控制液压制动回路的电泵的方法和装置与流程

本发明涉及对并入车辆的制动回路内的电泵的控制器电路的改进以及改进的电泵操作方法。

提供那种包括将压力源连接至制动钳的活塞的液压回路的车辆的液压制动回路是已知的。压力源可以包括由电泵充注的流体储蓄器。储蓄器内的加压流体可以用作对驾驶员压下车辆的制动踏板以操作主汽缸时发生的压力增加的替代或辅助。由储蓄器供应的附加压力可以被用来在最初检测到驾驶员压下制动踏板时启动制动回路，由此减少使制动器达到足够的压力以产生有用的制动力所需的时间。它还可以被用来提供紧急制动，例如，如果传感器检测到需要紧急停车，则泵可以被用来独立于制动踏板的操作而产生需要施加于制动器的压力。另外，它可以被用来提供电子稳定控制，其中如果车辆正在失去牵引力则施加制动。

可以通过电泵来增加回路中的压力，而在现有技术中，电泵包括已经通过施加于泵的电压的高频脉宽调制进行驱动的马达。这使得在制动施加期间或者在辅助模式(诸如电子稳定控制的防抱死制动操作)期间由泵提供的压力能够被精确控制。所使用的马达的尺寸通常被选择为使得以标称峰值工作功率工作的马达可以达到任意这些操作期间所需的最大压力。对于在该峰值以下的压力，pwm调制会降低施加于马达的平均电压，从而降低马达速度。

对泵的一个重要的要求是能够在停车开始时快速增加回路中的压力。泵可以越快地增加系统内的压力，就越早有足够的压力用于要施加的制动并且可以越早地使车辆停止。这会减小制动距离并提高安全性。泵可以增加压力的速率大体上由泵的活塞或叶片的波及容积以及用来移动活塞或叶片的电马达的峰值功率确定。较大的活塞需要较高功率的马达来驱动它。对于给定的峰值输入电压，功率较大的泵和马达将能够比较小的泵和马达更快地增加流体的压力，因为较大的马达将设法从马达中吸取较多的电流。然而，较大的马达是非期望的，因为其比较小的马达更昂贵。

在现有技术的系统中，马达可以吸取的功率受限于电池的可用电压。对于客车(诸如汽车或轻型货车)，该电压通常被设定为大约13-14伏特，并且在不重新设计车辆的所有其它电气构件的情况下无法增加。在某些高负荷的情况下，电压可能会下降到显著低于该电压，可能会小于10伏特。使用功率较大的马达将会吸取较大的电流，但是这通常是非期望的。吸取较大的电流不仅会增加功耗，而且还会提高电池耗尽的速度。豪华车尤其如此，豪华车可能有大量其它车载电气系统，诸如空调、加热座椅、车窗电加热器、音响系统等，这同样造成对电流的高需求。过多的电流可能导致电池耗尽(runflat)。可能随着高电流消耗而发生的另一个可能的问题是，可能会导致线束过热。这可以通过提高线束中的电线的规格来改善，但是这会增加成本和重量。

本发明旨在解决在限制由电泵吸取的平均电流的同时在制动系统内提供快速的压力增加的问题。

根据第一方面，本发明提供用于形成车辆的液压制动回路中的泵的一部分的电马达的驱动电路，该驱动电路包括：

输入节点、输出节点以及电压和电流调节电路，该电压和电流调节电路连接节点并且响应于调制策略而改变由输入节点供应给输出节点的电压和电流，

输入节点在使用时连接至车辆的供电电池，并且输出节点连接至电马达的一侧，

其中电压和电流调节电路包括能够在输出节点处提供或者在输入节点处的电池供电电压以上或者在其以下的电压的开关模式电源电路。

过去，驱动电路只提供电压限制(降压)功能，其中输出电压总是与电池供电电压相同或小于电池供电电压。本发明在此提供使施加于马达的电压能够超过电池电压的pwm控制。这通过在管理马达在给定的时间内消耗的平均电流的同时提供功率增加的时段来提供灵活性以减少马达加速到位需要的时间。当在升压模式下工作时，对于给定的平均电流可能需要施加较大的功率，从而允许小马达用于给定的压力上升速率，其中在该压力上升速率的情况下仅降压的控制器将会需要较大的马达。这会减少对较大的且较昂贵的马达的需要。

因此，开关模式电源可以包括降压-升压电路，该降压-升压电路包括升压转换器，升压转换器之后有降压转换器，其中降压和升压部分共用共同的构件。

开关模式电源电路可以包括pwm控制器，该pwm控制器适于供应脉宽调制控制，用于控制在输出节点处所提供的电流和电压。

驱动电路的升压部分可以包括以下部分：

与输入节点和中间节点串联连接的电感器、用于将中间节点连接至地的开关、与中间节点和形成降压电路的输入的第二中间节点串联连接的第二开关、以及连接于第二中间节点和地之间的电容器。

驱动电路的降压部分可以包括以下部分：

串联连接于第二中间节点和输出节点之间的第一开关、串联连接于输出节点和地之间的第二开关、以及用于将第二中间节点连接至地的电容器。

因此，降压-升压电路共用共同的电容器和电感器。

升压电路的电感器可以形成emc滤波器的一部分，该emc滤波器保护马达使其免受电池供电线中可能存在的噪声的影响。例如，滤波器可以包括连接于输入节点和地之间的第二电容器，该第二电容器与电感器相结合以起作用。

这是有利的，因为利用共用的电感器共享输入滤波器和升压器的功能，使所需的构件的数量最小化。

pwm控制器可以包括脉宽调制电路，该脉宽调制电路产生相应的脉宽调制的控制信号，用于根据需要来断开和闭合电压和电流调节电路中的每个开关，以向马达提供所需的电压。

在使用中，控制器可以提供pwm信号，该pwm信号使驱动电路执行以下功能：

在马达启动后的第一时间段内，使驱动电路将供应给马达的电压保持于升高的电压，该升高的电压在第二时间段内超过输入节点处出现的电压；以及

在经过第一时间段之后，pwm信号使驱动电路向马达提供降低的电压，该降低的电压小于输入节点处出现的电压(降压模式)。

第一时间段可以对应于由马达驱动泵以使液压系统内的压力达到预定的高水平所需的时间。该水平可以包括使系统被完全加压所需的水平。另外，控制器还可以在第一时间段开始时马达启动时提供pwm信号，该pwm信号使驱动电路在第一时间段内将供应给马达的电流保持于预定的标称值。

电流被保持于恒定值的短暂的初始时段允许在没有过度的电流浪涌发生的情况下实现快速的马达速度坡升，否则可能会由于马达启动时的低电感而产生过度的电流浪涌。为了优化马达速度坡升，在该时段内电流可以被保持于电路的最大可允许恒流值，或者甚至在该水平以上。这在不同应用间会变化，并且通常受限于电池供电电路所允许的散热。

一旦移动，当马达的电感已经下降并且过度的电流浪涌不成为问题时，驱动电路改变为向马达提供恒定电压，该恒定电压超过电池供电电压。与在没有升高的电压的情况下所能够实现的速率相比，这种模式允许马达以较快的速率加速，同时吸取与第一时段内吸取的电流相比较小的平均电流。电压被保持于所需的高水平，并且马达可自由吸取它所需的任意的电流。

在第二模式下，当电池供电电压标称为12伏特至13伏特时，电压可以为大约20伏特。

在该第二时间段已经结束并且压力处于所需的高水平之后，将会按照现有技术已知的典型的电压调节的方式来控制马达，使电压保持于供电电压以下，与升压模式相比，这种模式可由驱动电路提供较高效的操作模式。

只能从本发明的驱动电路中获得的所描述的模式序列允许使用最大可用功率非常快速地提高马达的速度，同时保持所吸取的平均电流低于在没有升压的情况下可能的平均电流。这是因为，对于给定的功率输入，升压阶段允许马达使用相对较低的电流运行(因为功率＝电流乘以电压)。

控制器可以在第一时间段内在初始的恒流模式下工作，该第一时间段仅长到足以让马达电感下降到可以使电压安全提升的水平。该第一时段可以持续短于一秒(asecond)的1/10。类似地，可以使第二时间段保持尽可能短，一旦回路中的压力达到了预定水平就结束。这可以是启动之后的大约1秒至2秒。

在细化中，控制器可以在初始时间段内向马达施加在初始时在很短的时间段内超过预定的可接受的所吸取的恒定电流的电流，并且使该电流逐渐地或阶梯式地下降到标称最大电流值。该电流处于高水平的时段可以很短，可能短于初始时间段的10％。该电流增加允许供应最初较低的电压，从而使马达软启动。

根据第二方面，本发明提供一种用于车辆的制动回路，包括：

包括至少一个制动活塞和封闭体积的液压流体的液压回路；

由电马达驱动的泵，该泵在马达启动之后的泵操作时使回路中的流体的压力快速增加到高水平；

以及与泵相关联的根据本发明的第一方面的马达驱动电路。

根据第三方面，本发明提供了用于在增加回路中的压力的请求之后在马达启动开始的初始时段内操作液压制动回路的泵的电马达的方法，该电马达由驱动电路连接至车辆的电池，该电池具有标称供电电压，该方法包括以下步骤：

(a)在马达启动之后的第一预定时间段内，使驱动电路向马达施加升高的电压，该升高的电压超过在第二时间段内在输入节点处出现的电压(升压模式)；以及

(b)在经过第一时间段之后使驱动电路向马达提供降低的电压，该降低的电压小于输入节点处出现的电压(降压模式)。

该方法还可以包括，在马达于第一时间段的开始时启动时，使驱动电路在第一时间段内向马达提供恒定电流。

在初始时段内，该方法可以施加平均电流，该平均电流等于从电池电源吸取的所允许的恒定电流。它在整个初始时段内可以是恒定的。

该方法可以在出现启动马达的请求时立即开始第一时间段。

在随后的时段内，较高的电压可以被保持为恒定的最大值，该最大值可以高于电池供电电压至少10％、至少25％或至少50％。

通过在短暂的初始时段内向马达提供标称最大电流，可在不存在过度的电压的情况下实现快速的马达启动，其中该过度电压可能由于马达启动时的低电感而产生。

一旦移动，当马达的电感已经下降时，驱动电路改变以提供高的恒定电压，该电压有助于增加马达继续加速的速率，同时使用比第一时段内所吸取的电流小的电流。在该第二时段已经结束之后，将按照现有技术已知的典型的方式来控制马达。

该操作允许使用最大可用功率非常快速地提高马达的速度，同时保持所吸取的平均电流低于在没有升压的情况下可能的平均电流。这是因为，对于给定的功率输入，升压阶段允许马达使用相对较低的电流运行(因为功率＝电流乘以电压)。

该方法可以包括使驱动电路在第一时间段内以初始模式工作，该第一时间段仅长到足以使马达电感下降到有用的水平。这可以小于1秒。类似地，可以使第二时间段保持尽可能短，一旦回路中的压力达到了预定水平就结束。

在细化中，该方法可以包括，在初始时间段内向马达施加在初始时在很短的时间段内超过所吸取的恒定电流的电流，并且使该电流逐渐地或阶梯式地下降到标称最大电流值。该电流处于高水平的时段可以很短，可能短于初始时间段的10％，该时段过短以致不会导致电池供电电路过热。该电流增加允许供应最初较低的电压，从而使马达软启动。

该方法使得能够实现压力的快速增加，同时使所吸取的平均电流被保持于比使用不提供升压的现有技术的方法所能实现的平均电流低的水平。

现在将仅通过举例的方式参照附图来描述本发明的一种实施例，在附图中：

图1是示出了液压制动回路和泵控制的一部分的车辆的概貌图；

图2是泵的控制器、马达和电池电源的较详细的视图；

图3是示出在电泵启动期间驱动电路的不同操作模式期间马达的电流和电压随时间变化的曲线图；

图4是较详细地示出在控制器的操作的初始软启动模式下马达的电流和电压随时间变化的曲线图；以及

图5是示出在不同模式下驱动电路的每个开关的pwm操作的表格。

如图1所示，车辆(未示出)包括向一个制动器的活塞供应液压流体的液压制动回路。活塞将制动片(pad)压向转子，所施加的压力由流体的压力决定。在正常运行时，制动片被保持为与转子脱离并且转子与车辆的相关联的车轮一起自由转动。在制动期间，压力增加，这使得制动片与转子之间的摩擦力增加。这会产生热量，并且盘的旋转能量转换成热量是制动器使车辆的车轮减速的主要机制。

流体的压力由压下制动踏板的驾驶员控制，该压力操作主汽缸。另外，还在回路中设置了泵。泵包括电马达和至少一个活塞，该活塞在马达被供电时移动，并且活塞的该移动对回路中的流体加压。泵允许压力快速增加而不管驾驶员对踏板的操作，从而在车辆感测到需要紧急停车时允许制动器被预加压，或者可能提供所需的压力以允许针对防抱死制动或电子稳定控制操作来操作制动器，而不管制动踏板如何。

马达通过驱动电路与车辆的电池连接。驱动电路包括电压和电流调节电路，该电压和电流调节电路包括pwm控制器。pwm控制器通常包括微控制器，并且根据内置的控制算法响应于由各种传感器以及车辆周围的其它构件(未示出)向其提供的输入信号而向控制器提供pwm信号。控制器的pwm控制会在任何时间调整供应到马达的电流和电压，并因此控制泵的操作。

控制器通过emc滤波器与电池隔离，该emc滤波器防止电池供电线上的电噪声到达控制器和马达。如果噪声没有被过滤掉，则它可能会破坏马达。如同下面将要描述的，本实施例的滤波器和控制器使用共用的构件，并因此至少部分地集成在一起。

在附图的图2中详细示出了驱动电路。其包括开关模式电源，并且特别地包括具有与电池电源连接的输入以及与马达的一侧连接的输出的降压-升压电路，该电路调节在输出端可获得的电流和电压两者，并且特别地在需要时使超过电池供电电压的电压能够被供应给马达。

电路的升压部分包括与输入节点和中间节点串联连接的电感器l1、将中间节点连接至地的开关(场效应晶体管q1)、与中间节点和形成降压电路的输入的第二中间节点串联连接的第二开关(场效应晶体管q3)以及连接于第二中间节点和地之间的电容器c2。

电路的降压部分包括串联连接于第二中间节点和输出节点之间的开关(场效应晶体管q4)、串联连接于输出节点与地之间的开关(场效应晶体管q5)以及电容器c2和电感器l1。因此，降压-升压电路共用共同的电容器和电感器作为能量存储。

在本实施例中，每个开关包括fet晶体管，但也可以是其它晶体管类型，并且每个开关可以通过对晶体管的基极施加控制信号来断开或闭合。这些信号中的一些可以包括pwm信号。

升压部分的电感器l1在此被用来形成lc滤波器的一半，该lc滤波器提供电池emc滤波功能。该滤波器的电容器c1连接于输入节点和地之间。这种构件共用有助于降低电路的成本并提高可靠性。

pwm控制器具有三个输出，在高频pwm模式下，每个输出被调制为高态与低态之间，并且为降压-升压电路的开关q1、q4和q5提供驱动。另一个输出可以从高态切换至低态，但是未被pwm调制，并且该输出被施加于开关q3。当输出为高态时，开关断开，而当输出为低态时，开关闭合。

在使用时，pwm控制器在所请求的马达启动之后提供所需的信号，该信号定义了若干种操作模式：初始软启动模式、短暂电流调节模式、短暂升压模式以及后续电压控制(降压)模式。每种模式按顺序在预定的时间段内实施。模式序列的目的是使来自泵的压力尽可能快地上升到所需水平，同时在泵需要上升到所需水平的时间内限制所吸取的平均电流。对于所有模式，马达电压、马达电流和液压流体压力相对于时间的曲线按顺序示于图3中，其中时间t＝0对应于提出启动马达的要求的时间。第一和第二时间段持续大约1秒或更短，在这两个时间段结束时流体的压力已经达到所需的高水平。

可选的软启动模式(模式1)

软启动模式连同随后的电流控制模式一起共同限定了第一时间段，在该第一时间段内驱动电路调节施加于马达的电流，同时使电压保持于供电电压或供电电压以下的水平。在图4中详细示出了软启动模式。在这种模式下，驱动电路作为降压模式电源来操作，其中电压不允许超过供电电压，但是电流是受控变量。这有助于防止突然的电流浪涌，否则在升压模式下由于马达的初始低电感会发生电流浪涌。

电流调节升压模式(模式2)

在初始软启动模式之后，在第一时间段的剩余时间内，供应给马达的电流被保持于与由车辆设计者限定的所允许的吸取的恒定电流相等的恒定水平。它持续达足以启动马达使其转速达到使马达的电感下降到电压控制的可用水平的速度的时间段。最初，当马达为静止时，它具有很高的电感。一旦旋转起来，将产生反电动势(backemf)，这会导致电感下降。如果电感过高并且马达不是电流控制的，则它可以吸取过高的电流，这将对马达造成破坏。驱动电路在升压模式下操作，从而允许电压超过供电电压，以使马达对于恒定电压所能够吸取的功率最大化。

电压升压(模式3)

一旦旋转起来，并且电感已经下降得足够多，则通过将电压保持于供电电压的水平以上的升压水平来控制电压而非控制电流。因此，马达将吸取比没有升压时可能的功率高的功率，然而与以供电电压给出相同功率所需要的平均电流(这能够用例如较大的马达来实现)相比，在该时段内吸取的平均电流保持为相对低。这种模式继续进行足以使压力达到所需水平的时间。

在设定的时段之后，升压控制继续进行，但是电压在整个时段内逐渐下降(模式4)。

降压模式(模式5)

在马达达到所需的速度并且压力已经达到所需的水平之后，控制器回复到较标准的降压模式，在该模式下电压受到调节且不会超过电池供电电压。

图5示出了开关在每种模式下的操作。在降压模式中，开关q1断开，而开关q3接通，同时pwm信号被施加于开关q4和q5。在升压模式中，开关q4持久接通，而开关q5连同开关q3一起持久断开。pwm仅被施加于开关q1。