CN117353241B - 一种eps系统过电流保护电路及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EPS系统过电流保护电路及保护方法，涉及到汽车转向器电子领域，包括：电机驱动桥电路、电流采集放大电路、信号滤波电路、过电流判断电路、电压保持电路以及三极管开关电路，其中驱动电路包括预驱动电路和驱动桥电路，本发明采用纯硬件电路来实现过电流检测及保护，规避程序跑飞、卡死、bug、程序处理不及时、驱动桥供电电瓶上继电器使能电路异常、MCU异常等带来的风险，降低了因过电流故障引起其它元件和部件损坏的几率，缩小了问题范围，节约了维护成本；同时不影响软件的正常运行，还可以将检测出来的故障信息传递给MCU，用于正常的故障判断和记录。

Description

一种EPS系统过电流保护电路及保护方法

技术领域

本发明涉及汽车转向器电子技术领域，具体涉及一种EPS系统过电流保护电路及保护方法。

背景技术

EPS（电子助力转向系统）：是通过MCU结合驱动电路控制助力电机转动提供转向助力，其中驱动电路包括预驱动电路和驱动桥电路；驱动桥电路分为有刷助力电机的H桥和驱动无刷助力电机三相桥，均由多颗MOS管组成，作为电机驱动的主要电流路径，转向过程中经常过大电流，易发MOS热击穿，是EPS故障高发区域；多数EPS故障均为驱动桥电路内的MOS管短路，故障发生后短路电流极大，如不及时处理会对整个线路上其它元件和部件造成损坏，因此识别驱动桥MOS短路并做出处理尤为重要。

现有技术是通过电流采样检测驱动桥上的母线电流，将采集值传输给MCU，经过AD处理后再由软件程序内部与设定的电流阈值进行比较，超过阈值时，程序控制主动关闭驱动桥供电电瓶的方式来进行保护或者使用集成过电流检测的预驱芯片进行过电流检测，预驱检测到过电流故障后将故障信息传输给MCU，软件程序判定故障后再主动控制关闭驱动桥供电电瓶。

以上技术方式均需通过软件程序设计进行实现，实际使用中发现，当软件处理不及时短路电流会导致控制器供电电瓶电压被拉至很低，造成MCU复位重启，会使控制器一直处于反复接通复位再接通再复位的循环里，造成其它元件或部件损坏；此外当程序跑飞、卡死、bug、驱动桥供电电瓶上继电器使能电路异常、MCU异常等因素，导致无法及时过电流保护，损坏其它元件和部件，存在极大安全隐患。

为此我们提供一种EPS系统过电流保护电路及保护方法解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种EPS系统过电流保护电路及保护方法，目的是通过纯硬件电路来实现过电流检测及保护，不受软件影响，同时还能规避软件异常、程序处理不及时、驱动桥电源上继电器使能电路异常、MCU异常带来的风险。

为了实现上述目的，本发明采用的一种EPS系统过电流保护电路及保护方法，包括：电机驱动桥电路、电流采集放大电路、信号滤波电路、过电流判断电路、电压保持电路以及三极管开关电路，其中，电机驱动桥电路包括预驱动电路和驱动桥电路，驱动桥电路分为有刷助力电机的H桥和驱动无刷助力电机三相桥。

所述电流采集放大电路与信号滤波电路相连接，所述信号滤波电路与过电流判断电路相连接，所述过电流判断电路与电压保持电路相连接，所述电压保持电路与三级管开关电路相连接，根据电压保持电路输出电压电平来控制三极管开关电路处于开启或者关闭状态；

所述电流采集放大电路包括母线电流采样电阻RS1、电阻R1、电阻R2、电容C1、电阻R3和运放N1A，其中母线电流采样电阻RS1串接在电机驱动桥电路和GND之间，电阻R1和电容C1连接构成一阶滤波电路，电阻R3构成负反馈网络，电阻R3与电阻R2、运放N1A相连接构成同相比例放大电路，将滤波后的微弱的电压信号进行同比例放大；

所述信号滤波电路包括电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3，电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3共同构成二阶滤波电路；

所述过电流判断电路包括比较器N2A、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C4和电阻R9，滤波后的电压信号接比较器N2A 3号引脚同相输入端，电阻R6和电阻R7串联构成第一分压电路，第一分压电路接比较器N2A反相输入端，两者近比较后由比较器N2A输出高低电平，电阻R8与比较器N2A输出端连接通过VCC进行上拉；

所述电压保持电路包括二极管VD1、电阻R10、电阻R11、电阻R12、比较器N2B、二极管VD2、电阻R13、电阻R14和电容C5；过电流判断电路通过二极管VD1与电压保持电路连接，电阻R10和电阻R11串联构成第二分压电路，第二分压电路接比较器N2B反相输入端，电阻R13和二极管VD2构成正反馈网络，正反馈网络与比较器N2B构成电压保持器，将比较器N2B正相输入的高电平信号进行保持；

所述三极管开关电路包括电阻R15、电阻R16和NPN三极管VT1，电阻R15接NPN三极管VT1基极，电阻R16接NPN三极管VT1基极和发射极之间。

作为上述方案的进一步优化，所述比较器N2A输出再切回低电平时，输出维持比较器N2B保持高电平输出，此外比较器N2B输出端接到MCU，将过电流故障传递给MCU。

本发明还提出了一种EPS系统过电流保护方法，包括以下步骤：

步骤一：电流信号采集，EPS工作时，MCU控制继电器使能电路驱动继电器闭合，使电机驱动桥电路与供电电瓶接通，进入工作状态，驾驶员操纵方向盘，MCU根据输入力矩大小，再通过预驱动电路控制电机驱动桥电路工作，进而驱动电机转动提供助力；

驱动电机的电流主要从供电电瓶经过继电器、电机驱动桥和助力电机流到GND上，EPS控制器过电流故障通常为电机驱动桥电路MOS短路引起，当电机驱动桥电路短路后，电流主要从供电电瓶经过继电器直接流到GND上，短路电流极大产生过电流，要想对过电流进行保护，需要检测出母线电流值大小，才能为判断是否过电流提供条件，首先就是对流过电机驱动桥上的电流信号进行采集；

步骤二：电流采集信号放大，为了减少电流信号采集对产品的影响，电流采集放大电路采用毫欧级电阻将电流值转化为电压值的方式传输，此时采集到的母线电流信号十分微弱，需要经过信号放大后才能使用；

步骤三：放大信号滤波，对信号放大后的母线电流信号进行滤波处理，减少尖峰毛刺，防止后续电流值结果误判；

步骤四：滤波后的母线电流信号过电流判断，检测到母线电流信号之后，对检测到的母线的实际电流值进行比较判断，过电流状态下根据实际设计的最大电流加上余量的方式来设定过电流阈值，超过该过电流阈值即可判断为过电流状态，判断结果通过输出的高低电平状态进行反馈；

步骤五：对比较后的结果电平状态进行保持，比较后的结果电平状态传输给MCU用于正常的故障判断和记录；

步骤六：关闭继电器使能信号；过电流时电压保持电路输出为高电平，通过输出的高电平控制三极管开关电路导通下拉，进而关闭继电器使能，使继电器断开，切断母线上的电流路径，起到过电流保护作用。

作为上述方案的进一步优化，所述电流信号采集的实现是通过电流采集放大电路实现的，具体操作为：

电流转换：电流值无法直接获取，通过母线电流采样电阻将流过的电流值转换为电压值进行采集；

公式①

其中，： 母线电流，即流过电机驱动桥的电流，单位A；RS1：母线电流采样电阻，单位Ω；/>，电流转换后的电压值。

作为上述方案的进一步优化，所述电流采集放大是通过电流转换后电压值放大来实现的：转换后的电压信号通过同相比例放大电路进行信号放大，放大倍数；

因运放N1A为高输入阻抗，根据“虚断”原则，与N1A 3号引脚同相输入端电压值相等，即/>；

公式②

其中，为信号放大后的输出电压，即运放N1A 1号脚输出电压。

作为上述方案的进一步优化，根据过电流判断电路实现是否为过电流状态判断：

过电流阈值设定：过电流值通过设定的比较器反相端电压值来体现，过电流值可通过反向推导进行计算，计算方式如下：

为设定的过电流阈值；

假设流过母线采样电阻的电流≥时，即判断为过电流状态。

经过信号转换和比例放大后过电流对应的电压阈值：，比较器N2A为高输入阻抗，根据“虚断”原则，即/>与N2A 3号引脚同相输入端电压值：相等；即/> 公式③

根据“虚短”原则：N2A 3号引脚同相输入端和反相输入端/>电压相等即/>，而/>，

所以 公式④

其中，VCC为电路的供电电压；将电阻R6、电阻R7参数按该比例进行选值即设定过电流阈值为。

过电流比较判断：根据“虚断”原则：运放N1A输出端电压：和比较器N2A 3号引脚同相输入端电压 ：/>相等，即 />；通过将比较器N2A 3号引脚同相输入端的电压值与根据/>设定好的电压阈值：/>比较，判定是否满足过电流状态；

当时，为非过电流状态，比较器N2A输出端电压 />为低电平；

当时，为过电流状态，比较器N2A输出端电压为高电平；

公式⑤

其中为比较器N2B 5号引脚同相输入端电压值，/>为二极管VD1正向导通压降，VD1为硅管即 />。

作为上述方案的进一步优化，将比较后的结果电平状态进行保持：比较器N2A输出端电压 为高或低电平受输入到比较器N2A 3号引脚同相输入端的电压值/>大小影响，过电流状态下 />，比较器N2A输出端电压/>为高电平，需要使用输出的高电平控制三极管开关电路导通来控制继电器关闭，而继电器关闭后又会将电流路径切断，进而导致流过采样电阻电流值归零进而导致流过母线采样电阻电流值归零进而导致，使得比较器N2A输出端电压/>的高电平变为低电平，不能维持三极管开关电路继续导通来使继电器断开，系统再次进入过电流状态，故需要增加电压保持电路对比较后的结果电平状态进行保持，发生过电流后就应该一直保持继电器断开，直至短路故障消除后重启或者继电器使能电路被主动关闭；

因电压保持电路带正反馈网络，启动后会影响电平，而/>又影响保持电路是否启动，所以/>电平受前端/>电平的影响，具体关系如下：当/>输出低电平时，电压保持电路未工作，根据“虚断”原则，/>：

当输出高电平时，根据基本等效电路原理推导：

公式⑥

其中，/>，其中“//”在模拟电路里表示并联关系

为二极管VD2正向导通压降，因二极管/>和/>号一样，均为硅管故；

公式⑦

用来设定电压保持电路的启动电压，防止误触发；

为比较器N2B 5号引脚同相输入端电压，/>为比较器N2B 5号引脚反相输入端电压；

当时，电压保持电路不启动，比较器N2B输出/>为低电平；

当时，电压保持电路启动，比较器N2B输出/>为高电平；

公式⑧

由于电阻R13和二极管VD2正反馈网络，高电平信号通过正反馈网络作用在比较器N2B 5号引脚同相输入端，维持，即使 />变为低电平，比较器N2B输出依旧持续为高电平，达到电压保持目的。

作为上述方案的进一步优化，关闭继电器使能信号：当发生驱动电桥MOS短路故障产生过电流时，电压保持电路输出端电压为高电平，此时应该控制三极管开关电路导通，下拉继电器使能引脚/>电压，使继电器开关断开，切断母线上的电流路径，进行过电流保护；

设经过限流电阻R15后到达NPN三极管VT1基极电压为/>，

当输出低电平时，/>，NPN三极管VT1基极未导通，继电器使能引脚为高电平，继电器的导通，驱动桥电路正常运行；

当输出高电平时，/>，NPN三极管VT1基极VT1导通，继电器使能引脚被下拉至低电平，继电器开关断开，启动过电流保护。

本发明的一种EPS系统过电流保护电路及保护方法，具备如下有益效果：

本发明的一种EPS系统过电流保护电路及保护方法，本发明采用纯硬件电路来实现过电流检测及保护，规避程序跑飞、卡死、bug、程序处理不及时、驱动桥供电电瓶上继电器使能电路异常、MCU异常等带来的风险，降低了因过电流故障引起其它元件和部件损坏的几率，缩小了问题范围，节约了维护成本；同时不影响软件的正常运行，还可以将检测出来的故障信息传递给MCU，用于正常的故障判断和记录。

过电流阈值可以通过硬件参数设定，适用于不同EPS产品系列，具备较高的兼容性和实用性。

参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

附图说明

图1为本发明中EPS系统过电流保护电路中各元器件型号及规格示意图；

图2为本发明中EPS系统过电流保护电路原理图；

图中：母线电流采样电阻RS1；电阻R1；电阻R2；电容C1；电阻R3；比较器N1A；电容C2；电阻R5；电容C3；电阻R4；比较器N2A；电阻R6；电阻R7；电阻R8；电容C4；电阻R9；二极管VD1；电阻R10；电阻R11；电阻R12；比较器N2B；二极管VD2；电阻R13；电阻R14；电容C5；电阻R15；电阻R16；三极管VT1；电源电压VB。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于、设有”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接、相连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，“固连”为固定连接的含义，固定连接的方式有很多种，不作为本文的保护范围，本文中所使用的术语“垂直的”“水平的”“左”“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本发明，本文中所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合；

请参阅说明书附图1-2，本发明提供一种技术方案：一种EPS系统过电流保护电路，包括电机驱动桥电路、电流采集放大电路、信号滤波电路、过电流判断电路、电压保持电路以及三极管开关电路。

其中，MCU结合电机驱动桥电路控制电机转动提供转向助力，其中电机驱动桥电路包括预驱动电路和驱动桥电路，驱动桥电路分为有刷助力电机的H桥和驱动无刷助力电机三相桥。

电流采集放大电路与信号滤波电路相连接，用于对放大后的电流信号进行滤波处理，信号滤波电路与过电流判断电路相连接，用于将滤波处理好的电流信号与设定好的过电流阈值作比较，过电流判断电路与电压保持电路相连接，用于对比较后的信号电平进行保持，电压保持电路与三级管开关电路相连接，根据保持后电压电平来控制三极管开关电路处于开启或者关闭状态；

电流采集放大电路包括母线电流采样电阻RS1、电阻R1、电阻R2、电容C1、电阻R3和运放N1A；其中母线电流采样电阻RS1串接在电机驱动桥电路和GND之间，用于将流过该路径的电流信号转化为电压信号；电阻R1和电容C1连接构成一阶滤波电路，对采集到的电压信号进行滤波；电阻R3构成负反馈网络，电阻R3与电阻R2、运放N1A相连接构成同相比例放大电路，将滤波后的微弱的电压信号进行同比例放大。

信号滤波电路包括电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3，电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3共同构成二阶滤波电路，进一步滤除放大后信号上的毛刺和尖峰；

过电流判断电路包括比较器N2A、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C4和电阻R9，滤波后的电压信号接比较器N2A 3号引脚同相输入端，电阻R6和电阻R7串联构成第一分压电路，第一分压电路接比较器N2A反相输入端，用于设定过电流阈值；两者近比较后由比较器N2A输出高低电平，比较器N2A输出端通过电阻R8上拉连接有VCC，限定输出高电平的电压值，其中VCC为供电电瓶电压经过内部电路稳压转换后给控制部分电路使用的电平。

电压保持电路包括二极管VD1、电阻R10、电阻R11、电阻R12、比较器N2B、二极管VD2、电阻R13、电阻R14和电容C5；过电流判断电路通过二极管VD1与电压保持电路连接，用于信号单向传输；电阻R10和电阻R11串联构成第二分压电路，第二分压电路接比较器N2B反相输入端，用于设定电压保持电路启动的电平阈值；电阻R13和二极管VD2构成正反馈网络，正反馈网络与比较器N2B构成电平保持器，将比较器N2B正相输入的高电平信号进行保持，即使比较器N2A输出再切回低电平时，输出依然能维持比较器N2B高电平输出；此外比较器N2B输出端接到MCU，将过电流故障传递给MCU，用于MCU故障记录和后续主动切断继电器使能信号，进一步起到过电流保护作用。

三极管开关电路包括电阻R15、电阻R16和NPN三极管VT1；电阻R15接NPN三极管VT1基极，起限流使用，电阻R16接NPN三极管VT1基极和发射极之间，起下拉作用，使NPN三极管VT1基极高电平时工作在饱和区，NPN三极管VT1处于完全导通状态，基极低电平时可以稳定的工作在截止区，NPN三极管VT1处于完全关闭状态，用于控制继电器使能，用于切断过电流路径。

K1继电器串接在供电电平和电机驱动桥电路之间，用于导通和断开电机驱动桥电路的供电。

MCU通过IO口控制继电器使能电路输出高低电平，继电器使能电路与K1继电器使能引脚连接，继电器使能电路输出高电平时继电器K1导通，继电器使能电路输出低电平时继电器K1断开，进而控制导通或断开电机驱动桥供电路的供电。

根据电流采集放大电路实现电流采集及放大功能：

电流转换：母线电流值无法直接获取，通过母线电流采样电阻将流过的母线电流值转换为电压值进行采集；

公式①

：母线电流，即流过电机驱动桥的电流；单位A

RS1：母线电流采样电阻；单位Ω

：母线电流转换后的电压值

母线电流转换后电压值放大：转换后的电压信号十分微弱，通过同相比例放大电路进行信号放大；放大倍数。

因运放N1A为高输入阻抗，根据“虚断”原则，与N1A 3号引脚同相输入端电压值相等；即/>

公式②

为信号放大后的输出电压，即运放N1A 1号脚输出电压；

根据过电流判断电路实现是否为过电流状态判断：

过电流阈值设定：过电流值通过设定的比较器反相端电压值来体现，其可通过正向推导进行计算，计算方式如下：

假设流过采样电阻的电流≥时，即判断为过电流状态，其中/>为设定的过电流阈值；

经过信号转换和比例放大后过电流对应的电压阈值：，比较器N2A为高输入阻抗，根据“虚断”原则，即/>与N2A 3号引脚同相输入端电压值相等；即/> 公式③

根据“虚短”原则：N2A 3号引脚同相输入端和反相输入端电压相等即，

而，

所以 公式④

将电阻R6、电阻R7参数按该比例进行选值即设定过电流阈值为。

过电流比较判断：根据“虚断”原则：运放器输出端是否为“比较器N1A输出端电压”和比较器N2A 3号引脚同相输入端电压/>相等，即/>；通过将比较器N2A 3号引脚同相输入端的电压值/>与根据/>设定好的电压阈值/>比较，判定是否满足过电流状态；

当时，为非过电流状态，比较器N2A输出端电压/>为低电平；

当时，为过电流状态，比较器N2A输出端电压/>为高电平；

公式⑤

其中，VCC为电路的供电电压，为比较器N2B 5脚同相输入端电压值，/>为二极管VD1正向导通压降，VD1为硅管即≈0.7V；

将比较后的结果电平状态进行保持：比较器N2A输出端电压为高或低电平受输入到比较器N2A 3号引脚同相输入端的电压值/>大小影响，过电流状态下，比较器N2A输出端电压/>为高电平；需要使用输出的高电平控制三极管开关电路导通来控制继电器关闭，而继电器关闭后又会将电流路径切断，导致流过母线电流采样电阻电流值归零进而导致/>，使得比较器N2A输出端电压的高电平变为低电平，不能维持三极管开关电路继续导通来使继电器断开，系统再次进入过电流状态；故需要对比较后的结果电平状态进行保持，发生过电流后就应该一直保持继电器断开，直至短路故障消除后重启或者继电器使能电路被主动关闭。

因电压保持电路带正反馈网络，启动后会影响电平，而/>又影响电压保持电路是否启动，所以/>电平受前端/>电平的影响。具体关系如下：当/>输出低电平时，电压保持电路未工作，根据“虚断”原则，/>：

当输出高电平时，根据基本等效电路原理推导：

公式⑥

其中，/>，其中“//”在模拟电路里表示并联关系。

为二极管VD2正向导通压降，因二极管型号一样；故/>；

公式⑦

用来设定电压保持电路的启动电压，防止误触发；

为比较器N2B 5号引脚同相输入端电压，/>为比较器N2B 5号引脚反相输入端电压；

当时，电压保持电路不启动，比较器N2B输出/>为低电平；

当时，电压保持电路启动，比较器N2B输出/>为高电平；

公式⑧

由于电阻R13和二极管VD2正反馈网络，高电平信号通过正反馈网络作用在比较器N2B 5号引脚同相输入端，维持，即使/>变为低电平，比较器N2B输出依旧持续为高电平，达到电压保持目的。

关闭继电器使能信号：当发生驱动电桥MOS短路故障产生过电流时，电压保持电路输出端电压为高电平，此时应该控制三极管开关电路导通，下拉继电器使能引脚/>电压，使继电器开关断开，切断母线上的电流路径，进行过电流保护。

设经过限流电阻R15后到达NPN三级管VT1基极电压为/>。

当输出低电平时，/>，NPN三极管VT1基极未导通，继电器使能引脚为高电平，继电器的导通，驱动桥电路正常运行；

当输出高电平时，/>，NPN三极管VT1基极VT1导通，继电器使能引脚被下拉至低电平，继电器开关断开，启动过电流保护；

本发明还公开了一种EPS系统过电流保护方法，包括以下步骤：

步骤一：电流信号采集；EPS工作时，MCU控制继电器使能电路驱动继电器闭合，使电机驱动桥电路与供电电瓶接通，进入工作状态，驾驶员操纵方向盘，MCU根据输入力矩大小，再通过预驱动电路控制电机驱动桥电路工作，进而驱动电机转动提供助力；驱动电机的电流主要从供电电瓶经过继电器、电机驱动桥和助力电机流到GND上；EPS控制器过电流故障通常为电机驱动桥电路MOS短路引起，当电机驱动桥电路短路后，电流主要从供电电瓶经过继电器直接流到GND上，短路电流极大（过电流）；要想对过电流进行保护，需要检测出电流值大小，才能为判断是否过电流提供条件；首先就是对流过电机驱动桥上的电流信号进行采集。

步骤二：电流采集信号放大；为了减少电流采集对产品的影响，电流采集放大电路通常采用毫欧级电阻将电流值转化为电压值的方式传输，此时采集到的母线电流信号十分微弱，需要经过信号放大后才能使用。

步骤三：放大后信号滤波：母线电流信号放大的同时也会对一些干扰信号进行放大，需要对母线电流信号进行滤波处理，减少尖峰毛刺，防止后续电流值结果误判。

步骤四：滤波后信号过电流判断；检测到母线的实际电流值之后，需要判断是正常电流，还是过电流，就要对检测到的母线的实际电流值进行比较判断；过电流状态下电流值很大，可以根据实际设计的最大电流加上余量的方式来设定电流阈值，超过该电流阈值即可判断为过电流状态；判断结果通过输出的高低电平状态进行反馈。

步骤五：对比较后的结果电平状态保持；因为过电流保护启动后会主动关闭供电电瓶干路上继电器，一旦继电器关闭后，电流路径中断，电流值归零，如不保存比较后的结果电平，过电流保护会立刻关闭，不再主动控制供电电瓶干路上的继电器，可能会导致供电电瓶干路上的继电器再度闭合，无法实现有效保护；此外比较后的结果电平状态也可以传输给MCU用于正常的故障判断和记录。

步骤六：关闭继电器使能信号；过电流时电压保持电路输出为高电平，通过输出的高电平控制三极管开关电路导通下拉，进而关闭继电器使能，使继电器断开，切断母线上的电流路径，起到过电流保护作用。

以下结合实际应用中电路运行进行描述：

首先是基本参数配置，如附图2所示，使用运放LM2904及外围期间构成同相比例放大电路，电阻R2=10KΩ，电阻R3=510KΩ，即采集信号放大电路放大倍数；电流采样选用高精度母线电流采样电阻RS1=0.001Ω；VCC=12V。

过电流阈值由电阻R6、电阻R7的比例决定，使用中EPS控制器流过电机驱动桥的最大母线电流为50A，设定其过电流阈值/>为最大电流加上0.2倍余量，即；根据公式④可知/>，根据电阻标称值表，选定电阻R6=28.7K、电阻R7=10K，此时/>。

因比较器N2A输出非线性，为高低电平状态，同时为防止电平保持电路误触发，其启动电平不需要设定很低，故根据公式⑦和电阻标称值表，选定电阻R10=22K、电阻R11=2K。

以上是基本参数的设定，关于电流采集放大电路前电阻R1和电容C1连接构成一阶滤波电路参数、信号滤波电路电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3共同构成二阶滤波电路参数均根据需要滤除的干扰频率及以往使用进行参数配置，具体如附图2所示。

当产品正常运行，未发生驱动桥故障产生过电流时：

此时流过采样电阻的电流为，可知/>＜/>，根据公式①、公式②、公式③得

比较器N2A输出低电平，即/>；根据“虚断”原则，/>：即/>，电压保持电路未启动，/>输出低电平，即/>经过限流电阻R15后/>，故三极管开关电路不工作，对继电器使能引脚/>电平无影响，继电器开关正常闭合，电机驱动桥电路正常工作。

当产品发生驱动桥故障产生过电流时：

此时流过母线电流电阻的母线电流为，可知/>，根据公式①、公式②、公式③得

比较器N2A输出高电平，根据公式⑤，公式⑥可计算得/>，即，电压保持电路启动，/>输出高电平，根据公式⑧，经过限流电阻R15后/>＞/>≈0.7V，故三极管开关电路工作导通，对继电器使能引脚/>电平进行下拉，继电器开关断开，切断母线上的电流路径，进行过电流保护。

发生过电流故障，保护启动后，继电器开关断开，切断母线上的电流路径，归零，但由于电压保持电路存在，电阻R13和二极管VD2为正反馈网络，高电平信号通过正反馈网络作用在比较器N2B 5号引脚同相输入端，维持/> ，比较器N2B输出/>依旧持续为高电平，维持三极管开关电路导通，继续对继电器使能引脚/>电平进行下拉，继电器开关继续保持断开，切断母线上的电流路径，过电流保护不会被关闭，不会造成保护重复启动，直至短路故障消除后重启或者继电器使能电路被主动关闭，该过电流保护状态才能解除。

仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种EPS系统过电流保护电路，其特征在于，包括：电机驱动桥电路、电流采集放大电路、信号滤波电路、过电流判断电路、电压保持电路以及三极管开关电路，其中，电机驱动桥电路包括预驱动电路和驱动桥电路，驱动桥电路分为有刷助力电机的H桥和驱动无刷助力电机三相桥；

所述电流采集放大电路与信号滤波电路相连接，所述信号滤波电路与过电流判断电路相连接，所述过电流判断电路与电压保持电路相连接，所述电压保持电路与三级管开关电路相连接，根据电压保持电路输出后电压电平来控制三极管开关电路处于开启或者关闭状态；

所述电流采集放大电路包括母线电流采样电阻RS1、电阻R1、电阻R2、电容C1、电阻R3和运放N1A，其中母线电流采样电阻RS1串接在电机驱动桥电路和GND之间，电阻R1和电容C1连接构成一阶滤波电路，电阻R3构成负反馈网络，电阻R3与电阻R2、运放N1A相连接构成同相比例放大电路，将滤波后的微弱的电压信号进行同比例放大；

所述信号滤波电路包括电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3，电阻R4、电容C2、电阻R5和电容C3共同构成二阶滤波电路；

所述过电流判断电路包括比较器N2A、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C4和电阻R9，滤波后的电压信号接比较器N2A 3号引脚同相输入端，电阻R6和电阻R7串联构成第一分压电路，第一分压电路接比较器N2A反相输入端，两者近比较后由比较器N2A输出高低电平，电阻R8与比较器N2A输出端连接通过VCC进行上拉；

所述电压保持电路包括二极管VD1、电阻R10、电阻R11、电阻R12、比较器N2B、二极管VD2、电阻R13、电阻R14和电容C5；过电流判断电路通过二极管VD1与电压保持电路连接，电阻R10和电阻R11串联构成第二分压电路，第二分压电路接比较器N2B反相输入端，电阻R13和二极管VD2构成正反馈网络，正反馈网络与比较器N2B构成电压保持器，将比较器N2B正相输入的高电平信号进行保持；

所述三极管开关电路包括电阻R15、电阻R16和NPN三极管VT1，电阻R15接NPN三极管VT1基极，电阻R16接NPN三极管VT1基极和发射极之间。

2.根据权利要求1所述一种EPS系统过电流保护电路，其特征在于：所述比较器N2A输出再切回低电平时，输出维持比较器N2B保持高电平输出，此外比较器N2B输出端接到MCU，将过电流故障传递给MCU。

3.一种EPS系统过电流保护方法，其特征在于：包括权利要求1-2任一所述的EPS系统过电流保护电路，还包括以下步骤：

步骤一：电流信号采集，EPS工作时，MCU控制继电器使能电路驱动继电器闭合，使电机驱动桥电路与供电电瓶接通，进入工作状态，驾驶员操纵方向盘，MCU根据输入力矩大小，再通过预驱动电路控制电机驱动桥电路工作，进而驱动电机转动提供助力；驱动电机的电流主要从供电电瓶经过继电器、电机驱动桥和助力电机流到GND上，EPS控制器过电流故障通常为电机驱动桥电路MOS短路引起，当电机驱动桥电路短路后，电流主要从供电电瓶经过继电器直接流到GND上，短路电流极大产生过电流，对流过电机驱动桥上的电流信号进行采集；

步骤二：电流采集信号放大，电流采集放大电路采用毫欧级电阻将电流值转化为电压值的方式传输，采集到母线电流信号，母线电流信号经过信号放大后使用；

步骤三：放大信号滤波，对信号放大后的母线电流信号进行滤波处理，减少尖峰毛刺，防止后续电流值结果误判；

步骤四：滤波后的母线电流信号过电流判断，检测到母线电流信号之后，对检测到的母线的实际电流值进行比较判断，过电流状态下根据实际设计的最大电流加上余量的方式来设定过电流阈值，超过该过电流阈值即可判断为过电流状态，判断结果通过输出的高低电平状态进行反馈；

步骤五：对比较后的结果电平状态进行保持，比较后的结果电平状态传输给MCU用于正常的故障判断和记录；

步骤六：关闭继电器使能信号；过电流时电压保持电路输出为高电平，通过输出的高电平控制三极管开关电路导通下拉，进而关闭继电器使能，使继电器断开，切断母线上的电流路径，起到过电流保护作用。

4.根据权利要求3所述一种EPS系统过电流保护方法，其特征在于：所述电流信号采集的实现是通过电流采集放大电路实现的，具体操作为：

电流转换：电流值无法直接获取，通过母线电流采样电阻将流过的电流值转换为电压值进行采集；

；

其中，：母线电流，即流过电机驱动桥的电流，单位A；RS1：母线电流采样电阻，单位Ω；/>，电流转换后的电压值。

5.根据权利要求3所述一种EPS系统过电流保护方法，其特征在于：所述电流采集放大是通过电流转换后电压值放大来实现的：转换后的电压信号通过同相比例放大电路进行信号放大，放大倍数；

运放N1A为高输入阻抗，根据“虚断”原则，与N1A 3号引脚同相输入端电压值/>相等，即/>；

；

其中，为信号放大后的输出电压，即运放N1A 1号脚输出电压。

6.根据权利要求3所述一种EPS系统过电流保护方法，其特征在于：根据过电流判断电路实现是否为过电流状态判断：

过电流阈值设定：过电流值通过设定的比较器反相端电压值来体现，过电流值通过反向推导进行计算，计算方式如下：

为设定的过电流阈值；

假设流过母线采样电阻的电流≥时，即判断为过电流状态；

经过信号转换和比例放大后过电流对应的电压阈值：，比较器N2A为高输入阻抗，根据“虚断”原则，即/>与N2A 3号引脚同相输入端电压值：/>相等；即/>；

根据“虚短”原则：N2A 3号引脚同相输入端和反相输入端电压相等即，而，

所以，其中，VCC为电路的供电电压；

将电阻R6、电阻R7参数按该比例进行选值即设定过电流阈值为；

过电流比较判断：根据“虚断”原则：运放N1A输出端电压：和比较器N2A 3号引脚同相输入端电压：/>相等，即/>；通过将比较器N2A 3号引脚同相输入端的电压值与根据/>设定好的电压阈值：/>比较，判定是否满足过电流状态；

当时，为非过电流状态，比较器N2A输出端电压/>为低电平；

；

当时，为过电流状态，比较器N2A输出端电压为高电平；

；

其中为比较器N2B 5号引脚同相输入端电压值，/>为二极管VD1正向导通压降，VD1为硅管即/>。

7.根据权利要求3所述一种EPS系统过电流保护方法，其特征在于：将比较后的结果电平状态进行保持：比较器N2A输出端电压为高或低电平受输入到比较器N2A 3号引脚同相输入端的电压值/>大小影响，过电流状态下/>，比较器N2A输出端电压为高电平，需要使用输出的高电平控制三极管开关电路导通来控制继电器关闭，而继电器关闭后又会将电流路径切断，导致流过采样电阻电流值归零进而导致流过母线采样电阻电流值归零导致/>，使得比较器N2A输出端电压/>的高电平变为低电平，不能维持三极管开关电路继续导通来使继电器断开，系统再次进入过电流状态，故需要增加电压保持电路对比较后的结果电平状态进行保持，发生过电流后就应该一直保持继电器断开，直至短路故障消除后重启或者继电器使能电路被主动关闭；

因电压保持电路带正反馈网络，启动后会影响电平，而/>又影响保持电路是否启动，所以/>电平受前端/>电平的影响，具体关系如下：

当输出低电平时，电压保持电路未工作，根据“虚断”原则，/>：

；

当输出高电平时，根据基本等效电路原理推导：

；

其中，/>，其中“//”在模拟电路里表示并联关系；

为二极管VD2正向导通压降，二极管/>和/>型号一样，均为硅管故；

；

用来设定电压保持电路的启动电压，防止误触发；

为比较器N2B 5号引脚同相输入端电压，/>为比较器N2B 5号引脚反相输入端电压；

当时，电压保持电路不启动，比较器N2B输出/>为低电平；

；

当时，电压保持电路启动，比较器N2B输出/>为高电平；

；

维持，即使/>变为低电平，比较器N2B输出/>依旧持续为高电平，达到电压保持目的。

8.据权利要求3所述一种EPS系统过电流保护方法，其特征在于：关闭继电器使能信号：当发生驱动电桥MOS短路故障产生过电流时，电压保持电路输出端电压为高电平，此时应该控制三极管开关电路导通，下拉继电器使能引脚/>电压，使继电器开关断开，切断母线上的电流路径，进行过电流保护；

设经过限流电阻R15后到达NPN三极管VT1基极电压为/>，

当输出低电平时，/>，NPN三极管VT1基极未导通，继电器使能引脚/>为高电平，继电器的导通，驱动桥电路正常运行；

当输出高电平时，/>，NPN三极管VT1基极VT1导通，继电器使能引脚/>被下拉至低电平，继电器开关断开，启动过电流保护。