具有再生制動功能的串勵直流電機控制器的製作方法

2024-03-06 18:24:15 2

專利名稱：具有再生制動功能的串勵直流電機控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電機的調速控制技術，特別涉及一種用於電動汽車的串勵直流電機 的具有再生制動功能的斬波控制器。
背景技術：
近年來，隨著能源危機和環境問題的日益嚴重，傳統內燃機汽車的燃料不可持 續性、高汙染等問題越來越受到人們的關注。特別是石油危機和金融危機的爆發，使傳 統的汽車行業遭到重創，發展電動汽車成為世界各大汽車廠商的共同戰略選擇。在這方 面，我國對電動汽車產業的扶持不遺餘力，建立起了電動汽車「三縱三橫」研發布局。電動汽車在行駛過程中由於時常要剎車、下坡，很大一部分能量得不到充分利 用，從而造成能源的極大浪費。再生制動技術，即能量回收技術，能夠將制動能量回饋 到蓄電池中，從而延長了電動車的續駛裡程，同時提高剎車安全性，是一種具有經濟價 值和社會價值的技術。串勵直流電機由於具有大啟動轉矩、高過載性能等特點，在電動汽車、電動工 程車等方面具有廣泛的應用。但是，串勵電機的勵磁線圈通常與電樞線圈串聯連接，如 果利用傳統的boost升壓斬波電路進行再生制動，當功率開關器件(或電力電子開關器 件)斷開時，勵磁線圈的電流消失，勵磁線圈的磁場隨之消失，因此電樞線圈兩端的反 電動勢將不能維持。因此，由於串勵直流電機自身結構的原因，不能利用一般意義上的 boost升壓斬波電路進行能量回收，因此市場上廣泛的應用串勵電機的電動車輛無法將剎 車或下坡時的能量進行有效地回收利用，造成了巨大的能量浪費。在現有的理論和技術方面，發明專利申請號為200910022492.3的「具有制動功 能的串勵直流交叉連接雙電動機的控制系統」給出了一種具有制動功能的串勵直流交叉 連接雙電動機的控制系統，該方法採用兩臺電機交叉連接，相互提供勵磁電流，從而保 證PWM控制時勵磁電流不會消失。這種方法能夠實現串勵電機的再生制動，但由於需 要同時控制兩臺電機，成本高，控制方法複雜，實用性不高。另一個方法為專利申請號為200410020795.9的發明「再生制動的直流電機斬波 調速器」的設計，該設計試圖對傳統的調速電路進行調整，設計了一條再生制動迴路， 當再生制動時切換到該迴路，從而實現再生制動功能。但是通過分析可以很容易發現， 當利用該電路將工作狀態切換到剎車再生制動方式(Q斷開，Z閉合)時，並不像發明者 所說的那樣電樞線圈MQ向電池充電，同時為勵磁線圈提供續流電流。這是因為當Q斷 開Z閉合的瞬間，勵磁線圈FQ不但不能維持電流，反而會使電流瞬間反向，從而產生反 向的勵磁磁場，這樣電樞線圈MQ所謂可以向電池充電的反電動勢也不能維持，所以不 能達到再生制動的目的，同時這樣做還會對電機的電樞和勵磁線圈造成很大的衝擊，很 容易造成電機的損壞。

發明內容
本發明目的是針對現有技術的不足，解決制動時勵磁不能續流而使電樞不能 提供持續反電動勢的問題，提供一種能夠適用於串勵直流電機的改進型boost電路，把再 生制動技術拓展到串勵直流電機的範疇，得到一種具有再生制動功能的串勵直流電機控 制器，將能源充分利用起來。本發明的技術方案是一種具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，包括串 聯連接的蓄電池、主開關J3、電樞M、勵磁W和功率開關器件K，還包括使電樞M和勵 磁W並聯連接或串聯連接的切換開關J4，以及在電樞M和勵磁W串聯時並聯在電樞M 和勵磁W的串聯支路的兩端、在電樞M和勵磁W並聯時並聯在勵磁W兩端的第三續流 二極體FWD ；在所述主開關J3的兩端並聯有第一續流二極體PX ；所述第一續流二極體 PX的負極連接蓄電池的正極。進一步的，所述具有再生制動功能的串勵直流電機控制器中，在所述電樞M的
兩端並聯有第二續流二極體PD。進一步的，所述具有再生制動功能的串勵直流電機控制器中，所述切換開關J4 包括6個觸點，第一觸點和電樞M的第一端連接，第二和第三觸點和電樞M的第二端連 接，第四和第五觸點連接勵磁W的第一端，勵磁W的第二端連接功率開關器件K的第一 端，切換開關J4的第六觸點連接功率開關器件K的第二端；切換開關J4的第二觸點和第 五觸點相連，或者第一觸點和第四觸點連通、第三觸點和第六觸點連通。進一步的，所述具有再生制動功能的串勵直流電機控制器還包括正反轉切換開關 JU J2,正反轉切換開關Jl、J2分別連接在勵磁W的兩端，或者連接在電樞M的兩端。進一步的，所述具有再生制動功能的串勵直流電機控制器中，所述主開關J3、 切換開關J4、正反轉切換開關Jl、J2分別採用繼電器、功率三極體、mos管、IGBT、 IPM中的一種開關器件。進一步的，所述具有再生制動功能的串勵直流電機控制器中，所述功率開關器 件K為MOS管，其柵極加有PWM脈衝控制信號；或所述功率開關器件K為功率晶體 管，其基極加有PWM脈衝控制信號；或所述功率開關器件K為IGBT管，其柵極加有 PWM脈衝控制信號；或所述功率開關器件K為IPM，其驅動控制輸入引腳加有PWM脈 衝控制信號。進一步的，所述具有再生制動功能的串勵直流電機控制器還包括和蓄電池串聯 的電流傳感器IS。本發明的優點是本發明對現有的用於一般直流電機的boost升壓斬波電路進行 改進，使電動汽車用的串勵直流電機在制動時能夠保證勵磁線圈始終有電流通過，從而 保證勵磁磁場始終存在，電樞線圈能夠有持續的反電動勢產生來用於為電池充電，從而 將電動車輛在剎車和下坡等工作狀態下的動能轉化為蓄電池的電能，實現再生制動的目 的。本設計與現有技術相比，能夠實現串勵直流電機的再生制動，同時硬體結構簡 單，成本低。特別是再生制動技術的加入對於廣泛應用串勵電機的電動車輛具有極大地 經濟價值和社會價值。一方面，再生制動技術能夠有效回收車輛剎車或下坡時的動能並 回充蓄電池，提高能源利用率；另一方面，傳統的串勵電機電動車採用純機械的制動方式，制動效果差，且易發生抱死等現象，造成車輛穩定性和操控性下降。引入再生制動 後，可以有效縮短制動距離，同時由於再生制動是脈衝式的制動，制動力隨PWM周期變 化，而不是恆定不變的，可以有效較少車輪抱死的風險，對於改善剎車時車輛的穩定性 和操控性都具有重要意義。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖1為本發明實施例的串勵直流電機控制器的電路原理圖； 圖2為本發明實施例處於驅動模式時的簡化電路原理圖； 圖3為本發明實施例處於再生制動模式時的簡化電路原理圖。
具體實施例方式實施例具有再生制動功能的串勵直流電機控制器的主電路附圖1所示，包括 串聯連接的主開關J3、電樞M、切換開關J4、勵磁W和功率開關器件K。該主電路可工 作在驅動模式和再生制動模式，通過切換開關J4的觸點移動來實現驅動模式和再生制動 模式的轉換。本實施例的切換開關J4包括6個觸點，第一觸點和電樞的第一端連接，第 二和第三觸點和電樞的第二端連接，第四和第五觸點連接勵磁的第一端，勵磁的第二端 連接功率開關器件K的第一端，切換開關J4的第六觸點連接功率開關器件K的第二端。 當切換開關J4未按下時，其第二觸點和第五觸點相連，同時將主開關K按下，使電樞和 勵磁串聯，電機控制器處於驅動模式，電路圖可以簡化為如附圖2所示；當切換開關J4 按下時，其第一觸點和第四觸點連通，第二觸點和第五觸點斷開，第三觸點和第六觸點 連通，使電樞和勵磁並聯，同時將主開關K斷開，電機控制器處於再生驅動模式，電路 圖可以簡化為如附圖3所示。在本實施例中，正反轉切換開關Jl、J2分別連接在勵磁W的兩端，用於控制流 過勵磁線圈的電流方向，通過改變正反轉切換開關Jl、J2的開關狀態可以實現勵磁電流 的換向，從而實現電機的正反轉控制。如圖1所示的Jl、J2狀態時車輛處於空檔，Jl和 J2的上開關斷開，下開關閉合。Jl、J2的上、下開關聯動變化，下開關斷開時，上開關 閉合。正反轉切換開關Jl狀態改變或者正反轉切換開關J2狀態改變可以使電動機分別處 於正轉或反轉狀態，實現電動車輛的前進和後退。同理，正反轉切換開關還可以接在電 樞M的兩端，同樣起到控制電機正反轉的作用。正反轉切換開關Jl和J2的上開關的連 接點即為勵磁的第一端，正反轉切換開關Jl和J2的下開關的連接點即為勵磁的第二端。在主開關J3的兩端反向並聯連接有第一續流二極體PX，第一續流二極體PX的 負極連接蓄電池的正極。現有技術中在主開關的兩端也並聯有一個二極體，它起到在主 開關J3斷開時保護主開關J3的作用。本實施例中的續流二極體PX不僅起到在驅動模式 時保護主開關J3的作用，更重要的是，提供了在再生制動模式時為蓄電池充電的通路， 與現有技術有很大區別，作用不同，參數也不同。在電樞M的兩端反向並聯有第二續 流二極體PD。在電樞M、切換開關J4、勵磁組成的串聯電路的兩端反向並聯有第三續 流二極體FWD。並且當切換開關J4切換到再生制動模式時，第三續流二極體FWD反 向並聯在勵磁的兩端，由續流二極體FWD構成續流迴路，現有的技術中的第三續流二極體FWD只在驅動模式中起續流保護作用，本實施例的第三續流二極體FWD在再生模式 時，還具有勵磁電流續流的作用，從而維持定子磁場。優選的，續流二極體PX、PD和 FWD採用續流肖特基管。這些續流二極體都起到續流和保護電路的雙重作用。本實施例的功率開關器件K採用MOS管(Meta卜Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor,絕緣柵場效應管)，PWM脈衝加在MOS管的柵極。功率開關 器件K還可以選用功率電晶體、IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極 型電晶體)或IPM (Intelligent Power Module,智能功率模塊)等開關器件，如果選擇功 率電晶體，PWM脈衝加在功率電晶體的基極；如果選用IGBT管，PWM脈衝加在IGBT 管的柵極；如果選用IPM，PWM脈衝加在IPM的驅動控制輸入引腳。本實施例中，主開關J3、切換開關J4、正反轉切換開關Jl、J2均用繼電器實 現，成本更低，當然，還可以採用功率三極體、mos管、IGBT、IPM等開關器件代替， 利用開關器件的通斷代替繼電器的機械式觸點切換功能。如圖2所示，在驅動模式下，電機的電樞和勵磁串聯，並與MOS管K串聯後接 在蓄電池正負極兩端。通過PWM控制MOS管K的通斷，當PWM為高電平時MOS管 開通，蓄電池為電樞和勵磁供電，驅動電機轉動。PWM為低時MOS管關斷，電樞、勵 磁電流分別通過續流二極體PD、FWD續流，避免MOS管在關斷時感應電動勢對電機造 成損壞。通過調節PWM的佔空比來控制電機兩端的平均電壓，從而達到調節電機轉速 的目的。如圖3所示，主電路置於再生制動模式下，電樞和勵磁處於並聯狀態，並通過 二極體PX與蓄電池正負極相連。電樞M並聯在MOS管K和勵磁組成串聯支路的兩端， PWM控制MOS管K的開通和關斷，從而控制勵磁電流的大小。在PWM為高電平時， MOS管K導通，電樞、勵磁、MOS管K組成一個迴路，電樞兩端的反電動勢通過這個 支路為勵磁供電，勵磁W蓄能，產生勵磁磁場，保證電樞反電動勢的產生。同時由於電 樞、勵磁自身存在電感，電樞、勵磁電感在再生制動模式下蓄能。當PWM為低時，MOS管K關斷，主電路形成了兩個迴路第一迴路勵磁 與二極體FWD組成的續流迴路；第二迴路電樞M、二極體PX、蓄電池組成的充電回 路。其中，第一迴路中勵磁中的電流通過二極體FWD進行續流，由於勵磁電感充放電 能量相等，經過計算發現續流階段勵磁電流基本不變，從而能夠維持電機定子的磁場強 度，保證電機轉動時電樞兩端存在反電動勢。第二迴路中由於定子磁場始終存在，保證 了電樞兩端始終存在反電動勢，同時該迴路由於與蓄電池串聯，電流驟降，電樞中的電 感釋放能量，產生感應電動勢，這個感應電動勢與電樞的反電動勢相加從而可以得到高 於蓄電池電壓的高電壓，通過二極體PX為蓄電池充電。通過改變PWM佔空比來調節MOS管的通斷，達到改變再生制動力矩和能量回 收效果的目的。同時可以在主迴路上安裝分流器、電流傳感器IS等用於檢測電流，並將檢測值 送至主控晶片，從而實現閉環控制。以上所述，僅為本發明的優選實施例，並不能以此限定本發明實施的範圍，凡 依本發明權利要求及說明書內容所作的簡單的變換，皆應仍屬於本發明覆蓋的保護範圍。
權利要求
1.一種具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，包括串聯連接的蓄電池、主開關 (J3)、電樞(M)、勵磁(W)和功率開關器件(K)，其特徵在於還包括使電樞 (M)和勵磁(W)並聯連接或串聯連接的切換開關(J4)，以及在電樞(M)和勵磁 (W)串聯時並聯在電樞(M)和勵磁(W)的串聯支路的兩端、在電樞(M)和勵磁 (W)並聯時並聯在勵磁(W)兩端的第三續流二極體(FWD)；在所述主開關(J3)的兩端並聯有第一續流二極體(PX)；所述第一續流二極體(PX)的負極連接蓄電池的 正極。
2.根據權利要求1中所述的具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，其特徵在於 在所述電樞(M)的兩端並聯有第二續流二極體(PD)。
3.根據權利要求1或2中所述的具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，其特徵在 於所述切換開關(J4)包括6個觸點，第一觸點和電樞(M)的第一端連接，第二和 第三觸點和電樞(M)的第二端連接，第四和第五觸點連接勵磁(W)的第一端，勵磁(W)的第二端連接功率開關器件(K)的第一端，切換開關(J4)的第六觸點連接功 率開關器件K的第二端；切換開關(J4)的第二觸點和第五觸點相連，或者第一觸點和 第四觸點連通、第三觸點和第六觸點連通。
4.根據權利要求1或2中所述的具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，其特徵 在於還包括正反轉切換開關(J1、J2)，正反轉切換開關(Jl、J2)分別連接在勵磁(W)的兩端，或者連接在電樞(M)的兩端。
5.根據權利要求4中所述的具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，其特徵在於 所述主開關(J3)、切換開關(J4)、正反轉切換開關(Jl、J2)分別採用繼電器、功 率三極體、mos管、IGBT、IPM中的一種開關器件。
6.根據權利要求1中所述的具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，其特徵在於 所述功率開關器件(K)為MOS管，其柵極加有PWM脈衝控制信號；或所述功率開關 器件(K)為功率電晶體，其基極加有PWM脈衝控制信號；或所述功率開關器件(K) 為IGBT管，其柵極加有PWM脈衝控制信號；或所述功率開關器件(K)為IPM，其驅 動控制輸入引腳加有PWM脈衝控制信號。
7.根據權利要求1中所述的具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，其特徵在於 還包括和蓄電池串聯的電流傳感器IS。
全文摘要
本發明公開了一種具有再生制動功能的串勵直流電機控制器，包括串聯連接的蓄電池、主開關、電樞、勵磁和功率開關器件，還包括使電樞和勵磁並聯連接或串聯連接的切換開關，以及在電樞和勵磁串聯時並聯在電樞和勵磁的串聯支路的兩端、在電樞和勵磁並聯時並聯在勵磁兩端的第三續流二極體；在所述主開關的兩端並聯有第一續流二極體；所述第一續流二極體的負極連接蓄電池的正極。本設計能夠實現串勵直流電機的再生制動，硬體結構簡單，成本低，能夠有效回收車輛剎車或下坡時的動能並回充蓄電池，提高能源利用率，同時可以有效較少車輪抱死的風險，對於改善剎車時車輛的穩定性和操控性都具有重要意義。
文檔編號H02P1/22GK102013865SQ20101061358
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者侯哲, 張華榮, 曹秉剛, 李建朋 申請人:西安交通大學蘇州研究院