CN109779765A

CN109779765A - 一种模块化电子节气门可靠驱动器

Info

Publication number: CN109779765A
Application number: CN201811537568.1A
Authority: CN
Inventors: 陈沛帆; 李巍华; 刘柱佳; 严义雄; 童桂超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-12-15
Filing date: 2018-12-15
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2038-12-15
Also published as: CN109779765B

Abstract

本发明提供了一种模块化电子节气门可靠驱动器，包括电源控制器、开关电源模块、保护控制器、故障与失效指示灯和冗余备份设计，彼此之间通过CAN网络连接；电源控制器包括单片机、电流采样电路、差分放大器、模数转换器、数模转换器、加法器、温度传感器和通讯接口；电流采样电路获取开关电源模块输出的电流值，通过模数转换器转换为数字信号供单片机采集；单片机综合电压和电流信号，通过通信接口与其他模块进行通讯，通过数模转换器与加法器控制开关电源模块的反馈端；温度传感器用于采集开关电源模块的温度，单片机用于调整开关电源模块的功率输出；本发明的一种模块化电子节气门可靠驱动器提升了电源的安全性、可靠性，具有易替换的优点。

Description

一种模块化电子节气门可靠驱动器

技术领域

本发明涉及赛车电子节气门系统领域，具体涉及一种模块化电子节气门可靠驱动器。

背景技术

电子节气门是赛车发动机的重要控制部件。由发动机、转速传感器、节气门等构成，采用电子节气门控制系统，可以使节气门开度得到精确控制。采用电子节气门控制系统，使节气门开度得到精确控制，不但可以提高燃油经济性，减少排放，同时，系统响应迅速，可获得满意的操控性能；另一方面，可实现怠速控制、巡航控制和赛车稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。节气门执行器是一个伺服电机，由它来推动节气门以控制节气门的开度。电子节气门驱动器是一个可调电源，本设计主要为了解决电子节气门驱动器的问题。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种模块化电子节气门可靠驱动器，提升了电源的安全性、可靠性，具有易替换的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种模块化电子节气门可靠驱动器，包括电源控制器、开关电源模块、保护控制器、故障与失效指示灯和冗余备份设计，所述电源控制器、开关电源模块、保护控制器、故障与失效指示灯和冗余备份设计之间通过CAN网络连接，所述电源控制器包括单片机、电流采样电路、差分放大器、模数转换器、数模转换器、加法器、温度传感器和通讯接口；所述电流采样电路获取开关电源模块输出的电流值，通过模数转换器转换为数字信号供单片机采集；所述单片机综合电压和电流信号，通过通信接口与其他模块进行通讯，通过数模转换器与加法器控制开关电源模块的反馈端；所述温度传感器用于采集开关电源模块的温度，所述单片机用于调整开关电源模块的功率输出。

进一步地，所述开关电源模块包括BUCK开关电源控制器和外围电路，所述BUCK开关电源控制器通过利用BUCK降压型开关电源的原理将负载电压降压并稳压至恒定电压值。

进一步地，所述保护控制器包括电压采样电路、电流采样电路、MOSFET管及MOSFET驱动电路；所述MOSFET管当电压采样电路检测到开关电源模块发生异常或者失效时，切断开关电源模块的输出，用于保护电子节气门的电源系统安全；所述电源控制器上还集成安装有保护控制程序。

进一步地，所述故障与失效指示灯为RGB的LED灯，用于在检修时提示检修人员检查故障并排除故障。

进一步地，所述冗余备份设计包括电源系统主控制器和通讯接口；所述冗余备份设计与其他模块并联连接，用于分摊其他模块的负载功率，当某个模块失效时，切断该模块并通过剩余模块继续正常供电；同时还用于检测各模块的输出功率与开关电源温度。

进一步地，所述冗余备份设计通过功率平均算法实现，基于自主均流法的电流平均原理，自动选择输出电流最大电源模块为主模块，其余模块为从模块；以主模块的电流为目标值，调节开关电源主从模块反馈值的差，即差模反馈量，从而调节从模块开关电源输出电流；根据所有模块输出电压的平均值与目标稳压值的差，调整所有模块开关电源的反馈偏置，即共模反馈量，实现电源系统的稳压；最终实现电子节气门系统的稳压与均流。

与现有技术比较，本发明的一种模块化电子节气门可靠驱动器具有以下优点和有益效果：

该驱动器对于赛车的电子节气门电源驱动系统设计具有较强的指导意义，综合赛车对于电源的安全性、可靠性、易替换等要求等方面有很大提高，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种模块化电子节气门可靠驱动器的结构设计图。

图2为本发明的电源控制器的电路示意图。

图3为本发明的开关电源模块的电路示意图。

图4为本发明的保护控制程序的电路示意图。

图5为本发明的冗余备份设计的电路示意图。

图6为本发明的功率平均算法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，为本发明的一种模块化电子节气门可靠驱动器的结构设计图，包括以下部分：

1）电源控制器，包括电流采样电路、差分放大器、模数转换器、数模转换器、加法器、温度传感器、通讯接口等部分；主要作用是获取开关电源输出的电流值，转换成数字信号供单片机采集；单片机综合电压与电流信号，利用通讯模块与其他模块进行通讯，通过数模转换与加法器电路等，控制开关电源反馈端，从而控制开关电源的输出功率；采集开关电源模块温度，调整其功率输出；

2）开关电源模块，包括BUCK开关电源控制器及其外围电路；主要作用是利用BUCK降压型开关电源的原理，将车载蓄电池电压降压并稳压到恒定电压值；输出稳压可控；

3）保护控制，主要包括电压采样电路、电流采样电路、MOSFET及MOSFET驱动电路；主要作用是在检测到开关电源模块发生异常或失效时，切断开关电源的输出，从而保护电子节气门电源系统安全；保护控制程序集成在电源控制器中；

4）故障与失效指示灯，包括一个RGB的LED灯等；主要作用是在检修时提示队员检查故障模块，及时排除故障；

5）冗余备份，根据设计3）的设计特点与设计2）的设计要求；电子节气门电源系统是赛车的关键环节，如果电子节气门系统电源失效，则会导致发动机熄火，严重时会导致赛车失控引发安全事故；因此必须采用冗余设计，分摊每个模块的负载功率，同时在某个模块失效切断时，剩余模块也能在一定限度继续完成电子节气门系统正常供电。

如图2所示，为本发明的电源控制器的电路示意图，U6为电源主控与保护控制芯片，在本例中采用了STC15系列的8051增强型单片机，这款单片机内部继承了ADC与DAC，因此可以节省这部分的电路开销。在本例中将保护控制程序集成到电源主控程序中，其中CS、TXD、RXD、PWM端口为电源控制器独有；LED_R、LED_G、LED_B、GATE端口为保护控制器独有；Current、Voltage、Temp端口为电源控制器与保护控制器共享。U3为电流专用放大器芯片，将电流大小精准线性地转化成电压大小，供片上ADC采样间接获取电流值；R11、R12构成分压电路，供片上ADC采样获取开关电源输出电压值；U4为数字式集成温度传感器，用于监控开关电源的温度，以便对输出功率进行合理分配，D4为共阳的全彩发光二极管，通过单片机编程可改变发光亮度与颜色。

如图3所示，为本发明的开关电源模块的电路示意图，其中U2为辅助电源，主要作用是为单片机等数字、模拟芯片提供合适的电源电压，在本例中采用LM2596-5芯片；U1为主电源，采用了输出电压可调的LM2596-ADJ芯片；输出电压可由电源控制器单片机的PWM输出进行调整，通过U5构成的加法器电路与电压反馈值求和。由于LM358为非轨至轨输出运放，因此线性区间在VCC为5V时为0~3V，根据电子节气门电源需求，应当使开关电源输出在3V~8V；由方程计算可得各电阻阻值。

如图4所示，为为本发明的保护控制程序的电路示意图，其中MOS驱动电路将单片机的0~5V信号转换为0~12V的MOS管驱动信号；输出为推挽输出形式，在电源发生异常时，保护控制器输出GATE信号到保护执行电路中，使MOS管关断，从而实现电源模块的保护。

如图5所示，为本发明的冗余备份设计的电路示意图，通过多模块电源并联，实现电源模块的冗余备份。电源系统在某些电源模块失效的情况下，仍然能够保持输出不变，同时负载均分到各模块上。异常警告灯提示维护队员检查电源模块情况，以便及时维修或更换。

如图6所示，为本发明的功率平均算法的流程示意图，功率平均算法的核心是模块与电源系统控制器的通讯；其中，电源系统控制器的功能主要包括：获取各模块的电流值并选出电流最大值，向各模块发送目标电压值与目标电流值；电源模块按照电源系统控制器给定的功率，调节PWM输出，从而实现通过调节开关电源反馈量间接调节输出功率。

电源模块的功率平均算法，主要包括如下步骤：

（1）通过ADC转换，获取当前电源模块输出电压、电流、温度值；

（2）检查电压电流与温度值是否异常，若异常则使GATE输出高电平，切断MOS管，且控制故障指示灯变红，否则继续执行步骤（3）；

（3）读出内存中目标电压与电流值

（4）以电压值为基准，电流值与温度值为负反馈修正值，计算出PWM输出值；

（5）调节PWM模块输出占空比；

（6）重复步骤（1）；

其中除主循环外还有外部中断事件，用于电源模块与电源系统控制器：

（1）从电源系统控制器接收当前目标电压与目标电流数据包，并覆盖内存上的数据；

（2）接收完毕后向电源系统控制器发送当前测量电流。

综上所述，本发明的一种模块化电子节气门可靠驱动器提升了电源的安全性、可靠性，具有易替换的优点。

Claims

1.一种模块化电子节气门可靠驱动器，包括电源控制器、开关电源模块、保护控制器、故障与失效指示灯和冗余备份设计，所述电源控制器、开关电源模块、保护控制器、故障与失效指示灯和冗余备份设计之间通过CAN网络连接，其特征在于：所述电源控制器包括单片机、电流采样电路、差分放大器、模数转换器、数模转换器、加法器、温度传感器和通讯接口；所述电流采样电路获取开关电源模块输出的电流值，通过模数转换器转换为数字信号供单片机采集；所述单片机综合电压和电流信号，通过通信接口与其他模块进行通讯，通过数模转换器与加法器控制开关电源模块的反馈端；所述温度传感器用于采集开关电源模块的温度，所述单片机用于调整开关电源模块的功率输出。

2.根据权利要求1所述的一种模块化电子节气门可靠驱动器，其特征在于：所述开关电源模块包括BUCK开关电源控制器和外围电路，所述BUCK开关电源控制器通过利用BUCK降压型开关电源的原理将负载电压降压并稳压至恒定电压值。

3.根据权利要求1所述的一种模块化电子节气门可靠驱动器，其特征在于：所述保护控制器包括电压采样电路、电流采样电路、MOSFET管及MOSFET驱动电路；所述MOSFET管当电压采样电路检测到开关电源模块发生异常或者失效时，切断开关电源模块的输出，用于保护电子节气门的电源系统安全；所述电源控制器上还集成安装有保护控制程序。

4.根据权利要求1所述的一种模块化电子节气门可靠驱动器，其特征在于：所述故障与失效指示灯为RGB的LED灯，用于在检修时提示检修人员检查故障并排除故障。

5.根据权利要求1所述的一种模块化电子节气门可靠驱动器，其特征在于：所述冗余备份设计包括电源系统主控制器和通讯接口；所述冗余备份设计与其他模块并联连接，用于分摊其他模块的负载功率，当某个模块失效时，切断该模块并通过剩余模块继续正常供电；同时还用于检测各模块的输出功率与开关电源温度。

6.根据权利要求5所述的一种模块化电子节气门可靠驱动器，其特征在于：所述冗余备份设计通过功率平均算法实现，基于自主均流法的电流平均原理，自动选择输出电流最大电源模块为主模块，其余模块为从模块；以主模块的电流为目标值，调节开关电源主从模块反馈值的差，即差模反馈量，从而调节从模块开关电源输出电流；根据所有模块输出电压的平均值与目标稳压值的差，调整所有模块开关电源的反馈偏置，即共模反馈量，实现电源系统的稳压；最终实现电子节气门系统的稳压与均流。