CN107493047A - 一种基于eps的电机驱动桥控制及诊断保护系统 - Google Patents

一种基于eps的电机驱动桥控制及诊断保护系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车转向助力技术领域，公开了一种基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统。包括逻辑控制单元、驱动桥管理单元、驱动桥、EPS电机以及电流采样单元；所述逻辑控制单元包括逻辑控制模块、通讯模块一以及AD采样模块；驱动管理单元包括逻辑信号接收模块、逻辑信号放大模块、通讯模块二、电流采集处理模块、电机相位采集处理模块、电压采集处理模块以及故障诊断模块。本发明在电压低时保证一定的驱动能力，使EPS能够有效运行，受电源电压波动小；并且对电机三相电路进行电流采样，通过对电流值的诊断实现对电机相开路、短路、过流等故障的诊断，且能进行驱动桥各场效应管门极驱动关断检测、驱动桥各场效应管VDS监控，及驱动桥对电源短路的诊断。

Description

一种基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统
技术领域
本发明涉及汽车转向助力技术领域，更具体地，涉及一种基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统。
背景技术
EPS系统中电动机及其控制单元，作为人车交互界面的执行单元，对其的保护和防患设计尤为重要。目前国内外市场上的电机及其控制单元融入了对电机的过流、H桥短路、H桥开路等故障机制。
目前的电流检测方式为电机相电流检测、母线低端电流检测和母线高端电流检测等单一方式，不能及时发现H桥场效应管的开路、短路、过流。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种在电压低时能驱动EPS，并且能对EPS的电机进行相开路、短路、过流故障诊断的基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
提供一种基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，包括依次连接的逻辑控制单元、驱动桥管理单元、驱动桥以及EPS电机；还包括电流采样单元；所述逻辑控制单元包括逻辑控制模块、通讯模块一以及AD采样模块；所述驱动管理单元包括逻辑信号接收模块、逻辑信号放大模块、通讯模块二、电流采集处理模块、电机相位采集处理模块、电压采集处理模块以及故障诊断模块；所述逻辑信号接收模块接收逻辑控制模块的控制信号并通过逻辑信号放大模块进行信号放大后接入驱动桥的输入端；所述电流采样单元采集驱动桥中的电机电流，并通过电流采集处理模块进行处理后传送给故障诊断模块进行故障诊断，同时通过AD采样模块传送至逻辑控制单元；所述电压采集处理模块采集驱动桥的电压信号，所述电机相位采集处理模块采集电机相位信号，所述电压信号、电机相位信号以及逻辑信号接收模块的逻辑信号均传送至故障诊断模块进行故障诊断；故障诊断模块将诊断结果通过通讯模块一和通讯模块二反馈至逻辑控制单元。
进一步地，还包括电流采样单元；所述驱动管理单元还包括电流采集处理模块；所述电流采样单元采集驱动桥中的电机电流，并通过电流采集处理模块进行处理后传送给故障诊断模块进行故障诊断，同时通过AD采样模块传送至逻辑控制单元。
进一步地，所述驱动管理单元还包括电荷泵自举电路；所述电荷泵自举电路的输入端与逻辑信号接收模块连接，其输出端与驱动桥连接。
进一步地，所述驱动桥包括场效应管或三极管。
所述驱动桥包括三对场效应管，分别驱动电机的三相；每个场效应管的G极通过TVS管与自身的S极连接，TVS管并联有电阻；每个场效应管的D极和S极之间设有阻容吸收电路；每对场效应管中，均包括高边场效应管和低边场效应管，高边场效应管的D极与电源正极连接，低边场效应管的S极与电源负极连接；高边场效应管S极与低边场效应管的D极连接。
进一步地，所述电压采集处理模块包括运算器和比较器；所述运算器的正极与驱动桥的场效应管的D极连接，所述运算器的负极与同一场效应管的S极连接；所述运算器的输出端连接比较器的负极，所述比较器的正极输入端输入设定阈值VDS；所述比较器的输出端作为电压采集处理模块的输出端。
进一步地，所述电压采集处理模块包括三组运算器和比较器，每组包括两个运算器和两个比较器，三组运算器和比较器分别连接三对场效应管。
进一步地，同组的运算器包括第一运算器和第二运算器，同组的比较器包括第一比较器和第二比较器；第一运算器的正极与高边场效应管的D极连接，第一运算器的负极与同一高边场效应管的S极连接，第一运算器的输出端连接第一比较器的负极；第二运算器的正极与低边场效应管的D极连接，第二运算器的负极与同一低边场效应管的S极连接，第二运算器的输出端连接第二比较器的负极。
进一步地，所述电流采样单元包括电阻R100、电阻R200、电阻R300，分别连接在三对场效应管低边场效应管的S极与电池负极之间。
进一步地，所述逻辑控制单元为MCU模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种集电机驱动、故障诊断于一体的基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统。本发明提供三相电机驱动，在电压低时保证一定的驱动能力，使EPS能够有效运行，受电源电压波动小；并且对电机三相电路进行电流采样，通过对电流值的诊断实现对电机相开路、短路、过流等故障的诊断，且能进行驱动桥各场效应管门极驱动关断检测；能够实现驱动桥各场效应管 VDS监控，及驱动桥对电源短路的诊断。本发明能有效防止器件开路、过流和非计划助力，降低器件损坏风险，实现了事故预防和事故回避，提高系统的安全性和操作性。
附图说明
图1为本实施例1基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统原理框图。
图2为本实施例1基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统具体原理示意图。
图3为电机A相过流、短路诊断原理示意图。
图4为电机B相过流、短路诊断原理示意图。
图5为电机C相过流、短路诊断原理示意图。
图6为本实施例驱动桥原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统。如图1所示，包括逻辑控制单元1、驱动管理单元2、驱动桥3、电机4和电流采样单元5。
如图2所示，逻辑控制单元1用于对电机4进行逻辑控制编程；驱动管理单元2与逻辑控制单元1双向连接，逻辑控制单元1输出逻辑控制信号给驱动管理单元2，驱动管理单元2将信号进行放大处理，同时将诊断信息传输给逻辑控制单元1；驱动桥3包括六个场效应管但不限于场效应管，其与驱动管理单元2双向连接，驱动管理单元2将放大处理后的逻辑控制信号输出给驱动桥3的各场效应管，同时采集驱动桥3的相关电压信号，对其进行短路、开路、过压、欠压等故障的诊断，并将诊断信息传输给逻辑控制单元1；本实施例驱动的EPS电机4为无刷直流电机，与驱动桥3连接，驱动桥3输出三相控制信号给电机4，实现对电机4的控制；同时电流采样单元5分别采集电机4的各相电流，并将测得电流结果输出给驱动管理单元2，驱动管理单元2对信号进行放大，并结合控制逻辑进行电机开路、短路、过流等故障的诊断。
逻辑控制单元1包括逻辑控制模块6、通信模块7和AD采样模块8；本实施例的逻辑控制单元1采用MCU模块但不限于MCU模块。逻辑控制模块6输出逻辑信号给驱动管理单元2，通信模块7用于和驱动管理单元2进行通讯，通过驱动管理单元2的故障诊断信号及时进行逻辑输出信号的调整，确保EPS系统的安全可靠运行，保证驾驶人员的安全。
驱动管理单元2包括逻辑信号接收模块9，逻辑信号放大模块10，通讯模块11，电压采集处理模块12，电流采集处理模块13，电机相位采集处理模块14，故障诊断模块15以及电荷泵自举电路16。逻辑信号接收模块9与逻辑控制单元1的逻辑控制模块6连接，用于接收逻辑信号；逻辑信号放大模块10与电池电源正VBAT+连接，通过电荷泵自举电路16，提高逻辑信号GAH、GBH、GCH的电压值的同时，保证在电源电压低时仍然有一定的驱动能力，使EPS能够有效运行，受电源电压波动小。
驱动桥3包括六个场效应管但不限于场效应管，也可以为三极管等其他开关管。如图6所示，本实施例的驱动桥以六个场效应管为例。
驱动桥包括三对场效应管：场效应管Q1A和场效应管Q2A、场效应管Q1B和场效应管Q2B、场效应管Q1C和场效应管Q2C，分别驱动电机的三相。每个场效应管的G极通过TVS管与自身的S极连接，TVS管并联有电阻；每个场效应管的D极和S极之间设有阻容吸收电路；每对场效应管中，均包括高边场效应管和低边场效应管，高边场效应管的D极与电源正极连接，低边场效应管的S极与电源负极连接；高边场效应管S极与低边场效应管的D极连接。
具体地，场效应管Q1A的D极、场效应管Q1B的D极、场效应管Q1C的D极分别与电池正极VBAT+相连，同时与驱动管理单元2的电压采集点相连；场效应管Q1A、场效应管Q1B、场效应管Q1C为高边场效应管。场效应管Q2A的S极和场效应管Q2B的S极、场效应管Q2C的S极通过采样电阻与电池负极PGND连接，同时与驱动管理单元2的电压采集点相连；场效应管Q2A、场效应管Q2B、场效应管Q2C为低边场效应管。
场效应管Q1A的S极和场效应管Q2A的D极相连，其连接点SA作为连接SA相电机的输出端，连接点SA与电机4的A相连接，同时与驱动管理单元2的电压采集点相连。场效应管Q2A的S极（标号为LSSA）与电流采样单元5的采样电阻R100的一端连接，采样电阻R100的另一端与电池负极PGND连接。场效应管Q1A的G极通过TVS管D101与自身的S极连接，TVS管D101并联有电阻R103；场效应管Q1A的D极与S极之间设有作为阻容吸收电路的相互串联的电容C101和电阻R101。场效应管Q1A的G极通过电阻R102和驱动管理单元2的逻辑输出端连接。同理，场效应管Q2A的G极通过TVS管D201与自身的S极连接，TVS管D201并联有电阻R203；场效应管Q2A的D极与S极之间设有作为阻容吸收电路的相互串联的电容C201和电阻R201。场效应管Q2A的G极通过电阻R202和驱动管理单元2的逻辑输出端连接。
场效应管Q1B的S极和场效应管Q2B的D极相连，其连接点SB作为连接SB相电机的输出端，连接点SB与电机4的B相连接，同时与驱动管理单元2的电压采集点相连。场效应管Q2B的S极（标号为LSSB）与电流采样单元5的采样电阻R200的一端连接，采样电阻R200的另一端与电池负极PGND连接。场效应管Q1B的G极通过TVS管D111与自身的S极连接，TVS管D111并联有电阻R113；场效应管Q1B的D极与S极之间设有作为阻容吸收电路的相互串联的电容C111和电阻R111。场效应管Q1B的G极通过电阻R112和驱动管理单元2的逻辑输出端连接。同理，场效应管Q2B的G极通过TVS管D211与自身的S极连接，TVS管D211并联有电阻R213；场效应管Q2B的D极与S极之间设有作为阻容吸收电路的相互串联的电容C211和电阻R211。场效应管Q2B的G极通过电阻R212和驱动管理单元2的逻辑输出端连接。
场效应管Q1C的S极和场效应管Q2C的D极相连，其连接点SC作为连接SC相电机的输出端，连接点SC与电机4的C相连接，同时与驱动管理单元2的电压采集点相连。场效应管Q2C的S极（标号为LSSC）与电流采样单元5的采样电阻R300的一端连接，采样电阻R300的另一端与电池负极PGND连接。场效应管Q1C的G极通过TVS管D121与自身的S极连接，TVS管D121并联有电阻R123；场效应管Q1C的D极与S极之间设有作为阻容吸收电路的相互串联的电容C121和电阻R121。场效应管Q1C的G极通过电阻R122和驱动管理单元2的逻辑输出端连接。同理，场效应管Q2C的G极通过TVS管D221与自身的S极连接，TVS管D221并联有电阻R223；场效应管Q2C的D极与S极之间设有作为阻容吸收电路的相互串联的电容C221和电阻R221。场效应管Q2C的G极通过电阻R2C2和驱动管理单元2的逻辑输出端连接。
电压采集处理模块12包括三组运算器和比较器，每组包括两个运算器和两个比较器，三组运算器和比较器分别连接三对场效应管。如图3至图5所示，三组分别为运算器U1、U3和比较器U2、U4，运算器U5、U7和比较器U6、U8，运算器U9、U11和比较器U10、U12，分别测量驱动桥3 中各场效应管的D极、S极的极间电压UHA、UHB、UHC、ULA、ULB、ULC，并将这些电压分别与阈值电压VDS进行比较，判断各场效应管的D、S极间电压是否过压，通过各场效应管 D、S极间开启阻抗RDS，判断D、S间通过的电流是否过大，从而确定驱动桥3的过流、短路故障状态。
如图3诊断原理示意图，驱动桥3高边场效应管 Q1A的D极 VBAT+作为电压采集点之一，连接运算器U1的正极输入端；其S极SA作为电压采集点之一，连接运算器U1的负极输入端；计算出两者的压差UHA；运算器U1的输出端UHA连接比较器U2的负极输入端，比较器U2的正极输入端连接设定阈值VDS；本实施例中设定阈值VDS可以是一个电压源或通过电压分压后获得的一个电压值。通过判断比较器U2输出端的高、低电平确定UHA值与设定阈值VDS的大小。在Q1A开启的情况下，如果UHA值大于设定阈值VDS则认为Q1A的D极、S极过流或电机4的A相SA与电源地短路。
驱动桥3的低边场效应管 Q2A的D极SA作为电压采集点之一，连接运算器U3的正极输入端；其S极LSSA作为电压采集点之一，连接运算器U3的负极输入端；计算出两者的压差ULA；运算器U3输出端ULA连接比较器U4的负极输入端，比较器U4的正极输入端连接设定阈值VDS。通过判断比较器U4输出端的高、低电平确定ULA与VDS值的大小。在Q2A开启的情况下，如果ULA值大于设定阈值VDS则认为Q1A的D极、S极过流或电机4的A相SA与电源正短路。
如图4、图5所示，驱动桥3的B相、C相诊断原理同上。
电流采集处理模块13分别与电流采样单元5、故障诊断模块15、AD采样模块8相连，电流采样单元5包括如图6所示的采样电阻R100、采样电阻R200、采样电阻R300，分别连接于驱动桥3的三相。采样电阻R100、采样电阻R200、采样电阻R300分别经过阻容差分滤波后与电流采集处理模块13连接，电流采集处理模块13将驱动桥3每相的电流信号转换为放大的电压信号，输出到故障诊断模块15和AD采样模块8。
故障诊断模块15通过比较每相电流值和阈值的大小进行EPS过流诊断和电机开路的诊断：在驱动桥3开启的情况下，如果检测到相应相电流过低，则判断为电机4开路或线圈故障；如果检测到电流过高，则判断为过流。
电机相位采集处理模块14与故障诊断模块15相连，电机相位采集处理模块14用于采集电机A、B、C三相电机工作状态。驱动桥3的SA、SB、SC分别为电机4的三相电压信号，分别与电机相位采集处理模块14相连，对三相信号进行处理后传输到故障诊断模块15。
故障诊断模块15通过比较逻辑信号接收模块9逻辑信号判断电机4的实际工作状态是否按逻辑控制计划执行；通过比较逻辑信号接收模块9的逻辑信号、电流采集处理模块13的电流信号，判断电机4是否开路；同时，在逻辑信号全部关断的情况下，通过对比三相电机信号和电流信号，判断驱动桥3各场效应管的门极是否关断或逻辑信号放大模块10是否仍有逻辑信号输出。
本发明通过对电机相位、驱动桥各点电压的采集和诊断，避免器件因过流、短路、开路，驱动欠压、过压，非计划助力等引起的失效，更智能、更安全可靠。对系统进行多种诊断和保护，符合功能安全相关理念。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，包括依次连接的逻辑控制单元、驱动桥管理单元、驱动桥以及EPS电机；其特征在于，还包括电流采样单元；所述逻辑控制单元包括逻辑控制模块、通讯模块一以及AD采样模块；所述驱动管理单元包括逻辑信号接收模块、逻辑信号放大模块、通讯模块二、电流采集处理模块、电机相位采集处理模块、电压采集处理模块以及故障诊断模块；所述逻辑信号接收模块接收逻辑控制模块的控制信号并通过逻辑信号放大模块进行信号放大后接入驱动桥的输入端；所述电流采样单元采集驱动桥中的电机电流，并通过电流采集处理模块进行处理后传送给故障诊断模块进行故障诊断，同时通过AD采样模块传送至逻辑控制单元；所述电压采集处理模块采集驱动桥的电压信号，所述电机相位采集处理模块采集电机相位信号，所述电压信号、电机相位信号以及逻辑信号接收模块的逻辑信号均传送至故障诊断模块进行故障诊断；故障诊断模块将诊断结果通过通讯模块一和通讯模块二反馈至逻辑控制单元。
2.根据权利要求1所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述驱动管理单元还包括电荷泵自举电路；所述电荷泵自举电路的输入端与逻辑信号接收模块连接，其输出端与驱动桥连接。
3.根据权利要求2所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述驱动桥包括场效应管或三极管。
4.根据权利要求1至3任意一项所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述驱动桥包括三对场效应管，分别驱动电机的三相；每个场效应管的G极通过TVS管与自身的S极连接，TVS管并联有电阻；每个场效应管的D极和S极之间设有阻容吸收电路；每对场效应管中，均包括高边场效应管和低边场效应管，高边场效应管的D极与电源正极连接，低边场效应管的S极与电源负极连接；高边场效应管S极与低边场效应管的D极连接。
5.根据权利要求4所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述电压采集处理模块包括运算器和比较器；所述运算器的正极与驱动桥的场效应管的D极连接，所述运算器的负极与同一场效应管的S极连接；所述运算器的输出端连接比较器的负极，所述比较器的正极输入端输入设定阈值VDS；所述比较器的输出端作为电压采集处理模块的输出端。
6.根据权利要求5所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述电压采集处理模块包括三组运算器和比较器，每组包括两个运算器和两个比较器，三组运算器和比较器分别连接三对场效应管。
7.根据权利要求6所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，同组的运算器包括第一运算器和第二运算器，同组的比较器包括第一比较器和第二比较器；第一运算器的正极与高边场效应管的D极连接，第一运算器的负极与同一高边场效应管的S极连接，第一运算器的输出端连接第一比较器的负极；第二运算器的正极与低边场效应管的D极连接，第二运算器的负极与同一低边场效应管的S极连接，第二运算器的输出端连接第二比较器的负极。
8.根据权利要求5至7任意一项所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述电流采样单元包括电阻R100、电阻R200、电阻R300，分别连接在三对场效应管低边场效应管的S极与电池负极之间。
9.根据权利要求8所述基于EPS的电机驱动桥控制及诊断保护系统，其特征在于，所述逻辑控制单元为MCU模块。
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