專利名稱：電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置領(lǐng)域，特別是一種適用于8 150KW蓄電池供電的電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器。
背景技術(shù)：
目前，公知的電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器，包括直流有刷電機(jī)、異步交流電機(jī)、無刷直流電機(jī)等。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，在車用電機(jī)控制系統(tǒng)中，有刷直流電機(jī)已經(jīng)逐步被異步交流電機(jī)和無刷直流電機(jī)所代替。由交流變頻系統(tǒng)和異步電機(jī)組成的異步交流電機(jī)控制系統(tǒng)，在大功率車用方面得到了很好的應(yīng)用。這種系統(tǒng)也稱為VVVF系統(tǒng)。其特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低噪聲，不需要位置傳感器。但電氣驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，可以采用較高的輸入電壓，相對永磁電機(jī)而言總的轉(zhuǎn)換效率較低，特別適用于線路供電的大功率有軌車輛。在中小功率無軌車輛中，無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用。由于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用了永磁電機(jī)，無需勵(lì)磁電流，沒有轉(zhuǎn)子損耗，故其轉(zhuǎn)換效率較高。與直流電機(jī)相比，由于取消了換向器，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。同時(shí)，直流無刷電機(jī)的控制電路和位置傳感器簡單，采用方波驅(qū)動(dòng)，稱為BLDC系統(tǒng)。但其轉(zhuǎn)矩不平滑，具有脈動(dòng)性，適用于小功率的場合。除了上述的電機(jī)控制系統(tǒng)外，還有步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等，但是由于它們電氣控制電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩特性不好。步進(jìn)電機(jī)不適應(yīng)高速，開關(guān)磁阻電機(jī)噪聲較大。在車輛電機(jī)中均沒有得到應(yīng)用。總之，異步交流電機(jī)及其變頻控制器和無刷直流電機(jī)及其控制器是現(xiàn)在電動(dòng)汽車上最常用的兩種電機(jī)及其控制器。這兩種動(dòng)力裝置的缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流大、啟動(dòng)力矩小、電能利用率不是太高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用永磁交流伺服電機(jī)數(shù)字PMSM正弦波正交矢量驅(qū)動(dòng)控制方式的電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是該電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器包括電機(jī)和控制器兩個(gè)相對獨(dú)立的機(jī)械部件，電機(jī)和控制器通過電纜線進(jìn)行電氣連接。電機(jī)采用永磁交流伺服電機(jī)，電機(jī)的部件有軸承、動(dòng)力輸出軸、密封圈、前端蓋、電機(jī)轉(zhuǎn)子、不銹鋼轉(zhuǎn)子套、外殼、定子、后端蓋、電纜接口、增量型光電編碼器、編碼器室蓋。動(dòng)力輸出軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子固定在一起，并用軸承分別支撐在前后端蓋上，前后端蓋與外殼、定子、編碼器室蓋固定在一起，前端蓋上安裝有密封圈，后端蓋上安裝有電纜線接口。永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼外圈裝有不銹鋼套，在電機(jī)的后端部安裝有與電機(jī)同軸的轉(zhuǎn)子位置傳感器。該傳感器為增量型編碼器，有U、V、W和A、B、Z六路差動(dòng)信號(hào)電路，其將轉(zhuǎn)子位置傳送給控制器?？刂破饔蓹C(jī)殼、散熱器、動(dòng)力輸入輸出接口、編碼器信號(hào)及操作輸入信號(hào)和輸出信號(hào)接口、控制板、
3驅(qū)動(dòng)板、三個(gè)大功率IGBT對管模塊、三個(gè)霍爾電流傳感器組成。散熱器固定在機(jī)殼上，控制板、驅(qū)動(dòng)板、IGBT對管模塊和電流傳感器固定在散熱器上，控制板和驅(qū)動(dòng)板通過排針排座上下電連接?？刂破鞯碾娐凡糠钟煽刂瓢?、驅(qū)動(dòng)板、三個(gè)大功率IGBT對管模塊、三個(gè)霍爾電流傳感器組成并順序進(jìn)行電連接?？刂瓢迳系碾娐钒ǖ蛪弘娫措娐?、操作輸入信號(hào)電路、電流檢測電路、異常檢測電路、電機(jī)編碼器檢測電路、CAN通信電路、單片機(jī)和存儲(chǔ)電路、輸出電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路，它們按照工作原理順序電連接。其中，操作輸入信號(hào)電路、電流檢測電路、異常檢測電路、電機(jī)編碼器檢測電路的輸出與單片機(jī)的輸入口線電連接，單片機(jī)的輸出口線與輸出電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路電連接，驅(qū)動(dòng)輸出電路的輸出與驅(qū)動(dòng)板上的驅(qū)動(dòng)電路電連接，低壓電源電路給控制板上的各電路提供電源。驅(qū)動(dòng)板15上的電路包括高壓電源電路、 功率電路的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、異常處理和保護(hù)電路，它們按照工作原理順序電連接。其中，驅(qū)動(dòng)電路的輸出與IGBT對管模塊電連接，異常處理和保護(hù)電路檢測電機(jī)溫度、驅(qū)動(dòng)板溫度和電壓、霍爾電流傳感器，其輸出與功率電路的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和控制板上的異常檢測電路電連接，高壓電源電路給控制板和驅(qū)動(dòng)板提供電源?？刂瓢宓膯纹瑱C(jī)中固化有工作程序，通過程序和硬件電路，形成數(shù)字PMSM正弦波正交矢量控制信號(hào)，最終由驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)三個(gè)大功率 IGBT對管模塊，使永磁交流伺服電機(jī)根據(jù)操作輸入信號(hào)的要求運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明的有益效果是，控制器結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)啟動(dòng)電流平穩(wěn)、啟動(dòng)力矩大、轉(zhuǎn)矩特性恒定平滑、電能利用率高。特別適用于8 150KW蓄電池供電的電動(dòng)汽車，具有顯著節(jié)能的作用，能夠有效增加蓄電池一次充電后電動(dòng)汽車的行駛里程。


附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。附圖2是一個(gè)實(shí)施例的永磁交流伺服電機(jī)剖面圖。附圖3是一個(gè)實(shí)施例的控制器剖面圖。附圖4是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之一低壓電源電路。附圖5是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之二 操作輸入信號(hào)電路。附圖6是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之三電流檢測電路。附圖7是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之四異常檢測電路。附圖8是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之五電機(jī)編碼器檢測電路。附圖9是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之六CAN通信電路。附圖10是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之七單片機(jī)和存儲(chǔ)電路。附圖11是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之八輸出電路。附圖12是實(shí)施例控制器的控制板原理圖之九驅(qū)動(dòng)輸出電路。附圖13是實(shí)施例控制器的驅(qū)動(dòng)板原理圖之一高壓電源電路。附圖14是實(shí)施例控制器的驅(qū)動(dòng)板原理圖之二 功率電路的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。附圖15是實(shí)施例控制器的驅(qū)動(dòng)板原理圖之三異常處理和保護(hù)電路。圖1中，控制器由控制板、驅(qū)動(dòng)板、霍爾電流傳感器、IGBT對管模塊組成。編碼器和永磁交流伺服電機(jī)軸機(jī)械連接。最外面的虛線包圍的部分是控制器，內(nèi)部虛線包圍的兩部分分別是控制板和驅(qū)動(dòng)板。圖2中，1.軸承1，2.動(dòng)力輸出軸2，3.密封圈3，4.前端蓋4，5.電機(jī)轉(zhuǎn)子5，6.不銹鋼轉(zhuǎn)子套6，7.外殼7，8.定子8，9.后端蓋9，10.電纜接口 10，11.增量型光電編碼器 11，12.編碼器室蓋12。圖3中，13.信號(hào)接口 13，14.控制板14，15.驅(qū)動(dòng)板15，16.霍爾電流傳感器16， 17.動(dòng)力輸入輸出接口 17，18. IGBT對管模塊18，19.機(jī)殼19，20.散熱器20。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步說明。在圖1中，操作輸入信號(hào)電路接受人的控制命令，主要有檔位、剎車、模式設(shè)定、 油門速度指令，油門速度指令是電壓模擬信號(hào)，其它是開關(guān)信號(hào)。輸出電路輸出開關(guān)信號(hào)， 輸出工作狀態(tài)、異常報(bào)警，也可以用來進(jìn)行控制。CAN通信電路可以和其它端點(diǎn)進(jìn)行通信，可以接受命令和輸出狀態(tài)。輸入電源是直流電源，直接連接到三個(gè)IGBT對管模塊18，同時(shí)也給驅(qū)動(dòng)板15上的高壓電源電路供電。霍爾電流傳感器16有三個(gè)，其中兩個(gè)是U相和V相的電流檢測，其輸出提供給控制板14上的電流檢測電路，供單片機(jī)和程序進(jìn)行電流控制使用；另一個(gè)是總電流檢測，其輸出提供給控制板14上異常檢測電路，供單片機(jī)和程序進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警使用。編碼器的U、V、W和A、B、Z六路差動(dòng)信號(hào)將轉(zhuǎn)子位置傳送給控制板14上的電機(jī)編碼器檢測電路，以實(shí)現(xiàn)正交矢量控制，同時(shí)也用來檢測速度和異常。其它各功能電路，按照原理順序連接和工作?？刂瓢?4的單片機(jī)中固化有工作程序，通過程序和硬件電路，形成數(shù)字PMSM正弦波正交矢量控制信號(hào)，最終由驅(qū)動(dòng)板15驅(qū)動(dòng)三個(gè)大功率IGBT對管模塊18，使永磁交流伺服電機(jī)根據(jù)操作輸入信號(hào)的要求運(yùn)轉(zhuǎn)。在圖2中，電機(jī)的部件有軸承1、動(dòng)力輸出軸2、密封圈3、前端蓋4、電機(jī)轉(zhuǎn)子5、不銹鋼轉(zhuǎn)子套6、外殼7、定子8、后端蓋9、電纜接口 10、增量型光電編碼器11、編碼器室蓋12。 動(dòng)力輸出軸2與電機(jī)轉(zhuǎn)子5固定在一起，并用軸承1分別支撐在前后端蓋9上，前后端蓋9 與外殼7、定子8、編碼器室蓋12固定在一起，前端蓋4上安裝有密封圈3，后端蓋9上安裝有電纜接口 10。永磁交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子與不銹鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子套固定在一起，轉(zhuǎn)子套與定子8 之間留有間隙，后端部的編碼器碼盤軸與轉(zhuǎn)子同軸連接。動(dòng)力線和編碼器信號(hào)線分別通過各自的電纜接口 10引出。在圖3中，控制器由機(jī)殼19、散熱器20、動(dòng)力輸入輸出接口 17、編碼器信號(hào)、操作輸入信號(hào)、輸出信號(hào)接口 13、控制板14、驅(qū)動(dòng)板15、三個(gè)大功率IGBT對管模塊18、三個(gè)霍爾電流傳感器16組成。散熱器20固定在機(jī)殼19上，控制板14、驅(qū)動(dòng)板15、IGBT對管模塊18和電流傳感器固定在散熱器20上，控制板14和驅(qū)動(dòng)板15通過排針排座上下電連接。控制器的核心部件是控制板14、驅(qū)動(dòng)板15，它們都是電路板，其上面安裝各功能部分的電子元件， 涉及控制板14和驅(qū)動(dòng)板15電路的進(jìn)一步說明，在下面結(jié)合各部分電路的原理圖進(jìn)行?？刂破魍ㄟ^電纜線與永磁交流伺服電機(jī)電連接。在圖4中，Vin+16V由驅(qū)動(dòng)板15的高壓電源電路傳送過來，經(jīng)過L1、U7、U8、U12和各自的電路元件，生成V+16V、Vcc, V5V和V-12V低壓電源，供控制板14各電路使用。在圖5中，操作輸入信號(hào)的檔位、剎車、模式設(shè)定信號(hào)分別經(jīng)過光耦GOl G08連接到單片機(jī)的引腳。油門速度指令信號(hào)，直接連接到單片機(jī)的A/D引腳。在圖中，U、V相電流信號(hào)，經(jīng)U3A、U3B放大處理后，送給單片機(jī)的A/D引腳。
在圖7中，異常檢測信號(hào)分別經(jīng)過光耦G09 G012連接到單片機(jī)的引腳。在圖8中，電機(jī)編碼器的U、V、W和A、B、Z六路差動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過U6、U10A UlOF處理后送給單片機(jī)的引腳。在圖9中，CANH和CANL信號(hào)經(jīng)過U2和光耦G015、G016連接到單片機(jī)的引腳。在圖中，Ul是單片機(jī)，TO是存儲(chǔ)器。單片機(jī)中固化有工作程序，通過程序和單片機(jī)上的外圍寄存器功能模塊，形成數(shù)字PMSM正弦波正交矢量控制信號(hào)，從單片機(jī)的引腳輸出 U、V、W三相脈寬波。存儲(chǔ)器用來保存參數(shù)和數(shù)據(jù)。在圖11中，用Ull實(shí)現(xiàn)8路開關(guān)信號(hào)的輸出。在圖12中，用光耦G017 G022實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出電路，輸出U、V、W三路互補(bǔ)高和低脈寬波。其脈寬決定了電機(jī)電流的大小，變化周期包含有正弦信息量。在圖13中，G023和U16、U17、Tl是高壓電源電路，其產(chǎn)生Voutl6V、Vd+12V、 Vd-12V。U14和U15產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)板15用的低壓電源Vd+12V和Vd+5V。在圖14中，U18是功率電路的前級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片，其具有過流關(guān)斷和欠壓封鎖功能，實(shí)現(xiàn)對IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，異常時(shí)向單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)。在圖15實(shí)施例驅(qū)動(dòng)板15原理圖中，由U19A、U19B、U20A、U20B、U21A、U21B、U22A、U22B組成了異常處理和保護(hù)電路，分別檢測驅(qū)動(dòng)器高溫、馬達(dá)高溫、驅(qū)動(dòng)器低壓等，它們的輸出連接到單片機(jī)的引腳。
權(quán)利要求
1.電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器，由電機(jī)和控制器組成，控制器的機(jī)殼 (19)上固定散熱器(20)，機(jī)殼(19)內(nèi)部安裝電路板、功率驅(qū)動(dòng)電路，控制器和電機(jī)通過電纜線進(jìn)行電氣連接，該電機(jī)采用永磁交流伺服電機(jī)，其特征是所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圈裝有不銹鋼轉(zhuǎn)子套(6)，后端部安裝有與電機(jī)同軸的轉(zhuǎn)子位置傳感器；所述轉(zhuǎn)子位置傳感器為增量型編碼器，有U、V、W和A、B、Z六路差動(dòng)信號(hào)電路，其將轉(zhuǎn)子位置傳送給控制器；控制器中的電路板和三個(gè)IGBT對管模塊(18)及三個(gè)霍爾電流傳感器(16)用導(dǎo)線進(jìn)行電氣連接，控制器由控制板(14)和驅(qū)動(dòng)板(1 組成；控制板(14)上安裝固化有工作程序的單片機(jī)，通過程序和控制電路，形成數(shù)字PMSM正弦波正交矢量控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)板(1 通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器，其特征是控制器中控制板(14)上的控制電路有低壓電源電路、操作輸入信號(hào)電路、電流檢測電路、異常檢測電路、電機(jī)編碼器檢測電路、CAN通信電路、單片機(jī)和存儲(chǔ)電路、輸出電路和驅(qū)動(dòng)輸出電路，按照工作原理順序電連接；其中，操作輸入信號(hào)電路、電流檢測電路、異常檢測電路、電機(jī)編碼器檢測電路的輸出與單片機(jī)的輸入口線電連接，單片機(jī)的輸出口線與輸出電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路電連接，驅(qū)動(dòng)輸出電路的輸出與驅(qū)動(dòng)板(15)上的驅(qū)動(dòng)電路電連接，低壓電源電路給控制板(14)上的各電路提供電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器，其特征是控制器中驅(qū)動(dòng)板(1 上的驅(qū)動(dòng)電路包括高壓電源電路、功率電路的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、異常處理和保護(hù)電路，按照工作原理順序電連接，其中，驅(qū)動(dòng)電路的輸出與IGBT對管模塊(18)電連接， 異常處理和保護(hù)電路檢測電機(jī)溫度、驅(qū)動(dòng)板(1 溫度和電壓、霍爾電流傳感器(16)，其輸出與功率電路的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和控制板(14)上的異常檢測電路電連接，高壓電源電路給控制板(14)和驅(qū)動(dòng)板(15)提供電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器，其特征是三個(gè)霍爾電流傳感器(16)，其中兩個(gè)是U相和V相電流檢測電路，與控制板(14)上的電流檢測電路電連接，另一個(gè)是總電流檢測，與驅(qū)動(dòng)板(1 上的異常處理和保護(hù)電路電連接。
全文摘要
本發(fā)明為電動(dòng)汽車用永磁交流伺服電機(jī)及其控制器，屬于電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置領(lǐng)域，由電機(jī)和控制器組成，特點(diǎn)是電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圈裝有不銹鋼轉(zhuǎn)子套，后端安裝有作為增量型編碼器的轉(zhuǎn)子位置傳感器；控制器中的電路板、IGBT對管模塊、霍爾電流傳感器用導(dǎo)線進(jìn)行電氣連接，由控制板和驅(qū)動(dòng)板組成；控制板上安裝單片機(jī)，通過程序和控制電路，形成數(shù)字PMSM正弦波正交矢量控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)電流平穩(wěn)、啟動(dòng)力矩大、轉(zhuǎn)矩特性恒定平滑、電能利用率高。
文檔編號(hào)H02P21/12GK102403948SQ20111037212
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者呂東方, 張洪軍, 時(shí)洪國, 趙玉路 申請人:張洪軍