负载驱动系统的故障检测装置的制作方法

专利名称：负载驱动系统的故障检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测负载驱动系统的负载及负载连接状态的异常的故障检测装置。
背景技术：
在现有的负载驱动系统例如电动机驱动装置中，具有电动机驱动单元，该电动机驱动单元由4个FET(场效应晶体管)组成的桥式电路构成；同时，还具有故障检测单元，该故障检测单元包括所述桥式电路的一个FET的源极与另一个FET的漏极连接并分别与构成支路的至少两个FET并联连接，与FET导通故障时的电阻值比具有充分地大的电阻值的高电阻、以及检测接在桥式电路的输出端子之间的电动机电压的电压检测单元，通过设置上述高电阻，电动机的两个端子处的电压值在FET导通故障时改变，所以通过检测电动机端子电压能判定FET的导通故障(例如参照专利文献1)。
另外，以与多相交流电动机的相数相同的数量使具有分别相等的阻抗值的阻抗元件的一端与基准中性点连接，同时各阻抗元件的另一端分别与上述多相交流电动机的各相线圈连接，检测阻抗元件的基准中性点和连接上述多相交流电动机的各相线圈的中性点之间的电位差，在该电位差超过规定的阈值时，判定为上述各相线圈有异常(例如参照专利文献2)。
专利文献1专利第3034508号公报专利文献2特開平6-311783号公报但是，按照专利文献1所示的方式，各阻抗元件与构成支路的至少两个FET连接，构成检测负载(电动机)的端子电压成为电源电位或地电位的短路故障方式(驱动元件短路、端子接地、端子悬空(日文天絡))，所以存在的问题是无法检测负载端子电压无变化的负载或负载连接线的断开故障方式(断线)。
另外，按照专利文献所示的方式，由于是一种将多相交流电动机的中性点电位与由阻抗元件形成的基准中性点电位进行比较，根据其电位差之大小检测异常的方法，所以需要电动机旋转产生各相电压。因此，存在的问题是无法用于以下情况，也就是，在从停止状态到负载开始通电的初始阶段，尽管已通电但仍不能判定有无问题，在负载处于接地或悬空等故障状态下，会有大电流流过。
本发明为解决上述问题而提出，其目的在于提供一种在开始向负载供电前检测负载或负载连接线的异常(断线、接地、悬空)、具有进行向负载馈电或断电的由上述FET组成的驱动单元的导通故障等的负载驱动系统的故障检测装置。

发明内容
本发明的负载驱动系统的故障检测装置，该负载驱动系统具有连接在直流电源的正极和负载的一端之间的上支路驱动单元、以及连接在所述直流电源的负极和上述负载的另一端之间的下支路驱动单元，通过对所述各驱动单元进行开关控制，控制供给所述负载的电压或电流，其中具有分别与所述上支路驱动单元及下支路驱动单元并联连接的电阻元件；以及通过监视所述负载端子中任何一端或两端的端子电压，检测包括所述负载及与负载连接的配线在内的负载驱动系统的异常的负载状态异常检测单元。
如上所述地构成本发明的负载驱动系统的故障检测装置，驱动单元作为在所有截止期间确定在负载各端子上发生的电位的确定单元之一，由于利用负载及负载连接线，因此除了负载的端子电位被强制地固定的悬空、接地、以及驱动元件的导通故障等以外，也能明确地检测出负载或负载连接线的断线故障。
另外，通过检测驱动单元断开时的异常，不必在负载接地或悬空状态下向负载供电，或在驱动单元导通故障的状态下使驱动单元动作，能全面而迅速地检测出异常。
特别是，从预防安全的角度出发，人们强烈要求装在铁路车辆或汽车等上的以旋转电机为代表的多相接线负载的驱动系统，在负载的连接状态异常检测或驱动单元的故障检测上能降低成本、增强功能，为此，本发明提出适用于此的异常检测系统。


图1为表示本发明实施方式1的构成的一示例用的电路图。
图2为表示实施方式1的正常时和异常时的检测电压的一示例用的图。
图3为表示本发明实施方式2的构成的一示例用的电路图。
图4为表示实施方式2的正常时和异常时的检测电压的一示例用的图。
图5为表示本发明实施方式3的构成的一示例用的电路图。
图6为表示实施方式3的正常时和异常时的检测电压的一示例用的图。
图7为表示本发明实施方式3的其它实施例的构成的电路图。
图8为表示图7的实施例中正常时和异常时的检测电压的一示例用的图。
具体实施例方式
实施方式1以下，参照附图对本发明的实施方式1进行说明。
图1为表示实施方式1的构成的一示例的电路图。负载驱动系统1例如具有由FET等半导体元件构成的上支路驱动单元2a及同样地由FET等半导体元件构成的下支路驱动单元2b，各驱动单元的一端与电池等直流电源10连接，而另一端与电动机等的负载11连接。
另外，电阻元件3a和上支路驱动单元2a并联连接，电阻元件3b和下支路驱动单元2b并联连接，通过对各驱动单元2a及2b进行开关控制，使其对负载11馈电或断电。再有，各驱动单元2a及2b的另一端与以后将叙述的负载状态异常检测单元4连接。
在图中示出的负载驱动系统中，例如设直流电源10的电压为E(V)、负载11的直流等效电阻值为R11(Ω)、上支路元件2a的截止时直流等效电阻值为R2A(Ω)、下支路元件2b的截止时直流等效电阻值为R2B(Ω)、电阻元件3a的电阻值为R3A(Ω)、电阻元件3b的电阻值为R3B(Ω)，则在假定配线电阻可忽略不计充分地小的情况下，负载端子电压V1(V)及V2(V)分别可用下式(1)、(2)表示。
V1=R11+(R2B//R3B)R11+(R2A//R3A)+(R2B//R3B)·E···---(1)]]>V2=R2B//R3BR11+(R2A//R3A)+(R2B//R3B)·E···---(2)]]>其中
R2A//R3A=R2A·R3AR2A+R3A]]>R2B//R3B=R2B·R3BR2B+R3B]]>式中，若选定R3A及R3B，使得R2A＞＞R3A、R2B＞＞R3B、而且R3A＞＞R11、R3B＞＞R11，则R2A、R2B及R11可忽略不计。再有，这里为便于说明，设R3A＝R3B。
根据上述的前提条件对式(1)、(2)进行改写，则负载端子电压V1(V)及V2(V)可分别简化成下式(1A)、(2A)。
V1≅R3BR3A+R3B·E=E2···---(1A)]]>V2≅R3BR3A+R3B·E=E2···(2A)]]>在实施方式1的负载驱动系统的异常检测中，在如以后将叙述的正常的情况下和不正常的情况下使负载端子电压变化幅度增大的同时，还借助于此将判别变得容易作为基本点，由于不将规定严格的数值作为绝对必要的条件，所以，以下的说明是在上述前提条件之下加以简化后再进行说明。
首先，在负载11或负载连接线断线的情况下，负载端子电压V1(V)根据R2A＞＞R3A、R2B＞＞R3B的前提条件变得与电源电压E(V)实质上相等。V2(V)根据和V1(V)相同的理由实质上成为接地电压(在这里为零(V))。
V1E…(1B)V2O…(2B)然后，在负载11或负载连接线接地的情况下，具体为在负载11正常连接的情况下，负载或负载连接线等一部分成为地电位的情况下，负载端子电压V1(V)及V2(V)实质上成为接地电压。
V1O…(1C)V2O…(2C)然后，在负载11或负载连接线悬空的情况下，具体为在负载11正常连接的情况下，负载或负载连接线等一部分成为电源电位E的情况下，负载端子电压V1(V)及V2(V)实质上成为电源电压。
V1E…(1D)V2E…(2D)
再有，在负载11正常连接的状态下当上支路驱动单元2a导通故障时，负载端子电压V1(V)及V2(V)实质上成为电源电压。
V1E…(1E)V2E…(2E)再又，在负载11正常连接的状态下当下支路驱动单元2b导通故障时，负载端子电压V1(V)及V2(V)实质上成为地电位。
V10…(1F)V20…(2F)图2为将以上的式(1A)、(2A)至(1F)、(2F)的结果以一览表形式进行表示。如该图所示，正常时和异常时的V1、V2各自数值之差异相当明显，还有，利用正常时和异常时的电压差大这一点，能大大减少误检之可能，能确实无误地判别出异常。
此外，即使在负载连接线断线状态下的负载侧接地或端子侧接地、负载侧悬空或端子侧悬空、上支路元件或下支路元件导通故障时所有情况组合在一起出现，仍能和上述一样地判别不正常。这里，按照上述示例能容易地导出结果，故其具体的说明就省略。
再有，在上述所有的情况下，V1或V2中，只要监视任何一方的电压便能判别不正常。
实施方式2以下，利用图2说明本发明的实施方式2。图3为表示实施方式2的构成的一示例的电路图。实施方式2的负载驱动系统1为，由FET等半导体元件组成的上支路驱动单元2a和同样地由FET等半导体元件组成的下支路驱动单元2b串联连接的第1驱动单元；与由FET等半导体元件组成的上支路驱动单元2c和同样地由FET等半导体元件组成的下支路驱动单元2d串联连接的第2驱动单元都与电池等直流电源10连接，同时，在第1驱动单元的上支路元件2a和下支路元件2b间的连接点和第2驱动单元的上支路元件2c和下支路元件2d间的连接点之间连接负载11及负载状态异常检测单元4。
另外，第1驱动单元的上支路元件2a和电阻元件3a并联连接，同时，第2驱动单元的下支路元件2d和电阻元件3b并联连接，通过对第1及第2驱动单元的上支路元件及下支路元件进行开关控制，能对负载11馈电或断电。
在图3的负载驱动系统中，例如设直流电源10的电压为E(V)、负载1的直流等效电阻值为R11(Ω)、第1、第2驱动单元的各支路元件2a至2d截止时的直流等效电阻值为R2A(Ω)至R2D(Ω)、电阻元件3a的电阻值为R3A(Ω)、电阻元件3b的电阻值为R3B(Ω)，假定配线电线可以忽略不计充分地小。
另外，当设定和实施方式1同样的前提条件时，负载端子电压V1(V)及V2(V)分别能以下式(3A)及(4A)表示。
V1≅R3BR3A+R3B·E=E2···---(3A)]]>V2≅R3BR3A+R3B·E=E2···---(4A)]]>首先，在负载11或负载连接线断线的情况下，V1(V)实质上与电源电压E(V)相等，而V2(V)实质上成接地电压(这里为零(V))。
V1E…(3B)V2O…(4B)然后，在负载11或负载连接线接地的情况下，具体为，在负载11正常连接的状态下，当负载11或负载连接线等的一部分成为地电位时，负载端子电压V1(V)和V2(V)实质上成接地电压。
V1O…(3C)V2O…(4C)然后，在负载11或负载连接线悬空的情况下，具体为，在负载11正常连接的状态下，当负载11或负载连接线等的一部分成为电源电位E时，负载端子电压V1(V)和V2(V)实质上成电源电压。
V1E…(3D)V2E…(4D)再有，在负载11正常连接的状态下，当第1驱动单元的上支路元件2a或第2驱动单元的上支路元件2c中的一个或两个都导通故障时，负载端子电压V1(V)及V2(V)实质上成为电源电压。
V1E…(3E)V2E…(4E)再又，在负载11正常连接的状态下，当第1驱动单元的下支路元件2b或第2驱动单元的下支路元件2d中的一个或两个都导通故障时，负载端子电压V1(V)及V2(V)实质上成为地电位。
V1O…(3F)V2O…(4F)图4为将以上的式(3A)、(4A)至(3F)、(4F)的结果以一览表形式进行表示。如该图所示，在将FET等半导体元件进行H桥式连接的负载驱动系统上，正常时和异常时的V1、V2各自数值之差异相当明显，还有，利用正常时和异常时的电压差大这一点，能大大减少误检之可能，能确实无误地判别出异常。
此外，即使在负载连接线断线状态下的负载侧接地或端子侧接地、负载侧悬空或端子侧悬空、上支路元件或下支路元件导通故障时所有情况组合在一起出现，则仍能和上述一样地判别不正常。这里，按照上述示例能容易地导出结果，故其具体的说明就省略。
再有，在上述所有的情况下，V1或V2中，只要监视任何一方的电压便能判别不正常。
实施方式3以下，利用

本发明的实施方式3。图5为表示实施方式3的构成的一示例用的电路图。实施方式3的负载驱动系统1为，由FET等半导体元件组成的上支路元件2a和同样地由FET等半导体元件组成的下支路元件2b串联连接的第1驱动单元；和第1驱动单元同样地构成的上支路元件2c和下支路元件2d串联连接的第2驱动单元；以及和第1驱动单元同样地构成的上支路元件2e和下支路元件2f串联连接的第3驱动单元都分别同电池等直流电源10连接，同时，在各驱动单元的上支路元件和下支路元件间的连接点上连接多相接线负载11的各相端子及负载状态异常检测单元4。
另外，各驱动单元中，1个或不是全部的多个驱动单元的上支路元件和上位电阻元件并联连接，未与上位电阻元件连接的驱动单元的下支路元件和下位电阻元件并联连接。在图5的例子中第1及第2驱动单元的上支路元件2a、2c分别和上位电阻元件3a、3b并联连接，第3驱动单元的下支路元件2f和下位电阻元件3c并联连接，通过对各驱动单元的上支路元件及下支路元件2a至2f进行开关控制，能对多相接线负载11馈电或断电。
图5的负载驱动系统中的多相接线负载11，可以设想为以三相交流旋转设备为代表的Y形接线或△形接线等。也就是意味着，负载11各相端子间以包括零Ω(短路)在内的低阻抗形式进行结合，不限于特定的设备或接线。
在图5的负载驱动系统中，例如设直流电源10的电压为E(V)、多相接线负载11的直流等效电阻值为R11(Ω)、第1～第3驱动单元的各支路元件2a至2f的截止时直流等效电阻值为R2A(Ω)至R2F(Ω)、电阻元件3a的电阻值为R3A(Ω)、电阻元件3b的电阻值为R3B(Ω)、电阻元件3c的电阻值为R3C(Ω)，假定配线电阻可以忽略不计充分地小。
另外，当设定和实施方式1相同的前提条件时，能分别用以下的式(5A)、(6A)、(7A)表示负载端子电压V1(V)、V2(V)、V3(V)。
但是在实施方式3中，为便于说明，除了上述前提条件外，还附加R3A＝2×R3C、R3B＝2×R3C的前提条件。
V1≅R3C(R3A//R3B)+R3C·E=E2···---(5A)]]>R2≅R3C(R3A//R3B)+R3C·E=E2···---(6A)]]>V3≅R3C(R3A//R3B)+R3C·E=E2···---(7A)]]>其中R3A//R3B=R3A·R3BR3A+R3B]]>首先，将多相接线负载11或负载连接线中，与电阻元件3a连接的部分线路截断，与电阻元件3b及3c连接的线路保持正常连接不变，在这种断线形态的情况下，V1(V)实质上和电源电压E(V)相等，V2(V)和V3(V)实质上成为按照R3B和R3C的比例分压的电压。
V1≅E···---(5B)]]>V2≅R3CR3B+R3C·E=E3···(6B)]]>V3≅R3CR3B+R3C·E=E3···---(7B)]]>然后，截断多相接线负载11或负载连接线之中，与电阻元件3b连接的部分线路，连接电阻元件3a及3c的线路保持正常的连接不变，在这种断线形态下，V2(V)实质上和电源电压E(V)相等，V1(V)和V3(V)成为实质上按照R3A和R3C之比分压的电压。
V1≅R3CR3B+R3C·E=E3···---(5C)]]>V2≅E···---(6C)]]>V3≅R3CR3B+R3C·E=E3···---(7C)]]>然后，截断多相接线负载11或负载连接线之中，与电阻元件3c连接的部分线路，连接电阻元件3a及3b的线路保持正常的连接不变，在这种断线形态下，V3(V)实质上等于接地电压(在这里为零(V))，V1(V)和V2(V)成为实质上为电源电压E(V)电压。
V1E…(5D)V2E…(6D)V3O…(7D)再有，在多相接线负载11或负载连接线接地的情况下，具体为，多相接线负载在正常连接的状态下，当多相接线负载或负载连接线等的一部分成为地电位时，负载端子电压V1(V)、V2(V)、V3(V)实质上都成为接地电压。
V1O…(5E)V2O…(6E)V3O…(7E)再又，在多相接线负载11或负载连接线悬空的情况下，具体为，多相接线负载在正常连接的状态下，当多相接线负载或负载连接线等一部分成为电源电位时，负载端子电压V1(V)、V2(V)、V3(V)实质上都成为电源电压。
V1E…(5F)V2E…(6F)V3E…(7F)另外，在多相接线负载11正常连接的状态下，当第1、第2、第3驱动单元的上支路元件2a、2c、2e的一个或多个导通故障时，负载端子电压V1(V)、V2(V)、V3(V)实质上都成为电源电压。
V1E…(5G)V2E…(6G)V3E…(7G)再有，在多相接线负载11正常连接的状态下，第1、第2、第3驱动单元的下支路元件2b、2d、2f的一个或多个导通故障时，负载端子电压V1(V)、V2(V)、V3(V)实质上都成为接地电压。
V1O…(5H)V2O…(6H)V3O…(7H)图6为将以上的式(5A)、(6A)、(7A)至(5H)、(6H)、(7H)的结果以一览表形式进行表示。如该图所示，在将FET等半导体元件进行三相桥式连接的负载驱动系统上，正常时和异常时之差异相当明显，能确实无误地进行判别。
此外，即使在负载连接线断线状态下的负载侧接地或端子侧接地、负载侧悬空或端子侧悬空、驱动单元的支路元件导通故障时所有的情况组合在一起出现，仍能和上述一样地判别不正常。这里，按照上述示例能容易地导出结果，故其具体的说明就省略。
再有，在上述所有的情况下，V1至V3中，只要监视任何一个电压便能判别不正常。
但是，上述各实施方式中，以计测负载上流过的电流值为目的在电气连接布线上配置一个或多个分流电阻，从电源的正负两极侧看负载驱动系统时有时形成包括分流电阻在内的串联电路。无论在任何实施方式中，在计测以直流电源的负极电位(接地电位)为基准的负载端子电压V1(V)或V2(V)的情况下，若和上支路元件并联连接的电阻元件、和下支路元件并联连接的电阻元件、以及分流电阻形成串联电路，则要考虑到分流电阻的电阻值对电压分压比会有影响。
然而，一般的开关元件例如为MOSFET，则支路元件的直流等效电阻值大于等于几十MΩ，负载11的直流等效电阻值小于等于几Ω。可以设想要选用的电阻元件3a至3c的电阻值为几十kΩ～几百kΩ，所以，只要是一般的分流电阻(小于等于几Ω)，那末将分流电阻值忽略不计也无任何问题，上述结果不变。
还有，实施方式2中，在第2驱动单元的上支路元件2c和电阻元件3a并联连接时，第1驱动单元的下支路元件2b和电阻元件3b就并联连接。在这种情况下，与上述实施方式2同样地能判别出不正常。这里，按照上述示例容易导出其结果，具体的说明省略。
另外，在实施方式3中，如图7所示，第1驱动单元的上支路元件2a与电阻元件3a并联连接，第2、第3驱动单元的下支路元件2d及2f分别与电阻元件3b、3c并联连接。在这种情况下，通过改变R3B＝2×R3A、R3C＝2×R3A和前提条件，正常时负载端子电压可用下式表示。
V1≅(R3B//R3C)R3A+(R3B//R3C)·E=E2···---(8A)]]>V2≅(R3B//R3C)R3A+(R3B//R3C)·E=E2···---(9A)]]>V3≅(R3B//R3C)R3A+(R3B//R3C)·E=E2···---(10A)]]>其中R3B//R3C=R3B·R3CR3B+R3C]]>虽然省略了发生异常时的电压的说明，但根据与上述说明相同的运算，成为如图8所示(一览表)那样，能容易地判别出不正常。
权利要求
1.一种负载驱动系统的故障检测装置，该负载驱动系统具有连接在直流电源的正极和负载的一端之间的上支路驱动单元、以及连接在所述直流电源的负极和所述负载的另一端之间的下支路驱动单元，通过对所述各驱动单元进行开关控制，控制供给所述负载的电压或电流，其特征在于，具有分别与所述上支路驱动单元及下支路驱动单元并联连接的电阻元件；以及通过监视所述负载端子中任何一端或两端的端子电压，检测包括所述负载及与负载连接的配线在内的负载驱动系统的异常的负载状态异常检测单元。
2.一种负载驱动系统的故障检测装置，该负载驱动系统具有由半导体元件组成的上支路元件和下支路元件串联连接的第1驱动单元、以及由半导体元件组成的上支路元件和下支路元件串联连接的第2驱动单元与直流电源并联连接，同时第1驱动单元的上支路元件和下支路元件间的连接点及第2驱动单元的上支路元件和下支路元件间的连接点之间连接负载，通过对所述各半导体元件进行开关控制，控制供给所述负载的电压或电流，其特征在于，具有分别与第1驱动单元的上支路元件及第2驱动单元的下支路元件并联连接的电阻元件；以及通过监视所述负载端子中任何一端或两端的端子电压，检测包括所述负载及与负载连接的配线在内的负载驱动系统的异常的负载状态异常检测单元。
3.一种负载驱动系统的故障检测装置，该负载驱动系统将由半导体元件组成的上支路元件和下支路元件串联连接的3个以上的驱动单元分别与直流电源并联连接，各驱动单元的上支路元件和下支路元件的连接点分别与多相接线负载的各相端子连接，通过对所述各半导体元件进行开关控制，控制供给所述多相接线负载的电压或电流，其特征在于，具有与所述各驱动单元中1个或不是全部的多个驱动单元的上支路元件并联连接的上位电阻元件；与未连接所述上位电阻元件的驱动单元的下支路元件并联连接的下位电阻元件；以及通过监视所述多相接线负载中任何一个或多个相的端子电压，检测包括所述多相接线负载或与多相接线负载连接的配线在内的负载驱动系统的异常的负载状态异常检测单元。
4.如权利要求1至3中任一项所述的负载驱动系统的故障检测装置，其特征在于，与所述驱动单元的上支路元件及下支路元件并联连接的电阻元件的电阻值为比所述驱动单元断开时的直流等效电阻值充分地小，而且为比负载或多相接线负载的端子间直流等效电阻值充分地大的值。
5.如权利要求4所述的负载驱动系统的故障检测装置，其特征在于，利用所述驱动单元全部为断开状态的所述负载或多相接线负载的端子电压，判断有无故障。
全文摘要
本发明揭示一种负载驱动系统的故障检测装置，在这种具有连接在直流电源的正极和负载的一端之间的上支路驱动单元、以及连接在直流电源的负极和负载的另一端之间的下支路驱动单元，通过对各驱动单元进行开关控制，控制供给负载的电压或电流的负载驱动系统中，具有分别与上支路驱动单元及下支路驱动单元并联连接的电阻元件；以及通过监视负载端子中任何一端或两端的端子电压，检测包括负载及与负载的配线在内的负载驱动系统的异常的负载状态异常检测单元。
文档编号H02H7/08GK1929291SQ20061012612
公开日2007年3月14日 申请日期2006年8月22日 优先权日2005年8月23日
发明者松冈尚吾 申请人:三菱电机株式会社