CN100428620C - 一种车辆电动助力转向***控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆电动助力转向***的控制装置，是由12V蓄电池***供电、助力执行器为直流永磁有刷电机的电动助力转向***控制器。该控制器由微控制器模块、信号处理模块、输出控制模块、电源模块、继电器及其驱动模块、H桥模块、栅极驱动模块、电机电流检测模块组成，其特征在于：H桥模块采用两个P沟道型电力电子器件和两个N沟道型电力电子器件，两个P沟道型电力电子器件的源极接电源正极引出端，两个N沟道型电力电子器件的源极接电源负极引出端；每组P沟道型电力电子器件的漏极与同组中N沟道型电力电子器件的漏极相连；因而栅极驱动模块的供电模块中无需升压模块，简化了控制器的结构、降低了控制器的成本、提高了控制器的可靠性。

Description

一种车辆电动助力转向***控制器

技术领域

本发明涉及一种车辆电动助力转向***的控制装置，具体的说，是由12V蓄电池***供电、助力执行器为直流永磁有刷电机的电动助力转向***控制器。

背景技术

电动助力转向***具有节能、环保、助力大小随车速而变化且助力特性修改方便等特点，是近年来新兴的车辆助力转向***。它根据转向盘上的转向信号和车速信号，通过电子控制装置控制助力电机，调整电机转矩，提供随车速变化的助力，以辅助驾驶员进行转向。其中，电子控制装置是该***的核心部件，其性能好坏直接对助力***及整车性能产生影响。

目前，电动助力转向***中广泛采用直流永磁有刷电机作为助力执行器。根据电动助力转向***对助力电机控制的要求，往往采用由四个N沟道型电力电子器件组成的H桥电路来实现对这种助力电机的控制。例如，目前已在国内装车上市的昌河铃木北斗星乘用车上所用的电动助力转向***控制器中就采用了这种模块结构。这种模块结构的缺点是，在控制器的电源模块中需另外增加电源升压模块，用于驱动靠近蓄电池电源正极端的两个N沟道型电力电子器件。这样会使模块结构复杂，成本增加。同时，这种模块结构在可靠性方面也存在一定的缺陷，当12V蓄电池因车上用电设备功率较大而电压不足时，这个额外的电源升压模块提供的栅极驱动电压不足以使电力电子器件完全可靠导通，增加了其导通损失，导致控制器发热量加大，甚至引起有关器件的损坏。因此，这种模块必需采用较好的散热措施，这样会增加控制器的成本。而即使采用了良好的模块保护和散热措施，由于电力电子器件的发热而使能量损耗增加，电机控制的效率亦有所下降。

发明内容

本发明的目的是设计一种结构简单、成本低廉、工作可靠、用于车辆电动助力转向***的直流永磁有刷电机的控制器。

为实现上述目的，本发明提出的电动助力转向***控制器由微控制器模块、信号处理模块、输出控制模块、电源模块、继电器及其驱动模块、H桥模块、栅极驱动模块、电机电流检测模块、状态监视模块组成，其特征在于：H桥模块采用两个P沟道型电力电子器件和两个N沟道型电力电子器件。

为实现上述目的，本发明的控制器中，两个P沟道型电力电子器件的源极接到蓄电池正极引出端，两个N沟道型电力电子器件的源极接到蓄电池负极引出端。这四个电力电子器件分成两组，每组由一个N沟道型电力电子器件和一个P沟道型电力电子器件组成，同组中的P沟道型电力电子器件的漏极与N沟道型电力电子器件的漏极相连。直流永磁有刷电机的两个引出端子分别跨接在两组电力电子器件的公共端上，构成电机、H桥模块与蓄电池的连接回路。

为实现上述目的，本发明根据N沟道和P沟道型电力电子器件驱动控制的特点，采用了一种通用的栅极驱动模块，该模块的控制信号由微控制器给出。

为实现上述目的，本发明的控制器中，栅极驱动模块的供电模块中不再需要电源升压模块，避免增加的电源升压模块因效能或故障问题影响H桥模块的性能或工作的可靠性，同时又节约了成本。

附图说明

图1为本发明电动助力转向***控制器应用对象***(以转向轴助力式为例)的结构框图。

图2为本发明电动助力转向***控制器内部功能模块及其外部相关元器件的结构框图。

图3为本发明电动助力转向***控制器的H桥模块及其外部相关元器件的结构框图。

图4为电动助力转向***常用电机驱动H桥模块示意图。

符号说明：1-转向盘；2-转向管柱；3-机械式转向器；4-减速装置；5-转向传感器；6-电机离合器总成；7-控制器；8-蓄电池；9-车速传感器；10-点火开关；11-其他有关传感器；12-电磁离合器；13-电机；14-故障指示灯；15-微控制器模块；16-信号处理模块；17-输出控制模块；18-电源模块；19-继电器驱动模块；20-继电器；21-栅极驱动模块；22-H桥模块；23-状态监视模块；24-电机电流检测模块；25-车轮。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的电动助力转向***控制器应用对象***的结构如图1所示，主要由转向盘1、转向管柱2、机械式转向器3、减速装置4、转向传感器5、电机总成6、控制器7、蓄电池8、车速传感器9、转向轮25组成。在转向管柱2上，安装有转向传感器5，用来检测驾驶员操纵转向盘1的转向状态信号；同时，在转向管柱2上、转向传感器5的下端接入了减速装置4。由助力电机13和电磁离合器12(参见图2)组成的电机总成6通过减速装置4与机械转向***相连，用来提供转向助力。控制器7检测转向传感器5的转向信号和车速传感器9的车速信号，根据这些信号来判断转向状态并通过查表或计算，控制电机13提供相应的转向助力。控制器7的电能来自车辆供电***，包括蓄电池8和与蓄电池相连的发电机(图中未示出)。

本发明的控制器7的内部结构如图2所示。信号处理模块16与外部传感器和点火开关等连接，并将这些传感器和点火开关送来的信号经处理后转换成微控制器模块15可接收的信号。这些信号包括转向盘转矩和/或转向盘转角信号，车速信号，发动机点火信号和/或发动机转速信号等。

本发明的微控制器模块15由至少一个微控制器以及其相关***模块组成。它根据信号处理模块16发送过来的相关信号确定一个助力转矩的预设值。同时，根据检测电机13电枢电流的电流检测模块24提供的电流的大小和方向与助力转矩的预设值进行对比，确定助力电机13的控制方式和控制量。控制方式和控制量通过在微控制器模块15中设定的映射法则转换成栅极驱动模块21的控制信号。这些控制信号发送给栅极驱动模块21，经转换和放大，驱动H桥模块22中的电力电子器件。

如图3所示，本发明的电机驱动H桥模块22由Q1、Q2、Q3和Q4四个电力电子器件组成，其中Q1和Q2为P沟道型，Q3和Q4为N沟道型。两个P沟道型电力电子器件Q1、Q2的源极接到蓄电池正极引出端，两个N沟道电力电子器件Q3、Q4的源极接到蓄电池负极引出端。这四个电力电子器件分成两组，Q1和Q3为一组，Q2和Q4为一组，每组由一个N沟道型电力电子器件和一个P沟道型电力电子器件，P沟道型电力电子器件的漏极与N沟道型电力电子器件的漏极相连。直流永磁有刷电机的两个引出端子分别跨接在两组电力电子器件的公共端上，构成电机、H桥模块与蓄电池的连接回路。

传统的电动助力***电机驱动H桥模块如图4所示，采用四个N沟道型电力电子器件，这四个电力电子器件分为两组，a、c管为一组，b、d管为一组。a、b管的漏极与电源正极引出端相连，c、d管的源极与电源负极引出端相连，a、b管的源极分别与c、d管的漏极相连。直流永磁有刷电机的两个引出端子分别跨接在两组电力电子器件的中间点上，构成电机、H桥与蓄电池的连接回路。

对于N沟道型电力电子器件，需在其栅极和源极之间加一定的正向电压方可导通，导通时电流从电力电子器件的漏极流向源极。而对于P沟道型电力电子器件，需在其栅极和源极之间加一定的反向电压方可导通，导通时电流从电力电子器件的源极流向漏极。

对于传统的采用四个N沟道型电力电子器件的H桥模块，假设电流从左向右流经电机，则需同时开启a、d管。由于d管源极接地，12V栅极电压可以充分使其开启；但是，a管开启后，其源极电压达到12V，此时必须向其栅极提供20V以上的电压方可使其充分开启。同理，当电流从右向左流经电机时，为使b管充分导通，亦必须向其栅极提供20V以上的电压。因此，传统的采用四个N沟道型电力电子器件管的H桥模块的驱动模块中必须有电荷泵，将12V蓄电池电压泵升到22V左右，这不仅使H桥模块的驱动模块电路设计变得复杂，而且电荷泵工作在高频开关状态，增加H桥模块的驱动模块电路对外部环境和控制器内部电路的干扰。

对于本发明的采用两个P沟道型和两个N沟道型电力电子器件的H桥模块，若要使其上桥臂的某个P沟道型电力电子器件充分导通，则只需要控制其栅极电压信号为零即可，无需通过电荷泵进行升压。

本发明的四个电力电子器件的开关驱动模块采用相同结构的驱动放大电路，提供电力电子器件开关所需要的驱动电流，它们包含在栅极驱动模块21中。如果开关驱动模块接通电力电子器件的栅极和蓄电池地线，相应的Q1或Q2开通，Q3或Q4关断；如果开关驱动模块接通电力电子器件的栅极和蓄电池电源正极，相应的Q1或Q2关断，Q3或Q4导通。四个电力电子器件可以根据微控制器模块15中预先设定的某种时序，由栅极驱动模块21驱动开通或关断，以实现控制助力电机13的输出助力，辅助驾驶员进行转向。

本发明的控制器7中还设置了一个电源模块18，用于提供控制器中各个模块所需的工作电源和经过处理后的蓄电池电源，同时还为转向传感器5和电磁离合器12提供相应的工作电源。

为了保障控制器7的可靠运行，本发明的控制器7中增加了一个继电器20及其驱动模块19。由微控制器模块15根据状态监视模块23提供的控制器的内部状态和外部输入信号进行综合对比，以判断***是否工作正常。如果***一经判断为故障状态，则根据故障的危害程度决定是否采取措施断开电机13对转向***的助力。断开电机对转向***的助力可以通过三种方法来实现：切断电机控制回路、断开电磁离合器12和控制继电器驱动模块19关断继电器20。这些方法的选用是根据危害程度和客户的需要，在微控制器模块15中通过程序设定实现的。控制器7检测到***故障后，通过输出控制模块17控制故障指示灯14点亮，提醒驾驶员注意。输出控制模块17中还包含有电磁离合器12的驱动模块，用以控制电磁离合器12的吸合或脱开。

综上所述，本发明的电动助力转向***控制器7的H桥模块中采用了两个P沟道型电力电子器件和两个N沟道型电力电子器件，从而省略了升压模块，达到了简化控制器的结构、降低控制器的成本、提高控制器的可靠性的目的。

Claims (4)

1、一种由12V蓄电池***供电的车辆电动助力转向***控制器，由微控制器模块(15)、信号处理模块(16)、输出控制模块(17)、电源模块(18)、继电器(20)及其驱动模块(19)、H桥模块(22)、栅极驱动模块(21)、电机电流检测模块(24)、状态监视模块(23)组成，该电动助力转向***控制器的H桥模块(22)采用两个P沟道型电力电子器件和两个N沟道型电力电子器件，其特征在于，通过控制P沟道电力电子器件的栅极电压信号为零即可控制该P沟道电力电子器件充分导通。

2、根据权利要求1所述的一种由12V蓄电池***供电的车辆电动助力转向***控制器，其特征在于，两个P沟道型电力电子器件的源极接电源正极引出端，两个N沟道型电力电子器件的源极接电源负极引出端。

3、根据权利要求1所述的一种由12V蓄电池***供电的车辆电动助力转向***控制器，其特征在于，构成H桥模块的四个电力电子器件分为两组，每组由一个N沟道型电力电子器件和一个P沟道型电力电子器件组成，且P沟道型电力电子器件的漏极与同组中N沟道型电力电子器件的漏极相连。

4、根据权利要求1所述的一种由12V蓄电池***供电的车辆电动助力转向***控制器，其特征在于，直流永磁有刷电机的两个引出端子分别跨接在两组电力电子器件的公共端上，构成电机、H桥模块与蓄电池的连接回路。

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