阅读说明：本技术 用于电动转向的控制 (Control for electric power steering ) 是由 N·莱斯 M·库达诺斯基 T·特尔蒂 于 2019-06-10 设计创作，主要内容包括：本公开涉及用于电动转向的控制。一种电机驱动级,特别是用于电动转向(EPS)系统的电机驱动级,包括：连接到多相电机的至少一个逆变器桥,其中逆变器桥包括多个开关元件,每个所述开关元件与电机的一相相关联,其特征在于,逆变器桥包括Z源或准Z源逆变器桥,并且每个所述开关元件包括宽带隙半导体设备。(The present disclosure relates to control for electric power steering. Motor drive stage, in particular for an Electric Power Steering (EPS) system, comprising: at least one inverter bridge connected to a multiphase electric machine, wherein the inverter bridge comprises a plurality of switching elements, each of said switching elements being associated with a phase of the electric machine, characterized in that the inverter bridge comprises a Z-source or quasi-Z-source inverter bridge and each of said switching elements comprises a wide bandgap semiconductor device.)

用于电动转向的控制

技术领域

本发明涉及电机驱动级，特别是用于电动转向(EPS)系统的电机驱动级。

背景技术

电动转向(EPS)系统在现有技术中是众所周知的。在一个已知的系统中，由电动机产生的动力用于在转向柱中沿与车辆驾驶员转动方向盘所产生的检测到的需求扭矩相同的方向产生辅助扭矩。EPS系统还可以实现非驾驶员施加的转向输入，例如在车辆的车道引导和自动或半自动转向期间所需要的。

尽管可以采用许多不同的电机设计，但通常的做法是提供DC同步电机以施加辅助扭矩。典型的DC同步电机具有多个相，每个相都供应有正弦电压波形。对于三相电机，正弦曲线全部选择为与任何其他正弦曲线异相120度。通过改变施加到每个相的正弦曲线的幅度，可以精确地控制电机转子的速度和位置。

车辆本身并不包括AC电压源，因此为了驱动电机，使用称为逆变器的电机驱动级。逆变器的功能是将存在于其两个输入节点上的DC电压转换为各相所需的AC电压。典型的逆变器包括布置为桥的多个半导体开关元件，其控制输送到电机的电流并由此控制电机的旋转。通过将脉冲宽度调制波形(PWM)施加于半导体开关元件来实现正弦波形的合成。

本发明的一个目的是提供一种改进的电机驱动级，特别是用于EPS系统中的电机驱动级。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种电机驱动级，特别是适用于电动转向(EPS)系统的电机驱动级，其包括：连接到多相电机的至少一个逆变器桥，其中逆变器桥包括多个开关元件，每个所述开关元件与电机的一相相关联，

其特征在于，逆变器桥包括Z源或准Z源逆变器桥，并且每个所述开关元件包括宽带隙半导体设备。

宽带隙半导体设备可以包括氮化镓(GaN)或碳化硅FET设备。

Z源逆变器桥可以包括多对开关元件，每对开关元件串联连接在高侧供电轨和低侧供电轨之间，用于相应电机相的输出电压在每对元件的两个元件之间的点处取出。

Z源逆变器桥可以包括电感网络和另一个开关元件，该电感网络包括至少两个电感器L1、L2和两个电容器C1、C2，其连接在两个输入节点处的正DC电源和地之间的双端口网络中，并在z源逆变器桥的两个输出节点处连接到高侧供电轨和低侧供电轨，该另一个开关元件包括宽带隙半导体设备。

两个电感器L1、L2可以串联连接在输入端口和输出端口之间，并且两个电容器可以对角连接。

当然，电感器可以是指串联或并联连接以提供一个整体电感的多个电感设备。类似地，电容器可以是指串联连接或并联连接以提供整体电容的多个电容器。

在替代方案中，Z源逆变器桥可以是准Z源逆变器拓扑。其具有相同数量的电感器和电容器，但在两个输入节点以及高侧供电轨和低侧供电轨之间布置成不同的拓扑。

输入节点可以分别连接到正DC电源电压和地。

另一个开关设备可以串联连接在用于连接到正DC电源的输入节点和高侧供电轨之间。两个电感器中的一个可以串联地设置在另一个开关设备和高侧供电轨之间。

在每种布置中，逆变器可以以主动模式或直通(shoot through)模式操作，并且驱动级可以包括控制器，该控制器通过调制另一个开关元件和桥的开关元件来控制操作模式。本领域技术人员将熟悉在两种模式中的每一种模式下操作逆变器的控制策略。

电机驱动级可以形成EPS系统的一部分。

EPS系统可以包括控制器，该控制器为桥的每个开关元件产生脉冲宽度调制(PWM)驱动信号。PWM信号可以具有至少1Mhz或2Mhz或更高的开关频率，尽管本发明也适用于较低频率，例如200kHz或更低。由于其横向结构和低栅极电容，诸如GaN FET的宽带隙设备可以比MOSFET更快地开关，例如快100倍，同时在以20kHz开关时保持与现有技术MOSFET相当的开关损耗。由GaN设备促进的增加的PWM频率意味着需要在较短的时间段内将能量存储在Z源网络中，因此可以降低电感和电容值。

可以布置逆变器的控制使得存在于桥的高侧的电压超过电机反EMF。

EPS系统可以包括具有多个相的电机，每个相连接到逆变器桥的一对开关元件中的一个。

电机可以包括DC同步多相电机。

申请人已经意识到，使用宽带隙FET能够实现非常高的PWM频率，这进而使Z源逆变器成为汽车应用的可行选择，因为这种应用通常具有很大的空间和成本限制。本发明允许电感网络元件、电容器和电感器的尺寸相对小，因为其不需要存储与较低PWM频率的情况下一样多的能量。与使用硅MOSFET设备的现有技术的MOSFET桥相比，这降低了成本。它还允许将Z源拓扑封装在类似于以较低频率运行的较简单的电路拓扑的空间中。

使用Z源拓扑是有益的，因为它使得能够严格控制高侧电压(有时称为直流链路电压)，特别是对于在电机以高RPM运转并产生相对高的反EMF(否则将高于电源电压)时要提升到高于DC电源电压的电压。对于传统的电压源逆变器(VSI)，必须通过限制电机RPM或场弱化以减少反EMF来避免这种情况，尽管这会降低电机的效率并导致电机和驱动级内的高的热耗散。申请人提出的布置改善了这个问题，并且可以允许电机和驱动级运行得更冷并使用更小的无源部件，例如较小的电容器和电感器，因为能够以使用宽带FET所提供的更高的开关速度运行。

在本发明的各个方面和实施例的情景中描述的特征可以一起使用并且/或者可以互换。类似地，为简洁起见，在单个实施例的情景中描述特征的情况下，这些特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。结合设备描述的特征可以具有关于(一种或多种)方法和计算机程序可定义的对应特征，并且具体地设想这些实施例。

在提及“事件”或“故障状况”等的情况下，这应被广义地解释。应该理解，这包括“内部”故障/事故，例如短路。它还包括可能导致FET经受高反EMF的“外部”事件，例如EPS电机在车辆维修期间(由服务工程师)高速地外部旋转并因此用作发电机。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1示出了包括根据本发明的电机驱动级的双冗余EPS系统的第一实施例；以及

图2示出了根据本发明的电机驱动级的第一实施例；以及

图3示出了根据本发明的电机驱动级的第一实施例。

具体实施方式

图1表示根据本发明的EPS系统100的第一实施例。所示的示例用于先进的双通道系统，尽管这仅是示例性的，并且本发明可以应用于仅具有一个通道或使用三个或更多通道的EPS系统。

EPS系统包括分别连接到第一电机130和第二电机130'并配置成分别驱动第一电机130和第二电机130'的第一逆变器桥120和第二逆变器桥120'。每个电机包括一组相绕组，在该示例中形成以星形拓扑连接的三相。第一桥和电机形成一个通道，并且第二桥和电机形成第二通道。在该示例中，两个通道是相同的，现在将描述仅第一通道的构造。可以考虑每个通道来定义用于相应电机的驱动级电路。

图2示出了用于图1的EPS系统的驱动级的第一实施例。DC电压由电池110施加在供电轨和地轨之间，并且经由逆变器120连接到三相电机130。逆变器120包括三个平行臂(A，B，C)，每个臂具有串联连接在高侧轨121和低侧轨122之间的一对宽带隙GaN FET S1、S2、S3、S4、S5、S6。电机相A、B、C以星形配置彼此连接，并从相应的一对GaN FET之间分支。这样，GaN FET S1、S2连接到电机130的第一相A，GaN FET S3、S4连接到电机130的第二相B，并且GaN FET S5、S6连接到电机130的第三相C。与每相(臂A、B、C)相关联的GaN FET对彼此并联连接并连接到电池110。

GaN FET还布置成两组，其中在逆变器120的“高”侧具有FETS S1、S3和S5，在逆变器120的“低”侧具有FETS S2、S4、S6。术语“高”和“低”是仅为了便于参考而标记的。每个FETS1……S6的栅极连接到栅极驱动器，以将每个FET切换为导通或断开。每个栅极驱动器从控制器(未示出)接收控制信号。

在使用中，控制器将电压信号施加到每个FET的栅极，以按预定义的顺序快速地将其切换为导通和断开，从而控制施加到电机的各相的电压和流过绕组的电流。这进而控制绕组产生的磁场的强度和方向，从而控制电机的转矩和速度。通过使用足够快速的脉冲宽度调制(PWM)开关模式，可以施加近似于平滑地旋转电机所需的理想正弦波形的相位驱动波形。这适用于正常操作中的两个桥120,120'，即，在正常操作期间以受控方式接通和断开两个桥120,120'的所有FET。显而易见的是，宽带隙开关设备的使用允许非常快速的ON-OFF转变，其进而允许使用大约2MHz或更高的相对高的PWM频率，这是使用MOSFET设备无法实现的。

当驾驶员操作车辆(未示出)的方向盘140时，系统检测需求扭矩。控制器根据该扭矩需求确定两个电机130,130'中的每一个的电流需求，并且将适当的PWM栅极信号施加到开关以使电机根据需求扭矩和车辆速度产生辅助扭矩，其作用在转向架上以辅助转向车辆。

图2的逆变器桥包括Z源逆变器拓扑，其中两个电感器L1、L2和两个电容器C1、C2连接在该桥的高侧供电轨和低侧供电轨以及DC电源的正侧123和接地侧124之间。两个电容器对角连接，以提供从正DC电源到低侧以及从该电源的接地到高侧的路径，并且两个电感器内联连接，即从正极到高侧和从接地到低侧。在正DC电源和该电感器之间设置与电感器L1串联的另一宽带隙FET。

此外，提供另一个开关元件S7。它位于DC电源电压和电感器网络之间，即开关元件的远离DC电源电压的一侧与对角线电容器C1和内联电感器L1连接到同一节点。在桥的击穿状态期间，该开关可以在使用中被断开，因此桥式开关不会使电容器C1和C2以及Vdc电源短路。

图3示出了驱动级1200的替代布置，其中Z源逆变器拓扑已经布置成形成所谓的准Z源逆变器。在该布置中，桥S11、S21、S31、S41、S51和S61内的GaN FET以地线为参考，使得MOSFET的驱动可能更容易，但功能基本相同。如前所述，存在两个电容器C11和C21，以及两个电感器L11，L21和另一个宽带隙半导体设备S71。然而，在该实施例中，两个电感器串联布置在正DC电源和桥的高侧之间，其中开关元件串联在它们之间。其中一个电容器从位于开关元件和最靠近桥的高侧的电感器之间的点连接到地线。另一个电感器从位于开关元件和最靠近DC电源的电感器之间的点并联连接到桥的高侧。

通过阅读本公开，其他变化和修改对于技术人员将是显而易见的。这些变化和修改可以涉及本领域中已知的等同特征和其他特征，并且可以用来代替或补充本文已经描述的特征。

尽管所附权利要求涉及特征的特定组合，但应当理解，本发明的公开范围还包括本文明确地或隐含地公开的任何新颖的特征或特征的任何新颖的组合或其任何概括，无论它是否涉及与现在在任何权利要求中要求保护的发明相同的发明，以及它是否减轻了与本发明相同的任何或所有相同的技术问题。

在分开的实施例的情景中描述的特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的情景中描述的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。申请人在此通知，在本申请或由此衍生的任何进一步申请的审查期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合制定新的权利要求。

为了完整起见，还指出术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一个”不排除复数形式，单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的几个装置的功能，并且权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。