CN108767808B - 一种eps控制器电源诊断与保护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种EPS控制器电源诊断与保护系统，包括电源模块、处理控制模块、浪涌吸收电路、监测模块、LC滤波模块、功率开关模块、充/放电模块；该系统用于电源与负载之间通路的开关功能，实时监测负载工作时的电压、电流、温度，一旦超出阈值，处理控制模块控制功率开关器件关闭以保护电源与负载；同时该系统也能够实现功率开关器件自诊断。另外应用此系统的控制方法，增加检测和保护机制，极大程度降低安全风险。该系统及方法提高EPS电源在极端情况下的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电动助力转向系统技术领域，更具体地，涉及一种EPS控制器电源诊断与保护系统。
背景技术
目前电动式电子控制转向系统广泛采用电动助力转向系统，简称EPS直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。作为车辆上的安全件，EPS具有最高安全等级的要求，但是当前的EPS助力电机在其电源控制上存在一定的安全风险。传统方式是通过继电器来控制EPS的电源开关，该方式缺少检测和保护机制，一旦出现故障，容易出现电路烧蚀或者电机损坏，存在安全风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提出一种EPS控制器电源诊断与保护系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种EPS控制器电源诊断与保护系统，诊断与保护电路包括电源模块、处理控制模块、监测模块、LC滤波模块、功率开关模块、充/放电模块；
电源模块，负责为整个系统提供电源；
处理控制模块，用于控制所述监测模块、功率开关模块、充/放电模块；
监测模块，包括负载电压监测电路、电流检测电路、温度监测模块，用于监测负载工作的电压、电流、温度；其中电流检测电路与负载串联，负载电压监测电路的一端与电流检测电路输入端相连接，负载电压监测电路的另一端连接至处理控制模块，温度监测模块与处理控制模块相连接；LC滤波模块，用于所述诊断与保护电路输入给负载信号纹波进行滤波；其中电感位于电源端与电源串联，电容位于负载端与负载并联；
功率开关模块，包括功率开关器件与开关控制电路，用于保护电源与负载；其中功率开关器件连接于电感与电流检测电路之间，开关控制电路一端与功率开关器件连接，另一端连接至处理控制模块；
充/放电模块，包括充电电路与放电电路，用于对所述电容进行充/放电；其中充电电路与放电电路的一端均与电流检测电路输入端连接，充电电路与放电电路的一端均连接至处理控制模块。
进一步地，监测模块还包括电压监测电路，用于监测系统的输入电压，所述电压监测电路的一端与电感输出端相连接，电压监测电路的另一端连接至处理控制模块。
进一步地，所述系统还包括浪涌吸收电路，用于提供电源双向的浪涌保护和过压保护，所述浪涌吸收电路与电源直接相连接。
一种EPS控制器电源诊断与保护系统的控制方法，应用上述EPS控制器电源诊断与保护系统，包括：
步骤1：系统初始化，启动电源模块工作上电，功率开关器件与充电电路断开，进行功率开关器件与充电电路自诊断，判断其是否异常，如果异常，功率开关器件断开进入系统故障保护状态，如果正常，进行步骤2；
步骤2：处理控制模块控制充电电路对电容进行充电并检测负载是否短路，如果负载发生短路，处理控制模块控制功率开关器件断开进入系统故障保护状态，如果负载未发生短路，进入步骤3；
步骤3：处理控制模块控制功率开关器件闭合，所述EPS控制器电源诊断与保护系统正常工作给负载提供电源，同时处理控制模块实时控制监测模块监测负载工作的电压、电流以及温度，如果所检测的电压、电流以及温度任一项超出设定阈值则状态异常，处理控制模块控制功率开关器件断开。
进一步地，检测负载是否短路的步骤具体为处理控制模块控制充电电路对电容进行充电，在限定时间内电容电压未达到设定阈值，则视为负载短路。
更进一步地，还包括功率开关器件与充电电路的自诊断步骤：当功率开关器件和充电电路均处于断开状态时，负载电压监测电路检测负载电压；
如果负载电压高于预定阈值，处理控制模块控制放电电路对电容进行放电，在限定时间内电容电压未降低到预定阈值，则认为功率开关器件或充电电路发生故障；当功率开关器件或充电电路发生故障，如果电源电压检测电路与负载电压检测电路两者所测量的电压差小于0.1V时，则认为是功率开关器件烧结或短路，否则认为是充电电路短路。
根据本发明提供的EPS控制器电源诊断与保护系统，实现了EPS控制器的供电保护，降低安全风险；该系统采用单片机控制功率开关开合、控制监测模块实时监测电路工作状态，还可以自诊断功率开关烧结或短路，以及自诊断充电电路短路，一旦发现故障，单片机控制功率开关、充电电路闭合主动保护电源及负载；该系统设置电感电容电路一方面进行滤波，另一方面在上电时功率开关和充电电路均处于闭合，充电电路对电容进行预充电，避免功率开关打开时瞬间出现大的电流冲击，影响电容和功率开关的寿命。
附图说明
图1为本实施例中EPS控制器电源诊断与保护系统的结构框图。
图中1-电源、21-电感、22-电容、3-功率开关器件、4-电流检测电路、5-浪涌吸收电路、6-电压监测电路、7-功率开关控制电路、81-充电电路、82-放电电路、10-负载电压监测电路、11-负载、12-处理控制模块、13-温度检测电路。
图2为本实施例中功率开关控制电路的示意图。
图3为本实施例中充/放电模块的电路示意图。
图4为本实施例中电流检测电路的示意图。
图5为本实施例中温度检测电路的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种EPS控制器电源诊断与保护系统，包括电源、处理控制模块、监测模块、LC滤波模块、功率开关模块、充/放电模块。
处理控制模块12为nxp系列型号mpc5604p的单片机，输出端分别与电源电压监测电路6、负载电压监测电路10、功率开关控制电路7、充电电路81、放电电路82连接，用于控制它们工作。
电源模块1负责为整个系统提供电源；浪涌吸收电路5与电源1并联且接地，用于提供电源双向的浪涌保护和过压保护。
LC滤波模块中电感21串联在电源1输出端；电容22并联在负载11端；LC滤波模块除了滤除纹波，还通过电容充电或放电功能进行系统诊断以及避免系统受到瞬间过压或过流冲击。
功率开关器件3的连接在电感21与电流检测电路4输入端之间，功率开关器件3还与功率开关控制电路7相连，功率开关控制电路7与处理控制模块12相连。
其中通过带阻三极管、电容与电阻之间的搭配组合构成开关控制电路：NPN型带阻三极管301基区串联电容312，集电极与基区之间连接电阻311；PNP型带阻三极管303集电极与基区之间连接电容313；NPN型三极管302集电极与基区之间连接电阻314；三极管301的集电极上还连接+5v电源，三极管302集电极还连接+12v电源，三极管301的发射极与三极管303的基区之间连接电阻315，三极管303的发射极与三极管302的基区之间连接电阻316。
通过功率开关器件3、开关控制电路7和处理控制模块12实现对负载电源的开关控制；功率开关器件还可以实现对电源反接保护。
电流检测电路4一端与负载11连接，一端与功率开关器件3连接，用于检测负载电流。该电路由运放芯片、二极管、电阻与电容构成：运放芯片401的端口2与端口3接地，端口6与端口7连接+5v电源，端口5与电阻415串联电阻416与电容414的并联电路，端口1与端口8之间连接二极管402，端口1与端口8之间还连接电容412，端口1还连接接地电容411，以及电阻417，端口8还连接接地电容413，以及电阻418；根据该电路实时监测负载工作电流。
电源电压监测电路6一端与电感21输出端连接，另一端与处理控制模块12连接，该电路由一组并联电阻组成，用于监测电源电压。
充/放电模块，包括充电电路81及放电电路82，其中充电电路81与放电电路82的一端均与电流检测电路4输入端连接，充电电路81与放电电路82的一端均连接至处理控制模块12，其中通过三极管、电阻、二极管组合构成：三极管801集电极与基区之间连接电阻812，其基区通过电阻813与PNP型带阻三极管802的发射极连接，三极管801发射极由二极管804、电阻814、电阻815、电阻816、电阻817与三极管803发射极串联连接，三极管803基区还连接电阻，三极管812集电极连接+12v电源，三极管802与三极管803集电极均接地。充/放电模块用于对电容22进行充放电，以达到保护电源、负载及功率开关功能。
负载电压监测电路10一端与电流检测电路4输入端连接，另一端与处理控制模块12连接，该电路由一组并联电阻组成，用于监测负载电压。
温度检测电路13与处理控制模块12连接，该电路由一电阻串联温度传感器与一电容并联电路组成，用于监测负载工作时温度。
本实施例中的负载为H桥驱动的直流有刷电机或3相桥驱动的永磁同步电机。本实施例中应用上述EPS控制器电源诊断与保护系统进行工作的控制方法如下：
S1系统初始化，功率开关及充电电路均处于断开状态。
S2启动电源模块上电，首先进行功率开关器件自诊断与充电电路自诊断：如果负载监测电路10处电压高于预定阈值，单片机12控制放电电路82对电容22进行放电，在限定时间内电容电压未降低到预定阈值，则认为功率开关器件3或充电电路81发生故障，断开功率开关器件使得电源与负载之间线路断开以达到系统故障保护状态来保护负载与电源。如果在限定时间内电容电压降低至预定阈值内，则认为功率开关器件3或充电电路81正常，进入S3。
S3处理控制模块控制充/放电模块为充电模式对电容进行充电并检测负载是否短路：检测负载是否短路的具体过程为单片机12控制充电电路81对电容22进行充电，在限定时间内电容22电压未达到设定阈值，则视为负载短路。
本实施例中，设定在400ms内电容电压未升到4V，则视为负载短路，否则为正常。当负载发生短路，单片机12控制功率开关器件3断开以保护电源及负载。当负载未发生短路，进入步骤S4。
S4单片机12控制功率开关器件3闭合，上述EPS控制器电源诊断与保护系统正常给负载11提供电源，同时单片机12控制负载电压监测电路10、电流检测电路4、温度检测电路13实时监测负载11工作的电压、电流以及温度，如果所检测的电压、电流以及温度任一项超出设定阈值则状态异常，处理控制模块控制功率开关器件断开以保护电源及负载。
本实施例中，设定如果监测电流超过设定阈值135A，则认为负载电流过大，单片机控制功率开关断开；如果监测电压超过设定阈值20V，则认为负载电压过高，单片机控制功率开关断开；如果监测温度超过设定阈值120℃，则认为负载温度过高，单片机控制功率开关断开。
功率开关器件与充电电路自诊断还包括以下判断过程：当功率开关器件或充电电路发生故障，如果电源电压检测电路与负载电压检测电路两者所测量的电压差小于0.1V时，则认为是功率开关器件烧结或短路，否则认为是充电电路短路。
Claims (7)
1.一种EPS控制器电源诊断与保护系统，其特征在于，诊断与保护电路包括电源模块、处理控制模块、监测模块、LC滤波模块、功率开关模块、充/放电模块；
电源模块，负责为整个系统提供电源；
处理控制模块，用于控制所述监测模块、功率开关模块、充/放电模块；
监测模块，包括负载电压监测电路、电流检测电路、温度监测模块，用于监测负载工作的电压、电流、温度；其中电流检测电路与负载串联，负载电压监测电路的一端与电流检测电路输入端相连接，负载电压监测电路的另一端连接至处理控制模块，温度监测模块与处理控制模块相连接；
LC滤波模块，用于所述诊断与保护电路输入给负载信号纹波进行滤波；其中电感位于电源端与电源串联，电容位于负载端与负载并联；
功率开关模块，包括功率开关器件与开关控制电路，用于保护电源与负载；其中功率开关器件连接于电感与电流检测电路之间，开关控制电路一端与功率开关器件连接，另一端连接至处理控制模块；
充/放电模块，包括充电电路与放电电路，用于对所述电容进行充/放电；其中充电电路与放电电路均与功率开关器件并联，充电电路与放电电路的一端均与电流检测电路输入端连接，另一端均连接至处理控制模块。
2.根据权利要求1的EPS控制器电源诊断与保护系统，其特征在于，监测模块还包括电压监测电路，用于监测系统的输入电压，所述电压监测电路的一端与电感输出端相连接，电压监测电路的另一端连接至处理控制模块。
3.根据权利要求1的EPS控制器电源诊断与保护系统，其特征在于，所述系统还包括浪涌吸收电路，用于提供电源双向的浪涌保护和过压保护，所述浪涌吸收电路与电源直接相连接。
4.一种EPS控制器电源诊断与保护系统的控制方法，用于如权利要求1-3任一项所述的EPS控制器电源诊断与保护系统，其特征在于，包括：
步骤1：系统初始化，启动电源模块工作上电，功率开关器件与充电电路断开，进行功率开关器件与充电电路自诊断，判断其是否异常，如果异常，功率开关器件断开进入系统故障保护状态，如果正常，进行步骤2；
步骤2：处理控制模块控制充电电路对电容进行充电并检测负载是否短路，如果负载发生短路，处理控制模块控制功率开关器件断开进入系统故障保护状态，如果负载未发生短路，进入步骤3；
步骤3：处理控制模块控制功率开关器件闭合，所述EPS控制器电源诊断与保护系统正常工作给负载提供电源，同时处理控制模块实时控制监测模块监测负载工作的电压、电流以及温度，如果所检测的电压、电流以及温度任一项超出设定阈值则状态异常，处理控制模块控制功率开关器件断开。
5.根据权利要求4的EPS控制器电源诊断与保护系统的控制方法，其特征在于：检测负载是否短路的步骤具体为处理控制模块控制充电电路对电容进行充电，在限定时间内电容电压未达到设定阈值，则视为负载短路。
6.根据权利要求4的EPS控制器电源诊断与保护系统的控制方法，其特征在于：功率开关器件与充电电路的自诊断步骤具体为当功率开关器件和充电电路均处于断开状态时，负载电压监测电路检测负载电压；如果负载电压高于预定阈值，处理控制模块控制放电电路对电容进行放电，在限定时间内电容电压未降低到预定阈值，则认为功率开关器件或充电电路发生故障。
7.根据权利要求6的EPS控制器电源诊断与保护系统的控制方法，其特征在于：判断具体是功率开关器件还是充电电路发生故障的步骤为如果电源电压检测电路与负载电压检测电路两者所测量的电压差小于0.1V时，则认为是功率开关器件烧结或短路，否则认为是充电电路短路。
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