CN109944783A - 基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置及控制方法，包括无刷电机和无刷电机控制器，无刷电机控制器的电源负端通过电源反接保护电路与电流采样电路相连，电流采样电路与功率逆变器及信号调理电路相连，信号调理电路与电压采样电路、温度采样电路及汽车的MCU相连；无刷电机控制器的电源正端连接有电源滤波器、内部稳压电源和温度采样电路，内部稳压电源和温度采样电路的公共端与汽车的MCU相连；电源滤波器和内部稳压电源的公共端与电压采样电路和功率逆变器相连，功率逆变器与无刷电机的三相电源及功率逆变器预驱动单元相连；功率逆变器预驱动单元分别与汽车的MCU相连及内部稳压电源相连。

Description

基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置及控制方法。

背景技术

二次空气喷射系统的工作原理是借助二次空气泵将新鲜空气送入发动机排气管内，从而使排气的HC和CO进一步氧化和燃烧，即把导入的空气中的氧在排气管内与排气中的HC和CO进一步化合形成水蒸气和二氧化碳，从而降低了排气中的HC和CO的排放量。在二次空气喷射系统中，二次空气泵用来提供喷射空气流，使三元催化器尽早的进入工作温度，降低尾气中的有害物质、起到环保的作用。

专利号CN02131306.7，公开了一种车载甲醇催化裂解装置的油路自动控制系统，其通过ECU指令直接控制二次空气泵，虽然成本低，但是二次空气泵的工作效率比较低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置及控制方法，针对不同的工况，通过无刷电机驱动二次空气泵的运行，不仅高效降低汽车废气中有害物的排放量，而且，使发动机尽快进入空燃比闭环控制过程，从而改善发动机的工作性能。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，包括用于驱动二次空气泵的无刷电机和无刷电机控制器，所述无刷电机设置有温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路，所述无刷电机控制器的电源输入负端通过电源反接保护电路与电流采样电路相连，所述电流采样电路分别与功率逆变器及信号调理电路相连，所述信号调理电路与电压采样电路、温度采样电路及汽车的MCU相连；

所述无刷电机控制器的电源输入正端顺次连接有电源滤波器、内部稳压电源和温度采样电路，所述内部稳压电源和温度采样电路的公共端与汽车的MCU相连；

所述电源滤波器和内部稳压电源的公共端分别与电压采样电路和功率逆变器相连，所述功率逆变器还分别与无刷电机的三相电源及功率逆变器预驱动单元相连；

所述功率逆变器预驱动单元分别与汽车的MCU相连及内部稳压电源相连。

优选，汽车电源通过电源开关与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接，汽车控制器或控制电路控制电源开关。

优选，汽车电源直接与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接，汽车控制器或控制电路与无刷电机控制器的控制端相连。

优选，所述汽车控制器或控制电路还与无刷电机控制器的控制端相连。

优选，所述电源开关为继电器开关。

优选，所述无刷电机控制器的控制端通过控制信号接收单元与汽车的MCU相连。

对应的，针对无控制信号的情况，其具体的控制方法包括如下步骤：

步骤1、无刷电机控制器得电后，二次空气泵定时计数器复位，并读取温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路的采样信号；

步骤2、判断是否出现过温、过电压或过电流情况：若出现任意一种情况，则无刷电机驱动关闭，否则，进入步骤3；

步骤3、二次空气泵定时计数器增加一个计时单位；

步骤4、根据预定的二次空气泵工作转速设置功率逆变器预驱动单元的控制信号，控制无刷电机的运行，使二次空气泵在预定的时间内达到预定的目标转速；

5、读取并判断二次空气泵定时计数器的值是否超出预设的定时值；若该值超过预设的定时值，无刷电机驱动关闭，否则，重复上述2到5的步骤。对应的，针对有控制信号的情况，其具体的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、无刷电机控制器得电后，读取控制端的控制信号并判断是否需要启动二次空气泵：若是，进入步骤2；若否，重返步骤1；

步骤2、二次空气泵定时计数器复位；

步骤3、读取温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路的采样信号；

步骤4、判断是否出现过温、过电压或过电流情况：若出现任意一种情况，则无刷电机驱动关闭，否则，进入步骤5；

步骤5、根据控制信号提供的汽车发动机工作状态，执行以下操作：

若汽车发动机处于启动状态，设定对应起动状态的目标转速和定时值；

若汽车处于上坡或加速运行，设定对应上坡或加速的目标转速和定时值；

除上述两种状态之外，无刷电机驱动关闭；

步骤6、根据步骤5确定并设置功率逆变器预驱动单元的控制信号，控制二次空气泵的运行。

步骤7、二次空气泵定时计数器增加一个计时单位；

步骤8、若二次空气泵的定时计数值超过步骤5中设定的定时值，无刷电机驱动关闭；否则，重复上述3至8的步骤。

优选，步骤1中，无刷电机控制器得电后，读取控制端的控制信号并判断是否需要启动二次空气泵：若否，则继续监控控制端的控制信号。

本发明的有益效果是：

第一、采用无刷电机驱动的二次空气泵由于消除了电刷的摩擦阻力，且转子转动惯量小，比采用有刷电机驱动的二次空气泵更具优势，二次空气泵具有很高的转速和响应速度。

第二、本发明可以采用独立的电源控制方式，也可以采用电源控制和/或控制信号相结合的方式进行协同控制。

第三、通过采集实时工况，可以更好的进行设备的保护和二次空气泵启停的算法控制，通过无刷电机驱动二次空气泵的运行，不仅高效降低汽车废气中有害物的排放量，而且，使发动机尽快进入空燃比闭环控制过程，从而改善发动机的工作性能。

第四、本发明方便改装，改装成本低。

附图说明

图1是本发明采用二次空气泵的二次空气喷射系统的结构框图；

图2是本发明通过电源开关控制二次空气泵的起停示意图；

图3是本发明通过控制信号控制二次空气泵的起停示意图；

图4是本发明通过电源开关和控制信号共同控制二次空气泵的起停示意图；

图5是本发明电源开关控制无刷电机的具体硬件结构示意图；

图6是图5对应的控制方法流程图；

图7是本发明电源开关和控制信号共同控制无刷电机的具体硬件结构示意图；

图8是图7对应的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，二次空气喷射系统在一定工况下，将一定量的新鲜空气送入发动机排气管，促使发动机排出废气中的CO和HC进一步氧化，起动工况下，二次空气喷射系统还可以加快尾气净化器(三元催化转换器)的升温。具体的，如图2-8所示，一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，包括用于驱动二次空气泵的无刷电机和无刷电机控制器，无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，设置在二次空气泵内。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

所述无刷电机设置有温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路，温度采样电路用于进行无刷电机的温度采集，可以采用温度传感器，电压采样电路和电流采样电路分别用于采集无刷电机的电压和电流，如图5所示，所述无刷电机控制器的电源输入负端通过电源反接保护电路(即防反接保护电路)与电流采样电路相连。

而所述电流采样电路分别与功率逆变器及信号调理电路相连，信号调理电路(signal conditioning circuit)用于把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。其与电压采样电路、温度采样电路及汽车的MCU相连，MCU(Micro Controller Unit)即微控制器单元,主要是在汽车的各种外围电路与接口电路连接控制。

所述无刷电机控制器的电源输入正端顺次连接有电源滤波器、内部稳压电源和温度采样电路，所述内部稳压电源(stabilized voltage supply)是能为负载提供稳定的交流电或直流电的电子装置，其与温度采样电路的公共端与汽车的MCU相连。

所述电源滤波器和内部稳压电源的公共端分别与电压采样电路和功率逆变器相连，所述功率逆变器还分别与无刷电机的三相电源及功率逆变器预驱动单元相连，功率逆变器预驱动单元驱动功率逆变器。所述功率逆变器预驱动单元分别与汽车的MCU相连及内部稳压电源相连。

本发明可以采用三种方案进行启动的相关控制：

第一种方案，如图2所示：汽车电源通过电源开关与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接，汽车控制器(VCU)或控制电路控制电源开关，图2中，所述电源开关可以采用继电器开关。

第二种方案，如图3所示：汽车电源直接与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接(二者之间无需设置开关)，汽车控制器或控制电路与无刷电机控制器的控制端相连。

第三种方案，如图4所示：汽车电源通过电源开关与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接，汽车控制器或控制电路控制电源开关，而且，所述汽车控制器或控制电路还与无刷电机控制器的控制端相连。图4中，所述电源开关可以采用继电器开关。

对于第二种方案和第三种方案，如图7所示，所述无刷电机控制器的控制端通过控制信号接收单元与汽车的MCU相连。

对应的，第一种方案，也即针对无控制信号的情况，上电复位后，系统初始化，其具体的控制方法包括如下步骤，如图6所示：

步骤1、无刷电机控制器得电后，二次空气泵定时计数器复位，并读取温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路的采样信号；

步骤2、判断是否出现过温、过电压或过电流情况：若出现任意一种情况，则无刷电机驱动关闭，否则，进入步骤3；

步骤3、二次空气泵定时计数器增加一个计时单位；

步骤4、根据预定的二次空气泵工作转速设置功率逆变器预驱动单元的控制信号，控制无刷电机的运行，使二次空气泵在预定的时间内达到预定的目标转速；

5、读取并判断二次空气泵定时计数器的值是否超出预设的定时值；一旦该值超过预设的定时值，无刷电机驱动关闭，否则，重复上述2到5的步骤。

对应的，第二种方案和第三种方案，即针对有控制信号的情况，上电复位后，系统初始化，其具体的控制方法如图8所示，包括如下步骤：

步骤1、无刷电机控制器得电后，读取控制端的控制信号并判断是否需要启动二次空气泵：若是，进入步骤2；若否，重返步骤1；

步骤2、二次空气泵定时计数器复位；

步骤3、读取温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路的采样信号；

步骤4、判断是否出现过温、过电压或过电流情况：若出现任意一种情况，则无刷电机驱动关闭，否则，进入步骤5；

步骤5、根据控制信号提供的汽车发动机工作状态，执行以下操作：

若汽车发动机处于启动状态，设定对应起动状态的目标转速和定时值；

若汽车处于上坡或加速运行，设定对应上坡或加速的目标转速和定时值；

除上述两种状态之外，无刷电机驱动关闭；

步骤6、根据步骤5确定并设置功率逆变器预驱动单元的控制信号，控制二次空气泵的运行。

步骤7、二次空气泵定时计数器增加一个计时单位；

步骤8、若二次空气泵的定时计数值超过步骤5中设定的定时值，无刷电机驱动关闭；否则，重复上述3至8的步骤。

优选，上述步骤1中，无刷电机控制器得电后，读取控制端的控制信号并判断是否需要启动二次空气泵：若否，则继续监控控制端的控制信号。

本发明的有益效果是：

第一、采用无刷电机驱动的二次空气泵由于消除了电刷的摩擦阻力，且转子转动惯量小，比采用有刷电机驱动的二次空气泵更具优势，二次空气泵具有很高的转速和响应速度。

第二、本发明可以采用独立的电源控制方式，也可以采用电源控制和/或控制信号相结合的方式进行协同控制。

第三、通过采集实时工况，可以更好的进行设备的保护和二次空气泵启停的算法控制，通过无刷电机驱动二次空气泵的运行，不仅高效降低汽车废气中有害物的排放量，而且，使发动机尽快进入空燃比闭环控制过程，从而改善发动机的工作性能。

第四、本发明方便改装，改装成本低。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，其特征在于，包括用于驱动二次空气泵的无刷电机和无刷电机控制器，所述无刷电机设置有温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路，所述无刷电机控制器的电源输入负端通过电源反接保护电路与电流采样电路相连，所述电流采样电路分别与功率逆变器及信号调理电路相连，所述信号调理电路与电压采样电路、温度采样电路及汽车的MCU相连；

所述无刷电机控制器的电源输入正端顺次连接有电源滤波器、内部稳压电源和温度采样电路，所述内部稳压电源和温度采样电路的公共端与汽车的MCU相连；

所述电源滤波器和内部稳压电源的公共端分别与电压采样电路和功率逆变器相连，所述功率逆变器还分别与无刷电机的三相电源及功率逆变器预驱动单元相连；

所述功率逆变器预驱动单元分别与汽车的MCU相连及内部稳压电源相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，其特征在于，汽车电源通过电源开关与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接，汽车控制器或控制电路控制电源开关。

3.根据权利要求1所述的一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，其特征在于，汽车电源直接与所述无刷电机控制器的电源输入端电气连接，汽车控制器或控制电路与无刷电机控制器的控制端相连。

4.根据权利要求2所述的一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，其特征在于，所述汽车控制器或控制电路还与无刷电机控制器的控制端相连。

5.根据权利要求2所述的一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，其特征在于，所述电源开关为继电器开关。

6.根据权利要求3或4所述的一种基于无刷电机驱动的汽车二次空气泵的控制装置，其特征在于，所述无刷电机控制器的控制端通过控制信号接收单元与汽车的MCU相连。

7.一种基于权利要求1或2任意一项所述的汽车二次空气泵的控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、无刷电机控制器得电后，二次空气泵定时计数器复位，并读取温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路的采样信号；

步骤2、判断是否出现过温、过电压或过电流情况：若出现任意一种情况，则无刷电机驱动关闭，否则，进入步骤3；

步骤3、二次空气泵定时计数器增加一个计时单位；

步骤4、根据预定的二次空气泵工作转速设置功率逆变器预驱动单元的控制信号，控制无刷电机的运行，使二次空气泵在预定的时间内达到预定的目标转速；

5、读取并判断二次空气泵定时计数器的值是否超出预设的定时值；若该值超过预设的定时值，无刷电机驱动关闭，否则，重复上述2到5的步骤。

8.一种基于权利要求1或3或4任意一项所述的汽车二次空气泵的控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、无刷电机控制器得电后，读取控制端的控制信号并判断是否需要启动二次空气泵：若是，进入步骤2；若否，重返步骤1；

步骤2、二次空气泵定时计数器复位；

步骤3、读取温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路的采样信号；

步骤4、判断是否出现过温、过电压或过电流情况：若出现任意一种情况，则无刷电机驱动关闭，否则，进入步骤5；

步骤5、根据控制信号提供的汽车发动机工作状态，执行以下操作：

若汽车发动机处于启动状态，设定对应起动状态的目标转速和定时值；

若汽车处于上坡或加速运行，设定对应上坡或加速的目标转速和定时值；

除上述两种状态之外，无刷电机驱动关闭；

步骤6、根据步骤5确定并设置功率逆变器预驱动单元的控制信号，控制二次空气泵的运行。

步骤7、二次空气泵定时计数器增加一个计时单位；

步骤8、若二次空气泵的定时计数值超过步骤5中设定的定时值，无刷电机驱动关闭；否则，重复上述3至8的步骤。

9.根据权利要求8所述的汽车二次空气泵的控制装置的控制方法，其特征在于，步骤1中，无刷电机控制器得电后，读取控制端的控制信号并判断是否需要启动二次空气泵：若否，则继续监控控制端的控制信号。