CN103560716B - 辅助燃油泵电动控制系统及其实现软启动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助燃油泵电动控制系统，包括电源电路、主控制器和电机驱动电路；电机驱动电路包括互补推挽式前级驱动电路和开关管；互补推挽式前级驱动电路的输入端与主控制器的输出端电连接，输出端与开关管的控制端电连接，开关管的一端与电机的一个输入端电连接，开关管的另一端接地；主控制器用于向互补推挽式前级驱动电路输出占空比可调的PWM信号；电源电路用于向该主控制器和该电机驱动电路供电。本发明还公开了一种用上述的辅助燃油泵电动控制系统实现软启动的方法。本发明辅助燃油泵电动控制系统的负载驱动能力强、功耗低、能够实现油泵电机软启动控制。

Description

辅助燃油泵电动控制系统及其实现软启动的方法

技术领域

本发明涉及辅助燃油泵电动控制系统。

背景技术

燃油泵的作用是将储存在燃油箱内的燃油输送至喷油器的燃油管路内。早期的燃油泵为机械式，现在已逐渐被电动燃油泵所取代。电动燃油泵总成主要由电动控制器、永磁电机、油泵、滤清器、加热器等组成。现有的燃油泵电动控制器多采用直流驱动电机负载，并且缺少车身电控设备所必须的保护措施，造成电机负载在启动时冲击电流较大，电动控制器抗击浪涌能力低下，另外，容易发生因局部温度过高而导致损坏的问题，影响产品的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种负载驱动能力强、功耗低、能够实现油泵电机软启动控制的辅助燃油泵电动控制系统。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种具有过电流保护、过温度保护功能的辅助燃油泵电动控制系统。

本发明所要解决的再一技术问题在于提供一种用上述的辅助燃油泵电动控制系统实现软启动的方法。

本发明所采用的技术方案是：辅助燃油泵电动控制系统，包括电源电路、主控制器和电机驱动电路；电机驱动电路包括互补推挽式前级驱动电路和开关管；互补推挽式前级驱动电路的输入端与主控制器的输出端电连接，输出端与开关管的控制端电连接，开关管的一端与电机的一个输入端电连接，开关管的另一端接地；主控制器用于向互补推挽式前级驱动电路输出占空比可调的PWM信号；电源电路用于向该主控制器和该电机驱动电路供电。

本发明还提供了一种用上述的辅助燃油泵电动控制系统实现软启动的方法，包括以下步骤：

该辅助燃油泵电动控制系统上电后，主控制器先输出一具有起始占空比的PWM信号，然后以一较慢的速度逐步增加该PWM信号的占空比；

在该PWM信号的占空比达到一预设的占空比阈值后，主控制器再以一较快的速度逐步增加PWM信号的占空比，直到PWM信号的占空比达到100%。

本发明具有以下优点：

1.本发明辅助燃油泵电动控制系统的主控制器可输出占空比可调的PWM信号给电机驱动电路，从而可实现电机的软启动，避免了负载电机启动时的冲击电流问题；

2.本发明的电机驱动电路采用了低边驱动的结构，负载驱动能力强，功耗低，并可满足ISO7637-2标准中波形的抛负载抑制要求，避免了浪涌损坏；

3.本发明设有驱动电流反馈电路和温度采集电路，能够避免负载电机堵转或短路、以及过温度引起的损坏；

4.本发明还设有防反接保护电路，可防止人为或机械等原因造成的电源极性反接后带来的过流烧毁等情况。

附图说明

图1是本发明辅助燃油泵电动控制系统的一个实施例的原理框图。

图2是本发明辅助燃油泵电动控制系统的电机驱动电路的一个实施例的电路原理图。

图3是抛负载浪涌波形的示意图。

图4是本发明辅助燃油泵电动控制系统的电源电路的一个实施例的电路原理图。

图5是本发明辅助燃油泵电动控制系统的防反接保护电路的一个实施例的电路原理图。

图6是本发明辅助燃油泵电动控制系统的温度采集电路的一个实施例的电路原理图。

图7是本发明辅助燃油泵电动控制系统的驱动电流反馈电路的一个实施例的电路原理图。

图8是本发明辅助燃油泵电动控制系统的主控制器的一个实施例的方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步的说明。

请参考图1。根据本发明一实施例的辅助燃油泵电动控制系统100包括电源电路1、主控制器2、电机驱动电路3、驱动电流反馈电路4、温度采集电路5和防反接保护电路6。

电机驱动电路3包括互补推挽式前级驱动电路31和开关管。互补推挽式前级驱动电路31的输入端与主控制器2的输出端电连接，输出端与开关管的控制端电连接，开关管的一端与电机200的一个输入端电连接，开关管的另一端接地。

在图2所示的实施例中，开关管为NMOS管Q5，该NMOS管Q5的栅极与互补推挽式前级驱动电路31的输出端电连接，漏极与电机的一个输入端电连接，源极接地。电机驱动电路3包括稳压管D3和续流二极管D4；稳压管D3的正极与NMOS管Q5的源极电连接，负极与该NMOS管的栅极电连接；续流二极管D4的正极与电机200的一个输入端电连接，负极与电机200的另一个输入端电连接,电机200的另一个输入端与车用蓄电池300的正极电连接。互补推挽式前级驱动电路31主要包括NPN三极管Q8、NPN三极管Q6、NPN三极管Q3和PNP三极管Q7、电阻R4、电阻R5、电阻R7、和电阻R9。NPN三极管Q8的基极与主控制器2的输出端电连接，集电极通过电阻R9与NPN三极管Q6的基极电连接，发射极接地。优选地，在主控制器2的输出端与NPN三极管Q8的基极之间串联有电阻R12，用于限流；电阻R18的一端与NPN三极管Q6的基极电连接，另一端接地，电阻R18起到箝位的作用。NPN三极管Q6的集电极与电阻R5串联后分别与NPN三极管Q3和PNP三极管Q7的基极电连接。PNP三极管Q7的发射极与NPN三极管Q3的集电极电连接，集电极接地。优选地，PNP三极管Q7的发射极与NPN三极管Q3的集电极的共接点与电阻R6串联后，再与NMOS管Q5的栅极电连接；PNP三极管Q7的集电极与电阻R8的一端电连接，电阻R8的另一端电连接于电阻R6与NMOS管Q5的栅极的共接点。电源电路1的一个输出端分别与NPN三极管Q3的集电极电连接、通过电阻R7与NPN三极管Q8的集电极电连接以及通过电阻R4与NPN三极管Q6的集电极电连接，为互补推挽式前级驱动电路31提供了12V的电源。

主控制器2向互补推挽式前级驱动电路31输出占空比可调的PWM信号，通过NPN三极管Q3和PNP三极管Q7组成的互补推挽电路的交替导通，控制NMOS管Q5的导通与截止。互补推挽式前级驱动电路31增大了电机的驱动电流，增强了驱动能力并且降低了电路功耗，可实现不同占空比控制输出驱动，进而实现对输出功率的控制以及软启动。在该辅助燃油泵电动控制系统上电后，该主控制器2输出的PWM信号的占空比由一起始占空比逐渐增加到100%，从而可实现负载电机的软启动。该起始占空比例如为5%-20%。

本发明所采用的这种低边驱动（LSD）的结构可满足ISO7637-2标准中波形的抛负载抑制要求（如图3所示），即Vs=173Vdc,td=350ms,模拟发电机内阻为1Ω。达到此抛负载抑制等级，极大程度上扩大了本系统的适用范围。

请参考图4。电源电路1包括预降压电路11和低压差稳压器（LDO）12。预降压电路11包括NPN三极管Q1、齐纳二极管D1、电阻R1和电阻R2。NPN三极管Q1的集电极与车用蓄电池的电源正极电连接，发射极与电阻R1串联后与低压差稳压器12的输入端电连接，低压差稳压器12的输出端输出5V的直流电压。齐纳二极管D1的负极与NPN三极管Q1的基极电连接，正极接地。电阻R2的两端分别与NPN三极管Q1的集电极和基极电连接。

按照ISO16750-2中的表述，本发明的辅助燃油泵电动控制系统代码为F，即输入电压范围为16Vdc至32Vdc。预降压电路11在齐纳二极管D1的作用下，将车用蓄电池的输出电压U_VBAT降压为U_{VCC_1}（图中所示的实施例U_{VCC_1}为12V电压），若忽略齐纳二极管D1的反向漏电流，

U_{VCC_1}=U_{Vz_D1}-U_{VBE_Q1}-I_in×R₁

其中，U_{VZ_D1}为齐纳二极管D1的齐纳电压，U_{VBE_Q1}为NPN三极管Q1的基极与发射极之间的电压，R₁为电阻R1的阻值，I_in为低压差稳压器的输入电流。

预降压电路11将低压差稳压器12的输入电压钳位在齐纳二极管D1的电压幅值上，并通过限流电阻R1进一步降压及限流，降低了低压差稳压器12的输入、输出端的电压差，从而使得低压差稳压器12的自身功率损耗降低。选用具有适当齐纳电压的D1，可有效地降低低压差稳压器的输入电压U_{VCC_1}，使得低压差稳压器12自身的压降U_VU1降低为

U_VU1=U_{VCC_1}-U_{VCC_5V}

其中，U_{VCC_5V}为低压差稳压器12的输出电压，为5V；而低压差稳压器运行时的温升由ΔT降低至ΔT’，从而有效地提高了系统的安全性和使用寿命。其中：

ΔT=(U_VBAT-U_{VCC_5V})×I_in×R_th，其中R_th为低压差稳压器的热阻

ΔT’=(U_{Vz_D1}-U_{VBE_Q1}-I_in×R₁-U_{VCC_5V})×I_in×R_th

防反接保护电路6用于防止人为或机械等原因造成的电源极性反接后带来的过流烧毁等情况。如图5所示，防反接保护电路6包括限流电阻R3、NMOS管Q4和稳压管D2。限流电阻R3的一端与预降压电路11的输出端电连接，另一端与NMOS管Q4的栅极电连接。NMOS管Q4的源极与车用蓄电池的负极电连接，漏极与稳压管D2的正极电连接。稳压管D2的正极接地，负极与NMOS管Q4的栅极电连接。在正常工作情况下，NMOS管Q4能够流通35A、瞬态120A的直流电流，为系统的浪涌抑制提供了基础条件。通过预降压后的信号控制NMOS管Q4的栅极，并由稳压管D2限制NMOS管Q4的栅极与源极之间的电压降V_GS的电压幅值，在保证NMOS管Q4处于恒流区工作的同时，也保护了NMOS管Q4的栅极，同时其漏、源之间的阻值R_DS保持在30mΩ以下，很好的降低了“地漂”带来的影响。与常用的二极管防反接相比，本发明的防反接保护电路由于自身功率损耗小，过电流能力更强。

请参考图6。温度采集电路5包括上拉电阻R26和NTC热敏电阻TR1，上拉电阻R26与NTC热敏电阻TR1相互串联，上拉电阻R26与NTC热敏电阻TR1的共接点T_Monitor与主控制器2的信号输入端电连接。

NTC热敏电阻TR1最好是布置在PCB板中温度最高的区域，通过其采集PCB板的温度。在发明的优选实施例中，NTC热敏电阻TR1布置在NMOS管Q5芯片附近。根据PCB板的热成像图可知，NMOS管Q5芯片处的温升最高，将NTC热敏电阻TR1放置此处，即可探测出PCB板的最高温度，从而为系统过温度保护提供有效参考。主控制器2将采集到的节点T_Monitor的电压U_T与预先存储的过温度电压阈值进行比较，如果小于预先存储的过温度电压阈值，则停止输出PWM信号。

请参考图7和图1。驱动电流反馈电路4包括采样电路41、放大电路42和比较电路43。采样电路41的输出端分别与该放大电路42的输入端和该比较电路43的输入端电连接，用于将电机的驱动电流信号转化为电压信号并传送给放大电路42和比较电路43。放大电路42的输出端与主控制器的模拟输入端电连接。比较电路43的输出端与主控制器的数字输入端电连接，用于将采样电路的电压采样值与一设定的电压阈值进行比较，并产生一数字化的比较结果（比较结果为数字信号）。主控制器2用于将放大电路42输出的电压值与预先存储的过电流电压阈值进行比较，并将比较电路43的输出结果与预先存储的过流判断结果进行比较；如果放大电路42输出的电压值大于该过电流电压阈值，或者，比较电路43的输出结果与预先存储的过流判断结果相符合，则停止输出PWM信号。例如，比较电路43的输出值为“1”，而预先存储的过流判断结果值也是“1”，二者相符合，则停止输出PWM信号。

在图中所示的实施例中，采样电路41由采样电阻R40构成。该采样电阻40的一端分别与NMOS管Q5的源极、放大电路42的输入端和比较电路43的输入端电连接，另一端接地。放大电路42主要由运放U3B、电阻R21、R24和R25组成，放大倍数由R24、R25的阻值决定。由于油泵电机的低阻抗性质，R40必须为阻值较低的采样电阻，其转换为的电压幅值较低，进行信号放大后才能提供给主控制器2处理。输入到主控制器模拟输入端的电压U_{current_mon}可估算为:

$U_{\mathrm{current}\_\mathrm{mon}}=I_{\mathrm{load}}\×R_{40}\×\frac{R_{24}\×R_{25}}{R_{24}}$

其中，I_load为电机的电流，R₄₀、R₂₄和R₂₅分别为电阻R40、R24和R25的阻值。

比较电路43主要由运放U3A、电阻R30、R36组成。采样电压与电阻R30、R36分压所得的参考电压U_conf为：

经比较器比较之后发送给主控制器2。R₃₆和R₃₀分别为电阻R36和R40的阻值。

驱动电流反馈电路4将负载驱动回路中的电流经采样电阻转化为电压信号后，经两路反馈：其中一路放大后以模拟信号输入主控制器2；另一路与预设值比较后成为数字信号输入主控制器2。此两路信号均用作判别系统过流和短路故障，冗余设计提高了驱动电流过流判定的可靠性。

如图8所示，主控制器2包括中央处理单元21和PWM信号产生单元22。中央处理单元21包括软启动子单元210、第一过流判断子单元211、第二过流判断子单元212和过温判断子单元213。

软启动子单元210在该辅助燃油泵电动控制系统上电后，控制PWM信号产生单元22先输出一具有起始占空比的PWM信号，然后以一较慢的速度逐步增加该PWM信号的占空比，在该PWM信号的占空比达到一预设的占空比阈值后，再以一较快的速度逐步增加PWM信号的占空比，直到PWM信号的占空比达到100%。在一更具体的实施中，上述的起始占空比为5%～20%，最好是10%;上述的占空比阈值为75%～85%，最好是80%。在达到预设的占空比阈值前，软启动子单元210控制PWM信号产生单元22输出的PWM信号的占空比以每隔4个PWM信号的周期递增1%的速度（即较慢的速度）往上增加，当PWM信号产生单元22输出的PWM信号的占空比达到占空比阈值后，以每1个PWM信号的周期递增1%的速度往上增加，直到PWM信号产生单元22输出的PWM信号的占空比达到100%。

第一过流判断子单元211用于将放大电路42输出的电压值与预先存储的过电流电压阈值进行比较，如果大于该过电流电压阈值，则控制PWM信号产生单元22停止输出PWM信号。第二过流判断子单元212用于将比较电路43的输出结果与预先存储的过流判断结果进行比较，如果比较电路43的输出结果与预先存储的过流判断结果相符合，则控制PWM信号产生单元22停止输出PWM信号。

过温判断子单元213用于将温度采集电路5采集的电压信号与预先存储的过温度电压阈值进行比较，如果小于该预先存储的过温度电压阈值，则控制PWM信号产生单元22停止输出PWM信号。

本发明还提供了一种用上述的辅助燃油泵电动控制系统实现软启动的方法，包括以下步骤：

该辅助燃油泵电动控制系统上电后，主控制器先输出一具有起始占空比的PWM信号，然后以一较慢的速度逐步增加该PWM信号的占空比；

在该PWM信号的占空比达到一预设的占空比阈值后，主控制器再以一较快的速度逐步增加PWM信号的占空比，直到PWM信号的占空比达到100%。

在一更具体的实施中，上述的起始占空比为5%～20%，最好是10%;上述的占空比阈值为75%～85%，最好是80%。在达到预设的占空比阈值前，主控制器2输出的PWM信号的占空比以每隔4个PWM信号的周期递增1%的速度（即较慢的速度）往上增加，当主控制器2输出的PWM信号的占空比达到占空比阈值后，以每1个PWM信号的周期递增1%的速度往上增加，直到主控制器2输出的PWM信号的占空比达到100%。

Claims (9)

1.辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，包括电源电路、主控制器和电机驱动电路;

所述的电机驱动电路包括互补推挽式前级驱动电路和开关管；所述的互补推挽式前级驱动电路的输入端与主控制器的输出端电连接，输出端与所述开关管的控制端电连接，开关管的一端与电机的一个输入端电连接，开关管的另一端接地；

所述的主控制器用于向所述的互补推挽式前级驱动电路输出占空比可调的PWM信号；

所述的电源电路用于向该主控制器和该电机驱动电路供电。

2.如权利要求1所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，所述的主控制器包括中央处理单元和PWM信号产生单元；

所述的中央处理单元包括软启动子单元，所述的软启动子单元用于在该辅助燃油泵电动控制系统上电后，控制PWM信号产生单元先输出一具有起始占空比的PWM信号，然后以一较慢的速度逐步增加该PWM信号的占空比，在该PWM信号的占空比达到一预设的占空比阈值后，再以一较快的速度逐步增加PWM信号的占空比，直到PWM信号的占空比达到100%。

3.如权利要求1或2所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，所述的开关管为NMOS管，该NMOS管的栅极与所述的互补推挽式前级驱动电路的输出端电连接，漏极与所述的电机的一个输入端电连接，源极接地；

该电机驱动电路包括稳压管和续流二极管；所述稳压管的正极与NMOS管的源极电连接，负极与该NMOS管的栅极电连接；所述续流二极管的正极与所述电机的一个输入端电连接，负极与电机的另一个输入端电连接。

4.如权利要求1所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，该辅助燃油泵电动控制系统包括驱动电流反馈电路；所述的驱动电流反馈电路包括采样电路、放大电路和比较电路；其中：

该采样电路的输出端分别与该放大电路的输入端和该比较电路的输入端电连接，用于将电机的驱动电流信号转化为电压信号并传送给放大电路和比较电路；

该放大电路的输出端与主控制器的模拟输入端电连接；

该比较电路的输出端与主控制器的数字输入端电连接，用于将采样电路的电压采样值与一设定的电压阈值进行比较，并产生一数字化的比较结果；

所述的主控制器用于将所述放大电路输出的电压值与预先存储的过电流电压阈值进行比较，并将比较电路的输出结果与预先存储的过流判断结果进行比较；如果放大电路输出的电压值大于该过电流电压阈值，或者，比较电路的输出结果与预先存储的过流判断结果相符合，则停止输出PWM信号。

5.如权利要求4所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，所述的采样电路由采样电阻构成，该采样电阻的一端分别与所述开关管的另一端、放大电路的输入端和比较电路的输入端电连接，另一端接地。

6.如权利要求1所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，所述的辅助燃油泵电动控制系统包括一温度采集电路,所述的温度采集电路包括上拉电阻和NTC热敏电阻，所述的上拉电阻与NTC热敏电阻相互串联；该上拉电阻与NTC热敏电阻的共接点与主控制器的信号输入端电连接；

所述的主控制器用于将所述温度采集电路采集的电压信号与预先存储的过温度电压阈值进行比较，如果小于该预先存储的过温度电压阈值，则停止输出PWM信号。

7.如权利要求1所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，所述的电源电路包括预降压电路和低压差稳压器；

所述的预降压电路包括NPN三极管Q1、齐纳二极管D1、电阻R1和电阻R2；所述的NPN三极管Q1的集电极与车用蓄电池的电源正极电连接，发射极与电阻R1串联后与所述低压差稳压器的输入端电连接；齐纳二极管D1的负极与NPN三极管Q1的基极电连接，正极接地；电阻R2的两端分别与NPN三极管Q1的集电极和基极电连接。

8.如权利要求7所述的辅助燃油泵电动控制系统，其特征在于，所述的电源电路还包括一防反接保护电路，所述的防反接保护电路包括限流电阻R3、NMOS管Q4和稳压管D2；限流电阻R3的一端与预降压电路11的输出端电连接，另一端与NMOS管Q4的栅极电连接；NMOS管Q4的源极与车用蓄电池的负极电连接，漏极与稳压管D2的正极电连接；稳压管D2的正极接地，负极与NMOS管Q4的栅极电连接。

9.一种用权利要求1所述的辅助燃油泵电动控制系统实现软启动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

该辅助燃油泵电动控制系统上电后，主控制器先输出一具有起始占空比的PWM信号，然后以一较慢的速度逐步增加该PWM信号的占空比；

在该PWM信号的占空比达到一预设的占空比阈值后，主控制器再以一较快的速度逐步增加PWM信号的占空比，直到PWM信号的占空比达到100%。