CN101552584A - 具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动车的具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，其特征在于：包括核心单元微控制器MCU、具备完整的信号输入及调理电路、输出执行电路、故障显示电路、输入输出隔离电路、功率电子开关及其驱动电路等；两台串励直流电动机采用交叉连接方式，即单台电机本身为串励方式，两台电机间采用并联形式；电机驱动主电路接线，采用2个电流续流二极管、4个功率开关电子器件、2个接触器等组成。本发明公开的电机连接方式、主电路及控制器可实现电机正反转、限流起动、调速及制动等功能。电机可再生制动，效率高，整个系统具有控制功能完善、可靠性高等特点。

Description

具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种用于电动车的具有制动功能的串励直流双电动机交叉连接系统及其控制器。

背景技术

电动车具有噪音低、无污染、操作简便等显著优点，在工厂车间、高尔夫球场、矿井、风景旅游区等场所应用较为广泛。电动车以高效率充电电池为动力，以电动机代替燃油机，电动机及传动系统较传统燃油车动力系统占用空间少，少占的空间和重量可用以补偿充电电池的需求；因使用单一的电能源，电控系统相比混合电动车大为简化，降低了成本，也可补偿电池的部分价格。因为电能是二次能源，它可以来源于风能、水能、核能、热能、太阳能等多种方式，电动车以电能为动力，属于零排放车，对环境友好，因此电动车是非常有发展前景的替代能源车。

电动车控制系统的品质是决定电动车整体性能的关键因素之一。电动车的电控系统主要承担输入信号采集和输出执行控制动作以及故障状态时显示和保护功能。电控系统的电路设计及其复杂度，和电动车所采用的电动机参数、实现的控制功能、选用的开关器件及其驱动电路和控制策略等相关，优良的电控系统设计将为电动车提供可靠灵敏的操控特性，操作简便，能源利用率高。由于电动车的优良发展前景，目前不少高校和企业、研究所在开发高性能的电动车及其控制系统，但是由于技术保密性的需要，从公开的发行文献来看，关于电动车的控制系统的专利和研究资料比较有限。直流串励电动机由于其自身的控制特点，在电动车控制中得到了较好的应用，但是关于电动车用直流串励电动机的公开研究文献也较少，在公开的车用串励电机专利中，控制系统可实现的相应控制功能也较简单。

专利号为“CN1943090A”的中国专利公开了“串励电动机及其控制方法”，涉及一种用于串励电动机的电路，通过串联连接两个诸如三端双向可控硅，并通过监控电路监控可控硅的电压降，利用两个电子开关实现了可靠通断。专利号为“CN101267185A”的中国专利公开了“串励电机控制装置及其转速控制方法”，该电机控制装置采用SCR电子开关对单个串励电机进行控制，通过将电流信号采集并查表得到的当前速度值与目标速度值比较，进而控制导通角调节电机速度。上述2项专利公开的串励电动机控制方法，均针对一个串励电动机进行通断控制，专利文献中没有给出电动机续流回路，也缺少相应的制动电路，因此要将其应用于电动车控制尚需进一步完善。

专利号为″US5828194(A)″的美国专利，公开了″Control circuit forcontrol of a direct-current motor normally excited in seriesincluding structure for separate excitation during braking″，该专利通过控制单元控制两个半桥的通断，控制电路可满足串励电机正常运行和制动运行的需要，在制动阶段时励磁绕组和电枢绕组为非串联结构，励磁回路可实现另路励磁。该控制电路虽具备制动功能，但控制对象为单个串励电机，若用在电动车上，实现的控制功能也比较简单。

发明内容

分析目前电动车控制系统的开发现状，为了提高电动车的运行可靠性，同时完善电动车的控制特性，本发明提供了一种具有制动功能的双电机交叉连接的直流串励电动机控制系统。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的。

一种具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，其特征在于，包括交叉连接的双电机主电路和基于微控制器MCU的控制电路，其中：

所述交叉连接的双电机主电路包括两个用于控制电机正反转的接触器、第一电机和第二电机。在电动机电动运行时，第一电机先接励磁绕组，再接电枢绕组构成一条支路；第二电机先接电枢绕组，再接励磁绕组构成另一条支路。第一电机励磁绕组和第二电机电枢绕组同第一功率开关管的发射极接一起，第一电机的电枢绕组和第二电机的励磁绕组同第三功率开关管的集电极接一起，电动运行时电流依次通过第一功率开关管、并联双电机、第三功率开关管。

在电动机制动运行时，双电动机换接为交叉连接励磁方式，即第一电机的电枢绕组与第二电机的励磁绕组串接构成一条支路，第一电机的励磁绕组与第二电机的电枢绕组构成另一条支路，两条支路并联，该两条并联支路两端分别接第一二极管的阴极和第二功率开关管的集电极，制动运行时电流依次通过第一二极管、双电机、第二功率开关管。

所述基于微控制器的控制电路包括一个与微控制器输入端连接的用于信号采集的信号输入及调理电路、一个微控制器、输出执行电路、故障状态显示电路、输入输出隔离电路，

所述输出执行电路包括与微控制器的输出端信号连接的一个驱动电路，该驱动电路的两路输出分别连接至用于控制电机正反转的两个接触器；

所述输出执行电路还包括与微控制器的输出端连接的四路功率开关管的驱动模块，该模块输出四路控制信号分别连接到双电机主电路的四个对应标号的功率开关管的控制极；

所述输入输出隔离电路用于直流电源和操作控制信号与微控制器的输入隔离、输出执行电路中功率开关管和接触器与微控制器的隔离，由光隔器件和开关管驱动芯片的内嵌隔离电路构成。

上述方案中，所述信号输入的信号包括功率电子开关器件的温度信号、电源电压信号、主电路电机电流信号、速度给定信号、器件过流保护信号和其它控制信号。

所述双电机主电路，功率开关管采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，当直流电机功率较大时，采用大功率绝缘栅双极晶体管或多个金属氧化物场效应晶体管并联以通过较大的电流。

所述故障状态显示电路包括与微控制器连接的四个红色发光二极管，用于显示四种不同故障类型。

本发明控制系统的突出特点是，在电动运行时，两台串励直流电动机间为并联连接方式，经功率电子开关接入直流电源，采用脉宽调制(斩波)驱动电动车，调节速度；而在制动运行时，由功率电子开关切换，转换为交叉连接方式，使单台电机的励磁绕组和电枢绕组改换为异路连接，即一台电机的电枢绕组与另一台电机的励磁绕组构成一条支路，两条支路并联，实现能耗制动和回馈制动功能，在保证制动效果的前提下，提高能源的利用效率。

与现有技术相比，本发明结合电动车的控制特点和控制性能需求，采用双串励电机为电动车提供动力，当其中一台电机故障时，仍可控制另一台电机继续驱动电动车，提高了电动车的运行可靠性。同时为了完善电动车的运行特性，双串励电机采用了交叉连接方式，可满足快速停车和紧急制动要求，确保电动车的安全运行。采用回馈制动与能耗制动之间的实时优化组合控制，使制动过程中实现能量最优回馈，提高能源利用效率。由于本控制系统的优点，有助于提高电动车的控制特性，采用本控制系统的电动车，具有良好的应用前景，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明采用的控制系统的控制主电路原理图。

图2为本发明采用的直流串励电动机双电机交叉连接的电机主电路接线图。图中，M₁为电机1的电枢绕组，W₁为电机1的励磁绕组，M₂为电机2的电枢绕组，W₂为电机2的励磁绕组，IGBT₁～IGBT₄为4个大功率绝缘栅双极型晶体管IGBT，D₁和D₂为可通过较大电流的快恢复续流二极管。

图3为电动车电动运行时，直流串励电动机双电机的电流走向关系图，图3(a)表示施加电压电动运行时两台串励电机的电流走向关系，I₁、I₂-为施加电压电动运行时电机1和电机2内的电流。图3(b)表示续流电动运行时两台串励电机的电流走向关系，I₃、I₄-为续流电动运行时电机1和电机2内的电流。

图4为电动车制动运行时，直流串励电动机双电机的电流走向关系图，图4(a)表示能耗制动时两台串励电机的电流走向关系，I₅、I₆-为能耗制动运行时电机1和电机2内的电流。图4(b)表示回馈制动时两台串励电机的电流走向关系，I₇、I₈-为回馈制动运行时电机1和电机2内的电流。

图5为利用接触器的触点实现直流串励电机正反向转换的接线图，图中，COIL₁为接触器CON₁的线圈，K₁、K₂为接触器CON₁常闭触点，K₃、K₄为接触器CON₁常开触点，M₁为电枢绕组。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种用于电动车的具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，包括：

1)基于微控制器的控制电路

电动车完整的控制电路包括主控芯片、信号输入及调理电路、输出执行电路、故障显示电路、输入输出隔离电路、功率电子开关及其驱动电路等。电控系统的主控芯片采用微控制器MCU(如单片机或数字信号处理器)。信号输入及调理电路完成信号采集，输入信号包括功率电子开关器件的温度信号、电池电源的电压信号、主电路电流信号、速度给定信号、功率电子开关器件的过流保护信号、正反转信号、急起动信号、前进后退和制动控制信号等。输出电路主要包括4路功率电子开关器件的驱动电路、故障状态显示电路和控制电机正反转的2路接触器驱动电路。输入输出隔离电路，主要包括信号采集时直流电源和操作控制信号与单片机的输入隔离电路，也包括输出电路中功率电子开关和接触器与微控制器的隔离电路。

2)串励直流电动机双电机的交叉连接

两台串励直流电动机采用交叉连接方式。两台电机分别标记为电机1和电机2。首先，单台电机的励磁绕组和电枢绕组采用串励方式，两台电机间采用并联方式。具体做法是，电机1先接励磁绕组，再接电枢绕组；电机2先接电枢绕组，再接励磁绕组。然后，换接为交叉连接励磁方式，电机1的电枢绕组与电机2的励磁绕组构成一条支路，电机1的励磁绕组与电机2的电枢绕组构成另一条支路，两条支路并联。

3)电机驱动主电路接线

本控制系统的双电机驱动主电路及其连接，采用2个大电流二极管、4个大功率功率电子开关(如大功率IGBT或并联MOSFET)和2个正反向转换接触器完成。电机控制主电路具有电动运行、能耗和回馈制动、正反向转换功能。

实施例一

电控系统控制电路原理图见图1所示。控制系统的主控芯片采用微控制器MCU(单片机或数字信号处理器DSP)，T₁为绝缘栅双极开关管IGBT散热板的温度测量输入信号，V₁为直流电源电压测量信号，i₁为主电路电机电流测量信号，SPEED为速度给定信号，INV、ST、FORW、BACK、BRAKE分别为电机的正反转信号、急起动信号、前进、后退和制动控制信号等，控制电路中还包括了各输入信号的隔离电路和调理电路(放大滤波电路)，以便各测量和控制信号能正确输入微控制器MCU。微控制器控制4个红色发光二极管LED₁～LED₄，显示4种不同故障类型。MOD₁和MOD₂分别为IGBT驱动模块，1个IGBT驱动模块可驱动2个IGBT，共驱动4路大功率IGBT。CON₁和CON₂分别为控制2个电机实现正反转的接触器，由MCU通过金属氧化物场效应开关管MOSFET₁和MOSFET₂，控制接触器CON₁和CON₂的线圈电压，实现接触器触点的通断操作。电机主电路中4路IGBT由驱动模块MOD₁和MOD₂内嵌隔离电路实现电气隔离，接触器CON₁和CON₂的线圈控制电路由光电隔离芯片实现电气隔离。

双串励电机交叉连接的电机主电路见图2所示，M₁和M₂分别表示直流串励电机的电枢绕组，W₁和W₂分别为直流串励电机的励磁绕组。双串励电机采用交叉连接方式，即双串励电机在IGBT₁和IGBT₃间采用并联连接结构，在IGBT₁的发射极接串励电机1，先接励磁绕组W₁，再串接电枢M₁。在IGBT₁的发射极接串励电机2，先接电枢M₂，再串接励磁绕组W₂。两个串励电机在IGBT₁的发射极和IGBT₃的集电极实现并联。

双电机主电路接线见图2所示。M₁、M₂、W₁和W₂分别为两个电机的电枢绕组和励磁绕组，IGBT₁～IGBT₄为4个大功率IGBT，D₁和D₂为可通过较大电流的快恢复续流二极管。当电动车正常电动运行时，IGBT₁和IGBT₃实现直通操作，IGBT₂断开，IGBT₄进行PWM斩波控制，当IGBT₄栅极控制信号为高电平导通时，电源电压施加到电机主回路，此时电机的电流流向关系见图3(a)所示，图中I₁和I₂分别为两个电机的电枢(也是励磁)电流，直流电机电动运行；当IGBT₄栅极控制信号为低电平关断时，电机电流经二极管D₂续流，电机的电流流向关系见图3(b)所示，图中I₃和I₄分别为两个电机的电枢(也是励磁)电流，直流电机仍电动运行。当电动车制动运行时，控制IGBT₁和IGBT₃断开电路，IGBT₂实现直通。对IGBT₄进行PWM斩波控制，PWM斩波模式下当IGBT₄栅极控制信号为高电平导通时，直流双电机的电流走向关系见图4(a)所示，图中I₅和I₆分别为流过两个电机的电流，此时电动车处于能耗制动状态。当IGBT₄栅极控制信号为低电平关断时，直流双电机的电流走向关系见图4(b)所示，图中I₇和I₈分别为流过两个电机的电流，此时电动车处于回馈制动状态。采用回馈制动和能耗制动的实时优化组合，无疑将提高能源利用效率。若IGBT₄不是进行PWM斩波控制，也可以控制IGBT₄实现直通，此时电动车一直处于能耗制动状态，两电机的电流走向关系同图4(a)所示。

利用接触器的触点实现直流串励电机正反转换向的接线图见图5所示。图5中，K₁和K₂分别为接触器CON₁的常闭触点，K₃和K₄分别为接触器CON₁的常开触点。在接触器CON₁的线圈COIL₁断电情况下，由触点K1和K2接通串励电机1的电枢绕组M₁，电机可实现正转；在接触器CON₁线圈通电情况下，由触点K₃和K₄反向接通串励电机1的电枢绕组M₁，电机可实现反转。由接触器CON₂换接电机2电枢绕组M₂实现正反转的接线方式和上述接线相同。

实施例二

将实施例一中的IGBT₁～IGBT₄这4个大功率IGBT用MOSFET代替，根据电机绕组中实际电流的大小，每个IGBT可用多个并联的MOSFET代替。同时将4个IGBT的2路驱动模块去掉，替换为MOSFET的隔离、驱动和保护电路。由于大功率IGBT和驱动电路的价格比MOSFET及其驱动电路的价格高出许多，因此采用MOSFET后可大大降低电动车控制系统成本，同时，MOSFET导通压降也比IGBT小，器件本身功耗降低，具有明显的经济效益。

Claims (4)

1.一种具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，其特征在于，包括交叉连接的双电机主电路和基于微控制器MCU的控制电路，其中：

所述交叉连接的双电机主电路包括两个用于控制电机正反转的接触器、第一电机和第二电机，在电动运行时，第一电机先接励磁绕组，再接电枢绕组构成一条支路，第二电机先接电枢绕组，再接励磁绕组构成另一条支路；第一电机励磁绕组和第二电机电枢绕组与第一功率开关管的发射极连接，第一电机的电枢绕组和第二电机的励磁绕组与第三功率开关管的集电极连接，电动运行时电流依次通过第一功率开关管、并联双电机、第三功率开关管；

在制动运行时，双电机换接为交叉连接励磁方式，即第一电机的电枢绕组与第二电机的励磁绕组串接构成一条支路，第一电机的励磁绕组与第二电机的电枢绕组构成另一条支路，两条支路并联，该两条并联支路两端分别接第一二极管的阴极和第二功率开关管的集电极，制动运行时电流依次通过第一二极管、双电机、第二功率开关管；

所述基于微控制器的控制电路包括一个与微控制器输入端连接的用于信号采集的信号输入及调理电路、一个微控制器、输出执行电路、故障状态显示电路、输入输出隔离电路，

所述输出执行电路包括与微控制器的输出端信号连接的一个驱动电路，该驱动电路的两路输出分别连接至两个用于控制电机正反转的接触器；

所述输出执行电路还包括与微控制器的输出端连接的四路功率开关管的驱动模块，该模块输出四路控制信号分别连接到双电机主电路的四个对应的功率开关管的控制极；

所述输入输出隔离电路用于直流电源和操作控制信号与微控制器的输入隔离、输出执行电路中功率开关管和接触器与微控制器的隔离，由光隔器件和开关管驱动芯片的内嵌隔离电路构成。

2、如权利要求1所述的具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，其特征在于，所述信号输入的信号包括功率电子开关器件的温度信号、电源电压信号、主电路电机电流信号、速度给定信号、器件过流保护信号和其它控制信号。

3、如权利要求1所述的具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，其特征在于，所述功率开关管采用绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物场效应晶体管MOSFET，当直流电机功率较大时，采用大功率绝缘栅双极晶体管或多个金属氧化物场效应晶体管并联以通过较大的电流。

4、如权利要求1所述的具有制动功能的串励直流交叉连接双电动机的控制系统，其特征在于，所述故障状态显示电路包括与微控制器连接的四个红色发光二极管，用于显示四种不同故障类型。

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