CN101753092B - 一种电动车大功率无传感器矢量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动车大功率无传感器矢量控制器，包括电源管理电路、与电源管理电路连接的双核单片机、与双核单片机连接的驱动电路、与驱动电路连接的功率变换电路，所述双核单片机上连接有外部信号输入电路、状态输出电路以及存储电路，所述双核单片机与功率变换电路之间设有电流电压采样电路，所述的驱动电路、外部信号输入电路、状态输出电路、电流电压采样电路均与电源管理电路连接，所述双核单片机包括电机控制外设、电机控制内核和单片机内核，所述电机控制内核与单片机内核之间通过设有的双向寄存器连接。能够克服现有电动车控制器的不足，在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和转矩。

Description

一种电动车大功率无传感器矢量控制器

技术领域

本发明涉及电动车控制器，尤其是一种电动车大功率无传感器矢量控制器，主要用于电动助力车、电动三轮车、电动摩托车、电动代步车、电动游览观光车等特种电动车。

背景技术

在石油资源日益短缺的大背景下，减少对石油资源的依赖和消除对环境污染带来的压力，发展以电作为能源的电动车具有重要意义。电动车控制器是电动车的核心部件之一，随着对电动车性能的不断提高，对控制器的性能也提出了更高的要求。目前的电动车控制器，存在的一个最大的问题是：电动车控制器的控制方式大多是脉冲宽度调制(PWM)斩波控制方式来控制有刷直流电机，或以方波控制方式来控制直流无刷电机，而这两种控制方式的控制器，调速范围较窄，转距脉动大，电机运行效率低，难以兼顾速度、效率和扭矩；如何在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和转矩，这个问题一直困扰着电动车行业。另外，现在的无刷电机的电动车控制器大多是有传感器控制器，然而检测器件的使用给系统带来了一些缺陷，如增加了系统成本、不适于较恶劣的工作环境以及安装维护困难等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种电动车大功率无传感器矢量控制器，能够克服现有电动车控制器的不足，在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和转矩。

为解决上述现有的技术问题，本发明采用如下方案：一种电动车大功率无传感器矢量控制器，包括电源管理电路、与电源管理电路连接的双核单片机、与双核单片机连接的驱动电路、与驱动电路连接的功率变换电路，所述双核单片机上连接有外部信号输入电路、状态输出电路以及存储电路，所述双核单片机与功率变换电路之间设有电流电压采样电路，所述的驱动电路、外部信号输入电路、状态输出电路、电流电压采样电路均与电源管理电路连接，所述电源管理电路连接外部电池，所述功率变换电路连接电机，所述双核单片机包括电机控制外设、电机控制内核和单片机内核，所述电机控制内核与单片机内核之间通过设有的双向寄存器连接。由于电机控制内核的高速执行特性以及极其微小的代码长度，一旦双核单片机上电、电机控制内核加载代码并启动后，电机控制内核连同电机控制外设一起，对单片机内核来说基本上是一套纯硬件执行的无传感器电机FOC控制器，电流环的执行完全是硬件执行，速度环是电机控制内核执行来实现。

作为优选，电机控制内核只采集直流母线电流来识别转子转速和位置，矢量控制算法采用电机控制内核来实现，驱动电路的主回路功率开关管采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的调制方式。

作为优选，所述功率变换电路采用6个功率变换器件组成的DC-AC逆变电路，每个桥臂中间采用一个高频三极管Q1来防止逆变电路桥臂直通，所述功率变换器件采用功率场效应晶体管(功率MOSFET)，所述功率场效应晶体管采用集成半桥驱动电路芯片来驱动，驱动电路附加电阻、电容和二极管。DC-AC逆变电路把直流电逆变为频率可调的三相交流电去驱动电机。功率MOSFET具有开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点。

作为优选，所述电流电压采样电路中在电流采样点处设有高精密高带宽两级运算放大器，在传输线路中设有计共模滤波器和差模滤波器，在AD装置处设有高精密的参考电压。利用高精密高带宽两级运算放大器在电流采样点处把微弱电流信号就近放大成大信号，这样可以远距离传输，在传输线路中再设计共模滤波器和差模滤波器，到了微处理器再缩小并输入微处理器的AD转换中。在采样点处采用运算放大器还有一个好处，可以抑制功率电路开关管的快速开关带来的共模干扰。

作为优选，所述电源管理电路中设有高频隔离开关电源以及两个低压差线性稳压器(LDO)芯片。控制器电源系统从72V，经过高频隔离开关电源，得正负12V，5V，5V，两个5V电源是独立的，分别供给控制器内外部使用，内部5V给控制器内部低压电路使用，外部5V给控制器的外部设备使用，内部5V经过两个低压差线性稳压器(LDO)芯片，得到3.3V和1.8V，这样设计的控制器电源管理电路静态消耗功率很低，效率很高；并且当控制器外部设备发生短路或接触到高压时，由于内外部设备电源的独立性，不影响控制器的内部低压电路。

有益效果：

本发明采用上述技术方案提供一种电动车大功率无传感器矢量控制器，克服了现有电动车控制器的不足，在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和高转矩，提高控制器的可靠性。

说明书附图

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中双核单片机的内部结构图；

图3为电流电压采样电路的电路图；

图4为电源管理电路的电路图；

图5是单个桥臂驱动电路和主回路电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种电动车大功率无传感器矢量控制器，包括电源管理电路1、与电源管理电路1连接的双核单片机2、与双核单片机2连接的驱动电路3、与驱动电路3连接的功率变换电路4，所述双核单片机2上连接有外部信号输入电路5、状态输出电路6以及存储电路7，所述双核单片机2与功率变换电路4之间设有电流电压采样电路8，所述的驱动电路3、外部信号输入电路5、状态输出电路6、电流电压采样电路8均与电源管理电路1连接，所述电源管理电路1连接外部电池，所述功率变换电路4连接电机，所述双核单片机2包括电机控制外设21、电机控制内核22和单片机内核23，所述电机控制内核22与单片机内核23之间通过设有的双向寄存器24连接。双核单片机2采用IRMCF341双核处理器来实现矢量控制。单片机内核23可以直接干预电机控制内核22和电机控制外设21，不但大大的加快了电机控制算法的实现速度，而且大大简化了控制方式，简化了控制电路。

如图2所示，单片机内核通过双端口RAM或电机外设寄存器配置相应的参数来达到控制电机的目的，根本不需要理会电机的无传感器矢量控制算法具体控制过程。电机控制内核实现矢量控制算法，一方面利用单片机核干预电机控制内核的运行，调整一些算法参数，另一方面实现人机交互和通讯工作，这样既保证了算法实现的实时性，又增加了控制电路的可靠性，降低了控制器的硬件成本。

电机控制内核22只采集直流母线电流来识别转子转速和位置，矢量控制算法采用电机控制内核22来实现，驱动电路3的主回路功率开关管采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的调制方式。降低开关次数和开关损耗，提高母线电压利用率。由于事先无法知道电机转子的确切位置，无传感器电机平稳启动是一个难点问题，电动车对电机启动的性能要求很高，又要启动平稳，防止启动过猛造成不舒适感。因此采用两种启动方法，在需要大的启动力矩的情况下，采用三段式启动方法，并针对传统三段启动方法存在的优点，对其进行优化、完善、采用PARK阶段、开环阶段、闭环阶段的三段启动模式，为了提高启动的可靠性和平稳性，PARK阶段就是首先给电机注入一定的直流电流，把电机转子先转到一个确定的位置，为了提高启动的可靠性，采用两个PARK角度，为了防止突加大电流给电机带来振动，把PARK阶段分成多个小阶段，并采用台阶式的PARK电流和PAEK角度，先采用较小的PARK角度和PARK电流，再采用较大的PARK角度和PARK电流，通过单片机内核和电机控制内核的干预，实现以下过程：设定一个Park角度和PARK电流→启动PWM→延时50～100ms→停止PWM→刷新Park角度(增加某个角度，增加PARK电流)→启动PWM→延时50～100ms→停止PWM→……→确保PARK阶段既具有小的震动，又能在大负载情况下达到PARK的位置。同时用调试工具来优化启动电流和PARK时间，另外由于电动车会在不同的路面启动，因此为了保持启动的平稳，要采用不同的开闭环切换频率，利用第一阶段的PARK状态，来确定第二阶段的开闭环切换频率，以便减小电机启动时刻的机械震动。启动需要小的启动力矩的情况下，让IRMCF341系列芯片工作于开环诊断模式，此时速度可高可低，输出力矩由VFGAIN和目标转速共同决定，当然控制性能比闭环模式要差一些，电机输出为恒力矩，当速度需要变成高于电机额定速度的5％时，先停止PWM输出，然后单片机内核控制电机控制内核迅速地以Catch-Spin的方式启动到指定的速度，此时对电动车来说，可以实现稳定的开环低速运行且调速时基本感觉不到电机控制方式的变化。

速度环和电流环均采用PI控制器的闭环调节模式，在PI控制器的设计中，参数整定是关键点，它决定控制器的动态和静态性能，也就决定了电机运行时的力矩特性和速度特性。根据永磁同步电机的数学模型，采用经典控制理论中零极点相消的设计方法来确定PI控制器的参数，同时根据电机电流和速度的反馈情况在一定的范围内利用滑模变结构控制理论来动态调节控制参数，以适应电机在运行过程中的参数变化，同时满足电动车在不同路面上行驶的要求。

如图5所示，功率变换电路4主要是设计一个由六个功率器件组成的DC-AC逆变电路，每个桥臂中间采用一个高频三极管Q1来防止逆变电路桥臂直通，所述功率变换器件采用功率MOSFET，所述功率MOSFET采用集成半桥驱动电路芯片来驱动，驱动电路附加电阻、电容和二极管，降低主电路的分布参数和功率管开关动态对驱动电路的影响，提高驱动电路的可靠性。

把直流电逆变为频率可调的三相交流电去驱动电机，功率电路是小功率电动车控制器和大功率电动车控制器的主要区别，也是大功率电动车控制器设计的一个难点，因为功率电路的电流增大，电路的分布参数效应会显现出来，在开关管开关时刻会引起很大的电流尖峰和电压尖峰，对开关管的保护电路和额定参数提出了更高的要求。由于功率MOSFET具有开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点，本发明选用功率MOSFET作为功率变换器件，功率MOSFET的驱动电路的设计是功率变换电路设计的重要内容，本发明采用IR公司的专用集成半桥驱动电路芯片来驱动功率MOSFET，当桥电路负载为感性时，高端器件的关断会引起负载电流突然转换到低端的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感使VS点负过冲到参考地以下，在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当低端器件硬开通时，会发生VS负过冲或振荡，VS负过冲幅度过大，一方面容易损坏驱动芯片，另一方面是使自举电路的悬浮电源超过20V，损坏MOSFET的G极。如图5所示，设立了一个高可靠的驱动电路，通过加上元件C4、D2、D4、R7、R9可以有效地防止VS负过冲，自举悬浮电压过高，分布电感引起的误导通，另外在主回路上加上高频三极管Q1，利用桥臂电流来控制G极电位，当电流过大时，拉低G极电位，关闭上桥臂功率MOSFET，通过以上措施可以有效提高驱动电路和主回路工作的可靠性。

如图3所示，所述电流电压采样电路8中在电流采样点处设有高精密高带宽两级运算放大器，在传输线路中设有计共模滤波器和差模滤波器。对于无传感器电动车控制系统来说，电流采样的精度和实时性在很大程度上决定了系统的动、静态性能。因此，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要条件，也是实现高性能闭环控制系统的关键。无传感器算法中最重要的量是电机的电流，为了能获取高精密的电流，希望微处理器距离采样点近一些，但这样会带来一个问题，就是微处理器距离电流采样点近，就是距离强电电路太近，容易收到干扰，造成系统不稳定，如果微处理器距离采样点远，则电流采样来的值是微弱信号，微弱信号在远距离传输过程中非常容易收到干扰。为了解决高精密和可靠性的矛盾，利用高精密高带宽两级运算放大器在电流采样点处把微弱电流信号就近放大成大信号，这样可以远距离传输，在传输线路中再设计共模滤波器和差模滤波器，到了微处理器再缩小并输入微处理器的AD转换中。在采样点处采用运算放大器还有一个好处，可以抑制功率电路开关管的快速开关带来的共模干扰，因为运放的共模抑制比大。经过上述措施后，可以采集到高精度的电流信号。

如图4所示，所述电源管理电路1中设有高频隔离开关电源以及两个低压差线性稳压器(LDO)芯片。现有的电动车控制器电源系统通过消耗功率的方式利用稳压管得到12V，控制器静态电流达到了40mA-50mA，即静态消耗很大；然后再通过消耗功率的方式到得5V，当控制器使用5V电源的外部设备发生短路或接触到高压时，将损坏控制器的电源系统，且电源系统本身没有过流、短路保护等功能。本发明中的控制器电源系统从72V，经过高频隔离开关电源，得正负12V，5V，5V，两个5V电源是独立的，分别供给控制器内外部使用，内部5V给控制器内部低压电路使用，外部5V给控制器的外部设备使用，内部5V经过两个LDO芯片，得到3.3V和1.8V，静态消耗功率很小；当控制器外部设备发生短路或接触到高压时，不影响控制器的内部低压电路。

本发明同时实现了欠电压保护电路、过电压保护电路、过电流保护电路、电机堵转保护电路，硬件电路和软件配合，完成对电池、功率电路和电机的保护，以此来提高电动车控制器的可靠性。

Claims (5)

1.一种电动车大功率无传感器矢量控制器，其特征在于：包括电源管理电路(1)、与电源管理电路(1)连接的双核单片机(2)、与双核单片机(2)连接的驱动电路(3)、与驱动电路(3)连接的功率变换电路(4)，所述双核单片机(2)上连接有外部信号输入电路(5)、状态输出电路(6)以及存储电路(7)，所述双核单片机(2)与功率变换电路(4)之间设有电流电压采样电路(8)，所述的驱动电路(3)、外部信号输入电路(5)、状态输出电路(6)、电流电压采样电路(8)均与电源管理电路(1)连接，所述电源管理电路(1)连接外部电池，所述功率变换电路(4)连接电机，所述双核单片机(2)包括电机控制外设(21)、电机控制内核(22)和单片机内核(23)，所述电机控制内核(22)与单片机内核(23)之间通过设有的双向寄存器(24)连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动车大功率无传感器矢量控制器，其特征在于：电机控制内核(22)只采集直流母线电流来识别转子转速和位置，矢量控制算法采用电机控制内核(22)来实现，驱动电路(3)的主回路功率开关管采用空间矢量脉宽调制的调制方式。

3.根据权利要求1所述的一种电动车大功率无传感器矢量控制器，其特征在于：所述功率变换电路(4)采用6个功率变换器件组成的DC-AC逆变电路，每个桥臂中间采用一个高频三极管，所述功率变换器件采用功率场效应晶体管，所述功率场效应晶体管采用集成半桥驱动电路芯片来驱动。

4.根据权利要求1所述的一种电动车大功率无传感器矢量控制器，其特征在于：所述电流电压采样电路(8)中在电流采样点处设有高精密高带宽两级运算放大器，在传输线路中设有共模滤波器和差模滤波器，在AD装置处设有高精密的参考电压。

5.根据权利要求1所述的一种电动车大功率无传感器矢量控制器，其特征在于：所述电源管理电路(1)中设有高频隔离开关电源以及两个低压差线性稳压器芯片。

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