CN102155424B - 一种用于汽车发动机冷却风扇的pwm调速模块 - Google Patents

一种用于汽车发动机冷却风扇的pwm调速模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,包括对输入的低频PWM信号进行调制解调处理的控制信号处理单元、及对控制信号处理单元输出的信号进行驱动放大的驱动放大单元,所述控制信号处理单元包括调制波生成单元、载波生成单元,驱动放大单元包括PWM生成及放大单元,调制波生成单元、载波生成单元的输出端连接PWM生成及放大单元的输入端。本发明的制造成本低、由于电路简单其从研发到生产的周期非常短,其还附加了对冷却风扇驱动电机的电流、温度、电源电压的实时监测功能,且无需软件编程,降低了开发难度。

Description

一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块
技术领域
[0001] 本发明涉及一种调速装置,具体涉及一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块。
背景技术
[0002] 冷却风扇是汽车发动机的重要组成部分,是保障发动机持续可靠工作、充分发挥发动机性能、延长发动机使用寿命的重要部件。现有的冷却风扇调速技术主要有机械型、液压液力型、离合型、电磁离合型和电机驱动型多种方案,而汽车电子化控制已经成为不可逆转发展的趋势。
[0003] 目前的大部分生产厂家的控制方案主要采用定制ASIC与MCU的方案,ASIC方案集成度高,控制外围电路简单,但目前还没有通用的集成芯片,一般需要提供定制服务,只有少数半导体大的半导体生产厂家如ON、ST才能提供这类服务,而且定制成本昂贵,周期长,功能唯一,不利于产品的开发改进;MCU方案采用数字软件智能化控制,功能强大,非常适合于产品的开发改进,但需要提供线性稳压电源及较为复杂的外围电路,成本较高,而且需要软件编程,增加了产品开发的难度。
发明内容
[0004] 针对上述技术问题,本发明提供一种电路简单、便于开发,制造成本低,且满足调速要求的汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块。
[0005] 实现本发明的技术方案如下:
[0006] 一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,包括对输入的低频PWM信号进行调制解调处理的控制信号处理单元、及对控制信号处理单元输出的信号进行驱动放大的驱动放大单元,所述控制信号处理单元包括调制波生成单元、载波生成单元,驱动放大单元包括PWM生成及放大单元,调制波生成单元、载波生成单元的输出端连接PWM生成及放大单元的输入端。
[0007] 所述调速模块还包括温度采样单元、电源监测单元以及对温度采样单元、电源监测单元获取的信号进行滤波处理的采样处理单元,所述温度采样单元、电源监测单元、采样处理单元的输出端分别与控制信号处理单元的第二输入端、第三输入端、第四输入端连接。 温度采样单元对汽车冷却风扇电机的温度进行实时检测,并将检测到的结果传输给控制信号处理单元,由控制信号处理单元进行处理;电源监测单元对冷却风扇电机的电源电压进行实时检测,并将其检测的结果传送给控制信号处理单元;在温度采样单元、电源监测单元所采取的信号由采样处理单元对其进行滤波处理,再传输给控制信号处理单元,从而给冷却风扇电机创造一个稳定、可靠的安全运行环境,延长电机的使用寿命。
[0008] 所述调速模块还包括对输入电源进行EMI处理的输入电源滤波器,经输入电源滤波器处理后的输入电源作为汽车发动机冷却风扇电机的供电电源,另外汽车发动机冷却风扇的电机并联一蓄流二极管,蓄流二极管的正端与驱动放大单元的输出端连接、负端与输入电源滤波器的输出端连接,输入电源滤波器能够滤除由输入电源中进来的各种干扰信号。
[0009] 所述蓄流二极管为快恢复管,旨在减少电机反电动势的电压冲击影响。
[0010] 所述驱动放大单元的输出端、及其与蓄流二极管连结点之间串接一 N型场效应晶体管,其场效应晶体管的漏极连接蓄流二极管的正端、栅极与驱动放大单元的输出端连接、 源极串接一采样电阻并接地,所述场效应晶体管的漏极与源极之间寄生了一个反并联的蓄流二极管;场效应晶体管起到开关的作用,在场效应晶体管导通后,采样电阻对冷却风扇电机的电流进行检测,同样采样电阻检测的信号也要经过采样处理单元进行调理滤波。
[0011] 所述调制波生成单元包括串接在低频PWM信号输入端的第一电阻R1、并接在低频 PWM信号输入端的第一电容Cl,其第一电容的另一端接地,所述第一电阻R1、第一电容Cl构成一阶RC滤波器,一阶RC滤波器将输入的低频PWM信号解耦成比较稳定直流信号,其幅值 Am由输入信号占空比Din及其电平Ain决定:其关系为=Am = Ain · Din。
[0012] 所述载波生成单元包括第一运放U1A、第二运放U1B、第三运放U1D,第一运放UlA 的同相输入端连接有分压器,第一运放UlA的反相输入端、输出端连接第二运放UlB的反相输入端,第二运放UlB的反相输入端与第三运放UlD的正相输入端连接,第二运放UlB的正相输入端串接有第五电阻R5、第三电阻R3并与第三运放UlD的反相输入端连接,第二运放 UlB的正相输入端还并接有第六电阻R6、第二电容C2并与第三运放UlD的反相输入端连接,第二运放UlB的输出端连接在第五电阻R5、第三电阻R3之间,第三运放UlD的输出端连接PWM生成及放大单元的输入端。
[0013] 所述分压器包括并接在第一运放UlA正相输入端的第七电阻R7、第八电阻R8,第七电阻R7的另一端接地,第八电阻R8的另一端接高电平。其中第七电阻R7、第八电阻R8 为相同阻值的电阻。
[0014] 通过第七电阻R7、第八电阻R8的分压,并经过第一运放UlA的电压跟随器,产生一个高输入阻抗的VCC/2的虚地电压基准,而第三电阻R3、第五电阻R5、第六电阻R6、第二电容C2及第二运放U1B、第三UlD组成高精度三角波生成振荡器,并输出载波频率f。a„iCT,其有第三电阻R3,第五电阻R5,第六电阻R6,第二电容C2确定如下:
[0015]
Figure CN102155424BD00051
[0016] 其生成的载波频率范围为0. IHz到100kHz,而一般直流电机的驱动频率为15kHz 至50kHz,从而生成的载波频率完全满足直流电机驱动频率的要求。
[0017] 所述PWM生成及放大单元包括第四运放U1C、第一三极管Ql、第二三极管Q2,第四运放UlC的反相输入端与调制波生成单元的输出端连接、正相输入端与载波生成单元的输出端连接,所述第一三极管Q1、第二三极管Q2的基极串接在一起并与第四运放UlC的输出端连接,第一三极管Ql的发射极与第二三极管Q2的发射极连接并引出PWM信号输出线,第一三极管Ql的集电极连接第四运放UlC的电源输入端,第二三极管Q2的集电极连接第四运放UlC的接地端,所述PWM信号输出线并接有第二电阻R2、第四电阻R4,第二电阻R2的另一端与第四运放UlC的电源输入端连接,第四电阻R4的另一端与第四运放UlC的接地端连接。其中第四运放UlC为比较器,其同向端接载波,反向端接调制波,从而产生一个频率为f。mCT的PWM信号,其占空比随调制波的幅值Am成线性变化,从而使输出的PWM信号跟随输入的PWM信号成反线性变化。若使输出PWM信号与输入PWM信号成正线性变化,只要将同向端调制波,反向端接载波即可。而第一三极管Q1、第二三极管Q2与第二电阻R2、第四电阻R4构成推挽功率放大电路,用来增加第四运放UlC比较器输出PWM信号的驱动能力, 使功率场效应晶体管的导通与关断更加可靠。
[0018] 采用了上述方案,控制信号处理单元是汽车冷却风扇PWM调速模块的核心,其主要是对输入的低频PWM信号,一般为几十Hz,进行调制解调处理,产生几十kHz的PWM输入信号,并通过驱动放大单元驱动功率场效应晶体管从而控制冷却风扇驱动电机的转速;本发明的优点是电路简单、成本低,整个控制信号处理单元只有4个运放、2个三极管、2个电容及8个电阻组成,且整个电路采用单电源供电。本发明的制造成本低、由于电路简单其从研发到生产的周期非常短,其还附加了对冷却风扇驱动电机的电流、温度、电源电压的实时监测功能,且无需软件编程,降低了开发难度。
附图说明
[0019] 图1为本发明运用的原理框图;
[0020] 图2为冷却风扇PWM调速模块的控制框图;
[0021] 图3为控制信号处理单元及驱动放大单元的电路原理图;
[0022] 图中,1为总线电源,2为电子控制器,3为冷却风扇PWM调速模块,4为冷却风扇电机,5为控制信号处理单元,6为驱动放大单元,7为调制波生成单元,8为载波生成单元,9为 PWM生成及放大单元,10为温度采样单元,11为电源监测单元,12为采样处理单元,13为输入电源滤波器,14为蓄流二极管,15为场效应晶体管,16为采样电阻,17为场效应管寄生的蓄流二极管。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
[0024] 参见图1所示,本发明的电源采用汽车系统的总线电源1进行供电,其为12V的蓄电池,由汽车发动机控制器的电子控制器2以PWM低频波的形式发送给汽车冷却风扇PWM 调速模块3,汽车冷却风扇PWM调速模块3接收到信号后,对输入的PWM波的占空比进行调制解调处理,把PWM波形变为可以直接驱动冷却风扇直流电机4的控制信号。
[0025] 参见图2,汽车冷却风扇PWM调速模块3,包括对输入的低频PWM信号进行调制解调处理的控制信号处理单元5、及对控制信号处理单元5输出的信号进行驱动放大的驱动放大单元6,控制信号处理单元5包括调制波生成单元7、载波生成单元8,驱动放大单元6 包括PWM生成及放大单元9,调制波生成单元7、载波生成单元8的输出端连接PWM生成及放大单元9的输入端。
[0026] 温度采样单元10、电源监测单元11、采样处理单元12的输出端分别与控制信号处理单元5的第二输入端、第三输入端、第四输入端连接。温度采样单元10对汽车冷却风扇电机的温度进行实时检测,并将检测到的结果传输给控制信号处理单元5,由控制信号处理单元进行处理;电源监测单元11对冷却风扇电机的电源电压进行实时检测,并将其检测的结果传送给控制信号处理单元5 ;在温度采样单元、电源监测单元所采取的信号由采样处理单元12对其进行滤波处理,再传输给控制信号处理单元5,从而给冷却风扇电机创造一个稳定、可靠的安全运行环境,延长电机的使用寿命。
[0027] 调速模块还包括对输入电源进行EMI处理的输入电源滤波器13,输入电源滤波器 13的输入端与汽车总线电源1相连接,经输入电源滤波器处理后的输入电源作为汽车发动机冷却风扇电机4的供电电源,另外汽车发动机冷却风扇的电机并联蓄流二极管14,蓄流二极管14的正端与驱动放大单元6的输出端连接、负端与输入电源滤波器13的输出端连接。具体实施时,蓄流二极管14选用快恢复管,减少电机反电动势的电压冲击影响;输入电源滤波器13能够滤除输入电源中的各种干扰信号。
[0028] 在驱动放大单元6的输出端、及其与蓄流二极管14连结点之间串接一 N型场效应晶体管15,其场效应晶体管15的漏极连接蓄流二极管14的正端、栅极与驱动放大单元6的输出端连接、源极串接一采样电阻16并接地,场效应晶体管的漏极与源极之间寄生了一个反并联的蓄流二极管17。由第一三极管Q1、第二三极管Q2与第二电阻R2、第四电阻R4构成的推挽功率放大电路来增加第四运放UlC比较器输出的PWM信号,从而使功率场效应晶体管的导通与关断。
[0029] 参见图3,调制波生成单元7包括串接在低频PWM信号输入端的第一电阻R1、并接在低频PWM信号输入端的第一电容Cl,其第一电容的另一端接地,第一电阻R1、第一电容Cl 构成一阶RC滤波器。
[0030] 其中,载波生成单元8包括第一运放U1A、第二运放U1B、第三运放U1D,第一运放 UlA的正相输入端连接有分压器,第一运放UlA的反相输入端、输出端连接第二运放UlB的反相输入端,第二运放UlB的反相输入端与第三运放UlD的正相输入端连接,第二运放UlB 的正相输入端串接有第五电阻R5、第三电阻R3并与第三运放UlD的反相输入端连接,第二运放UlB的正相输入端还并接有第六电阻R6、第二电容C2并与第三运放UlD的反相输入端连接,第二运放UlB的输出端连接在第五电阻R5、第三电阻R3之间,第三运放UlD的输出端连接第四运放UlC的正向输入端。其中分压器包括并接在第一运放UlA正相输入端的第七电阻R7、第八电阻R8,第七电阻R7的另一端接地,第八电阻R8的另一端接高电平。第七电阻R7、第八电阻R8为相同阻值的电阻。
[0031] PWM生成及放大单元9包括第四运放U1C、第一三极管Q1、第二三极管Q2,第四运放UlC的反相输入端与调制波生成单元的输出端连接、正相输入端与载波生成单元的输出端连接,第一三极管Q1、第二三极管Q2的基极串接在一起并与第四运放UlC的输出端连接, 第一三极管Ql的发射极与第二三极管Q2的发射极连接并引出PWM信号输出线,第一三极管Ql的集电极连接第四运放UlC的电源输入端,第二三极管Q2的集电极连接第四运放UlC 的接地端,PWM信号输出线并接有第二电阻R2、第四电阻R4,第二电阻R2的另一端与第四运放UlC的电源输入端连接,第四电阻R4的另一端与第四运放UlC的接地端连接。

Claims (7)

1. 一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于:其包括对输入的低频 PWM信号进行调制解调处理的控制信号处理单元、及对控制信号处理单元输出的信号进行驱动放大的驱动放大单元,所述控制信号处理单元包括调制波生成单元、载波生成单元,驱动放大单元包括PWM生成及放大单元,调制波生成单元、载波生成单元的输出端连接PWM生成及放大单元的输入端;所述调制波生成单元包括串接在低频PWM信号输入端的第一电阻(Rl)、并接在低频 PWM信号输入端的第一电容(Cl),其第一电容的另一端接地,所述第一电阻(Rl)、第一电容 (Cl)构成一阶RC滤波器;所述载波生成单元包括第一运放(UlA)、第二运放(UlB)、第三运放(UlD),第一运放 (UlA)的同相输入端连接有分压器,第一运放(UlA)的反相输入端、输出端连接第二运放 (UlB)的反相输入端,第二运放(UlB)的反相输入端与第三运放(UlD)的正相输入端连接, 第二运放(UlB)的正相输入端串接有第五电阻(R5)、第三电阻(R3)并与第三运放(UlD)的反相输入端连接,第二运放(UlB)的正相输入端还并接有第六电阻(R6)、第二电容(C2)并与第三运放(UlD)的反相输入端连接,第二运放(UlB)的输出端连接在第五电阻(肪)、第三电阻(旧)之间,第三运放(UlD)的输出端连接PWM生成及放大单元的输入端;所述PWM生成及放大单元包括第四运放(UlC)、第一三极管(Ql)、第二三极管0^2), 第四运放(UlC)的反相输入端与调制波生成单元的输出端连接、正相输入端与载波生成单元的输出端连接,所述第一三极管(Ql)、第二三极管⑴幻的基极串接在一起并与第四运放 (UlC)的输出端连接,第一三极管Oil)的发射极与第二三极管的发射极连接并引出 PWM信号输出线,第一三极管Oil)的集电极连接第四运放(UlC)的电源输入端,第二三极管 (Q2)的集电极连接第四运放(UlC)的接地端,所述PWM信号输出线并接有第二电阻(R2)、 第四电阻(R4),第二电阻(R2)的另一端与第四运放(UlC)的电源输入端连接,第四电阻 (R4)的另一端与第四运放(UlC)的接地端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于: 所述调速模块还包括温度采样单元、电源监测单元以及对温度采样单元、电源监测单元获取的信号进行滤波处理的采样处理单元,所述温度采样单元、电源监测单元、采样处理单元的输出端分别与控制信号处理单元的第二输入端、第三输入端、第四输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于: 所述调速模块还包括对输入电源进行EMI处理的输入电源滤波器,经输入电源滤波器处理后的输入电源作为汽车发动机冷却风扇电机的供电电源,另外汽车发动机冷却风扇的电机并联一蓄流二极管,蓄流二极管的正端与驱动放大单元的输出端连接、负端与输入电源滤波器的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于: 所述蓄流二极管为减少汽车发动机冷却风扇电机反电动势电压冲击的快恢复管。
5.根据权利要求3所述的一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于: 所述驱动放大单元的输出端、及其与蓄流二极管连结点之间串接一 N型场效应晶体管,其场效应晶体管的漏极连接蓄流二极管的正端、栅极与驱动放大单元的输出端连接、源极串接一采样电阻并接地,所述场效应晶体管的漏极与源极之间寄生了一个反并联的蓄流二极管。
6.根据权利要求1所述的一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于: 所述分压器包括并接在第一运放(UlA)正相输入端的第七电阻(R7)、第八电阻(R8),第七电阻(R7)的另一端接地,第八电阻(R8)的另一端接高电平。
7.根据权利要求6所述的一种用于汽车发动机冷却风扇的PWM调速模块,其特征在于: 所述第七电阻(R7)、第八电阻(R8)为相同阻值的电阻。
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