專利名稱：一種電動(dòng)車用直流電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電動(dòng)車技術(shù)，特別提供了一種可通過(guò)原油門(mén)踏板調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)車具有良好的起動(dòng)和加速性能的電動(dòng)車直流電機(jī)。
目前，電動(dòng)車研究處于起步階段，其相應(yīng)的電機(jī)控制系統(tǒng)未見(jiàn)報(bào)道。現(xiàn)代直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制都是采用晶體管放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，晶體管放大器系統(tǒng)可分為線性放大器和開(kāi)關(guān)放大器兩種類型。線性放大器具有線性的控制特性，沒(méi)有明顯的控制滯后現(xiàn)象，速度控制范圍寬。但是正因?yàn)楣ぷ饔诰€性放大狀態(tài)，功率器件的損耗大，效率低(最高不超過(guò)50％)。因此，線性放大器一般僅在小功率的場(chǎng)合有所應(yīng)用，大量采用的是開(kāi)關(guān)放大器。開(kāi)關(guān)放大器總是處于導(dǎo)通或斷開(kāi)狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)，管壓降很小，而斷開(kāi)時(shí)電流近似為零，所以，無(wú)論是通或斷，晶體管的功耗都很小，這就大大提高了開(kāi)關(guān)型功率放大器的效率。開(kāi)關(guān)放大器的驅(qū)動(dòng)多采用脈寬調(diào)制(PWM)方式，即放大器工作頻率固定，通過(guò)改變導(dǎo)通脈沖的寬度(導(dǎo)通角)，來(lái)改變加在負(fù)載上的平均電壓值。作為電動(dòng)車直流電機(jī)控制系統(tǒng)，其負(fù)載是大功率直流電機(jī)(額定功率25～45KW，額定電壓180～240V，額定電流140～200A)，而且要有良好的起動(dòng)和加速性能。因此控制電路應(yīng)能對(duì)控制指令產(chǎn)生快速響應(yīng)，與此同時(shí)應(yīng)該保證開(kāi)關(guān)型功率器件的動(dòng)態(tài)工作特性在其安全范圍(SOA)之內(nèi)，另外，控制電路應(yīng)有過(guò)流保護(hù)功能，用以限制起動(dòng)電流峰值，以及行駛過(guò)程中隨時(shí)可能發(fā)生的電機(jī)過(guò)載電流峰值。對(duì)此，現(xiàn)有的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)很難在調(diào)速和動(dòng)態(tài)保護(hù)等方面滿足電動(dòng)車的要求。本實(shí)用新型之前采用的是單片機(jī)編程PWM控制方式，當(dāng)單片機(jī)采集到起動(dòng)信號(hào)后，通過(guò)程序控制使PWM信號(hào)的脈寬逐漸增加，電機(jī)電樞的端電壓增加，電動(dòng)車加速。當(dāng)單片機(jī)采集到停止信號(hào)后，再通過(guò)程序控制使PWM信號(hào)的脈寬逐漸減少，電機(jī)電樞的端電壓降低，電動(dòng)車減速。這樣通過(guò)程序控制，使電機(jī)電樞電壓緩慢增加，達(dá)到緩解開(kāi)關(guān)型功率電力器件的電應(yīng)力，防止器件損壞的目的。但其結(jié)果是操縱性差，駕駛起來(lái)不方便，而且沒(méi)有電流限制功能，器件的保護(hù)措施不完善，浪涌吸收電路損耗大。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種電動(dòng)車用直流電機(jī)，其可以通過(guò)原油門(mén)踏板調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使電動(dòng)車具有良好的起動(dòng)和加速性能。
本實(shí)用新型提供了一種電動(dòng)車用直流電機(jī)，包括電池、控制系統(tǒng)、電機(jī)三部分，其特征在于所述控制系統(tǒng)由電池的直流電壓Us經(jīng)過(guò)由電解電容C、絕緣柵雙極晶體管IGBT、續(xù)流二極管D構(gòu)成的固定頻率PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電機(jī)M兩端；IGBT的基極由開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494的輸出端9腳控制；控制指令信號(hào)加到開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494的死區(qū)時(shí)間控制端4腳上，主負(fù)載回路中的霍爾電流傳感器HCS通過(guò)低通濾波、放大與TL494的腳1相接構(gòu)成恒流調(diào)節(jié)器。
本實(shí)用新型中最好在開(kāi)關(guān)器件IGBT和續(xù)流二極管D的兩端加無(wú)感電阻Rs、無(wú)感電容Cs和快恢復(fù)型二極管Ds以構(gòu)成浪涌電壓吸收電路。TL494的輸出端9腳通過(guò)集成隔離驅(qū)動(dòng)電路M57962L控制IGBT的基極。
本實(shí)用新型采用高壓、高速、大功率開(kāi)關(guān)器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)構(gòu)成PWM斬波調(diào)壓器，將控制指令信號(hào)(如位移傳感器、壓力傳感器、電位器等)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后加到開(kāi)關(guān)電源集成控制器(如TL494、SG3525、MC34060、UC3842等)的死區(qū)時(shí)間控制端，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的脈沖間隔，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出平均電壓的目的。另外利用開(kāi)關(guān)電源集成控制器內(nèi)含的誤差放大器作為恒流調(diào)節(jié)器，以限制主回路中負(fù)載電流的峰值。并且采用IGBT模塊專用混合集成隔離驅(qū)動(dòng)電路M57962L作為IGBT的柵極隔離驅(qū)動(dòng)電路。采用無(wú)感電阻、無(wú)感電容和快恢復(fù)型二極管構(gòu)成浪涌電壓吸收電路，限制開(kāi)關(guān)器件IGBT和續(xù)流二極管因主回路雜散電感而引起的過(guò)電壓。
開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494是一種脈寬調(diào)制型(PWM)開(kāi)關(guān)電源集成控制電路，包含開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部控制電路，其中有誤差放大器、振蕩器、脈寬調(diào)制器、脈沖發(fā)生器、輸出開(kāi)關(guān)管和電流保護(hù)電路，可以用于產(chǎn)生PWM控制信號(hào)；芯片內(nèi)含兩個(gè)誤差放大器，可設(shè)計(jì)成具有限壓、限流功能的固定穩(wěn)壓值控制電路。本實(shí)用新型通過(guò)分析TL494的內(nèi)部控制原理，將其死區(qū)時(shí)間控制功能用于輸出電壓調(diào)節(jié)，研究出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓控制電路，將其用于電動(dòng)車上，駕駛員可通過(guò)原油門(mén)踏板調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的；利用其中的一個(gè)誤差放大器作為恒流調(diào)節(jié)器，以限制主回路中負(fù)載電流的峰值，而其比例-積分(PI)環(huán)節(jié)，用以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的電氣特性和電機(jī)-負(fù)載系統(tǒng)的機(jī)械特性，在開(kāi)關(guān)型功率器件的動(dòng)態(tài)安全工作范圍(SOA)之內(nèi)，可以達(dá)到快速響應(yīng)，因而使電動(dòng)車具有良好的起動(dòng)和加速性能。此外本實(shí)用新型具有重要而又廣泛的應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)這一原理，可設(shè)計(jì)出各種恒壓、恒流裝置如電壓可調(diào)的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源、可調(diào)的高精度恒壓或恒流充電裝置、感應(yīng)加熱裝置的整流控制等。下面通過(guò)實(shí)施例詳述本實(shí)用新型。
附

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖附圖2為電機(jī)電樞端電壓Um的波形附圖3為T(mén)L494的功能等效電路示意圖附圖4為PWM波形產(chǎn)生示意圖附圖5為控制電路框圖附圖6為實(shí)用電路實(shí)施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電池采用Ni-MH 60Ah電池120只串聯(lián)使用，電壓Us為144V。電池的直流電壓Us經(jīng)過(guò)IGBT構(gòu)成的固定頻率(20KHz)PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電機(jī)M兩端。電機(jī)電樞端電壓Um的波形如圖2所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速由平均電壓Ua決定。改變IGBT在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期(T)內(nèi)的導(dǎo)通寬度(t)，即可改變平均電壓Ua的大小，從而控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。D為續(xù)流二極管，在功率器件IGBT截止過(guò)程中，電機(jī)的自感電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管正向?qū)ǎo負(fù)載電流提供一個(gè)續(xù)流回路，同時(shí)將IGBT端電壓鉗位于電源電壓Us。V1選用曰本三菱公司的高壓、高速、大功率半導(dǎo)體器件IGBT(CM300HA-12H)，其額定電流為300A，額定電壓為600V。Rs、Cs、Ds為浪涌電壓吸收電路，抑制IGBT和續(xù)流二極管D上的開(kāi)關(guān)尖峰電壓。Rs、Cs為無(wú)感電阻和無(wú)感電容，Ds為快恢復(fù)型二極管。電解電容C為儲(chǔ)能電容，在IGBT導(dǎo)通時(shí)提供輔助放電電流。FUSE為保險(xiǎn)絲，提供負(fù)載短路保護(hù)。HCS為霍爾電流互感器，為控制電路提供電流信號(hào)。電動(dòng)機(jī)選用永磁直流電機(jī)，其額定功率為25KW，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定電壓為180V，額定電流為147A。
圖3為T(mén)L494的功能等效電路示意圖。其中的誤差放大器A1和A2的輸出端(A、B)及TL494的4腳，通過(guò)三個(gè)等效的二極管并聯(lián)后，再與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波相比較而產(chǎn)生PWM波。PWM波形產(chǎn)生示意圖見(jiàn)圖4，右圖可見(jiàn)，TL494的電壓比較器A3輸出(C)的脈沖寬度由A、B及4腳三者中電壓最高者決定。通常，TL494的4腳用于軟起動(dòng)控制、死區(qū)控制及保護(hù)控制，而放大器A1或A2用于恒壓或恒流調(diào)節(jié)。14腳為內(nèi)部提供的5V基準(zhǔn)電壓輸出端，13腳為輸出方式控制端，決定輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)是互補(bǔ)輸出(高電平有效)，還是同步輸出(低電平有效)。正因?yàn)镻WM波形的脈沖寬度受TL494的4腳控制，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)4腳電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)PWM輸出平均電壓的目的。而利用其中的一個(gè)誤差放大器作為恒流調(diào)節(jié)器，以限制主回路中負(fù)載電流的峰值。
圖5為控制電路框圖。由霍爾電流傳感器采集主回路中的負(fù)載電流信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾除高頻成分后，變成平滑的直流信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)放大器放大后變成適當(dāng)幅值的電流反饋信號(hào)加到由TL494構(gòu)成的PWM信號(hào)產(chǎn)生及控制電路上，其輸出PWM控制信號(hào)經(jīng)M57962L隔離驅(qū)動(dòng)后，加到IGBT的柵極上，夠成了PWM控制回路。
實(shí)用電路見(jiàn)圖6?；魻栯娏鱾鞲衅?HCS)M端輸出的電流信號(hào)經(jīng)電阻R1變換為電壓信號(hào)，經(jīng)電位器P1取樣后加到R2、C1、R3、C2、R4、R5構(gòu)成的二階低通濾波器上，輸出直流信號(hào)經(jīng)R4、R5分壓后加到放大器CA3140的同相端3腳上，其反相端2接有比例調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)(R6、R7、R8、P2)，放大后的直流信號(hào)經(jīng)6腳輸出加到TL494的1腳(即內(nèi)部誤差放大器A1的同相端)，形成電流反饋信號(hào)。14腳輸出的5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)R14、P3分壓后，經(jīng)電阻R9加到2腳(即誤差放大器A1的反相端)，以提供比較的參考電壓。23之間的電阻R10、R11和電容C4及電阻R9構(gòu)成比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器。5腳、6腳接定時(shí)元件電容C6和電阻R12，以構(gòu)成固定的PWM振蕩頻率(f=1．1／Rt*Ct)。其13腳接地，形成單端輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器P4，調(diào)節(jié)TL4944腳的端電壓，從而調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的脈沖寬度。C5為濾波電容，R13為分壓電阻，用以限制4腳的端電壓。TL494產(chǎn)生的PWM調(diào)制信號(hào)由9腳輸出，經(jīng)電阻R16加到M57962L的14腳。M57962L為IGBT模塊專用混合集成隔離驅(qū)動(dòng)電路，其5腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)電阻R18加到IGBT的柵極G上。Z1、Z2、Z3為保護(hù)器件用的穩(wěn)壓管，D1為快恢復(fù)二極管，用以IGBT的過(guò)流檢測(cè)，8腳所接LED指示燈為過(guò)流信號(hào)指示。
將豐田萬(wàn)里特面包車改裝成電動(dòng)車，車體重量為1500Kg；電機(jī)選用包頭永磁電機(jī)研究所研制的Nd-Fe-B永磁直流電機(jī)，電機(jī)額定功率為25KW，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定電壓為180V。電池采用Ni-MH 60Ah電池120只串聯(lián)使用，電壓為144V。調(diào)速電路采用功率器件IGBT模塊構(gòu)成PWM斬波器調(diào)節(jié)電機(jī)電壓?？刂齐娐房梢詿o(wú)級(jí)調(diào)速且具有過(guò)流保護(hù)功能，可以限制最大啟動(dòng)電流，以及行駛過(guò)程中隨時(shí)可能發(fā)生的電機(jī)過(guò)載電流峰值。整車可以這到的性能指標(biāo)為1、最高時(shí)速70Km／h2、一次充電續(xù)駛里程90Km(40Km／h恒速行駛)3、加速性能(0～40Km／h)＜30s4、最大爬坡度10°
權(quán)利要求1.一種電動(dòng)車用直流電機(jī)，包括電池、控制系統(tǒng)、電機(jī)三部分，其特征在于所述控制系統(tǒng)由電池的直流電壓Us經(jīng)過(guò)由電解電容C、絕緣柵雙極晶體管IGBT、續(xù)流二極管D構(gòu)成的固定頻率PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電機(jī)M兩端；IGBT的基極由開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494的輸出端9腳控制；控制指令信號(hào)加到開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494的死區(qū)時(shí)間控制端4腳上，主負(fù)載回路中的霍爾電流傳感器HCS通過(guò)低通濾波、放大與TL494的腳1相接構(gòu)成恒流調(diào)節(jié)器。
2.按照權(quán)利要求1所述電動(dòng)車用直流電機(jī)，其特征在于無(wú)感電阻Rs、無(wú)感電容Cs和快恢復(fù)型二極管Ds加在開(kāi)關(guān)器件IGBT和續(xù)流二極管D的兩端構(gòu)成浪涌電壓吸收電路。
3.按照權(quán)利要求1所述電動(dòng)車用直流電機(jī)，其特征在于TL494的輸出端9腳通過(guò)集成隔離驅(qū)動(dòng)電路M57962L控制IGBT的基極。
專利摘要一種電動(dòng)車用直流電機(jī),包括電池、控制系統(tǒng)、電機(jī)三部分,其特征在于:所述控制系統(tǒng),由電池經(jīng)過(guò)由C、IGBT、D構(gòu)成的固定頻率PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電機(jī)M兩端;IGBT的基極由開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494的輸出端9腳控制;控制指令信號(hào)加到開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494的死區(qū)時(shí)間控制端4腳上,主負(fù)載回路中的霍爾電流傳感器HCS與TL494的腳1相接構(gòu)成恒流調(diào)節(jié)器。本實(shí)用新型可以通過(guò)原油門(mén)踏板調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,并且使電動(dòng)車具有良好的起動(dòng)和加速性能。
文檔編號(hào)H02P9/00GK2417630SQ0021147
公開(kāi)日2001年1月31日 申請(qǐng)日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月12日
發(fā)明者劉炳東, 姜志民, 李東華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所