一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法

2023-06-10 18:44:36

專利名稱：一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法
技術領域：
本發明屬於汽車電子控制領域涉及電動助力轉向系統，尤其涉及一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法。
背景技術：
汽車電動助力轉向系統(Electronic Power Steering簡稱EPS)是一種由電機驅動的動力轉向系統，主要包括轉向盤、轉向管柱、扭矩傳感器、電子控制單元、轉向助力電機、渦輪蝸杆減速器、齒輪齒條橫拉杆機構等組成。駕駛員轉動方向盤時，扭矩傳感器產生扭矩信號和車速信號及電機電流反饋信號一起輸入到電子控制單元，經過計算後輸出驅動電機的控制信號，與傳統液壓助力轉向系統相比電動助力轉向系統具有節能環保和駕駛操作性好等優點。由於EPS的大量裝車使用，產品的可靠性和使用壽命也成為人們普遍關注的問題。EPS控制器的可靠性和使用壽命很大一部分因素是受工作環境溫度影響，EPS控制器溫度過高容易導致元器件過早老化，影響元器件的性能參數引起控制系統不穩定，而EPS控制器的功率驅動橋是系統發熱的主要熱源。由於汽車在低速行駛及泊車時需要較大轉向助力矩，電機助力電流較大造成功率驅動橋溫度很高。而引起功率驅動橋發熱的原因是由於MOS管導通損耗和開關損耗，當導通電流較大時間較長時，導致MOS管溫度升高，根據MOS管的導通特性MOS管的溫度升高後導通電阻變大分的壓降也變大增加了溫升，電流較大時線路電阻引起分壓導致線電壓壓降，使得MOS驅動電壓不足，不能完全形成漏源極導電溝道，輸出電流性能降低，由於輸出的實際電流比目標電流小，在控制器閉環控制模式下MOS管長時間導通從而使得驅動橋溫度升高 ，整個控制器長期在高溫環境下工作，加速控制器的老化降低了系統可靠性。

發明內容
本發明旨在發明一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法，提出一種柵極驅動電壓隨助力電流增大而升高的方法，有效降低控制器溫升提高系統的可靠性和使用壽命。一種新型電動助力轉向控制裝置，由方向盤、轉向輸入管柱、轉向輸出管柱、齒輪齒條橫拉杆機構、離合器、輪胎a和輪胎b組成，方向盤設置於轉向輸入管柱的頂端並與內部的軸連接，轉向輸入管柱下部依次連接著扭矩傳感器、渦輪蝸杆減速機構、轉向輸出管柱和齒輪齒條橫拉杆機構，齒輪齒條橫拉杆機構的一側連接著連杆a、另一側連接著連杆b,連杆a端部連接著輪胎a、連杆b的端部連接著輪胎b，渦輪蝸杆減速機構與離合器連接，離合器連接著助力電機。所述的扭矩傳感器與助力轉向控制器線路連接，助力轉向控制器分別與助力電機和離合器線路連接。作為本發明的進一步改進，所述的助力轉向控制器是由繼電器保護控制模塊、電源模塊、驅動橋控制模塊、驅動橋模塊、電機電流檢測模塊和電機組成，驅動橋控制模塊包括外圍處理電路、E⑶微處理器、升壓驅動模塊和集成驅動模塊；外圍處理電路和E⑶微處理器連接，ECU微處理器分別與升壓驅動模塊和集成驅動模塊連接，集成驅動模塊、驅動橋模塊和電機依次連接，電機通過電機電流檢測模塊分別與驅動橋模塊和外圍處理電路連接；ECU微處理器和驅動橋模塊均與繼電器線路連接，電源模塊為驅動橋控制模塊提供電源。作為本發明的進一步改進，所述的外圍處理電路包括信號處理檢測模塊和檢測控制豐吳塊。本發明公開了一種新型電動助力轉向控制裝置的驅動方法，是採用升壓驅動技術實現的，具體包括下列步驟:系統將檢測到的扭矩傳感器信號、車速信號、發動機信號、電流檢測信號均與輸入到信號處理檢測模塊，經過處理後的信號輸入到E⑶微處理器中，E⑶微處理器根據輸入的扭矩信號和預先設計好的控制模式，計算出控制電機輸出助力的扭矩信號出⑶微處理器將產生的控制信號經集成驅動模塊輸入到驅動橋模塊，驅動橋模塊經過邏輯轉換和增大驅動能力後輸出驅動信號與驅動橋的MOS管柵極連接，從而控制電機產生助力轉矩；助力電機電流通過電機電流檢測模塊輸出電流信號，電流信號經過處理後一路輸入到ECU微處理器，另外一路信號輸入到升壓驅動模塊，閾值比較模塊將電流信號轉換為升壓電路模塊的開關控制信號，電流超過閾值比較模塊的限定值時，ECU微處理器輸出升壓控制脈衝信號，控制升壓模塊輸出合適的柵極驅動電壓，當助力電機電流減小時，電流低於設定閾值ECU微處理器停止輸出升壓控制信號。作為本發明的進一步改進，所述集成驅動模塊是由邏輯轉換模塊和H橋驅動模塊構成，E⑶微處理器輸出PWM控制信號P和方向信號D，控制信號P經過電阻Rl，R2以及電容Cl，C2組成的濾波和死區延時電路後與方向控制信號D輸入到邏輯門進行運算處理輸出控制H橋驅動的四路控制信號分別為GHA、GHB、GLA、GLB。作為本發明的進一步改進，升壓驅動模塊是將ECU微處理器輸出脈衝控制信號與輸入端連接，電源電壓經過電容C5後輸入，輸入端輸入脈衝控制信號控制NPN三極體和PNP三極體開關動作，二極體D2與電容C2將電壓升高再經過二極體Dl與電容C3將電壓再次升高，由V。端輸出與驅動模塊電源端連接。作為本發明的進一步改進，閾值比較模塊將電機電流檢測模塊處理後的電流信號其中一路與比較模塊的Vin輸入埠連接,輸入信號一路進入運算放大器UlA的正向輸入端，基準電壓信號經過電阻R2和R3後輸入反向輸入端，另外一路信號輸入到運算放大器U2A的反向輸入端，基準電壓信號經過電阻R4、R5與運算放大器的正向輸入端連接，運算放大器UlA與U2A的輸出埠連接，經過電阻Rl上拉後輸出控制信號。本發明公開了一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法，是針對控制器在助力電流較大時發熱嚴重、線電壓降低影響驅動能力等問題提出採用升壓驅動方法，當電流較大時由電機電流控制升壓模塊工作，可以提高系統的助力扭矩降低控制器的溫升，延長元器件的使用壽命增大系統可靠性。電機助力電流較小時驅動橋溫度較低，由電流信號與比較模塊控制關閉升壓模塊可以節約系統能耗。故本發明採用升壓技術增大驅動電壓通過控制H驅動橋MOS管的溫升，可以有效降低整個控制器的溫度，實現一種減少控制器溫升提高系統可靠性的方法，對增大系統助力扭矩和提高整個系統可靠性具有重要的意義。


圖1是本發明汽車電動助力轉向系統結構框 圖2是本發明汽車電動助力轉向系統控制裝置系統框 圖3是本發明控制系統集成驅動橋原理示意 圖4是本發明控制系統驅動控制信號邏輯轉換原理示意 圖5是本發明控制系統驅動升壓原理示意 圖6是本發明閥值比較模塊結構原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖1-6對本發明一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法，做進一步說明:
本發明公開的一種新型電動助力轉向控制裝置，是由機械部分加裝了電子控制部分構成,如圖1所不，機械部分是由方向盤1、轉向輸入管柱2、轉向輸出管柱3、齒輪齒條橫拉杆機構4、離合器5、輪胎a6和輪胎b7組成,方向盤I設置於轉向輸入管柱2的頂端並與內部的軸連接，轉向輸入管柱2下部依次連接著扭矩傳感器8、渦輪蝸杆減速機構9、轉向輸出管柱3和齒輪齒條橫拉杆機構4，齒輪齒條橫拉杆機構4的一側連接著連杆alO、另一側連接著連杆bll，連杆alO端部連接著輪胎a6、連杆bll的端部連接著輪胎b7，渦輪蝸杆減速機構9與離合器5連接，離合器5連接著助力電機12。電子控制部分主要是助力轉向控制器13。本裝置以機械轉向管柱為基礎，在管柱2上增加了扭矩傳感器8，用來檢測駕駛方向盤I的轉向扭矩和方向信號；同時在管柱2上裝有渦輪蝸杆減速裝置9，由離合器5連接助力電機12與渦輪蝸杆減速裝置9，並傳遞電機8輸出的扭矩，所有電源來自於車載電網，包括蓄電池和發電機組成。所述的扭矩傳感器8與助力轉向控制器13線路連接，助力轉向控制器13分別與助力電機12和離合器5線路連接。如圖2所示，助力轉向控制器13是由繼電器保護控制模塊、電源模塊、驅動橋控制模塊、驅動橋模塊、電機電流檢測模塊和電機組成，驅動橋控制模塊包括外圍處理電路、ECU微處理器、升壓驅動模塊和集成驅動模塊；外圍處理電路和E⑶微處理器連接，E⑶微處理器分別與升壓驅動模塊和集成驅動模塊連接，集成驅動模塊、驅動橋模塊和電機依次連接，電機通過電機電流檢測模塊分別與驅動橋模塊和外圍處理電路連接；ECU微處理器和驅動橋模塊均與繼電器線路連接，電源模塊為驅動橋控制模塊提供電源，所有電源均來自汽車電網由汽車發電機和蓄電池組成。所述的外圍處理電路包括信號處理檢測模塊和檢測控制模塊。其工作原理如下:E⑶微處理器與外圍處理電路連接，外圍處理電路包括檢測信號模塊和檢測控制模塊，由檢測信號模塊檢測扭矩傳感器信號、車速信號、發動機信號、電流信號及故障診斷信號輸入ECU微處理器，經過故障診斷後輸出控制信號一路與外圍處理電路連接，另一路與升壓驅動模塊和集成驅動模塊連接，集成驅動模塊電路控制驅動橋MOS管開關，驅動助力電機輸出扭矩，當電機助力時電流檢測模塊將檢測到的電流信號傳輸到外圍處理電路中，經過外圍電路的處理，信號輸入到微處理器中進行控制運算。本發明公開了一種新型電動助力轉向系統控制裝置的驅動方法，是採用升壓驅動技術實現的，具體包括下列步驟:系統將檢測到的扭矩傳感器信號、車速信號、發動機信號、電流檢測信號與外圍處理電路中的信號處理檢測模塊的輸入端相連，經過處理後的信號接入微處理器對應的ADC埠和捕獲埠，微處理器根據輸入的扭矩信號和預先設計好的控制模式，計算出控制電機輸出助力的扭矩信號，微處理器的控制信號經集成驅動模塊與驅動模塊的輸入端連接，驅動模塊經過邏輯轉換和增大驅動能力後輸出驅動信號與驅動橋的MOS管柵極連接，控制信號驅動電機產生助力轉矩，助力電流流過電流檢測模塊，電流信號經過處理後一路輸入到微處理器的ADC埠，另外一路信號與升壓驅動模塊的控制端連接，閾值比較模塊將電流信號轉換為升壓電路模塊的開關控制信號，電流超過閾值比較模塊的限定值時，微處理器輸出升壓控制脈衝信號，控制升壓模塊輸出設定的柵極驅動電壓，當助力電機電流減小時，電流低於設定閾值微處理器停止輸出升壓控制信號。上述集成驅動模塊，由邏輯轉換模塊與驅動橋模塊兩部分組成，如圖3與4所示: 圖3中，是IR2110集成驅動典型電路，圖中14是二極體在電路中起到單向導通和快速
恢復的作用，圖中15是限流電阻，防止驅動電流過大燒壞MOS管；圖中16是MOS管，是H橋的驅動功放管，組成控制器的驅動橋；圖中17是自舉電容，是將VC的電壓抬高使得HO端輸出的電壓是2倍的VC端電壓，由於車載電源是12V的HO輸出電壓24V，但是由於電機助力電流過大和線路分壓導致HO端的輸出電壓不能達到24V，所以利用一個升壓電路將VC端電源電壓升高通過自舉電容後達到24V-30V，這樣的好處就是MOS管的柵極驅動電壓能使MOS管形成最佳導電溝道。所以利用升壓電路驅動方法使MOS管保持最佳輸出性能，減少導通時間降低MOS管發熱，使得整個控制器的溫升減小。圖4中，E⑶微處理器輸出PWM控制信號P和方向信號D，控制信號P經過電阻Rl，R2以及電容Cl，C2組成的濾波延時電路後與方向控制信號D—起輸入到與非門和非門進行邏輯運算處理輸出控制H橋驅動的四路控制信號分別為GHA、GHB、GLA、GLB。由E⑶微處理器輸出一路方向信號與一路PWM控制信號與邏輯電路輸入端連接，經過邏輯電路運算後，由集成驅動橋模塊輸出驅動信號直接控制驅動橋的MOS管柵極開關。如圖5所示:升壓驅動模塊是將E⑶微處理器輸出脈衝控制信號與輸入端25連接，電源電壓26經過電容C5後輸入，輸入端25輸入脈衝控制信號控制NPN三極體18和PNP三極體19開關動作，二極體D2與電容C2將電壓升高再經過二極體Dl與電容C3將電壓再次升高，由Vc端輸出與驅動模塊電源端連接，這裡指的是集成驅動晶片的Vc端。其升壓過程如下:升壓模塊基於電荷泵原理脈衝信號由圖中的ECU微處理器輸出，ECU微處理器輸出脈衝信號控制兩個數字三極體18和19，電源電壓26由車載電源輸入，經過外圍電路後輸入到升壓模塊，經過濾波電容20、二極體21和22、同電容23和24以及三極體的交替開關作用下輸出Vc電壓。升壓模塊輸出的Vc電壓輸入到集成驅動控制模塊的Vc埠，升壓模塊啟動與停止受助力電流值大小控制。如圖6所示，閾值比較模塊將電機電流檢測模塊處理後的電流信號其中一路與比較模塊的Vin輸入埠連接，輸入信號一路進入運算放大器UlA的正向輸入端，基準電壓信號經過電阻R2和R3後輸入反向輸入端，另外一路信號輸入到運算放大器U2A的反向輸入端，基準電壓信號經過電阻R4、R5與運算放大器的正向輸入端連接，運算放大器UlA與U2A的輸出埠連接，經過電阻Rl上拉後輸出控制信號。其具體控制方法如下:升壓模塊受電流檢測環節控制，當電機助力時電流信號經過處理後輸入到閾值比較模塊，如圖6所示:電壓閾值比較模塊，圖中Vrefl和Vref2為設置的電壓閾值，電流信號由Vin端輸入，一路輸入到運算放大器UlA的正向輸入端，反向輸入端接閾值Vrefl ;另外一路信號輸入到運算放大器反向輸入端，正向輸入端接閾值Vref2 ;電壓值大於Vrefl小於Vref2時輸出低電平，當大於Vref2小於Vrefl時輸出高電平,輸出信號接微處理器的輸入端。本發明裝置採用電機集成控制晶片，升壓後的電壓Vc直接接入到集成驅動晶片，由驅動晶片輸出控制H橋的驅動控制信號。本發明裝置的升壓模塊採用分離元件搭建，微處理器E⑶輸出固定頻率脈衝，經過分離元件搭建的升壓模塊後輸出到柵極驅動電路，一般集成驅動控制時的Vc供電電壓為12V，這裡通過升壓控制將電壓升為12-20V之間，根據MOS管輸出特性關係設定電壓比較閾值模塊的閾值。
權利要求
1.一種新型電動助力轉向控制裝置，是由方向盤(I)、轉向輸入管柱(2)、轉向輸出管柱(3)、齒輪齒條橫拉杆機構(4)、離合器(5)、輪胎a (6)和輪胎b (7)組成，其特徵在於方向盤(I)設置於轉向輸入管柱(2)的頂端並與內部的軸連接，轉向輸入管柱(2)下部依次連接著扭矩傳感器(8)、渦輪蝸杆減速機構(9)、轉向輸出管柱(3)和齒輪齒條橫拉杆機構(4)，齒輪齒條橫拉杆機構(4)的一側連接著連杆a (10)、另一側連接著連杆b (11)，連杆a (10)端部連接著輪胎a (6)、連杆b (11)的端部連接著輪胎b (7)，渦輪蝸杆減速機構(9)與離合器(5)連接，離合器(5)連接著助力電機(12);扭矩傳感器(8)與助力轉向控制器(13)線路連接，助力轉向控制器(13)分別與助力電機(12)和離合器(5)線路連接。
2.如權利要求1所述的一種新型電動助力轉向系統控制裝置，其特徵在於助力轉向控制器(13)是由繼電器保護控制模塊、電源模塊、驅動橋控制模塊、驅動橋模塊、電機電流檢測模塊和電機組成，驅動橋控制模塊包括外圍處理電路、ECU微處理器、升壓驅動模塊和集成驅動模塊；外圍處理電路和E⑶微處理器連接，E⑶微處理器分別與升壓驅動模塊和集成驅動模塊連接，集成驅動模塊、驅動橋模塊和電機依次連接，電機通過電機電流檢測模塊分別與驅動橋模塊和外圍處理電路連接出⑶微處理器和驅動橋模塊均與繼電器線路連接，電源模塊為驅動橋控制模塊提供電源。
3.如權利要求2所述的一種新型電動助力轉向系統控制裝置，其特徵在於所述的外圍處理電路包括信號處理檢測模塊和檢測控制模塊。
4.一種新型電動助力轉向系統控制裝置的驅動方法，其特徵在於是採用升壓驅動技術實現的，具體包括下列步驟:系統將檢測到的扭矩傳感器信號、車速信號、發動機信號、電流檢測信號均輸入到信號處理檢測模塊，經過處理後的信號輸入到E⑶微處理器中，E⑶微處理器根據輸入的扭矩信號和預先設計好的控制模式，計算出控制電機輸出助力的扭矩信號出⑶微處理器將產生的控制信號經過集成驅動模塊輸入到驅動橋模塊，驅動橋模塊經過邏輯轉換和增大驅動能力後輸出驅動信號與驅動橋的MOS管柵極連接，從而控制電機產生助力轉矩；助力電機電流通過電機電流檢測模塊輸出電流信號，電流信號經過處理後一路輸入到ECU微處理器，另外一路信號輸入到升壓驅動模塊，閾值比較模塊將電流信號轉換為升壓電路模塊的開關控制信號，電流超過閾值比較模塊的限定值時，ECU微處理器輸出升壓控制脈衝信號，控制升壓模塊輸出設定的柵極驅動電壓，當助力電機電流減小時，電流低於設定閾值ECU微處理器停止輸出升壓控制信號。
5.如權利要求4所述一種新型電動助力轉向系統控制裝置的驅動方法，其特徵在於集成驅動模塊是由邏輯轉換模塊和H橋驅動模塊構成，ECU微處理器輸出PWM控制信號P和方向信號D，控制信號P經過電阻Rl，R2以及電容Cl，C2組成的濾波和死區延時電路後與方向控制信號D—起輸入到與非門和非門進行邏輯運算處理輸出控制H橋驅動的四路控制信號分別為 GHA、GHB、GLA、GLB。
6.如權利要求4所述一種新型電動助力轉向系統控制裝置的驅動方法，其特徵在於升壓驅動模塊是將E⑶微處理器輸出脈衝控制信號與輸入端(25 )連接，電源電壓(26 )經過電容C5後輸入，輸入端(25 )輸入脈衝控制信號控制NPN三極體(18 )和PNP三極體(19 )開關動作，二極體D2與電容C2將電壓升高再經過二極體Dl與電容C3將電壓再次升高，由VC端輸出與驅動模塊電源端連接。
7.如權利要求4所述一種新型電動助力轉向系統控制裝置的驅動方法，其特徵在於閾值比較模塊將電機電流檢測模塊處理後的電流信號其中一路與比較模塊的Vin輸入埠連接，輸入信號一路進入運算放大器UlA的正向輸入端，基準電壓信號經過電阻R2和R3後輸入反向輸入端，另外一路信號輸入到運算放大器U2A的反向輸入端，基準電壓信號經過電阻R4、R5與運算放大器的正向輸入端連接，運算放大器UlA與U2A的輸出埠連接，經過電阻Rl上拉後輸出控制信號。
全文摘要
本發明公開了一種新型電動助力轉向控制裝置及驅動方法，屬於汽車電子控制領域涉及電動助力轉向系統，由機械部分加裝電子控制部分組成，機械部分包括方向盤、輸入軸、輸出軸、萬向節、轉向拉杆，電子控制部分包括扭矩傳感器、助力電機及配套的減速裝置和控制器。控制器包括微處理器模塊、信號檢測模塊、監測控制輸出模塊、驅動橋控制模塊、驅動橋模塊、電機電流檢測模塊、上橋臂升壓驅動模塊。本發明控制裝置針對在助力電流較大時控制器發熱嚴重、線電壓降低影響控制器驅動性能和由於長期發熱降低控制器壽命等問題提出採用升壓驅動方法，當電流較大時由電機電流信號控制升壓模塊工作，可以提高系統的助力扭矩降低控制器的溫升，延長元器件的使用壽命增大系統可靠性。當電機助力電流較小時驅動橋溫度較低，由電流信號與比較模塊控制關閉升壓模塊降低系統能耗。
文檔編號B62D6/00GK103112492SQ20131004046
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月2日 優先權日2013年2月2日
發明者郭永豐, 馬鑫磊, 陳蘭, 施平, 王廣林, 邵東向, 陶文成, 郭嶽, 楊念 申請人:哈爾濱工業大學