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汽车引擎冷却 风扇堵转/过流保护系统和方法

阅读：866发布：2024-01-07

专利汇可以提供汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统和方法。本系统包括微处理器、功率驱动电路和采样电路，微处理器连接一个发动机 ECU控制信号的信号处理器、功率驱动电路和采样电路，功率驱动电路连接采样电路和冷却风扇电机。本方法包括风扇电机过电流保护和风扇电机堵转保护的具体操作步骤。本发明具有成本低、电路简单可靠、产品的一致性好等优点，可广泛应用于采用PWM( 脉宽调制 )技术的引擎冷却风扇控制器或控制模块。，下面是汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统，包括微处理器MCU（2），功率驱动电路（4）和采样电路（5），其特征在于所述微处理器MCU（2）连接一个发动机ECU控制信号的信号处理器（3）、所述功率驱动电路（4）和所述采样电路（5），所述功率驱动电路（4）连接所述采样电路（5）和冷却风扇电机（6），一个稳压电源电路（1）为各组成单元提供工作电源；风扇转速根据发动机ECU给定的占空比信号进行调速，电机控制采用PWM控制方式；发动机ECU 控制信号——转速调节信号，经信号处理器（3）整形后输入到微处理器MCU（2）的I/O口，稳压电源电路（1）提供微处理器MCU（2）的5V电源，微处理器MCU（2）的PWM输出经功率驱动电路（4）后驱动风扇电机（6），采样电路（5）采样电源电压、电机直流侧电压和热敏电阻上的电压，并分别经AD0、AD1和AD2 接口输入给微处理器MCU（2），其中电源电压的采样由微处理器MCU（2）的一个I/O口进行控制；所述采样电路（5）的结构：功率驱动电路（4）的输出经功率管MOSFET M1驱动风扇电机（6）；电阻R3，R7和电容C6构成电源电压采样电路，在电阻R3，R7之间串联NPN三极管T1、电阻R2和电容C2构成的采样控制电路进行通断控制；电阻R5、R6和电容C5构成电机直流侧电压采样电路；电阻R8、R10构成温度采样电路；电源电压采样信号②、电机直流侧电压采样信号③、温度采样信号④分别接微处理器MCU（2）的模数转换口AD0、AD1和AD2；电源电压采样控制信号①接MCU（2）输出I/O口；
电容C4和电阻R4串联后与肖特极二极管D1并联，再串联电感L1和功率管MOSFET M2构成电机的续流回路；温度采样电路中，温度敏感元件安装在功率管MOSFET M1的散热器上，用以检测功率管MOSFET M1的工作温度；电源电压采样和电机直流侧电压采样采用完全对称的电路形式。
2.一种汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护方法，采用权利要求1所述的汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统进行风扇电机过电流保护和风扇电机堵转保护，其特征在于：
a. 所述风扇电机过电流保护的实现步骤如下：（1）等待任务中断，时间间隔为
100毫秒；（2）保存当前的PWM占空比；（3）在一个PWM周期上，使输出PWM的占空比为100%，功率管MOSFET M1导通；（4）采样AD1，即电机直流侧电压采样信号③电压；
（5）同时置电源电压采样控制信号①为高电平，NPN三极管T1导通；（6）采样AD0，即电源电压采样信号②电压，AD0与AD1二者的电压差即为功率管MOSFET M1漏-源电压；（7）然后采样AD2，即温度采样信号④的电压，此电压代表功率管MOSFET M1的工作温度；（8）查表对应此温度下功率管MOSFET M1的导通电阻，即可计算出通过功率管MOSFET M1的电流大小，也就是风扇电机的工作电流；（9）若得出的电流值超过设定的最大电流阀值，则视为过流，立刻置PWM占空比为0，关闭功率管MOSFET M1，使风扇电机停转，当前任务结束，等待下一次任务中断；（10）若电流值处在正常范围内，则在下一个PWM周期上恢复保存的PWM占空比，风扇电机正常运转，等待下一次任务中断；
所述风扇电机堵转保护的实现步骤如下：（1）等待任务中断，时间间隔为50毫秒；（2）保存当前的PWM占空比；（3）在一个PWM周期上，使输出PWM的占空比为零，功率管MOSFET M1截止，功率管MOSFET M2处于导通状态；（4）采样AD1，即电机直流侧电压采样信号③电压，此时的采样值为电机反电动势；（5）若检测到的反电动势为零或小于设定的门限值，则认为电机堵转，在下一个PWM周期上，置PWM占空比为0，关闭功率管MOSFET M1，使风扇电机停转，当前任务结束，等待下一次任务中断；（6）若检测到的反电动势处在正常范围内，则在下一个PWM周期上恢复保存的PWM占空比，风扇电机正常运转，等待下一次任务中断。

说明书全文

汽车引擎冷却 风扇堵转/过流保护系统和方法

技术领域

[0001] 本发明提出了一种全新的汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统和方法，省去了传统风扇电机采用毫欧姆电阻采样电流以及小信号放大调理等环节，具有成本低、电路简单可靠等优点，可广泛应用于采用PWM(脉宽调制)技术的引擎冷却风扇控制器或控制模块。

背景技术

[0002] 汽车引擎冷却风扇是汽车发动机周边的一个关键部件，起着对发动机散热和控制其工作温度的功能。早期的引擎冷却风扇是由发动机曲轴传动的风扇，随着汽车发动机性能的不断提高和汽车电子技术的快速发展，这种曲轴传动的风扇已经被电子风扇所取代，引擎冷却风扇经历了由简单的继电器控制到复杂的软件算法控制的发展过程，尤其是PWM技术的引入，真正意义上实现了发动机ECU(电子控制单元)对冷却风扇转速的实时控制，使得风扇转速及工作模式完全按照一定的模型运行。

[0003] 冷却风扇一般采用直流电机驱动，风扇转速是根据发动机ECU输出的调速信号通过一个控制器进行调节。为保证控制器中功率MOSFET不被损坏，控制器必须具备过电流、过电压、电机堵转等多项保护功能。传统方法是对风扇电机的工作电流采用一个毫欧姆电阻进行采样，然后经滤波、放大、模数转换后由微处理器进行判断和处理。这种方法存在一定的缺点：(1)需要运算放大器、滤波等小信号调理电路，额外增加了线路板成本；(2)对毫欧姆采样电阻的精度要求很高，产品的一致性差。本发明克服了传统汽车引擎冷却风扇控制器存在的上述问题，具有良好的工程应用价值。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了降低汽车引擎冷却风扇控制器制造成本，提供一种汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统和方法。为达到上述目的，本发明的构思是：

[0005] 引擎冷却风扇控制器电路由微处理器、稳压电源、功率MOSFET高边驱动电路和采样电路构成，见附图1。发动机ECU 控制信号(转速调节信号)经信号处理模块整形后输入到微处理器的I/O口，稳压电源模块提供微处理器的5V电源，微处理器的PWM输出经功率驱动电路后驱动风扇电机，采样电路模块采样电源电压、电机直流侧电压和热敏电阻上的电压，并分别经AD0、AD1和AD2输入给微处理器，其中电源电压的采样有微处理器的一个I/O口进行控制。

[0006] 采样电路见附图2，M1，M2为功率MOSFET，T1为NPN三极管；L1为电感；D1为肖特极二极管；D2为开关二极管；①为电源电压采样控制信号端；②为电源电压采样端；③为电机直流侧电压采样端；④为温度采样端，R10为热敏电阻。采样电路简述如下：MOSFET驱动电路的输出经M1驱动风扇电机；电阻R3，电容C6和电阻R7构成电源电压采样电路，三极管T1、电阻R2、电容C2为电源电压采样控制电路；电阻R5、R6、电容C5构成电机直流侧电压采样电路；电阻R8、R10构成温度采样电路；采样信号②、③、④端分别接附图1中微处理器MCU的模数转换口AD0、AD1和AD2；电源电压采样控制信号端①接MCU输出I/O口。肖特极二极管D1，电感L1，二极管D2，MOSFET M2，电容C4，电阻R4，R9构成电机的续流回路。温度采样电路中，温度敏感元件安装在功率MOSFET的散热器上，用以检测功率MOSFET的工作温度。为了采样的准确性，消除系统误差，电源电压采样和电机直流侧电压采样采用完全对称的电路形式。

[0007] 电机过电流保护方法：根据功率MOSFET的数据手册，制作功率MOSFET导通电阻随温度变化的参数表，然后通过采样功率MOSFET漏-源两端的电压(即电源电压和电机直流侧电压)可得出漏-源电压Vds，查表当前温度下功率MOSFET的导通电阻阻值，可计算出冷却风扇电机的工作电流，若电流超过规定的阀值，则立刻关闭功率MOSFET，进行保护。

[0008] 电机堵转判断方法：在一个PWM周期上关闭功率MOSFET，采样电机直流侧电压(即电机反电动势)，若反电动势为零或小于设定的门限值，则认为电机堵转，进行堵转保护处理。

[0009] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

[0010] 一种汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统，包括微处理器MCU，功率驱动电路和采样电路，其特征在于所述微处理器MCU连接一个发动机ECU控制信号的信号处理器、所述功率驱动电路和采样电路，功率驱动电路连接采样电路和冷却风扇电机，一个稳压电源电路为各组成单元提供工作电源。风扇转速根据发动机ECU给定的占空比信号进行调速，电机控制采用PWM控制方式。发动机ECU控制信号——转速调节信号经信号处理器整形后输入到微处理器MCU的I/O口，稳压电源电路提供微处理器MCU的5V电源，微处理器MCU的PWM输出经功率驱动电路后驱动风扇电机，采样电路采样电源电压、电机直流侧电压和热敏电阻上的电压，并分别经AD0、AD1和AD2 接口输入给微处理器MCU，其中电源电压的采样由微处理器MCU的一个I/O口进行控制。

[0011] 上述采样电路的结构：MOSFET功率驱动电路的输出经功率MOSFET M1驱动风扇电机；电阻R3，R7和电容C6构成电源电压采样电路，在电阻R3，R7之间串联NPN三极管T1、电阻R2和电容C2构成的采样控制电路进行通断控制；电阻R5、R6和电容C5构成电机直流侧电压采样电路；电阻R8、R10构成温度采样电路；采样信号②、③、④端分别接微处理器MCU的模数转换口AD0、AD1和AD2；电源电压采样控制信号端①接MCU输出I/O口；电容C4和电阻R4串联后与肖特极二极管D1并联，再串联电感L1和MOSFET M2构成电机的续流回路；温度采样电路中，温度敏感元件安装在功率MOSFET的散热器上，用以检测功率MOSFET的工作温度；电源电压采样和电机直流侧电压采样采用完全对称的电路形式。

[0012] 一种汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护方法，采用上述系统进行风扇电机过电流保护和风扇电机堵转保护，其特征在于：

[0013] 所述风扇电机过电流保护的实现步骤如下：(1)等待任务中断，时间间隔为100毫秒；(2)保存当前的PWM占空比；(3)在一个PWM周期上，使输出PWM的占空比为100％，功率MOSFET M1导通；(4)采样AD1，即端点③电压；(5)同时置控制信号端①为高电平，NPN三极管管T1导通；(6)采样AD0，即端点②电压，AD0与AD1二者的电压差即为功率MOSFETM1漏-源电压Vds；(7)然后采样AD2，即端点④的电压，此电压代表功率MOSFET的工作温度；(8)查表对应温度下功率MOSFET的导通电阻，即可计算出通过功率MOSFET M1的电流大小，也就是风扇电机的工作电流；(9)若得出的电流值超过设定的最大电流阀值，则视为过流，立刻置PWM占空比为0，关闭功率MOSFET M1，使风扇电机停转，当前任务结束，等待下一次任务中断；(10)若电流值处在正常范围内，则在下一个PWM周期上恢复保存的PWM占空比，风扇电机正常运转，等待下一次任务中断。

[0014] 所述风扇电机堵转保护的实现步骤如下：(1)等待任务中断，时间间隔为50毫秒；(2)保存当前的PWM占空比；(3)在一个PWM周期上，使输出PWM的占空比为零，功率MOSFET M1截止，MOSFET M2处于导通状态；(4)采样AD1，即端点③电压，此时的采样值为电机反电动势；(5)若检测到的反电动势为零或小于设定的门限值，则认为电机堵转，在下一个PWM周期上，置PWM占空比为0，关闭功率MOSFET M1，使风扇电机停转，当前任务结束，等待下一次任务中断；(6)若检测到的反电动势处在正常范围内，则在下一个PWM周期上恢复保存的PWM占空比，风扇电机正常运转，等待下一次任务中断。

[0015] 与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1)通过直接采样功率MOSFET完全导通时源-漏两端的电压差来计算风扇电机的工作电流，进行过电流保护，省去了传统风扇电机采用毫欧姆电阻采样电流以及小信号放大调理等环节，降低了控制器的制造成本。2)通过采样电机的反电动势进行堵转保护，提高了控制器的可靠性。3)省掉了控制器生产过程中对毫欧姆采样电阻的筛选和标定工作，提高了产品的一致性。

附图说明

[0016] 图1：本发明一个实施例的系统结构框图。

[0017] 图2：引擎冷却风扇控制器采样电路图。

[0018] 图3：冷却风扇电机过流保护程序流程图。

[0019] 图4：冷却风扇电机堵转保护程序流程图。

具体实施方式

[0020] 本发明的优选实施例结合附图详述如下：

[0021] 实施例一：参见图1，本汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护系统，包括微处理器MCU(2)，功率驱动电路(4)和采样电路(5)，其特征在于所述微处理器MCU(2)连接一个发动机ECU控制信号的信号处理器(3)、所述功率驱动电路(4)和所述采样电路(5)，所述功率驱动电路(4)连接所述采样电路(5)和冷却风扇电机(6)，一个稳压电源电路(1)为各组成单元提供工作电源。风扇转速根据发动机ECU给定的占空比信号进行调速，电机控制采用PWM控制方式。发动机ECU控制信号——转速调节信号经信号处理器(3)整形后输入到微处理器MCU(2)的I/O口，稳压电源电路(1)提供微处理器MCU(2)的5V电源，微处理器MCU(2)的PWM输出经功率驱动电路(4)后驱动风扇电机(6)，采样电路(5)采样电源电压、电机直流侧电压和热敏电阻上的电压，并分别经AD0、AD1和AD2接口输入给微处理器MCU(2)，其中电源电压的采样由微处理器MCU(2)的一个I/O口进行控制。

[0022] 实施例二：参见图2，上述采样电路的结构：MOSFET功率驱动电路(4)的输出经功率MOSFET M1驱动风扇电机(6)；电阻R3，R7和电容C6构成电源电压采样电路，在电阻R3，R7之间串联NPN三极管T1、电阻R2和电容C2构成的采样控制电路进行通断控制；电阻R5、R6和电容C5构成电机直流侧电压采样电路；电阻R8、R10构成温度采样电路；采样信号②、③、④端分别接微处理器MCU(2)的模数转换口AD0、AD1和AD2；电源电压采样控制信号端①接MCU(2)输出I/O口；电容C4和电阻R4串联后与肖特极二极管D1并联，再串联电感L1和MOSFET M2构成电机的续流回路；温度采样电路中，温度敏感元件安装在功率MOSFET的散热器上，用以检测功率MOSFET的工作温度；电源电压采样和电机直流侧电压采样采用完全对称的电路形式。

[0023] 实施例三：本汽车引擎冷却风扇堵转/过流保护方法，采用上述系统进行风扇电机过流和堵转保护：

[0024] 1)、过流保护方法

[0025] 参见图3，系统每间隔100毫秒进行一次过流检测。具体步骤如下：(1)等待任务中断，时间间隔为100毫秒；(2)保存当前的PWM占空比；(3)在一个PWM周期上，使输出PWM的占空比为100％，功率MOSFET M1导通；(4)采样AD1，即端点③电压；(5)同时置控制信号端①为高电平，NPN三极管管T1导通；(6)采样AD0，即端点②电压，AD0与AD1二者的电压差即为功率MOSFET M1漏-源电压Vds；(7)然后采样AD2，即端点④的电压，此电压代表功率MOSFET的工作温度；(8)查表对应温度下功率MOSFET的导通电阻，即可计算出通过功率MOSFET M1的电流大小，也就是风扇电机的工作电流；(9)若得出的电流值超过设定的最大电流阀值，则视为过流，立刻置PWM占空比为0，关闭功率MOSFET M1，使风扇电机停转，当前任务结束，等待下一次任务中断；(10)若电流值处在正常范围内，则在下一个PWM周期上恢复保存的PWM占空比，风扇电机正常运转，等待下一次任务中断。

[0026] 2)、堵转保护方法

[0027] 参见图4，系统每间隔50毫秒进行一次堵转检测。具体步骤如下：(1)等待任务中断，时间间隔为50毫秒；(2)保存当前的PWM占空比；(3)在一个PWM周期上，使输出PWM的占空比为零，功率MOSFET M1截止，MOSFET M2处于导通状态；(4)采样AD1，即端点③电压，此时的采样值为电机反电动势；(5)若检测到的反电动势为零或小于设定的门限值，则认为电机堵转，在下一个PWM周期上，置PWM占空比为0，关闭功率MOSFET M1，使风扇电机停转，当前任务结束，等待下一次任务中断；(6)若检测到的反电动势处在正常范围内，则在下一个PWM周期上恢复保存的PWM占空比，风扇电机正常运转，等待下一次任务中断。

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