CN201626316U - 电动汽车无刷双馈电机驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属电动汽车及混合动力汽车驱动装置领域，包括无刷双馈电机、定子逆变器、转子逆变器、定子/转子绕组继电控制电路、电机驱动及控制模块、电动汽车整车控制器、蓄电池、电池管理单元及电流电压转速传感器；定子逆变器及转子逆变器的端口分别接蓄电池的端口；电机驱动及控制模块的端口分别接定子逆变器及转子逆变器的端口；电机驱动及控制模块的端口接定子/转子绕组继电控制电路的端口；所述电机驱动及控制模块包括：中央处理模块、电流/电压信号调理/变换电路、光电编码器信号调理电路、定子/转子逆变器隔离驱动电路；本实用新型可提高汽车高速区的控制力矩，扩大调速范围，提升能量回收率，提高电动汽车的续航里程。
Description
技术领域
本实用新型属电动汽车及混合动力汽车驱动系统及其控制技术领域，涉及一种可应用于混合动力汽车、电力机车等高性能调速系统的电动汽车无刷双馈电机驱动装置。
背景技术
电机驱动系统是电动汽车的关键部件，在车载蓄电池技术尚未取得突破的前提下，它决定着整车的运行性能。目前的电动汽车使用的电机主要有感应电机、开关磁阻电机和永磁电机三种。感应电机结构简单，可靠性高，矢量控制、直接转矩控制的应用又使之具有了类似于直流电机的优良特性，但能流控制灵活性差。绕线式感应电机运行控制灵活性高，但存在电刷。开关磁阻电机结构简单、坚固，既具有异步电机矢量控制系统的高效率、高可靠性，又具有直流调速系统的良好控制特性，但是其噪声大、转矩脉动严重，采用它驱动汽车，平稳性较差；永磁电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值，但永磁电机需检测转子磁极位置，高速运行较为复杂；永磁材料属于稀缺资源，价格昂贵；而且永磁体有退磁问题，造价亦比较高，这些都制约了永磁电机的在汽车中的应用。
传统双馈电机的最大缺点是存在电刷，无刷双馈电机在结构上克服了绕线电机双馈运行的致命弱点，但其应用尚很局限，目前双馈电机的应用大多集中在发电运行，而无刷双馈电机应用于电动汽车和混合动力汽车的驱动系统尚未见报道。
实用新型内容
本实用新型旨在克服现有技术的不足之处而提供一种电动汽车双馈电机驱动装置；其可提高汽车高速区的控制力矩，扩大调速范围，提升能量回收率；通过降低电机驱动系统的能耗，进而提高电动汽车的续航里程；当逆变电路出现故障时，不须增加设备即可为汽车提供低速冗余运行，虽增加一套逆变装置，但通过对系统各种运行状态下的能流分析可优化两个逆变器的容量，使每个两个逆变器的容量减低，由于大容量逆变器与小容量逆变器的价格是非线性升高的，因此总的逆变器成本不会有大的增加。
为达到上述目的，本实用新型电动汽车无刷双馈电机驱动装置是这样实现的：
一种电动汽车无刷双馈电机驱动装置，它包括无刷双馈电机、定子逆变器、转子逆变器、定子/转子绕组继电控制电路、电机驱动及控制模块、电动汽车整车控制器、蓄电池、电池管理单元及电流电压转速传感器；
所述定子逆变器及转子逆变器的端口分别接蓄电池的端口；无刷双馈电机的定、转子依次由定子逆变器及转子逆变器从蓄电池吸收能量或向蓄电池回馈能量；
所述电机驱动及控制模块的端口分别接定子逆变器及转子逆变器的端口，由所述电机驱动及控制模块向定子逆变器及转子逆变器提供PWM控制信号；
所述电动汽车整车控制器接收电机驱动及控制模块提供的电机运行状态信号，并向其发出转矩控制命令；
所述电流电压转速传感器及电池管理单元依次向电机驱动及控制模块发出反馈信号及电池管理信号；
所述电机驱动及控制模块的端口接定子/转子绕组继电控制电路的端口；定子/转子绕组继电控制电路依据所述电机驱动及控制模块的指令控制无刷双馈电机的运行模式；
所述定子/转子绕组继电控制电路由电机驱动及控制模块根据整车控制器提供的信息控制所述无刷双馈电机的驱动方式。
作为一种优选方案，本实用新型所述电机驱动及控制模块包括：中央处理模块、电流/电压信号调理/变换电路、光电编码器信号调理电路、定子/转子逆变器隔离驱动电路；电流电压传感器所采集的反馈信号经电流/电压信号调理/变换电路滤波并变换，转速传感器所采集的反馈信号经光电编码器信号调理电路进行整形及倍频后，输入至中央处理模块；由中央处理模块计算定子逆变器及转子逆变器的PWM驱动信号，经定子/转子逆变器隔离驱动电路进行功率放大后输出至定子逆变器及转子逆变器。
作为另一种优选方案，本实用新型所述电压/电流转速传感器包括：霍尔式电压/电流传感器及增量式光电编码器。
进一步地，本实用新型所述中央处理模块采用DSP-TMS320F2812芯片，利用其内置的12个PWM输出端子同时控制双馈电机定、转子的输入电压。
更进一步地，本实用新型所述定子逆变器及转子逆变器采用IGBT开关元件。
另外，本实用新型在所述电动汽车电机驱动及控制模块中设有定子/转子逆变器故障检测分析单元；所述定子/转子逆变器故障检测分析单元的端口经中央处理单元接定子逆变器及转子逆变器的端口；所述定子/转子逆变器故障检测分析单元实时监测定子逆变器及转子逆变器的工作状态，并将故障状态信号送入整车控制器。
本实用新型为电动汽车提供了一种新型的电机驱动系统——无刷双馈电机驱动系统，无刷双馈电机调速具有功率因数高，动态性能好，调速范围宽等优点，将其应用于汽车的驱动系统，将电能分别馈入定子和转子绕组，集电动和发电功能为一体，可以灵活实现双馈、异步、同步运行方式，显著提高传动系统的能量的可控性，最大限度的提升制动状态下的能量回收率，同时在系统不增加任何设备的情况下提供一套故障状态下冗余的逆变器，提高汽车野外行驶的可靠性。
本实用新型将无刷双馈电机作为电动汽车的驱动电机，可获得宽调速范围及快速的动态响应，制动状态下能量回馈率高，机械特性硬，抗扰性强，而且在一套逆变器发生严重故障的情况下，电机仍可作为一般的感应电机使用，对于野外工作的汽车来说，相当于整个驱动装置存在一套不用增加设备的“冗余”系统，大大提高了野外汽车运行的可靠性。为电动汽车驱动电机控制系统的研发提供一条新思路。
无刷双馈电机异步、同步、双馈多种运行方式的灵活操控，更适合汽车复杂的运行工况，宽调速范围降低了对汽车机械传动装置的要求，制动能量回收率高。
本实用新型亦可应用于混合动力汽车领域，在电力电子器件的发展日新月异的今天，本实用新型有很好的应用前景和市场前景。
综合以上因素，与现有技术相比，本实用新型的应用可在如下方面提高汽车的控制性能：
1、可提高汽车高速区的控制力矩，扩大调速范围。
2、可提高汽车制动状态下的能量回收率，提高电动汽车的续航里程。
3、可降低单个逆变器的容量，使其工作电流减小，降低电机驱动系统的能耗。
4、当逆变器出现故障时，汽车可降速冗余行驶，提高驱动系统工作的可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。本实用新型的保护范围不仅局限与下列内容的表述。
图1为本实用新型电动汽车驱动系统的整体结构简图；
图2为本实用新型电动汽车无刷双馈电机驱动装置方框图；
图3为本实用新型CAN总线及串行接口通讯电路；
图4为本实用新型定子侧电压电流采集调理电路；
图5为本实用新型定子侧逆变器开关元件隔离驱动电路；
图6为本实用新型光电编码器信号调理电路；
图7为本实用新型定转子继电控制电路；
图8为本实用新型转子侧电压电流采集调理电路；
图9为本实用新型转子侧逆变器开关元件隔离驱动电路；
图10为本实用新型故障检测分析及保护电路。
具体实施方式
如图1及图2所示，电动汽车无刷双馈电机驱动装置，它包括无刷双馈电机、定子逆变器、转子逆变器、定子/转子绕组继电控制电路、电机驱动及控制模块、电动汽车整车控制器、蓄电池、电池管理单元及电流电压转速传感器；
所述定子逆变器及转子逆变器的端口分别接蓄电池的端口；无刷双馈电机的定、转子依次由定子逆变器及转子逆变器从蓄电池吸收能量或向蓄电池回馈能量；
所述电机驱动及控制模块的端口分别接定子逆变器及转子逆变器的端口，由所述电机驱动及控制模块向定子逆变器及转子逆变器提供控制信号；
所述电动汽车整车控制器接收电机驱动及控制模块提供的电机运行状态信号，并向其发出转矩控制命令；
所述电流电压转速传感器及电池管理单元依次向电机驱动及控制模块发出反馈信号及电池管理信号；
所述电机驱动及控制模块的端口接定子/转子绕组继电控制电路的端口；定子/转子绕组继电控制电路依据所述电机驱动及控制模块的指令控制无刷双馈电机的运行模式；
所述定子/转子绕组继电控制电路由电机驱动及控制模块根据整车控制器提供的信息控制所述无刷双馈电机的驱动方式。
所述电机驱动及控制模块包括：中央处理模块、电流/电压信号调理/变换电路、光电编码器信号调理电路、定子/转子逆变器隔离驱动电路；电流电压传感器所采集的反馈信号经电流/电压信号调理/变换电路滤波并变换，转速传感器经光电编码器信号调理电路进行整形及倍频后，输入至中央处理模块；由中央处理模块计算定子逆变器及转子逆变器的PWM驱动信号，经定子/转子逆变器隔离驱动电路进行功率放大后输出至定子逆变器及转子逆变器。
所述电压/电流转速传感器包括：霍尔式电压/电流传感器及增量式光电编码器。
所述中央处理模块采用DSP-TMS320F2812芯片，利用其内置的12个PWM输出端子同时控制双馈电机定、转子的输入电压。所述定子逆变器及转子逆变器采用IGBT开关元件。
本实用新型主要包括无刷双馈电机、电机驱动及控制模块、定子/转子逆变器及其辅助电源几大部分。
其中，电机驱动及控制模块包括：中央处理模块(CPU-DSP-TMS320F2812芯片)、电流/电压信号调理/变换电路、光电编码器信号调理电路、定子/转子逆变器隔离驱动电路；电流电压传感器所采集的反馈信号经电流/电压信号调理/变换电路滤波并变换，转速传感器经光电编码器信号调理电路进行整形及倍频后，输入至中央处理模块；由中央处理模块计算定子逆变器及转子逆变器的PWM驱动信号，经定子/转子逆变器隔离驱动电路进行功率放大后输出至定子逆变器及转子逆变器。
本实用新型所述电机驱动及控制模块包括驱动模块及控制模块。所述电机驱动及控制模块中的控制模块包括中央处理器CPU-DSP-TMS320F2812芯片、故障检测分析及保护电路参见图10、电流/电压信号调理/变换电路，即定、转子电压电流信号采集调理电路参见图4及图8。电机驱动及控制模块中的光电编码器信号调理电路参见图6。
参见图2，本实用新型由霍尔式电压/电流传感器将电机电流/电压信号测量并经电流/电压信号调理/变换电路变换整理送入CPU-DSP-TMS320F2812芯片；所述增量式光电编码器测量电机的转速信号经光电编码器信号调理电路进行整形及倍频后输入CPU-DSP-TMS320F2812芯片；
所述定子逆变器及转子逆变器的输出端接无刷双馈电机的定、转子输入端；所述电机驱动及控制模块中的驱动模块包括定子/转子逆变器隔离驱动电路，参见图5及图9。定子/转子逆变器隔离驱动电路的端口与定子逆变器及转子逆变器的输入端相接；所述电机驱动及控制模块中的驱动模块和控制模块通过CAN总线与整车控制器进行通讯，接收控制信息并返回运行状态，以实现对所述无刷双馈电机的控制，参见图3；所述定子逆变器及转子逆变器依据电机驱动及控制模块中发出的PWM信号将蓄电池的直流电压分别转换成可变频率的交流电压提供给所述无刷双馈电机的定子和转子。本实用新型所述定转子逆变器采用电压型逆变器。
本实用新型驱动电机双绕组无电刷，定、转子分别由与电机驱动及控制模块相接的两套逆变器供电；两套逆变器直接与蓄电池相接，从蓄电池吸收能量或向蓄电池回馈能量。
电机驱动及控制模块需要的反馈信号(电机定、转子电流，逆变器输入电压及电机转速的实时采集数据)由霍尔式电压/电流传感器及增量式光电编码器提供，参见图2。电机驱动及控制模块通过CAN总线接收整车控制器提供的转矩命令信号及电池管理单元的信息，由电流、电压、转速传感器提供反馈信号，采用电压电流信号调理变换电路将电压、电流反馈信号滤波并变换为主控CPU芯片DSP-TMS320F2812芯片可接收的信号，采用增量式光电编码器的信号调理电路对转速反馈信号进行整形及倍频。电机驱动及控制模块中的CPU芯片DSP-TMS320F2812芯片计算两套逆变器的PWM驱动信号，经开关元件驱动电路进行功率放大后输出，为两套逆变器的12个开关元件IGBT提供控制信号。
由电机驱动及控制模块中的CPU芯片DSP-TMS320F2812芯片软件控制定、转子绕组继电控制电路，使电机在高速区或重载时采用定/转子同时供电的双馈运行方式；在低速区或轻载时可以采用定子供电的异步运行方式。如果定子逆变装置发生故障，采用转子单独供电的异步运行方式，如果转子逆变装置发生故障，采用定子单独供电的异步运行方式。在下坡或制动时，高速时定、转子同时向蓄电池回馈能量，低速时由定子向蓄电触回馈能量。
本实用新型电动汽车无刷双馈电机驱动装置的蓄电池与定转子两个逆变器相连，电动时蓄电池通过逆变器为定/转子供电，制动时定/转子通过逆变器将能量回收进蓄电池。逆变电路将直流电压变换成可调频率的交流电压，为双馈电机供电。电机驱动及控制模块的DSP-TMS320F2812芯片通过CAN总线与整车控制器进行通讯，接收转矩控制命令并返回电机的运行状态，在汽车需要发出驱动力矩时，整车控制器向DSP-TMS320F2812芯片发出指令，DSP芯片根据直接转矩控制算法进行控制运算，获得两套逆变器开关元件IGBT的PWM控制信号，经光电隔离后由开关元件驱动电路放大后送给逆变电路，逆变电路依据PWM信号将蓄电池的直流电压转换成可变频率的交流电压提供给所述无刷双馈电机的定子和转子。在能量回收工作状态时，整车控制器向DSP芯片发出指令，逆变电路根据DSP芯片发出的控制信号，工作在整流工作方式，将电机回馈的交流电压整为直流电压，向蓄电池充电，参见图1及图2。
由于本系统采用双馈电机直接转矩控制方法，控制算法需要定、转子三相电流、逆变电路母线直流电压及电机转速的实时数据，电压/电流转速传感器中的霍尔式电流和电压传感器完成电流、电压的采样，增量式光电编码器完成电机转速的采样，经电机的电压电流信号调理电路送入电机驱动及控制模块的CPU——DSP-TMS320F2812芯片的输入端，CPU进行直接转矩控制运算，实现磁链闭环、转矩闭环和转速闭环控制，通过事件管理器输出PWM控制信号，如图2所示。
作为一种优选方案，本实用新型特别在电机驱动及控制模块中设有电机定子逆变器及转子逆变器故障检测分析单元，实时监测两套变频调速装置的工作状态，当检测到定子逆变器发生故障时，电机驱动及控制模块发出指令，将无刷双馈电机的定子三相绕组电路短路，此时切换到转子逆变单边调速状态；当检测到转子逆变器发生故障时，将无刷双馈电机的转子三相绕组电路短路，此时切换到定子逆变装置单边调速状态；这种冗余的控制方式大大提高了本驱动系统的可靠性，如图7所示。S1、S2、S3分别是来自于DSP的控制信号，S1信号用于实现系统的异步状态启动，S2信号将系统运行由异步状态切换到双馈运行状态，S3信号为定子逆变器故障时运行状态。S1由控制板P1口的T3PWM给出，S2由T4PWM给出，S3由T1CTPR给出，参见图7。
本实用新型电动汽车用无刷双馈电机驱动系统及其控制技术，其电力驱动部分使用无刷双馈电机，控制技术上应用变频调速的直接转矩控制理论，该电机控制系统集电动汽车的电动机、发电机、起动机于一体，通过控制技术实现起动、制动、正转、反转运行。
本实用新型所述的无刷双馈电机是一种绕线式无刷双馈电机，其结构包括机壳、定子、绕线式转子、电机轴。其中，定子铁芯上设置两套独立的线圈绕组，两套绕组共用同一个定铁芯，它比普通电机具有更宽的调速范围，更快的调速性能，更灵活的能量流向控制。
在控制系统的实现方面采用双逆变器，本实用新型采用两套逆变器，实现无刷双馈电机控制系统能量的双向流动，参见图1及图2。为解决电机定、转子绕组逆变装置的容量匹配的难点问题，本实用新型采用无功功率控制的方法，使转子无功功率减到最小，提高驱动效率，获得最小铜耗，减小驱动装置中的开关元件容量等级，使两套逆变器的容量均大幅减小，降低系统成本。
如图1所示，为应用无刷双馈电机的电动汽车驱动系统结构。
整车控制器通过CAN总线为电机驱动系统提供转矩控制命令并接收电机驱动系统的运行状态信号，电机驱动控制器根据整车指令控制电机的运行，蓄电池为电机提供驱动能量，汽车制动时，电机会将汽车轴上能量回收进蓄电池。电机采用无刷双馈电机，其定转子均接三相逆变电源，有两个逆变器根据电机驱动及控制模块发出的PWM信号将电池的直流电压转换成可变频率的交流电压提供给双馈电机的定子和转子。
电机驱动及控制模块采用变频调速直接转矩控制方法。
本实用新型硬件结构框图如图2所示，根据强弱电的区别，系统由两块电路板组成，分别是功率板和控制板。功率板集成了系统中所有的强电部分，包括逆变器主电路，母线电压检测，定、转子两路电流信号检测，保护电路和定转子绕组继电控制电路。控制板使用电机专用控制芯片DSP-TMS320F2812为CPU，控制板主要有以下几个部分组成：CPU及外围辅助电路，主要负责直接转矩控制策略和算法的实现，产生IGBT的PWM触发信号等工作；CAN总线及串口通信模块通过总线与汽车整车控制器通讯，接收对电机的控制信息并返回运行状态，使汽车整车控制器根据信息要求对电机进行调速、制动等控制，开关元件IGBT驱动隔离电路，母线电压及定、转子电流信号调理电路，光电编码器信号调理电路及故障检测分析电路。
本实用新型采用的无刷双馈电机可运行在供电方式不同的异步和双馈多种种调速方式，在电机定子和转子两侧均可施加频率可控的电压来实现对电机转速的调节。
由于道路状况的复杂性，电动汽车对双馈电机驱动系统的要求比较苛刻，要求双馈电机能够提供较高的起动转矩，能够在较大的调速范围内比较快的调速，并且能够有效的回馈电能。
可以理解地是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.电动汽车无刷双馈电机驱动装置，其特征在于，包括无刷双馈电机、定子逆变器、转子逆变器、定子/转子绕组继电控制电路、电机驱动及控制模块、电动汽车整车控制器、蓄电池、电池管理单元及电流电压转速传感器；
所述定子逆变器及转子逆变器的端口分别接蓄电池的端口；无刷双馈电机的定、转子依次由定子逆变器及转子逆变器从蓄电池吸收能量或向蓄电池回馈能量；
所述电机驱动及控制模块的端口分别接定子逆变器及转子逆变器的端口，由所述电机驱动及控制模块向定子逆变器及转子逆变器提供控制信号；
所述电动汽车整车控制器接收电机驱动及控制模块提供的电机运行状态信号，并向其发出转矩控制命令；
所述电流电压转速传感器及电池管理单元依次向电机驱动及控制模块发出反馈信号及电池管理信号；
所述电机驱动及控制模块的端口接定子/转子绕组继电控制电路的端口；定子/转子绕组继电控制电路依据所述电机驱动及控制模块的指令控制无刷双馈电机的运行模式；
所述定子/转子绕组继电控制电路由电机驱动及控制模块根据整车控制器提供的信息控制所述无刷双馈电机的驱动方式。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无刷双馈电机驱动装置，其特征在于：所述电机驱动及控制模块包括：中央处理模块、电流/电压信号调理/变换电路、光电编码器信号调理电路、定子/转子逆变器隔离驱动电路；电流电压传感器所采集的反馈信号经电流/电压信号调理/变换电路滤波并变换，转速传感器经光电编码器信号调理电路进行整形及倍频后，输入至中央处理模块；由中央处理模块计算定子逆变器及转子逆变器的PWM驱动信号，经定子/转子逆变器隔离驱动电路进行功率放大后输出至定子逆变器及转子逆变器。
3.根据权利要求2所述的电动汽车无刷双馈电机驱动装置，其特征在于：所述电压/电流转速传感器包括：霍尔式电压/电流传感器及增量式光电编码器。
4.根据权利要求2或3所述的电动汽车无刷双馈电机驱动装置，其特征在于：所述中央处理模块采用DSP-TMS320F2812芯片，利用其内置的12个PWM输出端子同时控制无刷双馈电机定、转子的输入电压。
5.根据权利要求4所述的电动汽车无刷双馈电机驱动装置，其特征在于：所述定子逆变器及转子逆变器采用IGBT开关元件。
6.根据权利要求5所述的电动汽车无刷双馈电机驱动装置，其特征在于：在所述电机驱动及控制模块中设有定子/转子逆变器故障检测分析单元；所述定子/转子逆变器故障检测分析单元的端口接定子逆变器及转子逆变器的端口；所述定子/转子逆变器故障检测分析单元实时监测定子逆变器及转子逆变器的工作状态，并将故障状态信号送入电动汽车整车控制器。
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