CN108695825B - 用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置和方法 - Google Patents

用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置和方法。所述控制装置可以包括：微型计算机，其配置为将脉宽调制信号转换为用于控制直流电机的数字信号；半桥式驱动器，其配置为控制直流电机的开关；调压器，其配置为供应电力；以及噪声去除滤波器。所述微型计算机配置为测量所述半桥式驱动器的输入处的电压；将在每个脉宽调制时段期间的接通电压和关断电压之间的差值与预定阈值进行比较；当所述差值超过所述预定阈值预定次数时，停止所述直流电机。

Description

用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置和方法
与相关申请的交叉引用
本申请要求2017年4月4日提交的韩国专利申请No.10-2017-0043819的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用合并于本文中。
技术领域
本发明涉及用于检测车辆直流(DC)电机的过电流的控制装置和方法，如果检测到在DC电机中流动有过电流，则所述控制装置和方法可以停止DC电机的运行以保护系统。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息并且可以不构成现有技术。
通常，脉宽调制(PWM)方法是一种脉冲调制方法，并且涉及根据调制信号的电平来改变脉冲的宽度并进行调制的方法。脉冲的宽度在信号幅度较大时增大，而在信号幅度较小时减小。然而，脉冲的位置或幅度并没有改变。PWM信号可以控制DC电机的转速，也就是电流。DC电机的转速可以使用可变电阻来控制。在这种情况下，如果只有大约50％的电池的电力被控制并供应给电机，则其余大约50％的电力会作为电阻的热损耗而消耗掉。因此，PWM控制方法是优选的。
与现有的线性控制方法相比，PWM控制方法，更具体地，半桥式控制方法具有较低的功率损耗(几十瓦)和较高的效率，因此可以提高车辆的燃料效率。由于这个原因，近来DC电机的控制方法已逐渐改为半桥式控制方法。
在PWM控制中，控制了预定时间T1(当开关接通时)与预定时间T2(当开关关断时)的占空比。基于外部电源的电压来控制时间T1在0到100％的范围内。
以这种方式，如果在DC电机中流动的电流周期性地变化时，电力以可变的百分比供应给电机，则100％的电力会瞬时地供应给电机。然而，由于频率约为20kHz，一个周期很短，因此电机的响应速度有一定的限制。
由于对应于平均T1的输出是恒定的，并且仅电子开关反复地接通/关断，所以可以控制电机的转速。具体地，这只会引起半导体内部电阻的热损耗，而不会引起可变电阻的热损耗。相应地，微型计算机的控制效率变为或超过95％。
然而，在控制电机的电流时，由于DC电机采用高电流，所以当发生短路或停转时，参考值的过电流可能流动以破坏系统。在最坏的情况下，由于过电流而导致电机的绕组过热，从而引起火灾。
在现有技术中，车辆的DC电机控制器如图1所示配置。图1所示的PWM控制模块包括：微型计算机11、半桥12、分流电阻17、差分放大器18和调压器14；微型计算机11用于将从外部控制器接收的PWM信号转换为用于控制DC电机的数字信号；半桥12包括两个场效应晶体管(FET)以控制DC电机10的开关；分流电阻17用于测量DC电机10的电流量；差分放大器18用于放大电流量；调压器14用于在微型计算机11发生错误时执行复位操作。
从外部控制器接收并转换为可被微型计算机检测的信号的PWM信号被输入至微型计算机11。微型计算机11将经转换的PWM输入信号转换为用于控制DC电机10的数字信号。
这个数字信号被转换为具有用于驱动半桥12的电压值和电流值的信号。一对FET在一个方向上驱动DC电机10。
分流电阻17用于通过利用在电机10流动的电流量来比较输入PWM的占空比和输出PWM的占空比。如果输入占空比与输出占空比之间的差值大于预定阈值，则微型计算机11可能出现问题或者DC电机可能停转。如果DC电机10停转，则微型计算机11检测到停转，并将占空比设置为0％，以防止在DC电机10中引起火灾。
然而，为了减少对电机的驱动电流影响而在PWM控制模块中使用的分流电阻17的电阻值非常小，并且应当使用具有很小的误差率的电阻以减少电流测量值的误差。此外，即使当电阻值很小时，也通常流动10到20安培的电流，相应地应当使用数瓦的电阻元件。
此外，由于施加至电阻的电压非常小，所以穿过电阻的电压差小到几十mV。相应地，使用可以将电压放大到几十倍或更多的差分放大器18来将电压放大到可以被微型计算机11检测到的值。
然而，由于应当使用差分放大器和比较器来检测DC电机的过电流，所以差分放大器的延迟会取决于比较器电路的频率和电路常数的变化。因此，电路变得复杂，并且成本可能增加。
发明内容
本发明提供了用于检测车辆DC电机的过电流的控制装置和方法，如果检测到在DC电机中流动有过电流，则所述控制装置和方法能够停止DC电机的运行以保护系统。
本发明还提供了用于检测车辆DC电机的过电流的控制装置和方法，在不使用差分放大器和比较器的情况下，所述控制装置和方法能够通过检测DC电机的过电流来简化电路并降低成本。
一种用于检测车辆DC电机的过电流的控制装置可以包括：微型计算机，其配置为将脉宽调制(PWM)信号转换为用于控制DC电机的数字信号；半桥式驱动器，其配置为控制DC电机的开关；调压器，其配置为供应电力；以及噪声去除滤波器。所述微型计算机配置为测量所述半桥式驱动器的输入处的电压；将在每个脉宽调制时段期间的接通电压和关断电压之间的差值与预定阈值进行比较；当所述差值超过所述预定阈值的次数大于预定次数时，停止所述DC电机。
所述半桥式驱动器可以包括高侧FET和低侧FET。
噪声去除滤波器与半桥式驱动器的输入单元之间的电压可以被测量为所述半桥式驱动器的输入处的电压。
所述微型计算机可以利用内部模数(AD)转换器来测量半桥式驱动器的输入处的电压。
所述微型计算机可以测量高侧FET在接通时段和关断时段内的漏极电压。
存储器的计数器对预定次数执行计数。
当电压之间的差值大于预定阈值时，存储器的计数器可以增加1；当电压之间的差值小于预定阈值时，存储器的计数器可以减少1。
所述微型计算机的AD转换器可以在高侧FET的接通时段和关断时段的每个中点进行测量。
所述微型计算机可以配置为将从外部控制器接收的脉宽调制信号转换为数字信号。
可以基于高侧FET的接通工作条件来设置所述预定阈值。
所述微型计算机可以配置为在停止所述DC电机之后，关断半桥式驱动器的FET。
所述预定次数可以为1000次。
在本发明的另一方面，一种利用半桥式驱动器检测车辆DC电机的过电流的控制方法可以包括：测量高侧FET在接通时段和关断时段内的漏极电压；测量在接通时段和关断时段内所测量的漏极电压之间的差值；将所述漏极电压之间的差值与预定阈值进行比较；对所述差值大于所述预定阈值的次数执行计数；当计数的数值超过预定次数时，停止所述DC电机。
存储器的计数器可以执行计数。
当所述差值大于预定阈值时，所述控制方法可以将存储器的计数器增加1；当所述差值小于预定阈值时，所述方法可以将存储器的计数器减少1。
微型计算机的内部AD转换器可以对所述漏极电压进行测量。
所述控制方法可以进一步包括将微型计算机的AD转换器的测量时间设置为所述高侧FET的接通时段和关断时段的每个中点。
所述控制方法可以进一步包括基于高侧FET的接通工作条件来设置所述预定阈值。
所述控制方法可以进一步包括在停止车辆的DC电机之后，关断半桥式驱动器的FET。
所述控制方法可以进一步包括将所述预定次数设置为1000次。
通过本文提供的说明，其它应用领域将变得明显。应当理解的是，本说明书和具体示例仅旨在用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
为了可以更好地理解本发明，将参照附图、通过示例来描述本发明的各种形式，在附图中：
图1是显示了现有技术中的半桥类型的电机控制装置的示意图；
图2是显示了用于检测车辆DC电机的过电流的控制装置的示意图；
图3是显示了当图2所示的半桥式驱动器中高侧FET接通时的等效电路的示意图；
图4是显示了当图2所示的半桥式驱动器中高侧FET关断时的等效电路的示意图；
图5是显示了用于检测车辆DC电机的过电流的控制方法的流程图；
图6是显示了在正常状态和停转状态下高侧FET栅极电压和高侧FET漏极电压的波形的示意图。
本文所描述的附图只是用于说明目的，并非旨在以任何方式来限制本发明的范围。
具体实施方式
以下说明在本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、应用或用途。应当理解的是，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
图2所示的本发明的某些形式中的用于检测车辆DC电机的过电流的控制装置包括：微型计算机110、半桥式驱动器120、调压器140和噪声去除滤波器160；微型计算机110用于将从外部控制器接收的PWM信号转换为用于控制DC电机的数字信号；半桥式驱动器120包括高侧FET和低侧FET以控制DC电机100的开关；调压器140用于供应电力。
与现有技术中的控制器相比，在本发明的某些形式中，去除了分流电阻，电机100的负(-)端子和半桥式驱动器120直接地连接至地面。此外，由于穿过分流电阻的电压不需要被放大，所以去除了差分放大器。
代替现有技术中用于测量DC电机100的电流量的分流电阻，微型计算机110利用内部的AD转换器来测量构成半桥式驱动器120的两个FET之间的高侧FET的漏极节点的电压。
也就是说，电压测量点位于噪声去除滤波器160的输出单元和半桥式驱动器120的输入单元之间。将参照图5来描述利用了用于检测DC电机的过电流的控制装置的控制方法。
首先，如果用户利用了在车辆中的小型电机，则电机100会被驱动。此时，计数器变量在内部存储器中以0作为初始值(S101)。
此后，在用于直接向电机100供应电流的高侧FET接通的时段内，通过微型计算机110的AD转换器来测量高侧FET的漏极电压(S102)。在所述FET关断的时段内，再次测量漏极电压(S103)。
图3显示了当图2所示的半桥式驱动器中的高侧FET接通时的等效电路。电压监测点的电压应当等于电池的电压。然而，如果电流量很大，则电压会因内部电阻R和过滤器中包括的电感器的电感部件L而稍微下降。相应地，在半桥式驱动器的高侧FET接通以向电机供应电流的时段内的电压值被定义为下面的等式。
Figure BDA0001446937320000061
这里，当电机停转时或者当产生过电流时，由于在电机中流动的电流量i很大，电压监测点的电压值Vm比正常状态下的电压值更低。
图4是显示了当图2所示的半桥式驱动器中的高侧FET关断时的等效电路的示意图。
这里，低侧FET接通，从而使得存储在发动机中的能量通过低侧FET回流。
由于在电感L中存储的能量和电池的电压，电压监测点的电压被定义为下列等式。
Figure BDA0001446937320000062
根据上述两个等式，正常状态下电压监测点的电压与图6所示的停转状态的电压不同。
在一个PWM时段中，根据电机中流动的电流量，在高侧FET接通和关断时所测量的漏极电压是不同的。相应地，将每个时段所测量的接通和关断电压之间的差值与预定阈值进行比较(S105)。当差值大于阈值时，存储器的计数器增加1(S107)，否则，存储器的计数器减少1(S106)。
如果测量值连续地大于阈值预定的次数(例如，1000次)(S108)，则可以确定出过电流流动。通过基于进行预定次数比较的结果，来确定出过电流流动，可以校正由于电机噪声所引起的错误测量结果。
应基于在测量时高侧FET的接通占空比来设置预定阈值。由于流过FET的电流量根据占空比来改变，所以应当检查电流测量时的接通占空比，并且应当设置适合于每个工作条件的阈值，因为高占空比的正常电流可能类似于低占空比时的停转电流。相应地，考虑到所使用电机的性能和所使用的滤波器的电阻部件值，应当确定出适用于占空比的阈值。
即使当电压被施加到FET的栅极时，也会根据充电和放电在漏极和源极之间线性地形成沟道。因此，在接通/关断时段，电流线性地增加和减少，而在漏极测量的电压线性地变化。
相应地，为了减少由于电压测量时间而产生的差值，AD转换器的测量采样时间设置为接通/关断时段的中点，从而选择中间值。
如果发生过电流或停转，则发动机的驱动停止，并且FET被关断(S109)。
在本发明的某些形式中，可以去除传统控制装置中所使用的分流电阻和差分放大器，从而降低成本。
在本发明的其他形式中，即使在DC电机的初始驱动状态下，也可以相对准确地检测到电机的锁定状态，并且通过分流电阻而在DC电机与地面之间不会发生压降。相应地，可以抑制电磁噪声。
此外，由于元件的数量减少，所以控制器的尺寸可以更小，可靠性也可以提高。
对本发明的描述在本质上只是示例性，因此，不偏离本发明实质的变体旨在落入本发明的范围之内。这样的变体不应被视为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，所述控制装置包括：
微型计算机，其配置为将脉宽调制信号转换为用于控制直流电机的数字信号；
半桥式驱动器，其配置为控制直流电机的开关；
调压器，其配置为供应电力；
噪声去除滤波器，
其中，所述微型计算机进一步配置为：
测量所述半桥式驱动器的输入处的电压；
将在每个脉宽调制时段期间的接通电压和关断电压之间的差值与预定阈值进行比较；
当所述差值超过所述预定阈值的次数大于预定次数时，停止所述直流电机。
2.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述半桥式驱动器包括高侧场效应晶体管和低侧场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，噪声去除滤波器与半桥式驱动器的输入单元之间的电压被测量为所述半桥式驱动器的输入处的电压。
4.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述微型计算机利用内部模拟数字转换器来测量电压。
5.根据权利要求2所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述微型计算机测量高侧场效应晶体管在接通时段和关断时段内的漏极电压。
6.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，存储器的计数器对所述预定次数执行计数。
7.根据权利要求6所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，
当所述差值大于预定阈值时，存储器的计数器增加1；
当所述差值小于预定阈值时，存储器的计数器减少1。
8.根据权利要求4所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述微型计算机的模拟数字转换器在高侧场效应晶体管的接通时段和关断时段的每个中点处进行测量。
9.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述微型计算机配置为将从外部控制器接收的脉宽调制信号转换为数字信号。
10.根据权利要求2所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述预定阈值基于高侧场效应晶体管的接通工作条件来进行设置。
11.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述微型计算机配置为在停止直流电机之后，关断所述半桥式驱动器的场效应晶体管。
12.根据权利要求1所述的用于检测车辆直流电机的过电流的控制装置，其中，所述预定次数为1000次。
13.一种利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，所述控制方法包括：
测量高侧场效应晶体管在接通时段和关断时段内的漏极电压；
测量在接通时段和关断时段内所测量的漏极电压之间的差值；
将所述漏极电压之间的差值与预定阈值进行比较；
对所述差值大于所述预定阈值的次数执行计数；
当计数的数值超过预定次数时，停止所述直流电机。
14.根据权利要求13所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其中，存储器的计数器执行计数。
15.根据权利要求14所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其中，
当所述差值大于预定阈值时，将存储器的计数器增加1；
当所述差值小于预定阈值时，将存储器的计数器减少1。
16.根据权利要求13所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其中，微型计算机的内部模拟数字转换器对所述漏极电压进行测量。
17.根据权利要求16所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其进一步包括：
将微型计算机的模拟数字转换器的测量时间设置为所述高侧场效应晶体管的接通时段和关断时段的每个中点。
18.根据权利要求13所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其进一步包括：
基于高侧场效应晶体管的接通工作条件来设置所述预定阈值。
19.根据权利要求13所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其进一步包括：
在停止所述直流电机之后，关断半桥式驱动器的场效应晶体管。
20.根据权利要求13所述的利用半桥式驱动器检测车辆直流电机的过电流的控制方法，其进一步包括：
将所述预定次数设置为1000次。
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