專利名稱：一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，具體的說(shuō)，是旨在提供一種簡(jiǎn)易可行的針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流永磁有刷電機(jī)的控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，直流永磁有刷電機(jī)因成本低廉、控制方法成熟，在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。這種電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換電路一般是一個(gè)由四個(gè)可控電力電子器件組成的H橋電路。根據(jù)H橋電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果不限制可控電力電子器件的控制信號(hào)，相關(guān)電路在受到外部干擾后會(huì)導(dǎo)致H橋電路的同一側(cè)，即連接電源和地的兩個(gè)電力電子器件同時(shí)被控制導(dǎo)通，使蓄電池短路。這種情況不僅會(huì)使控制裝置損壞，對(duì)蓄電池也有很大損害，甚至可能造成連接導(dǎo)線因短路而起火燃燒的危險(xiǎn)后果。日本鈴木公司曾在其產(chǎn)品中采用微控制器模塊直接控制驅(qū)動(dòng)電路的方法，即微控制器發(fā)出四個(gè)可控制電力電子器件通斷的信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋電路的控制，為保證H橋電路不致出現(xiàn)同側(cè)導(dǎo)通而導(dǎo)致電源短路情況的出現(xiàn)，額外增加了一個(gè)附加監(jiān)控電路。這不僅提高了對(duì)微控制器功能引腳的要求，而且電路較為復(fù)雜，且需要與系統(tǒng)功能相匹配，增加了控制裝置的復(fù)雜性。已在國(guó)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)控制裝置中采用了集成驅(qū)動(dòng)芯片，微控制器產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)和兩個(gè)邏輯信號(hào)，通過集成驅(qū)動(dòng)芯片處理后，再去控制H橋中四個(gè)電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，雖然這種電路可以避免H橋電路同側(cè)導(dǎo)通情況的發(fā)生，但是增加了控制裝置的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、用于車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中直流永磁有刷電機(jī)的控制裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，該控制裝置由微控制器模塊、信號(hào)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、信號(hào)分配模塊、H橋驅(qū)動(dòng)電路、H橋電路、電機(jī)電流檢測(cè)模塊、狀態(tài)監(jiān)視模塊組成，其特征在于控制裝置中的H橋電路的控制部分采用了信號(hào)分配模塊，用以控制H橋電路的導(dǎo)通或關(guān)斷。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的控制裝置中的信號(hào)分配模塊由分離元件構(gòu)成，通過邏輯芯片或模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分配，成本低廉。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的控制裝置中的信號(hào)分配模塊內(nèi)部包含有一定的邏輯和時(shí)序關(guān)系的電路，使得工作過程中，H橋電路不會(huì)短路，即同側(cè)電力電子器件不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，因而避免了蓄電池因被短路而造成的控制裝置及供電系統(tǒng)的損害。


圖1為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置應(yīng)用系統(tǒng)(以轉(zhuǎn)向軸助力式為例)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為現(xiàn)有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置內(nèi)部功能模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為現(xiàn)有H橋電路驅(qū)動(dòng)控制電路的一個(gè)實(shí)例結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為現(xiàn)有H橋電路驅(qū)動(dòng)控制電路的另一個(gè)實(shí)例結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置內(nèi)部功能模塊及其外部相關(guān)元器件的結(jié)構(gòu)框圖。
圖6為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置的信號(hào)分配模塊的一個(gè)實(shí)例原理框圖。
圖7為本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置的信號(hào)分配模塊的另一個(gè)實(shí)例原理框圖。
符號(hào)說(shuō)明1-轉(zhuǎn)向盤；2-轉(zhuǎn)向管柱；3-轉(zhuǎn)向器；4-減速裝置；5-轉(zhuǎn)向傳感器；6-電機(jī)總成；7-控制裝置；8-蓄電池；9-車速傳感器；10-轉(zhuǎn)向輪；11-點(diǎn)火開關(guān)；12-其他有關(guān)傳感器；13-電磁離合器；14-電機(jī)；15-故障指示燈；16-微控制器模塊；17-信號(hào)處理模塊；18-輸出控制模塊；19-電源模塊；20-繼電器驅(qū)動(dòng)模塊；21-繼電器；22-信號(hào)分配模塊；23-H橋驅(qū)動(dòng)電路；24-H橋電路；25-狀態(tài)監(jiān)視模塊；26-電機(jī)電流檢測(cè)模塊；27、28-邏輯“非”門；29、30、31、32-邏輯“與”門；33-柵極驅(qū)動(dòng)模塊、34-驅(qū)動(dòng)電路；35-附加監(jiān)控電路；36-集成驅(qū)動(dòng)芯片；Q1、Q2、Q3、Q4-電力電子器件；A、B-邏輯信號(hào)；P-PWM信號(hào)；G1、G2、G3、G4-H橋驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)；S1、S2、S3、S4-模擬開關(guān)器件。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說(shuō)明。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(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、控制裝置7、車速傳感器9和其它一些連接件、附件等組成。以機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向管柱2上增加了轉(zhuǎn)向傳感器5，用來(lái)檢測(cè)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤1的轉(zhuǎn)向狀態(tài)信號(hào)；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。由電磁離合器13和電機(jī)14組成的電機(jī)總成6通過減速裝置4與機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相連，用來(lái)提供轉(zhuǎn)向助力?？刂蒲b置7及電機(jī)總成6的工作能源來(lái)自車輛供電網(wǎng)絡(luò)，包括蓄電池8和與蓄電池相連的發(fā)電機(jī)(圖中未示出)。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置7的內(nèi)部功能模塊如圖2所示，微控制器模塊16根據(jù)信號(hào)處理模塊17傳遞來(lái)的有關(guān)信號(hào)，通過柵極驅(qū)動(dòng)模塊33和H橋電路24，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)14的控制。根據(jù)H橋電路24的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果不限制其中的可控電力電子器件的控制信號(hào)，相關(guān)電路在受到外部干擾后會(huì)導(dǎo)致該電路的同一側(cè)，即連接電源和地的兩個(gè)電力電子器件同時(shí)被控制導(dǎo)通，使蓄電池8短路。這種情況不僅會(huì)使控制裝置7損壞，對(duì)蓄電池8也有很大損害，甚至可能造成連接導(dǎo)線因短路而起火燃燒的危險(xiǎn)后果。日本鈴木公司在其產(chǎn)品中曾采用微控制器直接控制驅(qū)動(dòng)電路的方法，即微控制器模塊16發(fā)出四個(gè)控制電力電子器件通斷的控制信號(hào)G1、G2、G3、G4，通過驅(qū)動(dòng)電路34實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋電路24的控制，如圖3所示；為保證H橋電路不致出現(xiàn)同側(cè)導(dǎo)通而導(dǎo)致電源短路情況的出現(xiàn)，需額外增加一個(gè)附加監(jiān)控電路35。這不僅提高了對(duì)微控制器功能引腳的要求，而且電路較為復(fù)雜，且需要與系統(tǒng)功能相匹配，增加了控制裝置的復(fù)雜性。目前，已在國(guó)內(nèi)裝車上市的昌河鈴木北斗星乘用車，其上所用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制裝置中采用了集成驅(qū)動(dòng)芯片，微控制器模塊16產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)和兩個(gè)邏輯信號(hào)，通過集成驅(qū)動(dòng)芯片36處理后，再去控制H橋電路24中的四個(gè)電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，如圖4所示。雖然這種電路可以避免H橋電路同側(cè)電力電子器件導(dǎo)通情況的發(fā)生，但是增加了控制裝置的成本。
本發(fā)明的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置7的內(nèi)部功能模塊及其外部相關(guān)元器件的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，控制裝置7由微控制器模塊16、信號(hào)處理模塊17、輸出控制模塊18、電源模塊19、繼電器21及其驅(qū)動(dòng)模塊20、信號(hào)分配模塊22、H橋驅(qū)動(dòng)電路23、H橋電路24、狀態(tài)監(jiān)視模塊25和電機(jī)電流檢測(cè)模塊26組成。信號(hào)處理模塊17檢測(cè)轉(zhuǎn)向傳感器5的轉(zhuǎn)向信號(hào)和車速傳感器9的車速信號(hào)，同時(shí)還檢測(cè)點(diǎn)火開關(guān)11和其他有關(guān)傳感器12的信號(hào)。微控制器模塊16根據(jù)對(duì)這些信號(hào)的判斷、計(jì)算或查表，給出電機(jī)14應(yīng)提供的助力大小和方向。這些值與電機(jī)電流檢測(cè)模塊已經(jīng)檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際電流大小和方向進(jìn)行對(duì)比，得到電機(jī)14的預(yù)設(shè)值和控制模式。根據(jù)微控制器內(nèi)部程序的設(shè)定，微控制器模塊16根據(jù)已經(jīng)確定好的電機(jī)14的預(yù)設(shè)值和控制模式輸出控制組合信號(hào)，該組合信號(hào)包含一個(gè)PWM信號(hào)P和兩個(gè)邏輯控制信號(hào)A、B，通過信號(hào)分配模塊22分配給H橋驅(qū)動(dòng)電路23，驅(qū)動(dòng)電路23對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋電路24的開關(guān)控制。由四個(gè)可控電力電子器件Q1～Q4組成的H橋電路24根據(jù)一定邏輯和時(shí)序關(guān)系導(dǎo)通和關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)微控制器內(nèi)部程序中設(shè)定好的電機(jī)工作方式，完成對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力作用。
上述控制組合信號(hào)中的PWM信號(hào)P產(chǎn)生不同助力大小的絕對(duì)值量，改變?cè)撔盘?hào)的占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)14的電流絕對(duì)量的控制；而控制組合信號(hào)中的兩個(gè)邏輯控制信號(hào)A、B則產(chǎn)生確定電機(jī)14的工作方式的控制信號(hào)。電機(jī)14的工作方式包括向左助力，向右助力，制動(dòng)及斷開等四種。向左和向右的助力實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員輔助轉(zhuǎn)向的作用，制動(dòng)方式用于實(shí)現(xiàn)防止車輛跑偏和轉(zhuǎn)向超調(diào)，而斷開方式用于對(duì)可控電力電子器件Q1～Q4的保護(hù)和故障診斷。這四種工作方式足以滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)助力電機(jī)14的不同要求。兩個(gè)邏輯信號(hào)A、B經(jīng)過排列組合會(huì)有四種結(jié)果A＝0，B＝0；A＝1，B＝0；A＝0，B＝1；A＝1，B＝1。這四種結(jié)果和電機(jī)14的四種工作方式一一對(duì)應(yīng)。這種一一對(duì)應(yīng)的意義在于，四個(gè)可控電力電子器件Q1～Q4的開通與關(guān)斷組合中，除了根據(jù)事先安排的四種工作方式，不會(huì)出現(xiàn)其他任何情況的工作方式，也就是從電路結(jié)構(gòu)上避免了Q1和Q3或Q2和Q4同時(shí)導(dǎo)通情況的出現(xiàn)，即避免了因軟件故障或誤操作導(dǎo)致的蓄電池短路。這種電源短路會(huì)引起回路內(nèi)局部過熱，致使不可恢復(fù)的電路系統(tǒng)損傷。
表1列出了一種典型的電機(jī)控制方式與組合信號(hào)的關(guān)系。其中，G1～G4為可控電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路23的控制信號(hào)，分別對(duì)四個(gè)可控電力電子器件Q1～Q4的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制。
表1

表1中，輸入信號(hào)的“0”表示邏輯電平低，“1”表示邏輯電平高，“PWM”表示信號(hào)為脈寬調(diào)制信號(hào)；輸出信號(hào)的“0”表示該信號(hào)控制可控電力電子器件關(guān)斷，“PWM”表示該信號(hào)根據(jù)控制信號(hào)中的脈寬調(diào)制信號(hào)控制可控電力電子器件導(dǎo)通或關(guān)斷，這個(gè)信號(hào)的相位和占空比分別與控制信號(hào)P的相位和占空比相同。
表1所表示的邏輯關(guān)系可以由布爾代數(shù)方程表示如下G1＝ABP；G2＝ABP；G3＝AP；G4＝BP；其中，各符號(hào)所表示的意義與表1相同。
根據(jù)上述布爾代數(shù)方程可確定相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，電路可由邏輯芯片和/或模擬開關(guān)構(gòu)成。圖6是由邏輯芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)分配模塊的一個(gè)實(shí)例，圖7是由模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)分配模塊的一個(gè)實(shí)例。圖7中，S1～S4為單刀單擲的模擬開關(guān)，其中，S1和S2為常閉合開關(guān)，S3和S4為常導(dǎo)通開關(guān)。圖6和圖7中所示的兩個(gè)實(shí)例均滿足上面所述布爾代數(shù)等式和表1中所列出的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
本發(fā)明的控制裝置7中設(shè)置了一個(gè)電源模塊19，用于提供控制裝置中各個(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13提供相應(yīng)的工作電源。
為了保障控制裝置7的可靠運(yùn)行，本發(fā)明的控制裝置7中設(shè)置了一個(gè)繼電器21及其驅(qū)動(dòng)模塊20，它在系統(tǒng)故障時(shí)可以切斷對(duì)電機(jī)的供電。由微控制器模塊16根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)視模塊25提供的控制裝置的內(nèi)部狀態(tài)和外部輸入信號(hào)進(jìn)行綜合對(duì)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)14對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力。斷開電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力可以通過三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)切斷電機(jī)控制回路、斷開電磁離合器13和控制斷開繼電器21以徹底切斷電機(jī)通電回路。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16中通過程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)的。控制裝置7檢測(cè)到系統(tǒng)故障后，通過輸出控制模塊18控制故障指示燈15點(diǎn)亮，提醒駕駛員注意。輸出控制模塊18中包含有電磁離合器13的驅(qū)動(dòng)模塊，用以控制電磁離合器13的吸合或脫開。
綜上所述，本發(fā)明提出一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置7，在其H橋電路24的控制部分采用了信號(hào)分配模塊22，該模塊通過對(duì)微控制器模塊16產(chǎn)生的一個(gè)PWM信號(hào)和兩個(gè)邏輯信號(hào)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電機(jī)14的各種工作模式和狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)用邏輯和時(shí)序關(guān)系確保H橋電路24不會(huì)同側(cè)導(dǎo)通，因此對(duì)微控制器的要求降低。采用信號(hào)分配模塊22，使兩個(gè)邏輯信號(hào)的四種組合結(jié)果和電機(jī)的四種工作方式一一對(duì)應(yīng)，從而使H橋電路的四個(gè)可控電力電子器件的開通與關(guān)斷組合中，除了根據(jù)事先安排的四種工作方式，不會(huì)出現(xiàn)其他任何情況的工作方式，也就是從電路結(jié)構(gòu)上避免了H橋電路同側(cè)的兩個(gè)電力電子器件同時(shí)導(dǎo)通情況的出現(xiàn)，避免了因軟件故障或誤操作導(dǎo)致的蓄電池短路。故本發(fā)明的控制方法簡(jiǎn)單，可獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷、成本低廉和工作可靠的控制裝置。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，由微控制器模塊(16)、信號(hào)處理模塊(17)、輸出控制模塊(18)、電源模塊(19)、繼電器(21)及其驅(qū)動(dòng)模塊(20)、信號(hào)分配模塊(22)、H橋驅(qū)動(dòng)電路(23)、H橋電路(24)、電機(jī)電流檢測(cè)模塊(26)、狀態(tài)監(jiān)視模塊(25)組成，其特征在于，該控制裝置中的H橋電路(24)的控制部分采用信號(hào)分配模塊(22)，用以控制H橋電路(24)的導(dǎo)通或關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于，信號(hào)分配模塊(22)中包含有邏輯和時(shí)序關(guān)系電路，使工作過程中，H橋電路(24)同側(cè)電力電子器件不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，該控制裝置包括微控制器模塊(16)、信號(hào)處理模塊(17)、電源模塊(19)、信號(hào)分配模塊(22)、H橋電路(24)、電機(jī)電流檢測(cè)模塊(26)等，其H橋電路控制部分采用了信號(hào)分配模塊，用以控制H橋電路的導(dǎo)通或關(guān)斷；微控制器發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào)和兩個(gè)邏輯信號(hào)，經(jīng)信號(hào)分配模塊組合后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和助力的控制，因此對(duì)微控制器的要求降低；兩個(gè)邏輯信號(hào)的四種組合結(jié)果和電機(jī)的四種工作方式一一對(duì)應(yīng)，從電路結(jié)構(gòu)上避免了H橋電路同側(cè)的兩個(gè)電力電子器件同時(shí)導(dǎo)通情況的出現(xiàn)，避免了因軟件故障或誤操作導(dǎo)致的蓄電池短路。故本發(fā)明可獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷、成本低廉和工作可靠的控制裝置。
文檔編號(hào)B62D5/04GK1937396SQ200610113708
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:清華大學(xué), 荊州恒隆汽車零部件制造有限公司