专利名称：干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变速器作动电机的驱动装置，尤其是涉及一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置。
背景技术：
目前在常规轿车上，12V低压直流电机得到广泛应用，而直流电机驱动一般采用H桥驱动，通过PWM实现调速。一般采用分立的MOSFET或者IGBT组成H桥电路，当N沟道MOSFET用作高压侧开关被驱动饱和导通时，则对栅极驱动有一定的要求，要求栅极电压应高于漏极电压10 15V，而栅极电位是随源极电位浮动而浮动的，即所谓的功率管高端驱动问题，目前主要解决方法有浮动栅极驱动电源法，脉冲变压器法，充电泵法，自举法和载波驱动法。为了适应小型直流电机的需求，各半导体厂商推出了直流电机专用集成电路，但大多数集成H桥的芯片带负载能力比较有限。例如飞思卡尔的H桥芯片MC33899，通过内部 的充电泵实现高端MOSFET的驱动，但最大驱动电流只有3A。而一般离合器作动电机的功率在120W 200W之间，且电压一般采用汽车上的12电池电压，因此驱动电流较大，一般的集成式的H桥电路无法满足要求；同时采用分立的功率元件组成H桥，需要单独设计电流采集电路，电路复杂且占用较大的PCB空间，对于对集成度要求较高的TCU是不太适用。目前直流电机的伺服控制技术比较成熟，但由于干式双离合器执行机构的伺服控制系统存在强非线性，主要体现在膜片弹簧的非线性和直流电机本身的非线性，使得离合器执行电机的伺服控制精度难以保证。国内学者对采用无刷直流电机的离合器执行机构，设计了三阶变结构控制器，并分析了变结构控制器对系统参数扰动的鲁棒性，取得了很好的仿真效果。但是这些控制器的控制输入量包含分离轴承位置传感器信号的三阶微分以及电机的负载转矩项，工程实现困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降低了成本、提高了产品性能、适用范围广、控制方便的干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，其特征在于，包括主驱动电路、逻辑控制电路、电流检测电路、保护电路、控制器，所述的逻辑控制电路与主驱动电路的输入端连接，所述的控制器的输出端分别与逻辑控制电路、主驱动电路的输入端连接，所述的电流检测电路的输入端与主驱动电路的输出端连接，所述的的电流检测电路的输出端与控制器连接，所述的保护电路接在电流检测电路的输出端与主驱动电路的输入端之间。所述的主驱动电路包括两个半桥驱动芯片组成，该半桥驱动芯片包括P沟道的MOSFET和一个N沟道的M0SFET。所述的逻辑控制电路包括非门逻辑模块、第一与门逻辑模块、第二与门逻辑模块，所述的控制器的方向控制信号输出端分别与非门逻辑模块的输入端、第二与门逻辑模块的输入端连接，所述的控制器的调速控制信号输出端分别与第一与门逻辑模块的输入端、第二与门逻辑模块的输入端连接，所述的非门逻辑模块的输出端与第一与门逻辑模块的输入端连接，所述的第一与门逻辑模块的输出端、第二与门逻辑模块的输出端分别与主驱动电路的输入端连接。所述的电流检测电路包括运算放大器、电阻R7、电阻R8、电容C5、电阻R9、电阻R10U2V电源、5V电源、二极管D2、电阻R11，所述的运算放大器的正极输入端IN+通过电阻R8与主驱动电路的电流自检测引脚IS连接，所述的运算放大器的负极输入端IN-通过电阻R9与12V电源连接，所述的运算放大器的负极输入端IN-通过电阻RlO接地，所述的运算放大器的正极与5V电源连接，所述的运算放大器的负极通过电阻R7与主驱动电路的电流自检测引脚IS连接，所述的运算放大器的负极接地，所述的电容5 —端接在电阻R8与运算放大器的正极输入端IN+之间，另一端接地，所述的运算放大器的输出端分别与二极管D2的正极、控制器连接，所述的二极管D2的负极与保护电路连接，所述的电阻电阻RlI —端接在二极管D2的负极，另一端接地； 利用主驱动电路的电流采样功能在IS引脚与地之间接入采样电阻R7，采集采样电阻的电压，经电流检测电路处理后，输入到控制器的Α/D模块计算电机的电流，同时通过比较器输出故障信号。所述的保护电路包括三极管、控制开关，所述的三极管包括基极、发射极、集电极，其基极接在电流检测电路的输出端，其发射极接地，其集电极通过控制开关与主驱动电路的输入端连接。与现有技术相比，本发明具有以下优点I)降低了成本、提高了产品性能，通过配置逻辑控制电路，既满足了系统的需求，同时使得P沟道MOSFET工作在开关状态，保证了其性能的稳定性，同时大大节约了 PCB空间，且带有过温、过压、过流、短路、堵转检测及保护功能；2)适用范围广、控制方便，特别适合于电机数量较多的全电动双离合自动变速器和AMT (Automated Manual Transmission,简称AMT)变速器驱动；而变结构控制器各个控制参数物理意义十分明确，因此不需要进行大量的调试，就可以找到较优的控制参数。
图I为本发明的结构框图；图2为本发明的电机空载启动电流及端电压变化曲线图；图3为本发明的电机带载启动-正常工作-堵转瞬态电流、电压曲线图；图4为本发明的电机堵转诊断流程图；图5为本发明的主驱动电路与逻辑控制电路的电路图；图6为本发明的主驱动电路的内部功率电路图；图7为本发明的电流检测电路的电路图；图8为本发明的多个电机同时控制的电路图；图9为直流电机等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例本发明针对干式DCT离合器作动电机特点，基于BTS7960/BTN7960半桥驱动芯片设计了一种汽车用低电压大电流的驱动电路。该芯片内部集成了一个P沟道的高端MOSFET和一个N沟道的低端M0SFET，避免了充电泵的电磁干扰，提高了 EMC(Electro MagneticCompatibi I ity,简称EMC)水平。本发明基于该芯片特点设计了逻辑控制电路和电流检测及保护电路。本发明在以直流电机作为动力源的离合器执行机构上进行了应用，即基于所建立的执行机构动力学模型，设计了变结构伺服控制器。针对执行机构的强非线性，设计了两阶变结构伺服控制器。该控制器的控制输入量只包含离合器行程传感器信号的一阶微分，具有很强的工程应用价值，且控制器对系统参数的摄动和外在阻力转矩的非线性变化有较强的鲁棒性。如图I所示，本发明包括主驱动电路I、逻辑控制电路2、电流检测电路3、保护电路4、控制器5，所述的逻辑控制电路2与主驱动电路I的输入端连接，所述的控制器5的输出 端分别与逻辑控制电路2、主驱动电路I的输入端连接，所述的电流检测电路3的输入端与主驱动电路I的输出端连接，所述的的电流检测电路3的输出端与控制器5连接，所述的保护电路4接在电流检测电路3的输出端与主驱动电路I的输入端之间。图2、3为离合器作动电机的关键参数的测试结果，电机驱动的功能应该是能保证电机正常启动，保证电机在最大负载下能正常工作，同时当电机出现故障时，能正确的控制电机保护装置动作，保护电机不会被损坏。由于电机启动时会产生很大的电流，由图可知该电流与电机堵转电流相同，因此仅通过电机的电流值不能准确地判断电机是否出现故障。电机启动大电流作用时间较短，因此大电流作用的时间的长短是区分电机启动与堵转的唯一因素。程序设计时，通过判断电机电流是否超过预设值及大电流作用的时间来区分启动和堵转。如果检测到电机的大电流，同时该电流的作用时间超过了启动时间，就可以认为电机出现了故障，需要进行故障处理。从图2中可以看出，空载最大启动电流高达27. 5A，空载平均电流约为3A，从图3中可以看出，带载启动电流和堵转电流约为27A，离合器正常工作时电流在20A左右，启动时间约为100ms。图4为电机堵转诊断流程，如果电机出现了堵转故障，电机绕组中的电流很大，如果不及时采取相应的措施进行故障处理，则电机很可能出现烧毁的情况。因此当电机堵转时必须进行相应故障处理，如将电机驱动器的使能端置为低电平0，驱动电路关闭上下两个桥臂，电机制动停转。另外，电机的延时长短必须设置合理，如果设置不合理，太短则不能正常启动，太长则不能有效的保护电机，而该时间的长短需要进行大量的实验以确定合理的数值。附图3的结果显示电机启动时间为100ms，因此电机出现大电流到保护信号的输出时间必须长于该时间，以保证电机能正常启动，同时该时间不能太长，否则会烧毁电机。通过大量试验，将该堵转延时时间t设为500ms比较合适。如图5所示，所述的逻辑控制电路包括非门逻辑模块、第一与门逻辑模块、第二与门逻辑模块，所述的控制器的方向控制信号输出端分别与非门逻辑模块的输入端、第二与门逻辑模块的输入端连接，所述的控制器的调速控制信号输出端分别与第一与门逻辑模块的输入端、第二与门逻辑模块的输入端连接，所述的非门逻辑模块的输出端与第一与门逻辑模块的输入端连接，所述的第一与门逻辑模块的输出端、第二与门逻辑模块的输出端分别与主驱动电路的输入端连接。为了节约控制器的PWM资源，本发明提出前端逻辑电路思想，即控制器输出的调速控制信号PWM和方向控制信号DIR，经非门逻辑模块74LS04和与门逻辑模块74LS08运算后，再输入到两个BTS7960B的IN引脚。方向控制信号为DIR，调速控制信号为PWM，二者通过与运算后得到PWMl，DIR经非门逻辑模块74LS04反向后再与PWM信号进行与运算得到PWM2, PWMU PWM2与控制信号DIR和PWM的逻辑关系为PWMl = DIR · PWMPWM2 = DIR PWM当DIR为1，PWM为占空比α的PWM信号时，PWMl为占空比α的PWM信号，PWM2为逻辑电平O ;iDIR为0，PWM为占空比α的PWM信号时，PWMl为逻辑电平0，而PWM2为占空比α的PWM信号，真值表如表I所示。
表I
DIR PWM ~PWMl ~PWM2 ~ PWM PWM O
~OPWM OPWM如图7所示，所述的电流检测电路包括运算放大器、电阻R7、电阻R8、电容C5、电阻R9、电阻R10、12V电源、5V电源、二极管D2、电阻R11，所述的运算放大器的正极输入端IN+通过电阻R8与主驱动电路的电流自检测引脚IS连接，所述的运算放大器的负极输入端IN-通过电阻R9与12V电源连接，所述的运算放大器的负极输入端IN-通过电阻RlO接地，所述的运算放大器的正极与5V电源连接，所述的运算放大器的负极通过电阻R7与主驱动电路的电流自检测引脚IS连接，所述的运算放大器的负极接地，所述的电容5 —端接在电阻R8与运算放大器的正极输入端IN+之间，另一端接地，所述的运算放大器的输出端分别与二极管D2的正极、控制器连接，所述的二极管D2的负极与保护电路连接，所述的电阻电阻Rll —端接在二极管D2的负极，另一端接地；电机的保护电路设计是非常重要的部分，如果电机保护不当则可能损坏电机或驱动芯片。电机保护是否启动以电机电枢中的电流大小为依据，当电机电枢电流大于设定的保护值并持续较长时间时，则启动电机保护。本发明采用的电机专用驱动芯片BTS7960B将电流检测功能集成到了芯片内部，芯片的6脚(IS)输出与电机负载电流成正比例关系的电流信号IIS，BTS7960B通过搭建简单的外围电路即可实现对电机运行电流的实时检测，并在电机出现堵转等故障时及时输出电机保护信号。BTS7960B的6脚为电流自检测脚，正常情况下，内部电流源和该引脚直接相连，流过电阻Ris的电流Iis与负载电流乙成比例关系，即kIUS = IL/IISO故障情况下，状态标志脚IS与限流的电流源相连，且该电流源的大小与负载电流无关，根据相关文献电流大小Iis=4. 5mA，此时&s=4.5V，因此附图4中的故障检测信号IN_DIAG_1为高电平1，故障真值表如表2所示。表权利要求
1.一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，其特征在于，包括主驱动电路、逻辑控制电路、电流检测电路、保护电路、控制器，所述的逻辑控制电路与主驱动电路的输入端连接，所述的控制器的输出端分别与逻辑控制电路、主驱动电路的输入端连接，所述的电流检测电路的输入端与主驱动电路的输出端连接，所述的的电流检测电路的输出端与控制器连接，所述的保护电路接在电流检测电路的输出端与主驱动电路的输入端之间。
2.根据权利要求I所述的一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，其特征在于，所述的主驱动电路包括两个半桥驱动芯片组成，该半桥驱动芯片包括P沟道的MOSFET和一个N沟道的M0SFET。
3.根据权利要求I所述的一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，其特征在于，所述的逻辑控制电路包括非门逻辑模块、第一与门逻辑模块、第二与门逻辑模块，所述的控制器的方向控制信号输出端分别与非门逻辑模块的输入端、第二与门逻辑模块的输入端连接，所述的控制器的调速控制信号输出端分别与第一与门逻辑模块的输入端、第二与门逻辑模块的输入端连接，所述的非门逻辑模块的输出端与第一与门逻辑模块的输入端连接，所述的第一与门逻辑模块的输出端、第二与门逻辑模块的输出端分别与主驱动电路的输入端连接。
4.根据权利要求I所述的一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，其特征在于，所述的电流检测电路包括运算放大器、电阻R7、电阻R8、电容C5、电阻R9、电阻R10、12V电源、5V电源、二极管D2、电阻R11，所述的运算放大器的正极输入端IN+通过电阻R8与主驱动电路的电流自检测引脚IS连接，所述的运算放大器的负极输入端IN-通过电阻R9与12V电源连接，所述的运算放大器的负极输入端IN-通过电阻RlO接地，所述的运算放大器的正极与5V电源连接，所述的运算放大器的负极通过电阻R7与主驱动电路的电流自检测引脚IS连接，所述的运算放大器的负极接地，所述的电容5—端接在电阻R8与运算放大器的正极输入端IN+之间，另一端接地，所述的运算放大器的输出端分别与二极管D2的正极、控制器连接，所述的二极管D2的负极与保护电路连接，所述的电阻电阻RlI 一端接在二极管D2的负极，另一端接地； 利用主驱动电路的电流采样功能在IS引脚与地之间接入采样电阻R7，采集采样电阻的电压，经电流检测电路处理后，输入到控制器的A/D模块计算电机的电流，同时通过比较器输出故障信号。
5.根据权利要求I所述的一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，其特征在于，所述的保护电路包括三极管、控制开关，所述的三极管包括基极、发射极、集电极，其基极接在电流检测电路的输出端，其发射极接地，其集电极通过控制开关与主驱动电路的输入端连接。
全文摘要
本发明涉及一种干式电动双离合自动变速器作动电机的驱动装置，包括主驱动电路、逻辑控制电路、电流检测电路、保护电路、控制器，所述的逻辑控制电路与主驱动电路的输入端连接，所述的控制器的输出端分别与逻辑控制电路、主驱动电路的输入端连接，所述的电流检测电路的输入端与主驱动电路的输出端连接，所述的电流检测电路的输出端与控制器连接，所述的保护电路接在电流检测电路的输出端与主驱动电路的输入端之间。与现有技术相比，本发明具有降低了成本、提高了产品性能、适用范围广、控制方便等优点。
文档编号H02P7/28GK102780435SQ20111012467
公开日2012年11月14日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者余卓平, 孙泽昌, 尹明陆, 张 林, 章桐, 赵治国 申请人:同济大学