CN101335493A - 一种汽车电动助力转向电动机h桥驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车电动助力转向电动机H桥驱动装置，包括H桥驱动模块、H桥模块、欠压保护模块、电动机电枢电流反馈模块、MOS管上桥漏极电流监控保护模块和MOS管下桥漏极电流监控保护模块组成，H桥模块的每臂采用3个N沟道MOS管并联结构，这3个N沟道MOS管的漏极连接在一起、源极连接在一起、栅极各串联一个电阻后连接在一起，本发明降低MOS管的功耗损失、提高H桥的驱动效率、提高系统的可靠性，可以有效防止电动助力转向系统因紧急大转弯等特殊工况而造成的电动机紧急换向、MOS管脉冲电流陡增、电动机电枢电流突变等对转向系统的影响，集成度高、可靠性好、使用方便，适应汽车工业安全、节能、环保的要求。

Description

一种汽车电动助力转向电动机H桥驱动装置

技术领域

本发明涉及一种具有MOS管漏极电流保护、电动机欠压保护和电动机电流反馈等功能的汽车电动助力转向电动机H桥驱动装置，适用于汽车电动助力转向系统直流电动机的功率驱动。

背景技术

随着微电子技术的发展及人们对车辆操纵稳定性和安全、环保、节能要求的日益提高，汽车电动助力转向系统已成为世界汽车零部件行业开发研制的重点，是现代汽车转向系统的发展方向。汽车电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操作，并获得最佳转向特性的伺服系统。其中，助力电动机的H桥驱动、控制以及保护是汽车电动助力转向系统开发的核心，其性能的好坏不仅影响转向系统以及整车性能的好坏，而且影响转向系统甚至整车行使的安全。目前，集成化的电动机H桥驱动芯片由于额定工作电流不足、最大峰值电流低，只能适应小功率电动机的驱动需要；由于汽车电动助力转向系统中电动机的电枢电流高达30A以上，输出功率高达200W以上，因此现有的集成化的电动机H桥驱动芯片无法满足汽车电动助力转向电动机的H桥驱动需要。

电动机的H桥驱动电路主要存在两种方式：一种是H桥的上桥采用两个P沟道MOS管，下桥采用两个N沟道MOS管的方式；另一种是上桥和下桥都采用N沟道MOS管的方式。对于方式一，存在不需要上桥升压电路、驱动方便、简单的优点，但是由于P沟道MOS管的导通电阻大、EPS电动机电枢电流大，导致了MOS管导通电阻分配电压过大、H桥驱动电压不足、MOS管发热严重等缺陷，同时具有制造工艺复杂、价格高等缺点，在汽车电动助力转向系统的电动机驱动中一般不采用该种方式。对于方式二，目前通常采用分立的模拟元器件来组成H桥驱动电路，并且H桥的每臂只是采用一个MOS管的方式，该种方式的缺陷是：分立元器件的组合增加了控制器电路板的面积、占用了安装空间、提高了控制器成本，更为严重的是降低了控制器的抗干扰能力；由于H桥的每臂只是采用一个MOS管，当某个MOS击穿或发生其他故障而失效时，势必导致整个控制器功能的失效，而MOS管的更换又是复杂暂时性修补行为。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种集成度高、可靠性好、具有监控与保护功能的汽车电动助力转向电动机H桥驱动装置。

本发明采用的技术方案是：包括H桥驱动模块、H桥模块、欠压保护模块、电动机电枢电流反馈模块、MOS管上桥漏极电流监控保护模块和MOS管下桥漏极电流监控保护模块组成，所述H桥模块的每臂采用3个N沟道MOS管并联结构，这3个N沟道MOS管的漏极连接在一起、源极连接在一起、栅极各串联一个电阻后连接在一起。

所述MOS管上桥漏极电流监控保护模块和MOS管下桥漏极电流监控保护模块的电流经过或运算逻辑门后进入微处理器模数转换寄存器ADC。

本发明的有益效果是：本发明H桥模块的每臂采用3个N沟道MOS管并联的结构可以降低MOS管的功耗损失、提高H桥的驱动效率、提高系统的可靠性。包含的MOS管漏极电流保护模块结构可以有效地防止电动助力转向系统因为紧急大转弯等特殊工况而造成的电动机紧急换向、MOS管脉冲电流陡增、电动机电枢电流突变等对转向系统的影响。与传统的采用分立的模拟元件组成的电动助力转向电动机H桥驱动电路相比，本发明将H桥的驱动、控制和保护功能集成化，可以同时完成H桥的驱动、电动机电枢电流检测、MOS管漏极电流监控与保护、电动机欠电压保护等功能，集成度和可靠性高、功耗损失小、使用方便，同时降低了系统开发的周期和复杂性，适应汽车工业安全、节能、环保的要求。

附图说明

图1为本发明H桥驱动装置与微处理器连接的示意图；

图2为本发明内部功能模块结构框图；

图3为图2中H桥模块2的每臂采用3个N沟道MOS管并联方式的结构示意图；

图4为本发明H桥驱动装置的死区产生功能及其延时示意图；

图5为图1中EN端子对H桥驱动的关断保护功能示意图。

图中：1.H桥驱动模块；2.H桥模块；3.欠压保护模块；4.电动机电枢电流反馈模块；5.MOS管上桥漏极电流监控保护模块；6.MOS管下桥漏极电流监控保护模块；7.微处理器脉宽调制PWM寄存器和通用输入输出口GPIO；8.微处理器模数转换寄存器ADC；9.H桥驱动模块1的控制端子组；10.H桥驱动模块1的监控保护端子组；11.H桥驱动模块1的供电端子组；12.H桥驱动模块1的电动机连接端子组；13.12V电源输入端子；14.数字地；15.模拟地；16.与供电电源38并联的去高频电容；17.微处理器的供电电源；18、19、21、22.微处理器的脉宽调制寄存器；20、23.微处理器的通用输入输出口；24、25、26、27.微处理器的A/D转换器；28.H桥驱动模块1的上桥左臂驱动信号；29.H桥驱动模块1的下桥左臂驱动信号；30.H桥驱动模块1的左桥监控关断信号；31.H桥驱动模块1的上桥右臂驱动信号；32.H桥驱动模块1的下桥右臂驱动信号；33.H桥驱动模块1的右桥监控关断信号；34.H桥驱动模块1的上桥漏极电流保护信号；35.H桥驱动模块1的下桥漏极电流保护信号；36.电动机电枢电流反馈信号；37.电动机欠压保护信号；38.12V供电电源；39、40.电动机连接端；41.电动机；42.N沟道MOS管；43.电阻；44.H桥模块2的上桥驱动信号；45.H桥模块2的下桥驱动信号；46.H桥模块2的关断信号；47.H桥模块2的输出信号；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7.N沟道MOS管；IR2110.半桥驱动集成芯片。

具体实施方式

如图1、2所示，将H桥驱动模块1连接H桥模块2，欠压保护模块3连接H桥模块2，H桥模块2包括有电动机电枢电流反馈模块4、MOS管上桥漏极电流监控保护模块5和MOS管下桥漏极电流监控保护模块6。微处理器脉宽调制PWM寄存器和通用输入输出口GPIO 7以及微处理器模数转换寄存器ADC 8分别连接H桥驱动模块1的控制端子组9和监控保护端子组10。本发明还包括H桥驱动模块1的供电端子组11和电动机连接端子组12。上述微处理器通过自身集成的脉宽调制接口PWM分别驱动H桥的四个桥臂，即脉宽调制寄存器18的信号驱动上桥左臂驱动信号28、脉宽调制寄存器19的信号驱动下桥左臂驱动信号29、脉宽调制寄存器21的信号驱动.H桥驱动模块1的上桥右臂驱动信号31、脉宽调制寄存器22的信号驱动H桥驱动模块1的下桥右臂驱动信号32。同时，为了保证H桥驱动及电动机控制的安全性，微处理器的通用输入输出口20引脚GPIO可以输出控制信号关断H桥的左桥监控关断信号30，微处理器的通用输入输出口23引脚GPIO可以输出控制信号关断H桥的右桥监控关断信号33。微处理器的A/D转换器24接收从H桥驱动模块1中传来的H桥的上桥漏极电流保护信号34，A/D转换器25接收从H桥驱动模块1中传来的H桥的下桥漏极电流保护信号35，A/D转换器26接收从电动机电枢电流信号36，A/D转换器27接收电动机欠压保护信号37。电动机41可直接接入到H桥的电动机连接端子39和电动机连接端子40。本发明还安装有微处理器的供电电路17、H桥驱动模块1的供电组11和并联在电源两边的去高频电容16，其中H桥驱动模块的供电端子组11由12V电源输入端子13、数字地14和模拟地15组成，由12V供电电源38向H桥驱动模块的供电端子组11供电。

在图2的H桥模块中，H桥的每臂均采用3个N沟道MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，每个N沟道MOS管分别并联，该并联结构如图3所示，将3个N沟道MOS管42，也即N沟道MOS管Q5、Q6、Q7的漏极连接在一起，源极连接在一起，栅极各串联一个电阻43，即分别串联电阻R5、R6、R7后再连接在一起，栅源间并接20V的齐纳二极管，以保护由于栅源间的阻抗很高、漏源间电压突变而产生的电压过冲，避免引起栅源间氧化层的永久性破坏和误导通；漏源间采用RC过电压抑制保护电路。该结构可以降低MOS管的功耗损失、提高H桥的驱动效率、提高系统的可靠性。

在图2的两个升压泵电路中，采用了自举电容和自举二极管的方式，自举电容采用一个低ESR的电容提供就近耦合，即使用一个铝电解电容并联一个陶瓷电容，或者采用一个瓷电容或钽电容，最佳方案是使用一个0.1uF的陶瓷圆片电容。自举二极管的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压，二极管的电流额定值是栅极电荷与频率之积，同时为了防止自举电容两端电压的放电，二极管选用超快恢复二极管。同时，在供电电压和电源地之间，使用一个低ESR的0.1uF的陶瓷圆片电容并联一个1uF的钽电解电容作为供电电压的旁路电容。

本发明H桥模块的驱动采用两片IR2110电路，即半桥驱动集成芯片，每片芯片都设计相应的升压泵电路。H桥模块2的上臂和下臂分别设计了漏极电流保护装置，即将MOS管上桥漏极电流监控保护模块5的电流经过一个或运算逻辑门后进入微处理器模数转换寄存器ADC 8，MOS管下桥漏极电流监控保护模块6的电流经过一个或运算逻辑门后进入微处理器模数转换寄存器ADC 8。电动机41的电枢电流经过霍尔电流传感器采集后也传送给微处理器模数转换寄存器ADC 8；同时，还设计有电动机欠压保护信号，可随时监控电动机的供电电压以保证助力的可靠性。

如图4所示，为了防止H桥的上下桥驱动过程中发生直通现象，对于H桥模块2的上桥驱动信号44和H桥模块2的下桥驱动信号45设计了死区产生及延时功能。

如图5所示，本发明具有H桥驱动装置的控制端子中EN端子对H桥模块2的关断信号46和H桥模块2的输出信号47的关断保护功能。

微处理器的脉宽调制寄存器18、19、21、22可以输出不同组合的脉宽调制信号，通过驱动H桥驱动模块1的引脚可以产生不同的电动机输出形式。由于电动助力转向系统电动机的工作特性，电动机41要根据驾驶员的不同转向情况提高不同方向和大小的转向助力，因此，微处理器的脉宽调制寄存器18、19、21、22应该控制电动机41的转动方向和输出转矩的大小，即要设置不同的占空比以获得合适的转向助力。下表1所示为采用H桥驱动时，不同占空比对应的相应的电动机41输出形式，该种方式可以保证电动机41电流的连续、克服电动机负载的静摩擦、提高电动机41的动态性能，从而消除转向盘振荡、提高驾驶员的操纵手感。

表1

上表1中，输入信号的“0”表示逻辑低电平，“1”表示逻辑高电平，“×”表示逻辑低电平或逻辑高电平，“PWM”表示脉宽调制信号，“t”表示脉宽调制信号的导通时间，“T”表示脉宽调制信号的周期， $“\mathrm{\α}=\frac{t}{T}”$ 表示脉宽调制的占空比。

Claims (2)

1、一种汽车电动助力转向电动机H桥驱动装置，包括H桥驱动模块(1)、H桥模块(2)、欠压保护模块(3)、电动机电枢电流反馈模块(4)、MOS管上桥漏极电流监控保护模块(5)和MOS管下桥漏极电流监控保护模块(6)组成，其特征在于：所述H桥模块(2)的每臂采用3个N沟道MOS管(Q5、Q6、Q7)并联结构，这3个N沟道MOS管(Q5、Q6、Q7)的漏极连接在一起、源极连接在一起、栅极各串联一个电阻(R5、R6、R7)后连接在一起。

2、根据权利要求1所述的一种汽车电动助力转向电动机H桥驱动装置，其特征在于：所述MOS管上桥漏极电流监控保护模块(5)和MOS管下桥漏极电流监控保护模块(6)的电流经过或运算逻辑门后进入微处理器模数转换寄存器ADC(8)。

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