CN1937396A - 一种电动助力转向***的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动助力转向***的控制装置，该控制装置包括微控制器模块(16)、信号处理模块(17)、电源模块(19)、信号分配模块(22)、H桥电路(24)、电机电流检测模块(26)等，其H桥电路控制部分采用了信号分配模块，用以控制H桥电路的导通或关断；微控制器发出一个PWM信号和两个逻辑信号，经信号分配模块组合后，即可实现对电机运行状态和助力的控制，因此对微控制器的要求降低；两个逻辑信号的四种组合结果和电机的四种工作方式一一对应，从电路结构上避免了H桥电路同侧的两个电力电子器件同时导通情况的出现，避免了因软件故障或误操作导致的蓄电池短路。故本发明可获得结构简捷、成本低廉和工作可靠的控制装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车电动助力转向***的控制装置，具体的说，是旨在提供一种简易可行的针对电动助力转向***的直流永磁有刷电机的控制装置。
背景技术
目前，直流永磁有刷电机因成本低廉、控制方法成熟，在电动助力转向***中获得广泛的应用。这种电机的功率转换电路一般是一个由四个可控电力电子器件组成的H桥电路。根据H桥电路的结构特点，如果不限制可控电力电子器件的控制信号，相关电路在受到外部干扰后会导致H桥电路的同一侧，即连接电源和地的两个电力电子器件同时被控制导通，使蓄电池短路。这种情况不仅会使控制装置损坏，对蓄电池也有很大损害，甚至可能造成连接导线因短路而起火燃烧的危险后果。日本铃木公司曾在其产品中采用微控制器模块直接控制驱动电路的方法，即微控制器发出四个可控制电力电子器件通断的信号，通过驱动电路实现对H桥电路的控制，为保证H桥电路不致出现同侧导通而导致电源短路情况的出现，额外增加了一个附加监控电路。这不仅提高了对微控制器功能引脚的要求，而且电路较为复杂，且需要与***功能相匹配，增加了控制装置的复杂性。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***控制装置中采用了集成驱动芯片，微控制器产生一个PWM信号和两个逻辑信号，通过集成驱动芯片处理后，再去控制H桥中四个电力电子器件的导通或关断，虽然这种电路可以避免H桥电路同侧导通情况的发生，但是增加了控制装置的成本。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种结构简单、成本低廉、工作可靠、用于车辆电动助力转向***中直流永磁有刷电机的控制装置。
为实现上述目的，本发明提出一种电动助力转向***的控制装置，该控制装置由微控制器模块、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、信号分配模块、H桥驱动电路、H桥电路、电机电流检测模块、状态监视模块组成，其特征在于：控制装置中的H桥电路的控制部分采用了信号分配模块，用以控制H桥电路的导通或关断。
为实现上述目的，本发明的控制装置中的信号分配模块由分离元件构成，通过逻辑芯片或模拟开关实现信号的分配，成本低廉。
为实现上述目的，本发明的控制装置中的信号分配模块内部包含有一定的逻辑和时序关系的电路，使得工作过程中，H桥电路不会短路，即同侧电力电子器件不会同时导通，因而避免了蓄电池因被短路而造成的控制装置及供电***的损害。
附图说明
图1为本发明电动助力转向***控制装置应用***(以转向轴助力式为例)的结构框图。
图2为现有电动助力转向***控制装置内部功能模块结构框图。
图3为现有H桥电路驱动控制电路的一个实例结构框图。
图4为现有H桥电路驱动控制电路的另一个实例结构框图。
图5为本发明电动助力转向***控制装置内部功能模块及其外部相关元器件的结构框图。
图6为本发明电动助力转向***控制装置的信号分配模块的一个实例原理框图。
图7为本发明电动助力转向***控制装置的信号分配模块的另一个实例原理框图。
符号说明：1-转向盘；2-转向管柱；3-转向器；4-减速装置；5-转向传感器；6-电机总成；7-控制装置；8-蓄电池；9-车速传感器；10-转向轮；11-点火开关；12-其他有关传感器；13-电磁离合器；14-电机；15-故障指示灯；16-微控制器模块；17-信号处理模块；18-输出控制模块；19-电源模块；20-继电器驱动模块；21-继电器；22-信号分配模块；23-H桥驱动电路；24-H桥电路；25-状态监视模块；26-电机电流检测模块；27、28-逻辑“非”门；29、30、31、32-逻辑“与”门；33-栅极驱动模块、34-驱动电路；35-附加监控电路；36-集成驱动芯片；Q1、Q2、Q3、Q4-电力电子器件；A、B-逻辑信号；P-PWM信号；G1、G2、G3、G4-H桥驱动电路的控制信号；S1、S2、S3、S4-模拟开关器件。
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。
电动助力转向***的结构如图1所示，主要由转向盘1、转向管柱2、机械转向器3、减速装置4、转向传感器5、电机总成6、控制装置7、车速传感器9和其它一些连接件、附件等组成。以机械转向***为基础，电动助力转向***在转向管柱2上增加了转向传感器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。由电磁离合器13和电机14组成的电机总成6通过减速装置4与机械式转向***相连，用来提供转向助力。控制装置7及电机总成6的工作能源来自车辆供电网络，包括蓄电池8和与蓄电池相连的发电机(图中未示出)。
电动助力转向***控制装置7的内部功能模块如图2所示，微控制器模块16根据信号处理模块17传递来的有关信号，通过栅极驱动模块33和H桥电路24，实现对电机14的控制。根据H桥电路24的结构特点，如果不限制其中的可控电力电子器件的控制信号，相关电路在受到外部干扰后会导致该电路的同一侧，即连接电源和地的两个电力电子器件同时被控制导通，使蓄电池8短路。这种情况不仅会使控制装置7损坏，对蓄电池8也有很大损害，甚至可能造成连接导线因短路而起火燃烧的危险后果。日本铃木公司在其产品中曾采用微控制器直接控制驱动电路的方法，即微控制器模块16发出四个控制电力电子器件通断的控制信号G1、G2、G3、G4，通过驱动电路34实现对H桥电路24的控制，如图3所示；为保证H桥电路不致出现同侧导通而导致电源短路情况的出现，需额外增加一个附加监控电路35。这不仅提高了对微控制器功能引脚的要求，而且电路较为复杂，且需要与***功能相匹配，增加了控制装置的复杂性。目前，已在国内装车上市的昌河铃木北斗星乘用车，其上所用的电动助力转向***控制装置中采用了集成驱动芯片，微控制器模块16产生一个PWM信号和两个逻辑信号，通过集成驱动芯片36处理后，再去控制H桥电路24中的四个电力电子器件的导通或关断，如图4所示。虽然这种电路可以避免H桥电路同侧电力电子器件导通情况的发生，但是增加了控制装置的成本。
本发明的电动助力转向***的控制装置7的内部功能模块及其外部相关元器件的结构框图如图5所示，控制装置7由微控制器模块16、信号处理模块17、输出控制模块18、电源模块19、继电器21及其驱动模块20、信号分配模块22、H桥驱动电路23、H桥电路24、状态监视模块25和电机电流检测模块26组成。信号处理模块17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，同时还检测点火开关11和其他有关传感器12的信号。微控制器模块16根据对这些信号的判断、计算或查表，给出电机14应提供的助力大小和方向。这些值与电机电流检测模块已经检测到的电机实际电流大小和方向进行对比，得到电机14的预设值和控制模式。根据微控制器内部程序的设定，微控制器模块16根据已经确定好的电机14的预设值和控制模式输出控制组合信号，该组合信号包含一个PWM信号P和两个逻辑控制信号A、B，通过信号分配模块22分配给H桥驱动电路23，驱动电路23对信号进行转换放大，实现对H桥电路24的开关控制。由四个可控电力电子器件Q1～Q4组成的H桥电路24根据一定逻辑和时序关系导通和关断，最终实现微控制器内部程序中设定好的电机工作方式，完成对转向***的助力作用。
上述控制组合信号中的PWM信号P产生不同助力大小的绝对值量，改变该信号的占空比可以实现对电机14的电流绝对量的控制；而控制组合信号中的两个逻辑控制信号A、B则产生确定电机14的工作方式的控制信号。电机14的工作方式包括向左助力，向右助力，制动及断开等四种。向左和向右的助力实现对驾驶员辅助转向的作用，制动方式用于实现防止车辆跑偏和转向超调，而断开方式用于对可控电力电子器件Q1～Q4的保护和故障诊断。这四种工作方式足以满足电动助力转向***对助力电机14的不同要求。两个逻辑信号A、B经过排列组合会有四种结果：A＝0，B＝0；A＝1，B＝0；A＝0，B＝1；A＝1，B＝1。这四种结果和电机14的四种工作方式一一对应。这种一一对应的意义在于，四个可控电力电子器件Q1～Q4的开通与关断组合中，除了根据事先安排的四种工作方式，不会出现其他任何情况的工作方式，也就是从电路结构上避免了Q1和Q3或Q2和Q4同时导通情况的出现，即避免了因软件故障或误操作导致的蓄电池短路。这种电源短路会引起回路内局部过热，致使不可恢复的电路***损伤。
表1列出了一种典型的电机控制方式与组合信号的关系。其中，G1～G4为可控电力电子器件驱动电路23的控制信号，分别对四个可控电力电子器件Q1～Q4的导通和关断进行控制。
表1
| 信号分配模块输入 | 信号分配模块输出 | 电机工作方式 | |||||
| A | B | P | G1 | G2 | G3 | G4 | |
| 0 | 1 | PWM | 0 | PWM | PWM | 0 | 向左助力 |
| 1 | 0 | PWM | PWM | 0 | 0 | PWM | 向右助力 |
| 0 | 0 | PWM | 0 | 0 | PWM | PWM | 制动 |
| 1 | 1 | PWM | 0 | 0 | 0 | 0 | 断开 |
表1中，输入信号的“0”表示逻辑电平低，“1”表示逻辑电平高，“PWM”表示信号为脉宽调制信号；输出信号的“0”表示该信号控制可控电力电子器件关断，“PWM”表示该信号根据控制信号中的脉宽调制信号控制可控电力电子器件导通或关断，这个信号的相位和占空比分别与控制信号P的相位和占空比相同。
表1所表示的逻辑关系可以由布尔代数方程表示如下：G1＝ABP；G2＝ABP；G3＝AP；G4＝BP；其中，各符号所表示的意义与表1相同。
根据上述布尔代数方程可确定相应的电路结构，电路可由逻辑芯片和/或模拟开关构成。图6是由逻辑芯片实现信号分配模块的一个实例，图7是由模拟开关实现信号分配模块的一个实例。图7中，S1～S4为单刀单掷的模拟开关，其中，S1和S2为常闭合开关，S3和S4为常导通开关。图6和图7中所示的两个实例均满足上面所述布尔代数等式和表1中所列出的输出信号与输入信号的对应关系。
本发明的控制装置7中设置了一个电源模块19，用于提供控制装置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13提供相应的工作电源。
为了保障控制装置7的可靠运行，本发明的控制装置7中设置了一个继电器21及其驱动模块20，它在***故障时可以切断对电机的供电。由微控制器模块16根据内部状态监视模块25提供的控制装置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14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13和控制断开继电器21以彻底切断电机通电回路。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16中通过程序设定实现的。控制装置7检测到***故障后，通过输出控制模块18控制故障指示灯15点亮，提醒驾驶员注意。输出控制模块18中包含有电磁离合器13的驱动模块，用以控制电磁离合器13的吸合或脱开。
综上所述，本发明提出一种电动助力转向***的控制装置7，在其H桥电路24的控制部分采用了信号分配模块22，该模块通过对微控制器模块16产生的一个PWM信号和两个逻辑信号进行组合，实现对助力电机14的各种工作模式和状态进行控制，同时用逻辑和时序关系确保H桥电路24不会同侧导通，因此对微控制器的要求降低。采用信号分配模块22，使两个逻辑信号的四种组合结果和电机的四种工作方式一一对应，从而使H桥电路的四个可控电力电子器件的开通与关断组合中，除了根据事先安排的四种工作方式，不会出现其他任何情况的工作方式，也就是从电路结构上避免了H桥电路同侧的两个电力电子器件同时导通情况的出现，避免了因软件故障或误操作导致的蓄电池短路。故本发明的控制方法简单，可获得结构简捷、成本低廉和工作可靠的控制装置。
Claims (2)
1、一种电动助力转向***的控制装置，由微控制器模块(16)、信号处理模块(17)、输出控制模块(18)、电源模块(19)、继电器(21)及其驱动模块(20)、信号分配模块(22)、H桥驱动电路(23)、H桥电路(24)、电机电流检测模块(26)、状态监视模块(25)组成，其特征在于，该控制装置中的H桥电路(24)的控制部分采用信号分配模块(22)，用以控制H桥电路(24)的导通或关断。
2、根据权利要求1所述的一种电动助力转向***的控制装置，其特征在于，信号分配模块(22)中包含有逻辑和时序关系电路，使工作过程中，H桥电路(24)同侧电力电子器件不会同时导通。
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