阅读说明：本技术 电机控制装置 (Motor control device ) 是由 蔡巍巍 肖涛 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：一种电机控制装置,适于通过H桥驱动并联的多个电机,其包括：H桥,包括设置于第一高电位节点和第一低电位节点之间的并联的两个半桥,多个电机设置于两个半桥的中点之间；H桥控制模块,用于通过H桥的四个开关来控制对多个电机的电流馈给及多个电机的旋转方向；以及故障诊断模块,用于基于多个电机经未能使其转动的脉冲电压激励时对应的激励电流及经激励后多个电机所产生的释放电流来确定多个电机是否存在开路故障。本发明的电机控制装置具有成本低、占用的电路板面积小,并且能够实现对电机的开路故障进行检测和诊断等优点。(A motor control device adapted to drive a plurality of motors connected in parallel through an H-bridge, comprising: the H bridge comprises two half bridges which are arranged between a first high potential node and a first low potential node and connected in parallel, and a plurality of motors are arranged between the middle points of the two half bridges; the H bridge control module is used for controlling current feed to the motors and the rotating directions of the motors through four switches of the H bridge; and the fault diagnosis module is used for determining whether the motors have open-circuit faults or not based on corresponding excitation currents when the motors are excited by the pulse voltage which cannot enable the motors to rotate and release currents generated by the excited motors. The motor control device has the advantages of low cost, small occupied circuit board area, capability of realizing detection and diagnosis of the open-circuit fault of the motor and the like.)

电机控制装置

技术领域

本发明涉及汽车电子，特别涉及一种电机控制装置。

背景技术

电动尾门控制器是乘用车上的智能控制器，它可以驱动执行机构来控制车辆后背门或者行李箱盖的开闭，电动尾门开闭执行机构一般包含一根或者两根电动撑杆。

电动尾门控制器一般以半桥驱动电路来驱动电动撑杆内部的直流有刷电机，通过电机的正反转，带动撑杆机构往复运动来实现尾门的电动开闭。

目前的技术方案中，电动尾门控制器一般以三个半桥来驱动两个撑杆电机，如中国实用新型专利CN208040159U所示。电动尾门控制器中除了驱动撑杆电机的半桥电路，电动尾门控制器还需要设置检测诊断电路以对开关管和电机的故障状态进行检测和诊断。在目前技术方案中，驱动两个撑杆电机需要三个半桥以及对应的半桥驱动电路和检测诊断电路，存在物料数量多，成本较高，占用的电路板面积较大的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种电机控制装置，其具有成本低、占用的电路板面积小，并且能够实现对电机的开路故障进行检测和诊断等优点。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电机控制装置，适于通过H桥驱动并联的多个电机，其包括：所述H桥，包括设置于第一高电位节点和第一低电位节点之间的并联的两个半桥，所述多个电机设置于所述两个半桥的中点之间；H桥控制模块，用于通过所述H桥的四个开关来控制对所述多个电机的电流馈给及所述多个电机的旋转方向；以及故障诊断模块，用于基于所述多个电机经未能使其转动的脉冲电压激励时对应的激励电流及经激励后所述多个电机所产生的释放电流来确定所述多个电机是否存在开路故障。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：

本发明的电机控制装置仅需要两个半桥即可实现对多个并联电机的驱动，并且能够实现对多个并联电机的开路故障进行检测。这有效地降低了物料成本和占用的电路板面积。另外，本发明的电机控制装置还能够实现对H桥的短路故障进行检测。

附图说明

图1例示了根据本发明一个或多个实施例的电机控制装置的示意图；

图2例示了根据本发明一个或多个实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

图1例示了根据本发明一个或多个实施例的电机控制装置的示意图。参考图1所示，电机控制装置10包括H桥11、H桥控制模块12和故障诊断模块13。电机控制装置10适于通过H桥11驱动并联的多个电机，例如图1中所示的第一电机M1和第二电机M2。可以理解，电机控制装置10通过H桥11驱动的并联的多个电机的个数可以根据其的具体应用场合而定，本发明对此并不加以限制。

H桥11包括第一高电位节点和第一低电位节点之间的并联的第一半桥11a和第二半桥11b。并联的第一电机M1和第二电机M2设置于第一半桥11a和第二半桥11b的中点之间。第一半桥11a包括串联的第一开关11a1和第二开关11a2。第二半桥11b包括串联的第三开关11b1和第四开关11b2。在一个或多个实施例中，第一开关11a1、第二开关11a2、第三开关11b1和第四开关11b2中的一个或多个可以为开关管，例如PMOS开关管或NMOS开关管。在一个或多个实施例中，第一高电位节点可以是车辆的电池的正极Vbat，第一低电位节点可以是车辆的电池的负极，负极例如可以接地。第一高电位节点和第一低电位节点之间例如可以具有12V的压差。

H桥控制模块12与H桥11中的四个开关分别连接，用于通过H桥11的四个开关来控制对多个电机的电流馈给以及多个电机的旋转方向。H桥控制模块12可以通过向H桥11中的四个开关分别输出高电平或低电平的模式来实现对多个电机的驱动。具体来说，H桥控制模块12可以向第一开关11a1和第四开关11b2输出高电平，使第一开关11a1和第四开关11b2导通，向第二开关11a2和第三开关11b1输出低电平，使第二开关11a2和第三开关11b1截至，这样驱使多个电机沿第一方向旋转，例如沿顺时针方向。H桥控制模块12可以向第一开关11a1和第四开关11b2输出低电平，使第一开关11a1和第四开关11b2截止，向第二开关11a2和第三开关11b1输出高电平，使第二开关11a2和第三开关11b1导通，这样驱使多个电机沿第二方向旋转，例如沿逆时针方向。

故障诊断模块13用于基于多个电机经未能使其转动的脉冲电压激励时对应的激励电流以及经激励后多个电机所产生的释放电流来确定多个电机是否存在开路故障。其中，脉冲电压可以由H桥控制模块12控制H桥11的四个开关的通断来产生。

具体来说，在电机未开始运动之前，电机线圈的电感L和电阻R等效于一个一阶串联R-L电路，其时间常数为：

其中，L为多个电机的线圈的等效电感，R为多个电机的线圈的等效电阻。

多个电机的线圈电流的单位阶跃响应为：

其中，U为激励时的电源电压，t为激励时间。由式(1)和式(2)可知，若多个电机中存在开路电机，此时的L和R与多个电机均正常时的L和R是不同的，这就导致多个电机中存在开路电机时与多个电机均正常时具有不同的电流。

脉冲电压会对电机线圈的电感L充磁，激励能量转化为磁场能量储存于线圈。在脉冲电压激励结束后，电机线圈中的磁场能量转化为电能而形成一个释放电流。由于多个电机中存在开路电机时与多个电机均正常时具有不同的电感L，经同样的脉冲电压激励后，这两种情形下电机线圈所储存的能量是不同的。相应的，在脉冲电压激励结束后，电机线圈中的磁场能量转化为电能而形成的释放电流的大小也不同。

因此，也就可以根据多个电机经未能使其转动的脉冲电压激励时对应的激励电流及经激励后多个电机所产生的释放电流来确定多个电机是否存在开路故障。例如，可以通过比较实测所得的激励电流和释放电流的最大值与在多个电机均正常的情况下测得的激励电流和释放电流的最大值，来确定当前多个电机中是否存在开路电机。

在一个或多个实施例中，激励时间可以取3τ～5τ。在激励时间t＝3τ，在激励结束时，多个电机的电流为

由式(3)可以知道，在激励时间t＝3τ时，多个电机的电流已经接近U/R，也就是说脉冲电压对电机线圈的电感L的充磁量已经接近电机线圈的储磁容量。此时，电机线圈中储存有足够大的磁场能量。需要说明的是，激励时间t可以根据机械系统的摩擦力来调整，一般在不使电机转动的情况下，尽量达到3τ，以使电机线圈中能够储存尽量多的磁场能量。

在一个或多个实施例中，电机控制装置10还包括设置于激励电流回路上的位于半桥与第一低电位节点之间的采样电阻。可以理解，电机控制装置10包括两个激励电流回路，(1)激励电流经第一高电位节点、第三开关11b1、多个电机M1和M2、第二开关11a2、第一低电位节点的回路，此时采样电阻14a设置于第二开关11a2和第一低电位节点之间；(2)激励电流经第一高电位节点、第一开关11a1、多个电机M1和M2、第四开关11b2、第一低电位节点的回路，此时采样电阻14b设置于第四开关11b2与第一低电位节点之间。在脉冲电压激励结束后，与激励电流回路(1)对应的释放电流回路为流经第一低电位节点、第四开关11b2、多个电机M1和M2、第二开关11a2、第一低电位节点的回路；与激励电流回路(2)对应的释放电流回路为流经第一低电位节点、第二开关11a2、多个电机M1和M2、第四开关11b2、第一低电位节点的回路。采样电阻14a和/或采样电阻14b可以将激励电流和释放电流转换为电压，故障诊断模块13可以根据该电压来确定多个电机中是否存在开路故障。例如，通过实测的激励电流和释放电流在采样电流上产生的电压的峰值与在多个电机均正常的情况下测得的激励电流和释放电流在采样电流上产生的电压的峰值，来确定当前多个电机中是否存在开路电机。

在一个或多个实施例中，采样电阻14a、14b与其所连接的半桥之间形成有第一节点17a、17b，故障诊断模块13可以基于激励电流和释放电流在第一节点上所产生的电压确定多个电机是否存在开路故障。

在一个或多个实施例中，故障诊断模块13可以基于激励电流和释放电流在采样电阻14a、14b连接的半桥11a、11b的中点所产生的电压来确定多个电机是否存在开路故障。

以多个电机为两个相同的电机M1和电机M2为例。正常状态下，并联的电机M1和电机M2的等效电感为：

其中，L₁为电机M1的线圈电感量，L₂为电机M2的线圈的电感量，L₁＝L₂。

正常状态下，并联的电机M1和电机M2的等效电阻为：

其中，R₁电机M1的线圈的电阻值，R₂为电机M2的线圈的电阻值，R₁＝R₂。

若电机M1发生开路故障，此时并联的电机M1和电机M2的等效电感变为：

L_s＝L₂#(6)

并联的电机M1和电机M2的等效电阻变为：

R_s＝R₂#(7)

由式(1)可以分别计算出并联的电机M1和电机M2的线圈的电感L和电阻R等效的一阶串联R-L电路，在电机M1和电机M2均正常的情况下的时间常数为：

在电机M1发生开路故障的情况下的时间常数为：

可见，τ_n＝τ_s。

由式(5)和式(7)可以得到R_n＝R_s/2。由于τ_n＝τ_s、R_n＝R_s/2，根据式(2)可以得到i_Ln(t)＝2i_Ls(t)，其中i_Ln(t)为电机M1和电机M2均正常时的多个电机的线圈电流的单位阶跃响应，i_Ls(t)为电机M1存在开路故障，电机M2正常时的多个电机的线圈电流的单位阶跃响应。因此，可以知道在电机M1和电机M2均正常时的激励电流和释放电流分别是在电机M1开路而电机M2正常时的激励电流和释放电流的二倍。

图2例示了电机M1和电机M2线圈的电感均为0.2mH，电阻均为0.5Ω，第一高电位节点和第一低电位节点之间的电压为12V，脉冲电压的脉宽为1ms时的仿真结果。其中，图2(a)示出了脉冲电压201、在电机M1和电机M2均正常时对应的电流曲线202以及在电机M1开路而电机M2正常时对应的电流曲线203，图2(b)示出了电流经采样电阻转换为电压后，并经放大、整形、加入偏置后得到的对应的电压曲线204和电压曲线205。

参考图2(a)所示，脉冲电压201在1ms时刻由低电平跳变为高电平，并保持高电平1ms，在2ms时刻跳变回低电平。电机M1和电机M2均正常时对应的电流曲线202包括对应于脉冲电压201在高电平时的激励电流202a和脉冲电压201回到低电平后的释放电流202b。电机M1开路而电机M2正常时对应的电流曲线203包括对应于脉冲电压201在高电平时的激励电流203a和脉冲电压201回到低电平后的释放电流203b。由图2(a)可以看出，在对应时刻，激励电流202a约为激励电流203a的两倍，释放电流202b同样约为激励电流203b的两倍。由图2(a)可以看出，在脉冲电压201由高电平跳变为低电平的时刻，电流曲线202具有最大电流值202c，电流曲线203具有最大电流值203c。在一个实施例中，可以通过将最大电流值203c与最大电流值202c比较，来确定电机M1和电机M2中是否存在开路故障。具体来说，当最大电流值203c小于或等于最大电流值202c的一半时，可以确定存在开路故障。

参考2(b)所示，在去除电压偏置后，电压曲线204约为电压曲线205的两倍。与基于电流曲线来判断是否存在开路故障的实施例类似的，可以将电压曲线205中的电压峰值与电压曲线204中的电压峰值比较，来确定电机M1和电机M2中是否存在开路故障。具体来说，当电压曲线205中的电压峰值小于或等于电压曲线204的电压峰值的一半时，可以确定存在开路故障。

基于以上的分析可以类推得到如下结论。设多个电机为n个相同的电机，激励电流和释放电流在第一节点或者半桥的中点所产生的电压的峰值为V，在n个电机均正常时激励电流和释放电流在第一节点或者半桥的中点所产生的电压的峰值为Vr，当时，故障诊断模块13可以确定n个电机中存在开路故障。

继续参考图1所示，电机控制装置10还包括第一上拉电阻15和第一下拉电阻16。第一上拉电阻15设置于一个半桥(例如半桥11b)的中点和第二高电位节点VCC之间。第一下拉电阻16设置于另一个半桥(例如半桥11a)的中点和第二低电位节点(例如接地)之间。故障诊断模块13与两个半桥11a、11b的中点分别连接，并基于两个半桥11a、11b的中点的电压确定H桥11是否存在短路故障。第二高电位节点和第二低电位节点之间例如可以具有5V或12V的压差。

在H桥控制模块12控制H桥11中的四个开关11a1、11a2、11b1、11b2均为开路的情况下，若两个半桥11a、11b的中点的电压大于或等于第一高电位节点的电压VCC的75％时，则故障诊断模块13可以确定H桥11与第一高电位节点短路。

在H桥控制模块12控制H桥中的四个开关11a1、11a2、11b1、11b2均为开路的情况下，若两个半桥11a、11b的中点的电压小于或等于第一低电位节点的电压VCC的25％时，则故障诊断模块13可以确定H桥11与第一低电位节点短路。

在一个或多个实施例中，电机控制装置10适于驱动多个电机M1、M2以实现车辆的电动门的打开和/或关闭。

由上述的描述可知，本发明的电机控制装置10仅需要两个半桥11a、11b即可实现对多个并联电机M1、M2的驱动，并且能够实现对多个并联电机M1、M2的开路故障进行检测。这有效地降低了物料成本和占用的电路板面积。另外，本发明的电机控制装置10还能够实现对H桥11的短路故障进行检测。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。