專利名稱：汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統和方法
技術領域：
本發明提出了一種全新的汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統和方法，省去了
傳統風扇電機采用毫歐姆電阻采樣電流以及小信號放大調理等環節，具有成本低、電路簡 單可靠等優點，可廣泛應用于采用p麗(脈寬調制)技術的引擎冷卻風扇控制器或控制模 塊。
背景技術：
汽車引擎冷卻風扇是汽車發動機周邊的一個關鍵部件，起著對發動機散熱和控制 其工作溫度的功能。早期的引擎冷卻風扇是由發動機曲軸傳動的風扇，隨著汽車發動機性 能的不斷提高和汽車電子技術的快速發展，這種曲軸傳動的風扇已經被電子風扇所取代， 引擎冷卻風扇經歷了由簡單的繼電器控制到復雜的軟件算法控制的發展過程，尤其是P麗 技術的引入，真正意義上實現了發動機ECU(電子控制單元)對冷卻風扇轉速的實時控制， 使得風扇轉速及工作模式完全按照一定的模型運行。 冷卻風扇一般采用直流電機驅動，風扇轉速是根據發動機ECU輸出的調速信號通 過一個控制器進行調節。為保證控制器中功率MOSFET不被損壞，控制器必須具備過電流、 過電壓、電機堵轉等多項保護功能。傳統方法是對風扇電機的工作電流采用一個毫歐姆電 阻進行采樣，然后經濾波、放大、模數轉換后由微處理器進行判斷和處理。這種方法存在一 定的缺點(l)需要運算放大器、濾波等小信號調理電路，額外增加了線路板成本；(2)對毫 歐姆采樣電阻的精度要求很高，產品的一致性差。本發明克服了傳統汽車引擎冷卻風扇控 制器存在的上述問題，具有良好的工程應用價值。
發明內容
本發明的目的是為了降低汽車引擎冷卻風扇控制器制造成本，提供一種汽車引擎 冷卻風扇堵轉/過流保護系統和方法。為達到上述目的，本發明的構思是
引擎冷卻風扇控制器電路由微處理器、穩壓電源、功率M0SFET高邊驅動電路和采 樣電路構成，見附圖1。發動機ECU控制信號(轉速調節信號)經信號處理模塊整形后輸 入到微處理器的I/O 口，穩壓電源模塊提供微處理器的5V電源，微處理器的P麗輸出經功 率驅動電路后驅動風扇電機，采樣電路模塊采樣電源電壓、電機直流側電壓和熱敏電阻上 的電壓，并分別經AD0、AD1和AD2輸入給微處理器，其中電源電壓的采樣有微處理器的一個 I/O 口進行控制。 采樣電路見附圖2，M1，M2為功率M0SFET，T1為NPN三極管；L1為電感；D1為肖特 極二極管；D2為開關二極管；①為電源電壓采樣控制信號端；②為電源電壓采樣端；③為電 機直流側電壓采樣端；④為溫度采樣端，R10為熱敏電阻。采樣電路簡述如下MOSFET驅動 電路的輸出經Ml驅動風扇電機；電阻R3，電容C6和電阻R7構成電源電壓采樣電路，三極 管Tl、電阻R2、電容C2為電源電壓采樣控制電路；電阻R5、 R6、電容C5構成電機直流側電 壓采樣電路；電阻R8、R10構成溫度采樣電路；采樣信號②、③、④端分別接附圖1中微處理
3器MCU的模數轉換口 AD0、 AD1和AD2 ;電源電壓采樣控制信號端①接MCU輸出I/O 口 。肖 特極二極管Dl，電感Ll，二極管D2， MOSFET M2，電容C4，電阻R4， R9構成電機的續流回路。 溫度采樣電路中，溫度敏感元件安裝在功率MOSFET的散熱器上，用以檢測功率MOSFET的工 作溫度。為了采樣的準確性，消除系統誤差，電源電壓采樣和電機直流側電壓采樣采用完全 對稱的電路形式。 電機過電流保護方法根據功率MOSFET的數據手冊，制作功率MOSFET導通電阻隨 溫度變化的參數表，然后通過采樣功率MOSFET漏-源兩端的電壓(即電源電壓和電機直流 側電壓)可得出漏_源電壓Vds，查表當前溫度下功率MOSFET的導通電阻阻值，可計算出冷 卻風扇電機的工作電流，若電流超過規定的閥值，則立刻關閉功率MOSFET，進行保護。
電機堵轉判斷方法在一個P麗周期上關閉功率MOSFET，采樣電機直流側電壓 (即電機反電動勢)，若反電動勢為零或小于設定的門限值，則認為電機堵轉，進行堵轉保 護處理。 根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案 —種汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統，包括微處理器MCU，功率驅動電路和 采樣電路，其特征在于所述微處理器MCU連接一個發動機ECU控制信號的信號處理器、所述 功率驅動電路和采樣電路，功率驅動電路連接采樣電路和冷卻風扇電機， 一個穩壓電源電 路為各組成單元提供工作電源。風扇轉速根據發動機ECU給定的占空比信號進行調速，電 機控制采用P麗控制方式。發動機ECU控制信號——轉速調節信號經信號處理器整形后輸 入到微處理器MCU的I/O 口，穩壓電源電路提供微處理器MCU的5V電源，微處理器MCU的 P麗輸出經功率驅動電路后驅動風扇電機，采樣電路采樣電源電壓、電機直流側電壓和熱敏 電阻上的電壓，并分別經AD0、AD1和AD2接口輸入給微處理器MCU，其中電源電壓的采樣由 微處理器MCU的一個I/O 口進行控制。 上述采樣電路的結構MOSFET功率驅動電路的輸出經功率MOSFET Ml驅動風扇電 機；電阻R3， R7和電容C6構成電源電壓采樣電路，在電阻R3， R7之間串聯NPN三極管T1、 電阻R2和電容C2構成的采樣控制電路進行通斷控制；電阻R5、 R6和電容C5構成電機直 流側電壓采樣電路；電阻R8、R10構成溫度采樣電路；采樣信號②、③、④端分別接微處理器 MCU的模數轉換口 AD0、AD1和AD2 ;電源電壓采樣控制信號端①接MCU輸出I/O 口 ；電容C4 和電阻R4串聯后與肖特極二極管D1并聯，再串聯電感L1和MOSFET M2構成電機的續流回 路；溫度采樣電路中，溫度敏感元件安裝在功率MOSFET的散熱器上，用以檢測功率MOSFET 的工作溫度；電源電壓采樣和電機直流側電壓采樣采用完全對稱的電路形式。
—種汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護方法，采用上述系統進行風扇電機過電流 保護和風扇電機堵轉保護，其特征在于 所述風扇電機過電流保護的實現步驟如下(l)等待任務中斷，時間間隔為100毫
秒； (2)保存當前的P麗占空比；(3)在一個P麗周期上，使輸出P麗的占空比為 100X，功率M0SFET Ml導通；(4)采樣AD1，即端點③電壓；(5)同時置控制信號端①為高電 平，NPN三極管管T1導通；(6)采樣AD0，即端點②電壓，AD0與AD1 二者的電壓差即為功率 M0SFETM1漏-源電壓Vds ; (7)然后采樣AD2，即端點④的電壓，此電壓代表功率MOSFET的工 作溫度；
(8)查表對應溫度下功率M0SFET的導通電阻，即可計算出通過功率MOSFET Ml的 電流大小，也就是風扇電機的工作電流；(9)若得出的電流值超過設定的最大電流閥值，則 視為過流，立刻置P麗占空比為0，關閉功率MOSFET Ml，使風扇電機停轉，當前任務結束，等 待下一次任務中斷；(10)若電流值處在正常范圍內，則在下一個P麗周期上恢復保存的P麗 占空比，風扇電機正常運轉，等待下一次任務中斷。 所述風扇電機堵轉保護的實現步驟如下(l)等待任務中斷，時間間隔為50毫秒； (2)保存當前的P麗占空比；(3)在一個P麗周期上，使輸出P麗的占空比為零，功率MOSFET Ml截止，MOSFET M2處于導通狀態；(4)采樣AD1，即端點③電壓，此時的采樣值為電機反電 動勢；(5)若檢測到的反電動勢為零或小于設定的門限值，則認為電機堵轉，在下一個P麗 周期上，置P麗占空比為0，關閉功率MOSFET Ml，使風扇電機停轉，當前任務結束，等待下一 次任務中斷；(6)若檢測到的反電動勢處在正常范圍內，則在下一個P麗周期上恢復保存的 P麗占空比，風扇電機正常運轉，等待下一次任務中斷。 與現有技術相比較，本發明具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點1) 通過直接采樣功率M0SFET完全導通時源_漏兩端的電壓差來計算風扇電機的工作電流， 進行過電流保護，省去了傳統風扇電機采用毫歐姆電阻采樣電流以及小信號放大調理等環 節，降低了控制器的制造成本。2)通過采樣電機的反電動勢進行堵轉保護，提高了控制器的 可靠性。3)省掉了控制器生產過程中對毫歐姆采樣電阻的篩選和標定工作，提高了產品的 一致性。
圖1 :本發明一個實施例的系統結構框圖。
圖2 :引擎冷卻風扇控制器采樣電路圖。
圖3 :冷卻風扇電機過流保護程序流程圖。
圖4 :冷卻風扇電機堵轉保護程序流程圖。
具體實施例方式
本發明的優選實施例結合附圖詳述如下 實施例一 參見圖1，本汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統，包括微處理器 MCU(2)，功率驅動電路(4)和采樣電路(5)，其特征在于所述微處理器MCU(2)連接一個發 動機ECU控制信號的信號處理器(3)、所述功率驅動電路(4)和所述采樣電路(5)，所述功 率驅動電路(4)連接所述采樣電路(5)和冷卻風扇電機(6)，一個穩壓電源電路(1)為各 組成單元提供工作電源。風扇轉速根據發動機ECU給定的占空比信號進行調速，電機控制 采用P麗控制方式。發動機ECU控制信號——轉速調節信號經信號處理器(3)整形后輸入 到微處理器MCU(2)的1/0 口，穩壓電源電路(1)提供微處理器MCU(2)的5V電源，微處理 器MCU(2)的P麗輸出經功率驅動電路(4)后驅動風扇電機(6)，采樣電路(5)采樣電源電 壓、電機直流側電壓和熱敏電阻上的電壓，并分別經ADO、 AD1和AD2接口輸入給微處理器 MCU(2)，其中電源電壓的采樣由微處理器MCU(2)的一個1/0 口進行控制。
實施例二 參見圖2，上述采樣電路的結構M0SFET功率驅動電路(4)的輸出經功 率M0SFET Ml驅動風扇電機(6);電阻R3， R7和電容C6構成電源電壓采樣電路，在電阻R3，R7之間串聯NPN三極管Tl、電阻R2和電容C2構成的采樣控制電路進行通斷控制；電阻R5、R6和電容C5構成電機直流側電壓采樣電路；電阻R8、R10構成溫度采樣電路；采樣信號②、③、④端分別接微處理器MCU(2)的模數轉換口 ADO、 AD1和AD2 ;電源電壓采樣控制信號端①接MCU(2)輸出I/O 口 ；電容C4和電阻R4串聯后與肖特極二極管D1并聯，再串聯電感L1和MOSFET M2構成電機的續流回路；溫度采樣電路中，溫度敏感元件安裝在功率MOSFET的散熱器上，用以檢測功率MOSFET的工作溫度；電源電壓采樣和電機直流側電壓采樣采用完全對稱的電路形式。 實施例三本汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護方法，采用上述系統進行風扇電機過流和堵轉保護
1)、過流保護方法 參見圖3，系統每間隔100毫秒進行一次過流檢測。具體步驟如下(1)等待任務中斷，時間間隔為100毫秒；(2)保存當前的P麗占空比；(3)在一個P麗周期上，使輸出P麗的占空比為100%，功率MOSFET Ml導通；(4)采樣AD1，即端點③電壓；(5)同時置控制信號端①為高電平，NPN三極管管Tl導通；(6)采樣ADO，即端點②電壓，ADO與AD1 二者的電壓差即為功率MOSFET M1漏-源電壓V^;(7)然后采樣AD2，即端點 的電壓，此電壓代表功率MOSFET的工作溫度；(8)查表對應溫度下功率MOSFET的導通電阻，即可計算出通過功率MOSFET Ml的電流大小，也就是風扇電機的工作電流；(9)若得出的電流值超過設定的最大電流閥值，則視為過流，立刻置P麗占空比為0，關閉功率MOSFET Ml ，使風扇電機停轉，當前任務結束，等待下一次任務中斷；(10)若電流值處在正常范圍內，則在下一個P麗周期上恢復保存的P麗占空比，風扇電機正常運轉，等待下一次任務中斷。
2)、堵轉保護方法 參見圖4，系統每間隔50毫秒進行一次堵轉檢測。具體步驟如下(l)等待任務中斷，時間間隔為50毫秒；(2)保存當前的P麗占空比；(3)在一個P麗周期上，使輸出P麗的占空比為零，功率MOSFET Ml截止，MOSFET M2處于導通狀態；(4)采樣AD1，即端點③電壓，此時的采樣值為電機反電動勢；(5)若檢測到的反電動勢為零或小于設定的門限值，則認為電機堵轉，在下一個P麗周期上，置P麗占空比為O，關閉功率MOSFET Ml，使風扇電機停轉，當前任務結束，等待下一次任務中斷；(6)若檢測到的反電動勢處在正常范圍內，則在下一個P麗周期上恢復保存的P麗占空比，風扇電機正常運轉，等待下一次任務中斷。
權利要求
一種汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統，包括微處理器MCU(2)，功率驅動電路(4)和采樣電路(5)，其特征在于所述微處理器MCU(2)連接一個發動機ECU控制信號的信號處理器(3)、所述功率驅動電路(4)和所述采樣電路(5)，所述功率驅動電路(4)連接所述采樣電路(5)和冷卻風扇電機(6)，一個穩壓電源電路(1)為各組成單元提供工作電源。風扇轉速根據發動機ECU給定的占空比信號進行調速，電機控制采用PWM控制方式。發動機ECU控制信號——轉速調節信號，經信號處理器(3)整形后輸入到微處理器MCU(2)的I/O口，穩壓電源電路(1)提供微處理器MCU(2)的5V電源，微處理器MCU(2)的PWM輸出經功率驅動電路(4)后驅動風扇電機(6)，采樣電路(5)采樣電源電壓、電機直流側電壓和熱敏電阻上的電壓，并分別經AD0、AD1和AD2接口輸入給微處理器MCU(2)，其中電源電壓的采樣由微處理器MCU(2)的一個I/O口進行控制。
2. 根據權利要求1所述的汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統，其特征在于所述采 樣電路(5)的結構MOSFET功率驅動電路(4)的輸出經功率MOSFET Ml驅動風扇電機(6); 電阻R3 ， R7和電容C6構成電源電壓采樣電路，在電阻R3 ， R7之間串聯NPN三極管T1 、電阻 R2和電容C2構成的采樣控制電路進行通斷控制；電阻R5、R6和電容C5構成電機直流側電 壓采樣電路；電阻R8、R10構成溫度采樣電路；采樣信號②、③、④端分別接微處理器MCU(2) 的模數轉換口 AD0、AD1和AD2 ;電源電壓采樣控制信號端①接MCU(2)輸出I/O 口 ；電容C4 和電阻R4串聯后與肖特極二極管D1并聯，再串聯電感L1和M0SFET M2構成電機的續流回 路；溫度采樣電路中，溫度敏感元件安裝在功率MOSFET的散熱器上，用以檢測功率MOSFET 的工作溫度；電源電壓采樣和電機直流側電壓采樣采用完全對稱的電路形式。
3. —種汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護方法，采用權利要求1所述的汽車引擎冷卻 風扇堵轉/過流保護系統進行風扇電機過電流保護和風扇電機堵轉保護，其特征在于a. 所述風扇電機過電流保護的實現步驟如下(l)等待任務中斷，時間間隔為IOO毫 秒；(2)保存當前的P麗占空比；(3)在一個P麗周期上，使輸出P麗的占空比為100%，功 率MOSFET Ml導通；(4)采樣AD1，即端點③電壓；(5)同時置控制信號端①為高電平，NPN三 極管管T1導通；(6)采樣AD0，即端點②電壓，AD0與AD1二者的電壓差即為功率M0SFET Ml 漏-源電壓vds ;(7)然后采樣AD2，即端點④的電壓，此電壓代表功率MOSFET的工作溫度； (8)查表對應溫度下功率MOSFET的導通電阻，即可計算出通過功率MOSFET Ml的電流大小， 也就是風扇電機的工作電流；(9)若得出的電流值超過設定的最大電流閥值，則視為過流， 立刻置P麗占空比為O，關閉功率MOSFETMl，使風扇電機停轉，當前任務結束，等待下一次任 務中斷；(10)若電流值處在正常范圍內，則在下一個P麗周期上恢復保存的P麗占空比，風 扇電機正常運轉，等待下一次任務中斷。b. 所述風扇電機堵轉保護的實現步驟如下(l)等待任務中斷，時間間隔為50毫 秒；(2)保存當前的P麗占空比；(3)在一個P麗周期上，使輸出P麗的占空比為零，功率 M0SFETM1截止，MOSFET M2處于導通狀態；(4)采樣AD1，即端點③電壓，此時的采樣值為電 機反電動勢；(5)若檢測到的反電動勢為零或小于設定的門限值，則認為電機堵轉，在下一 個P麗周期上，置P麗占空比為0，關閉功率M0SFET Ml，使風扇電機停轉，當前任務結束，等 待下一次任務中斷；(6)若檢測到的反電動勢處在正常范圍內，則在下一個P麗周期上恢復 保存的P麗占空比，風扇電機正常運轉，等待下一次任務中斷。
全文摘要
本發明涉及一種汽車引擎冷卻風扇堵轉/過流保護系統和方法。本系統包括微處理器、功率驅動電路和采樣電路，微處理器連接一個發動機ECU控制信號的信號處理器、功率驅動電路和采樣電路，功率驅動電路連接采樣電路和冷卻風扇電機。本方法包括風扇電機過電流保護和風扇電機堵轉保護的具體操作步驟。本發明具有成本低、電路簡單可靠、產品的一致性好等優點，可廣泛應用于采用PWM(脈寬調制)技術的引擎冷卻風扇控制器或控制模塊。
文檔編號H02H7/09GK101710694SQ200910199569
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者冉峰, 楊文榮 申請人:上海大學;上海飛樂股份有限公司;上海滬工汽車電器有限公司