CN109914965B - 一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，它包括微控制器（MCU）运算及控制单元、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元和电机驱动单元、电动气弹簧伺服单元。本发明的目的是提供一种电动气弹簧漏气失效保护模块，通过三种组合的控制电路对电动气弹簧在正常运行工况、安装调试工况、失电工况下分别进行监控和智能判断，实现主动示警，并通过电机电路的短接进行制动，起到漏气失效时进行被动安全保护的作用，具有极强的实用性和创造性。
Description
技术领域
本发明涉及电动气弹簧技术领域，具体为一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统。
背景技术
传统气弹簧的加工成本低、制造工艺成熟，广泛应用在各个行业和领域，尤其被大量运用于汽车行业，汽车尾门和引擎盖的辅助开启和支撑均通过气弹簧来实现。传统气弹簧主要靠压缩气体提供支撑力，而一旦气弹簧的气体出现泄漏，则将丧失支撑力，轻则出现功能失效，重则会造成对人体伤害事故（如汽车尾门气弹簧失效，尾门砸伤车主的事故）。因传统气弹簧为独立的机械结构，其气体泄漏无法通过信息和传感技术进行监测与预防，也无法通过自身结构对发生泄漏后实施负载端的跌落保护，存在一定的安全隐患，因此，亟需改进。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，通过控制电路对电动气弹簧进行监控和智能判断，并通过电机电路的短接进行制动，起到漏气失效时进行安全保护的作用，具有极强的实用性和创造性。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，它包括微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元和电机驱动单元、电动气弹簧伺服单元，信号采集运算及电子硬件控制单元包括D触发器、频率电压转化器（F/V）、电压比较器、三输入与门、二极管；失电保护控制单元包括瞬变电压抑制二极管（TVS）与直流电机组合，电机驱动单元包括H型电桥控制电路；电动气弹簧伺服单元包括直流电机、霍尔编码器。
进一步的，系统处于正常运行工况，微控制器运算及控制单元（MCU）的I/O1接口、I/02接口分别电性连接霍尔编码器A、B端，当直流电机输出轴端无通电反转（气体泄漏或力值衰减），微控制器运算及控制单元(MCU)的I/O1接口、I/02接口接收直流电机1上霍尔编码器的信号反馈，通过微控制器及控制单元（MCU）内置程序算法运算，控制H型电桥控制电路中下端MOS器件导通，直流电机的电源输入端正负极短接从而刹车制动。
进一步的，系统处于调试工况，微控制器运算及控制单元（MCU）处于非正常工作状态。信号采集运算及电子硬件控制单元内D触发器输入端分别电性连接霍尔编码器A、B端；频率电压转化器（F/V）的输入端电性连接霍尔编码器A、B端中的一路，其输出端电性连接电压比较器的输入端，D触发器的输出端、电压比较器的输出端、微控制器运算及控制单元(MCU)的I/O3端口经电阻R上拉后连接三输入与门芯片的输入端，三输入与门的输出端电性连接H型电桥控制电路INH端；当直流电机输出轴端无通电反转时（气体泄漏或力值衰减），直流电机上霍尔编码器产生电平信号使D触发器产生正电压；所述的霍尔编码器产生电平信号的进入频率电压转化器（F/V）和比较器比较计算后产生的正电压；以及D触发器，以及I/O3口保持输出高电平，经三输入正与门计算后，电路输出端为高电平触发H型电桥控制电路中的下端MOS管导通，直流电机的电源输入端正负极短接从而刹车制动。
进一步的，系统处于失电工况下，失电保护控制单元内的瞬变电压抑制二极管（TVS）与直流电机的正负极并联，当直流电机输出轴端无通电反转（气体泄漏或力值衰减）时，直流电机的反向电动势使瞬变电压抑制二极管（TVS）频繁导通，直流电机点刹制动。
进一步的，微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元与电机驱动单元和电动气弹簧伺服单元可独立或者组合组成集成系统，各单元之间可独立运行或者组合运行，组合运行时实现优先级控制。
进一步的，微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元与电机驱动单元和电动气弹簧伺服单元组成独立或组合的集成系统，控制直流电机（1）的电源输入端正负极短接从而刹车制动，均用于电动气弹簧低气压状态或者电动机械弹簧支撑力衰减状态，支撑位置的保持以及悬停。
本发明的有益效果：本发明提供了一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，通过控制电路对电动气弹簧进行监控和智能判断，实现主动示警，并通过电机电路的短接进行制动，起到漏气失效时进行被动安全保护的作用，具有极强的实用性和创造性。
在电动气弹簧中通过电机短路进行制动，防止气弹簧漏气时负载（汽车尾门、引擎盖等）突然跌落，起到保护人身安全的作用，也可在电动气弹簧低气压状态或电动机械弹簧力学衰减时实现支撑位置的保持（悬停）。
直流电机连接设置霍尔编码器，并通过信号采集运算控制电路对电动气弹簧的状态进行监控和智能判断，通过信号采集运算控制电路和H型电桥控制电路对电机实施短接制动。
直流电机的正负极输入端并联设置一个瞬变电压抑制二极管，在整个模块断电情况下，电动气弹簧活塞杆缩回，通过机械结构带动电机旋转，并产生击穿电压，使瞬变电压抑制二极管（TVS）频繁导通，实现点刹制动，防止活塞杆的快速收缩，从而起到被动保护的作用。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
图2为微控制器运算及控制单元（MCU）的电路结构示意图。
图3为信号采集运算及电子硬件控制单元的电路结构示意图。
图4为失电保护控制单元的电路结构示意图。
图5为H型电桥控制电路结构示意图。
图6为电动气弹簧结构示意图（伸长状态）。
图7为电动气弹簧结构示意图（收缩状态）
图中所述文字标注表示为：1、直流电机；2、电动气弹簧；201、活塞；202、丝杆螺母；203、丝杆；204、活塞杆；205、密封圈；206、缸体；207、气体容纳腔。
实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1-图7所示，本发明的具体结构为：为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，它包括微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元和电机驱动单元、电动气弹簧伺服单元，信号采集运算及电子硬件控制单元包括D触发器、频率电压转化器（F/V）、电压比较器、三输入与门、二极管；失电保护控制单元包括瞬变电压抑制二极管（TVS）与直流电机1，电机驱动单元包括H型电桥控制电路；电动气弹簧伺服单元包括直流电机1、霍尔编码器。
优选的，微控制器运算及控制单元（MCU）的I/O1接口、I/02接口分别电性连接霍尔编码器A、B端，直流电机1输出轴端无通电反转时，控制单元(MCU)的I/O1接口、I/02接口接收直流电机1上霍尔编码器的信号反馈，通过微控制器运算及控制单元（MCU）内置程序算法运算，控制H型电桥控制电路中下端MOS器件导通，直流电机1的电源输入端正负极短接从而刹车制动。
优选的，信号采集运算及电子硬件控制单元内D触发器输入端分别电性连接霍尔编码器A、B端，频率电压转化器（F/V）输入端电性连接霍尔编码器A、B端中的一端；频率电压转化器（F/V）的输出端电性连接电压比较器的输入端，所述D触发器的输出端、电压比较器的输出端、微控制器运算及控制单元（MCU）的I/O3端口电性连接三输入与门芯片的输入端，三输入与门的输出端通过二极管电性连接H型电桥控制电路INH端。直流电机1输出轴端无通电反转时，直流电机1上霍尔编码器产生电平信号进入频率电压转化器（F/V）以及D触发器，I/O3口保持输出高电平，三输入正与门电路输出端为高电平触发H型电桥控制电路中的下端MOS管导通，直流电机1的电源输入端正负极短接从而刹车制动。
优选的，失电保护控制单元内的瞬变电压抑制二极管（TVS）与直流电机1的正负极并联，直流电机1输出轴端无通电反转时，瞬变电压抑制二极管（TVS）频繁导通，直流电机1点刹制动。
优选的，微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元与电机驱动单元和电动气弹簧伺服单元可独立或者组合组成集成系统，各单元之间可独立运行或者组合运行，组合运行时能够实现优先级控制。
优选的，微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元与电机驱动单元和电动气弹簧伺服单元组成独立或组合的集成系统，控制直流电机1的电源输入端正负极短接从而刹车制动，均用于电动气弹簧低气压状态或者电动机械弹簧支撑力衰减状态，支撑位置的保持以及悬停。
具体使用时，H型电桥控制电路的IN1口接收到高电平信号，IN2口接收到低电平信号，信号采集运算控制的电路I/O3接口输出低电平信号，直流电机1正转，电动气弹簧2的活塞杆204伸出，推动汽车尾门或引擎盖打开，达到预定位置后，直流电机1停止转动，汽车尾门或引擎盖打开处于悬停状态，此时，IN1、IN2、INH均为低电平输出，电机处于静止状态。当气体容纳腔207内压缩气体泄露时，负载推动活塞杆反向运动并带动电机反转。微控制器运算及控制单元（MCU）的I/O1接口、I/02接口接受到来自直流电机1上霍尔编码器的信号反馈，微控制器运算及控制单元（MCU）发出控制和警示信号，INH为高电平。H型电桥电机控制模块中的两个下端MOS管导通，使直流电机1的电源输入端正负极短接从而刹车制动。
气体容纳腔207内的气体泄露时，电动气弹簧2的活塞杆204在负载作用下缩回，通过丝杆螺母202和丝杆203，带动直流电机1输出轴端反向旋转，霍尔编码器A端、B端向信号输入D触发器、频率电压转化器（F/V）输入端输入方波电平信号，D触发器识别出直流电机1处于反向旋转状态，输出高电平信号；频率电压转化器（F/V）将接受的脉冲信号转换成电压信号，并通过电压比较器进行比较,达到额定阀值则输出高电平（电压比较器的主要作用是识别并防止因手动关门或其他因素导致误判）。此时，信号采集运算控制模块I/O3口保持输出高电平，三输入正与门电路输出端为高电平触发，向H型电桥控制电路INH端输入高电平，H型电桥控制电路中的两个下端MOS管导通，直流电机1的电源输入端正负极短接形成制动回路，实施刹车，防止汽车尾门或引擎盖跌落，对人身进行安全保护。
直流电机的正负极输入端并联设置有一个瞬变电压抑制二极管（TVS），电机输入端电压为汽车电源输出电压（乘用车为12V，变化范围为9-16V），低于瞬变电压抑制二极管（TVS）额定阀值，未被击穿，并联电路处于断路状态；车辆在维护、修理等无电状态时，若电动气弹簧发生泄漏，电动气弹簧活塞杆缩回，电机反转旋转，并瞬间产生击穿电压，使瞬变电压抑制二极管（TVS）频繁导通，此时实现点刹制动，防止活塞杆的快速收缩，从而起到被动保护的作用。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，其特征在于，它包括微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元和电机驱动单元、电动气弹簧伺服单元；所述信号采集运算及电子硬件控制单元包括D触发器、频率电压转化器（F/V）、电压比较器、三输入与门、二极管；所述失电保护控制单元包括瞬变电压抑制二极管（TVS）与直流电机（1）组合，所述电机驱动单元包括H型电桥控制电路；所述电动气弹簧伺服单元包括直流电机（1）、霍尔编码器，微控制器运算及控制单元（MCU）的I/O1接口、I/02接口分别电性连接霍尔编码器A、B端，所述直流电机（1）输出轴端无通电反转时，微控制器运算及控制单元(MCU)的I/O1接口、I/02接口接收直流电机1上霍尔编码器的信号反馈，微控制器运算及控制单元（MCU）内置程序算法运算，控制H型电桥控制电路中下端MOS器件导通，直流电机（1）的电源输入端正负极短接从而刹车制动，信号采集运算及电子硬件控制单元内D触发器输入端分别电性连接霍尔编码器A、B端，频率电压转化器（F/V）输入端电性连接霍尔编码器A、B端中的任一端；所述频率电压转化器（F/V）的输出端电性连接电压比较器的输入端，所述D触发器的输出端、电压比较器的输出端、微控制器运算及控制单元(MCU)的I/O3端口电性连接三输入与门芯片的输入端，所述三输入与门的输出端电性连接H型电桥控制电路INH端，所述直流电机（1）输出轴端无通电反转时，直流电机（1）上霍尔编码器产生电平信号进入频率电压转化器（F/V）以及D触发器，I/O3口保持输出高电平，三输入正与门电路输出端为高电平触发H型电桥控制电路中的下端MOS管导通，直流电机（1）的电源输入端正负极短接从而刹车制动，失电保护控制单元内的瞬变电压抑制二极管（TVS）与直流电机（1）的正负极并联，直流电机（1）输出轴端无通电反转时，瞬变电压抑制二极管（TVS）频繁导通，直流电机（1）点刹制动。
2.根据权利要求1所述的一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，其特征在于，所述微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元与电机驱动单元和电动气弹簧伺服单元可独立或者组合组成集成系统，各单元之间可独立运行或者组合运行。
3.根据权利要求2所述的一种电动气弹簧漏气失效保护集成系统，其特征在于，所述微控制器运算及控制单元（MCU）、信号采集运算及电子硬件控制单元、失电保护控制单元与电机驱动单元和电动气弹簧伺服单元组成独立或组合的集成系统，控制直流电机（1）的电源输入端正负极短接从而刹车制动，均用于电动气弹簧低气压状态或者电动机械弹簧支撑力衰减状态，支撑位置的保持以及悬停。
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