CN110145393B - 一种涡轮叶片角度调节阀驱动电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种涡轮叶片角度调节阀驱动电路，所述电路包括组合控制电路、应急保护电路、比例放大电路、功率输出电路、故障检测电路，其中：组合控制电路的两个输入端分别与MCU处理器ETPU模块的两个输出管脚连接，组合控制电路的输出端与比例放大电路和应急保护电路的输入端连接；应急保护电路的输出端与比例放大电路的另一路输入端连接；比例放大电路的输出端与功率输出电路的输入端连接；功率输出电路输出端与涡轮叶片角度调节阀线圈正端和故障检测电路输入端连接，线圈负端接地；故障检测电路的输出端与MCU处理器ETPU模块的输入管脚连接。

Description

一种涡轮叶片角度调节阀驱动电路

技术领域

本发明属于可变截面涡轮增压器(VGT)控制技术，具体涉及涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法，可应用于车载发动机动力控制领域。

背景技术

可变截面涡轮增压器控制系统因其体积小、重量轻、寿命长和控制精度高等突出优点，越来越多地被应用于发动机控制系统。涡轮叶片角度调节阀多为安培、大电流驱动，对控制系统的响应速度、精度及安全保护有较高要求，同时，要能够实现驱动电路的开路、短路检测。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种驱动能力大、精度高、抗干扰能力强和可靠性高的涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法。

第一方面，本申请提供一种涡轮叶片角度调节阀驱动电路，所述电路包括组合控制电路、应急保护电路、比例放大电路、功率输出电路、故障检测电路，其中：

组合控制电路的两个输入端分别与MCU处理器ETPU模块的两个输出管脚连接，组合控制电路的输出端与比例放大电路和应急保护电路的输入端连接；

应急保护电路的输出端与比例放大电路的另一路输入端连接；

比例放大电路的输出端与功率输出电路的输入端连接；

功率输出电路输出端与涡轮叶片角度调节阀线圈正端和故障检测电路输入端连接，线圈负端接地；

故障检测电路的输出端与MCU处理器ETPU模块的输入管脚连接。

可选的，所述组合控制电路包括电阻R1、R2、R8、R9，晶体管V7，其中：

R1、R2一端与ETPU模块控制信号相连，R1另一端上拉到数字电源VCC，R2另一端连接比例放大电路的晶体管V2的1脚，晶体管V7的1脚与另一路ETPU模块控制信号连接，晶体管V7的3脚与应急保护电路晶体管V8的1脚相连，同时与电阻R8、R9的一端相连，电阻R8的另一端与功率电源VPOW相连，电阻R9的另一端与V7的2脚都与地相连。

可选的，所述应急保护电路包括晶体管V1、V8，其中：

V8的2脚与V1的2脚相连，V8的3脚与地相连，V1的1脚与V2的3脚相连，V1的3脚同时与电容C1的一端、电阻R4的一端及V3的2脚相连。

可选的，所述比例放大电路包括晶体管V2、V3，电阻R3、R4、R5及电容C1，其中：

V2的3脚与V3的1脚及R3的一端相连，V2的2脚接地，V3的3脚与R3的另一端同时与参考电源VREF相连，V3的2脚与R4及C1的一端相连，R4与C1的另一端相连同时与R5的一端相连，R5的另一端与V4的1脚相连。

可选的，所述功率输出电路包括场效应管V4，电容C2、电阻R6及晶体管V6，其中：

场效应管V4的2脚与功率电源VPOW及C2的一端相连，C2的另一端接地，V4的3脚与电阻R6、R7的一端相连，同时与晶体管V5的2脚相连，也同时与角度调节阀线圈的正端相连，导流叶片角度调节阀的负端接地。

可选的，所述故障检测电路包括电阻R7，二极管V5，其中：

电阻R7的一端与V4的4脚相连，R7的另一端与MCU处理器ETPU模块的输入管脚连接，V5的1脚、三脚接地。

可选的，晶体管V2、V3、V7、V8为开关二极管。

可选的，电容C1，电阻R4及场效应管V4。

综上所述，本申请采用电阻、电容、晶体管及场效应管等分立元器件组合实现，适用于低成本涡轮叶片角度调节阀驱动电路，主要应用于涡轮增压控制系统中，能够实现涡轮叶片角度的准确、快速控制，并能够实现涡轮叶片角度调节阀开路、短路检测与过流保护功能，具有驱动能力大、精度高、抗干扰能力强和可靠性高的特点。

附图说明

图1是本申请实施例提供的涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法的功能原理框图；

图2是本申请实施例提供的涡轮叶片角度调节阀驱动电路硬件原理图。

具体实施方式

当前，可变截面涡轮增压器多为机械调节方案，仅能实现台阶式机械调节涡轮叶片角度，本文设计的涡轮叶片角度调节阀驱动电路，驱动能力大、精度高、抗干扰能力强和可靠性高，还具有故障检测功能，最终实现发动机在全工况范围内涡轮转速的线性调节，提高的发动机整机的动力性、经济性及排放性。

实施例一

如图1－2所示，本发明的技术方案是：一种高可靠涡轮叶片角度调节阀驱动电路，其包含组合控制电路、应急保护电路、比例放大电路、功率输出电路、故障检测电路。其中所述组合控制电路两输入端与MCU处理器ETPU模块的输入管脚连接，输出端与比例放大电路及应急保护电路连接，比例放大电路另一输入与应急保护电路输出端相连，比例放大电路与功率输出电路输入端连接，功率输出电路输出即与涡轮叶片角度调节阀相连，为涡轮叶片角度调节阀提供功率电流，它还与故障检测电路输入端连接，故障检测电路的输出端与ETPU输入端连接，实时监控输出波形状态，完成故障诊断功能。

涡轮叶片角度调节阀驱动电路，其特征在于，所述组合控制电路具有逻辑运算功能，可实现两路输出信号的逻辑与运算的功能。

涡轮叶片角度调节阀驱动电路，其特征在于，所述应急保护电路在供电网络电压异常时，直接硬件切断功率输出，具有紧急保护硬件电路及负载的功能。

涡轮叶片角度调节阀驱动电路，其特征在于，所述功率输出电路包括一个滤波电容器、一个功率MOS管、其中功率MOS管的源极直接接入导流叶片角度调节阀的功率输入端，导流叶片角度调节阀的负端接地，通过输出不同的功率电流，从而实现导流叶片的角度线性调节功能。

涡轮叶片角度调节阀驱动电路，其特征在于，所述故障检测电路包含两个二极管及两个电阻，功率输出端经过电阻与二极管串联后上拉到VCC，保证输出端大于阈值电压，还通过一个电阻限流保护后进入ETPU的输入管脚，检测实际输出是否一致，完成故障诊断功能。

一种涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法，其具体电路工作过程如下：

步骤1：控制系统通过处理器的ETPU模块的管脚输出控制信号，两路控制信号经过逻辑与运算输出到比例放大电路，其中的一路ETPU信号输出后经过上拉电阻上拉到VCC，保证涡轮叶片角度调节阀处于安全角度状态。

步骤2：经过逻辑与运算的PWM信号接入比例放大电路，比例放大电路由两级三极管组成的经典电路构成，将VCC的PWM信号转换为VREF的PWM信号，产生功率电源控制PWM信号。

步骤3：应急保护电路接入比例放大电路第二级三极管的集电极，为集电极提供功率能量，当应急保护电路出现异常时，应急保护电路硬件无法输出VREF功率电源，比例放大的三极管就无法输出VREF功率电源，保证硬件电路安全。

步骤4：功率输出电路的功率MOS管栅极接收比例放大电路输出的PWM信号，从而输出功率VPOW电流，该功率MOS管驱动最大9A，负载阻抗为3.0Ω左右，最大功率27W，所以负载最大电流为3.0A，满足最大功率要求。

步骤5：功率输出端与导流叶片角度调节阀和故障检测电路直接相连，当负载对电源短路时，若电流过大，反向二极管导通，保护电路安全，当负载对地短路时，输出端为阈值电压，此时输出频率幅值受限；当正常输出时，控制输出的PWM波频率与占空比与回采的PWM波频率与占空比一致时，即认为输出正确，完成信号故障检测功能。

涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法，包括如下过程：

步骤1：组合逻辑电路通过实时判断两路输出信号状态，确定是否需要驱动输出。具体如下：

若|ETPUX&ETPUY|＝1，则置ETPU输出，否则禁止输出；

步骤2：功率输出电路处输出电流处采用查表实现，PWM占空比和输出电流之间的对应关系见表1.

表1占空比与输出电流关系

PWM占空比	输出电流	导流叶片开度	备注
				PWM＜10％	Iout＜0.8A	≤5°	最小角度
10％≤PWM≤50％	0.8A≤Iout≤3A	5°～45°	线性区间
				PWM＞50％	Iout＞4A	≥45°	最大角度

步骤3：在驱动电流Iout输出到导流叶片角度调节阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的PWM频率和占空比，当采样负载的PWM频率和占空比与控制输出端一致，则电路正常，否则系统会报驱动电路故障。

综上所述，为了快速、准确的实现涡轮叶片角度调节，本发明使用了硬件开环控制的方式实现涡轮叶片角度快速调节。在实现涡轮叶片角度调节阀控制的同时，还要能够实现对执行机构的故障检测与保护功能，保证涡轮增压系统运行的稳定性和安全性。

本发明可变截面涡轮增压器涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法主要应用于涡轮增压系统中，系统运行稳定可靠，能够实现涡轮叶片角度的准确、快速控制，并能够实现涡轮叶片角度调节阀开路、短路检测与过流保护。

实施例二

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，对某型涡轮叶片角度进行调节，角度调节范围(5°～45°)，电流驱动范围为(0.8A～3.0A)：

请同时参阅图1和图2，其中，图1是本发明可变截面涡轮增压器涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法的功能原理框图，图2是本发明可变截面涡轮增压器涡轮叶片角度调节阀驱动电路硬件原理图。

本发明为可变截面涡轮增压器涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法，该驱动电路功能原理框图如图1所示，主要包括组合控制电路、应急保护电路、比例放大电路、功率输出电路、故障检测电路。

组合控制电路具有逻辑运算功能，可实现两路控制信号的逻辑与运算的功能。

应急保护电路在供电网络电压异常时，直接硬件切断功率输出，具有紧急保护硬件电路及负载的功能。

功率输出电路包括一个滤波电容器、一个功率MOS管、其中功率MOS管的源极直接接入导流叶片角度调节阀的功率输入端，导流叶片角度调节阀的负端接地，通过输出不同的功率电流，从而实现导流叶片的角度调节功能。

故障检测电路包含两个二极管及两个电阻，功率输出端经过电阻与二极管串联后上拉到VCC，保证输出端大于阈值电压，还通过一个电阻限流保护后进入ETPU管脚，检测实际输出波形与控制输出波形占空比是否一致，完成故障诊断功能。

本发明基于上述涡轮叶片角度阀驱动电路的具体过程如下：

步骤1：控制系统通过处理器的ETPU模块的输入管脚(PWM信号)管脚输出控制信号，该两路控制信号经过逻辑与运算输出到比例放大电路；其中的ETPUX信号输出后经过上拉电阻上拉到VCC，保证在系统出现异常如复位、掉电等期间，涡轮叶片角度调节阀处于安全角度状态。

步骤2：经过逻辑与运算的PWM信号接入比例放大电路，比例放大电路由两级三极管组成的经典比例放大电路构成，将VCC的PWM信号转换为VREF的PWM信号，产生功率电源控制PWM信号。

步骤3：应急保护电路接入比例放大电路第二级三极管的集电极，为集电极提供功率能量，当应急保护电路出现异常时，应急保护电路硬件无法输出VREF功率电源，比例放大的三极管就无法输出VREF功率电源，保证硬件电路安全。

步骤4：功率输出电路的功率MOS管栅极接收比例放大电路输出的PWM信号，从而输出功率VPOW电流，该功率MOS管驱动最大9A，负载阻抗为3.0Ω左右，最大功率27W，所以负载最大电流为3.0A，满足最大功率要求。

步骤5：功率输出端与导流叶片角度调节阀和故障检测电路直接相连，当负载对电源短路时，若电流过大，反向二极管导通，保护电路安全，当负载对地短路时，输出端为阈值电压，此时输出频率幅值受限；当正常输出时，控制输出的PWM波频率与占空比与回采集的PWM波频率与占空比一致时，即认为输出正确，完成信号故障检测功能。

涡轮叶片角度调节阀驱动电路及方法，包括如下过程：

步骤1：组合逻辑电路通过实时判断两路输出信号状态，确定是否需要驱动输出。具体如下：

若|ETPUX&ETPUY|＝1，则置ETPU输出，否则禁止输出；

步骤2：功率输出电路处输出电流处采用查表实现，PWM占空比和输出电流之间的对应关系见表1.

表1占空比与输出电流关系

PWM占空比	输出电流	导流叶片开度	备注
				PWM＜10％	Iout＜0.8A	≤5°	最小角度
10％≤PWM≤50％	0.8A≤Iout≤3A	5°～45°	线性调节
				PWM＞50％	Iout＞4A	≥45°	最大角度

步骤3：在驱动电流Iout输出到导流叶片角度调节阀的同时，故障检测电路时刻采集驱动负载的PWM频率和占空比，当采样负载的PWM频率和占空比与控制输出端一致，则电路正常，否则系统会报驱动电路故障。

Claims (2)

1.一种涡轮叶片角度调节阀驱动电路，其特征在于，所述电路包括组合控制电路、应急保护电路、比例放大电路、功率输出电路、故障检测电路，其中：

组合控制电路的两个输入端分别与MCU处理器ETPU模块的两个输出管脚连接，组合控制电路的输出端与比例放大电路和应急保护电路的输入端连接；

应急保护电路的输出端与比例放大电路的另一路输入端连接；

比例放大电路的输出端与功率输出电路的输入端连接；

功率输出电路输出端与涡轮叶片角度调节阀线圈正端和故障检测电路输入端连接，线圈负端接地；

故障检测电路的输出端与MCU处理器ETPU模块的输入管脚连接；所述组合控制电路包括电阻R1、R2、R8、R9，晶体管V7，其中：

R1、R2一端与ETPU模块控制信号相连，R1另一端上拉到数字电源VCC，R2另一端连接比例放大电路的晶体管V2的1脚，晶体管V7的1脚与另一路ETPU模块控制信号连接，晶体管V7的3脚与应急保护电路晶体管V8的1脚相连，同时与电阻R8、R9的一端相连，电阻R8的另一端与功率电源VPOW相连，电阻R9的另一端与V7的2脚都与地相连；

所述应急保护电路包括晶体管V1、V8，其中：

V8的2脚与V1的2脚相连，V8的3脚与地相连，V1的1脚与V2的3脚相连，V1的3脚同时与电容C1的一端、电阻R4的一端及V3的2脚相连；

所述比例放大电路包括晶体管V2、V3，电阻R3、R4、R5及电容C1，其中：

V2的3脚与V3的1脚及R3的一端相连，V2的2脚接地，V3的3脚与R3的另一端同时与参考电源VREF相连，V3的2脚与R4及C1的一端相连，R4与C1的另一端相连同时与R5的一端相连，R5的另一端与V4的1脚相连；

所述功率输出电路包括场效应管V4，电容C2、电阻R6及晶体管V6，其中：

场效应管V4的2脚与功率电源VPOW及C2的一端相连，C2的另一端接地，V4的3脚与电阻R6、R7的一端相连，同时与晶体管V5的2脚相连，也同时与角度调节阀线圈的正端相连，导流叶片角度调节阀的负端接地；

所述故障检测电路包括电阻R7，二极管V5，其中：

电阻R7的一端与V4的4脚相连，R7的另一端与MCU处理器ETPU模块的输入管脚连接，V5的1脚、三脚接地。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，晶体管V2、V3、V7、V8为开关二极管。

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