CN101026353A - 一种提高直流无刷电机速度的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种提高电动车直流无刷电机速度的控制方法及装置，其特征是实时检测电机运转速度、工作电流和电压，控制电机分别工作在状态1：电机工作电流大于设定值，以蓄电池输出电压为电机供电电压；状态2：电池电压小于设定值，保持以蓄电池输出电压为电机供电电压；状态3：电机工作电流不大于设定值、电池电压不小于设定值，检测调速转把上电压信号为最大时，对蓄电池组电压进行变换获得变换电压V2，将变换电压V2与蓄电池组输出电压V1叠加后作为电机工作电压，使电机转速达到原有转速的(V1+V2)/V1倍。

Description

一种提高直流无刷电机速度的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电动车直流电机的控制方法及装置，更具体的说是一种在不改变电机参数的条件下，提高直流电机的最高运行速度的方法及装置。

背景技术

目前电动自行车普遍使用的是直流无刷电机，采用由三只或四只12伏电池串联供电。通过控制器来控制加到直流电机上的电压来控制电机转速。当电动车选用的电机转速一定，在使用范围内其转速与加在电机绕组上的电压成比例关系，所以配备在电动车上的电池组电压限制了电动车电机的转速。现用的电动自行车电机基本上转速在300～450RPM范围内，适用于不同轮径的电动车。当相同电压和功率的电机使用时，电动车电机的最大力矩和转速是一个相互影响的参数，速度低的转矩比速度高的要大。同样参数转矩大的电机，必然比相同输入参数的电机的速度要慢。为克服这个矛盾，电动机厂家也设计出新型电机，也就是目前市场上的双速无刷电机。双速电机里设有两组线圈，分别为高速线圈和低速线圈，低速线圈为抽头，电机引出二组三相线，控制器根据检测到的电机速度通过控制器电路对线圈绕组进行切换，低速的时候用低速线圈，可以增加扭矩，高速的时候用高速线圈，可以增加速度，以达到兼顾电机运行速度和电机扭矩。

这种电机的绕组因为有两组电机接入线，工艺变得复杂。所使用的控制器为了能够切换，使控制器的主控制电路使用两组驱动电机主电路，线路复杂，同时成本也增加。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种提高直流无刷电机速度的控制方法及装置，采用相对低速无刷电机，通过智能控制和变换电压等方法，来提高电机的最大运转速度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明提高电动车直流无刷电机速度的控制方法的特点是实时检测电机的运转速度、工作电流和工作电压，控制电机分别工作在如下状态：

状态1，电机工作电流大于设定值，以蓄电池输出电压为电机的供电电压；

状态2，电池电压小于设定值，保持以蓄电池输出电压为电机的供电电压；

状态3，电机工作电流不大于设定值、电池电压不小于设定值时，检测调速转把上的电压信号为最大时，对蓄电池组的电压进行变换获得变换电压V2，此时将由蓄电池组电压经变换获得的变换电压V2与蓄电池组输出电压V1叠加后作为电机工作电压V1+V2，电机转速达到原有转速的(V1+V2)/V1倍。

本发明提高电动车直流无刷电机速度的控制装置的结构特点是采用由蓄电池组、电子开关、直流变换模块、PWM调速模块、电机、智能控制芯片MCU或DSP6以及调速手把组成的控制系统；所述智能控制芯片是以蓄电池组和调速转把的电压信号、以电机的速度信号和电流信号作为输入信号，通过对由电子开关和直流变换模块构成的主变换电路的控制，在主变换电路中以开关电源的形式适时输出变换电压V2，以蓄电池组电压V1和变换电压V2的串联叠加作为电机工作电压，该电压通过PWM调速模块输出控制电机的转速。

本发明控制装置的结构特点也在于：

在所述直流变换模块中设置以蓄电池电压为工作电压的功率场效应管Q3、在其电流回路中串联设置电感L1、并由电感L1和二极管D2及电容C8构成功率场效应管Q3关断时的续流回路，所述变换电压V2是以续流电流对电容C8的充电形成的电容C8的端电压；

所述直流变换模块的驱动信号是由集成块IC1、电阻R4和电容C4组成的振荡电路产生的PWM高频脉冲信号，该信号经由二极管D1、三极管Q1、电阻R12、电容C5、隔离变压器TR1和电阻R7、二极管D6构成的隔离驱动电路作为功率场效应管Q3的驱动信号；

构成电子开关的场效应管Q4的源极接功率场效应管Q3的漏极，场效应管Q4的漏极接地，以所述电子开关控制信号通过驱动电路驱动场效应管Q4的关断或导通；

在所述功率场效应管Q3的电流回路中设置电流互感器TR2，构成电流检测电路。

由控制装置实时检测电机的运转速度、工作电流、工作电压等参数。当工作电流大于设定值，不启动主变换电路，保证电机运行效率；当电池电压小于设定值时，同样关断主变换变换电路，以保护蓄电池的正常使用条件；在上述条件符合情况下，检测调速转把上的电压信号为最大时，对电池的电压进行转换，并缓慢上升到速度最大值，实现无级变速和手动、自动调速一体化，由于电机无须绕组抽头，每相绕组得到了充分利用，其利用率很高，在调速过程中，电机效率保持很高，电池组能量利用率高。

本发明通过使用智能开关电源对蓄电池组的电压进行变换后并叠加，使控制器加到无刷电机绕组上的最高电压比所使用的蓄电池组V1高出V2，电机的最高转速达到原有转速的(V1+V2)/V1倍。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明在不改变电动车所使用的电机和电池组条件下，通过智能电子技术来提高电动车电机的最高运转速度；

2、本发明所采用电压叠加的方法来提高电机的最大输入电压，在升压过程中可以采用智能控制，以使电机上电压连续平滑地上升，电机无抖动。这一方式并非简单地提高电源电压，而是使用电源控制和电机控制的一体化来实现。

3、本发明使相对低速的电机在不改变电机参数的情况下，在电动车电机运行中低速度时性能不会改变，保证了电机较高的驱动转矩和效率，通过电压转换叠加后给电机加电，能够达到相对高速电机的速度。

4、本发明采用智能芯片对电机运行过程的参数实时监测。可以根据不同性能的电机，修改控制器内的软件程序，使控制器输出合适的参数对电机进行控制，使用范围广。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明装置主变换电路原理示意图；

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明：

具体实施方式

本实施例中提高直流无刷电机速度的控制方法是：实时检测电机的运转速度、工作电流和工作电压，控制电机分别工作在如下状态：

状态1，电机工作电流大于设定值，以蓄电池输出电压为电机的供电电压；

状态2，电池电压小于设定值，保持以蓄电池输出电压为电机的供电电压；

状态3，电机工作电流不大于设定值、电池电压不小于设定值时，检测调速转把上的电压信号为最大时，对蓄电池组的电压进行变换获得变换电压V2，此时将由蓄电池组电压经变换获得的变换电压V2与蓄电池组输出电压V1叠加后作为电机工作电压V1+V2，电机转速达到原有转速的(V1+V2)/V1倍。

参见图1，本实施例中实施上述控制方法的控制装置是：采用由蓄电池组、电子开关、直流变换模块、PWM调速模块、电机、智能控制芯片MCU或DSP6以及调速手把组成的控制系统；所述智能控制芯片是以蓄电池组和调速转把的电压信号、以电机的速度信号和电流信号作为输入信号，通过对由电子开关和直流变换模块构成的主变换电路的控制，在主变换电路中以开关电源的形式适时输出变换电压V2，以蓄电池组电压V1和变换电压V2的串联叠加作为电机工作电压，该电压通过PWM调速模块输出控制电机的转速。。

图1所示，由串联蓄电池组为直流变换模块提供电源，由智能控制的PWM调速模块输出连续可调的电压供给电机，驱动电机运行。串联蓄电池组的电压信号同时送给智能控制芯片MCU/DSP6进行检测。

电机运行过程中各相关信号送入智能控制芯片MCU/DSP6进行处理和分析，由智能控制芯片MCU/DSP6对电机的运行状态进行控制。同时，调速手把的输出电压信号送入智能控制芯片MCU/DSP6进行A/D转换后，由智能控制芯片MCU/DSP6进行运算，输出对应的驱动电压信号送入PWM调速模块，并输出对应的电压送入电机，对电机的输入功率进行控制，达到控制电机转速的目的。

在电动车启动过程中，通过智能控制芯片MCU/DSP6检测，控制电子开关为导通，PWM调速模块进行工作，关断直流变换模块，并对电机的信号实时监测。在调速手把加到最大，PWM调速模块工作为100％全导通时，检测电机的工作电流，符合设定值时，由智能控制芯片MCU/DSP6控制关断电子开关，直流变换模块开始工作，PWM调速模块工作在全导通状态，电机上电压连续平滑上升，速度逐渐提高。

电动车在运行过程中如爬坡，电机上所需输入功率加大，智能控制芯片MCU/DSP6检测到电流值达到设定值，逐渐减小直流变换模块输出电压，并计算电机上的电流值，当电流继续上升，关断直流变换模块，开通电子开关，由蓄电池组直接给电机提供电源。

参见图2，在直流变换电路中设置以蓄电池电压为工作电压的功率场效应管Q3、在其电流回路中串联设置电感L1、并由电感L1和二极管D2及电容C8构成功率场效应管Q3关断时的续流回路，变换电压V2是以续流电流对电容C8的充电形成的电容C8的端电压；

直流变换模块的驱动信号是由集成块IC1、电阻R4和电容C4组成的振荡电路产生的PWM高频脉冲信号，该信号经由二极管D1、三极管Q1、电阻R12、电容C5、隔离变压器TR1和电阻R7、二极管D6构成的隔离驱动电路作为功率场效应管Q3的驱动信号；

构成电子开关的场效应管Q4的源极接功率场效应管Q3的漏极，场效应管Q4的漏极接地，以电子开关控制信号通过驱动电路驱动场效应管Q4的关断或导通；

在功率场效应管Q3的电流回路中设置电流互感器TR2，构成电流检测电路。

图2所示，由MCU/DSP输出控制信号通过二极管D3对变换电路进行控制，MCU/DSP输出的控制信号高电平时关断变换电路；当MCU/DSP输出的控制信号为低电平时，开启由功率场效应管Q3、电感L1、续流二极管D2和电容C8组成的开关电源变换电路。

由集成块IC1、电阻R4、电容C4组成振荡电路产生PWM高频脉冲信号，通过由二级管D1、三极管Q1、电阻R12、电容C5、隔离变压器TR1、电阻R7和二极管D6组成的隔离驱动电路产生PWM脉冲，并驱动功率场效应管Q3；当PWM脉冲信号为高时，功率场效应管Q3导通，通过BATTERY+接入电压为V1的电池组正极，电池对电感L1充电；PWM脉冲信号为低时，功率场效应管Q3关断，电感L1上的能量通过续流二极管D2对电容C8进行充电，在电容C8上产生所需要的变换电压V2。通过输出正极和输出负极输出给调速模块的电压为V＝V1+V2，电压V通过电阻R6反馈给集成块IC1的2脚电压反馈端进行反馈控制，保证输出电压V的稳定。充电电流由电流互感器TR2、电阻R8和桥式整流电路BR1组成的电流取样电路输出给IC1的3脚电流反馈端，对充电电流进行控制。场效应管Q4为电子开关，由二极管D5、电阻R11、三极管Q2、电阻R10和R9组成电子开关驱动电路，当开关变换电路工作时，电子开关控制口输出低电平，关断电子开关Q4，变换电路输出叠加电压V＝V1+V2，其中V1为C6上的电压，V2为C8上的电压。C7为输出电压V的滤波电容。当MCU/DSP关断变换电路时，电子开关控制口输出高电平，Q4导通，此时输出电压为电池组电压V1。

Claims (3)

1、一种提高电动车直流无刷电机速度的控制方法，其特征是实时检测电机的运转速度、工作电流和工作电压，控制电机分别工作在如下状态：

状态1，电机工作电流大于设定值，以蓄电池输出电压为电机的供电电压；

状态2，电池电压小于设定值，保持以蓄电池输出电压为电机的供电电压；

状态3，电机工作电流不大于设定值、电池电压不小于设定值时，检测调速转把上的电压信号为最大时，对蓄电池组的电压进行变换获得变换电压V2，此时将由蓄电池组电压经变换获得的变换电压V2与蓄电池组输出电压V1叠加后作为电机工作电压V1+V2，电机转速达到原有转速的(V1+V2)/V1倍。

2、提高电动车直流无刷电机速度的控制装置，其特征是采用由蓄电池组、电子开关、直流变换模块、PWM调速模块、电机、智能控制芯片MCU或DSP6以及调速手把组成的控制系统；所述智能控制芯片是以蓄电池组和调速转把的电压信号、以电机的速度信号和电流信号作为输入信号，通过对由电子开关和直流变换模块构成的主变换电路的控制，在主变换电路中以开关电源的形式适时输出变换电压V2，以蓄电池组电压V1和变换电压V2的串联叠加作为电机工作电压，该电压通过PWM调速模块输出控制电机的转速。

3、根据权利要求2所述的提高电动车直流无刷电机速度的控制装置，其特征是：

在所述直流变换模块中设置以蓄电池电压为工作电压的功率场效应管Q3、在其电流回路中串联设置电感L1、并由电感L1和二极管D2及电容C8构成功率场效应管Q3关断时的续流回路，所述变换电压V2是以续流电流对电容C8的充电形成的电容C8的端电压；

所述直流变换模块的驱动信号是由集成块IC1、电阻R4和电容C4组成的振荡电路产生的PWM高频脉冲信号，该信号经由二极管D1、三极管Q1、电阻R12、电容C5、隔离变压器TR1和电阻R7、二极管D6构成的隔离驱动电路作为功率场效应管Q3的驱动信号；

构成电子开关的场效应管Q4的源极接功率场效应管Q3的漏极，场效应管Q4的漏极接地，以所述电子开关控制信号通过驱动电路驱动场效应管Q4的关断或导通；

在所述功率场效应管Q3的电流回路中设置电流互感器TR2，构成电流检测电路。

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