CN102013865A - 具有再生制动功能的串励直流电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有再生制动功能的串励直流电机控制器，包括串联连接的蓄电池、主开关、电枢、励磁和功率开关器件，还包括使电枢和励磁并联连接或串联连接的切换开关，以及在电枢和励磁串联时并联在电枢和励磁的串联支路的两端、在电枢和励磁并联时并联在励磁两端的第三续流二极管；在所述主开关的两端并联有第一续流二极管；所述第一续流二极管的负极连接蓄电池的正极。本设计能够实现串励直流电机的再生制动，硬件结构简单，成本低，能够有效回收车辆刹车或下坡时的动能并回充蓄电池，提高能源利用率，同时可以有效较少车轮抱死的风险，对于改善刹车时车辆的稳定性和操控性都具有重要意义。

Description

具有再生制动功能的串励直流电机控制器

技术领域

本发明涉及电机的调速控制技术，特别涉及一种用于电动汽车的串励直流电机的具有再生制动功能的斩波控制器。

背景技术

近年来，随着能源危机和环境问题的日益严重，传统内燃机汽车的燃料不可持续性、高污染等问题越来越受到人们的关注。特别是石油危机和金融危机的爆发，使传统的汽车行业遭到重创，发展电动汽车成为世界各大汽车厂商的共同战略选择。在这方面，我国对电动汽车产业的扶持不遗余力，建立起了电动汽车“三纵三横”研发布局。

电动汽车在行驶过程中由于时常要刹车、下坡，很大一部分能量得不到充分利用，从而造成能源的极大浪费。再生制动技术，即能量回收技术，能够将制动能量回馈到蓄电池中，从而延长了电动车的续驶里程，同时提高刹车安全性，是一种具有经济价值和社会价值的技术。

串励直流电机由于具有大启动转矩、高过载性能等特点，在电动汽车、电动工程车等方面具有广泛的应用。但是，串励电机的励磁线圈通常与电枢线圈串联连接，如果利用传统的boost升压斩波电路进行再生制动，当功率开关器件（或电力电子开关器件）断开时，励磁线圈的电流消失，励磁线圈的磁场随之消失，因此电枢线圈两端的反电动势将不能维持。因此，由于串励直流电机自身结构的原因，不能利用一般意义上的boost升压斩波电路进行能量回收，因此市场上广泛的应用串励电机的电动车辆无法将刹车或下坡时的能量进行有效地回收利用，造成了巨大的能量浪费。

在现有的理论和技术方面，发明专利申请号为200910022492.3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”给出了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，该方法采用两台电机交叉连接，相互提供励磁电流，从而保证PWM控制时励磁电流不会消失。这种方法能够实现串励电机的再生制动，但由于需要同时控制两台电机，成本高，控制方法复杂，实用性不高。

另一个方法为专利申请号为200410020795.9的发明“再生制动的直流电机斩波调速器”的设计，该设计试图对传统的调速电路进行调整，设计了一条再生制动回路，当再生制动时切换到该回路，从而实现再生制动功能。但是通过分析可以很容易发现，当利用该电路将工作状态切换到刹车再生制动方式（Q断开，Z闭合）时，并不像发明者所说的那样电枢线圈MQ向电池充电，同时为励磁线圈提供续流电流。这是因为当Q断开Z闭合的瞬间，励磁线圈FQ不但不能维持电流，反而会使电流瞬间反向，从而产生反向的励磁磁场，这样电枢线圈MQ所谓可以向电池充电的反电动势也不能维持，所以不能达到再生制动的目的，同时这样做还会对电机的电枢和励磁线圈造成很大的冲击，很容易造成电机的损坏。

发明内容

本发明目的是：针对现有技术的不足，解决制动时励磁不能续流而使电枢不能提供持续反电动势的问题，提供一种能够适用于串励直流电机的改进型boost电路，把再生制动技术拓展到串励直流电机的范畴，得到一种具有再生制动功能的串励直流电机控制器，将能源充分利用起来。

本发明的技术方案是：一种具有再生制动功能的串励直流电机控制器，包括串联连接的蓄电池、主开关J3、电枢M、励磁W和功率开关器件K，还包括使电枢M和励磁W并联连接或串联连接的切换开关J4，以及在电枢M和励磁W串联时并联在电枢M和励磁W的串联支路的两端、在电枢M和励磁W并联时并联在励磁W两端的第三续流二极管FWD；在所述主开关J3的两端并联有第一续流二极管PX；所述第一续流二极管PX的负极连接蓄电池的正极。

进一步的，所述具有再生制动功能的串励直流电机控制器中，在所述电枢M的两端并联有第二续流二极管PD。

进一步的，所述具有再生制动功能的串励直流电机控制器中，所述切换开关J4包括6个触点，第一触点和电枢M的第一端连接，第二和第三触点和电枢M的第二端连接，第四和第五触点连接励磁W的第一端，励磁W的第二端连接功率开关器件K的第一端，切换开关J4的第六触点连接功率开关器件K的第二端；切换开关J4的第二触点和第五触点相连，或者第一触点和第四触点连通、第三触点和第六触点连通。

进一步的，所述具有再生制动功能的串励直流电机控制器还包括正反转切换开关J1、J2，正反转切换开关J1、J2分别连接在励磁W的两端，或者连接在电枢M的两端。

进一步的，所述具有再生制动功能的串励直流电机控制器中，所述主开关J3、切换开关J4、正反转切换开关J1、J2分别采用继电器、功率三极管、mos管、IGBT、IPM中的一种开关器件。

进一步的，所述具有再生制动功能的串励直流电机控制器中，所述功率开关器件K为MOS管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；或所述功率开关器件K为功率晶体管，其基极加有PWM脉冲控制信号；或所述功率开关器件K为IGBT管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；或所述功率开关器件K为IPM，其驱动控制输入引脚加有PWM脉冲控制信号。

进一步的，所述具有再生制动功能的串励直流电机控制器还包括和蓄电池串联的电流传感器IS。

本发明的优点是：本发明对现有的用于一般直流电机的boost升压斩波电路进行改进，使电动汽车用的串励直流电机在制动时能够保证励磁线圈始终有电流通过，从而保证励磁磁场始终存在，电枢线圈能够有持续的反电动势产生来用于为电池充电，从而将电动车辆在刹车和下坡等工作状态下的动能转化为蓄电池的电能，实现再生制动的目的。

本设计与现有技术相比，能够实现串励直流电机的再生制动，同时硬件结构简单，成本低。特别是再生制动技术的加入对于广泛应用串励电机的电动车辆具有极大地经济价值和社会价值。一方面，再生制动技术能够有效回收车辆刹车或下坡时的动能并回充蓄电池，提高能源利用率；另一方面，传统的串励电机电动车采用纯机械的制动方式，制动效果差，且易发生抱死等现象，造成车辆稳定性和操控性下降。引入再生制动后，可以有效缩短制动距离，同时由于再生制动是脉冲式的制动，制动力随PWM周期变化，而不是恒定不变的，可以有效较少车轮抱死的风险，对于改善刹车时车辆的稳定性和操控性都具有重要意义。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的串励直流电机控制器的电路原理图；

图2为本发明实施例处于驱动模式时的简化电路原理图；

图3为本发明实施例处于再生制动模式时的简化电路原理图。

具体实施方式

实施例：具有再生制动功能的串励直流电机控制器的主电路附图1所示，包括串联连接的主开关J3、电枢M、切换开关J4、励磁W和功率开关器件K。该主电路可工作在驱动模式和再生制动模式，通过切换开关J4的触点移动来实现驱动模式和再生制动模式的转换。本实施例的切换开关J4包括6个触点，第一触点和电枢的第一端连接，第二和第三触点和电枢的第二端连接，第四和第五触点连接励磁的第一端，励磁的第二端连接功率开关器件K的第一端，切换开关J4的第六触点连接功率开关器件K的第二端。当切换开关J4未按下时，其第二触点和第五触点相连，同时将主开关K按下，使电枢和励磁串联，电机控制器处于驱动模式，电路图可以简化为如附图2所示；当切换开关J4按下时，其第一触点和第四触点连通，第二触点和第五触点断开，第三触点和第六触点连通，使电枢和励磁并联，同时将主开关K断开，电机控制器处于再生驱动模式，电路图可以简化为如附图3所示。

在本实施例中，正反转切换开关J1、J2分别连接在励磁W的两端，用于控制流过励磁线圈的电流方向，通过改变正反转切换开关J1、J2的开关状态可以实现励磁电流的换向，从而实现电机的正反转控制。如图1所示的J1、J2状态时车辆处于空档，J1和J2的上开关断开，下开关闭合。J1、J2的上、下开关联动变化，下开关断开时，上开关闭合。正反转切换开关J1状态改变或者正反转切换开关J2状态改变可以使电动机分别处于正转或反转状态，实现电动车辆的前进和后退。同理，正反转切换开关还可以接在电枢M的两端，同样起到控制电机正反转的作用。正反转切换开关J1和J2的上开关的连接点即为励磁的第一端，正反转切换开关J1和J2的下开关的连接点即为励磁的第二端。

在主开关J3的两端反向并联连接有第一续流二极管PX，第一续流二极管PX的负极连接蓄电池的正极。现有技术中在主开关的两端也并联有一个二极管，它起到在主开关J3断开时保护主开关J3的作用。本实施例中的续流二极管PX不仅起到在驱动模式时保护主开关J3的作用，更重要的是，提供了在再生制动模式时为蓄电池充电的通路，与现有技术有很大区别，作用不同，参数也不同。在电枢M的两端反向并联有第二续流二极管PD。在电枢M、切换开关J4、励磁组成的串联电路的两端反向并联有第三续流二极管FWD。并且当切换开关J4切换到再生制动模式时，第三续流二极管FWD反向并联在励磁的两端，由续流二极管FWD构成续流回路，现有的技术中的第三续流二极管FWD只在驱动模式中起续流保护作用，本实施例的第三续流二极管FWD在再生模式时，还具有励磁电流续流的作用，从而维持定子磁场。优选的，续流二极管PX、PD和FWD采用续流肖特基管。这些续流二极管都起到续流和保护电路的双重作用。

本实施例的功率开关器件K采用MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor，绝缘栅场效应管），PWM脉冲加在MOS管的栅极。功率开关器件K还可以选用功率晶体管、IGBT管（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）等开关器件，如果选择功率晶体管，PWM脉冲加在功率晶体管的基极；如果选用IGBT管，PWM脉冲加在IGBT管的栅极；如果选用IPM，PWM脉冲加在IPM的驱动控制输入引脚。

本实施例中，主开关J3、切换开关J4、正反转切换开关J1、J2均用继电器实现，成本更低，当然，还可以采用功率三极管、mos管、IGBT、IPM等开关器件代替，利用开关器件的通断代替继电器的机械式触点切换功能。

如图2所示，在驱动模式下，电机的电枢和励磁串联，并与MOS管K串联后接在蓄电池正负极两端。通过PWM控制MOS管K的通断，当PWM为高电平时MOS管开通，蓄电池为电枢和励磁供电，驱动电机转动。PWM为低时MOS管关断，电枢、励磁电流分别通过续流二极管PD、FWD续流，避免MOS管在关断时感应电动势对电机造成损坏。通过调节PWM的占空比来控制电机两端的平均电压，从而达到调节电机转速的目的。

如图3所示，主电路置于再生制动模式下，电枢和励磁处于并联状态，并通过二极管PX与蓄电池正负极相连。电枢M并联在MOS管K和励磁组成串联支路的两端，PWM控制MOS管K的开通和关断，从而控制励磁电流的大小。在PWM为高电平时，MOS管K导通，电枢、励磁、MOS管K组成一个回路，电枢两端的反电动势通过这个支路为励磁供电，励磁W蓄能，产生励磁磁场，保证电枢反电动势的产生。同时由于电枢、励磁自身存在电感，电枢、励磁电感在再生制动模式下蓄能。

当PWM为低时，MOS管K关断，主电路形成了两个回路：第一回路：励磁与二极管FWD组成的续流回路；第二回路：电枢M、二极管PX、蓄电池组成的充电回路。其中，第一回路中励磁中的电流通过二极管FWD进行续流，由于励磁电感充放电能量相等，经过计算发现续流阶段励磁电流基本不变，从而能够维持电机定子的磁场强度，保证电机转动时电枢两端存在反电动势。第二回路中由于定子磁场始终存在，保证了电枢两端始终存在反电动势，同时该回路由于与蓄电池串联，电流骤降，电枢中的电感释放能量，产生感应电动势，这个感应电动势与电枢的反电动势相加从而可以得到高于蓄电池电压的高电压，通过二极管PX为蓄电池充电。

通过改变PWM占空比来调节MOS管的通断，达到改变再生制动力矩和能量回收效果的目的。

同时可以在主回路上安装分流器、电流传感器IS等用于检测电流，并将检测值送至主控芯片，从而实现闭环控制。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。 

Claims (7)

1.一种具有再生制动功能的串励直流电机控制器，包括串联连接的蓄电池、主开关（J3）、电枢（M）、励磁（W）和功率开关器件（K），其特征在于：还包括使电枢（M）和励磁（W）并联连接或串联连接的切换开关（J4），以及在电枢（M）和励磁（W）串联时并联在电枢（M）和励磁（W）的串联支路的两端、在电枢（M）和励磁（W）并联时并联在励磁（W）两端的第三续流二极管（FWD）；在所述主开关（J3）的两端并联有第一续流二极管（PX）；所述第一续流二极管（PX）的负极连接蓄电池的正极。

2.根据权利要求1中所述的具有再生制动功能的串励直流电机控制器，其特征在于：在所述电枢（M）的两端并联有第二续流二极管（PD）。

3.根据权利要求1或2中所述的具有再生制动功能的串励直流电机控制器，其特征在于：所述切换开关（J4）包括6个触点，第一触点和电枢（M）的第一端连接，第二和第三触点和电枢（M）的第二端连接，第四和第五触点连接励磁（W）的第一端，励磁（W）的第二端连接功率开关器件（K）的第一端，切换开关（J4）的第六触点连接功率开关器件K的第二端；切换开关（J4）的第二触点和第五触点相连，或者第一触点和第四触点连通、第三触点和第六触点连通。

4.根据权利要求1或2中所述的具有再生制动功能的串励直流电机控制器，其特征在于：还包括正反转切换开关（J1、J2），正反转切换开关（J1、J2）分别连接在励磁（W）的两端，或者连接在电枢（M）的两端。

5.根据权利要求4中所述的具有再生制动功能的串励直流电机控制器，其特征在于：所述主开关（J3）、切换开关（J4）、正反转切换开关（J1、J2）分别采用继电器、功率三极管、mos管、IGBT、IPM中的一种开关器件。

6.根据权利要求1中所述的具有再生制动功能的串励直流电机控制器，其特征在于：所述功率开关器件（K）为MOS管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；或所述功率开关器件（K）为功率晶体管，其基极加有PWM脉冲控制信号；或所述功率开关器件（K）为IGBT管，其栅极加有PWM脉冲控制信号；或所述功率开关器件（K）为IPM，其驱动控制输入引脚加有PWM脉冲控制信号。

7.根据权利要求1中所述的具有再生制动功能的串励直流电机控制器，其特征在于：还包括和蓄电池串联的电流传感器IS。

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