CN102777367A - 带多种接口的汽车电子水泵控制器 - Google Patents

Abstract

一种带多种接口的汽车电子水泵控制器，涉及汽车用电子水泵，它包括：嵌入式微处理器，通过通信接口模块与汽车的ECU或总线连接，用于接收ECU发出的转速控制信号，所述通信接口模块为PWM、LIN、CAN中的一种；电机驱动器，其输入端与所述嵌入式微处理器连接、输出端与电机连接，用于在嵌入式微处理器的控制下驱动电机工作；参数检测电路，包括电压、电流、温度、转速信号中的至少一种检测电路，其信号输出端与嵌入式微处理器连接，用于采集电机的工作参数。本发明的通用性强，且能够满足对汽车电子水泵故障的诊断要求，提高汽车冷却系统的可靠性。

Description

带多种接口的汽车电子水泵控制器

技术领域

本发明涉及汽车用电子水泵，具体地指一种带多种接口的汽车电子水泵控制器。

背景技术

随着国家对节能减排和环保的日益重视，各汽车厂针对传统发动机采用涡轮增压的方式来提高功率或是采用混合动力和纯电动驱动的方式达到节能环保的目的。伴随而来的就是涡轮增压器的冷却和电子功率器件的散热问题。为解决冷却和散热问题，目前主要采用水冷系统，由于该水冷系统需要连续运行而且系统运行的好坏直接关系到汽车上核心部件是否正常工作，因此对水冷系统的核心部件——水泵提出了更高的要求，即要求电子水泵具有低能耗、大扬程、高效率、低噪音、小体积、长寿命等特点。传统的电子水泵一般采用直流电机与叶轮直连或是通过磁耦合器与叶轮连接的驱动方式，前者由于水封的存在使得水泵的使用寿命大大缩短，后者由于结构的复杂导致生产成本上升、体积增大等问题。

为了避免传统电子水泵的劣势，目前主要采用无刷直流电机驱动的方法，公开号为CN102297142A的中国发明专利申请《一种车用电子水泵》公开了一种汽车电子水泵，包括动力部分，涡轮，定子部分，转子部分和机壳部分，但是对核心的控制器部分并未详细说明。而目前无刷直流电机的控制器研究成果没有针对汽车电子水泵的，其可靠性难以达到汽车电子产品的要求，尤其是缺乏故障诊断功能，当故障发生时会导致冷却系统失效，如不能及时发现并处理，将会给汽车核心部件带来毁灭性的灾难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种带多种接口的汽车电子水泵控制器，其通用性强，且能够满足对汽车电子水泵故障的诊断要求，提高汽车冷却系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种带多种接口的汽车电子水泵控制器，包括：

嵌入式微处理器，通过通信接口模块与汽车的ECU或总线连接，用于接收ECU发出的转速控制信号，所述通信接口模块为PWM、LIN、CAN中的一种；

电机驱动器，其输入端与所述嵌入式微处理器连接、输出端与电机连接，用于在嵌入式微处理器的控制下驱动电机工作；

参数检测电路，包括电压、电流、温度、转速信号中的至少一种检测电路，其信号输出端与嵌入式微处理器连接，用于采集电机的工作参数。

上述技术方案中，所述PWM接口模块为嵌入式微处理器的IO接口。

上述技术方案中，所述LIN接口模块为LIN收发器，LIN收发器通过RXD、TXD、SLP_N接口与嵌入式微处理器的三个IO接口相连，并与LIN总线连接通信。

进一步地，所述LIN收发器为TJA1021芯片。

上述技术方案中，所述CAN接口模块包括CAN协议控制器和CAN收发器，CAN协议控制器和CAN收发器之间通过收发数据接口相连，CAN协议控制器通过SPI接口与嵌入式微处理器连接，CAN收发器与CAN总线连接通信。

进一步地，所述CAN协议控制器为MCP2515芯片，CAN收发器为PCA82C250芯片。

上述技术方案中，所述电机驱动器为由六个N沟道场效应管构成的全桥驱动器，六个N沟道场效应管的栅极分别与所述嵌入式微处理器的六个IO接口连接。

进一步地，所述电机驱动器还包括电压比较器，电压比较器的输入端与电机的三相电源连接、输出端与嵌入式微处理器连接，用于检测电机U、V、W三相的反电动势以判断电机转子位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）由于本发明主要是针对汽车电子水泵，因此其设计规范与选型均严格按照汽车电子的测试标准和要求进行，首先在可靠性上保证了该控制器能在恶劣的环境下的性能；其次，采用了模块化设计的理念，针对不同的车载通信总线协议可以灵活地配置不同的通信接口模块。因此本发明不仅可靠性较高，而且在生产时灵活性也很高，主要模块可以通用从而降低了生产成本；

2）该控制器无霍尔传感器，即采用了无霍尔驱动的方式，不仅使电机的结构更为简单，而且汽车电子水泵的工作更为可靠，由于汽车电子水泵的工作环境最高温度可能达到130℃，霍尔传感器在此温度时极易失效；

3）参数检测电路的设置实现了对电子水泵电压、电流、温度、转速等参数的检测，可以对故障进行自我检测与排除，并在故障发生时及时对电子水泵进行保护并输出故障代码，自动化程度高；通过对转速的闭环控制还可保证电子水泵的输出稳定性；

4）本发明采用可编程的单片机，避免了传统方案中电机专用芯片通用性差的弊端，通过不同的启动算法和参数修改可以适用于绝大多数的三相无刷直流电机，通用性强。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构框图。

图2为图1中电机驱动器的电路图。

图3为图1中通信接口模块的一种实施方式结构图。

图4为图1中通信接口模块的另一种实施方式结构图。

图5为图1中通信接口模块第三种实施方式的结构图。

图6为图1中参数检测电路的电路原理图。

图7为图1控制器的软件流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的一种带多种接口的汽车电子水泵控制器，包括：嵌入式微处理器、通信接口模块、电机驱动器和参数检测电路。嵌入式微处理器通过通信接口模块与汽车的ECU连接；电机驱动器的输入端与嵌入式微处理器连接、输出端与电机连接，用于在嵌入式微处理器的控制下驱动电机工作，这里采用三相无刷直流电机；参数检测电路的信号输出端与嵌入式微处理器连接，用于采集电机的工作参数。嵌入式微处理器载有三相无刷电机驱动、控制程序、通信接口驱动程序、参数检测程序和故障诊断程序，它通过通信接口模块与汽车的ECU交换数据，ECU通过访问总线或者捕获PWM信号的方式获得数据。复位采用上电复位，电机的启动为上电启动或利用ECU启动指令启动。

如图2所示，电机驱动器包括由六个N沟道场效应管构成的全桥驱动器和电压比较器，嵌入式微处理器则主要完成电机换向控制、预驱动器控制和PWM信号的产生与控制功能。普通嵌入式微处理器的IO驱动能力无法驱动场效应管，需要增加场效应管预驱动芯片才能驱动，而本实施例中嵌入式微处理器内置有三相场效应管驱动功能，可以直接通过IO接口与全桥驱动器相连，并能够直接驱动场效应管。六个N沟道场效应管的栅极分别与嵌入式微处理器的六个IO接口连接，其中高端的三个IO接口可以由嵌入式微处理产生PWM波来控制电机的转速，PWM波由图2所示的PWM控制器产生，本实施例所采用的嵌入式微处理器芯片带有3个可编程的PWM单元，基频为50~100KHz，可以直接设置寄存器的值来控制PWM的占空比和基频。低端的三个IO接口通过控制N沟道场效应管的开关来控制电机线圈的导通。六个IO接口的开关时机由图2中的电机控制器通过电压比较器反馈的反电动势信号计算得出，并通过对电机预驱动控制器的控制实现。本实施例中的电压比较器如图2所示，三路电压比较器的输入端与电机的三相电源直接连接、输出端与嵌入式微处理器的数字IO接口直接连接，通过检测电机U、V、W三相的反电动势，判断电机转子位置，为六个IO接口提供开关时机。

如图3至图5所示，通信接口模块可以为PWM、LIN、CAN中的一种。如图3所示，PWM的接收和发送直接由嵌入式微处理器的IO接口完成，PWM的接收由嵌入式微处理器捕获的PWM信号通过定时器计算后解码，PWM的编码通过对嵌入式微处理器的PWM寄存器的设置生成，并映射到IO接口发送。如图4所示，LIN接口模块为LIN收发器，本实施例选用TJA1021芯片，它通过RXD、TXD、SLP_N接口与嵌入式微处理器的三个IO接口相连， 它是LIN主/从协议控制器和LIN物理总线之间的接口，嵌入式微处理器通过它接收或发送LIN总线上的信息。如图5所示，CAN接口模块包括CAN协议控制器和CAN收发器，CAN总线采用双绞线，分别称为CANH和CANL。本实施例选用PCA82C250作为CAN收发器与双绞线连接，提供对CAN总线的差分发送和接收功能，并完成差分信号CANH、CANL和逻辑电平信号TX、RX之间的转换；选用MCP2515作为CAN协议控制器，它通过SPI接口与嵌入式微处理器连接，完成总线上的报文接收和发送。

如图6所示，参数检测电路主要完成对电压、电流、温度和转速信号的检测功能，为电机的故障诊断提供参数。本实施例中，电压直接通过分压电阻检测电源电压，电流通过4mΩ的电阻检测其两端电压间接测量系统的电流值。电压、电流的测量值均为模拟量，因此需要AD转换芯片才能完成对信号的采集，本实施例中嵌入式微处理器自带10bitADC转换器，通过不同的AD通道可以完成对电压、电流值的采集。温度值通过数字温度传感器完成采集，本实施例中采用DS18B20。转速信号则可以通过图2所示三路电压比较器测得的反电动势信号，计算其频率，通过转速与换向频率之间的关系计算得到。

如图7所示，结合本实施例的软件流程，本控制器工作原理为：首先，通信模块和检测模块初始化，完成与汽车ECU的组网功能、等待接收指令；当接收到ECU启动指令后，进入电机启动算法，通过对电机转子位置的判断，启动电机并判断其是否正常启动，如果正常启动则按照接收的速度指令运行，并通过PID调节，使水泵保持设定的转速输出；接收到ECU启动指令、进入电机启动算法的同时，参数检测电路开始采集电流、电压、转速、温度信号，通过故障诊断算法，判断电子水泵的工作状态，如正常、过压、过流、欠压、干转、堵转等，如有故障，则将故障代码发送给ECU，并使电机停止工作，如果工作正常，将运行速度发送给ECU。

本发明的核心在于针对汽车电子水泵，配置了嵌入式微处理器及多种通信接口模块、参数检测电路，具有良好的通用性，并能够满足对汽车电子水泵故障的诊断要求。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：通信接口模块的具体芯片选取不限于实施例所述，参数检测电路的具体设置也可根据具体情况采用其他电压、电流、温度和转速的检测电路等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于，它包括：

嵌入式微处理器，通过通信接口模块与汽车的ECU或总线连接，用于接收ECU发出的转速控制信号，所述通信接口模块为PWM、LIN、CAN中的一种；

电机驱动器，其输入端与所述嵌入式微处理器连接、输出端与电机连接，用于在嵌入式微处理器的控制下驱动电机工作；

参数检测电路，包括电压、电流、温度、转速信号中的至少一种检测电路，其信号输出端与嵌入式微处理器连接，用于采集电机的工作参数。

2.根据权利要求1所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述PWM接口模块为嵌入式微处理器的IO接口。

3.根据权利要求1所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述LIN接口模块为LIN收发器，LIN收发器通过RXD、TXD、SLP_N接口与嵌入式微处理器的三个IO接口相连，并与LIN总线连接通信。

4.根据权利要求3所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述LIN收发器为TJA1021芯片。

5.根据权利要求1所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述CAN接口模块包括CAN协议控制器和CAN收发器，CAN协议控制器和CAN收发器之间通过收发数据接口相连，CAN协议控制器通过SPI接口与嵌入式微处理器连接，CAN收发器与CAN总线连接通信。

6.根据权利要求5所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述CAN协议控制器为MCP2515芯片，CAN收发器为PCA82C250芯片。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述电机驱动器为由六个N沟道场效应管构成的全桥驱动器，六个N沟道场效应管的栅极分别与所述嵌入式微处理器的六个IO接口连接。

8.根据权利要求7所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述电机驱动器还包括电压比较器，电压比较器的输入端与电机的三相电源连接、输出端与嵌入式微处理器连接，用于检测电机U、V、W三相的反电动势以判断电机转子位置。

9.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述嵌入式微处理器为可编程的单片机。

10.根据权利要求7所述的带有多种接口的汽车电子水泵控制器，其特征在于：所述嵌入式微处理器为可编程的单片机。

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