一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器的製作方法
2023-09-18 16:15:10 1
專利名稱：一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動汽車的技術領域，具體地說是一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器。
背景技術：
直流無刷電機採用高性能稀土永磁材料作磁極，無電刷和換向器，具有體積小，重量輕，結構簡單、可靠性高的優點。直流無刷電機的轉矩特性與直流電機一樣，具有調節控制方便、調速範圍寬、動態響應快等優點，因而對於電動汽車的發展有很強的實際意義，為獲得直流無刷電機的高性能，除了在電機的製造中採用高性能永磁材料，採用符合電機氣隙磁場所需的先進的製造工藝外，同時對驅動控制器輸出電壓有很高的要求，要求驅動控制系統脈寬調製具有高質量，使輸出電壓的波形滿足電機運行所需要的方波。對於直流無刷電機，在中、低速下的工況下，定子電壓波形將產生較大的脈動轉矩，影響了電機的性能，因而設計出一種轉矩脈動低的直流無刷電機驅動控制器有很大的必要性。用於電動汽車的電機驅動控制器是電動汽車的關鍵零部件之一，電機驅動控制器的國內研究水平直接關係到電動汽車國產化問題。與通用逆變器不同的是，適用於電動汽車用驅動器要求具有體積小、重量輕、功率高，具有功率密度高的特點，目前，在電動汽車電機驅動控制器總體布置方案與優化結構方面，國內外尚無相同專利報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，它可克服現有技術中的一些不足。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於濾波電路與功率母線連接，功率母線分別與吸收電路和功率元件連接，功率元件與驅動電路連接，驅動電路分別溫度傳感器與控制電路連接，功率母線與軟啟動電路連接。
本發明提供了一種用於電動汽車的直流無刷電機驅動控制器系統設計方案，具有很強的適用性，該驅動控制器與外部連接緊湊可靠，易於整車布置，適用於純電動轎車以及混合動力轎車的直流無刷電機的驅動器控制，電機驅動控制器的驅動控制電源採用專用模塊化電源，各路電源之間相互隔離，具有電壓調整精度高、噪聲小、可靠性高等特點。對於電源的抗幹擾問題，採用輸入電源運用電源濾波器，輸出電源相互隔離的措施，具有很好的穩定性。驅動電路採用集成化專用驅動模塊，低電平開通PWM控制邏輯，有利於保證功率模塊的正常工作，保護功率模塊在電源端開路時的安全性。針對電動汽車的特殊運行工況，保護電路採用直流母線電壓、直流母線電流以及三相電流的多重保護方法，並具有溫度保護功能。信號調理電路採用雙重跟隨、阻容濾波等措施，保證向控制模塊的輸出信號的可靠性。功率部分具有控制策略相對簡單，功率迴路容量大，系統可靠性高等優點，並選用雙電容作為功率迴路的吸收電路，具有吸收速度快，結構簡單，可靠性高，易於整體布置的優點。功率迴路採用三合一的柔性化結構布置方案，其功率母線設計方案採用三合一功率母線技術，具有電氣安全性好、電磁輻射小、傳導發熱小、集成度高等特點，具有很大的實用性和新穎性。
圖1為本發明直流無刷電機驅動控制系統原理框2為本發明的電機驅動器總體布置3為本發明電機驅動控制器的功率部分布置4為本發明電機驅動控制器的驅動電路功能框5為本發明電機驅動控制器的控制電路框6為本發明三層功率母線示意圖
具體實施例方式一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於濾波電路1與功率母線2連接，功率母線分別與吸收電路3和功率元件4連接，功率元件與驅動電路5連接，驅動電路分別溫度傳感器6與控制電路7連接，功率母線與軟啟動電路8連接，濾波電路為四個濾波電容9進行並聯，功率元件採用三個功率模塊10，吸收電路有三個功率橋臂，開關管的兩端與二極體的兩端並聯，每兩個開關管和兩個二極體組成一個功率橋臂，各功率橋臂均與一吸收電容並聯，各濾波電容的一端與正母線11連接，各濾波電容的另一端與負母線12連接，正母線還分別與三個功率模塊、三個吸收電容14的一端連接，負母線還分別與三個功率模塊、三個吸收電容的另一端連接，正、負母線設有凸臺，在正、負母線之間有一層絕緣板13，形成三層式疊層，驅動電路上分別設有A相驅動模塊16、B相驅動模塊17、C相驅動模塊18，功率元件安裝於散熱片15上，靠近功率元件處設有冷卻風扇，在散熱片上靠近功率元件處設有冷水槽，可起到散熱的作用，控制電路中設一DSP晶片19，DSP晶片分別與輸出緩衝器20、複雜可編程邏輯器件21、擴展RAM22、CAN總線控制器23連接，複雜可編程邏輯器件與I/O緩衝器24連接，CAN總線控制器與上位機25連接。
電動汽車用電機驅動控制器是電動汽車的關鍵零部件之一，電機驅動控制器的國內研究水平直接關係到電動汽車國產化問題，與通用逆變器不同的是，適用於電動汽車用驅動器要求具有體積小、重量輕、功率高，具有功率密度高的特點，本發明提出的一種用於電動汽車的直流無刷電機驅動控制器系統設計方案，具有很強的適用性，該驅動控制器與外部連接緊湊可靠，易於整車布置，適用於純電動轎車以及混合動力轎車的直流無刷電機的驅動器控制，目前，在電動汽車電機驅動控制器總體布置方案與優化結構方面，國內外尚無相同專利報導。
直流無刷電機驅動控制系統控制原理如附圖1所示霍爾傳感器輸出的三路霍爾位置信號的加到TM8320C240的捕獲單元端，將捕獲端設置為I/O口，然後採集捕獲單元的電位值高低。根據捕獲單元的電位情況可以判斷電機處於那個區間。根據兩次捕獲時間可以算出電機運行速度，並以此速度作為速度參考值得反饋量，通過PI調節器後，得到相應的參考電流。通過電流傳感器獲得的電流信號，經A/D轉換後作為參考電流的反饋量，經PI調節器輸出PWM佔空比，並以此PWM信號輸入驅動電路，驅動功率模塊工作。為了獲得良好的靜、動態性能，兩個調節器一般都採用PI調節器，且兩個調節器的輸出均採用限幅措施。轉速調節器的輸出限幅決定了電流調節器給定電流的最大值；電流調節器的輸出限幅限制了功率模塊輸出功率的最大值。
用於電動汽車的直流無刷電機驅動控制器總體布置方案如附圖2所示，可分成功率部分、驅動部分以及控制部分等三大部分1、功率部分功率部分包括電機驅動控制器功率迴路與散熱器系統，如附圖3所示。直流電源經軟起動電路通過正、負母線加到功率模塊正、負兩端；濾波電容、吸收電容並接在正、負母線上，濾波電容用於對直流輸入電源進行穩壓和濾波，吸收電容用於吸收功率模塊開關過程中的電壓尖峰；功率模塊輸出三相PWM電壓，直接加在直流無刷電機(BLDC)定子繞阻上，驅動直流無刷電機工作。具體設計要點如下(1)功率模塊採用大功率電壓控制型雙單元絕緣柵型雙極電晶體(IGBT模塊)或雙單元智能功率模塊(IPM模塊)，採用雙電容的吸收電路形式。考慮到電動汽車布置空間的限制，電機驅動控制器的功率迴路採用兩電平逆變器的電路拓撲，具有控制策略相對簡單，功率迴路容量大，系統可靠性高等優點。選用雙電容作為功率迴路的吸收電路，具有吸收速度快，結構簡單，可靠性高，易於整體布置的優點。
(2)功率迴路採用三合一的柔性化結構布置方案。這種柔性化結構布置方案是一種在滿足系統電磁兼容性設計前提下的功率迴路的空間優化布置，專為電動汽車電機驅動控制器布置而設計，既適合驅動器的水冷散熱方式，也適合於驅動器的風冷散熱方式。這種柔性化結構布置方案可根據電機驅動控制器容量的大小，不同功率等級、不同型號的功率模塊，採用相同的結構布置，使得電機驅動控制器可適應於不同功率等級要求。
(3)功率母線設計方案採用三合一功率母線技術。如附圖6所示，這是一種是結合功率部件的優化布置方案，符合電磁兼容性要求和高功率密度要求的特殊功率母線技術。該功率母線具有電氣安全性好、電磁輻射小、傳導發熱小、集成度高等特點。運用這項技術，把濾波(儲能)電容、功率模塊、吸收電路集成一體，可以直接安裝在散熱平板上，做到真正的模塊化結構，具有很好的實用性和新穎性。
(4)電機驅動控制器的冷卻方式可採用風冷或水冷兩種。對於風冷散熱方式，採取兩種措施①選用散熱面積較大的型材散熱器和風量較大、轉速較高的風機，有效地降低了散熱器到環境的熱阻，提高散熱效果；②在空氣流場中引入紊流，增加局部對流，可有效地增大換流係數，改善系統散熱效果。本方案採用2臺24VDC直流風機，垂直安裝於散熱齒表面，對於水冷散熱方式，採用電機驅動控制器和驅動電機一體化的散熱結構，這種一體化的冷卻結構具有易於整車布置、散熱系統多變、電機運行性能高等特點。
A、B、C三相電流、母線電壓、溫度、信號調理電路均為現有技術，對信號條理電路不做具體論述。
2、驅動部分電機驅動控制器的驅動部分用於驅動功率模塊進行開關動作，包括驅動電源、PWM驅動電平轉換、信號調理與信號保護等三部分，三部分集成在一塊電路板上，如附圖4所示。驅動電路接收來自控制電路的信號，經處理後向三相功率模塊輸出六路PWM控制波形。驅動電路同時可實現對反饋信號處理和進行故障保護。反饋信號包括三相電機相電流Ia、Ib、Ic，直流母線電流Iin，直流母線電壓Uin和散熱器溫度T1，六路信號同時送入錯誤信號鎖存與復位單元，以保護功率模塊正常工作。同時驅動電路將六路反饋信號和一路出錯信號向控制電路反饋。驅動部分的設計要點如下(1)電機驅動控制器的驅動控制電源採用專用模塊化電源，各路電源之間相互隔離，具有電壓調整精度高、噪聲小、可靠性高等特點。對於電源的抗幹擾問題，採用輸入電源運用電源濾波器，輸出電源相互隔離的措施，具有很好的穩定性其中有一定的電路。
(2)驅動電路採用集成化專用驅動模塊，低電平開通PWM控制邏輯，有利於保證功率模塊的正常工作，保護功率模塊在電源端開路時的安全性。
(3)針對電動汽車的特殊運行工況，保護電路採用直流母線電壓、直流母線電流以及三相電流的多重保護方法，並具有溫度保護功能。信號調理電路採用雙重跟隨、阻容濾波等措施，保證向控制模塊的輸出信號可靠性。
3、控制部分控制部分是以DSP晶片為控制核心，電機驅動控制器和交流異步電機為控制對象，進行對電機的調速控制和能量回饋制動控制，如附圖5所示。本方案採用美國TI公司的TMS320C240DSP為主控晶片。控制部分用於通過CAN總線接收來自上位機的轉矩控制命令，產生佔空比可調的六路PWM脈衝信號，同時可接收來自電機的反饋信號。控制電路包括高速數位訊號處理器DSP控制電路和CAN總線或I/O口控制電路兩大部分，兩部分集成在一塊電路板上。控制部分設計要點如下(1)結合交流異步電機的轉矩閉環控制以及能量回饋制動控制原理，控制軟體具有以下功能①主控DSP晶片通過安裝在電機轉子軸上的光編碼轉速傳感器得到電機轉速信號，通過上位機獲得轉矩給定信號，產生六路PWM脈衝輸出，用於觸發控制三相逆變器六個功率開關的導通和關斷的時序以及導通時間(PWM佔空比)，實現對交流異步電機的轉矩閉環控制。②通過能量回饋信號，進行牽引與制動的運行模式切換，主控DSP晶片根據轉子位置信號以及充電電流給定，輸出PWM脈衝，使得三相逆變器工作於能量回饋制動模式，電機作為發電機運行，向蓄電池充電，實現能量回饋。③實現電機控制的相關輔助功能上位機信號為零時的系統零位保持功能，無光編碼速度信號時能夠實現電機的無速度控制，電動/能量回饋狀態下的電機同步控制，各種定時控制、故障監測、故障保護等功能。
(2)控制電路具有CAN總線通信功能和I/O通信功能，用於電機驅動控制器和上位機的通信。通信信息包括輸入側直流電壓、電流和電機轉速信號；轉速給定信號或轉矩給定信號；正轉、反轉和禁止運行輸入信號(對應前進，後退和空檔3個檔位信號)；所有輸入、輸出通過模擬或邏輯信號形式實現；CAN控制器支持CAN2.0A和CAN2.0B兩種協議規範。
本發明方案可應用於混合動力轎車電機驅動控制系統。混合動力轎車電機驅動控制器主電路採用上述三合一的模塊化設計方案，風冷散熱方式；驅動電路採用上述直流無刷電機驅動控制器設計方案；控制電路採用CAN總線通信方式，控制系統採用DSP高數位訊號處理器；電機採用直流無刷電機。
混合動力電動汽車是將電驅動與輔助動力單元綜合到一輛車上，輔助單元採用一個燃燒某種燃料的原動機或動力發電機組。電機用於內燃機起動時帶動曲軸旋轉，內燃機起動後，電機停止工作，由內燃機單獨向整車提供動力。當混合動力轎車在滿負荷時，由電機和內燃機同時向整車提供峰值功率，增大整車輸出功率。當需要汽車制動時，由電機驅動控制器控制電機實現能量回饋制動，向蓄電池充電。
混合動力轎車電機驅動控制系統相關參數蓄電池輸出電壓144V，額定工作電流100A，額定輸出功率9kW，峰值電流300A，峰值功率14kW，電機額定轉速3000rpm，電機最高轉速6000rpm，具有能量回饋功能。實驗結果表明，該設計方案可很好地滿足系統性能要求。
本發明方案可應用於純電動轎車電機驅動控制系統。純電動轎車電機驅動控制器主電路採用上述三合一的模塊化設計方案，水冷散熱方式；驅動電路同樣採用上述設計方案；控制電路採用I/O通信方式，控制系統採用DSP高數位訊號處理器；電機採用直流無刷電機。
純電動轎車是由電機單獨提供動力的一種新型環保型電動汽車。整車由蓄電池提供能源，蓄電池輸出電壓經DC/DC升壓後向電機驅動控制器輸出，電機驅動控制器輸出電壓幅值、頻率可調的PWM電壓給永磁直流電機。
混合動力轎車電機驅動控制系統相關參數蓄電池輸出電壓312V，額定工作電流80A，額定輸出功率21kW，峰值電流350A，峰值功率60kW，電機額定轉速4580rpm，電機最高轉速10200rpm，具有能量回饋功能。實驗結果表明，該設計方案可很好地滿足系統性能要求。
權利要求
1.一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於濾波電路與功率母線連接，功率母線分別與吸收電路和功率元件連接，功率元件與驅動電路連接，驅動電路分別溫度傳感器與控制電路連接，功率母線與軟啟動電路連接。
2.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於濾波電路為四個濾波電容進行並聯，功率元件採用三個功率模塊。
3.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於吸收電路有三個功率橋臂，開關管的兩端與二極體的兩端並聯，每兩個開關管和兩個二極體組成一個功率橋臂，各功率橋臂均與一吸收電容並聯。
4.根據權利要求2所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於各濾波電容的一端與正母線連接，各濾波電容的另一端與負母線連接，正母線還分別與三個功率模塊、三個吸收電容的一端連接，負母線還分別與三個功率模塊、三個吸收電容的另一端連接。
5.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於正、負母線設有凸臺，在正、負母線之間有一層絕緣板，形成三層式疊層。
6.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於驅動電路上分別設有A相驅動模塊、B相驅動模塊、C相驅動模塊。
7.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於功率元件安裝於散熱片上，靠近功率元件處設有冷卻風扇。
8.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於在散熱片上靠近功率元件處設有冷水槽。
9.根據權利要求1所述的一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於控制電路中設一DSP晶片，DSP晶片分別與輸出緩衝器、複雜可編程邏輯器件、擴展RAM、CAN總線控制器連接，複雜可編程邏輯器件與I/O緩衝器連接，CAN總線控制器與上位機連接。
全文摘要
本發明公開了一種適用於電動汽車的直流無刷電機驅動器，其特徵在於濾波電路與功率母線連接，功率母線分別與吸收電路和功率元件連接，功率元件與驅動電路連接，驅動電路分別溫度傳感器與控制電路連接，功率母線與軟啟動電路連接，本發明提供了一種用於電動汽車的直流無刷電機驅動控制器系統設計方案，具有很強的適用性。該驅動控制器與外部連接緊湊可靠，易於整車布置，適用於純電動轎車以及混合動力轎車的直流無刷電機的驅動器控制。
文檔編號H02P6/00GK1601884SQ0315115
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月23日 優先權日2003年9月23日
發明者徐國卿 申請人:上海達鷹電氣科技發展有限公司