一種提高直流無刷電機速度的控制方法及裝置的製作方法
2023-05-16 16:19:46 1
專利名稱：一種提高直流無刷電機速度的控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動車直流電機的控制方法及裝置，更具體的說是一種在不改變電機參數的條件下，提高直流電機的最高運行速度的方法及裝置。
背景技術：
目前電動自行車普遍使用的是直流無刷電機，採用由三隻或四隻12伏電池串聯供電。通過控制器來控制加到直流電機上的電壓來控制電機轉速。當電動車選用的電機轉速一定，在使用範圍內其轉速與加在電機繞組上的電壓成比例關係，所以配備在電動車上的電池組電壓限制了電動車電機的轉速。現用的電動自行車電機基本上轉速在300～450RPM範圍內，適用於不同輪徑的電動車。當相同電壓和功率的電機使用時，電動車電機的最大力矩和轉速是一個相互影響的參數，速度低的轉矩比速度高的要大。同樣參數轉矩大的電機，必然比相同輸入參數的電機的速度要慢。為克服這個矛盾，電動機廠家也設計出新型電機，也就是目前市場上的雙速無刷電機。雙速電機裡設有兩組線圈，分別為高速線圈和低速線圈，低速線圈為抽頭，電機引出二組三相線，控制器根據檢測到的電機速度通過控制器電路對線圈繞組進行切換，低速的時候用低速線圈，可以增加扭矩，高速的時候用高速線圈，可以增加速度，以達到兼顧電機運行速度和電機扭矩。
這種電機的繞組因為有兩組電機接入線，工藝變得複雜。所使用的控制器為了能夠切換，使控制器的主控制電路使用兩組驅動電機主電路，線路複雜，同時成本也增加。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種提高直流無刷電機速度的控制方法及裝置，採用相對低速無刷電機，通過智能控制和變換電壓等方法，來提高電機的最大運轉速度。
本發明解決技術問題所採用的技術方案是本發明提高電動車直流無刷電機速度的控制方法的特點是實時檢測電機的運轉速度、工作電流和工作電壓，控制電機分別工作在如下狀態狀態1，電機工作電流大於設定值，以蓄電池輸出電壓為電機的供電電壓；狀態2，電池電壓小於設定值，保持以蓄電池輸出電壓為電機的供電電壓；狀態3，電機工作電流不大於設定值、電池電壓不小於設定值時，檢測調速轉把上的電壓信號為最大時，對蓄電池組的電壓進行變換獲得變換電壓V2，此時將由蓄電池組電壓經變換獲得的變換電壓V2與蓄電池組輸出電壓V1疊加後作為電機工作電壓V1+V2，電機轉速達到原有轉速的(V1+V2)/V1倍。
本發明提高電動車直流無刷電機速度的控制裝置的結構特點是採用由蓄電池組、電子開關、直流變換模塊、PWM調速模塊、電機、智能控制晶片MCU或DSP6以及調速手把組成的控制系統；所述智能控制晶片是以蓄電池組和調速轉把的電壓信號、以電機的速度信號和電流信號作為輸入信號，通過對由電子開關和直流變換模塊構成的主變換電路的控制，在主變換電路中以開關電源的形式適時輸出變換電壓V2，以蓄電池組電壓V1和變換電壓V2的串聯疊加作為電機工作電壓，該電壓通過PWM調速模塊輸出控制電機的轉速。
本發明控制裝置的結構特點也在於在所述直流變換模塊中設置以蓄電池電壓為工作電壓的功率場效應管Q3、在其電流迴路中串聯設置電感L1、並由電感L1和二極體D2及電容C8構成功率場效應管Q3關斷時的續流迴路，所述變換電壓V2是以續流電流對電容C8的充電形成的電容C8的端電壓；所述直流變換模塊的驅動信號是由集成塊IC1、電阻R4和電容C4組成的振蕩電路產生的PWM高頻脈衝信號，該信號經由二極體D1、三極體Q1、電阻R12、電容C5、隔離變壓器TR1和電阻R7、二極體D6構成的隔離驅動電路作為功率場效應管Q3的驅動信號；構成電子開關的場效應管Q4的源極接功率場效應管Q3的漏極，場效應管Q4的漏極接地，以所述電子開關控制信號通過驅動電路驅動場效應管Q4的關斷或導通；在所述功率場效應管Q3的電流迴路中設置電流互感器TR2，構成電流檢測電路。
由控制裝置實時檢測電機的運轉速度、工作電流、工作電壓等參數。當工作電流大於設定值，不啟動主變換電路，保證電機運行效率；當電池電壓小於設定值時，同樣關斷主變換變換電路，以保護蓄電池的正常使用條件；在上述條件符合情況下，檢測調速轉把上的電壓信號為最大時，對電池的電壓進行轉換，並緩慢上升到速度最大值，實現無級變速和手動、自動調速一體化，由於電機無須繞組抽頭，每相繞組得到了充分利用，其利用率很高，在調速過程中，電機效率保持很高，電池組能量利用率高。
本發明通過使用智能開關電源對蓄電池組的電壓進行變換後併疊加，使控制器加到無刷電機繞組上的最高電壓比所使用的蓄電池組V1高出V2，電機的最高轉速達到原有轉速的(V1+V2)/V1倍。
與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明在不改變電動車所使用的電機和電池組條件下，通過智能電子技術來提高電動車電機的最高運轉速度；2、本發明所採用電壓疊加的方法來提高電機的最大輸入電壓，在升壓過程中可以採用智能控制，以使電機上電壓連續平滑地上升，電機無抖動。這一方式並非簡單地提高電源電壓，而是使用電源控制和電機控制的一體化來實現。
3、本發明使相對低速的電機在不改變電機參數的情況下，在電動車電機運行中低速度時性能不會改變，保證了電機較高的驅動轉矩和效率，通過電壓轉換疊加後給電機加電，能夠達到相對高速電機的速度。
4、本發明採用智能晶片對電機運行過程的參數實時監測。可以根據不同性能的電機，修改控制器內的軟體程序，使控制器輸出合適的參數對電機進行控制，使用範圍廣。
圖1為本發明原理框圖；圖2為本發明裝置主變換電路原理示意圖；以下通過具體實施方式
，並結合附圖對本發明作進一步說明具體實施方式
本實施例中提高直流無刷電機速度的控制方法是實時檢測電機的運轉速度、工作電流和工作電壓，控制電機分別工作在如下狀態狀態1，電機工作電流大於設定值，以蓄電池輸出電壓為電機的供電電壓；狀態2，電池電壓小於設定值，保持以蓄電池輸出電壓為電機的供電電壓；狀態3，電機工作電流不大於設定值、電池電壓不小於設定值時，檢測調速轉把上的電壓信號為最大時，對蓄電池組的電壓進行變換獲得變換電壓V2，此時將由蓄電池組電壓經變換獲得的變換電壓V2與蓄電池組輸出電壓V1疊加後作為電機工作電壓V1+V2，電機轉速達到原有轉速的(V1+V2)/V1倍。
參見圖1，本實施例中實施上述控制方法的控制裝置是採用由蓄電池組、電子開關、直流變換模塊、PWM調速模塊、電機、智能控制晶片MCU或DSP6以及調速手把組成的控制系統；所述智能控制晶片是以蓄電池組和調速轉把的電壓信號、以電機的速度信號和電流信號作為輸入信號，通過對由電子開關和直流變換模塊構成的主變換電路的控制，在主變換電路中以開關電源的形式適時輸出變換電壓V2，以蓄電池組電壓V1和變換電壓V2的串聯疊加作為電機工作電壓，該電壓通過PWM調速模塊輸出控制電機的轉速。。
圖1所示，由串聯蓄電池組為直流變換模塊提供電源，由智能控制的PWM調速模塊輸出連續可調的電壓供給電機，驅動電機運行。串聯蓄電池組的電壓信號同時送給智能控制晶片MCU/DSP6進行檢測。
電機運行過程中各相關信號送入智能控制晶片MCU/DSP6進行處理和分析，由智能控制晶片MCU/DSP6對電機的運行狀態進行控制。同時，調速手把的輸出電壓信號送入智能控制晶片MCU/DSP6進行A/D轉換後，由智能控制晶片MCU/DSP6進行運算，輸出對應的驅動電壓信號送入PWM調速模塊，並輸出對應的電壓送入電機，對電機的輸入功率進行控制，達到控制電機轉速的目的。
在電動車啟動過程中，通過智能控制晶片MCU/DSP6檢測，控制電子開關為導通，PWM調速模塊進行工作，關斷直流變換模塊，並對電機的信號實時監測。在調速手把加到最大，PWM調速模塊工作為100％全導通時，檢測電機的工作電流，符合設定值時，由智能控制晶片MCU/DSP6控制關斷電子開關，直流變換模塊開始工作，PWM調速模塊工作在全導通狀態，電機上電壓連續平滑上升，速度逐漸提高。
電動車在運行過程中如爬坡，電機上所需輸入功率加大，智能控制晶片MCU/DSP6檢測到電流值達到設定值，逐漸減小直流變換模塊輸出電壓，並計算電機上的電流值，當電流繼續上升，關斷直流變換模塊，開通電子開關，由蓄電池組直接給電機提供電源。
參見圖2，在直流變換電路中設置以蓄電池電壓為工作電壓的功率場效應管Q3、在其電流迴路中串聯設置電感L1、並由電感L1和二極體D2及電容C8構成功率場效應管Q3關斷時的續流迴路，變換電壓V2是以續流電流對電容C8的充電形成的電容C8的端電壓；直流變換模塊的驅動信號是由集成塊IC1、電阻R4和電容C4組成的振蕩電路產生的PWM高頻脈衝信號，該信號經由二極體D1、三極體Q1、電阻R12、電容C5、隔離變壓器TR1和電阻R7、二極體D6構成的隔離驅動電路作為功率場效應管Q3的驅動信號；構成電子開關的場效應管Q4的源極接功率場效應管Q3的漏極，場效應管Q4的漏極接地，以電子開關控制信號通過驅動電路驅動場效應管Q4的關斷或導通；在功率場效應管Q3的電流迴路中設置電流互感器TR2，構成電流檢測電路。
圖2所示，由MCU/DSP輸出控制信號通過二極體D3對變換電路進行控制，MCU/DSP輸出的控制信號高電平時關斷變換電路；當MCU/DSP輸出的控制信號為低電平時，開啟由功率場效應管Q3、電感L1、續流二極體D2和電容C8組成的開關電源變換電路。
由集成塊IC1、電阻R4、電容C4組成振蕩電路產生PWM高頻脈衝信號，通過由二級管D1、三極體Q1、電阻R12、電容C5、隔離變壓器TR1、電阻R7和二極體D6組成的隔離驅動電路產生PWM脈衝，並驅動功率場效應管Q3；當PWM脈衝信號為高時，功率場效應管Q3導通，通過BATTERY+接入電壓為V1的電池組正極，電池對電感L1充電；PWM脈衝信號為低時，功率場效應管Q3關斷，電感L1上的能量通過續流二極體D2對電容C8進行充電，在電容C8上產生所需要的變換電壓V2。通過輸出正極和輸出負極輸出給調速模塊的電壓為V＝V1+V2，電壓V通過電阻R6反饋給集成塊IC1的2腳電壓反饋端進行反饋控制，保證輸出電壓V的穩定。充電電流由電流互感器TR2、電阻R8和橋式整流電路BR1組成的電流取樣電路輸出給IC1的3腳電流反饋端，對充電電流進行控制。場效應管Q4為電子開關，由二極體D5、電阻R11、三極體Q2、電阻R10和R9組成電子開關驅動電路，當開關變換電路工作時，電子開關控制口輸出低電平，關斷電子開關Q4，變換電路輸出疊加電壓V＝V1+V2，其中V1為C6上的電壓，V2為C8上的電壓。C7為輸出電壓V的濾波電容。當MCU/DSP關斷變換電路時，電子開關控制口輸出高電平，Q4導通，此時輸出電壓為電池組電壓V1。
權利要求
1.一種提高電動車直流無刷電機速度的控制方法，其特徵是實時檢測電機的運轉速度、工作電流和工作電壓，控制電機分別工作在如下狀態狀態1，電機工作電流大於設定值，以蓄電池輸出電壓為電機的供電電壓；狀態2，電池電壓小於設定值，保持以蓄電池輸出電壓為電機的供電電壓；狀態3，電機工作電流不大於設定值、電池電壓不小於設定值時，檢測調速轉把上的電壓信號為最大時，對蓄電池組的電壓進行變換獲得變換電壓V2，此時將由蓄電池組電壓經變換獲得的變換電壓V2與蓄電池組輸出電壓V1疊加後作為電機工作電壓V1+V2，電機轉速達到原有轉速的(V1+V2)/V1倍。
2.提高電動車直流無刷電機速度的控制裝置，其特徵是採用由蓄電池組、電子開關、直流變換模塊、PWM調速模塊、電機、智能控制晶片MCU或DSP6以及調速手把組成的控制系統；所述智能控制晶片是以蓄電池組和調速轉把的電壓信號、以電機的速度信號和電流信號作為輸入信號，通過對由電子開關和直流變換模塊構成的主變換電路的控制，在主變換電路中以開關電源的形式適時輸出變換電壓V2，以蓄電池組電壓V1和變換電壓V2的串聯疊加作為電機工作電壓，該電壓通過PWM調速模塊輸出控制電機的轉速。
3.根據權利要求2所述的提高電動車直流無刷電機速度的控制裝置，其特徵是在所述直流變換模塊中設置以蓄電池電壓為工作電壓的功率場效應管Q3、在其電流迴路中串聯設置電感L1、並由電感L1和二極體D2及電容C8構成功率場效應管Q3關斷時的續流迴路，所述變換電壓V2是以續流電流對電容C8的充電形成的電容C8的端電壓；所述直流變換模塊的驅動信號是由集成塊IC1、電阻R4和電容C4組成的振蕩電路產生的PWM高頻脈衝信號，該信號經由二極體D1、三極體Q1、電阻R12、電容C5、隔離變壓器TR1和電阻R7、二極體D6構成的隔離驅動電路作為功率場效應管Q3的驅動信號；構成電子開關的場效應管Q4的源極接功率場效應管Q3的漏極，場效應管Q4的漏極接地，以所述電子開關控制信號通過驅動電路驅動場效應管Q4的關斷或導通；在所述功率場效應管Q3的電流迴路中設置電流互感器TR2，構成電流檢測電路。
全文摘要
一種提高電動車直流無刷電機速度的控制方法及裝置，其特徵是實時檢測電機運轉速度、工作電流和電壓，控制電機分別工作在狀態1電機工作電流大於設定值，以蓄電池輸出電壓為電機供電電壓；狀態2電池電壓小於設定值，保持以蓄電池輸出電壓為電機供電電壓；狀態3電機工作電流不大於設定值、電池電壓不小於設定值，檢測調速轉把上電壓信號為最大時，對蓄電池組電壓進行變換獲得變換電壓V2，將變換電壓V2與蓄電池組輸出電壓V1疊加後作為電機工作電壓，使電機轉速達到原有轉速的(V1+V2)/V1倍。
文檔編號H02P7/06GK101026353SQ20061015608
公開日2007年8月29日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者何茂彬, 倪捷, 王建國, 胡繼紅, 肖軍 申請人:金華市綠源電動車有限公司, 合肥力成電動科技有限公司