專利名稱：一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動汽車的技術領域，具體地說是一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器。
背景技術：
直流無刷電機采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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點。直流無刷電機的轉(zhuǎn)矩特性與直流電機一樣，具有調(diào)節(jié)控制方便、調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應快等優(yōu)點，因而對于電動汽車的發(fā)展有很強的實際意義，為獲得直流無刷電機的高性能，除了在電機的制造中采用高性能永磁材料，采用符合電機氣隙磁場所需的先進的制造工藝外，同時對驅(qū)動控制器輸出電壓有很高的要求，要求驅(qū)動控制系統(tǒng)脈寬調(diào)制具有高質(zhì)量，使輸出電壓的波形滿足電機運行所需要的方波。對于直流無刷電機，在中、低速下的工況下，定子電壓波形將產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響了電機的性能，因而設計出一種轉(zhuǎn)矩脈動低的直流無刷電機驅(qū)動控制器有很大的必要性。用于電動汽車的電機驅(qū)動控制器是電動汽車的關鍵零部件之一，電機驅(qū)動控制器的國內(nèi)研究水平直接關系到電動汽車國產(chǎn)化問題。與通用逆變器不同的是，適用于電動汽車用驅(qū)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(qū)動控制器總體布置方案與優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外尚無相同專利報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，它可克服現(xiàn)有技術中的一些不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于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(qū)動電路連接，驅(qū)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(fā)明提供了一種用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動控制器系統(tǒng)設計方案，具有很強的適用性，該驅(qū)動控制器與外部連接緊湊可靠，易于整車布置，適用于純電動轎車以及混合動力轎車的直流無刷電機的驅(qū)動器控制，電機驅(qū)動控制器的驅(qū)動控制電源采用專用模塊化電源，各路電源之間相互隔離，具有電壓調(diào)整精度高、噪聲小、可靠性高等特點。對于電源的抗干擾問題，采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(wěn)定性。驅(qū)動電路采用集成化專用驅(qū)動模塊，低電平開通PWM控制邏輯，有利于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，保護電路采用直流母線電壓、直流母線電流以及三相電流的多重保護方法，并具有溫度保護功能。信號調(diào)理電路采用雙重跟隨、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，功率回路容量大，系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點，并選用雙電容作為功率回路的吸收電路，具有吸收速度快，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于整體布置的優(yōu)點。功率回路采用三合一的柔性化結(jié)構(gòu)布置方案，其功率母線設計方案采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(fā)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(fā)明直流無刷電機驅(qū)動控制系統(tǒng)原理框2為本發(fā)明的電機驅(qū)動器總體布置3為本發(fā)明電機驅(qū)動控制器的功率部分布置4為本發(fā)明電機驅(qū)動控制器的驅(qū)動電路功能框5為本發(fā)明電機驅(qū)動控制器的控制電路框6為本發(fā)明三層功率母線示意圖
具體實施例方式一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于濾波電路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(qū)動電路5連接，驅(qū)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進行并聯(lián)，功率元件采用三個功率模塊10，吸收電路有三個功率橋臂，開關管的兩端與二極管的兩端并聯(lián)，每兩個開關管和兩個二極管組成一個功率橋臂，各功率橋臂均與一吸收電容并聯(lián)，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(qū)動電路上分別設有A相驅(qū)動模塊16、B相驅(qū)動模塊17、C相驅(qū)動模塊18，功率元件安裝于散熱片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芯片19，DSP芯片分別與輸出緩沖器20、復雜可編程邏輯器件21、擴展RAM22、CAN總線控制器23連接，復雜可編程邏輯器件與I/O緩沖器24連接，CAN總線控制器與上位機25連接。
電動汽車用電機驅(qū)動控制器是電動汽車的關鍵零部件之一，電機驅(qū)動控制器的國內(nèi)研究水平直接關系到電動汽車國產(chǎn)化問題，與通用逆變器不同的是，適用于電動汽車用驅(qū)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(fā)明提出的一種用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動控制器系統(tǒng)設計方案，具有很強的適用性，該驅(qū)動控制器與外部連接緊湊可靠，易于整車布置，適用于純電動轎車以及混合動力轎車的直流無刷電機的驅(qū)動器控制，目前，在電動汽車電機驅(qū)動控制器總體布置方案與優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外尚無相同專利報道。
直流無刷電機驅(qū)動控制系統(tǒng)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，然后采集捕獲單元的電位值高低。根據(jù)捕獲單元的電位情況可以判斷電機處于那個區(qū)間。根據(jù)兩次捕獲時間可以算出電機運行速度，并以此速度作為速度參考值得反饋量，通過PI調(diào)節(jié)器后，得到相應的參考電流。通過電流傳感器獲得的電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后作為參考電流的反饋量，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出PWM占空比，并以此PWM信號輸入驅(qū)動電路，驅(qū)動功率模塊工作。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，且兩個調(diào)節(jié)器的輸出均采用限幅措施。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅決定了電流調(diào)節(jié)器給定電流的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅限制了功率模塊輸出功率的最大值。
用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動控制器總體布置方案如附圖2所示，可分成功率部分、驅(qū)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(qū)動控制器功率回路與散熱器系統(tǒng)，如附圖3所示。直流電源經(jīng)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、吸收電容并接在正、負母線上，濾波電容用于對直流輸入電源進行穩(wěn)壓和濾波，吸收電容用于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(qū)動直流無刷電機工作。具體設計要點如下(1)功率模塊采用大功率電壓控制型雙單元絕緣柵型雙極晶體管(IGBT模塊)或雙單元智能功率模塊(IPM模塊)，采用雙電容的吸收電路形式?？紤]到電動汽車布置空間的限制，電機驅(qū)動控制器的功率回路采用兩電平逆變器的電路拓撲，具有控制策略相對簡單，功率回路容量大，系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點。選用雙電容作為功率回路的吸收電路，具有吸收速度快，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于整體布置的優(yōu)點。
(2)功率回路采用三合一的柔性化結(jié)構(gòu)布置方案。這種柔性化結(jié)構(gòu)布置方案是一種在滿足系統(tǒng)電磁兼容性設計前提下的功率回路的空間優(yōu)化布置，專為電動汽車電機驅(qū)動控制器布置而設計，既適合驅(qū)動器的水冷散熱方式，也適合于驅(qū)動器的風冷散熱方式。這種柔性化結(jié)構(gòu)布置方案可根據(jù)電機驅(qū)動控制器容量的大小，不同功率等級、不同型號的功率模塊，采用相同的結(jié)構(gòu)布置，使得電機驅(qū)動控制器可適應于不同功率等級要求。
(3)功率母線設計方案采用三合一功率母線技術。如附圖6所示，這是一種是結(jié)合功率部件的優(yōu)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(fā)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(jié)構(gòu)，具有很好的實用性和新穎性。
(4)電機驅(qū)動控制器的冷卻方式可采用風冷或水冷兩種。對于風冷散熱方式，采取兩種措施①選用散熱面積較大的型材散熱器和風量較大、轉(zhuǎn)速較高的風機，有效地降低了散熱器到環(huán)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，可有效地增大換流系數(shù)，改善系統(tǒng)散熱效果。本方案采用2臺24VDC直流風機，垂直安裝于散熱齒表面，對于水冷散熱方式，采用電機驅(qū)動控制器和驅(qū)動電機一體化的散熱結(jié)構(gòu)，這種一體化的冷卻結(jié)構(gòu)具有易于整車布置、散熱系統(tǒng)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(diào)理電路均為現(xiàn)有技術，對信號條理電路不做具體論述。
2、驅(qū)動部分電機驅(qū)動控制器的驅(qū)動部分用于驅(qū)動功率模塊進行開關動作，包括驅(qū)動電源、PWM驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換、信號調(diào)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(qū)動電路接收來自控制電路的信號，經(jīng)處理后向三相功率模塊輸出六路PWM控制波形。驅(qū)動電路同時可實現(xiàn)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(qū)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(qū)動部分的設計要點如下(1)電機驅(qū)動控制器的驅(qū)動控制電源采用專用模塊化電源，各路電源之間相互隔離，具有電壓調(diào)整精度高、噪聲小、可靠性高等特點。對于電源的抗干擾問題，采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(wěn)定性其中有一定的電路。
(2)驅(qū)動電路采用集成化專用驅(qū)動模塊，低電平開通PWM控制邏輯，有利于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，保護電路采用直流母線電壓、直流母線電流以及三相電流的多重保護方法，并具有溫度保護功能。信號調(diào)理電路采用雙重跟隨、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芯片為控制核心，電機驅(qū)動控制器和交流異步電機為控制對象，進行對電機的調(diào)速控制和能量回饋制動控制，如附圖5所示。本方案采用美國TI公司的TMS320C240DSP為主控芯片?？刂撇糠钟糜谕ㄟ^CAN總線接收來自上位機的轉(zhuǎn)矩控制命令，產(chǎn)生占空比可調(diào)的六路PWM脈沖信號，同時可接收來自電機的反饋信號?？刂齐娐钒ǜ咚贁?shù)字信號處理器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?？刂撇糠衷O計要點如下(1)結(jié)合交流異步電機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制以及能量回饋制動控制原理，控制軟件具有以下功能①主控DSP芯片通過安裝在電機轉(zhuǎn)子軸上的光編碼轉(zhuǎn)速傳感器得到電機轉(zhuǎn)速信號，通過上位機獲得轉(zhuǎn)矩給定信號，產(chǎn)生六路PWM脈沖輸出，用于觸發(fā)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占空比)，實現(xiàn)對交流異步電機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)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芯片根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號以及充電電流給定，輸出PWM脈沖，使得三相逆變器工作于能量回饋制動模式，電機作為發(fā)電機運行，向蓄電池充電，實現(xiàn)能量回饋。③實現(xiàn)電機控制的相關輔助功能上位機信號為零時的系統(tǒng)零位保持功能，無光編碼速度信號時能夠?qū)崿F(xiàn)電機的無速度控制，電動/能量回饋狀態(tài)下的電機同步控制，各種定時控制、故障監(jiān)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，用于電機驅(qū)動控制器和上位機的通信。通信信息包括輸入側(cè)直流電壓、電流和電機轉(zhuǎn)速信號；轉(zhuǎn)速給定信號或轉(zhuǎn)矩給定信號；正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和禁止運行輸入信號(對應前進，后退和空檔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(xiàn)；CAN控制器支持CAN2.0A和CAN2.0B兩種協(xié)議規(guī)范。
本發(fā)明方案可應用于混合動力轎車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)?；旌蟿恿I車電機驅(qū)動控制器主電路采用上述三合一的模塊化設計方案，風冷散熱方式；驅(qū)動電路采用上述直流無刷電機驅(qū)動控制器設計方案；控制電路采用CAN總線通信方式，控制系統(tǒng)采用DSP高數(shù)字信號處理器；電機采用直流無刷電機。
混合動力電動汽車是將電驅(qū)動與輔助動力單元綜合到一輛車上，輔助單元采用一個燃燒某種燃料的原動機或動力發(fā)電機組。電機用于內(nèi)燃機起動時帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，內(nèi)燃機起動后，電機停止工作，由內(nèi)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(nèi)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(qū)動控制器控制電機實現(xiàn)能量回饋制動，向蓄電池充電。
混合動力轎車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)相關參數(shù)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(zhuǎn)速3000rpm，電機最高轉(zhuǎn)速6000rpm，具有能量回饋功能。實驗結(jié)果表明，該設計方案可很好地滿足系統(tǒng)性能要求。
本發(fā)明方案可應用于純電動轎車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。純電動轎車電機驅(qū)動控制器主電路采用上述三合一的模塊化設計方案，水冷散熱方式；驅(qū)動電路同樣采用上述設計方案；控制電路采用I/O通信方式，控制系統(tǒng)采用DSP高數(shù)字信號處理器；電機采用直流無刷電機。
純電動轎車是由電機單獨提供動力的一種新型環(huán)保型電動汽車。整車由蓄電池提供能源，蓄電池輸出電壓經(jīng)DC/DC升壓后向電機驅(qū)動控制器輸出，電機驅(qū)動控制器輸出電壓幅值、頻率可調(diào)的PWM電壓給永磁直流電機。
混合動力轎車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)相關參數(shù)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(zhuǎn)速4580rpm，電機最高轉(zhuǎn)速10200rpm，具有能量回饋功能。實驗結(jié)果表明，該設計方案可很好地滿足系統(tǒng)性能要求。
權利要求
1.一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于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(qū)動電路連接，驅(qū)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(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于濾波電路為四個濾波電容進行并聯(lián)，功率元件采用三個功率模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于吸收電路有三個功率橋臂，開關管的兩端與二極管的兩端并聯(lián)，每兩個開關管和兩個二極管組成一個功率橋臂，各功率橋臂均與一吸收電容并聯(lián)。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于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(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于正、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(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于驅(qū)動電路上分別設有A相驅(qū)動模塊、B相驅(qū)動模塊、C相驅(qū)動模塊。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于功率元件安裝于散熱片上，靠近功率元件處設有冷卻風扇。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于在散熱片上靠近功率元件處設有冷水槽。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于控制電路中設一DSP芯片，DSP芯片分別與輸出緩沖器、復雜可編程邏輯器件、擴展RAM、CAN總線控制器連接，復雜可編程邏輯器件與I/O緩沖器連接，CAN總線控制器與上位機連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于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(qū)動電路連接，驅(qū)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(fā)明提供了一種用于電動汽車的直流無刷電機驅(qū)動控制器系統(tǒng)設計方案，具有很強的適用性。該驅(qū)動控制器與外部連接緊湊可靠，易于整車布置，適用于純電動轎車以及混合動力轎車的直流無刷電機的驅(qū)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(yōu)先權日2003年9月23日
發(fā)明者徐國卿 申請人:上海達鷹電氣科技發(fā)展有限公司