中的不希望的脉动，输入电感器12和输 出电感器20以及变压器15的绕组都被绕在一个公共的铁心上。附图 的图4示意地使出了这种结构。铁氧体材料制成的铁心28呈矩形的8 字形的形状，其限定两个側件29，具有用于把所述侧件连接在一起的 两个端部分支30和中央分支31。输入电感器12和输出电感器20被 形成为缠绕在每个端件上的导线线圏。在每个外部分支30中形成有 间隙32。变压器15被形成为两个绕组-输入绕组14和输出绕组16-它 们被缠绕在中央分支31上。因而，任何波紋电流趋于抵销，因而在 输入和输出电压中的不希望的脉动被减小，或许被消除。
权利要求
1. 一种用于具有多个相的电动机的驱动电路，包括用于直流信号的输入和多个相输出，该电路被配置用于在使用时在每个相输出提供电流到电动机的一相，其中提供用于每个相输出的变换器，每个变换器被配置成接收一个直流信号作为输入，并输出包括具有比输入到该变换器的直流信号的电压幅值高的电压幅值的交流分量的信号。
2. 如权利要求1所述的驱动电路，其中所述电路被配置成使得在 使用时由每相输出的信号包括直流偏移。
3. 如权利要求2所述的驱动电路，其中，在使用时，产生的直流 偏移对于每个相输出是相同的。
4. 如前面任一个权利要求所述的驱动电路，其中每个变换器包括 开关，并且所述电路进一步包括控制装置，被配置用于在使用时对每 个变换器的开关施加控制信号，所述控制装置被配置用于在使用时以 一给定频率转换所述开关，并且改变这种转换的占空比，以便产生交 流分量。
5. 如权利要求4所述的驱动电路，其中所述控制装置包括用于表 示将由电动机产生的转矩的数量的转矩控制信号的输入端，并被配置 用于响应转矩控制信号的改变而改变开关转换的占空比，以便改变交 流分量的幅值。
6. 如前面任一个权利要求所述的驱动电路，其中每个变换器包括 一个Cuk变换器。
7. 如权利要求6所述的驱动电路，其中每个6uk变换器包括与变 换器的输入端耦连的输入电感、与变换器的输出端耦连的输出电感、 和被串联耦连在输入电感与输出电感之间的储能电容器。
8. 如权利要求7所述的驱动电路，其中Cuk变换器还包括被串联 耦连在输入电感和输出电感之间的变压器。
9. 如权利要求8所述的驱动电路，其中所述变压器具有被耦连到 输入电感的输入绕组和被耦连到输出电感的输出绕组。
10. 如权利要求9所述的驱动电路，其中变换器包括两个储能电 容器， 一个耦连到输入绕组， 一个耦连到输出绕组。
11. 如权利要求7到IO任一个所述的驱动电路，其中输入和输出 电感被绕在一个公共铁心上。
12. 如权利要求11所述的驱动电路，其中在其上缠绕输入和输出 电感的公共铁心的部分中具有间隙。
13. 如权利要求11或12当其从属于权利要求8时所述的驱动电 路，其中公共铁心也是变压器的铁心。
14. 一种电力辅助驾驶(EPAS)系统，包括直流电压源、具有多个 相的电动机和按照前面任一个权利要求所述的驱动电路，其中驱动电 路在其输入端被连接到直流电压源，在每个输出端被连接到电动机的 一相。
15. 如权利要求14所述的EPAS系统，其中驱动电路具有每个电 动机相一个相输出，每个相输出连接到电动机的一相。
16. 如权利要求14或15所述的EPAS系统，其中所述EPAS系 统被安装在车辆内，所述直流电源是车辆电池。
全文摘要
一种用于具有多个相的电动机(10)的驱动电路(2)，包括用于直流信号的输入(3)和多个相输出(5a，5b，5c)，该电路被配置用于在使用时在每个相输出提供电流到电动机的一相，其中提供用于每个相输出的变换器(6a，6b，6c)，每个变换器被配置成接收一直流信号作为输入，并输出包括具有比输入到该变换器的直流信号的电压幅值高的电压幅值的交流分量的信号。典型地，所述变换器包括Cuk变换器。
文档编号H02M3/00GK101243601SQ200680030358
公开日2008年8月13日 申请日期2006年8月16日 优先权日2005年8月20日
发明者安德鲁·迈克林, 约翰·A.·伯尔顿 申请人:Trw有限公司