CN211826981U - 基于集成mcu的汽车用双风扇电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器。包括MCU主控芯片（1），及电源供电模块（3）、PWM输入通信模块（4）、故障反馈模块（5）、休眠唤醒模块（6）、堵转和开路保护模块（9）、电压采集模块（10）和温度采样模块（11）；电源供电模块和休眠唤醒模块连接电源滤波模块（2），电源滤波模块与PWM输入通信模块接电瓶输入端；电源供电模块连接有两路MOSFET励磁电流驱动模块（7）。本实用新型电路设计结构模块化，可移植性强，控制芯片使用集成MCU实现，安全性、可靠性高，程序设计灵活性高，在硬件电路不变的情况下，通过更改软件程序实现功能的调整。使开发周期缩短，降低开发成本，提高市场竞争力。

Description

基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种汽车冷却风扇电机控制器，具体是一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，属于直流有刷电机控制技术领域。

背景技术

汽车已经变得越来越普及，2016年中国汽车的销量为2800万辆，而且每年还在持续增长。汽车产业的高速发展带动了相关产业的发展，车用电机产业就是其中特别耀眼的一个产业。现代化的汽车中安装了大量的电机，从几十个到上百个不等。电机越多，汽车的自动化程度就越高。汽车的发展趋势使更安全、更智能和更节能，车用电机的发展也势必是顺应汽车的发展趋势。

发动机是为汽车提供动力的装置，是汽车的心脏，发动机能否正常工作将直接影响汽车的性能。发动机正常运转时需要一定的工作温度，过高或过低都不利于发动机正常工作，因此发动机有风冷、水冷等多个冷却系统。冷却系统的作用是保持发动机在最有利的温度范围内工作，已提高发动机的功率，减少发动机的磨损和燃料消耗。冷却风扇的主要作用是配合水泵用于发动机的散热，同时还承担了空调压缩机等汽车零部件的散热，其功率通常在600W以上，其电机形式也多种多样，有无刷直流三相电机、永磁同步电机、有刷直流电机。

冷却风扇的首要设计目标是满足冷却系统对风量和压头的需要。这样才能达到预期的散热效果，还要求风扇噪声小、重量轻、成本低等。同时针对电机应用，还需要检测堵转、过电流、过电压、欠电压、过载、过温度等异常情况，能够有效的保护电机和功率电路。目前市场上的有刷直流电机控制器主要使用的是分离器件，使用分离器件的主要目的是降低成本，但分离器件的缺点是元器件数量多，失效点多，增加了产品的失效PPM，降低了使用的安全性，另外使用分离器件设计的MOSFET预驱线路无法达到100%打开，这样也会增加MOSFET的开关损耗，降低了MOSFET的使用寿命。随着MCU集成工艺的发展，英飞凌TLE9854系列将LDO和预驱动等线路集成在芯片内部，不仅可以简化线路，使电路设计更小型化，又可以提供产品的使用寿命和可靠性，再一定程序的上也可以有效的降低成本。

发明内容

针对上述有刷电机控制器的现状和存在的问题，本实用新型提供一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器。本实用新型MCU选择英飞凌的TLE9854，此MCU为通用集成型芯片，线路设计简洁，集成度高，安全可靠，并且可以通过不同的软件设计实现不同的功能，应用灵活，开发周期短，成本低。

为了实现上述目的，本基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器包括MCU主控芯片，以及通过MCU主控芯片连接控制的电源供电模块、PWM输入通信模块、故障反馈模块、休眠唤醒模块、堵转和开路保护模块、电压采集模块和温度采样模块；

所述电源供电模块和休眠唤醒模块连接有电源滤波模块，电源滤波模块与PWM输入通信模块接电瓶输入端；

所述电源供电模块连接有两路MOSFET励磁电流驱动模块，一路MOSFET励磁电流驱动模块分别与电瓶反接保护模块、堵转和开路保护模块和风机A连接，另一路MOSFET励磁电流驱动模块分别与电瓶反接保护模块、堵转和开路保护模块和风机A连接。

进一步，所述MCU主控芯片采用英飞凌TLE9854单片机。

进一步，所述电源滤波模块中，插件电解电容C43、C38、C39、C40、陶瓷贴片电容C41、C42和瞬态二极管TV1接电瓶输入端；

所述电源供电模块中，二极管D1、电阻R9、电容C14和电容C15组成B+电压处理电路，二极管D1单向导电，电阻R9起到限流作用，电容C14对B+电压进行滤波处理，电容C15滤除高频输入干扰，处理好的信号送入MCU主控芯片的VS脚；

所述PWM输入通信模块中，电阻R14和电阻R15上拉至B+，PWM信号经过电容C23、电阻R12、电容C22进入MCU主控芯片的LIN脚；

所述MOSFET励磁电流驱动模块中，MCU主控芯片的高边预驱GH1脚和GH2脚分别驱动两路MOSFET管Q1和Q3，Q1和Q3的源极分别接两路电机的转子，回流二极管Q3和Q4对转子形成续流，电解电容C33和C34稳定电源输入，贴片电容C30、C31、C33、C36作为MOSFET管的旁路电容，吸收快速开发产生的脉冲。

进一步，所述故障反馈模块中，电阻R14和电子R15上拉至B+，PWM信号经过电容C23、电阻R12、电容C22进入MCU主控芯片的LIN脚。

进一步，所述休眠唤醒模块中，B+端经电容C21、电阻R13、电容C44将信号送入MCU主控芯片的MON3脚。

进一步，所述电瓶反接保护模块中，MOSFET 管Q5接电感L1，电阻R30接B+端，正常工作时MOSFET管 Q5长开，当电源发生反接时，MOSFET 管Q5关闭，保护MOSFET管Q1和Q2，及回流二极管Q3和Q4不产生过流损坏。

进一步，所述堵转和开路保护模块9中，电阻R21、R22和R32对电机转子F1分压后送入MCU主控芯片的PIN41脚，电阻R23、R24和R333对电机转子F2分压后送入MCU主控芯片的PIN39脚，进行AD采样。

进一步，所述电压采集模块10中，二极管D1用于防反接，电阻R9防止电流过大，电容C14为电解电容稳定电压，电源VS为MCU主控芯片总供电，B+电源经电阻R8接MCU主控芯片的PIN47脚，做AD采样实时监测B+电源电压。

进一步，所述温度采样模块中，电阻R11和R20对5V分压，进入MCU主控芯片的PIN40做AD采样，R20为用于温度检测的热敏电阻。

现有技术中传统冷却风扇转速控制只有2-3档，转速控制只能实现低速、中速和高速，转速变化大，对温度的变化率影响很大，无法对温度进行精密的调控，本实用新型设计的双风扇控制器，可以实现两个风扇的转速线性可调，即转速在600RPM-2500RPM内线性调节器，RPM的变化精度为10RPM，可以实现对温度的精确控制和微调，温度调节器精度在0.5℃，实现对发动机热平衡的精确调控，使发动机的能效最大化，起到节油减排的目的。

本实用新型提供的控制器的电路设计结构模块化，可移植性强，控制芯片使用集成MCU实现，安全性高，可靠性高，程序设计灵活性高，在硬件电路不变的情况下，可以通过更改软件程序实现功能的调整。使开发周期缩短，降低开发成本，提高市场竞争力。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图；

图2是本实用新型的电路原理图；

图3是本实用新型的无极变速关系图；

图1和图2中：1、MCU主控芯片，2、电源滤波模块，3、电源供电模块，4、PWM输入通信模块，5、故障反馈模块，6、休眠唤醒模块，7、MOSFET励磁电流驱动模块，8、电瓶反接保护模块，9、堵转和开路保护模块，10、电压采集模块，11、温度采样模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1至图3所示，本基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器的具体实施方式如下：本控制器包括MCU主控芯片1，以及通过MCU主控芯片1连接控制的电源供电模块3、PWM输入通信模块4、故障反馈模块5、休眠唤醒模块6、堵转和开路保护模块9、电压采集模块10和温度采样模块11；

所述电源供电模块3和休眠唤醒模块6连接有电源滤波模块2，电源滤波模块2与PWM输入通信模块4接电瓶输入端；

所述电源供电模块3连接有两路MOSFET励磁电流驱动模块7，一路MOSFET励磁电流驱动模块7分别与电瓶反接保护模块8、堵转和开路保护模块9和风机A连接，另一路MOSFET励磁电流驱动模块7分别与电瓶反接保护模块8、堵转和开路保护模块9和风机A连接。

进一步，所述MCU主控芯片1采用英飞凌TLE9854单片机。

进一步，所述电源滤波模块2中，插件电解电容C43、C38、C39、C40、陶瓷贴片电容C41、C42和瞬态二极管TV1接电瓶输入端；

所述电源供电模块3中，二极管D1、电阻R9、电容C14和电容C15组成B+电压处理电路，二极管D1单向导电，电阻R9起到限流作用，电容C14对B+电压进行滤波处理，电容C15滤除高频输入干扰，处理好的信号送入MCU主控芯片1的VS脚；

所述PWM输入通信模块4中，电阻R14和电阻R15上拉至B+，PWM信号经过电容C23、电阻R12、电容C22进入MCU主控芯片1的LIN脚；

所述MOSFET励磁电流驱动模块7中，MCU主控芯片1的高边预驱GH1脚和GH2脚分别驱动两路MOSFET管Q1和Q3，Q1和Q3的源极分别接两路电机的转子，回流二极管Q3和Q4对转子形成续流，电解电容C33和C34稳定电源输入，贴片电容C30、C31、C33、C36作为MOSFET管的旁路电容，吸收快速开发产生的脉冲。

进一步，所述故障反馈模块5中，电阻R14和电子R15上拉至B+，PWM信号经过电容C23、电阻R12、电容C22进入MCU主控芯片1的LIN脚。

进一步，所述休眠唤醒模块6中，B+端经电容C21、电阻R13、电容C44将信号送入MCU主控芯片1的MON3脚。

进一步，所述电瓶反接保护模块8中，MOSFET 管Q5接电感L1，电阻R30接B+端，正常工作时MOSFET管 Q5长开，当电源发生反接时，MOSFET 管Q5关闭，保护MOSFET管Q1和Q2，及回流二极管Q3和Q4不产生过流损坏。

进一步，所述堵转和开路保护模块9中，电阻R21、R22和R32对电机转子F1分压后送入MCU主控芯片1的PIN41脚，电阻R23、R24和R333对电机转子F2分压后送入MCU主控芯片1的PIN39脚，进行AD采样。

进一步，所述电压采集模块10中，二极管D1用于防反接，电阻R9防止电流过大，电容C14为电解电容稳定电压，电源VS为MCU主控芯片1总供电，B+电源经电阻R8接MCU主控芯片1的PIN47脚，做AD采样实时监测B+电源电压。

进一步，所述温度采样模块11中，电阻R11和R20对5V分压，进入MCU主控芯片1的PIN40做AD采样，R20为用于温度检测的热敏电阻。

本控制器中B+端接电瓶正极，公共地端接电瓶负极，F1端接风扇电机A转子的一端，电机A转子另外一端接地，F2端接风扇电机B转子的一端，电机B转子另外一端接地，PWM端接ECU。

本控制器的工作原理如下：

当实车KEY-OFF时，ECU在PWM端一直送出高电瓶，控制器进入休眠状态，2路电机励磁电流关闭，此时控制器漏电流小于100uA，处于极低功耗状态。

当实车KEY-ON时，如果水箱温度低于92℃，PWM端仍为高电瓶，风扇控制器仍处于休眠状态；当水箱温度大于92℃或空调运行时，PWM送出唤醒方波信号，方波信号频率为125HZ，占空比大小随水箱温度而变化，PWM占空比和风扇运行转速关系见图3。

当PWM有占空比信号时，通过C23、R12和C22滤波后送入PIN48脚，IC1被唤醒，B+端通过D1、R9、C14和C15给IC1提供工作电源，D1起到防反接作用，R9在过压时能进行限流，C14滤除低频干扰，C15滤除高频干扰。

IC1根据输入PWM和RPM线性关系计算出2路电机应该打开的励磁驱动占空比，通过GH1和GH2脚送出Q1和Q2的驱动占空比，Q2和Q4在Q1和Q2关闭时起到续流的作用，C30、C31、C35和C36为旁路电容，R28、C32、R29和C37也起到滤波抗干扰的作用。Q1和Q2不同的驱动占空比，对应不同的电机励磁电流，从而实现风扇不同的转速控制，Q1和Q2的驱动占空比变化精度为0.05%，能够实现励磁电流的精密控制，从而实现风扇转速的精确空盒子。

Q5主要用于电瓶防反接，保护Q1、Q2、Q3、Q4和C38、C39、C40在电瓶发生反接的异常情况下不损坏。

C38、C39和C40为铝电解电容，滤除Q1和Q2开关对电源端造成的波动，TV1为功率TVS管，吸收实车上的瞬时高压，保护电路板，C43为铝电解，抑制电路板EMI，提高EMC能力。

F1端经R21、R32、R22和C25滤波后送入PIN41脚，PIN41脚AD采样，经过算法判断出A电机是否有发生短路、堵转或开路的异常情况，实现故障判断； F1端经R23、R33、R24和C26滤波后送入PIN39脚，PIN39脚AD采样，经过算法判断出B电机是否有发生短路、堵转或开路的异常情况，实现故障判断。

当电机有故障发生时，通过PIN22脚送出周期性高电位，驱动Q6打开，拉低PWM输入，为ECU反馈故障信号。

R20为热敏采样电阻，通过PIN40进行AD采样，根据算法计算出控制器的工作温度，当发生过温度时，即环境温度超出125℃时，周期性关闭控制器，保护控制器不因为过温产生损伤。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

包括MCU主控芯片（1），以及通过MCU主控芯片（1）连接控制的电源供电模块（3）、PWM输入通信模块（4）、故障反馈模块（5）、休眠唤醒模块（6）、堵转和开路保护模块（9）、电压采集模块（10）和温度采样模块（11）；

所述电源供电模块（3）和休眠唤醒模块（6）连接有电源滤波模块（2），电源滤波模块（2）与PWM输入通信模块（4）接电瓶输入端；

所述电源供电模块（3）连接有两路MOSFET励磁电流驱动模块（7），一路MOSFET励磁电流驱动模块（7）分别与电瓶反接保护模块（8）、堵转和开路保护模块（9）和风机A连接，另一路MOSFET励磁电流驱动模块（7）分别与电瓶反接保护模块（8）、堵转和开路保护模块（9）和风机A连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述MCU主控芯片（1）采用英飞凌TLE9854单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述电源滤波模块（2）中，插件电解电容C43、C38、C39、C40、陶瓷贴片电容C41、C42和瞬态二极管TV1接电瓶输入端；

所述电源供电模块（3）中，二极管D1、电阻R9、电容C14和电容C15组成B+电压处理电路，二极管D1单向导电，电阻R9起到限流作用，电容C14对B+电压进行滤波处理，电容C15滤除高频输入干扰，处理好的信号送入MCU主控芯片（1）的VS脚；

所述PWM输入通信模块（4）中，电阻R14和电阻R15上拉至B+，PWM信号经过电容C23、电阻R12、电容C22进入MCU主控芯片（1）的LIN脚；

所述MOSFET励磁电流驱动模块（7）中，MCU主控芯片（1）的高边预驱GH1脚和GH2脚分别驱动两路MOSFET管Q1和Q3，Q1和Q3的源极分别接两路电机的转子，回流二极管Q3和Q4对转子形成续流，电解电容C33和C34稳定电源输入，贴片电容C30、C31、C33、C36作为MOSFET管的旁路电容，吸收快速开发产生的脉冲。

4.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述故障反馈模块（5）中，电阻R14和电子R15上拉至B+，PWM信号经过电容C23、电阻R12、电容C22进入MCU主控芯片（1）的LIN脚。

5.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述休眠唤醒模块（6）中，B+端经电容C21、电阻R13、电容C44将信号送入MCU主控芯片（1）的MON3脚。

6.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述电瓶反接保护模块（8）中，MOSFET 管Q5接电感L1，电阻R30接B+端，正常工作时MOSFET管 Q5长开，当电源发生反接时，MOSFET 管Q5关闭，保护MOSFET管Q1和Q2，及回流二极管Q3和Q4不产生过流损坏。

7.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述堵转和开路保护模块（9）中，电阻R21、R22和R32对电机转子F1分压后送入MCU主控芯片（1）的PIN41脚，电阻R23、R24和R333对电机转子F2分压后送入MCU主控芯片（1）的PIN39脚，进行AD采样。

8.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述电压采集模块（10）中，二极管D1用于防反接，电阻R9防止电流过大，电容C14为电解电容稳定电压，电源VS为MCU主控芯片（1）总供电，B+电源经电阻R8接MCU主控芯片（1）的PIN47脚，做AD采样实时监测B+电源电压。

9.根据权利要求1所述的一种基于集成MCU的汽车用双风扇电机控制器，其特征在于，

所述温度采样模块（11）中，电阻R11和R20对5V分压，进入MCU主控芯片（1）的PIN40做AD采样，R20为用于温度检测的热敏电阻。

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