CN106711948A - 无电流传感器车用直流有刷电机保护装置及方法 - Google Patents

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CN106711948A CN201710072317.XA CN201710072317A CN106711948A CN 106711948 A CN106711948 A CN 106711948A CN 201710072317 A CN201710072317 A CN 201710072317A CN 106711948 A CN106711948 A CN 106711948A
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郑岩
田辉
庞学文
陈树星
赵彬
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马艳
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Abstract

本发明涉及一种无电流传感器车用直流有刷电机保护装置及方法，该装置的电流采集电路的两个输入端分别连接电机H桥控制电路中场效应管开关T1的漏极和源极，电流采集电路的输出连接隔离放大电路的输入，隔离放大电路的输出连接电机控制与保护电路的输入，电机控制与保护电路的输出连接到场效应管开关T1的栅极。本发明采集场效应管开关两端电压进行放大处理计算电流做电机保护模型，反馈温度模型计算场效应管开关结温及使用标定数据判断工艺差别来修正电流，可以有效地保护短路状态下的AMT系统，提高了AMT的性能和稳定性，电路简单、响应速度快，可靠性强，既能快速保护电机，又能避免避免在突发情况下系统出现有危害的错误响应。

Description

无电流传感器车用直流有刷电机保护装置及方法
技术领域
本发明涉及一种无电流传感器车用的直流有刷电机保护装置及方法，特别适用于轿车及微车AMT变速器电机驱动的控制系统，
背景技术
目前控制系统电机的安全保护措施主要有:(1)硬件电路具有电流传感器，采集电机的输出电流；(2)根据控制的输出指令及目标的控制情况计算电机的输出电流。以上二种方式都存在着一定的优缺点，第一种方式采集信息较准确，但增加硬件成本、增加生产工艺难度及增加失效风险；第二种方法成本低，但对于电流的计算不准确，无法实时准确的计算出电流值。
中国专利公报公开了《一种直流有刷电机的保护电路》(申请号：201180002051.2；公开日：2013.05.15)、《直流有刷电机的过流保护电路》(申请号：201120192484.6；公开日：2012.01.04)、《直流有刷电机的过流保护装置》(申请号：200810162280.0；公开日：2009.04.22)、《一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置及方法》(申请号：201410422807.4公开日：2014.12.24)。这些电路及方法都是对电机本体的保护，没有提出对控制器的电路及线束进行保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无电流传感器车用直流有刷电机保护装置及方法，该装置电路结构简单、响应速度快，可靠性强、可实现对电机电流的监测，根据对电流及温度的限制从而保护电机及整个机构系统。
为了解决上述技术问题，本发明的无电流传感器车用直流有刷电机保护装置包括电流采集电路，隔离放大电路，电机控制与保护电路；所述电流采集电路的两个输入端分别连接电机H桥控制电路中场效应管开关T1的漏极和源极，电流采集电路的输出连接隔离放大电路的输入，隔离放大电路的输出连接电机控制与保护电路的输入，电机控制与保护电路的输出连接到场效应管开关T1的栅极。
电流采集电路用于采集场效应管开关漏极与源极之间的电压，采集的电压经过隔离放大电路放大后输入到电机控制与保护电路；电机控制与保护电路对输入信号进行计算处理得到流经场效应管开关的电流并将其与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定电机驱动系统是否存在故障及故障类型，根据故障类型对电机采取保护措施。
所述电流采集电路包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2；第一分压电阻R1连接在场效应管开关T1的源极与隔离放大电路的一个输入端之间，第二分压电阻R2连接在场效应管开关T1的漏极与隔离放大电路的另一个输入端之间；其作用是使采集的电压能够在隔离放大电路可接收的范围内。
所述的电流采集电路还包括第一滤波电路RC1和第二滤波电路RC2；第一滤波电路RC1连接在第一分压电阻R1与隔离放大电路的一个输入端之间，第二滤波电路RC2连接在第二分压电阻R2与隔离放大电路的另一个输入端之间，用于对采集的电压进行平滑滤波。
所述的隔离放大电路包括第一跟随器AMP1、第一差分放大比例电阻R7、第二跟随器AMP2、第二差分放大比例电阻R8、电压放大器AMP3；第一滤波电路RC1、第一跟随器AMP1、第一差分放大比例电阻R7依次连接，第二滤波电路RC2、第二跟随器AMP2、第二差分放大比例电阻R8依次连接；第一差分放大比例电阻R7、第二差分放大比例电阻R8的另一端分别连接到电压放大器AMP3的正端和负端。
所述的隔离放大电路还包括第一分压电阻R9、第二分压电阻R10；第一分压电阻R9和第二分压电阻R10串接于参考直流电源与地之间，并且第一分压电阻R9与第二分压电阻R10的公共节点连接到电压放大器AMP3的正端；用于分压以提升整体电压，避免电阻出现因误差带来正端小于负端现象。
所述隔离放大电路还包括连接于电压放大器AMP3输出端与电机控制与保护电路之间的限流电阻R12。
所述电机控制与保护电路采用单片机，单片机的输出连接到场效应管开关T1的栅极。
所述电机控制与保护电路还包括环境温度传感器，环境温度传感器贴合在场效应管开关T1上。
所述电机控制与保护电路还可以由积分放大电路、参考电压电路和比较器构成；所述隔离放大电路的输出端连接到积分放大电路的输入，积分放大电路的输出连接到比较器的负端，参考电压电路的输出连接到比较器的正端；比较器的输出连接到场效应管开关的栅极。
隔离放大电路输出的电压经积分放大电路累加计算后输入比较器的负端，当其值大于参考电压电路输出的比较阈值时，比较器输出低电平信号断开场效应管开关，从而停止电机工作，当其值小于参考电压电路输出的比较阈值时，比较器输出高电平信号接通场效应管开关，从而使电机工作。
一种利用上述无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，包括下述步骤：
步骤一：初始时，采用式(1)计算初始时刻场效应管开关T1的内阻R0；
V0’/k＝I0×R0 (1)
式中V0’为电压放大器AMP3输出端电压初始值，k为电压放大器AMP3的放大倍数，I0为电压放大器AMP3输出端电流初始值；V0’为400mV～900mV，I0为200mA～400mA；
步骤二：当电压放大器AMP3输出端电压达到设定值Vs时开始采样；Vs为400mV～900mV；实时采集电机两端压差和电流并计算电机温度，通过板温传感器、环境温度传感器实时采集电路板温度、场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；同时通过式(2)计算第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流Ii+1，i＝0，1，2……；
Vi+1’-V0’/k＝(Ii+1-I0)×Ri (2)
Vi+1’为第i+1个时间片采集的电压放大器AMP3输出端电压；Ri为通过第i个时间片电压放大器AMP3输出端电压和流经场效应管开关T1的电流计算出的场效应管开关T1内阻；
步骤三：通过式(3)计算第i+1个时间片场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1×Ii+1×Ri×Rth (3)
Tc_(i+1)是通过环境温度传感器采集的场效应管开关T1测定值；Rth为场效应管开关T1的热阻标定值；
步骤四：通过式(4)计算第i个时间片场效应管开关T1的内阻修正值Ri’；
Ri’＝k1×Tj_(i+1)+b1 (4)
其中k1和b1由场效应管开关T1的结温与电阻的对应图简化后的线性关系计算得到；
步骤五：将第i个时间片场效应管开关T1的内阻修正值Ri’代入式(5)，得到第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1’×Ii+1’×Ri’×Rth (5)
步骤六：将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定电机驱动系统是否存在故障及故障类型；其中电流限值表预先根据实验确定；
一、当故障类型为线间短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路时，保持电机输出关闭直至系统下电；
二、当故障类型为因电机长时间运行堵转产生过流时，保持电机输出关闭；占空比大于40％且堵转时间超过1秒时使电机进入关闭状态；占空比小于40％且堵转时间超过5秒时使电机进入关闭状态；关闭30秒后再重新测试；
三、当电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)中任一项高于设定的限值时，降低驱动电流的占空比保持电机输出直至电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温全部降低到安全值。
公式(5)的误差较大，可通过停止电机后关断场效应管开关对利用寄生二极管导通压降与结温呈线性关系来计算一个较为准确的结温以标定结温与功率关系，来减小公式(5)的误差。关断场效应管开关后所有电流只能通过寄生二极管，寄生二极管导通压降与结温呈线性关系，此时可通过压降计算出较准确的结温，从而对场效应管开关T1的热阻标定值Rth进行修正。Rth修正方法具体如下：
下线测量场效应管开关T1两端电压，然后根据公式(1)、(2)进行迭代计算得到第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流Ii+1；通过公式UNMOS压降＝K固定系数×T结温计算出结温T结温，并令T结温＝Tj_(i+1)；最后将Ii+1代到公式(3)中计算Rth，将该Rth值作为修正后的Rth值。公式(3)、(5)中场效应管开关T1的热阻标定值使用该修正后的Rth值，即可减小电流修正值Ii+1’的计算误差，误差可减小至10％以内。
利用上述无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，还包括系统安全初始化检测步骤，该步骤如下：
初始时，分别使用占空比为5、10、15的驱动电流驱动电机，并在不同占空比下通过公式(1)-(5)实时计算流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’和场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定驱动系统是否存在故障及故障类型，其中电流限值表预先根据实验确定；
一、当故障类型为线间短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路时，保持电机输出关闭直至系统下电；
二、当故障类型为因电机长时间运行堵转产生过流时，保持电机输出关闭占空比大于40％且堵转时间超过1秒时使电机进入关闭状态；占空比小于40％且堵转时间超过5秒时使电机进入关闭状态。关闭时间为30秒后再重新测试；
三、当电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)中任一项高于设定的限值时，降低驱动电流的占空比保持电机输出直至电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温全部降低到安全值。
利用上述无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，还包括下述步骤：
步骤S1：无驱动电流时，即场效应管开关打开但后续驱动单个电机的4个NMOS管T2、T3、T4、T5未打开时，采集电压放大器AMP3的输出电压UI＝0，根据公式U＝k×I×R+b计算b值，此时I＝0，即b＝UI＝0；
步骤S2：分别在三个典型的稳定状态下，即占空比为0，占空比为40％且电机堵转，占空比为90％且电机堵转，根据公式U＝k×I×R+b计算三个典型的稳定状态下的电流值IK1、IK2、IK3；其中U为当前电压放大器AMP3输出端电压Vi+1’，k为电压放大器AMP3的放大倍数，R等于Ri’；Ri’通过公式(1)～(4)计算得到；将IK1、IK2、IK3分别作为占空比为0、占空比大于40％且电机堵转、占空比大于90％且电机堵转时的过流限值；在以下三种状态下使电机进入关闭状态：当占空比为0且计算出的流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’大于IK1时；当占空比大于40％且电机堵转，并且流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’大于IK2时；当占空比大于90％且电机堵转，并且流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’大于IK3时。
本发明工作原理为：实时通过板温传感器采集电路板温度，通过反馈温度模型计算场效应管开关的温度，根据电机两端压差和电流计算电机温度，同时实时计算驱动系统(包括场效应管开关、电机线、电机)的电流，当出现过温、过压、过流的情况会根据不同的危害等级采取不同的动作，例如在80A以上的过流情况时，系统会在10毫秒内采集、判断并关闭驱动电路，以确保控制器、执行机构的安全。
本发明利用了场效应管内阻阻值较低，工艺较容易实现，成本也低。将场效应管开关放置在电路板电源入口处进行控制电源通断的同时采集两端电压，采集电压后进入隔离放大电路放大，由于电阻及放大器的误差是客观存在的，所以电流为0时电压不为0，电流开始增加后电压保持不变，电流到达一定数值时电压才发生变化，然后输入到单片机，单片机采集电压进行处理，对现有场效应管开关温度进行分析，分析结果对应出场效应管开关内阻，然后通过计算与标定数据得出电流，如果短时间电流过大，就认为短路进行保护，短时间内关断电机驱动使能。根据电机温度、电路板温度、自检电流及电压相应情况，在通过自检并且电机温度、电路板温度、场效应管开关结温均下降到设定值以下后再次尝试打开电机驱动使能，保证短路可以保护，起动和堵转性能不受影响。本发明采集场效应管开关两端电压进行放大处理计算电流做电机保护模型，反馈温度模型计算场效应管开关结温及使用标定数据判断工艺差别来修正电流，可以有效地保护短路状态下的AMT系统，提高了AMT的性能和稳定性。
本发明电路简单、响应速度快，可靠性强，既能快速保护电机，又能避免误动作，可通过对电机驱动电流的监控对变速器执行机构、电机、TCU电脑进行保护，可在系统出现问题的情况下及时实现故障判定和采取措施，通过以上结构及方法确能够做到可靠识别，避免在突发情况下系统出现有危害的错误响应。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是电机H桥控制电路原理图。
图2是本发明的用于保护电机驱动的AMT变速箱短路的控制装置结构框图。
图3是电流采集电路和隔离放大电路原理图。
图4是NMOS内阻图；
图5是实施的电机保护与控制的软件流程图。
具体实施方式
如图1所示，电机1的H桥控制电路包括四个呈H型布置的四个场效应管T2、T3、T4、T5，以及场效应管开关T1。四个场效应管T2、T3、T4、T5均为NMOS管。
如图2所示，包括电流采集电路，隔离放大电路，电机控制与保护电路；所述电流采集电路的两个输入端分别连接场效应管开关T1的漏极和源极，电流采集电路的输出连接隔离放大电路的输入，隔离放大电路的输出连接电机控制与保护电路的输入，电机控制与保护电路的输出连接到场效应管开关T1的栅极。
如图3所示，所述电流采集装置包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一滤波电路RC1、第二滤波电路RC2。隔离放大电路包括第一跟随器AMP1、第一差分放大比例电阻R7、第二跟随器AMP2、第二差分放大比例电阻R8、电压放大器AMP3、第一分压电阻R9、第二分压电阻R10、限流电阻R12；第一分压电阻R1连接在场效应管开关T1的源极与第一滤波电路RC1输入端之间，第一滤波电路RC1的输出连接到第一跟随器AMP1的输入；第一分压电阻R9和第二分压电阻R10串接于参考直流电源与地之间，第一跟随器AMP1的输出通过第一差分放大比例电阻R7连接到第一分压电阻R9与第二分压电阻R10的公共节点，该节点同时连接到电压放大器AMP3的正端。第二分压电阻R2连接在场效应管开关T1的漏极与第二滤波电路RC2输入端之间，第二滤波电路RC2的输出连接到第二跟随器AMP2的输入；第二跟随器AMP2的输出通过第二差分放大比例电阻R8连接到电压放大器AMP3的负端。电压放大器AMP3的输出通过限流电阻R12连接到电机控制与保护电路的输入。电机控制与保护电路的输出连接到场效应管开关T1的栅极。
电流采集电路:将电流通过场效应管开关T1的内阻转换成电压信号。
隔离放大电路：通过隔离电路防止串扰，放大电路同比例提高电压。
电机控制与保护电路采用单片机或者由积分放大电路、参考电压电路和比较器构成的电路；当采用后者时，隔离放大电路的输出端连接到积分放大电路的输入，积分放大电路的输出连接到比较器的负端，参考电压电路的输出连接到比较器的正端；比较器的输出连接到场效应管开关的栅极。
流过场效应管开关T1的电流会在其两端产生一个压差，为保证在蓄电池14V下电机可以正常工作，场效应管开关T1的内阻要控制在10mΩ以内，由于压差过小，需要对其进行隔离放大，否则单片机无法识别，隔离放大以后，由于电阻误差及运算放大器误差使在电流较小时电压放大器AMP3负端比正端电压更高，所以系统使用图3中第一分压电阻R9、第二分压电阻R10抬高了正端电压，但是同时也带来一定的误差，单片机给出场效应管开关T1的温度模型，通过热阻及前一次计算出的电流进行温度累计，环境温度传感器采集场效应管开关T1周边温度，通过计算温升得出场效应管开关T1结温，和标定数据一起计算得出效应管开关T1的内阻，最终得出流经场效应管开关T1的电流，然后和电机模型计算出的电流进行对比修正电流值，将该修正电流值与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定驱动系统是否存在故障及故障类型，然后针对不同的故障类型采取不同的处理方法保护电机(例如：当采集电流超过10A时允许电机连续运行时间为5秒；当采集电流超过20A时，允许电机连续运行时间1秒；当电流超过60A时，系统会在50毫秒内关闭驱动；当电流超过80A时，系统会在10毫秒关闭驱动)，这样在起动和堵转时虽有短暂的保护但仍能保证实现其性能，保护多次后加长保护时间，这样就器件寿命就有了保障。通过温度累计如得出温度过高则将控制电机低速运行，使系统逐渐降温。
在图4中，给出了理想状况下的NMOS管内阻，除温度外，还受工艺影响。使用标定数据进行修正，才能得出更准确的内阻图。
本发明带来的优点是只利用场效应管开关T1的压差做采样电阻，因为场效应管开关T1是电路必须有，用来控制电源通断的，所以不增加成本。比起采样电阻，对生产工艺要求也更低。
单片机具体计算处理过程如下：
初始时，采用式(1)计算初始时刻场效应管开关T1内阻R0；
V0’/k＝I0×R0 (1)
式中V0’为电压放大器AMP3输出端电压初始值，k为电压放大器AMP3的放大倍数，I0为电压放大器AMP3输出端电流初始值。由于电阻及放大器的误差是客观存在的，所以电流为0时电压不为0，电流开始增加后电压保持不变，电流到达一定数值时电压才发生变化。因此此处的V0’和I0采用经验估计值，V0’一般为400mV～900mV，I0一般为200mA～400mA。
当电压放大器AMP3输出端电压达到设定值Vs时开始采样(设定值Vs预先标定，一般为400mV～900mV，第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流Ii+1通过式(2)计算，i＝0，1，2……。
Vi+1’-V0’/k＝(Ii+1-I0)×Ri (2)
Vi+1’为第i+1个时间片采集的电压放大器AMP3输出端电压，Ri为第i个时间片计算出的场效应管开关T1内阻。
第i+1个时间片场效应管开关T1结温Tj_(i+1)通过式(3)计算；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1×Ii+1×Ri×Rth (3)
Tc_(i+1)通过环境温度传感器采集，较为准确。Rth为场效应管开关T1的热阻，其值由实验标定。场效应管开关T1的热阻在PCB封装一定的情况下基本是定值,也就是在散热条件一定的情况下是定值，手册里会给一个，在做ECU寿命试验的时候做一下标定，基本上区别不大。
通过式(4)计算第i个时间片场效应管开关T1内阻修正值Ri’，温度模型计算内阻公式(4)由图4简化给出每一个NMOS都有结温与电阻的对应图，即图4所示，按图4曲线把它简化为线性关系：
Ri’＝k1×Tj_(i+1)+b1 (4)
其中可计算得出：k1＝3/160；b1＝27/8。
将第i个时间片场效应管开关T1内阻修正值Ri’带入公式(5)，根据内阻计算电流公式(5)，通过上一个时间片计算的内阻和电流计算结温，得到第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1’×Ii+1’×Ri’×Rth (5)
将第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’与设定的电流台阶进行比较，当超过不同的电流台阶时，对电机采取不同时间的保护。这样在起动和堵转时虽有短暂的保护但仍能保证实现其性能，保护多次后加长保护时间，这样就器件寿命就有了保障。通过温度累计如得出场效应管开关T1的结温过高将控制电机低速运行，使系统逐渐降温。
U＝k×I×R+b放大器公式
此电压放大器AMP3将场效应管开关T1两端电压线性放大给单片机否则单片机的处理精度无法识别。
可通过停止电机后关断场效应管开关T1利用寄生二极管导通压降与结温呈线性关系来计算一个较为准确的结温以标定结温与功率关系。公式(5)的误差较大，可以通过场效应管开关T1的寄生二极管来减小公式(5)的误差，关断场效应管开关T1后所有电流只能通过二极管，二极管导通压降与结温呈线性关系，此时可通过压降计算出较准确的结温。
下线测量两端电压，然后根据公式(1)、(2)进行迭代计算得到第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流Ii+1；通过公式UNMOS压降＝K固定系数×T结温计算出结温T结温，并令T结温＝Tj_(i+1)；最后将Ii+1代到公式(3)中计算Rth，将该Rth值作为修正后的Rth值。
如图5所示，其软件处理流程如下：
S10、系统初始化：无驱动电流时(即场效应管开关T1开关打开但后续驱动单个电机的4个NMOS管T2、T3、T4、T5未打开)，采集电压放大器AMP3的输出电压UI＝0，根据公式U＝k×I×R+b计算b值，此时I＝0，即b＝UI＝0；
S20、系统安全初始化检测：通过使用不同占空比5、10、15的驱动电流分别驱动电机，并在不同占空比下通过公式(1)-(5)实时计算当前流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’和场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定驱动系统是否存在故障及故障类型。其中电流限值表预先根据实验确定(电流限值表的确定方法属于本领域公知的技术，本发明选择20个以上的控制器，测量出不同占空比在电机空转、电机堵转时的电流值。根据上述方法测得的数据制作电流限值表)。故障类型为：驱动线开路、驱动线短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路、驱动线过流；(其中驱动线是车载电脑(ECU)端子至电机的连线)。
S30、依据步骤S20的比对结果，决定是否进入保护状态。当驱动系统出现故障时进入保护状态。保护状态根据故障的类型不同处理方式也会不同，等级分为：
一、当故障类型为线间短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路时，保持电机输出关闭直至系统下电；
二、当故障类型为因电机长时间运行堵转产生过流时，保持电机输出关闭
600秒后再重新测试；
三、当电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)中任一项高于设定的限值时，降低驱动电流的占空比保持电机输出直至电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温全部降低到安全值；
S40、分别在三个典型的稳定状态下，即占空比为0，占空比为40％且电机堵转，占空比为90％且电机堵转，根据公式U＝k×I×R+b计算三个典型的稳定状态下的电流值IK1、IK2、IK3；其中U为当前AMP3放大器输出端电压V i+1’，k为电压放大器AMP3的放大倍数，R等于Ri’；Ri’通过公式(1)～(4)计算得到。将IK1、IK2、IK3分别作为占空比为0、占空比大于40％且电机堵转、占空比大于90％且电机堵转时的过流限值；在以下三种状态下使电机进入关闭状态：当占空比为0且计算出的流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’大于IK1时；当占空比大于40％且电机堵转，并且流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’大于IK2时；当占空比大于90％且电机堵转，并且流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’大于IK3时。
S50、以控制命令给出的占空比驱动电流驱动电机，通过公式(1)-(5)实时计算当前流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’和场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定驱动系统是否存在故障及故障类型；然后针对不同的故障类型采取不同的处理方法保护电机；具体如下：
S51：初始时，采用式(1)计算初始时刻场效应管开关T1的内阻R0；
V0’/k＝I0×R0 (1)
式中V0’为电压放大器AMP3输出端电压初始值，k为电压放大器AMP3的放大倍数，I0为电压放大器AMP3输出端电流初始值；V0’为400mV～900mV，I0为200mA～400mA；
当电压放大器AMP3输出端电压达到设定值Vs时开始采样；Vs为400mV～900mV；实时采集电机两端压差和电流并采用本领域公知方法计算电机温度，通过板温传感器、环境温度传感器实时采集电路板温度、场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；同时通过式(2)计算第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流Ii+1，i＝0，1，2……；
Vi+1’-V0’/k＝(Ii+1-I0)×Ri (2)
Vi+1’为第i+1个时间片采集的电压放大器AMP3输出端电压；Ri为通过第i个时间片电压放大器AMP3输出端电压和流经场效应管开关T1的电流计算出的场效应管开关T1内阻；
S53：通过式(3)计算第i+1个时间片场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1×Ii+1×Ri×Rth (3)
Tc_(i+1)是通过环境温度传感器采集的场效应管开关T1测定值；Rth为场效应管开关T1的热阻标定值；
S54：通过式(4)计算第i个时间片场效应管开关T1的内阻修正值Ri’；
Ri’＝k1×Tj_(i+1)+b1(4)
其中k1和b1由场效应管开关T1的结温与电阻的对应图简化后的线性关系计算得到；
将第i个时间片场效应管开关T1的内阻修正值Ri’代入式(5)，得到第i+1个时间片流经场效应管开关T1的电流修正值Ii+1’；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1’×Ii+1’×Ri’×Rth (5)
S52：将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对；根据比对结果确定电机驱动系统是否存在故障及故障类型；其中电流限值表预先根据实验确定；
S60：进入保护状态；
一、当故障类型为线间短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路时，保持电机输出关闭直至系统下电；
二、当故障类型为因电机长时间运行堵转产生过流时，保持电机输出关闭；占空比大于40％，堵转时间超过1秒进入关闭状态；占空比小于40％，堵转时间超过5秒进入关闭状态。关闭时间为30秒后再重新测试；
三、当电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温Tj_(i+1)中任一项高于设定的限值时，降低驱动电流的占空比保持电机输出直至电机温度、电路板温度、场效应管开关T1的结温全部降低到安全值。
S70、点亮故障灯、对故障环境信息进行采集存储。其中环境信息是指车辆的运行环境及变速箱的运行环境。例如：车速、油门开度、离合器位置、选换挡位置等信息。

Claims (10)

1.一种无电流传感器车用直流有刷电机保护装置，其特征在于包括电流采集电路，隔离放大电路，电机控制与保护电路；所述电流采集电路的两个输入端分别连接电机H桥控制电路中场效应管开关(T1)的漏极和源极，电流采集电路的输出连接隔离放大电路的输入，隔离放大电路的输出连接电机控制与保护电路的输入，电机控制与保护电路的输出连接到场效应管开关(T1)的栅极。
2.根据权利要求1所述的无电流传感器车用直流有刷电机保护装置，其特征在于所述电流采集电路包括第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)；第一分压电阻(R1)连接在场效应管开关(T1)的源极与隔离放大电路的一个输入端之间，第二分压电阻(R2)连接在场效应管开关(T1)的漏极与隔离放大电路的另一个输入端之间。
3.根据权利要求2所述的无电流传感器车用直流有刷电机保护装置，其特征在于所述的电流采集电路还包括第一滤波电路(RC1)和第二滤波电路(RC2)；第一滤波电路(RC1)连接在第一分压电阻(R1)与隔离放大电路的一个输入端之间，第二滤波电路(RC2)连接在第二分压电阻(R2)与隔离放大电路的另一个输入端之间。
4.根据权利要求1所述的无电流传感器车用直流有刷电机保护装置，其特征在于所述的隔离放大电路包括第一跟随器(AMP1)、第一差分放大比例电阻(R7)、第二跟随器(AMP2)、第二差分放大比例电阻(R8)、电压放大器(AMP3)；第一滤波电路(RC1)、第一跟随器(AMP1)、第一差分放大比例电阻(R7)依次连接，第二滤波电路(RC2)、第二跟随器(AMP2)、第二差分放大比例电阻(R8)依次连接；第一差分放大比例电阻(R7)、第二差分放大比例电阻(R8)的另一端分别连接到电压放大器(AMP3)的正端和负端。
5.根据权利要求4所述的无电流传感器车用直流有刷电机保护装置，其特征在于所述的隔离放大电路还包括第一分压电阻(R9)、第二分压电阻(R10)；第一分压电阻(R9)和第二分压电阻(R10)串接于参考直流电源与地之间，并且第一分压电阻(R9)与第二分压电阻(R10)的公共节点连接到电压放大器(AMP3)的正端。
6.根据权利要求5所述的无电流传感器车用直流有刷电机保护装置，其特征在于所述隔离放大电路还包括连接于电压放大器(AMP3)输出端与电机控制与保护电路之间的限流电阻(R12)。
7.一种利用上述无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：初始时，采用式(1)计算初始时刻场效应管开关(T1)的内阻R0；
V0’/k＝I0×R0 (1)
式中V0’为电压放大器(AMP3)输出端电压初始值，k为电压放大器(AMP3)的放大倍数，I0为电压放大器(AMP3)输出端电流初始值；V0’为400mV～900mV，I0为200mA～400mA；
步骤二：当电压放大器(AMP3)输出端电压达到设定值Vs时开始采样；Vs为400mV～900mV；实时采集电机两端压差和电流并计算电机温度，通过板温传感器、环境温度传感器实时采集电路板温度、场效应管开关(T1)的结温Tj_(i+1)；同时通过式(2)计算第i+1个时间片流经场效应管开关(T1)的电流Ii+1，i＝0，1，2……；
Vi+1’-V0’/k＝(Ii+1-I0)×Ri (2)
Vi+1’为第i+1个时间片采集的电压放大器(AMP3)输出端电压；Ri为通过第i个时间片电压放大器(AMP3)输出端电压和流经场效应管开关(T1)的电流计算出的场效应管开关(T1)内阻；
步骤三：通过式(3)计算第i+1个时间片场效应管开关(T1)的结温Tj_(i+1)；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1×Ii+1×Ri×Rth (3)
Tc_(i+1)是通过环境温度传感器采集的场效应管开关(T1)测定值，环境温度传感器贴合在场效应管开关(T1)上；Rth为场效应管开关(T1)的热阻标定值；
步骤四：通过式(4)计算第i个时间片场效应管开关(T1)的内阻修正值Ri’；
Ri’＝k1×Tj_(i+1)+b1 (4)
其中k1和b1由场效应管开关(T1)的结温与电阻的对应图简化后的线性关系计算得到；
步骤五：将第i个时间片场效应管开关(T1)的内阻修正值Ri’代入式(5)，得到第i+1个时间片流经场效应管开关(T1)的电流修正值Ii+1’；
Tj_(i+1)＝Tc_(i+1)+Ii+1’×Ii+1’×Ri’×Rth (5)
步骤六：将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定电机驱动系统是否存在故障及故障类型；其中电流限值表预先根据实验确定；
一、当故障类型为线间短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路时，保持电机输出关闭直至系统下电；
二、当故障类型为因电机长时间运行堵转产生过流时，保持电机输出关闭；占空比大于40％且堵转时间超过1秒时使电机进入关闭状态；占空比小于40％且堵转时间超过5秒时使电机进入关闭状态；关闭30秒后再重新测试；
三、当电机温度、电路板温度、场效应管开关(T1)的结温Tj_(i+1)中任一项高于设定的限值时，降低驱动电流的占空比保持电机输出直至电机温度、电路板温度、场效应管开关(T1)的结温全部降低到安全值。
8.根据权利要求7所述的利用无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，其特征在于还包括场效应管开关(T1)的热阻标定值修正步骤，该步骤如下：下线测量场效应管开关(T1)两端电压，然后根据公式(1)、(2)进行迭代计算得到第i+1个时间片流经场效应管开关(T1)的电流Ii+1；通过公式UNMOS压降＝K固定系数×T结温计算出结温T结温，并令T结温＝Tj_(i+1)；最后将Ii+1代到公式(3)中计算Rth，将该Rth值作为修正后的Rth值。
9.根据权利要求6或7所述的利用无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，其特征在于还包括系统安全初始化检测步骤，该步骤如下：
初始时，分别使用占空比为5、10、15的驱动电流驱动电机，并在不同占空比下通过公式(1)-(5)实时计算流经场效应管开关(T1)的电流修正值Ii+1’和场效应管开关(T1)的结温Tj_(i+1)；将电流修正值Ii+1’与电流限值表中当前占空比对应的反馈电流限值进行比对，根据比对结果确定驱动系统是否存在故障及故障类型，其中电流限值表预先根据实验确定；
一、当故障类型为线间短路、驱动线对电源短路、驱动线对地短路时，保持电机输出关闭直至系统下电；
二、当故障类型为因电机长时间运行堵转产生过流时，保持电机输出关闭占空比大于40％且堵转时间超过1秒时使电机进入关闭状态；占空比小于40％且堵转时间超过5秒时使电机进入关闭状态。关闭时间为30秒后再重新测试；
三、当电机温度、电路板温度、场效应管开关(T1)的结温Tj_(i+1)中任一项高于设定的限值时，降低驱动电流的占空比保持电机输出直至电机温度、电路板温度、场效应管开关(T1)的结温全部降低到安全值。
10.根据权利要求9所述的利用无电流传感器车用直流有刷电机保护装置实现电机保护的方法，其特征在于还包括下述步骤：
步骤S1：无驱动电流时，即场效应管开关打开但后续驱动单个电机的4个NMOS管(T2、T3、T4、T5)未打开时，采集电压放大器(AMP3)的输出电压UI＝0，根据公式U＝k×I×R+b计算b值，此时I＝0，即b＝UI＝0；
步骤S2：分别在三个典型的稳定状态下，即占空比为0，占空比为40％且电机堵转，占空比为90％且电机堵转，根据公式U＝k×I×R+b计算三个典型的稳定状态下的电流值IK1、IK2、IK3；其中U为当前电压放大器(AMP3)输出端电压Vi+1’，k为电压放大器(AMP3)的放大倍数，R等于Ri’；Ri’通过公式(1)～(4)计算得到；将IK1、IK2、IK3分别作为占空比为0、占空比大于40％且电机堵转、占空比大于90％且电机堵转时的过流限值；在以下三种状态下使电机进入关闭状态：当占空比为0且计算出的流经场效应管开关(T1)的电流修正值Ii+1’大于IK1时；当占空比大于40％且电机堵转，并且流经场效应管开关(T1)的电流修正值Ii+1’大于IK2时；当占空比大于90％且电机堵转，并且流经场效应管开关(T1)的电流修正值Ii+1’大于IK3时。
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