CN102009601A - 一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，包括电动车的刹车踏板、加速踏板，至少具有两相绕组的叠式永磁电动机，用于驱动电动车运行的驱动模块，电源模块，控制模块，功率变换模块，刹车踏板角度传感器，加速踏板角度传感器，用于检测相绕组电流的电流传感器，用于检测电机转子位置的位置传感器，用于检测电机速度的速度传感器，控制模块的驱动信号输出端与功率变换模块输入端相连，功率变换模块与电动机各相绕组连接；电流、速度传感器的信号输出端分别与控制模块对应信号输入端相连；刹车踏板角度传感器和加速踏板角度传感器通过总线连接到控制器相应输入端。本发明电气制动力矩大，制动方式灵活，再生能量回馈效率高。

Description

一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统

技术领域

 本发明属于驱动控制系统领域，具体为一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统。

背景技术

电动车是一种便捷的个人交通工具，以往所配电动机是永磁无刷同步电机，现配电动机是一种高效率高比能叠式永磁无铁芯无刷电机，该电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、效率高、电机的形状和尺寸可灵活多样的等显著优点，其由转轴、转轴上的永磁盘片、永磁盘片轴向间隔的导磁性的转子垫环、定子绕组盘片、定子线圈引出线、电源控制器组成。两个永磁盘片间具有多个相对的N极和S极，与转轴上的导磁性的转子垫环一起形成与马蹄形磁体等效的磁体，其形成的轴向磁力线是不均匀分布的，位置愈靠近外圆，磁力线密度愈密，而由于盘片各点的线速度随半径增大而增大，线速度越大的地方磁力线越密，从而使电动机在同样尺寸和转速条件下产生更高的功率。此电动机既具有永磁盘式无刷电机的优点，又缓解了高速运行中的动平衡问题，还大大提高了磁能的利用率。做到了高效率、高比能。可用作电动车辆和其他机器的原动力。其相关技术、也可用于高效率、高比能发电机系统及飞轮储能装置。现存的问题是，传统的电动车辆控制制动系统，一般采用再生制动和机械制动相结合的方式。而再生制动有以下缺点：能提供的制动功率及制动力有限。由于受到车载蓄电池的最大允许充电电流及充电功率的限制，再生制动的制动力矩及制动功率比较小，应用的场合收到了很大的限制。再生制动性能动态波动性较大，制动力矩随车速变化，最大允许制动力与车速成反比。而且当车速比较低时，会因电机上产生的反感应电动势过低而导致再生制动功能失效。储能元件及电机有关状态的动态变化，如储能元件的充电饱和状态、温度，电机的温度和效率等的变化，会直接影响再生制动的性能，导致其相应的动态变化。因此，设计一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动电机控制系统是必要的也是可行的。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供一种具有电气制动力矩大，制动方式灵活，再生能量回馈效率高的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，解决了再生制动功能失效等问题。      

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，包括电动车的刹车踏板、加速踏板，至少具有两相绕组的叠式永磁电动机，用于驱动电动车运行的驱动模块，还包括电源模块，控制模块，功率变换模块，刹车踏板角度传感器，加速踏板角度传感器，用于检测相绕组电流的电流传感器，用于检测电动机转子位置的位置传感器，用于检测电动机速度的速度传感器，所述控制模块的驱动信号输出端与功率变换模块的输入端相连，所述功率变换模块与电动机的各相绕组连接；各电流传感器和速度传感器的信号输出端分别与控制模块对应的信号输入端相连；刹车踏板角度传感器和加速踏板角度传感器通过总线连接到控制器相应的输入端。

所述控制模块包括信号处理器和用来存储信号处理器运算数据的静态存储器，两者通过总线相连。

作为本发明的进一步改进：所述控制模块与功率变换模块之间设有强弱电隔离模块。

所述功率变换模块包括与电动机中相绕组数量相同的功率变化单元，所述强弱电隔离模块包括与功率变化单元数量对应的强弱电隔离单元，所述控制模块分别通过强弱电隔离单元与功率功率变化单元相连，所述功率变换模块通过其功率变化单元与电动机中一绕组盘片的相绕组连接。

本发明当制动踏板变化工作状态时，制动踏板上的传感器与控制器上的数字信号处理器进行通讯，数字信号处理器计算出目前刹车踏板的状态，根据这个状态再控制电机中每一个绕组盘片的工作状态。控制系统既可以控制电动机中的每一个绕组都工作在再生制动的状态，又可以控制其中的某几个绕组工作在再生制动状态，剩下的几个励磁绕组工作在反接制动状态，还可以是电动车的电气制动和机械制动一起作用，实现了电动车驱动电机控制器系统具有电气制动力矩大，制动方式灵活，再生能量回馈效率高的优点。它解决了电动车电气制动采用再生制动时制动力矩及制动功率小，制动性能波动大，应用场合少的缺点，并具有高效的能量回馈。

附图说明

图1 为本发明驱动控制系统的控制原理框图；

图2为本实施例中涉及的叠式永磁电动机的结构简图；

图3为本实施例中控制模块的电路结构简图；

图4为本实施例中强弱电隔离单元的电路连接结构简图；

图5为本实施例中功率变化单元的电路连接结构简图；

图6为本实施例中刹车踏板传感器的电路连接结构简图；

图7为本实施例中电流传感器的电路连接结构简图；

图8为本实施例中位置传感器及速度传感器的电路连接结构简图；

图9为本发明的控制流程示意图。

    其中：电源模块1，控制模块2，叠式永磁电动机3，强弱电隔离模块4，强弱电隔离单元41，功率变换模块5，功率变化单元51，刹车踏板角度传感器6，加速踏板角度传感器7，电流传感器8，位置传感器9，速度传感器10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：如图1所示，本发明涉及一种基于叠加式永磁电机电动车驱动控制系统：包括电动车的刹车踏板、加速踏板，具有三相绕组的叠式永磁电动机3，用于驱动电动车运行的驱动模块，具有充电功能的电源模块1，控制模块2，强弱电隔离模块4、功率变换模块5，安装在刹车踏板上的刹车踏板角度传感器6，安装在加速踏板上的加速踏板角度传感器7，用于检测相绕组电流的三个电流传感器8，用于检测电动机转子位置的三个位置传感器9，用于检测电动机速度的速度传感器10，其中，控制模块包括包括信号处理器U1和用来存储信号处理器运算数据的静态存储器U13，两者通过总线相连；各位置传感器9、电流传感器8和速度传感器10的信号输出端分别与信号处理器U1对应的信号输入端相连；刹车踏板角度传感器6和加速踏板角度传感器7通过总线连接到信号处理器U1相应的输入端；强弱电隔离模块4包括三个强弱电隔离单元41，功率变换模块5包括三个功率变化单元51，所述强弱电隔离单元41、功率变化单元51和电动机中一绕组盘片的相绕组依次连接；所述信号处理器U1通过控制输出给各功率变化单元51的驱动信号实现对电动机中各绕组盘片的工作状态的控制。信号处理器U1为美国德州仪器公司生产，型号为TMS320F2812。

如图2，该图涉及一种叠式永磁电动机结构简图，其中包括电机轴3-1、电机壳3-3、永磁盘片3-2、三绕组盘片3-4，三个位置传感器；所述绕组盘片3-4与永磁盘片3-2间隔套装叠加在电机轴3-1上，三个位置传感器分别固定在各绕组盘片上；各绕组盘片3-4的相绕组和位置传感器的输出信号端通过装配接线端子引出与信号处理器U1相连。

如图3所示，该图为本发明中控制模块的电路结构简图，在该电路中，包括信号处理器U1和静态存储器U13，静态存储器型号为IS61LV51216，用来存储信号处理器U1在运算过程中的数据。其通过地址总线和数据总线与信号处理器U1相连。X1为30M的无源晶振，为信号处理器U1提供时钟基准。

    如图4所示，该图为本发明中强弱电隔离单元的电路连接结构简图，在该电路中，信号处理器U1的事件管理器单元输出PWM驱动信号分别给光耦合器U22、U25、U28，而三个光耦合器的输出信号A1PWM1、A1PWM2，B1PWM1、B1PWM2，C1PWM1、C1PWM2去驱动功率变换器。光耦合器起到了强弱电隔离的作用。图中为一个强弱电隔离单元的电路连接结构图，另外2个强弱电隔离单元连接结构与此相同。

    如图5所示，该图为本发明中功率变化单元的电路连接结构简图，在该电路中，U200采用了国际整流器公司的IR2136，它是一个三相模拟驱动器和保护集成电路，集成了三个独立的独立的600V内置自举二极管的半桥逆变栅极驱动器，其工作电压为15V。三个光耦合器的输出信号A1PWM1，A1PWM2，B1PWM1，B1PWM2，C1PWM1，C1PWM2为控制模块输出到功率变换电路单元的6路绕组盘片的PWM驱动信号，A1PWM1，B1PWM1，C1PWM1由U200的HIN1、HIN2、HIN3输入，HO1、HO2、HO3管脚输出控制电路中上半桥的三个高端功率开关管。A1PWM2，B1PWM2，C1PWM2由U200的LIN1、LIN2、LIN3输入，LO1、LO2、LO3管脚输出控制电路中下半桥的三个高端功率开关管。C200至C202为自举电容，为U200内部的三路驱动高端功率开关管的功率驱动器提供悬浮电源，D200至D202分别与自举电容串联，防止自举电容两端电压放电。R210至R215为栅极电阻，其可以调节功率开关管的开关速度，减速栅极出现的振铃现象，减小EMI，也可以对栅极电容充放电的限流作用。Q201至Q206为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)，其是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 具有驱动功率小而饱和压降低的优点。此功率变化单元的输出连到叠式永磁电动机的一绕组盘片的相绕组。

如图6所示，该图为本发明中刹车踏板传感器电路连接简图，在该电路中，U31为磁阻式角度传感器，它将角度信号转换为电信号，其型号为KMZ41。U32为信号调理芯片，它将U31输入的两路正弦信号转化为数字信号，并通过SPI总线，传输给信号处理器U1。加速踏板传感器的电路连接原理与上述电路原理相同。

如图7所示，该图为本实施例中电流传感器的电路连接结构简图；U12为电流传感器，型号为CSM040A，其将电流信号转化为电压信号，其输出经过R22、R23的分压，进入由运放U5组成的电压跟随器，再输入给控制器处理器U1的AD转换输入引脚ADCINA0。电压跟随器的输入阻抗无穷大，可以使电流检测不受后续电路的影响。其它各盘片相绕组的电流检测反馈与此相同。

如图8所示，该图为本实施例中位置传感器及速度传感器的电路连接结构简图；在该电路中，J5为连接器，其中引脚5为位置传感器提供5V工作电压，引脚2、3、4为叠式永磁电动机中位置传感器的位置脉冲信号输出端的连接接口。电阻R151至R153为上拉电阻，提高输入的位置传感器信号的驱动能力。R154至R156为阻尼电阻，以防此线路中产生振荡，电容C178至C180为滤波电容。U29为电平转换芯片，其将位置传感器的幅值为5V的脉冲信号转换为幅值为3.3V的脉冲信号，并传输给信号处理器U1的捕获单元。J13为速度传感器输入接口，其输入的脉冲信号经U29转换后输入到数字信号处理器U1的捕获单元。J14和J15分别为加速踏板角度传感器和刹车踏板角度传感器SPI总线接口。

如图9所示：描述了电动车运行过程中的在不同的场合而采用的各种算法。控制器根据加速踏板传输过来的信号，驱动电动车按照一定的速度行驶。控制器又根据刹车踏板传输过来的信号，才取不同级别的制动，是系统更加有效的进行制动和能力回收。

本发明控制系统的主要原理及过程为：当电动车正常运行时，信号处理器不断接受各传感器采集来的各种数据，并根据采集来的数据，采用不同的控制策略：

1）、当电动车加速时，加速踏板被踩下，信号处理器接收到加速踏板传感器通过SPI总线发过来的数据，计算出当前电动车所要设定的速度。速度传感器反馈脉冲信号给信号处理器，控制器根据接收到的脉冲信号，计算电动车当前的速度。电流传感器将此时绕组盘片上各相电流转化为电压信号，反馈给信号处理器。叠式永磁电机内部的位置信号传感器将电机转子位置发送给信号处理器；信号处理器采集到的这些信号，输出相应的脉冲驱动信号给功率变化单元，驱动电动机3达到所要达到的速度。

2）、当电动车减速时，加速踏板被松开，刹车踏板被踩下，信号处理器接收到刹车踏板传感器发送过来的数据，计算出当前刹车踏板被踩下的角度，选择适当的控制策略；

在加速踏板被松开，当刹车踏板不被踩下时，信号处理器采集各外部电路采集过来的反馈信号，根据这些反馈信号，输出相应的驱动信号，使叠式永磁电动机的3个绕组盘片都工作在再生制动状态，由此产生的感应电动势会产生制动力矩，使电动车减速。同时叠式永磁电动机处于发电状态，对电源模块进行能量回馈。在电动车所需的制动力矩不大的时候，可以采样这样控制策略，例如坡度较小的长下坡。

在加速踏板被松开，当刹车踏板已被踩下时，信号处理器根据采集来的信号，计算出电动车所需的制动力矩单靠再生制动已经不能够提供，这时，信号处理器使叠式永磁电动机的一绕组盘片工作于反接制动状态，另外两个绕组盘片工作在再生制动状态，一绕组盘片提供制动所需的力矩，而另外两个绕组盘片提供辅助的制动力矩，并且将电动车的动能转换为电能反馈给电源模块。工作在反接制动的绕组盘片的数量由制动踏板踩下的角度决定。当刹车踏板被踩下的角度加大时，增加工作在反接制动绕组盘片的数量，剩下的绕组盘片工作在再生制动状态，将电动车的动能转化为电能。在电动车需要一定的制动力矩时，可以采用此种控制策略，例如在坡度较大的长下坡时，光靠再生制动已经不能提供足够的制动力矩，而采用机械制动，长时间的制动会产生制动热衰退现象，影响制动性能。此时采用这种控制策略可以解决上面的问题。

3）、当电动车紧急制动时，出于安全考虑，此时应以机械制动为主，电气制动为辅。信号处理器在中轻度制动过程中，可分为减速过程和停止过程，电动车的电气制动主要负责减速过程，机械制动负责停止过程。

 本控制系统中叠式永磁电动机可同时工作在反接制动和再生制动模式，制动方式灵活，电气制动应用的范围更广，同时再生制动的能量反馈效率高，可以达到显著的节能效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明的控制系统所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本系统所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，包括电动车的刹车踏板、加速踏板，至少具有两相绕组的叠式永磁电动机，用于驱动电动车运行的驱动模块，其特征在于：还包括电源模块，控制模块，功率变换模块，刹车踏板角度传感器，加速踏板角度传感器，用于检测相绕组电流的电流传感器，用于检测电动机转子位置的位置传感器，用于检测电动机速度的速度传感器，所述控制模块的驱动信号输出端与功率变换模块的输入端相连，所述功率变换模块与电动机的各相绕组连接；各电流传感器和速度传感器的信号输出端分别与控制模块对应的信号输入端相连；刹车踏板角度传感器和加速踏板角度传感器通过总线连接到控制器相应的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述控制模块包括信号处理器和用来存储信号处理器运算数据的静态存储器，两者通过总线相连。

3.根据权利要求2所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述制动/加速踏板传感器选择为磁阻式角度传感器，其配套电路还包括将正弦信号转化为数字信号的信号调理芯片，上述传感器通过信号调理芯片与信号处理器相连。

4.根据权利要求2所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述电流传感器数量与电动机中相绕组数量相同，其配套电路还包括依次相连的分压电路、由运放组成的电压跟随器，所述电流传感器通过上述配套电路与信号处理器中的AD转换输入引脚相连。

5.根据权利要求2所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述位置传感器通过防振荡电路、滤波电路和电平转换芯片与信号处理器的信号输入端相连。

6.根据权利要求2所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述速度传感器与控制模块中的信号处理器之间设有电平转换芯片。

7.根据权利要求1所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述控制模块与功率变换模块之间设有强弱电隔离模块。

8.根据权利要求7所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述功率变换模块包括与电动机中相绕组数量相同的功率变化单元，所述强弱电隔离模块包括与功率变化单元数量对应的强弱电隔离单元，所述控制模块分别通过强弱电隔离单元与功率功率变化单元相连，所述功率变换模块通过其功率变化单元与电动机中一绕组盘片的相绕组连接。

9.根据权利要求8所述的基于叠加式永磁电机的电动车驱动控制系统，其特征在于：所述功率变化单元包括IR2136三相逆变器驱动器集成电路以及外围的配套保护电路。

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