專(zhuān)利名稱：一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)控制領(lǐng)域，具體為一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控 制器及控制方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電動(dòng)汽車(chē)采用中置電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)四個(gè)車(chē)輪，所述的中置電機(jī) 采用永磁同步電機(jī)或異步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低，車(chē)體重，行駛量程短。
四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的分布式驅(qū)動(dòng)形式，即電機(jī)直 接安裝在車(chē)輪內(nèi)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)，使電動(dòng)汽車(chē)成為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可去掉復(fù)雜的變 速裝置、機(jī)械差速器、半軸等傳動(dòng)系部件，不僅簡(jiǎn)化了底盤(pán)結(jié)構(gòu)，而且降低了整車(chē)質(zhì)量，提高 傳動(dòng)效率，有助于提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的新方向。
四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的控制系統(tǒng)要比集中驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng) 不但對(duì)電機(jī)控制器的功能、可靠性和安全性有較高的要求，還要求電機(jī)控制器配合整車(chē)控 制器實(shí)現(xiàn)四輪電子差速等功能，目前尚無(wú)成型產(chǎn)品。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種功能完善、接口方便，具有很高的可靠性和 實(shí)用性，可提高電動(dòng)汽車(chē)乘坐的舒適性及在轉(zhuǎn)彎時(shí)的操控性能，減少制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，減輕電 動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量，提高續(xù)行里程的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器及控制 方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器，包括控制單元、通信單元，通過(guò) 驅(qū)動(dòng)電路與控制單元連接的功率轉(zhuǎn)換單元，所述功率轉(zhuǎn)換單元包括逆變電路和主接觸器電 路，所述逆變電路采用三相全橋結(jié)構(gòu)，在控制單元的輸入接口接有電流檢測(cè)電路、電池電壓 檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路，其特殊之處是，逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)管由多個(gè)N溝道耗盡 型功率MOS管并聯(lián)組成，在控制單元的輸入接口還接有用來(lái)檢測(cè)電機(jī)溫度及逆變電路中功 率開(kāi)關(guān)管溫度的溫度檢測(cè)電路和用來(lái)檢測(cè)電源短路信號(hào)的短路檢測(cè)電路，所述的驅(qū)動(dòng)電路 是由集成驅(qū)動(dòng)芯片和電流均衡電路組成。
上述的電流均衡電路是由接在集成驅(qū)動(dòng)芯片上橋臂PWM驅(qū)動(dòng)輸出端的上橋臂驅(qū) 動(dòng)電阻、與上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻并聯(lián)的上橋臂關(guān)閉二極管、通過(guò)上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻分別與上橋臂 MOS管柵級(jí)連接的柵極驅(qū)動(dòng)電阻、接在集成驅(qū)動(dòng)芯片下橋臂PWM驅(qū)動(dòng)輸出端的下橋臂驅(qū)動(dòng) 電阻、與下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻并聯(lián)的下橋臂關(guān)閉二極管、通過(guò)下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻分別與下橋臂MOS 管柵級(jí)連接的柵極驅(qū)動(dòng)電阻及分別接在柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻和集成驅(qū)動(dòng)芯片電源參考端的濾波 電容組成。
一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，其特殊之處是，1、采用控制單元通過(guò)CAN總線接收整車(chē)控制器的控制指令，所述整車(chē)控制器的控制指 令包括控制模式、方向、目標(biāo)轉(zhuǎn)速值和目標(biāo)電流值，所述的控制模式是指轉(zhuǎn)速控制模式和電 流控制模式；2、控制單元通過(guò)電流檢測(cè)電路、電池電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路 和短路檢測(cè)電路將母線電流和電機(jī)相電流、蓄電池電壓、電機(jī)溫度及通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路接在控 制單元和無(wú)刷直流電機(jī)之間的逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管溫度信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、電源短路 信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；3、控制單元根據(jù)所述控制指令和實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)值，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比可調(diào)的PWM信號(hào)；控制單元按照整車(chē)控制器發(fā)來(lái)的控制模式通過(guò) 所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速或電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)由控制器和無(wú) 刷直流電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制；4、當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速值小于實(shí)際轉(zhuǎn)速值并且轉(zhuǎn)速差值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制單元啟動(dòng)電子防抱 死制動(dòng)控制程序，根據(jù)轉(zhuǎn)速差值的大小控制所述功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)順序和開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)釋放無(wú) 刷直流電機(jī)的電能，調(diào)節(jié)制動(dòng)力的強(qiáng)弱；5、控制單元通過(guò)CAN總線將電機(jī)的狀態(tài)信號(hào)或故障信號(hào)發(fā)送給整車(chē)控制器。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，在電流控制模 式下，控制單元按所述目標(biāo)電流值調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比時(shí)采用積分分離的PI控制算法，按 電流環(huán)單閉環(huán)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，在轉(zhuǎn)速控制模 式下，由控制單元實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的全數(shù)字雙閉環(huán)控制；目標(biāo)轉(zhuǎn)速值與 實(shí)際轉(zhuǎn)速值形成偏差，經(jīng)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與實(shí)際相電流形成的偏差經(jīng) 電流調(diào)節(jié)后形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，電機(jī)相電流的 檢測(cè)是利用霍爾電流互感器電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入到控制單元， 在控制單元中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值；控制單元將該實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值與所 述目標(biāo)電流值和預(yù)先設(shè)置在控制單元中的限流值比較，當(dāng)所述實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值小于或等 于限流值時(shí)，調(diào)節(jié)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變電路使相電流實(shí)際值 趨近于所述目標(biāo)電流值，實(shí)現(xiàn)相電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)；當(dāng)控制單元檢測(cè)到所述實(shí)時(shí)相電流檢測(cè) 值超過(guò)預(yù)先設(shè)置在控制單元中的限流值時(shí)，控制單元通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使 電機(jī)相電流實(shí)際值與限流值相等，實(shí)現(xiàn)限流功能。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，所述電子防抱 死制動(dòng)控制程序是在按以下規(guī)律實(shí)現(xiàn)的通過(guò)控制三相全橋的下橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使無(wú) 刷直流電機(jī)繞組中的兩相和導(dǎo)通的下橋臂、一個(gè)上橋臂開(kāi)關(guān)管內(nèi)部的寄生二極管及接在電 源主回路中濾波電容構(gòu)成反向回路，從而使電機(jī)繞組中儲(chǔ)存的電能釋放出去，形成制動(dòng)力， 此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的相電流方向相反；制動(dòng)力距的大小通過(guò)由控制 單元控制下橋臂導(dǎo)通時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比由小逐漸增大，驅(qū)動(dòng) 信號(hào)占空比最大值與剎車(chē)時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速和整車(chē)控制器發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值成正比。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，電機(jī)溫度信號(hào) 和功率開(kāi)關(guān)管溫度信號(hào)是利用半導(dǎo)體溫度傳感器將電機(jī)繞組的溫度信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)管的溫度信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入到控制單元，在控制單元中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí) 時(shí)電機(jī)繞組溫度檢測(cè)值和功率開(kāi)關(guān)管溫度檢測(cè)值，控制單元將電機(jī)繞組溫度檢測(cè)值和功率 開(kāi)關(guān)管溫度檢測(cè)值分別與設(shè)定的溫度安全值比較，當(dāng)溫度達(dá)到或超過(guò)溫度安全值時(shí)，進(jìn)入 溫度保護(hù)程序，降低電機(jī)限流值以使電機(jī)或功率開(kāi)關(guān)管的溫度下降，當(dāng)溫度恢復(fù)到達(dá)到設(shè) 定的溫度安全值以下時(shí)，退出溫度保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和功率開(kāi)關(guān)管的溫度保護(hù)。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，當(dāng)短路檢測(cè)電 路檢測(cè)到電源短路時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入控制單元，通過(guò)控制單元使主接觸器斷開(kāi)，對(duì) 電動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。
上述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，調(diào)節(jié)后相電流 實(shí)際值與所述目標(biāo)電流值的差值在目標(biāo)電流值的5%以內(nèi)。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明為基于單片機(jī)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流 電機(jī)控制器，一個(gè)電機(jī)控制器控制一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)控制器具有與整車(chē)控制器通信 的CAN總線通信接口，所述電機(jī)控制器通過(guò)CAN總線接收整車(chē)控制器的控制指令，根據(jù)控制 指令對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制，并將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)CAN總線反饋給整車(chē)控 制器。
該電機(jī)控制器專(zhuān)用于功率密度高、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性 好、可靠性高、噪聲低的無(wú)刷直流電機(jī)，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最 佳選擇之一。
控制器可工作在轉(zhuǎn)速控制模式和電流控制模式，適合四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的對(duì) 電機(jī)控制器的要求。電機(jī)控制器功能完善、接口方便，具有很高的可靠性和實(shí)用性。采用該 控制方法的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)輛在不同行駛狀 態(tài)下按整車(chē)控制器的指令在轉(zhuǎn)速控制模式和電流控制模式之間切換。轉(zhuǎn)速控制模式可以使 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，提高乘坐的舒適性；電流控制模式 適合于整車(chē)的轉(zhuǎn)矩差速控制，提高電動(dòng)汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的操控性能。該控制方法同時(shí)利用無(wú) 刷直流電機(jī)的可逆特性實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)在減速情況下的電子防抱死剎車(chē)控制功能，與機(jī)械 制動(dòng)相比，減少了制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間，減輕了電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量，有利于提高續(xù)行里程。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明的逆變電路原理圖圖3是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路與三相全橋中A相橋的電路原理圖； 圖4是本發(fā)明的控制方法流程圖； 圖5是本發(fā)明的轉(zhuǎn)速電流閉環(huán)控制算法結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是在由四個(gè)72V、4KW的無(wú)刷直流輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)上經(jīng)過(guò)測(cè)試的， 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做具體說(shuō)明。
如圖1、圖2和圖3所示，該四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器，包括 控制單元，所述的控制單元可采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的帶有PWM模塊、ADC模塊及CAN模塊的DSP芯片(型號(hào)為T(mén)MS320LFM07)，以滿足電機(jī)控制的需要，實(shí)際不受本實(shí)例限制。在控 制單元的CAN接口接有通信單元，在控制單元的PWM信號(hào)輸出端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路接有功率轉(zhuǎn) 換單元，所述功率轉(zhuǎn)換單元是由逆變電路和主接觸器電路組成。所述逆變電路為三相全橋 結(jié)構(gòu)，具體由六組功率開(kāi)關(guān)管Ql - Q6、與每組功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的寄生二極管Dl D6和濾 波電容Cl組成，每組功率開(kāi)關(guān)管采用多個(gè)(4-8個(gè))N溝道耗盡型功率MOS管并聯(lián)組成，以 提高電流驅(qū)動(dòng)能力。本實(shí)施例以上、下橋臂分別采用4個(gè)N溝道耗盡型功率MOS管Vll V14和V41 V44并聯(lián)為例，實(shí)際不受本實(shí)施例限制。電池組為6塊12V、80Ah的鉛蓄電池 串聯(lián)組成。
主接觸器電路是由主接觸器Jl和預(yù)充電電阻Rl組成，在主接觸器Jl閉合前，通 過(guò)預(yù)充電電阻Rl向?yàn)V波電容Cl充電。所述的驅(qū)動(dòng)電路是由集成驅(qū)動(dòng)芯片和電流均衡電路 構(gòu)成，本實(shí)施例中集成驅(qū)動(dòng)芯片的型號(hào)為IR2132，所述的電流均衡電路是由接在集成驅(qū)動(dòng) 芯片上橋臂PWM驅(qū)動(dòng)輸出端的上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻R100、與上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻RlOO并聯(lián)的上橋臂 關(guān)閉二極管D7、通過(guò)上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻RlOO分別與上橋臂MOS管Vl 1-V14柵級(jí)連接的柵極驅(qū) 動(dòng)電阻RlOl R104、接在集成驅(qū)動(dòng)芯片下橋臂PWM驅(qū)動(dòng)輸出端的下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻R400、與 下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻R400并聯(lián)的下橋臂關(guān)閉二極管D8、通過(guò)下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻R400分別與下橋 臂MOS管V41-V44柵級(jí)連接的柵極驅(qū)動(dòng)電阻R401 R404及分別接在柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻和集成 驅(qū)動(dòng)芯片電源參考端的濾波電容Cll和C12組成(以A相橋?yàn)槔?。柵極驅(qū)動(dòng)電阻的作用是 調(diào)節(jié)并聯(lián)功率MOS管的開(kāi)關(guān)速度，達(dá)到均衡并聯(lián)功率MOS管的目的。關(guān)閉二極管D7、D8的 作用是加快MOS管的關(guān)斷速度。
在控制單元的ADC轉(zhuǎn)換接口接有電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、電池電壓檢測(cè)電 路，在控制單元的I/O接口接有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和短路檢測(cè)電路。短路檢測(cè)電路是由過(guò) 流取樣電阻RS、電阻R2和R3與集成驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部放大器、比較器組成。
控制單元輸出的PWM信號(hào)與集成驅(qū)動(dòng)芯片輸入端連接，集成驅(qū)動(dòng)芯片輸出六路信 號(hào)通過(guò)電流均衡電路實(shí)現(xiàn)各路電流均衡來(lái)控制六組N溝道MOSFET功率開(kāi)關(guān)管Ql Q6，三 相全橋輸出A、B、C三相電壓驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
如圖4所示，該四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法如下1、控制單元初始化完成后，控制單元通過(guò)CAN總線接收整車(chē)控制器的控制指令，所述 整車(chē)控制器的控制指令包括控制模式、方向、目標(biāo)轉(zhuǎn)速值和目標(biāo)電流值，所述的控制模式是 指轉(zhuǎn)速控制模式和電流控制模式；控制單元按照整車(chē)控制器發(fā)來(lái)的控制模式進(jìn)行控制模式 選擇；2、控制單元通過(guò)電流檢測(cè)電路、電池電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路 和短路檢測(cè)電路將母線電流和電機(jī)相電流、蓄電池電壓、電機(jī)溫度和逆變電路中功率開(kāi)關(guān) 管溫度信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、電源短路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具體如下電機(jī)相電流的檢測(cè)是利用電流互感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入到控 制單元，在控制單元中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值；電機(jī)溫度信號(hào)和逆變電路中 功率開(kāi)關(guān)管溫度信號(hào)是利用半導(dǎo)體溫度傳感器將電機(jī)繞組的溫度信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)管的溫 度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入到控制單元，在控制單元中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí) 電機(jī)繞組溫度檢測(cè)值和功率開(kāi)關(guān)管溫度檢測(cè)值，控制單元將電機(jī)繞組溫度檢測(cè)值和功率開(kāi) 關(guān)的溫度檢測(cè)值分別與設(shè)定的溫度安全值比較，當(dāng)溫度達(dá)到或超過(guò)安全值時(shí)，進(jìn)入溫度保護(hù)程序，降低電機(jī)限流值以使無(wú)刷電機(jī)或功率開(kāi)關(guān)管的溫度下降，當(dāng)溫度恢復(fù)到達(dá)到設(shè)定 的溫度安全值以下時(shí)，退出溫度保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)和功率開(kāi)關(guān)管的溫度保護(hù)。當(dāng)短路檢測(cè)電路檢測(cè)到電源短路時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入控制單元，通過(guò)控制單 元使主接觸器斷開(kāi)，對(duì)由無(wú)刷直流電機(jī)和電機(jī)控制器構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。3、控制單元根據(jù)所述控制指令和實(shí)時(shí)檢測(cè)的電機(jī)相電流值和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，調(diào)節(jié) 驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比可調(diào)的PWM信號(hào)；控制單元按照整車(chē) 控制器發(fā)來(lái)的控制模式通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速或電 流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，具體如下
實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值是電流檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換由控制單元得到的。 在電流控制模式下，控制單元按電流環(huán)單閉環(huán)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。首先將實(shí)時(shí)相電 流檢測(cè)值與所述目標(biāo)電流值和預(yù)先設(shè)置在控制單元內(nèi)的 限流值比較，當(dāng)所述實(shí)時(shí)相電流檢 測(cè)值小于或等于預(yù)先設(shè)置在控制單元中的限流值時(shí)，采用積分分離的PI控制算法調(diào)節(jié)輸 出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即占空比可調(diào)的PWM信號(hào)占空比，通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的控制量，使相電流 實(shí)際值趨近于所述目標(biāo)電流值，實(shí)現(xiàn)相電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后相電流實(shí)際值與所述目標(biāo) 電流值的差值在目標(biāo)電流值的5%以內(nèi)。當(dāng)控制單元檢測(cè)到所述實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值超過(guò)預(yù) 先設(shè)置在控制單元中的限流值時(shí)，控制單元通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電機(jī)相電 流實(shí)際值與限流值相等，實(shí)現(xiàn)限流功能。所述電流控制模式適合于整車(chē)的轉(zhuǎn)矩差速控制。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)比較穩(wěn)定，故對(duì)于電流的控制與對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制相當(dāng)。對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控 制時(shí)，可以直接控制驅(qū)動(dòng)輪與地面之間的摩擦力，更有利于車(chē)輛的牽引控制?？刂齐妱?dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的整車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)控制。因?yàn)槠?chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性終是由驅(qū)動(dòng)力 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要準(zhǔn)確控制各驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩必能獲得具有良好性能的電動(dòng)汽車(chē)。此 時(shí)轉(zhuǎn)速隨動(dòng)，汽車(chē)可更好地適應(yīng)路面情況的變化。實(shí)際轉(zhuǎn)速值則是通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路輸出的位置量，由控制單元經(jīng)過(guò)計(jì)算得 至IJ。在轉(zhuǎn)速控制模式下，由控制單元實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的全數(shù)字雙閉環(huán) 控制；目標(biāo)轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值形成偏差，經(jīng)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與實(shí)際相 電流形成的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。通 過(guò)轉(zhuǎn)速模式可以使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。位于無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的三個(gè) 位置間隔120°霍爾傳感器輸出端經(jīng)濾波隔離電路分別與控制單元的輸入端相連?？刂茊?元由I/O端口通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路接收電機(jī)內(nèi)部三個(gè)霍爾傳感器輸出的位置信號(hào)，產(chǎn)生 中斷，在中斷處理程序中，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置由控制單元改變PWM信 號(hào)，從而改變逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)換向控制。同時(shí)，根據(jù)連續(xù)兩次換向 的時(shí)間間隔計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。4、在轉(zhuǎn)速模式下，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速值小于實(shí)際轉(zhuǎn)速值并且轉(zhuǎn)速差值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控 制單元啟動(dòng)電子防抱死制動(dòng)控制程序，根據(jù)轉(zhuǎn)速差值的大小控制逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管開(kāi) 關(guān)順序和開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)釋放無(wú)刷直流電機(jī)的電能，調(diào)節(jié)制動(dòng)力的強(qiáng)弱。所述電子防抱死制動(dòng) 控制程序是按照以下規(guī)律實(shí)現(xiàn)通過(guò)三相全橋的下橋臂Q4、Q6、Q2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，某一時(shí)刻 使其中一個(gè)下橋臂導(dǎo)通，并與電機(jī)三相繞組A、B、C中的兩相和一個(gè)上橋臂開(kāi)關(guān)管內(nèi)部的寄 生二極管及電容C構(gòu)成反向回路(如圖3所示)，從而使電機(jī)繞組中儲(chǔ)存的能量釋放出去，形成制動(dòng)力，此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的相電流方向相反；制動(dòng)力距的大小通 過(guò)由控制單元控制下橋臂導(dǎo)通時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比由小逐漸增 大，驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比最大值與剎車(chē)時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速和整車(chē)控制器發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值成 正比。5、控制單元通過(guò)CAN總線將無(wú)刷直流電機(jī)的狀態(tài)信號(hào)或故障信號(hào)發(fā)送給整車(chē)控 制器。 如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)流或者短路情況，短路檢測(cè)電路使控制單元產(chǎn)生外部中斷，啟 動(dòng)控制單元的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)控制程序，這時(shí)控制單元所有的輸出引腳將被置為高阻態(tài)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)功率開(kāi)關(guān)管Q1-Q6的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器，包括控制單元、通信單元，通過(guò) 驅(qū)動(dòng)電路與控制單元連接的功率轉(zhuǎn)換單元，所述功率轉(zhuǎn)換單元包括逆變電路和主接觸器電 路，所述逆變電路采用三相全橋結(jié)構(gòu)，在控制單元的輸入接口接有電流檢測(cè)電路、電池電壓 檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路，其特征在于，逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)管由多個(gè)N溝道耗盡型 功率MOS管并聯(lián)組成，在控制單元的輸入接口還接有用來(lái)檢測(cè)電機(jī)溫度及逆變電路中功率 開(kāi)關(guān)管溫度的溫度檢測(cè)電路和用來(lái)檢測(cè)電源短路信號(hào)的短路檢測(cè)電路，所述的驅(qū)動(dòng)電路是 由集成驅(qū)動(dòng)芯片和電流均衡電路組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器，其特征在 于，所述的電流均衡電路是由接在集成驅(qū)動(dòng)芯片上橋臂PWM驅(qū)動(dòng)輸出端的上橋臂驅(qū)動(dòng)電 阻、與上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻并聯(lián)的上橋臂關(guān)閉二極管、通過(guò)上橋臂驅(qū)動(dòng)電阻分別與上橋臂MOS 管柵級(jí)連接的柵極驅(qū)動(dòng)電阻、接在集成驅(qū)動(dòng)芯片下橋臂PWM驅(qū)動(dòng)輸出端的下橋臂驅(qū)動(dòng)電 阻、與下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻并聯(lián)的下橋臂關(guān)閉二極管、通過(guò)下橋臂驅(qū)動(dòng)電阻分別與下橋臂MOS 管柵級(jí)連接的柵極驅(qū)動(dòng)電阻及分別接在柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻和集成驅(qū)動(dòng)芯片電源參考端的濾波 電容組成。
3.一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，其特征在于，3. 1采用控制單元通過(guò)CAN總線接收整車(chē)控制器的控制指令，所述整車(chē)控制器的控制 指令包括控制模式、方向、目標(biāo)轉(zhuǎn)速值和目標(biāo)電流值，所述的控制模式是指轉(zhuǎn)速控制模式和 電流控制模式；3. 2控制單元通過(guò)電流檢測(cè)電路、電池電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電 路和短路檢測(cè)電路將母線電流和電機(jī)相電流、蓄電池電壓、電機(jī)溫度及通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路接在 控制單元和無(wú)刷直流電機(jī)之間的逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管溫度信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、電源短 路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；3. 3控制單元根據(jù)所述控制指令和實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)值，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比可調(diào)的PWM信號(hào)；控制單元按照整車(chē)控制器發(fā)來(lái)的控制模式通過(guò) 所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速或電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)由控制器和無(wú) 刷直流電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制；3. 4當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速值小于實(shí)際轉(zhuǎn)速值并且轉(zhuǎn)速差值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制單元啟動(dòng)電子防 抱死制動(dòng)控制程序，根據(jù)轉(zhuǎn)速差值的大小控制所述功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)順序和開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)釋放 無(wú)刷直流電機(jī)的電能，調(diào)節(jié)制動(dòng)力的強(qiáng)弱；3.5控制單元通過(guò)CAN總線將電機(jī)的狀態(tài)信號(hào)或故障信號(hào)發(fā)送給整車(chē)控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法， 其特征在于，在電流控制模式下，控制單元按所述目標(biāo)電流值調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比時(shí)采用 積分分離的PI控制算法，按電流環(huán)單閉環(huán)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法， 其特征在于，在轉(zhuǎn)速控制模式下，由控制單元實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的全數(shù)字 雙閉環(huán)控制；目標(biāo)轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值形成偏差，經(jīng)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與 實(shí)際相電流形成的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控 制。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法，其特征在于，電機(jī)相電流的檢測(cè)是利用霍爾電流互感器電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)， 經(jīng)濾波后輸入到控制單元，在控制單元中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值；控制單元 將該實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值與所述目標(biāo)電流值和預(yù)先設(shè)置在控制單元中的限流值比較，當(dāng)所述 實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值小于或等于限流值時(shí)，調(diào)節(jié)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū) 動(dòng)逆變電路使相電流實(shí)際值趨近于所述目標(biāo)電流值，實(shí)現(xiàn)相電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)；當(dāng)控制單元 檢測(cè)到所述實(shí)時(shí)相電流檢測(cè)值超過(guò)預(yù)先設(shè)置在控制單元中的限流值時(shí)，控制單元通過(guò)對(duì)驅(qū) 動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電機(jī)相電流實(shí)際值與限流值相等，實(shí)現(xiàn)限流功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法， 其特征在于，所述電子防抱死制動(dòng)控制程序是在按以下規(guī)律實(shí)現(xiàn)的通過(guò)控制三相全橋 的下橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使無(wú)刷直流電機(jī)繞組中的兩相和導(dǎo)通的下橋臂、一個(gè)上橋臂開(kāi)關(guān)管 內(nèi)部的寄生二極管及接在電源主回路中濾波電容構(gòu)成反向回路，從而使電機(jī)繞組中儲(chǔ)存的 電能釋放出去，形成制動(dòng)力，此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的相電流方向相反； 制動(dòng)力距的大小通過(guò)由控制單元控制下橋臂導(dǎo)通時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，使驅(qū)動(dòng)信號(hào) 占空比由小逐漸增大，驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比最大值與剎車(chē)時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速和整車(chē)控制器發(fā)出的目 標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值成正比。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法， 其特征在于，電機(jī)溫度信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)管溫度信號(hào)是利用半導(dǎo)體溫度傳感器將電機(jī)繞組的 溫度信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)管的溫度信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波后輸入到控制單元，在控制單 元中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)電機(jī)繞組溫度檢測(cè)值和功率開(kāi)關(guān)管溫度檢測(cè)值，控制單元將電 機(jī)繞組溫度檢測(cè)值和功率開(kāi)關(guān)管溫度檢測(cè)值分別與設(shè)定的溫度安全值比較，當(dāng)溫度達(dá)到或 超過(guò)溫度安全值時(shí)，進(jìn)入溫度保護(hù)程序，降低電機(jī)限流值以使電機(jī)或功率開(kāi)關(guān)管的溫度下 降，當(dāng)溫度恢復(fù)到達(dá)到設(shè)定的溫度安全值以下時(shí)，退出溫度保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和功率開(kāi) 關(guān)管的溫度保護(hù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方法， 其特征在于，當(dāng)短路檢測(cè)電路檢測(cè)到電源短路時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入控制單元，通過(guò)控 制單元使主接觸器斷開(kāi)，對(duì)電動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制方 法，其特征在于，調(diào)節(jié)后相電流實(shí)際值與所述目標(biāo)電流值的差值在目標(biāo)電流值的5%以內(nèi)。
全文摘要
一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)控制器及控制方法，包括控制單元、通信單元，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與控制單元連接的功率轉(zhuǎn)換單元，所述功率轉(zhuǎn)換單元包括逆變電路和主接觸器電路，所述逆變電路采用三相全橋結(jié)構(gòu)，在控制單元的輸入接口接有電流檢測(cè)電路、電池電壓檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路，其特殊之處是逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)管由多個(gè)N溝道耗盡型功率MOS管并聯(lián)組成，在控制單元的輸入接口還接有用來(lái)檢測(cè)電機(jī)溫度及逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管溫度的溫度檢測(cè)電路和電源短路信號(hào)的短路檢測(cè)電路，所述的驅(qū)動(dòng)電路是由集成驅(qū)動(dòng)芯片和電流均衡電路組成。該電機(jī)控制器功能完善、接口方便，具有很高的可靠性和實(shí)用性。
文檔編號(hào)H02P6/08GK102045014SQ201010562849
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者曹洪奎, 李國(guó)義, 李晗, 杜鵬 申請(qǐng)人:遼寧工業(yè)大學(xué), 遼寧維森信息技術(shù)有限公司