專利名稱：一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，具體的說，是由12V蓄電池系統(tǒng)供電、助力執(zhí)行器為直流永磁有刷電機(jī)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器。
背景技術(shù)：
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、助力大小隨車速而變化且助力特性修改方便等特點(diǎn)，是近年來新興的車輛助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它根據(jù)轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向信號和車速信號，通過電子控制裝置控制助力電機(jī)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提供隨車速變化的助力，以輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。其中，電子控制裝置是該系統(tǒng)的核心部件，其性能好壞直接對助力系統(tǒng)及整車性能產(chǎn)生影響。
目前，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中廣泛采用直流永磁有刷電機(jī)作為助力執(zhí)行器。根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對助力電機(jī)控制的要求，往往采用由四個(gè)N溝道型電力電子器件組成的H橋電路來實(shí)現(xiàn)對這種助力電機(jī)的控制。例如，目前已在國內(nèi)裝車上市的昌河鈴木北斗星乘用車上所用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器中就采用了這種模塊結(jié)構(gòu)。這種模塊結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，在控制器的電源模塊中需另外增加電源升壓模塊，用于驅(qū)動(dòng)靠近蓄電池電源正極端的兩個(gè)N溝道型電力電子器件。這樣會使模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。同時(shí)，這種模塊結(jié)構(gòu)在可靠性方面也存在一定的缺陷，當(dāng)12V蓄電池因車上用電設(shè)備功率較大而電壓不足時(shí)，這個(gè)額外的電源升壓模塊提供的柵極驅(qū)動(dòng)電壓不足以使電力電子器件完全可靠導(dǎo)通，增加了其導(dǎo)通損失，導(dǎo)致控制器發(fā)熱量加大，甚至引起有關(guān)器件的損壞。因此，這種模塊必需采用較好的散熱措施，這樣會增加控制器的成本。而即使采用了良好的模塊保護(hù)和散熱措施，由于電力電子器件的發(fā)熱而使能量損耗增加，電機(jī)控制的效率亦有所下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、用于車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流永磁有刷電機(jī)的控制器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器由微控制器模塊、信號處理模塊、輸出控制模塊、電源模塊、繼電器及其驅(qū)動(dòng)模塊、H橋模塊、柵極驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)電流檢測模塊、狀態(tài)監(jiān)視模塊組成，其特征在于H橋模塊采用兩個(gè)P溝道型電力電子器件和兩個(gè)N溝道型電力電子器件。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的控制器中，兩個(gè)P溝道型電力電子器件的源極接到蓄電池正極引出端，兩個(gè)N溝道型電力電子器件的源極接到蓄電池負(fù)極引出端。這四個(gè)電力電子器件分成兩組，每組由一個(gè)N溝道型電力電子器件和一個(gè)P溝道型電力電子器件組成，同組中的P溝道型電力電子器件的漏極與N溝道型電力電子器件的漏極相連。直流永磁有刷電機(jī)的兩個(gè)引出端子分別跨接在兩組電力電子器件的公共端上，構(gòu)成電機(jī)、H橋模塊與蓄電池的連接回路。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明根據(jù)N溝道和P溝道型電力電子器件驅(qū)動(dòng)控制的特點(diǎn)，采用了一種通用的柵極驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊的控制信號由微控制器給出。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的控制器中，柵極驅(qū)動(dòng)模塊的供電模塊中不再需要電源升壓模塊，避免增加的電源升壓模塊因效能或故障問題影響H橋模塊的性能或工作的可靠性，同時(shí)又節(jié)約了成本。


圖1為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器應(yīng)用對象系統(tǒng)(以轉(zhuǎn)向軸助力式為例)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器內(nèi)部功能模塊及其外部相關(guān)元器件的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的H橋模塊及其外部相關(guān)元器件的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常用電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋模塊示意圖。
符號說明1-轉(zhuǎn)向盤；2-轉(zhuǎn)向管柱；3-機(jī)械式轉(zhuǎn)向器；4-減速裝置；5-轉(zhuǎn)向傳感器；6-電機(jī)離合器總成；7-控制器；8-蓄電池；9-車速傳感器；10-點(diǎn)火開關(guān)；11-其他有關(guān)傳感器；12-電磁離合器；13-電機(jī)；14-故障指示燈；15-微控制器模塊；16-信號處理模塊；17-輸出控制模塊；18-電源模塊；19-繼電器驅(qū)動(dòng)模塊；20-繼電器；21-柵極驅(qū)動(dòng)模塊；22-H橋模塊；23-狀態(tài)監(jiān)視模塊；24-電機(jī)電流檢測模塊；25-車輪。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明。
本發(fā)明的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器應(yīng)用對象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)向盤1、轉(zhuǎn)向管柱2、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器3、減速裝置4、轉(zhuǎn)向傳感器5、電機(jī)總成6、控制器7、蓄電池8、車速傳感器9、轉(zhuǎn)向輪25組成。在轉(zhuǎn)向管柱2上，安裝有轉(zhuǎn)向傳感器5，用來檢測駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤1的轉(zhuǎn)向狀態(tài)信號；同時(shí)，在轉(zhuǎn)向管柱2上、轉(zhuǎn)向傳感器5的下端接入了減速裝置4。由助力電機(jī)13和電磁離合器12(參見圖2)組成的電機(jī)總成6通過減速裝置4與機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相連，用來提供轉(zhuǎn)向助力?？刂破?檢測轉(zhuǎn)向傳感器5的轉(zhuǎn)向信號和車速傳感器9的車速信號，根據(jù)這些信號來判斷轉(zhuǎn)向狀態(tài)并通過查表或計(jì)算，控制電機(jī)13提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力?？刂破?的電能來自車輛供電系統(tǒng)，包括蓄電池8和與蓄電池相連的發(fā)電機(jī)(圖中未示出)。
本發(fā)明的控制器7的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。信號處理模塊16與外部傳感器和點(diǎn)火開關(guān)等連接，并將這些傳感器和點(diǎn)火開關(guān)送來的信號經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成微控制器模塊15可接收的信號。這些信號包括轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和/或轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，車速信號，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號和/或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號等。
本發(fā)明的微控制器模塊15由至少一個(gè)微控制器以及其相關(guān)外圍模塊組成。它根據(jù)信號處理模塊16發(fā)送過來的相關(guān)信號確定一個(gè)助力轉(zhuǎn)矩的預(yù)設(shè)值。同時(shí)，根據(jù)檢測電機(jī)13電樞電流的電流檢測模塊24提供的電流的大小和方向與助力轉(zhuǎn)矩的預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，確定助力電機(jī)13的控制方式和控制量。控制方式和控制量通過在微控制器模塊15中設(shè)定的映射法則轉(zhuǎn)換成柵極驅(qū)動(dòng)模塊21的控制信號。這些控制信號發(fā)送給柵極驅(qū)動(dòng)模塊21，經(jīng)轉(zhuǎn)換和放大，驅(qū)動(dòng)H橋模塊22中的電力電子器件。
如圖3所示，本發(fā)明的電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋模塊22由Q1、Q2、Q3和Q4四個(gè)電力電子器件組成，其中Q1和Q2為P溝道型，Q3和Q4為N溝道型。兩個(gè)P溝道型電力電子器件Q1、Q2的源極接到蓄電池正極引出端，兩個(gè)N溝道電力電子器件Q3、Q4的源極接到蓄電池負(fù)極引出端。這四個(gè)電力電子器件分成兩組，Q1和Q3為一組，Q2和Q4為一組，每組由一個(gè)N溝道型電力電子器件和一個(gè)P溝道型電力電子器件，P溝道型電力電子器件的漏極與N溝道型電力電子器件的漏極相連。直流永磁有刷電機(jī)的兩個(gè)引出端子分別跨接在兩組電力電子器件的公共端上，構(gòu)成電機(jī)、H橋模塊與蓄電池的連接回路。
傳統(tǒng)的電動(dòng)助力系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋模塊如圖4所示，采用四個(gè)N溝道型電力電子器件，這四個(gè)電力電子器件分為兩組，a、c管為一組，b、d管為一組。a、b管的漏極與電源正極引出端相連，c、d管的源極與電源負(fù)極引出端相連，a、b管的源極分別與c、d管的漏極相連。直流永磁有刷電機(jī)的兩個(gè)引出端子分別跨接在兩組電力電子器件的中間點(diǎn)上，構(gòu)成電機(jī)、H橋與蓄電池的連接回路。
對于N溝道型電力電子器件，需在其柵極和源極之間加一定的正向電壓方可導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)電流從電力電子器件的漏極流向源極。而對于P溝道型電力電子器件，需在其柵極和源極之間加一定的反向電壓方可導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)電流從電力電子器件的源極流向漏極。
對于傳統(tǒng)的采用四個(gè)N溝道型電力電子器件的H橋模塊，假設(shè)電流從左向右流經(jīng)電機(jī)，則需同時(shí)開啟a、d管。由于d管源極接地，12V柵極電壓可以充分使其開啟；但是，a管開啟后，其源極電壓達(dá)到12V，此時(shí)必須向其柵極提供20V以上的電壓方可使其充分開啟。同理，當(dāng)電流從右向左流經(jīng)電機(jī)時(shí)，為使b管充分導(dǎo)通，亦必須向其柵極提供20V以上的電壓。因此，傳統(tǒng)的采用四個(gè)N溝道型電力電子器件管的H橋模塊的驅(qū)動(dòng)模塊中必須有電荷泵，將12V蓄電池電壓泵升到22V左右，這不僅使H橋模塊的驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，而且電荷泵工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，增加H橋模塊的驅(qū)動(dòng)模塊電路對外部環(huán)境和控制器內(nèi)部電路的干擾。
對于本發(fā)明的采用兩個(gè)P溝道型和兩個(gè)N溝道型電力電子器件的H橋模塊，若要使其上橋臂的某個(gè)P溝道型電力電子器件充分導(dǎo)通，則只需要控制其柵極電壓信號為零即可，無需通過電荷泵進(jìn)行升壓。
本發(fā)明的四個(gè)電力電子器件的開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊采用相同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)放大電路，提供電力電子器件開關(guān)所需要的驅(qū)動(dòng)電流，它們包含在柵極驅(qū)動(dòng)模塊21中。如果開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊接通電力電子器件的柵極和蓄電池地線，相應(yīng)的Q1或Q2開通，Q3或Q4關(guān)斷；如果開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊接通電力電子器件的柵極和蓄電池電源正極，相應(yīng)的Q1或Q2關(guān)斷，Q3或Q4導(dǎo)通。四個(gè)電力電子器件可以根據(jù)微控制器模塊15中預(yù)先設(shè)定的某種時(shí)序，由柵極驅(qū)動(dòng)模塊21驅(qū)動(dòng)開通或關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)控制助力電機(jī)13的輸出助力，輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。
本發(fā)明的控制器7中還設(shè)置了一個(gè)電源模塊18，用于提供控制器中各個(gè)模塊所需的工作電源和經(jīng)過處理后的蓄電池電源，同時(shí)還為轉(zhuǎn)向傳感器5和電磁離合器12提供相應(yīng)的工作電源。
為了保障控制器7的可靠運(yùn)行，本發(fā)明的控制器7中增加了一個(gè)繼電器20及其驅(qū)動(dòng)模塊19。由微控制器模塊15根據(jù)狀態(tài)監(jiān)視模塊23提供的控制器的內(nèi)部狀態(tài)和外部輸入信號進(jìn)行綜合對比，以判斷系統(tǒng)是否工作正常。如果系統(tǒng)一經(jīng)判斷為故障狀態(tài)，則根據(jù)故障的危害程度決定是否采取措施斷開電機(jī)13對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力。斷開電機(jī)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力可以通過三種方法來實(shí)現(xiàn)切斷電機(jī)控制回路、斷開電磁離合器12和控制繼電器驅(qū)動(dòng)模塊19關(guān)斷繼電器20。這些方法的選用是根據(jù)危害程度和客戶的需要，在微控制器模塊15中通過程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)的。控制器7檢測到系統(tǒng)故障后，通過輸出控制模塊17控制故障指示燈14點(diǎn)亮，提醒駕駛員注意。輸出控制模塊17中還包含有電磁離合器12的驅(qū)動(dòng)模塊，用以控制電磁離合器12的吸合或脫開。
綜上所述，本發(fā)明的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器7的H橋模塊中采用了兩個(gè)P溝道型電力電子器件和兩個(gè)N溝道型電力電子器件，從而省略了升壓模塊，達(dá)到了簡化控制器的結(jié)構(gòu)、降低控制器的成本、提高控制器的可靠性的目的。
權(quán)利要求
1.一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器，由微控制器模塊(15)、信號處理模塊(16)、輸出控制模塊(17)、電源模塊(18)、繼電器(20)及其驅(qū)動(dòng)模塊(19)、H橋模塊(22)、柵極驅(qū)動(dòng)模塊(21)、電機(jī)電流檢測模塊(24)、狀態(tài)監(jiān)視模塊(23)組成，其特征在于，該電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的H橋模塊(22)采用兩個(gè)P溝道型電力電子器件和兩個(gè)N溝道型電力電子器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器，其特征在于，兩個(gè)P溝道型電力電子器件的源極接電源正極引出端，兩個(gè)N溝道型電力電子器件的源極接電源負(fù)極引出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器，其特征在于，構(gòu)成H橋模塊的四個(gè)電力電子器件分為兩組，每組由一個(gè)N溝道型電力電子器件和一個(gè)P溝道型電力電子器件組成，且P溝道型電力電子器件的漏極與同組中N溝道型電力電子器件的漏極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器，其特征在于，直流永磁有刷電機(jī)的兩個(gè)引出端子分別跨接在兩組電力電子器件的公共端上，構(gòu)成電機(jī)、H橋模塊與蓄電池的連接回路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，是由12V蓄電池系統(tǒng)供電、助力執(zhí)行器為直流永磁有刷電機(jī)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器。該控制器由微控制器模塊、信號處理模塊、輸出控制模塊、電源模塊、繼電器及其驅(qū)動(dòng)模塊、H橋模塊、柵極驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)電流檢測模塊組成，其特征在于H橋模塊采用兩個(gè)P溝道型電力電子器件和兩個(gè)N溝道型電力電子器件，兩個(gè)P溝道型電力電子器件的源極接電源正極引出端，兩個(gè)N溝道型電力電子器件的源極接電源負(fù)極引出端；每組P溝道型電力電子器件的漏極與同組中N溝道型電力電子器件的漏極相連；因而柵極驅(qū)動(dòng)模塊的供電模塊中無需升壓模塊，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)、降低了控制器的成本、提高了控制器的可靠性。
文檔編號H02P8/14GK1937397SQ200610113709
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者季學(xué)武, 陳奎元, 張德新, 姜殿鑫 申請人:清華大學(xué), 荊州恒隆汽車零部件制造有限公司