CN112368931A - 控制开关的系统和开关臂 - Google Patents
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Abstract
所述控制系统包括放大器(264；266)，其被设计为接收输入控制信号(cmd*；
)，以便放大所述输入控制信号(cmd*；
)，以获得输出控制信号(CMD*；
)并将所述输出控制信号(CMD*；
)施加到所述开关(222；224)，从而断开或闭合所述开关(222；224)，所述放大器(264；266)具有用于接收电源电压的两个电源端，正极电源端和负极电源端。所述控制系统还包括用于所述放大器(264；266)的禁止设备(310；314)，其被设计为在接收到所谓的总禁止控制(INHIB_T)时降低所述电源电压，使得所述输出控制信号(CMD*；
)独立于所述输入控制信号(cmd*；
)保持所述开关(222；224)断开。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于开关的控制系统和一种开关臂。
背景技术
使用一种用于开关的控制系统，此种类型的控制系统包括被设计为接收输入控制信号的放大器，以放大输入控制信号从而获得输出控制信号并将输出控制信号施加到开关以使开关断开或闭合是已知实践，放大器具有旨在接收电源电压的两个电源端，即，正电源端和负电源端。
例如，上述类型的控制系统用于控制连接至旋转电动机的电压转换器的开关臂的两个开关。
在上述类型的控制系统中，开关的断开状态或闭合状态由输入控制信号规定。
因此，在产生输入控制信号的设备发生故障的情况下，不再可能控制开关的状态。因此，在开关臂的情况下，不再可能断开两个开关以将旋转电动机置于安全状态。
本发明的目的是克服前述问题中的至少一些。
发明内容
为此，提出了一种上述类型的控制系统，其中，所述控制系统还包括用于所述放大器的禁止设备，其被设计为在接收到所谓的总禁止控制时降低所述电源电压，使得所述输出控制信号独立于所述输入控制信号保持所述开关断开。
本发明允许开关独立于放大器接收的输入控制信号而断开，并且因此独立于提供该输入控制信号的设备是否正确地运作而断开。因此，在开关臂的情况下，总是可以断开两个开关。
可选地，所述禁止设备被设计为在接收到所述总禁止控制时将所述放大器的电源端短路。
同样可选地，所述禁止设备包括可控短路开关，所述可控短路开关具有连接至所述正极电源端的电流输入端、连接至所述负极电源端的电流输出端和控制端，所述总禁止控制是以所述控制端与所述电流输出端之间的电压的形式存在的。
同样可选地，所述控制系统还包括电平转换器，其被设计为接收相对于与所述放大器的负极端不同的电压参考的电压的形式的所述总禁止控制，并以相对于所述放大器的负极端的电压的形式向所述禁止设备提供所述总禁止控制。
同样可选地，所述控制系统还包括电容器，所述电容器连接在所述放大器的正极端和负极端之间以提供所述电源电压。
同样可选地，所述控制系统还包括用于所述电容器的充电设备。
还提出了一种用于电压转换器的开关臂系统，所述开关臂系统包括：
-高边开关，
-低边开关，
-根据本发明所述的用于所述高边开关和所述低边开关中的一个的控制系统，
其中，所述高边开关和所述低边开关在旨在连接至旋转电动机的一个相的中点处彼此连接。
可选地，所述开关臂系统还包括根据权本发明所述的用于高边开关和低边开关中的另一个的控制系统。
同样可选地，所述开关臂系统包括用于所述总禁止控制的单个接收输入，所述总禁止控制既用于所述高边开关的控制系统，又用于所述低边开关的控制系统。
附图说明
图1是根据本发明的电气系统100的简化电路图，电气系统100包括直流电压源、旋转电动机和置于直流电压源、旋转电动机之间的电压转换器；
图2是用于图1的电压转换器的控制系统的框图；
图3是示出所述控制系统的元件的电路图，所述控制系统允许所述电压转换器的开关独立于该开关的控制信号而断开。
具体实施方式
参照图1，现在将描述根据本发明的电气系统100。电气系统100旨在例如在机动车辆中实现。
电气系统100首先包括直流电压源102，直流电压源102包括正极端和负极端，负极端通常连接至电气接地，在图中表示为GND1，例如机动车辆的底盘。直流电压源102被设计为在这些端之间提供直流输入电压E，直流输入电压E具有例如约为12V的值。
此外，电气系统100包括旋转电动机104，旋转电动机104包括定子相U、V、W，定子相U、V、W各自的第一端在所描述的示例中连接至相同的中性点N。在所描述的示例中，旋转电动机104是机动车辆的耦接到内燃发动机(未示出)的交流发电机-启动器(alternator-starter)的一部分。因此，旋转电动机104被设计为以电动机模式和发电机模式交替运行，在电动机模式中旋转电动机104辅助内燃机，在交流发电机模式中旋转电动机104将由内燃机产生的一些机械能转换成电能以对直流电压源102进行充电。
此外，电气系统100包括电压转换器106，电压转换器106首先连接至直流电压源102的端子，其次连接至旋转电动机104。
电压转换器106包括分别与定子相U、V、W相关联的开关臂。每个开关臂包括连接至直流电压源102的正极端的高边开关和连接至直流电压源102的负极端的低边开关。此外，高边开关和低边开关在连接至相关定子相U、V、W的中点处彼此连接。每个开关臂旨在被控制以在两种配置之间进行转换。在称为高配置第一种配置中，高边开关闭合，低边开关断开，以便将输入电压E施加到相关定子相U、V、W的第二端。在称为低配置的第二种配置中，高边开关断开，低边开关闭合，以便将零电压施加到关联的定子相U、V、W的第二端。
控制电压转换器106旨在被控制以在这两种配置之间切换每个臂，以便在需要旋转电动机104以电动机模式运行时向旋转电动机104提供电力，并且在需要旋转电动机104以交流发电机模式运行时向直流电压源102提供电力。
因此，电气系统100还包括用于电压转换器106的控制系统108，其将在下面详细描述。
参照图2，电气系统100还包括电子控制单元(ECU)202和数据总线204，在所描述的示例中，CAN(控制器局域网)数据总线将电子控制单元202和控制系统108互连。
此外，电气系统100包括直流电压源206，直流电压源206被设计为相对于电接地提供直流电压VBAT1，电接地在附图中以GND2表示并且通常连接至机动车辆的底盘。在所描述的示例中，直流电压源206包括锂离子电池，并且电压VBAT1具有例如大约12V的值。提供电压E的电压源102例如使用电压源206，从而从电压VBAT1得到电压E。
此外，电气系统100包括启动器(starter)208，启动器208被设计为当交流发电机-启动器不能启动时，例如当内燃机的温度太低时，辅助机动车辆的内燃机启动。
此外，电气系统100包括直流电压源210，直流电压源210被设计为相对于电接地GND2提供直流电压VBAT2。在所描述的示例中，直流电压源210包括铅酸蓄电池，并且电压VBAT2具有例如大约12V的值。
此外，电气系统100包括可控开关212，可控开关212在闭合时用于将两个直流电压源206、210彼此连接，从而它们协作以向启动器208提供足够的电流以使其能够工作。
此外，电气系统100包括连接至直流电压源210的电池熔断端(BFT)214，以便提供电压VBFT，电压VBFT基本上等于电压VBAT2，因此电压VBFT在所述示例中具有大约12V的值。
此外，电气系统100包括连接至电池熔断端214的电气部件216，以便接收电压VBFT并因此被提供电力。
电池熔断端214包括至少一个熔断器(未示出)，所述至少一个熔断器旨在当流过该熔断器的电流变得太大时，例如电气部件216中的一个短路的情况下，断开与直流电压源210的连接。
此外，电气系统100包括电压传感器218，电压传感器218被设计为提供数据总线204上的电压VBFT的测量值VBFT_CAN。
现在将更详细地描述用于控制图1中的电压转换器106的开关臂的控制系统108。附图标记220表示的该开关臂，如以上参考图1所解释的，包括附图标记222表示的高边开关和附图标记224表示的低边开关。高边开关222具有连接至直流电压源102的正极端的电流输入端和连接至开关臂220之间的中点的电流输出端和控制端。低边开关224具有连接至所述中点的电流输入端、连接至电接地GND1的电流输出端和控制端。
首先，控制系统108包括连接至电池熔断端214以便接收电压VBFT的输入226。
此外，控制系统108包括两个传感器228、230，传感器228、230连接至输入226并且被设计为分别提供电压VBFT的两个测量值VBFT_1、VBFT_2。
此外，控制系统108包括连接至直流电压源206以便接收电压VBAT1的输入232。
此外，控制系统108包括两个传感器234、236，传感器234、236连接至输入232并且被设计为分别提供电压VBAT1的两个测量值VBAT1_1、VBFT1_2。
此外，控制系统108包括微控制器242和驱动器260，现在将对其进行描述。举例来说，为电压转换器106的每个开关臂提供一个驱动器(类似于驱动器260)，并且为所有驱动器提供单个微控制器242。
如本身已知的，微控制器242是配备有处理单元和主存储器(未示出)的计算设备。一个或多个计算机程序被记录在主存储器中，并且旨在由处理单元执行以便实现现在将描述的设备。
因此，微控制器242首先实现控制建立设备(control-establishing device)244。
首先，控制建立设备244被设计为从数据总线204接收在附图中表示为MR的模式请求，模式请求指示需要控制电压转换器106以处于其中的模式：交流发电机模式或电动机模式。因此，控制建立设备244被设计为根据从数据总线204接收的模式请求MR以电动机模式或交流发电机模式运作。
控制建立设备244被设计为建立在附图中表示为cmd的发往驱动器260的控制，这些控制cmd适用于其所处的模式。更精确地，在电动机模式下，控制建立设备244被设计为根据在旋转电动机104的轴的端部处期望的目标转矩C来建立控制cmd。在交流发电机模式下，控制建立设备244被设计为基于电压E的目标电压E*来建立控制cmd。例如，从数据总线204接收目标转矩C和目标电压E*。
此外，控制建立设备244被设计为将模式请求MR发送给驱动器260。为了将接收到的模式请求MR与所发送的模式请求MR区分开，所发送的模式请求被称为模式选择并且在图中表示为MS。
此外，控制建立设备244被设计为只要它接收到被称为软件控制并表示为INHIB_L的禁止控制，向驱动器260提供旨在使开关222、开关224独立于接收到的指令(C,E*)而断开的控制cmd。
此外，微控制器242实现用于测量值VBFT_CAN的监视器246，其设计为当测量值VBFT_CAN低于预定阈值时向控制建立设备244提供软件禁止控制INHIB_L。在所述示例中，该预定阈值在8V至11V的范围内，例如10.8V。
此外，微控制器242实现用于测量值VBFT_1的监视器248，监视器248被设计为在测量值VBFT_1低于预定阈值时向控制建立设备244提供软件禁止控制INHIB_L。在所述示例中，该预定阈值在8V至11V的范围内，例如10.8V。
此外，微控制器242实现用于测量值VBFT_2的监视器252，监视器252被设计为在测量值VBFT_2低于预定阈值时向驱动器260提供被表示为INHIB_P的部分禁止控制。在所述示例中，该预定阈值在8V至11V的范围内，例如10.8V。
此外，微控制器242实现用于测量值VBAT1_1的监视器254，监视器254被设计为在测量值VBAT1_1低于预定阈值时向驱动器260提供被表示为INHIB_T的总禁止控制。在所述示例中，该预定阈值在5V至8V的范围内，例如5.5V。
此外，微控制器242实现用于测量值VBAT1_2的监视器256，其被设计为当测量值VBAT1_2低于预定阈值时向控制建立设备244提供软件禁止控制INHIB_L。在所述示例中，该预定阈值在5V至8V的范围内，例如5.5V。
应当理解，用于电压VBFT的测量值的预定阈值高于用于电压VBAT1的测量值的预定阈值。确实，锂电池，在发生欠电压的情况下都有着火和/或释放有毒气体的风险，甚至是很小的欠电压。另一方面，对于铅酸电池这种风险是适度的，使得可以容许更大的欠电压。
此外，微控制器242实现了无意启动检测设备258。如果在微控制器242中发生故障，则存在发生无意启动的风险。在这种情况下，当接收到的模式请求MR指示使用交流发电机模式(机动车停止)时，发生故障的微控制器242有变为电动机模式并向驱动器260发送指示更改为电动机模式的模式选择MS的风险。因此，无意启动检测设备258被设计为检测何时模式请求MR指示交流发电机模式而模式选择MS指示电动机模式。在这种情况下，无意启动检测设备258被设计为将部分禁止控制INHIB_P发送给驱动器260。
为了确保无意启动检测设备258确实接收到微控制器242发送的模式选择MS，无意启动检测设备258被设计为监视连接至微控制器242的输出引脚的微控制器242的输入引脚，微控制器242的输出引脚连接至驱动器260并且具有模式选择MS。
另外，在所描述的示例中，微控制器242具有两个执行级别，执行级别的至少一部分在结构上是分离的，称为功能级别和监视级别。如图2中的阴影所示，设备244、246、248、254在微控制器242的功能级别中实现，而如图2中无阴影处所示，设备252、256、258在微控制器242的监视级别中实现。结构分离可以使用两种机制(两种机制可以同时实现)。根据第一机制，处理单元包括分别专用于两个级别的两个不同的核。因此，微控制器242被设计为使得两个级别中的每个级别的设备仅由与该级别相关联的核执行而不是由另一核执行。根据第二种机制，主存储器的两个预定存储范围分别专用于两个级别。因此，微控制器242被设计为使得两个级别中的每个级别的设备仅使用与该级别相关联的存储范围，而不使用其他的存储范围。
此外，控制系统108包括微控制器242的监视器240。监视器240被设计为在检测到微控制器242中的故障的情况下向驱动器260提供总禁止控制INHIBIT_T。
现在将更详细地描述驱动器260。在所描述的示例中，驱动器260的至少一部分由专用集成电路(ASIC)实现。
驱动器260包括控制管理设备262和两个放大器，分别是高边放大器264和低边放大器266。
控制管理设备262被设计为从微控制器242接收控制cmd，并且从控制cmd分别向两个放大器264、266提供输入控制信号cmd*、
输入控制信号cmd*、
彼此基本互补。输入控制信号cmd*、
分别由放大器264、266放大，以便分别获得输出控制信号CMD*、
输出控制信号CMD*,
被提供给开关222、224，因此，旋转电动机104能够根据微控制器242被运作的模式以电动机模式或交流发电机模式进行运作。
此外，控制管理设备262被设计为接收部分禁止控制INHIB_P，并且，只要接收到部分禁止控制INHIB_P，就以所谓的降级的交流发电机模式运作，其中控制管理设备262被设计为：建立提供给放大器264、266本身的输入控制信号cmd*、
也就是说，独立于从微控制器242接收的控制cmd和模式选择MS。输入控制信号cmd*、
再次由放大器264、266放大，以获得分别提供给开关222、224的输出控制信号CMD*、
从而旋转电动机器104能够以交流发电机模式运作。
此外，驱动器260包括连接至设备252、258的部分禁止输入270，以便接收由这些设备252、258中的任何一个提供的部分禁止控制INHIB_P。此外，部分禁止输入270连接至驱动器260的控制管理设备262为了向驱动器260的控制管理设备262提供接收到的每个部分禁止控制INHIB_P，以更改为降级的交流发电机模式。
此外，驱动器260包括连接至监视器254、240的总禁止输入268，以便接收由这些设备254、240中的任何一个提供的总禁止控制INHIB_T。只要在总禁止输入268上接收到总禁止控制INHIB_T，驱动器260被设计为提供输出控制信号CMD*、
使得开关222、224独立于从微控制器242接收的控制cmd而断开。执行该功能的方式稍后将参考图3进行说明。
此外，控制系统108包括系统基础芯片(SBC)238，系统基础芯片238连接至数据总线204和直流电压源206(例如，通过输入232)，以便接收电压VBAT1。系统基础芯片238被设计为执行几种功能，包括从电压VBAT1提供一个或多个电源电压，特别是为微控制器242和驱动器260提供一个或多个电源电压，在数据总线204和微控制器242之间传输消息并监视微控制器242。为了执行监视微控制器242的功能，系统基础芯片238包括监视器240。
应当理解，电压VBAT1用于向驱动器260和微控制器242供电。因此，电压VBAT1的欠电压是控制系统108的严重故障。这就是监视器254提供旨在使开关222、224一直保持断开的总禁止控制INHIB_T的原因。另一方面，电压VBFT的欠电压不太严重(less critical)(至少对于控制系统108)，使得可以保持降级的交流发电机模式。这是将设备252的禁止控制提供给驱动器260的部分禁止输入270的原因。
现在将参照图3描述执行总禁止功能的元件。
如图3所示，高边放大器264或低边放大器266被设计为接收输入控制信号cmd*或
以放大此输入控制信号cmd*或
从而获得输出控制信号CMD*或
并将输出控制信号CMD*或
施加至高边开关222或低边开关224，以便将其断开或闭合。
每个放大器264、266具有两个电源端，正极电源端(在图3中以+表示)和负极电源端(在图3中以-表示)，以接收用于放大器264、266的电源电压。负极电源端连接至高边放大器222或低边放大器224的电流输出端。
此外，驱动器260包括分别连接在放大器264、266的正极端和负极端之间的两个自举电容器302、304，以便提供各自的电源电压。
此外，驱动器260包括两个充电设备306、308，用于分别从电压(在所述示例中为电压VBAT1)对两个自举电容器302、304充电。充电设备306例如包括电荷泵。电荷泵包括例如电容器309，其通过四个开关3111、3112、3113、3114连接至电压VBAT1和电容器302。这些开关被控制以便交替地将电容器309连接至电压VBAT1和自举电容器302。充电设备308例如包括允许电流从电压VBAT1流到自举电容器304的二极管313。
此外，驱动器260包括用于高边放大器264的禁止设备310。禁止设备310连接至总禁止输入268以便接收总禁止控制INHIB_T，并且被设计为在接收到总禁止控制INHIB_T时降低电源端之间的电源电压，从而输出控制信号CMD*使得高边开关222独立于接收到的输入控制信号cmd*而断开。
在所描述的示例中，禁止设备310设计为在接收到总禁止控制INHIB_T时使高边放大器264的电源端短路，从而对自举电容器302进行放电并降低高边放大器264的电源电压。举例来说，禁止设备310被设计为消除该电源电压。电源电压的降低导致输出控制信号CMD*的降低，使得在某一时刻该输出控制信号CMD*即使在最大时也不再足以导致高边开关222闭合。所述开关因此保持断开。
更精确地，在所描述的示例中，禁止设备310包括可控短路开关，该短路开关具有连接至正极电源端的电流输入端、连接至负极电源端的电流输出端和控制端。此外，驱动器260包括连接在总禁止输入268和禁止设备310之间的电平转换器312。可控短路开关例如是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
施加到总禁止输入268的每个总禁止控制INHIB_T是相对于电接地GND2的电压形式而存在的。电平转换器312被设计为接收该电压并对其进行转换，从而以可控短路开关的控制端与高边放大器264的负极端之间的电压形式提供总禁止控制INHIB_T。
类似地，为了禁止低边放大器266，驱动器260包括禁止设备314和电平转换器316。
基于以上所述，开关222、224的总禁止功能似乎独立于放大器264、266接收的输入控制信号cmd*、
因此，在控制管理设备262发生故障时，仍然可以断开两个开关222、224。此外，所描述的解决方案使用数量减少的组件，这些组件是较简单的组件，因此禁止处理是迅速的。在所描述的示例中，将总禁止控制INHIB_T施加到总禁止输入268与放大器264、266的有效禁止之间的时间小于500微秒，例如400微秒。故障发生与开关222、224断开之间通常所需的延迟约为1毫秒。因此，用于实施禁止控制的400微秒的延迟留出了600微秒的时间来检测故障，这通常是足够的。
本发明不限于上述实施例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是可以对其进行修改。
举例来说，监视器252、254中的至少一个可以在微控制器242外部实现，在一个或多个预接线组件中(即，不实现计算机程序)。
此外，通常，监视器246、248、252、254、256中的每一个都可以连接至总禁止输入268，以使开关222、224断开(微控制器242处于电动机模式还是处于交流发电机模式)或者监视器246、248、252、254、256中的每一个都可以连接至部分禁止输入270以将驱动器更改为降级的交流发电机模式。
另外，所使用的术语不应被理解为限于上述实施例的元件，而是应被理解为涵盖本领域技术人员能够从其常识中推导出的所有等效元件。
Claims (9)
1.一种用于开关(222；224)的控制系统，所述控制系统包括：
-放大器(264；266)，其被设计为接收输入控制信号
以便放大所述输入控制信号
以获得输出控制信号
并将所述输出控制信号
施加到所述开关(222；224)，从而断开或闭合所述开关(222；224)，所述放大器(264；266)具有用于接收电源电压的两个电源端，正极电源端和负极电源端，
其中，所述控制系统还包括：
-用于所述放大器(264；266)的禁止设备(310；314)，其被设计为在接收到所谓的总禁止控制(INHIB_T)时降低所述电源电压，使得所述输出控制信号
独立于所述输入控制信号
保持所述开关(222；224)断开。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述禁止设备(310；314)被设计为在接收到所述总禁止控制(INHIB_T)时将所述放大器(264；266)的电源端短路。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述禁止设备(310；314)包括可控短路开关，所述可控短路开关具有连接至所述正极电源端的电流输入端、连接至所述负极电源端的电流输出端和控制端，所述总禁止控制(INHIB_T)是以所述控制端与所述电流输出端之间的电压的形式存在的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制系统，还包括电平转换器(312；316)，其被设计为接收相对于与所述放大器(264；266)的负极端不同的电压参考的电压的形式的所述总禁止控制(INHIB_T)，并以相对于所述放大器(264；266)的负极端的电压的形式向所述禁止设备(310；314)提供所述总禁止控制(INHIB_T)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制系统，还包括电容器(302；304)，所述电容器(302；304)连接在所述放大器的正极端和负极端之间以提供所述电源电压。
6.根据权利要求5所述的控制系统，还包括用于所述电容器(302；304)的充电设备(306；308)。
7.一种用于电压转换器(106)的开关臂系统(220)，所述开关臂系统包括：
-高边开关(222)，
-低边开关(224)，
-根据权利要求1至6中任一项所述的用于所述高边开关(222)和所述低边开关(224)中的一个的控制系统，
其中，所述高边开关(222)和所述低边开关(224)在旨在连接至旋转电动机(104)的一个相的中点处彼此连接。
8.根据权利要求7所述的开关臂系统(220)，还包括根据权利要求1至6中任一项所述的用于高边开关(222)和低边开关(224)中的另一个的控制系统。
9.根据权利要求8所述的开关臂系统，包括用于所述总禁止控制(INHIB_T)的单个接收输入(268)，所述总禁止控制既用于所述高边开关(222)的控制系统，又用于所述低边开关(224)的控制系统。
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