电动机驱动装置的制作方法

专利名称：电动机驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机驱动装置，具体地说，涉及能够保护驱动电路免于 过热的电动机驱动装置。
背景技术：
近年来，混合动力车辆和电动车辆正在作为对环境友好的车辆而得到 关注。混合动力车辆除了具有传统发动机外，还具有由直流电源经逆变器 驱动的电动机，作为动力来源。具体地说，发动机被驱动以获得动力来 源，直流电源也提供直流电压，直流电压接着被逆变器转换成用于使电动 机旋转的交流电压，从而获得动力来源。电动车辆是具有由直流电源经逆变器驱动的电动机作为动力来源的车辆。在这样的混合动力车辆或电动车辆中，在驱动电动机正常旋转时，交 流电流经逆变器的各个开关元件。但是，如果车辆已经陷入沟渠等，电动 机的转子已经锁定并因而停机或者以非常低的速度旋转，则很大的直流电 流流经特定的开关元件，该元件的热损耗会迅速增大。过去己经研究过用于在电动机被锁定或以非常低速旋转的时候防止这 种逆变器过载的装置。 一种这样的方式是下述技术对电动机输出的转矩 进行限制，以限制流经逆变器开关元件的电流量(例如参见日本专利公开No.l 1-122703、 7-322401、 8-191503和2005-45863)。但是，如果驱动电动机受到这种输出转矩限制并提供立刻降低的输出 转矩，则车辆不能根据需要获得对其进行驱动的力，不能脱离锁定状态或 以非常低的速度旋转的状态。例如，如果车辆正在爬坡，并且驾驶员例如 对加速器踏板下压了不足的量，从而使驱动电动机锁定，提供的有限输出 转矩可能造成车辆滑落。因此，例如，日本专利公开No.ll-122703公开了一种用于电动车辆的防过载装置，试图在不使从电动机输出的转矩迅速减小的情况下防止逆变 器过载。根据日本专利公开No.ll-122703，用于电动车辆的防过载装置包括 温度评估装置，根据检测到的开关元件温度值来评估各个开关元件的结合 部分的温度；转矩限制值计算装置，根据评估出的导通开关元件的结合部 分温度值来计算转矩限制值；以及控制值限制装置，在电动机以小于预定 值的检测值旋转、并且开关元件的结合部分具有超过预定值的评估温度 时，用转矩限制值来对转矩控制值进行限制。转矩限制值计算装置由电动机的磁极位置来识别导通的开关元件，并 根据该导通的开关元件的结合部分的温度估计值来计算转矩限制值，在控 制值限制装置将转矩控制值限制在至多为转矩限制值时，导通的开关元件 的电流被控制在根据受到转矩限制之后的控制值输出的电流。这样，在这种转矩限制提供了经降低的输出转矩，并且电动机的导通 相(即导通的开关元件)转移到相邻相的开关元件时，对于当前成为导通 的开关元件的开关元件计算转矩限制值。由于当前成为导通的开关元件的 开关元件尚未导通，所以其结合部分具有较低温度。因此，对其进行的转 矩限化'j较高。因此，当前的输出转矩升高了。这样，对于各个开关元件，根据其结合部分的温度对转矩控制值进行 了限制。这样，如果电动机被锁定，就不会输出迅速降低的转矩。这样可 以防止车辆的(一个或多个)乘员感到不适。但是，如日本专利公开No.ll-122703中所述，转矩限制值计算装置和 控制值限制装置是在电动机磁极发生了位置变化(即电动机旋转)的前提 下施加控制的。这样，如果电动机的旋转被完全锁定，则转矩控制值必须 简单地从当逆变器能够通过的最大电流经其通过时获得的最大转矩，降低 到在电动机被锁定的情况下使逆变器的特定开关元件能够持续承受的最大 直流电通过时从电动机输出的转矩(下文中，后一转矩也称为"能够持续 输出的转矩")。这样，在电动机锁定的情况下，会提供迅速降低的输出 转矩，并可能不能确保从锁定状态脱离所需的动力。此外，转矩限制值计算装置被构造成由电动机的磁极位置来识别导通 的开关元件并根据被识别的开关元件的结合部分的温度评估值来计算转矩 限制值，使得控制内容复杂化。此外，所产生转矩的大小随着电动机的磁 极位置而变化，也不可避免地使车辆的驾驶员感到不适。本发明被开发来克服这样的缺点，并设计了一种电动机驱动装置，该 装置既能防止逆变器过载，也能确保动态性能。发明内容本发明提供了一种电动机驱动装置，包括电源；驱动电路，其从电 源接收电力以驱动电动机；和控制装置，其控制驱动电路，使电动机的输 出与目标转矩匹配。控制装置包括过载状态检测单元，其根据电动机的 速度和对电动机进行驱动的电流来检测电动机的过载状态，和电动机输出 限制单元，其响应于检测到的电动机的过载状态而操作，以限制从电动机 输出的转矩。电动机输出限制单元设定目标转矩，使电动机在允许次数以 内间断性地输出电动机所能够输出的最大转矩，允许次数具有预先设定的 预定范围。在电动机处于过载状态时，电动机驱动装置使电动机能够在保护驱动 电路不过热的范围内间断性地输出电动机所能输出的最大转矩。因此，驱 动电路能够受到热保护，同时能够有效地利用电动机的最大转矩。由此， 电动机能够最大限度地表现其能力以确保动态性能。优选地，电动机输出限制单元设定目标转矩，使电动机在具有预定范 围的允许次数内，对于每个规定的时间长度，输出电动机所能够输出的最 大转矩。在电动机处于过载状态时，电动机驱动装置使电动机能够对每个规定 的时间长度输出最大转矩。这样能够采用简单的控制结构来有效地利用电 动机的最大转矩。优选地，电动机输出限制单元设定允许次数，以防止驱动电路在温度 方面超过规定的容许值。电动机驱动装置使电动机能够将最大转矩输出允许次数，允许次数是考虑到驱动电路在温度方面升高了多少而设定的。可以防止驱动电路过热 并可以提高可靠性。优选地，在判定为电动机已经将最大转矩输出了允许次数时，电动机 输出限制单元设定目标转矩，使电动机对于每个规定时间长度输出从最大 转矩逐渐减小的转矩。一旦电动机已经将最大转矩输出了允许次数，则电动机驱动装置将电 动机的输出转矩从最大转矩逐步减小。这样，电动机可以最大限度地表现 其能力以确保动态性能。优选地，驱动电路是具有多个开关元件的电力转换器，多个开关元件 进行开关操作以在电源与电动机之间提供电力转换；并且规定时间长度被 设定为短于下述时间长度在对电动机进行驱动的、与最大转矩对应的电 流持续流过的情况下，多个开关元件中任一者达到规定的容许温度所需的 时间长度。这样，电动机驱动装置能够防止逆变器的特定开关元件过热，同时使 电动机的最大转矩能够得到有效利用。优选地，控制装置获取驱动电路的初始温度。电动机输出限制单元根 据所获取的驱动电路的初始温度'，对允许次数进行调节。电动驱动装置能够在确保防止驱动电路过热的情况下最大限度地利用 电动机的最大转矩。优选地，电动机输出限制单元将允许次数调节成随着驱动电路的初始 温度相对增大而相对减小。电动机驱动装置使得在驱动电路温度较低时电动机能够更加频繁地输 出最大转矩。这样，电动机可以进一步表现其能力以确保动态性能。根据本发明，在电动机处于过载状态时，电动机在防止驱动电路过热 的范围内间断性地输出电动机所能输出的最大转矩。这样，驱动电路可以 得到热保护，同时还可以有效地利用电动机的最大转矩。由此，电动机能 够最大限度地表现其能力以确保动态性能。


图1是本发明一种实施例的电动机驱动装置的示意性框图。 图2是图1中示出的控制装置的功能框图。图3的正视图用于图示本发明实施例中对输出转矩进行控制的方法。 图4的流程图用于图示在本发明实施例中对输出转矩进行限制。图5示出了用于逆变器的冷却水温与交流电动机被允许输出最大转矩的次数之间的关系。图6的流程图用于图示在本发明实施例的一种示例性变更形式中对输出转矩进行限制。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的一种实施例进行更加具体的说明。在附图 中，相同的标号表示相同或相似的部件。图1是本发明这种实施例的电动机驱动装置的示意性框图。参考图1，电动机驱动装置100包括直流电源B、电压传感器10、 11、系统继电器SR1、 SR2、电容器Cl、 C2、升压转换器12、逆变器 14、电流传感器24、温度传感器13、速度传感器20和控制装置30。交流电动机Ml是驱动电动机，用于产生对混合动力车辆或电动车辆 的驱动轮进行驱动的转矩。此外，交流电动机Ml还是具有由发动机(未 示出)驱动的发电机功能的电动机，并用作用于发动机的电动机，能够例 如使发动机起动。升压转换器12包括电抗器L1、 NPN晶体管Q1、 Q2以及二极管D1、D2。电抗器Ll的一端连接到直流电源B的电源线，另一端连接到NPN晶 体管Ql与NPN晶体管Q2之间的中间点，即连接到NPN晶体管Ql的发 射极与NPN晶体管Q2的集电极之间。NPN晶体管Ql、 Q2被串联连接在电源线与地线之间。NPN晶体管 Ql的集电极连接到电源线，NPN晶体管Q2的发射极连接到地线。此外， 二极管Dl设在NPN晶体管Ql的集电极与发射极之间，使来自发射极的 电流流到集电极，二极管D2设在NPN晶体管Q2的集电极与发射极之间，使来自发射极的电流流到集电极。逆变器14由U相臂15、 V相臂16和W相臂17形成。U相臂15、 V 相臂16和W相臂17并联设置在电源线与地线之间。U相臂15由串联连接的NPN晶体管Q3、 Q4形成。V相臂16由串联 连接的NPN晶体管Q5、 Q6形成。W相臂17由串联连接的NPN晶体管 Q7、 Q8形成。此外，二极管D3连接在NPN晶体管Q3的集电极与发射 极之间，使来自发射极的电流流到集电极。二极管D4连接在NPN晶体管 Q4的集电极与发射极之间，使来自发射极的电流流到集电极。二极管D5 连接在NPN晶体管Q5的集电极与发射极之间，使来自发射极的电流流到 集电极。二极管D6连接在NPN晶体管Q6的集电极与发射极之间，使来 自发射极的电流流到集电极。二极管D7连接在NPN晶体管Q7的集电极 与发射极之间，使来自发射极的电流流到集电极。二极管D8连接在NPN 晶体管Q8的集电极与发射极之间，使来自发射极的电流流到集电极。每个相臂的中间点连接到交流电动机Ml的相线圈的末端。换言之， 交流电动机Ml是3相永磁电动机，并设置成使U、 V、 W三相线圈各自 的一端共同连接到中点。U相线圈的另一端连接到NPN晶体管Q3、 Q4之 间的中间点。V相线圈的另一端连接到NPN晶体管Q5、 Q6之间的中间 点。W相线圈的另一端连接到NPN晶体管Q7、 Q8之间的中间点。尽管升压转换器12和逆变器14包括由NPN晶体管Q1—Q8实现的开 关元件，但是它们不限于这样，也可以由IGBT (绝缘栅双极晶体管)、 MOSFET或其他类似功率器件构成。直流电源B是镍金属氢化物二次电池、锂离子二次电池或类似的二次 电池。电压传感器IO检测从直流电源B输出的电压Vb，并向控制装置30 输出所检测到的电压Vb。从控制装置30发送的信号SE使系统继电器 SR1、 SR2开启/关断。具体地说，由从控制装置30发送并具有逻辑高低电 平的信号SE使系统继电器SR1、 SR2分别开启和关断。电容器Cl从直流电源B接收直流电压，使所接收的直流电压平滑 化，并将经过平滑处理的直流电压供给升压转换器12。升压转换器12从电容器Cl接收直流电压，对所接收的直流电压进行升压，并将经过升压的直流电压供给电容器C2。具体地说，在升压转换器12从控制装置30接收到信号PWMC时，信号PWMC使升压转换器12 根据NPN晶体管Q2导通的时间段对直流电压进行升压，升压转换器12 将经过升压的直流电压供给电容器C2。此外，在升压转换器12从控制装置30接收到信号PWMC时，升压 转换器12对从逆变器14经电容器C2供给的直流电压进行降压，并向直 流电源B供给经过降压的直流电压。电容器C2从升压转换器12接收直流电压，使所接收的直流电压平滑 化，并向逆变器14供给经过平滑处理的直流电压。电压传感器11检测电容器C2两端的电压Vm，该电压对应于输入到 逆变器14的电压，这将在此后维持，电压传感器11向控制装置30输出所 检测到的电压Vm。'温度传感器13检测对逆变器14进行冷却的冷却水的温度Tiv (下文 中也称为逆变器的冷却水温)，并向控制装置30输出所检测到的温度 Tiv。在逆变器14从电容器C2接收直流电压时，逆变器14响应于从控制 装置30接收的信号PWMI操作，将直流电压转换成交流电压来驱动交流 电动机M1。这样，交流电动机M1被驱动产生由转矩控制值TR指示的所 需转矩。此外，在安装有电动机驱动装置100的混合动力车辆或电动车辆受到 再生制动时，逆变器14响应于从控制装置30发送的信号PWMI而将交流 电动机Ml产生的交流电压转换成直流电压，并经过电容器C2向升压转 换器12供给该直流电压。注意，本申请所述的再生制动包括与混合车辆或电动车辆的驾驶员 操作脚踏闸时的电力再生相伴的制动；不操作脚踏闸，而在车辆行驶时松 开加速器踏板，从而在提供电力再生的同时降低车辆速度(或停止加 速)；等等。电流传感器24对'流到交流电动机Ml的电动机电流MCRT进行检 领"并向控制装置30输出所检测到的电动机电流MCRT。速度传感器20对交流电动机Ml的电动机速度MRN进行检测，并向控制装置30输出所 检测到的电动机速度MRN。控制装置30接收来自加速器踏板位置传感器40的加速器踏板位置 AP、来自换档位置传感器42的换档位置SP、以及来自制动踏板位置传感 器44的制动踏板位置BP。此外，控制装置30还接收来自电压传感器10 的直流电压Vb、来自电压传感器11的输出电压Vm、来自电流传感器24 的电动机电流MCRT、来自速度传感器20的电动机速度MRN以及来自温 度传感器13的逆变器冷却水温Tiv。控制装置30根据加速器踏板位置AP、换档位置SP以及制动踏板位 置BP，来计算交流电动机Ml需要输出的转矩T*。下文中，该转矩也称 为所需转矩T、此外，控制装置30根据电动机速度MRN和电动机电流MCRT，通过 下文所述的方法来检测交流电动机M1的驱动状态。根据计算出的所需转矩1*和检测到的交流电动机Ml的驱动状态，控 制装置30设定用于对交流电动机Ml进行驱动的转矩控制值TR。随后，控制装置30采用下文所述的方法，根据所设定的转矩控制值 TR、输出电压Vm、以及电动机电流MCRT来产生信号PWMI，以控制逆 变器14的NPN晶体管Q3 — Q8使之在逆变器14驱动交流电动机Ml时进 行开关，控制装置30向逆变器14输出所产生的信号PWMI。此外，在逆变器14驱动交流电动机Ml时，控制装置30采用下文所 述的方法，根据直流电压Vb、输出电压Vm、转矩控制值TR和电动机速 度MRK来产生信号PWMC，以控制升压转换器12的NPN晶体管Ql、 Q2进行开关，控制装置30向升压转换器12输出所产生的信号PWMC。此外，在安装了电动机驱动装置100的混合动力车辆或电动车辆受到 再生制动时，控制装置30根据输出电压Vm、转矩控制值TR和电动机电 流MCRT来产生信号PWMI，以将交流电动机Ml产生的交流电压转换成 直流电压，控制装置30向逆变器14输出所产生的信号PWMI。在此情况 下，逆变器14使NPN晶体管Q3 —Q8如信号PWMI所控制的那样进行开 关。逆变器14将交流电动机M1产生的交流电压转换成直流电压，逆变器14向升压转换器12供给该直流电压。此外，再生制动中的控制装置30根据直流电压Vb、输出电压Vm、 转矩控制值TR和电动机速度MRN来产生信号PWMC，用于使从逆变器 14接收到的直流电压降压，控制装置30向升压转换器12输出所产生的信 号PWMC。这样，由交流电动机M1产生的交流电压被转换成直流电压、 被降压、并被供给直流电源B。2是图1所示控制装置30的功能框图。参考图2，控制装置30由转矩控制值设定装置32和电动机转矩控制 装置34构成，转矩控制值设定装置32用于设定用于对交流电动机Ml进 行驱动的转矩控制值TR，电动机转矩控制装置34用于控制逆变器14和 升压转换器12，从而驱动它们以使交流电动机Ml输出由转矩控制值TR 所指示的转矩。具体地说，转矩控制值设定装置32包括所需转矩计算单元301、输出 转矩限制单元302、驱动状态检测单元310、计数器308以及定时器309。所需转矩计算单元301接收来自加速器踏板位置传感器40的加速器 踏板位置AP、来自换档位置传感器42的换档位置SP以及来自制动踏板 位置传感器44的制动踏板位置BP，所需转矩计算单元301根据这些输入 信号来计算交流电动机Ml需要输出的转矩T*，所需转矩计算单元301向 输出转矩限制单元302输出计算得到的所需转矩T*。驱动状态检测单元310接收来自速度传感器20的电动机速度MRN和 来自电流传感器24的电动机电流MCRT，驱动状态检测单元310根据这 些接收到的信号来判定交流电动机Ml是否处于过载状态，驱动状态检测 单元310向输出转矩限制单元302输出判定结果。具体地说，如果电动机速度MRN低于预先设定的预定速度并且电动 机电流MCRT超过了预定基准电流，则驱动状态检测单元310判定为交流 电动机Ml处于使逆变器14过载的过载状态，驱动状检测单元310产生表 示过载状态的信号OVL并向输出转矩限制单元302输出该信号。注意，所述顿定速度被设定在大约为零附近的速度，以检测到交流电 动机Ml锁定并因而停机或以非常低的速度旋转。此外，在交流电动机Ml锁定并因而停机或以非常低的速度旋转时，逆变器14使超过了交流电 动机Ml正常工作时流动的交流电流上限值的直流电流持续流经特定的开 关元件。因此，预定基准电流被设定在比交流电流的上限值更高的电流 值。
此外，如果电动机速度MRN至少为所述预定速度和/或电动机电流 MCRT至多为所述预定基准电流，则驱动状态检测单元310判定为交流电 动机Ml处于正常状态，驱动状态检测单元310产生表示正常状态的信号 NOR并向输出转矩限制单元302输出该信号。
在输出转矩限制单元302接收到来自所需转矩计算单元301的转矩T* 以及来自驱动状态检测单元310的信号NOR或OVL时，输出转矩限制单 元302根据所需转矩丁*和交流电动机Ml的驱动状态来设定转矩控制值 TRo
具体地说，如果根据从驱动状态检测单元301接收到的信号NOR判 定为交流电动机Ml处于正常状态，则输出转矩限制单元302如下面将要 说明的那样不限制输出转矩，而是向电动机转矩控制装置34输出所需转 矩"作为用于驱动交流电动机Ml的转矩控制值TR。
如果根据从驱动状态检测单元301接收到的信号OVL判定为交流电 动机Ml处于过载状态，则输出转矩限制单元302采用下文中说明的方法 设定转矩控制值TR来限制从交流电动机Ml输出的转矩，并向电动机转 矩控制装置34输出所设定的转矩控制值TR。
图3是用于说明本发明实施例中对输出转矩进行控制的方法的正时图。
如图3所示，如果交流电动机Ml处于过载状态，则输出转矩限制单 元302设定转矩控制值TR，使交流电动机Ml间断地输出交流电动机Ml 所能输出的最大转矩T—max (下文中也称为最大转矩)。
具体地说，在交流电动机Ml中，通常执行所谓的电流控制来将根据 所需转矩设定的转矩控制值TR转换成交流电动机Ml的d轴分量和q轴 分量的电流指令值，并通过比例一积分控制来提供反馈以使实际的电动机 电流MCRT能够与电流指令值匹配。对于越大的所需转矩，交流电动机Ml使越高的电动机电流MCRT流过，当电动机电流MCRT达到交流电动 机M1所能通过的最大电流时，交流电动机Ml输出最大转矩Tlmax。
这里，如果车辆发生陷入沟渠等情况，电动机被锁定时，控制交流电 动机M1以对其进行驱动的逆变器14的特定开关元件将有大大超过正常工 作中流动的交流电流的直流电流流过。这个特定的开关元件可能迅速升高 温度并从而损坏。
因此，传统上使输出转矩从交流电动机Ml的最大转矩减小到在该特 定开关元件所能持续承受的最大直流电流通过时交流电动机Ml输出的转 矩(即能够被持续输出的转矩)，以防止该特定开关元件的温度升高。
但是，在交流电动机Ml被锁定时，车辆的驾驶员可能进一步按压加 速器踏板来增大驱动车辆的力，以试图从锁定状态脱离。如果此时输出转 矩立刻降低，则如前所述，不能获得所需的驱动车辆的力，车辆也不能脱 离锁定状态。为了防止这种缺点，希望利用交流电动机Ml的能力来使交 流电动机Ml确实输出最大转矩。
但是，使交流电动机Ml持续输出最大转矩可能使过大的电流持续流 经逆变器14的特定开关元件。这可能使该元件的温度迅速升高并对该元 件造成热破坏。
因此，本发明提供了输出转矩限制单元302，该单元构造成如果交流 电动机Ml处于使逆变器14过载的过载状态，则使交流电动机Ml间断性 地输出最大转矩。这能够防止特定开关元件迅速升高温度，也能确保从锁 定状态脱离所需的动态性能。
具体地说，参考图3，在1=0的时刻，检测到交流电动机M1处于过载 状态。作为响应，输出转矩限制单元302设定用于驱动交流电动机Ml的 转矩控制值TR，以从时刻tl至时刻t2 (即规定的时间长度dt)输出最大 转矩T—max。这样，输出转矩T只表现出最大转矩T—max达规定的时间 长度dt， 一旦经过了该预定时间长度dt或达到了时刻t2，输出转矩T就逐 渐减小。
注意，'规定时间长度dt被设定为比特定开关元件在对应于最大转矩 T max的电动机电流MCRT持续通过时达到容许温度所需的时间长度短。具体地说，例如，输出转矩限制单元302可以将从电流传感器24接收的 电动机电流MCRT累积该规定时间长度dt，并可以根据累积值来评估经过 了该规定时间长度dt时逆变器14的开关元件所达到的温度，该规定时间 长度dt可以被控制为使该元件的评估温度能够低于容许温度。
或者，为了便于控制，也可以将其设定为固定的时间长度，所述固定 的时间长度是通过电动机产生了多少动力以及需要对元件温度升高考虑多 少来确定的。规定时间长度dt由计时器309进行计数。
输出转矩T减小，在时刻t3，如果判定为已经达到了规定阈值 T—std，则输出转矩限制单元302再次设定转矩控制值TR来使交流电动机 Ml输出最大转矩T—max达规定时间长度dt， 一旦经过了规定时间长度 dt，则输出转矩限制单元302再次相应地将输出转矩T减小到规定阈值 Tstd。注意，规定阈值T—std被设定在交流电动机Ml所能持续输出的转 矩。
此外，在输出转矩限制单元302如上所述使交流电动机Ml重复输出 最大转矩T—max并减小输出转矩T的同时，计数器308对交流电动机Ml 输出的最大转矩T一max的次数进行计数。如果判定为在时刻tn，计数器 308计数的值达到了预先设定的预定允许次数，则输出转矩限制单元302 停止如上所述间断性地输出最大转矩T—max,所述预先设定的预定允许次 数在图3中设定为N次，其中N为至少2的整数。
这里，在考虑了此前逆变器的特定开关元件温度升高了多少的情况下 设定预定允许次数N，并将这样设定的预定允许次数N储存在输出转矩限 制单元302中内部存储区域处。如图3所示，在输出转矩T增大时，逆变 器14的开关元件温度随着电动机电流MCRT的增大而增大，在输出转矩 T减小时，逆变器14的开关元件温度随着电动机电流MCRT的减小而减 小，当输出转矩限制单元302使输出转矩T在最大转矩T—max与能够持续 输出的转矩T—std之间重复增大和减小时，开关元件的温度重复升高和降 低，因此温度逐渐升高。输出转矩限制单元302对于开关元件的温度有规 定的容许温度Th—lim，并设定成在开关元件不会达到容许温度Th—lim的 范围内可以输出多少次最大转矩T—max。这样，本发明使得只要开关元件没有达到容许温度Th—lim，交流电动 机Ml就能够输出最大转矩T—max这样能够防止开关元件过热，同时使交 流电动机Ml能够最大地表现其能力以确保动态性能。
此外，在图3中，在时刻to，当达到计数值i^N时，输出转矩限制单 元302设定转矩控制值TR，使交流电动机Ml只在规定时间长度dt输出 最大转矩T—max减去AT，并且，在经过了规定时间长度dt之后，当输出 转矩T减小并因而达到规定阈值(或能够被持续输出的转矩)T一std时， 输出转矩限制单元302使交流电动机Ml在规定时间长度dt输出紧挨着的 前一个输出转矩(=T—max - AT)再减去AT的转矩(=T—max - 2.AT)。 这样， 一旦最大转矩T—max已经被输出了允许次数N次，则交流电动机 Ml间断性地输出递减了AT的最大转矩T—max。此时，开关元件的温度重 复地平缓增大和降低，收敛到低于容许温度Th一lim的预定温度。
这样，在交流电动机M1己经输出最大转矩T—max规定次数之后，交 流电动机Ml仍然继续输出逐渐从最大转矩T—max减小的转矩。这使交流 电动机Ml能够比$俞出转矩T在时间tn之后立刻从最大转矩T—max降低 的情况更好地表现其能力。由此，可以进一步确保动态性能。
再参考图2，在电动机转矩控制装置34接收到来自输出转矩限制单元 302的转矩控制值TR时，电动机转矩控制装置34控制逆变器14和升压转 换器12，以输出由转矩控制值TR指示的转矩。
具体地说，电动机转矩控制装置34包括电动机控制相电压计算单元 303、逆变器PWM信号转换单元304、逆变器输入电压指令计算单元 305、转换器占空比计算单元306以及转换器PWM信号转换单元307。
电动机控制相电压计算单元303接收来自电压传感器11的从升压 转换器12输出的电压Vm (即输入到逆变器14的电压)；来自电流传感 器24的电动机电流MCRT;以及来自输出转矩限制单元302的转矩控制 值TR。电动机控制相电压计算单元306使用转矩控制值TR1、电动机电 流MCRT以及输出电压Vm来计算向交流电动机Ml的各相线圈施加的电 压，并向逆变器PWM信号转换单元304输出所得的计算结果。
逆变器PWM信号转换单元304使用从电动机控制相电压计算单元303接收的所得计算结果来产生使逆变器14的各个NPN晶体管Q3 — Q8 导通/关断的信号PWMI，并向逆变器14的各个NPN晶体管Q3 — Q8输出 所产生的信号PWMI。如果驱动状态检测单元310检测到交流电动机Ml 处于过载状态，则逆变器PWM信号转换单元304只对于规定时间长度dt 才向逆变器14的各个NPN晶体管Q3—Q8输出所产生的信号PWMI。
这样，逆变器14使各个NPN晶体管Q3—Q8被控制为进行开关，以 对流过交流电动机Ml各个相的电流进行控制，使交流电动机Ml能够输 出所指示的转矩。这样，驱动电动机的电流得到控制，与转矩控制值TR 对应的转矩得以输出。
此外，如果交流电动机Ml处于过载状态，则交流电动机Ml间断性 地对于每个规定时间长度dt输出最大转矩T一max。 一旦最大转矩T一max 已经被输出了允许次数，就间断性地对于每个规定时间长度dt输出从最大 转矩T一max逐渐减小的转矩。
逆变器输入电压指令计算单元305根据从输出转矩限制单元302接收 到的转矩控制值TR和从速度传感器20接收到的电动机速度MRN，来确 定输入到逆变器的电压最佳值(或目标值)，即用于升压转换器12的电 压控制值Vdc一com，并向转换器占空比计算单元306输出所确定的电压控 制值Vdc—com。
在转换器占空比计算单元306接收到来自逆变器输入电压指令计算单 元305的电压控制值Vdc一com以及来自电压传感器10的直流电压Vb 时，转换器占空比计算单元306根据直流电压Vb来计算占空比DR，以将 输入逆变器14的电压Vm设定在电压控制值Vdc—com。转换器占空比计 算单元306向逆变器PWM信号转换单元307输出计算出的占空比DR。
转换器PWM信号转换单元307使用从转换器占空比计算单元306接 收到的占空比DR来产生用于使升压转换器12的NPN晶体管Ql、 Q2导 通/关断的信号PWMC，并向升压转换器12输出所产生的信号PWMC。
图4是用于图示本发明的实施例中对输出转矩进行限制的流程图。
参考图4，所需转矩计算单元301从传感器40、 42'、 44接收加速器踏 板位置AP、制动踏板位置BP以及换档位置SP (步骤SOl)。根据这些输入信号，所需转矩计算单元301计算交流电动机M1需要的转矩T气所需
转矩计算单元301向输出转矩限制单元302输出计算出的所需转矩T*。
驱动状态检测单元310根据电动机速度MRN和电动机电流MCRT来 判定交流电动机Ml是否处于过载状态(步骤S03)。如果是，则驱动状 态检测单元301相应地产生信号OVL并将其输出到输出转矩限制单元 302。如果判定为交流电动机Ml处于正常状态，则驱动状态检测单元310 相应地产生信号NOR并将其输出到输出转矩限制单元302。
在输出转矩限制单元302接收到信号OVL时，输出转矩限制单元302 设定转矩控制值TR来使交流电动机Ml根据参考图3所述的方法仅将最 大转矩T—max间断性地输出允许次数N次。
具体地说，在输出转矩限制单元302接收到信号OVL时，输出转矩 限制单元302使计数器308的计数值n递增到n+l (步骤S04)，输出转 矩限制单元302判定经过递增的计数值n是否不超过允许次数N (步骤 S05)。
如果在步骤S05判定为计数值n不超过允许次数N，则输出转矩限制 单元302对于规定时间长度dt，向电动机转矩控制装置34输出交流电动 机Ml的最大转矩T一max作为转矩控制值TR (步骤S06)。
在电动机转矩控制装置34接收到转矩控制值TR时，电动机转矩控制 装置34根据转矩控制值TR、电动机电流MCRT和输出电压Vm产生信号 PWMI，使逆变器14的各个NPN晶体管Q3—Q8导通/关断以输出最大转 矩T—max (步骤S08)，电动机转矩控制装置34仅对于规定时间长度dt 向逆变器14的各个NPN晶体管Q3—Q8输出所产生的信号PWMI (步骤 S09)。
这样，逆变器14使各个NPN晶体管Q3 — Q8被控制为进行开关，以 控制流经交流电动机Ml各个相的电流来输出最大转矩T—max。这样，对 电动机进行驱动的电流受到控制，交流电动机Ml对于规定时间长度dt输 出与转矩控制值TR对应的转矩。
一旦已经经过了规定时间长度dt，输出转矩T减小并因而达到规定阈 值(能够被持续输出的阈值)T—std (步骤S10)，则控制再次返回步骤S03以判定交流电动机Ml是否脱离了过载状态。如果判定为交流电动机
Ml仍然处于过载状态，则输出转矩限制单元302前进到步骤S04和S05 以判定经过递增的计数值n是否不超过允许次数N。如果是，则输出转矩 限制单元302将最大转矩T—max设定为转矩控制值TR (步骤S06)。这 样，交流电动机M1被控制为受到驱动，再次将最大转矩T—max仅输出规 定时间长度dt (步骤S08 — S10)。
如果判定为计数值n己经超过了允许次数N，则输出转矩限制单元 302前进到步骤S07，并将减小了AT的最大转矩T—max (即转矩T—max -△T)设定为新的转矩控制值TR (步骤S07)，并执行步骤S08 — S10来使 交流电动机Ml输出比最大转矩T—max小AT的转矩达规定时间长度dt。
步骤S03 — S10中的上述一系列操作一直持续到交流电动机Ml脱离 过载状态，当判定为交流电动机Ml已经脱离了过载状态时，输出转矩限 制单元302不再执行这种输出转矩限制，而是输出所需转矩TM乍为转矩控 制值TR (步骤SIO 。这样，电动机转矩控制装置34对流经交流电动机 Ml各个相的电流进行控制，使交流电动机Ml输出所需转矩T* (步骤 S12、 S13)。由此，交流电动机Ml根据驾驶员的操作而输出所需转矩 IT* 。
变更形式
如前所述，交流电动机Ml能够将最大转矩T—max输出允许次数N 次，所述允许次数N是考虑了以前逆变器14的特定开关元件温度升高了 多少来设定的，这样设定的允许次数N被储存在输出转矩限制单元302中 的储存区域。
如果允许次数N被设置为可随着逆变器14的开关元件初始温度而改 变，则可以更有效地利用最大转矩T一max来使交流电动机Ml在动态性能 方面得到增强。
具体地说，输出转矩限制单元32对从温度传感器13接收的逆变器冷 却水温Tiv进行检测，作为电动机驱动装置IO的环境温度，并对检测到的 电动机驱动装置100的环境温度进行评估，作为逆变器14的开关元件的 初始温度。输出转矩限制单元302在所评估的逆变器冷却水温Tiv (即逆变器14 开关元件初始^a度值)与交流电动机Ml最多被允许输出多少次最大转矩 T—max之间设定如图5所示的关系，输出转矩限制单元302预先以对照图 的形式保存这种关系。具体地说，参考图5，对于越高的开关元件初始温 度，允许次数N被设定得越小。在输出转矩限制单元302从温度传感器13 接收到温度Tiv时，输出转矩限制单元302参照对照图来确定与检测到的 温度Tiv对应的允许次数N。
这样，将最大转矩T—max输出随着开关元件的初始温度而变化的允许 次数N次使得在防止开关元件过热的同时也能够更加有效地利用最大转矩 T—max。具体地说，如果逆变器的冷却水温Tiv较低，即如果幵关元件的 初始温度被评估为较低，则允许交流电动机Ml将最大转矩T一max输出较 多次，以在将开关元件的温度保持在容许温度Th一lim之内的同时，使交流 电动机Ml在动态性能方面得以增强。
如果逆变器的冷却水温Tiv较高，即如果开关元件的初始温度被评估 为较高，则交流电动机Ml被控制为将最大转矩T—max输出受到限制的较 少次。这样可以在最大限度利用最大转矩T_max的同时确保防止逆变器 14使开关元件过热。
图6是用于图示在本发明实施例的一种示例性变更形式中对输出转矩 进行限制的流程图。图6的流程图对应于给图4的流程图在步骤S02与 S03之间增加附加步骤S021。因此，那些重叠的步骤(即步骤S01 — S13)将不再详细地重复说明。
参考图6，在步骤S021，输出转矩限制单元302接收来自所需转矩计 算单元301的所需转矩T*、来自驱动状态检测单元310的信号NOR或 OVL以及来自温度传感器13的检测到的逆变器冷却水温Tiv，输出转矩限 制单元302参考预先储存的图5对照图，来确定对应于逆变器冷却水温 Tiv，最多可以将最大转矩T—max输出多少次。
这样，如果驱动状态检测单元310在歩骤S03检测到交流电动机Ml 处于过载状态，则输出转矩限制单元302随即在步骤S04 — S07设定转矩 控制值TR来使交流电动机Ml在所确定的允许次数N范围内输出最大转矩T—max,输出转矩限制单元302设定转矩控制值TR来使输出转矩T从 最大转矩T—max逐渐减小。
这样，在本发明的实施例中，当交流电动机处于过载状态时，只要确 保逆变器的特定开关元件受到了热保护，交流电动机就能够输出最大转 矩。这样可以避免造成所述特定开关元件过热，同时使交流电动机能够最 大限度地表现其能力以确保动态性能。
注意在本发明中，输出转矩限制单元302构成了 "电动机输出限制单 元"，驱动状态检测单元310构成了 "过载状态检测单元"。
应当明白，这里所公开的实施例在各个方面都是示例性而不是限制性 的。本发明的范围由权利要求项来限定而不是由上述说明来限定，并应当 认为包括了在权利要求项的范围及与其等同的含义内的任何变更形式。
工业应用性
本发明可以应用于安装在混合动力车辆或电动车辆中的电动机驱动装置。
权利要求
1.一种电动机驱动装置，包括电源(B)；驱动电路(14)，其从所述电源(B)接收电力以驱动电动机(M1)；和控制装置(30)，其控制所述驱动电路(14)，使所述电动机(M1)的输出与目标转矩匹配，所述控制装置(30)包括过载状态检测单元(310)，其根据所述电动机(M1)的速度和驱动所述电动机的电流来检测所述电动机(M1)的过载状态，和电动机输出限制单元(302)，其响应于检测得到的所述电动机(M1)的所述过载状态而工作，以限制从所述电动机(M1)输出的转矩，所述电动机输出限制单元(302)设定所述目标转矩，使所述电动机(M1)在允许次数以内间歇地输出所述电动机(M1)能够输出的最大转矩，所述允许次数具有预先设定的预定范围。
2. 根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其中，所述电动机输出限 制单元(302)设定所述目标转矩，使所述电动机(Ml)在具有所述预定 范围的所述允许次数内，对于每个规定的时间长度，均输出所述电动机(Ml)能够输出的所述最大转矩。
3. 根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其中，所述电动机输出限 制单元(302)设定所述允许次数，以防止所述驱动电路(14)在温度方 面超过规定的容许值。
4. 根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其中，在做出所述电动机 (Ml)已经将所述最大转矩输出了所述允许次数的判定时，所述电动机输出限制单元(302)设定所述目标转矩，使所述电动机(Ml)对于每个所 述规定时间长度均输出从所述最大转矩逐渐减小的转矩。
5. 根据权利要求4所述的电动机驱动装置，其中所述驱动电路(14)是具有多个开关元件的电力转换器，所述多个开关元件进行开关操作以在所述电源(B)与所述电动机(Ml)之间提供电 力转换；并且所述规定时间长度被设定为短于以下时间长度，即在对所述电动机进 行驱动的、与所述最大转矩对应的所述电流持续流过的情况下，所述多个 开关元件中任一者达到规定的容许温度所需的时间长度。
6. 根据权利要求1_5中任一项所述的电动机驱动装置，其中 所述控制装置获取所述驱动电路的初始温度；并且所述电动机输出限制单元(302)根据获取的所述驱动电路(14)的所述初始温度，来对所述允许次数进行调节。
7. 根据权利要求6所述的电动机驱动装置，其中，所述电动机输出限 制单元(302)将所述允许次数调节为随着所述驱动电路(14)的所述初 始温度相对增大而相对减小。
全文摘要
一种电动机控制装置根据电动机的转数和电动机驱动电流来检测电动机的过载，并控制目标转矩以设定成使电动机对应于所检测到的电动机过载状态而在预设允许转数范围之内间断性地输出电动机所能输出的最大转矩。这样，即使电动机过载，也能在不使电动机输出转矩变差的情况下保护驱动电路。
文档编号H02P6/12GK101300731SQ200680041060
公开日2008年11月5日 申请日期2006年10月31日 优先权日2005年11月1日
发明者中山宽 申请人:丰田自动车株式会社