專利名稱：電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域，特別是一種電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電機(jī)控制系統(tǒng)是電動(dòng)車輛至關(guān)重要的組成部分，決定著電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)性能的優(yōu)良與否。近十年來(lái)，主要發(fā)展交流異步電機(jī)控制器和無(wú)刷永磁電機(jī)控制器。與原有的直流牽引電機(jī)控制器相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是效率高、基本免維護(hù)、調(diào)速范圍廣。其研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)如下。1.異步電機(jī)控制器異步電機(jī)控制器的特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠，可實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低噪聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高。異步電機(jī)控制器的矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，因此被較早應(yīng)用于電動(dòng)汽車，目前仍然是電動(dòng)汽車控制器的主流產(chǎn)品(尤其在美國(guó))，但已被其它新型無(wú)刷永磁牽引電機(jī)控制器逐步取代。最大缺點(diǎn)是控制器電路復(fù)雜，控制效率不高，不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.無(wú)刷永磁同步電機(jī)控制器無(wú)刷永磁同步電機(jī)控制器具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)控制器中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，已在國(guó)內(nèi)外多種電動(dòng)車輛中獲得應(yīng)用。最大的缺點(diǎn)是控制精度不高，因此通常應(yīng)用在一些對(duì)精度要求較低的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊牢固、電路簡(jiǎn)單、 性能可靠以及在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制效率和控制精度都比較高的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括交流永磁同步電機(jī)、功率變換器、 控制器和檢測(cè)器，所述控制器為一 DSP微處理器，所述檢測(cè)器包括位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器，所述位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器將其各自檢測(cè)到的交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置/速度信號(hào)和電流信號(hào)分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置/速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測(cè)值相比較得出相應(yīng)的控制信號(hào)，并經(jīng)功率變換器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)；所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構(gòu)成的三相雙逆變橋式結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流母線電壓低于200V時(shí)，所述MOSFET逆變器為主逆變器，所述 IGBT逆變器為附屬逆變器，當(dāng)直流母線電壓高于200V時(shí)，所述IGBT逆變器為主逆變器，所述MOSFET逆變器為附屬逆變器。所述交流永磁同步電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)由主逆變器驅(qū)動(dòng)，附屬逆變器僅用于構(gòu)成繞組回路；所述交流永磁同步電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，由主逆變器和附屬逆變器同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
所述位置檢測(cè)器的電路中設(shè)有功角閉環(huán)控制器。所述位置檢測(cè)器采用增量式光電編碼器，其輸出3對(duì)差分信號(hào)A+、A-，B+、B-，Z+、 Z-；其中A相和B相信號(hào)正交，Z相信號(hào)是零位信號(hào)，增量式光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過(guò)零位輸出一個(gè)脈沖。所述電流檢測(cè)器包括霍爾傳感器、運(yùn)算放大器A、運(yùn)算放大器B和運(yùn)算放大器C，所述交流永磁同步電機(jī)的相電流由霍爾傳感器檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器A進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換后輸出負(fù)電壓，隨后加到運(yùn)算放大器B的輸入端，對(duì)該負(fù)電壓進(jìn)行反向和比例放大， 最后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器C進(jìn)行電平偏移。所述DSP微處理器的輸出端設(shè)有一主要由集成電壓比較器LM393構(gòu)成的過(guò)流保護(hù)電路，所述集成電壓比較器LM393的正輸入端與交流永磁同步電機(jī)連接，所述集成電壓比較器LM393的輸出端與DSP微處理器的輸出端連接。所述功率變換器中設(shè)置具有濾波功能和回饋能量存儲(chǔ)功能的電容。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1，通過(guò)選用運(yùn)算速度快的DSP微處理器以及快恢復(fù)、快響應(yīng)的三雙逆變橋式結(jié)構(gòu)，提高了交流永磁同步電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩，使其無(wú)異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的電流沖擊現(xiàn)象。2，提高了位置及電流檢測(cè)器對(duì)信號(hào)采樣的精確度，從而對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。3，在永磁同步電機(jī)常用的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上，增加了功角閉環(huán)控制。對(duì)于使用低成本、低分辨率的位置編碼器的情況，負(fù)載突變時(shí)，防止功角瞬間失控，而且低速時(shí)，轉(zhuǎn)子位置插值不準(zhǔn)確，采用功角閉環(huán)控制可以消除轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，響應(yīng)差的問(wèn)題，大大提高了控制器的位置傳感器精度可選擇范圍。4，對(duì)于不同的電池電壓，靈活采用不同的主電路功率原件，即雙逆變器控制方式， 減少了控制器的發(fā)熱，并且在高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因素較低時(shí)，利用抵消電機(jī)端壓的無(wú)功分量，保證電機(jī)在高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和功率。提高了控制器的運(yùn)行效率，增加了車輛的續(xù)航里程。5，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，主電路以數(shù)字電路為主，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。6，能實(shí)現(xiàn)電能回饋功能。剎車、減速或下坡滑行時(shí)將電機(jī)產(chǎn)生的能量反饋給電池， 起到反充電的效果，從而對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。


圖1為本發(fā)明的控制原理圖。圖2為本發(fā)明中三相雙逆變橋式結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中增量式光電編碼器的連接線路圖，圖中僅示出了 A相的電路連接。圖4為本發(fā)明中過(guò)電流保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明中電流檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，按照本發(fā)明提供的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括DSP微處理器(型號(hào)TMS320F243)、功率變換器、交流永磁同步電機(jī)及位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器，位
4置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器用于分別檢測(cè)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子速度和相電流， 工作時(shí)，位置檢測(cè)器將其檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)由DSP微處理器的QEP單元輸入，電流檢測(cè)器將其檢測(cè)到的電流信號(hào)由DSP微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口輸入，DSP微處理器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測(cè)值相比較，得出相應(yīng)的控制信號(hào)控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號(hào)經(jīng)功率變換器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)，從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。如圖2所示，所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構(gòu)成的三相雙逆變橋式結(jié)構(gòu)，屬于能量回收型，其間的電容具有濾波功能和回饋能量的存儲(chǔ)功能，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。當(dāng)直流母線電壓低于200V時(shí)，MOSFET逆變器為主逆變器，IGBT逆變器為附屬逆變器，當(dāng)直流母線電壓高于200V時(shí)，IGBT逆變器為主逆變器，MOSFET逆變器為附屬逆變器，以此提高逆變器的工作效率。當(dāng)交流永磁同步電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由主逆變器驅(qū)動(dòng)，附屬逆變器僅用于構(gòu)成繞組回路；當(dāng)交流永磁同步電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，由主逆變器和附屬逆變器同時(shí)驅(qū)動(dòng)，利用附屬逆變器來(lái)抵消電機(jī)端壓的無(wú)功分量以維持轉(zhuǎn)矩恒定和功率的增大需求，從而不需要通過(guò)額外的DC/DC電路來(lái)提高直流母線電壓，降低了對(duì)電動(dòng)汽車電池電壓的要求。所述位置檢測(cè)器采用增量式光電編碼器，其輸出3對(duì)差分信號(hào)A+、A-，B+、B-，Z+、 Ζ-。其中A相和B相信號(hào)正交，判斷兩個(gè)信號(hào)相位差即可判斷交流永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，Z相信號(hào)是零位信號(hào)，增量式光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過(guò)零位輸出一個(gè)脈沖。圖3為A 相電路連接圖，A+、A-差分信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器反相加強(qiáng)后，分別輸入電壓比較器的反相、 同相輸入端，經(jīng)過(guò)電壓比較后，輸出端得到A相有效電平，該信號(hào)直接輸入DSP微處理器。B 相和Z相的處理方法與A相相同，在這里就不重復(fù)說(shuō)明。獲得準(zhǔn)確的Α、B、Z輸入信號(hào)后， DSP就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向判斷、位置和轉(zhuǎn)速計(jì)算。所述位置檢測(cè)器的電路中設(shè)有功角閉環(huán)控制器(圖中為示)。采用功角閉環(huán)控制， 能提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，尤其是低速時(shí)，適應(yīng)路況引起的負(fù)載波動(dòng)，通過(guò)這個(gè)方法，可以采用低成本的光電編碼器，從而大大提高了控制器的位置傳感精度可選擇范圍。同時(shí)考慮電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)，將電機(jī)的功角控制在極限功角以內(nèi)，保證電機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，大大提高路況變化引起電機(jī)負(fù)載突變時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性。所述電流檢測(cè)器包括霍爾傳感器、運(yùn)算放大器Α、運(yùn)算放大器B和運(yùn)算放大器C。 電流檢測(cè)電路如圖5所示，交流永磁同步電機(jī)的相電流由霍爾傳感器檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)Ju經(jīng)運(yùn)算放大器A進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換后輸出，根據(jù)運(yùn)算放大器的工作原理可知輸出為負(fù)電壓。 隨后，電壓加到運(yùn)算放大器B的輸入端，對(duì)該負(fù)電壓進(jìn)行反向和比例放大。由于微處理器 TMS320F243的A/D輸入電壓范圍是0 3V，所以運(yùn)算放大器B輸出的電壓不能直接輸入 DSP,還需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器C進(jìn)行電平偏移，如圖3所示，在運(yùn)算放大器C的同相輸入端疊加了 1. 5V的偏壓，使得輸出電壓范圍調(diào)成0 3V。相電流過(guò)流是電機(jī)運(yùn)行時(shí)常遇到的問(wèn)題，它不但影響到電機(jī)的正常運(yùn)行，高負(fù)荷、 長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)流還可能燒壞功率變換器，對(duì)操作人員的人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，本發(fā)明在功率變換器的電路中設(shè)有過(guò)流保護(hù)電路。如圖1和圖4所示，過(guò)流保護(hù)電路主要通過(guò)一集成電壓比較器LM393來(lái)實(shí)現(xiàn)，集成電壓比較器LM393的正輸入端11+與交流永磁同步電機(jī)連接，集成電壓比較器LM393的輸出端01與DSP微處理器的輸出端連接。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸入端11+電壓為+15V，負(fù)輸入端Il-為 +7. 5V，正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓，輸出端01輸出高電平，DSP微處理器的PWM輸出端正常將控制信號(hào)傳輸至功率變換器；當(dāng)電機(jī)工作于過(guò)流狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)AULT端輸出低電平，使得集成電壓比較器LM393的正輸入端11+鉗位在低電平，而負(fù)輸入端Il-仍然為+7. 5V，正輸入端電壓低于負(fù)輸入端，輸出端01電壓反轉(zhuǎn)，觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變換器停止工作。所述DSP微處理器主要由CPU、片內(nèi)5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器和片內(nèi)外設(shè)接口組成。如圖1所示，該控制器還包括有PC上位機(jī)、鍵盤和LED顯示，DSP微處理器用SCI接口完成與PC上位機(jī)的串行通訊功能，通過(guò)PC上位機(jī)可以設(shè)定參考給定位置、速度、電流，也可將位置、速度、電流反饋檢測(cè)量實(shí)時(shí)傳送到PC上位機(jī)顯示，也可以通過(guò)數(shù)字I/O擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定給定量，由SPI接口完成串行驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示功能。上述實(shí)施例僅供說(shuō)明本發(fā)明之用，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括交流永磁同步電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測(cè)器，其特征在于所述控制器為一 DSP微處理器，所述檢測(cè)器包括位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器，所述位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器將其各自檢測(cè)到的交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置/速度信號(hào)和電流信號(hào)分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置 /速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測(cè)值相比較得出相應(yīng)的控制信號(hào)，并經(jīng)功率變換器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)；所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構(gòu)成的三相雙逆變橋式結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流母線電壓低于200V時(shí)，所述MOSFET逆變器為主逆變器，所述IGBT逆變器為附屬逆變器，當(dāng)直流母線電壓高于200V時(shí)，所述IGBT逆變器為主逆變器，所述MOSFET逆變器為附屬逆變器。
2.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述交流永磁同步電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)由主逆變器驅(qū)動(dòng)，附屬逆變器僅用于構(gòu)成繞組回路；所述交流永磁同步電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，由主逆變器和附屬逆變器同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置檢測(cè)器的電路中設(shè)有功角閉環(huán)控制器。
4.如權(quán)利要求3所述的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置檢測(cè)器采用增量式光電編碼器，其輸出3對(duì)差分信號(hào)Α+、Α-, B+、B-, Ζ+、Z-；其中A相和B 相信號(hào)正交，Z相信號(hào)是零位信號(hào)，增量式光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過(guò)零位輸出一個(gè)脈沖。
5.如權(quán)利要求3所述的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述電流檢測(cè)器包括霍爾傳感器、運(yùn)算放大器A、運(yùn)算放大器B和運(yùn)算放大器C，所述交流永磁同步電機(jī)的相電流由霍爾傳感器檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器A進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換后輸出負(fù)電壓，隨后加到運(yùn)算放大器B的輸入端，對(duì)該負(fù)電壓進(jìn)行反向和比例放大，最后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器C進(jìn)行電平偏移。
6.如權(quán)利要求3所述的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述DSP 微處理器的輸出端設(shè)有一主要由集成電壓比較器LM393構(gòu)成的過(guò)流保護(hù)電路，所述集成電壓比較器LM393的正輸入端(11+)與交流永磁同步電機(jī)連接，所述集成電壓比較器LM393 的輸出端(01)與DSP微處理器的輸出端連接。
7.如權(quán)利要求1或2所述的電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述功率變換器中設(shè)置具有濾波功能和回饋能量存儲(chǔ)功能的電容。
全文摘要
一種電動(dòng)車輛交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括交流永磁同步電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測(cè)器，所述控制器為一DSP微處理器，所述檢測(cè)器包括位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器，所述位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器將其各自檢測(cè)到的交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置/速度信號(hào)和電流信號(hào)分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置/速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測(cè)值相比較得出相應(yīng)的控制信號(hào)，并經(jīng)功率變換器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)；所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構(gòu)成的三相雙逆變橋式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊牢固、電路簡(jiǎn)單、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定以及控制效率和控制精度都比較高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P27/06GK102377380SQ20101024937
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者程基江 申請(qǐng)人:程基江