一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法

专利名称：一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法
技术领域：
本发明属于汽车电子控制领域涉及电动助力转向系统，尤其涉及一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法。
背景技术：
汽车电动助力转向系统(Electronic Power Steering简称EPS)是一种由电机驱动的动力转向系统，主要包括转向盘、转向管柱、扭矩传感器、电子控制单元、转向助力电机、涡轮蜗杆减速器、齿轮齿条横拉杆机构等组成。驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器产生扭矩信号和车速信号及电机电流反馈信号一起输入到电子控制单元，经过计算后输出驱动电机的控制信号，与传统液压助力转向系统相比电动助力转向系统具有节能环保和驾驶操作性好等优点。由于EPS的大量装车使用，产品的可靠性和使用寿命也成为人们普遍关注的问题。EPS控制器的可靠性和使用寿命很大一部分因素是受工作环境温度影响，EPS控制器温度过高容易导致元器件过早老化，影响元器件的性能参数引起控制系统不稳定，而EPS控制器的功率驱动桥是系统发热的主要热源。由于汽车在低速行驶及泊车时需要较大转向助力矩，电机助力电流较大造成功率驱动桥温度很高。而引起功率驱动桥发热的原因是由于MOS管导通损耗和开关损耗，当导通电流较大时间较长时，导致MOS管温度升高，根据MOS管的导通特性MOS管的温度升高后导通电阻变大分的压降也变大增加了温升，电流较大时线路电阻引起分压导致线电压压降，使得MOS驱动电压不足，不能完全形成漏源极导电沟道，输出电流性能降低，由于输出的实际电流比目标电流小，在控制器闭环控制模式下MOS管长时间导通从而使得驱动桥温度升高 ，整个控制器长期在高温环境下工作，加速控制器的老化降低了系统可靠性。

发明内容
本发明旨在发明一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法，提出一种栅极驱动电压随助力电流增大而升高的方法，有效降低控制器温升提高系统的可靠性和使用寿命。一种新型电动助力转向控制装置，由方向盘、转向输入管柱、转向输出管柱、齿轮齿条横拉杆机构、离合器、轮胎a和轮胎b组成，方向盘设置于转向输入管柱的顶端并与内部的轴连接，转向输入管柱下部依次连接着扭矩传感器、涡轮蜗杆减速机构、转向输出管柱和齿轮齿条横拉杆机构，齿轮齿条横拉杆机构的一侧连接着连杆a、另一侧连接着连杆b,连杆a端部连接着轮胎a、连杆b的端部连接着轮胎b，涡轮蜗杆减速机构与离合器连接，离合器连接着助力电机。所述的扭矩传感器与助力转向控制器线路连接，助力转向控制器分别与助力电机和离合器线路连接。作为本发明的进一步改进，所述的助力转向控制器是由继电器保护控制模块、电源模块、驱动桥控制模块、驱动桥模块、电机电流检测模块和电机组成，驱动桥控制模块包括外围处理电路、E⑶微处理器、升压驱动模块和集成驱动模块；外围处理电路和E⑶微处理器连接，ECU微处理器分别与升压驱动模块和集成驱动模块连接，集成驱动模块、驱动桥模块和电机依次连接，电机通过电机电流检测模块分别与驱动桥模块和外围处理电路连接；ECU微处理器和驱动桥模块均与继电器线路连接，电源模块为驱动桥控制模块提供电源。作为本发明的进一步改进，所述的外围处理电路包括信号处理检测模块和检测控制丰吴块。本发明公开了一种新型电动助力转向控制装置的驱动方法，是采用升压驱动技术实现的，具体包括下列步骤:系统将检测到的扭矩传感器信号、车速信号、发动机信号、电流检测信号均与输入到信号处理检测模块，经过处理后的信号输入到E⑶微处理器中，E⑶微处理器根据输入的扭矩信号和预先设计好的控制模式，计算出控制电机输出助力的扭矩信号出⑶微处理器将产生的控制信号经集成驱动模块输入到驱动桥模块，驱动桥模块经过逻辑转换和增大驱动能力后输出驱动信号与驱动桥的MOS管栅极连接，从而控制电机产生助力转矩；助力电机电流通过电机电流检测模块输出电流信号，电流信号经过处理后一路输入到ECU微处理器，另外一路信号输入到升压驱动模块，阈值比较模块将电流信号转换为升压电路模块的开关控制信号，电流超过阈值比较模块的限定值时，ECU微处理器输出升压控制脉冲信号，控制升压模块输出合适的栅极驱动电压，当助力电机电流减小时，电流低于设定阈值ECU微处理器停止输出升压控制信号。作为本发明的进一步改进，所述集成驱动模块是由逻辑转换模块和H桥驱动模块构成，E⑶微处理器输出PWM控制信号P和方向信号D，控制信号P经过电阻Rl，R2以及电容Cl，C2组成的滤波和死区延时电路后与方向控制信号D输入到逻辑门进行运算处理输出控制H桥驱动的四路控制信号分别为GHA、GHB、GLA、GLB。作为本发明的进一步改进，升压驱动模块是将ECU微处理器输出脉冲控制信号与输入端连接，电源电压经过电容C5后输入，输入端输入脉冲控制信号控制NPN三极管和PNP三极管开关动作，二极管D2与电容C2将电压升高再经过二极管Dl与电容C3将电压再次升高，由V。端输出与驱动模块电源端连接。作为本发明的进一步改进，阈值比较模块将电机电流检测模块处理后的电流信号其中一路与比较模块的Vin输入端口连接,输入信号一路进入运算放大器UlA的正向输入端，基准电压信号经过电阻R2和R3后输入反向输入端，另外一路信号输入到运算放大器U2A的反向输入端，基准电压信号经过电阻R4、R5与运算放大器的正向输入端连接，运算放大器UlA与U2A的输出端口连接，经过电阻Rl上拉后输出控制信号。本发明公开了一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法，是针对控制器在助力电流较大时发热严重、线电压降低影响驱动能力等问题提出采用升压驱动方法，当电流较大时由电机电流控制升压模块工作，可以提高系统的助力扭矩降低控制器的温升，延长元器件的使用寿命增大系统可靠性。电机助力电流较小时驱动桥温度较低，由电流信号与比较模块控制关闭升压模块可以节约系统能耗。故本发明采用升压技术增大驱动电压通过控制H驱动桥MOS管的温升，可以有效降低整个控制器的温度，实现一种减少控制器温升提高系统可靠性的方法，对增大系统助力扭矩和提高整个系统可靠性具有重要的意义。


图1是本发明汽车电动助力转向系统结构框图2是本发明汽车电动助力转向系统控制装置系统框图3是本发明控制系统集成驱动桥原理示意图4是本发明控制系统驱动控制信号逻辑转换原理示意图5是本发明控制系统驱动升压原理示意图6是本发明阀值比较模块结构原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图1-6对本发明一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法，做进一步说明:
本发明公开的一种新型电动助力转向控制装置，是由机械部分加装了电子控制部分构成,如图1所不，机械部分是由方向盘1、转向输入管柱2、转向输出管柱3、齿轮齿条横拉杆机构4、离合器5、轮胎a6和轮胎b7组成,方向盘I设置于转向输入管柱2的顶端并与内部的轴连接，转向输入管柱2下部依次连接着扭矩传感器8、涡轮蜗杆减速机构9、转向输出管柱3和齿轮齿条横拉杆机构4，齿轮齿条横拉杆机构4的一侧连接着连杆alO、另一侧连接着连杆bll，连杆alO端部连接着轮胎a6、连杆bll的端部连接着轮胎b7，涡轮蜗杆减速机构9与离合器5连接，离合器5连接着助力电机12。电子控制部分主要是助力转向控制器13。本装置以机械转向管柱为基础，在管柱2上增加了扭矩传感器8，用来检测驾驶方向盘I的转向扭矩和方向信号；同时在管柱2上装有涡轮蜗杆减速装置9，由离合器5连接助力电机12与涡轮蜗杆减速装置9，并传递电机8输出的扭矩，所有电源来自于车载电网，包括蓄电池和发电机组成。所述的扭矩传感器8与助力转向控制器13线路连接，助力转向控制器13分别与助力电机12和离合器5线路连接。如图2所示，助力转向控制器13是由继电器保护控制模块、电源模块、驱动桥控制模块、驱动桥模块、电机电流检测模块和电机组成，驱动桥控制模块包括外围处理电路、ECU微处理器、升压驱动模块和集成驱动模块；外围处理电路和E⑶微处理器连接，E⑶微处理器分别与升压驱动模块和集成驱动模块连接，集成驱动模块、驱动桥模块和电机依次连接，电机通过电机电流检测模块分别与驱动桥模块和外围处理电路连接；ECU微处理器和驱动桥模块均与继电器线路连接，电源模块为驱动桥控制模块提供电源，所有电源均来自汽车电网由汽车发电机和蓄电池组成。所述的外围处理电路包括信号处理检测模块和检测控制模块。其工作原理如下:E⑶微处理器与外围处理电路连接，外围处理电路包括检测信号模块和检测控制模块，由检测信号模块检测扭矩传感器信号、车速信号、发动机信号、电流信号及故障诊断信号输入ECU微处理器，经过故障诊断后输出控制信号一路与外围处理电路连接，另一路与升压驱动模块和集成驱动模块连接，集成驱动模块电路控制驱动桥MOS管开关，驱动助力电机输出扭矩，当电机助力时电流检测模块将检测到的电流信号传输到外围处理电路中，经过外围电路的处理，信号输入到微处理器中进行控制运算。本发明公开了一种新型电动助力转向系统控制装置的驱动方法，是采用升压驱动技术实现的，具体包括下列步骤:系统将检测到的扭矩传感器信号、车速信号、发动机信号、电流检测信号与外围处理电路中的信号处理检测模块的输入端相连，经过处理后的信号接入微处理器对应的ADC端口和捕获端口，微处理器根据输入的扭矩信号和预先设计好的控制模式，计算出控制电机输出助力的扭矩信号，微处理器的控制信号经集成驱动模块与驱动模块的输入端连接，驱动模块经过逻辑转换和增大驱动能力后输出驱动信号与驱动桥的MOS管栅极连接，控制信号驱动电机产生助力转矩，助力电流流过电流检测模块，电流信号经过处理后一路输入到微处理器的ADC端口，另外一路信号与升压驱动模块的控制端连接，阈值比较模块将电流信号转换为升压电路模块的开关控制信号，电流超过阈值比较模块的限定值时，微处理器输出升压控制脉冲信号，控制升压模块输出设定的栅极驱动电压，当助力电机电流减小时，电流低于设定阈值微处理器停止输出升压控制信号。上述集成驱动模块，由逻辑转换模块与驱动桥模块两部分组成，如图3与4所示:图3中，是IR2110集成驱动典型电路，图中14是二极管在电路中起到单向导通和快速
恢复的作用，图中15是限流电阻，防止驱动电流过大烧坏MOS管；图中16是MOS管，是H桥的驱动功放管，组成控制器的驱动桥；图中17是自举电容，是将VC的电压抬高使得HO端输出的电压是2倍的VC端电压，由于车载电源是12V的HO输出电压24V，但是由于电机助力电流过大和线路分压导致HO端的输出电压不能达到24V，所以利用一个升压电路将VC端电源电压升高通过自举电容后达到24V-30V，这样的好处就是MOS管的栅极驱动电压能使MOS管形成最佳导电沟道。所以利用升压电路驱动方法使MOS管保持最佳输出性能，减少导通时间降低MOS管发热，使得整个控制器的温升减小。图4中，E⑶微处理器输出PWM控制信号P和方向信号D，控制信号P经过电阻Rl，R2以及电容Cl，C2组成的滤波延时电路后与方向控制信号D—起输入到与非门和非门进行逻辑运算处理输出控制H桥驱动的四路控制信号分别为GHA、GHB、GLA、GLB。由E⑶微处理器输出一路方向信号与一路PWM控制信号与逻辑电路输入端连接，经过逻辑电路运算后，由集成驱动桥模块输出驱动信号直接控制驱动桥的MOS管栅极开关。如图5所示:升压驱动模块是将E⑶微处理器输出脉冲控制信号与输入端25连接，电源电压26经过电容C5后输入，输入端25输入脉冲控制信号控制NPN三极管18和PNP三极管19开关动作，二极管D2与电容C2将电压升高再经过二极管Dl与电容C3将电压再次升高，由Vc端输出与驱动模块电源端连接，这里指的是集成驱动芯片的Vc端。其升压过程如下:升压模块基于电荷泵原理脉冲信号由图中的ECU微处理器输出，ECU微处理器输出脉冲信号控制两个数字三极管18和19，电源电压26由车载电源输入，经过外围电路后输入到升压模块，经过滤波电容20、二极管21和22、同电容23和24以及三极管的交替开关作用下输出Vc电压。升压模块输出的Vc电压输入到集成驱动控制模块的Vc端口，升压模块启动与停止受助力电流值大小控制。如图6所示，阈值比较模块将电机电流检测模块处理后的电流信号其中一路与比较模块的Vin输入端口连接，输入信号一路进入运算放大器UlA的正向输入端，基准电压信号经过电阻R2和R3后输入反向输入端，另外一路信号输入到运算放大器U2A的反向输入端，基准电压信号经过电阻R4、R5与运算放大器的正向输入端连接，运算放大器UlA与U2A的输出端口连接，经过电阻Rl上拉后输出控制信号。其具体控制方法如下:升压模块受电流检测环节控制，当电机助力时电流信号经过处理后输入到阈值比较模块，如图6所示:电压阈值比较模块，图中Vrefl和Vref2为设置的电压阈值，电流信号由Vin端输入，一路输入到运算放大器UlA的正向输入端，反向输入端接阈值Vrefl ;另外一路信号输入到运算放大器反向输入端，正向输入端接阈值Vref2 ;电压值大于Vrefl小于Vref2时输出低电平，当大于Vref2小于Vrefl时输出高电平,输出信号接微处理器的输入端。本发明装置采用电机集成控制芯片，升压后的电压Vc直接接入到集成驱动芯片，由驱动芯片输出控制H桥的驱动控制信号。本发明装置的升压模块采用分离元件搭建，微处理器E⑶输出固定频率脉冲，经过分离元件搭建的升压模块后输出到栅极驱动电路，一般集成驱动控制时的Vc供电电压为12V，这里通过升压控制将电压升为12-20V之间，根据MOS管输出特性关系设定电压比较阈值模块的阈值。
权利要求
1.一种新型电动助力转向控制装置，是由方向盘(I)、转向输入管柱(2)、转向输出管柱(3)、齿轮齿条横拉杆机构(4)、离合器(5)、轮胎a (6)和轮胎b (7)组成，其特征在于方向盘(I)设置于转向输入管柱(2)的顶端并与内部的轴连接，转向输入管柱(2)下部依次连接着扭矩传感器(8)、涡轮蜗杆减速机构(9)、转向输出管柱(3)和齿轮齿条横拉杆机构(4)，齿轮齿条横拉杆机构(4)的一侧连接着连杆a (10)、另一侧连接着连杆b (11)，连杆a (10)端部连接着轮胎a (6)、连杆b (11)的端部连接着轮胎b (7)，涡轮蜗杆减速机构(9)与离合器(5)连接，离合器(5)连接着助力电机(12);扭矩传感器(8)与助力转向控制器(13)线路连接，助力转向控制器(13)分别与助力电机(12)和离合器(5)线路连接。
2.如权利要求1所述的一种新型电动助力转向系统控制装置，其特征在于助力转向控制器(13)是由继电器保护控制模块、电源模块、驱动桥控制模块、驱动桥模块、电机电流检测模块和电机组成，驱动桥控制模块包括外围处理电路、ECU微处理器、升压驱动模块和集成驱动模块；外围处理电路和E⑶微处理器连接，E⑶微处理器分别与升压驱动模块和集成驱动模块连接，集成驱动模块、驱动桥模块和电机依次连接，电机通过电机电流检测模块分别与驱动桥模块和外围处理电路连接出⑶微处理器和驱动桥模块均与继电器线路连接，电源模块为驱动桥控制模块提供电源。
3.如权利要求2所述的一种新型电动助力转向系统控制装置，其特征在于所述的外围处理电路包括信号处理检测模块和检测控制模块。
4.一种新型电动助力转向系统控制装置的驱动方法，其特征在于是采用升压驱动技术实现的，具体包括下列步骤:系统将检测到的扭矩传感器信号、车速信号、发动机信号、电流检测信号均输入到信号处理检测模块，经过处理后的信号输入到E⑶微处理器中，E⑶微处理器根据输入的扭矩信号和预先设计好的控制模式，计算出控制电机输出助力的扭矩信号出⑶微处理器将产生的控制信号经过集成驱动模块输入到驱动桥模块，驱动桥模块经过逻辑转换和增大驱动能力后输出驱动信号与驱动桥的MOS管栅极连接，从而控制电机产生助力转矩；助力电机电流通过电机电流检测模块输出电流信号，电流信号经过处理后一路输入到ECU微处理器，另外一路信号输入到升压驱动模块，阈值比较模块将电流信号转换为升压电路模块的开关控制信号，电流超过阈值比较模块的限定值时，ECU微处理器输出升压控制脉冲信号，控制升压模块输出设定的栅极驱动电压，当助力电机电流减小时，电流低于设定阈值ECU微处理器停止输出升压控制信号。
5.如权利要求4所述一种新型电动助力转向系统控制装置的驱动方法，其特征在于集成驱动模块是由逻辑转换模块和H桥驱动模块构成，ECU微处理器输出PWM控制信号P和方向信号D，控制信号P经过电阻Rl，R2以及电容Cl，C2组成的滤波和死区延时电路后与方向控制信号D—起输入到与非门和非门进行逻辑运算处理输出控制H桥驱动的四路控制信号分别为 GHA、GHB、GLA、GLB。
6.如权利要求4所述一种新型电动助力转向系统控制装置的驱动方法，其特征在于升压驱动模块是将E⑶微处理器输出脉冲控制信号与输入端(25 )连接，电源电压(26 )经过电容C5后输入，输入端(25 )输入脉冲控制信号控制NPN三极管(18 )和PNP三极管(19 )开关动作，二极管D2与电容C2将电压升高再经过二极管Dl与电容C3将电压再次升高，由VC端输出与驱动模块电源端连接。
7.如权利要求4所述一种新型电动助力转向系统控制装置的驱动方法，其特征在于阈值比较模块将电机电流检测模块处理后的电流信号其中一路与比较模块的Vin输入端口连接，输入信号一路进入运算放大器UlA的正向输入端，基准电压信号经过电阻R2和R3后输入反向输入端，另外一路信号输入到运算放大器U2A的反向输入端，基准电压信号经过电阻R4、R5与运算放大器的正向输入端连接，运算放大器UlA与U2A的输出端口连接，经过电阻Rl上拉后输出控制信号。
全文摘要
本发明公开了一种新型电动助力转向控制装置及驱动方法，属于汽车电子控制领域涉及电动助力转向系统，由机械部分加装电子控制部分组成，机械部分包括方向盘、输入轴、输出轴、万向节、转向拉杆，电子控制部分包括扭矩传感器、助力电机及配套的减速装置和控制器。控制器包括微处理器模块、信号检测模块、监测控制输出模块、驱动桥控制模块、驱动桥模块、电机电流检测模块、上桥臂升压驱动模块。本发明控制装置针对在助力电流较大时控制器发热严重、线电压降低影响控制器驱动性能和由于长期发热降低控制器寿命等问题提出采用升压驱动方法，当电流较大时由电机电流信号控制升压模块工作，可以提高系统的助力扭矩降低控制器的温升，延长元器件的使用寿命增大系统可靠性。当电机助力电流较小时驱动桥温度较低，由电流信号与比较模块控制关闭升压模块降低系统能耗。
文档编号B62D6/00GK103112492SQ20131004046
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月2日 优先权日2013年2月2日
发明者郭永丰, 马鑫磊, 陈兰, 施平, 王广林, 邵东向, 陶文成, 郭岳, 杨念 申请人:哈尔滨工业大学