CN101741292B - 可实现动能高效回收的电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明所公开的一种可实现动能高效回收的电机控制系统，包括电控单元，主控电路，受控电机，主控电路包括H型全桥电路、低压回路、高压回路，上述三个电路通过直流母线相互并联，主控电路三个输入端分别为全桥电路的第一输入端、低压回路的第二输入端、高压回路的第三输入端；电控单元的模拟信号输入端连接到受控电机模拟信号输出端；电控单元的第一输出端接全桥电路的第一输入端，电控单元的第二输出端接低压回路的第二输入端，电控单元的第三输出端接高压回路的第三输入端；全桥电路的电压端为主控电路的输出端。本发明无需使用大功率的直流变换器，借助于电机自身电感的续流作用，能提高动能回收的范围与效率。

Description

可实现动能高效回收的电机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统及其控制方法，特别是一种可实现动能高效回收的电机控制控制系统及其控制方法。 

背景技术

电动车辆以电机作为动力装置，由电机控制系统根据指令控制电机输出确定的转矩与转速。为了尽量提高车辆的一次充电续航里程，电机控制系统不但要保证电机在电动状态的高性能，同样应保证电机工作于制动状态的高效的再生发电性能。 

目前，电动车辆主要使用直流斩波和交流变频两种调速方案。理论上，这两种方案在车辆下坡或减速过程中，都可以将动能回收并反馈到电能存储系统中。但是，为了实现电机制动电压与电源系统充电电压之间的匹配，在电机控制系统以外，需要增加一个可变输入电压的直流变换器。基于直流变换器的常规动能回收方案主要存在以下几个问题： 

1.直流变换器允许的升压与降压范围有限，制动电压过高或者过低都无法被有限利用，此时的动能只能消耗在传统的能耗制动器上。 

2.大功率的直流变换器不但体积巨大，而且成本较高。且变压范围越广所需电感元件的体积越大，成本越高。 

3.直流变换器本身存在功率损耗，大大降低了动能的回收率。并且变压范围越广，所需电感元件的体积越大，损耗越高。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种无直流变换器的可实现动能高效回收的电机控制系统及其控制方法。 

本发明的电机控制系统不使用大功率的直流变换器，借助于电机自身电感的续流作用，利用脉冲宽度调试的方式实现制动电流与制动力的控制，并同时完成匹配充电电压的直流变换过程，实现制动或减速过程中电机系统多余的动能向直流电源系统的回馈，以达到降低再生制动的成本，提高动能回收的范围与效率。该电机控制系统可广泛应用于各种需工作于电动和发电两种工作状态，并使用直流电源供电的各种电机。特别地，该电机控制系统可应用于各种电动车辆。 

实现本发明目的技术解决方案为：一种可实现动能高效回收的电机控制系统，包括电控单元，主控电路，受控电机，主控电路包括H型全桥电路、低压回路、高压回路。低压回路包括一个低压超级电容器与一个第五功率开关模块，低压超级电容器与第五功率开关模块同向串联后连接于直流母线，即第五功率开关模块的集电极接直流母线的正极，第五功率开关模块的发射极接低压超级电容器的正极，低压超级电容器的负极接直流母线的负极；第五功率开关模块由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成，即功率开关管的集电极接二极管的阴极，功率开关管的发射极接二极管的阳极；高压回路包括高压超级电容器与第六功率开关模块，高压超级电容器与反向的第六功率开关模块串联后，连接于直流母线，即第六功率开关模块的发射极接直流母线的正极，第六功率开关模块的集电极接高压超级电容器的正极，高压超级电容器的负极接直流母线的负极；第六功率开关模块由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成，即功率开关管的集电极接二极管的阴极，功率开关管的发射极接二极管的阳极。全桥电路、低压回路、高压回路通过直流母线相互并联，主控电路三个输入端分别为全桥电路的第一输入端、低压回路的第二输入端、高压回路的第三输入端；电控单元的模拟信号输入端连接到受控电机模拟信号输出端，以获得受控电机的电流和速度信息；电控单元的第一输出端接全桥电路的第一输入端，为全桥电路提供脉宽控制信号，电控单元的第二输出端接低压回路的第二输入端，为低压回路提供脉宽控制信号，电控单元的第三输出端接高压回路的第三输入端，为高压回路提供导通信号；全桥电路的电压端为主控电路的输出端，该端口接受控电机的控制端，以实现对受控电机端电压的控制。 

基于上述的可实现动能高效回收的电机控制系统的控制方法，包括以下步骤： 

第一步：伺服周期开始，控制器ECU从传感模块的电流传感器、转速传感器分别获取电流、转速状态量，并获取相关指令信息； 

第二步：控制器ECU判断当前受控电机所需的工作模式，工作模式分为电动、发电和无动作三种； 

第三步：控制器ECU根据不同的工作模式控制功率开关模块的开关状态；电动模式的具体控制方法为：关闭第五功率开关模块，导通第六功率开关模块，对H桥的四个功率开关模块进行脉宽调制，以实现电机电流和转速的伺服控制；发电模式的具体控制方法为：关闭第六开关模块，关闭H桥的四个功率开关模块，对第五功率开关模块进行脉宽调制，以实现电机电流和转速的伺服控制；无动作模式的具体控制方法为：关闭所 有的功率开关模块； 

第四步：伺服周期结束，并开始一个新的伺服周期。 

本发明与现有技术相比，其显著优点是：无需使用大功率的直流变换器，借助于电机自身电感的续流作用，利用脉冲宽度调制的方式实现制动电流的控制，并同时完成匹配充电电压的直流变换过程，实现动能向直流电源系统的反馈，以达到降低再生制动的成本，提高动能回收的范围与效率。 

附图说明

图1为本发明的可实现动能高效回收的电机控制系统的电路框图。 

图2为本发明的可实现动能高效回收的电机控制系统的电路原理图。 

图3为本发明的可实现动能高效回收的电机控制系统的控制流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

由图1所示，本发明的一种可实现动能高效回收的电机控制系统，包括电控单元20，主控电路10，受控电机30，主控电路10包括H型全桥电路11、低压回路12、高压回路13，全桥电路11、低压回路12、高压回路13通过直流母线14相互并联，主控电路三个输入端分别为全桥电路11的第一输入端in1、低压回路12的第二输入端in2、高压回路13的第三输入端in3；电控单元20的模拟信号输入端Ai连接到受控电机30模拟信号输出端Ao，以获得受控电机30的电流和速度信息；电控单元20的第一输出端out1接全桥电路11的第一输入端in1，为全桥电路11提供脉宽控制信号，电控单元20的第二输出端out2接低压回路12的第二输入端in2，为低压回路12提供脉宽控制信号，电控单元20的第三输出端out3接高压回路13的第三输入端in3，为高压回路13提供导通信号；全桥电路11的电压端Vo为主控电路的输出端，该端口接受控电机30的控制端Vi，以实现对受控电机30端电压的控制。 

由图2可知，上述可实现动能高效回收的电机控制系统中，H型全桥电路11包括第一功率开关模块K₁、第二功率开关模块K₂、第三功率开关模块K₃和第四功率开关模块K₄，上述每个功率开关模块由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成，即功率开关管的集电极接二极管的阴极，功率开关管的发射极接二极管的阳极；四个功率开关模块按照H型全桥电路方式连接，即第一功率开关模块K₁的发射极接第四功率开 关模块K₄的集电极，第二功率开关模块K₂的发射极接第三功率开关模块K₃的集电极，第一功率开关模块K₁的集电极与第二功率开关模块K₂的集电极接直流母线14的正极，第四功率开关模块K₄的发射极与第三功率开关模块K₃的发射极接直流母线14的负极；H型全桥电路11的第一输入端in1包括四个端口，即第一功率开关模块K₁的栅极in11、第二功率开关模块K₂的栅极in12、第三功率开关模块K₃的栅极in13和第四功率开关模块K₄的栅极in14；受控电机30连接于所述的H型全桥电路11之间，即受控电机11的一个端子接到第一功率开关模块K₁的发射极，受控电机的另一个端子接第二功率开关模块K₂的发射极。上述的可实现动能高效回收的电机控制系统中，低压回路12包括一个低压超级电容器C_L与一个第五功率开关模块K₅，低压超级电容器C_L与第五功率开关模块K₅同向串联后连接于直流母线14，即第五功率开关模块K₅的集电极接直流母线14的正极V_H，第五功率开关模块K₅的发射极接低压超级电容器C_L的正极，低压超级电容器C_L的负极接直流母线14的负极V_L；第五功率开关模块K₅由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成。上述的可实现动能高效回收的电机控制系统中，高压回路13包括高压超级电容器C_H与第六功率开关模块K₆，高压超级电容器C_H与反向的第六功率开关模块K₆串联后，连接于直流母线14，即第六功率开关模块K₆的发射极接直流母线14的正极V_H，第六功率开关模块K₆的集电极接高压超级电容器C_H的正极，高压超级电容器C_L的负极接直流母线14的负极V_L；第六功率开关模块K₆由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成。 

上述可实现动能高效回收的电机控制系统中，电控单元20包括传感模块21，控制器(ECU)22与驱动电路23，传感模块21的输出端Di与控制器(ECU)22相连，实现对电机电流与转速的采集，控制器22通过驱动电路23与第一功率开关模块K₁、第二功率开关模块K₂、第三功率开关模块K₃、第四功率开关模块K₄、第五功率开关模块K₅和第六功率开关模块K₆的栅极相连，实现对各个功率开关模块开关状态的控制。 

上述可实现动能高效回收的电机控制系统中，传感模块21包括电流传感器I₁、电机转速传感器N₁与模数变换器ADC；模数变换器ADC的输出端即传感模块21的输出端Di，模数变换器ADC输入端接电流传感器I₁和电机转速传感器N₁的输出端；电流传感器I₁串联在受控电机30的电枢绕组上，电机转速传感器N₁安装于所述的受控电机30输出轴上，即传感模块21的输入端Ai输入的信号有两个，分别是电流传感器I₁检测到的电枢电流信号和电机转速传感器N₁检测到的电机转速信号。上述可实现动能高 效回收的电机控制系统中，在高压回路13与低压回路12之间可连接小功率的双向直流变换器40，小功率的双向直流变换器[40]是可选的，不是本系统的必要组成部分，双向直流变换器40的一端接高压回路13中高压超级电容器C_H的正极，另一端接低压回路12中低压超级电容器C_L的正极，实现高压超级电容器与低压超级电容器之间电能的流动与调节。 

上述可实现动能高效回收的电机控制系统中，功率开关模块中的功率开关管为功率场效应晶体管，或绝缘栅晶体管，或者栅控晶闸管。 

上述可实现动能高效回收的电机控制系统中，控制器22是单片机，或数字信号处理器。所述的受控电机30可以是使用直流电源供电的各种电机，特别地，如：有刷直流电机、无刷直流电机、同步电机，可以是旋转电机也可以是直线电机。所述的高压超级电容器C_H具有较大的容量，用于为整个电机系统提高直流电源，并存储绝大部分再生制动的电能，可以是独立的也可以与其它系统共用。所述的低压超级电容器C_L容量较小，只用于存储较少部分再生制动的电能，可同时为系统中电控单元和驱动电路直流电源，也可以为其它系统提供低压电源。 

基于上述的可实现动能高效回收的电机控制系统的控制方法如图3所示，包括以下步骤： 

第一步：伺服周期开始，控制器ECU从传感模块21的电流传感器I1、转速传感器N1分别获取电流、转速状态量，并获取相关指令信息； 

第二步：控制器ECU判断当前受控电机30所需的工作模式，工作模式分为电动、发电和无动作三种； 

第三步：控制器ECU根据不同的工作模式控制第一功率开关模块K₁、第二功率开关模块K₂、第三功率开关模块K₃、第四功率开关模块K₄、第五功率开关模块K₅和第六功率开关模块K₆的开关状态；电动模式的具体控制方法为：关闭第五开关模块K₅，导通开关模块K₆，对H桥的四个开关模块进行脉宽调制，以实现电机电流和转速的伺服控制；发电模式的具体控制方法为：关闭开关模块K₆，关闭H桥的四个开关模块，对开关模块K₅进行脉宽调制，以实现电机电流和转速的伺服控制；无动作模式的具体控制方法为：关闭所有的功率开关模块K₁、K₂、K₃、K₄、K₅和K₆； 

第四步：伺服周期结束，并开始一个新的伺服周期。 

本发明公开的可实现动能高效回收的电机控制系统，应用于单相电机的电机控制系 统的情况，其工作原理为，当受控电机30需工作于电动状态时，第五功率开关模块K₅保持关闭，第六功率开关模块K₆保持导通，高压超级电容器C_H的电压作用于直流母线14上，在驱动电路23的驱动下，控制器ECU22通过控制H型全桥电路11四个功率开关模块K₁、K₂、K₃和K₄栅极的PWM控制信号，即可实现对电机运动反向、速度和电枢电流大小的控制。根据不同的应用场合，PWM控制的工作模式可以是双极性可逆PWM方式，或者单极性可逆PWM方式，也可以是受限单极性可逆PWM方式。考虑到在PWM调制过程中，受限单极性可逆PWM方式只存在再生制动过程而无能耗制动过程，因此可优先使用，以获得更好的动能回收效果。 

当受控电机30需工作于制动发电状态时，第六功率开关模块K₆保持关闭，制动电流经H型全桥电路11的四个二极管整流后进入直流母线14，第五功率开关模块K₅根据所需的制动电流进行脉冲宽度调制。在第五功率开关模块K₅导通期间，由于直流母线14的电压高于低压超级电容器C_L的电压，制动电流向低压超级电容器C_L充电；在随后的第五功率开关模块K₅关闭期间，制动电流在受控电机30的电感作用下实现电压的泵升，制动电流经第六功率开关模块K₆内的二极管实现电流向高压超级电容器C_H的反馈。该过程中，通过控制第六功率开关模块K₆的占空比和频率可以实现对受控电机30电流的准确控制，并使大部分再生电能直接存储到高压超级电容器C_H，少部分能量存储于低压超级电容器C_L中。 

Claims (8)

1.一种可实现动能高效回收的电机控制系统，包括电控单元[20]，主控电路[10]，受控电机[30]，其特征在于：主控电路[10]包括H型全桥电路[11]、低压回路[12]、高压回路[13]，低压回路[12]包括一个低压超级电容器[C_L]与一个第五功率开关模块[K₅]，低压超级电容器[C_L]与第五功率开关模块[K₅]同向串联后连接于直流母线[14]，即第五功率开关模块[K₅]的集电极接直流母线[14]的正极[V_H]，第五功率开关模块[K₅]的发射极接低压超级电容器[C_L]的正极，低压超级电容器[C_L]的负极接直流母线[14]的负极[V_L]；第五功率开关模块[K₅]由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成，即功率开关管的集电极接二极管的阴极，功率开关管的发射极接二极管的阳极；高压回路[13]包括高压超级电容器[C_H]与第六功率开关模块[K₆]，高压超级电容器[C_H]与反向的第六功率开关模块[K₆]串联后，连接于直流母线[14]，即第六功率开关模块[K₆]的发射极接直流母线[14]的正极[V_H]，第六功率开关模块[K₆]的集电极接高压超级电容器[C_H]的正极，高压超级电容器[C_L]的负极接直流母线[14]的负极[V_L]；第六功率开关模块[K₆]由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成，即功率开关管的集电极接二极管的阴极，功率开关管的发射极接二极管的阳极；全桥电路[11]、低压回路[12]、高压回路[13]通过直流母线[14]相互并联，主控电路三个输入端分别为全桥电路[11]的第一输入端[in1]、低压回路[12]的第二输入端[in2]、高压回路[13]的第三输入端[in3]；电控单元[20]的模拟信号输入端[Ai]连接到受控电机[30]模拟信号输出端[Ao]，以获得受控电机[30]的电流和速度信息；电控单元[20]的第一输出端[out1]接全桥电路[11]的第一输入端[in1]，为全桥电路[11]提供脉宽控制信号，电控单元[20]的第二输出端[out2]接低压回路[12]的第二输入端[in2]，为低压回路[12]提供脉宽控制信号，电控单元[20]的第三输出端[out3]接高压回路[13]的第三输入端[in3]，为高压回路[13]提供导通信号；全桥电路[11]的电压端[Vo]为主控电路的输出端，该端口接受控电机[30]的控制端[Vi]，以实现对受控电机[30]端电压的控制。

2.根据权利要求1所述的可实现动能高效回收的电机控制系统，其特征在于，H型全桥电路[11]包括第一功率开关模块[K₁]、第二功率开关模块[K₂]、第三功率开关模块[K₃]和第四功率开关模块[K₄]，每个功率开关模块由一个功率开关管和一个续流二极管反向并联组成，即功率开关管的集电极接二极管的阴极，功率开关管的发射极接二极管的阳极；四个功率开关模块按照H型全桥电路方式连接，即第一功率开关模块[K₁]的发射极接第四功率开关模块[K₄]的集电极，第二功率开关模块[K₂]的发射极接第三功率开关模块[K₃]的集电极，第一功率开关模块[K₁]的集电极与第二功率开关模块[K₂]的集电极 接直流母线[14]的正极，第四功率开关模块[K₄]的发射极与第三功率开关模块[K₃]的发射极接直流母线[14]的负极；H型全桥电路[11]的第一输入端[in1]包括四个端口，即第一功率开关模块[K₁]的栅极[in11]、第二功率开关模块[K₂]的栅极[in12]、第三功率开关模块[K₃]的栅极[in13]和第四功率开关模块[K₄]的栅极[in14]；受控电机[30]连接于所述的H型全桥电路[11]之间，即受控电机[11]的一个端子接到第一功率开关模块[K₁]的发射极，受控电机的另一个端子接第二功率开关模块[K₂]的发射极。

3.根据权利要求1所述的可实现动能高效回收的电机控制系统，其特征在于，电控单元[20]包括一个传感模块[21]，一个控制器ECU[22]与一个驱动电路[23]，传感模块[21]的输出端[Di]与控制器ECU[22]相连，实现对电机电流与转速的采集，控制器ECU[22]通过驱动电路[23]与第一功率开关模块[K₁]、第二功率开关模块[K₂]、第三功率开关模块[K₃]、第四功率开关模块[K₄]、第五功率开关模块[K₅]和第六功率开关模块[K₆]的栅极相连，实现对各个功率开关模块开关状态的控制。

4.根据权利要求3所述的可实现动能高效回收的电机控制系统，其特征在于，传感模块[21]包括电流传感器[I₁]、电机转速传感器[N₁]与模数变换器ADC；模数变换器ADC的输出端即传感模块[21]的输出端[Di]，模数变换器ADC输入端接电流传感器[I₁]和电机转速传感器[N₁]的输出端；电流传感器[I₁]串联在受控电机[30]的电枢绕组上，电机转速传感器[N₁]安装于所述的受控电机[30]输出轴上，即传感模块[21]的输入端[Ai]输入的信号有两个，分别是电流传感器[I₁]检测到的电枢电流信号和电机转速传感器[N₁]检测到的电机转速信号。

5.根据权利要求1所述的可实现动能高效回收的电机控制系统，其特征在于，在高压回路[13]与低压回路[12]之间连接小功率的双向直流变换器[40]，双向直流变换器[40]的一端接高压回路[13]中高压超级电容器[C_H]的正极，另一端接低压回路[12]中低压超级电容器[C_L]的正极，实现高压超级电容器与低压超级电容器之间电能的流动与调节。

6.根据权利要求1或2所述的可实现动能高效回收的电机控制系统，其特征在于，功率开关模块中的功率开关管为功率场效应晶体管，或绝缘栅晶体管，或者栅控晶闸管。

7.根据权利要求3所述的可实现动能高效回收的电机控制系统，其特征在于，控制器ECU[22]是单片机，或数字信号处理器。

8.一种基于权利要求1所述的可实现动能高效回收的电机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 

第一步：伺服周期开始，控制器ECU[22]从传感模块[21]的电流传感器[I1]、转速传感器[N1]分别获取电流、转速状态量，并获取相关指令信息；

第二步：控制器ECU[22]判断当前受控电机[30]所需的工作模式，工作模式分为电动、发电和无动作三种；

第三步：控制器ECU[22]根据不同的工作模式控制第一功率开关模块[K₁]、第二功率开关模块[K₂]、第三功率开关模块[K₃]、第四功率开关模块[K₄]、第五功率开关模块[K₅]和第六功率开关模块[K₆]的开关状态；电动模式的具体控制方法为：关闭第五功率开关模块[K₅]，导通第六功率开关模块[K₆]，对H桥的四个功率开关模块进行脉宽调制，以实现电机电流和转速的伺服控制；发电模式的具体控制方法为：关闭第六功率开关模块[K₆]，关闭H桥的四个功率开关模块，对第五功率开关模块[K₅]进行脉宽调制，以实现电机电流和转速的伺服控制；无动作模式的具体控制方法为：关闭所有的功率开关模块[K₁]、[K₂]、[K₃]、[K₄]、[K₅]和[K₆]；

第四步：伺服周期结束，并开始一个新的伺服周期。 

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