專利名稱：一種電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及永磁同步電機控制領域，特別是一種電動車輛交流永磁同步電機 控制系統(tǒng)。
技術背景電機控制系統(tǒng)是電動車輛至關重要的組成部分，決定著電動車輛驅動性能的優(yōu)良 與否。近十年來，主要發(fā)展交流異步電機控制器和無刷永磁電機控制器。與原有的直流牽 引電機控制器相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點是效率高、基本免維護、調速范圍廣。其研究 開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如下。1.異步電機控制器異步電機控制器的特點是堅固耐用、運行可靠，可實現(xiàn)控制電機低轉矩脈動，低噪 聲，不需要位置傳感器，轉速極限高。異步電機控制器的矢量控制調速技術比較成熟，因此 被較早應用于電動汽車，目前仍然是電動汽車控制器的主流產品(尤其在美國)，但已被其 它新型無刷永磁牽引電機控制器逐步取代。最大缺點是控制器電路復雜，控制效率不高，不 利于實現(xiàn)產業(yè)化。2.無刷永磁同步電機控制器無刷永磁同步電機控制器具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發(fā)展 前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機控制器中是強有力的競爭者，已在國內外多種電動車 輛中獲得應用。最大的缺點是控制精度不高，因此通常應用在一些對精度要求較低的場合
實用新型內容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構緊湊牢固、電路 簡單、性能可靠以及在寬廣的轉速范圍內控制效率和控制精度都比較高的電動車輛交流永 磁同步電機控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實用新型采用了如下技術方案一種電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，包括交流永磁同步電機、功率變換器、 控制器和檢測器，所述控制器為一 DSP微處理器，所述檢測器包括位置檢測器和電流檢測 器，所述位置檢測器和電流檢測器將其各自檢測到的交流永磁同步電機的轉子位置/速度 信號和電流信號分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據輸入的轉子位置/速度信 號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較得出相應的控制信號，并經功率變 換器驅動交流永磁同步電機；所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構成的 三相雙逆變橋式結構，當直流母線電壓低于200V時，所述MOSFET逆變器為主逆變器，所述 IGBT逆變器為附屬逆變器，當直流母線電壓高于200V時，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低速運行時由主逆變器驅動，附屬逆變器僅用于構成繞組 回路；所述交流永磁同步電機高速運行時，由主逆變器和附屬逆變器同時驅動。[0011]所述位置檢測器的電路中設有功角閉環(huán)控制器。所述位置檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對差分信號A+、A-，B+、B-，Z+、 Z-；其中A相和B相信號正交，Z相信號是零位信號，增量式光電編碼器每旋轉一圈經過零 位輸出一個脈沖。所述電流檢測器包括霍爾傳感器、運算放大器A、運算放大器B和運算放大器C，所 述交流永磁同步電機的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號經運算放大器A進行電流/電 壓轉換后輸出負電壓，隨后加到運算放大器B的輸入端，對該負電壓進行反向和比例放大， 最后經過運算放大器C進行電平偏移。所述DSP微處理器的輸出端設有一主要由集成電壓比較器LM393構成的過流保護 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置具有濾波功能和回饋能量存儲功能的電容。本實用新型相對于現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點1，通過選用運算速度快的DSP微處理器以及快恢復、快響應的三雙逆變橋式結 構，提高了交流永磁同步電機的低速轉矩，使其無異步電機起動時所出現(xiàn)的電流沖擊現(xiàn)象。2，提高了位置及電流檢測器對信號采樣的精確度，從而對電機速度進行準確的控 制。3，在永磁同步電機常用的轉速和電流雙閉環(huán)的基礎上，增加了功角閉環(huán)控制。對 于使用低成本、低分辨率的位置編碼器的情況，負載突變時，防止功角瞬間失控，而且低速 時，轉子位置插值不準確，采用功角閉環(huán)控制可以消除轉矩不穩(wěn)定，響應差的問題，大大提 高了控制器的位置傳感器精度可選擇范圍。4，對于不同的電池電壓，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，并且在高速運行時電機的功率因素較低時，利用抵消電機端壓的無 功分量，保證電機在高速時的轉矩和功率。提高了控制器的運行效率，增加了車輛的續(xù)航里程。5，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，主電路以數字電路為主，結構簡單，便于維護。6，能實現(xiàn)電能回饋功能。剎車、減速或下坡滑行時將電機產生的能量反饋給電池， 起到反充電的效果，從而對電池進行維護，延長了電池的使用壽命。

圖1為本實用新型的控制原理圖。圖2為本實用新型中三相雙逆變橋式結構示意圖。圖3為本實用新型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為本實用新型中過電流保護電路的結構示意圖。圖5為本實用新型中電流檢測電路的結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1，按照本實用新型提供的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，包括DSP微處理器(型號TMS320F243)、功率變換器、交流永磁同步電機及位置檢測器和電流檢測 器，位置檢測器和電流檢測器用于分別檢測交流永磁同步電機的轉子位置、轉子速度和相 電流，工作時，位置檢測器將其檢測到的轉子位置信號和轉子速度信號由DSP微處理器的 QEP單元輸入，電流檢測器將其檢測到的電流信號由DSP微處理器的A/D轉換接口輸入，DSP 微處理器根據輸入的轉子位置信號和轉子速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流 檢測值相比較，得出相應的控制信號控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號經功率變換器驅動 交流永磁同步電機，從而保證電機轉速的穩(wěn)定。如圖2所示，所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構成的三相雙 逆變橋式結構，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功能，從而提 高了系統(tǒng)的運行效率。當直流母線電壓低于200V時，MOSFET逆變器為主逆變器，IGBT逆變 器為附屬逆變器，當直流母線電壓高于200V時，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。當交流永磁同步電機低速運行時，由主逆變器驅 動，附屬逆變器僅用于構成繞組回路；當交流永磁同步電機高速運行時，由主逆變器和附屬 逆變器同時驅動，利用附屬逆變器來抵消電機端壓的無功分量以維持轉矩恒定和功率的增 大需求，從而不需要通過額外的DC/DC電路來提高直流母線電壓，降低了對電動汽車電池 電壓的要求。所述位置檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對差分信號A+、A-，B+、B-，Z+、 Ζ-。其中A相和B相信號正交，判斷兩個信號相位差即可判斷交流永磁同步電機的旋轉方 向，Z相信號是零位信號，增量式光電編碼器每旋轉一圈經過零位輸出一個脈沖。圖3為A 相電路連接圖，A+、A-差分信號經過運算放大器反相加強后，分別輸入電壓比較器的反相、 同相輸入端，經過電壓比較后，輸出端得到A相有效電平，該信號直接輸入DSP微處理器。B 相和Z相的處理方法與A相相同，在這里就不重復說明。獲得準確的Α、B、Z輸入信號后， DSP就可以進行轉向判斷、位置和轉速計算。所述位置檢測器的電路中設有功角閉環(huán)控制器(圖中為示)。采用功角閉環(huán)控制， 能提高電機轉矩的穩(wěn)定性，尤其是低速時，適應路況引起的負載波動，通過這個方法，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。同時考慮 電機的過載倍數，將電機的功角控制在極限功角以內，保證電機在穩(wěn)定狀態(tài)下運行，大大提 高路況變化引起電機負載突變時的系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速響應性。所述電流檢測器包括霍爾傳感器、運算放大器Α、運算放大器B和運算放大器C。 電流檢測電路如圖5所示，交流永磁同步電機的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號Ju經 運算放大器A進行電流/電壓轉換后輸出，根據運算放大器的工作原理可知輸出為負電壓。 隨后，電壓加到運算放大器B的輸入端，對該負電壓進行反向和比例放大。由于微處理器 TMS320F243的A/D輸入電壓范圍是0 3V，所以運算放大器B輸出的電壓不能直接輸入 DSP,還需要經過運算放大器C進行電平偏移，如圖3所示，在運算放大器C的同相輸入端疊 加了 1. 5V的偏壓，使得輸出電壓范圍調成0 3V。相電流過流是電機運行時常遇到的問題，它不但影響到電機的正常運行，高負荷、 長時間的過流還可能燒壞功率變換器，對操作人員的人身安全構成嚴重威脅，因此，本實用 新型在功率變換器的電路中設有過流保護電路。如圖1和圖4所示，過流保護電路主要通過 一集成電壓比較器LM393來實現(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。當電機正常 工作時，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸入端11+電壓為+15V，負輸入端1為 +7. 5V，正輸入端電壓高于負輸入端電壓，輸出端01輸出高電平，DSP微處理器的PWM輸出 端正常將控制信號傳輸至功率變換器；當電機工作于過流狀態(tài)時，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，而負輸入端Il-仍然為+7. 5V，正 輸入端電壓低于負輸入端，輸出端01電壓反轉，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554字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器 和片內外設接口組成。如圖1所示，該控制器還包括有PC上位機、鍵盤和LED顯示，DSP微 處理器用SCI接口完成與PC上位機的串行通訊功能，通過PC上位機可以設定參考給定位 置、速度、電流，也可將位置、速度、電流反饋檢測量實時傳送到PC上位機顯示，也可以通過 數字I/O擴展的鍵盤設定給定量，由SPI接口完成串行驅動LED數碼管顯示功能。上述實施例僅供說明本實用新型之用，而并非對本實用新型的限制，有關技術領 域的普通技術人員，在不脫離本實用新型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方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護范圍應 由各權利要求限定。
權利要求1.一種電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，包括交流永磁同步電機、功率變換器、控 制器和檢測器，其特征在于所述控制器為一 DSP微處理器，所述檢測器包括位置檢測器和 電流檢測器，所述位置檢測器和電流檢測器將其各自檢測到的交流永磁同步電機的轉子位 置/速度信號和電流信號分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據輸入的轉子位置 /速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較得出相應的控制信號，并經 功率變換器驅動交流永磁同步電機；所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器 構成的三相雙逆變橋式結構，當直流母線電壓低于200V時，所述MOSFET逆變器為主逆變 器，所述IGBT逆變器為附屬逆變器，當直流母線電壓高于200V時，所述IGBT逆變器為主逆 變器，所述MOSFET逆變器為附屬逆變器。
2.如權利要求1所述的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述交流 永磁同步電機低速運行時由主逆變器驅動，附屬逆變器僅用于構成繞組回路；所述交流永 磁同步電機高速運行時，由主逆變器和附屬逆變器同時驅動。
3.如權利要求1或2所述的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述 位置檢測器的電路中設有功角閉環(huán)控制器。
4.如權利要求3所述的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置 檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對差分信號Α+、Α-, B+、B-, Ζ+、Z-；其中A相和B 相信號正交，Z相信號是零位信號，增量式光電編碼器每旋轉一圈經過零位輸出一個脈沖。
5.如權利要求3所述的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述電流 檢測器包括霍爾傳感器、運算放大器A、運算放大器B和運算放大器C，所述交流永磁同步電 機的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號經運算放大器A進行電流/電壓轉換后輸出負電 壓，隨后加到運算放大器B的輸入端，對該負電壓進行反向和比例放大，最后經過運算放大 器C進行電平偏移。
6.如權利要求3所述的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述DSP 微處理器的輸出端設有一主要由集成電壓比較器LM393構成的過流保護電路，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.如權利要求1或2所述的電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述 功率變換器中設置具有濾波功能和回饋能量存儲功能的電容。
專利摘要一種電動車輛交流永磁同步電機控制系統(tǒng)，包括交流永磁同步電機、功率變換器、控制器和檢測器，所述控制器為一DSP微處理器，所述檢測器包括位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器和電流檢測器將其各自檢測到的交流永磁同步電機的轉子位置/速度信號和電流信號分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據輸入的轉子位置/速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較得出相應的控制信號，并經功率變換器驅動交流永磁同步電機；所述功率變換器采用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構成的三相雙逆變橋式結構。本實用新型具有結構緊湊牢固、電路簡單、性能可靠、運行穩(wěn)定以及控制效率和控制精度都比較高等優(yōu)點。
文檔編號H02P6/16GK201781456SQ20102028674
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權日2010年8月10日
發(fā)明者程基江 申請人:程基江