CN102045014A - 一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器及控制方法，包括控制单元、通信单元，通过驱动电路与控制单元连接的功率转换单元，所述功率转换单元包括逆变电路和主接触器电路，所述逆变电路采用三相全桥结构，在控制单元的输入接口接有电流检测电路、电池电压检测电路、转子位置检测电路，其特殊之处是：逆变电路中的功率开关管由多个N沟道耗尽型功率MOS管并联组成，在控制单元的输入接口还接有用来检测电机温度及逆变电路中功率开关管温度的温度检测电路和电源短路信号的短路检测电路，所述的驱动电路是由集成驱动芯片和电流均衡电路组成。该电机控制器功能完善、接口方便，具有很高的可靠性和实用性。

Description

一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体为一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器及控制方法。

背景技术

现有的电动汽车采用中置电机通过机械传动装置驱动四个车轮，所述的中置电机采用永磁同步电机或异步电机，其结构复杂、传动效率低，车体重，行驶量程短。

四轮独立驱动电动汽车采用轮毂电机直接驱动车轮的分布式驱动形式，即电机直接安装在车轮内，驱动车轮前进，使电动汽车成为四轮独立驱动。这种结构可去掉复杂的变速装置、机械差速器、半轴等传动系部件，不仅简化了底盘结构，而且降低了整车质量，提高传动效率，有助于提高电动汽车的续驶里程，是电动汽车发展的新方向。

四轮独立驱动电动汽车的控制系统要比集中驱动的电动汽车控制系统复杂，系统不但对电机控制器的功能、可靠性和安全性有较高的要求，还要求电机控制器配合整车控制器实现四轮电子差速等功能，目前尚无成型产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功能完善、接口方便，具有很高的可靠性和实用性，可提高电动汽车乘坐的舒适性及在转弯时的操控性能，减少制动响应时间，减轻电动汽车的整车质量，提高续行里程的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器及控制方法。

本发明的技术解决方案是：

一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器，包括控制单元、通信单元，通过驱动电路与控制单元连接的功率转换单元，所述功率转换单元包括逆变电路和主接触器电路，所述逆变电路采用三相全桥结构，在控制单元的输入接口接有电流检测电路、电池电压检测电路、转子位置检测电路，其特殊之处是，逆变电路中的功率开关管由多个N沟道耗尽型功率MOS管并联组成，在控制单元的输入接口还接有用来检测电机温度及逆变电路中功率开关管温度的温度检测电路和用来检测电源短路信号的短路检测电路，所述的驱动电路是由集成驱动芯片和电流均衡电路组成。

上述的电流均衡电路是由接在集成驱动芯片上桥臂PWM驱动输出端的上桥臂驱动电阻、与上桥臂驱动电阻并联的上桥臂关闭二极管、通过上桥臂驱动电阻分别与上桥臂MOS管栅级连接的栅极驱动电阻、接在集成驱动芯片下桥臂PWM驱动输出端的下桥臂驱动电阻、与下桥臂驱动电阻并联的下桥臂关闭二极管、通过下桥臂驱动电阻分别与下桥臂MOS管栅级连接的栅极驱动电阻及分别接在栅级驱动电阻和集成驱动芯片电源参考端的滤波电容组成。

一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特殊之处是，

1、采用控制单元通过CAN总线接收整车控制器的控制指令，所述整车控制器的控制指令包括控制模式、方向、目标转速值和目标电流值，所述的控制模式是指转速控制模式和电流控制模式；

2、控制单元通过电流检测电路、电池电压检测电路、温度检测电路、转子位置检测电路和短路检测电路将母线电流和电机相电流、蓄电池电压、电机温度及通过驱动电路接在控制单元和无刷直流电机之间的逆变电路中功率开关管温度信号、电机转子位置、电源短路信号进行实时检测；

3、控制单元根据所述控制指令和实时检测的信号值，调节驱动电路输出的驱动信号，所述的驱动信号是占空比可调的PWM信号；控制单元按照整车控制器发来的控制模式通过所述驱动信号驱动逆变电路来控制无刷直流电机的转速或电流，从而实现对由控制器和无刷直流电机构成的电机控制系统的闭环控制；

4、当目标转速值小于实际转速值并且转速差值超过设定值时，控制单元启动电子防抱死制动控制程序，根据转速差值的大小控制所述功率开关管开关顺序和开关时间来释放无刷直流电机的电能，调节制动力的强弱；

5、控制单元通过CAN总线将电机的状态信号或故障信号发送给整车控制器。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，在电流控制模式下，控制单元按所述目标电流值调节驱动信号占空比时采用积分分离的PI控制算法，按电流环单闭环控制电机输出转矩的大小。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，在转速控制模式下，由控制单元实现无刷直流电机转速环和电流环的全数字双闭环控制；目标转速值与实际转速值形成偏差，经转速PID调节后产生电流参考量，它与实际相电流形成的偏差经电流调节后形成驱动信号占空比的控制量，实现电动机的速度控制。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，电机相电流的检测是利用霍尔电流互感器电路将电流信号转换为电压信号，经滤波后输入到控制单元，在控制单元中经过A/D转换得到实时相电流检测值；控制单元将该实时相电流检测值与所述目标电流值和预先设置在控制单元中的限流值比较，当所述实时相电流检测值小于或等于限流值时，调节输出的驱动信号占空比，再通过驱动电路驱动逆变电路使相电流实际值趋近于所述目标电流值，实现相电流的闭环调节；当控制单元检测到所述实时相电流检测值超过预先设置在控制单元中的限流值时，控制单元通过对驱动信号占空比进行调节，使电机相电流实际值与限流值相等，实现限流功能。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，所述电子防抱死制动控制程序是在按以下规律实现的： 通过控制三相全桥的下桥臂的开关状态，使无刷直流电机绕组中的两相和导通的下桥臂、一个上桥臂开关管内部的寄生二极管及接在电源主回路中滤波电容构成反向回路，从而使电机绕组中储存的电能释放出去，形成制动力，此时电机工作在发电状态，与电动状态时的相电流方向相反；制动力距的大小通过由控制单元控制下桥臂导通时的驱动信号占空比来实现，使驱动信号占空比由小逐渐增大，驱动信号占空比最大值与刹车时实际 转速和整车控制器发出的目标转速之间的差值成正比。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，电机温度信号和功率开关管温度信号是利用半导体温度传感器将电机绕组的温度信号和功率开关管的温度信号，转换为电压信号，经滤波后输入到控制单元，在控制单元中经过A/D转换得到实时电机绕组温度检测值和功率开关管温度检测值，控制单元将电机绕组温度检测值和功率开关管温度检测值分别与设定的温度安全值比较，当温度达到或超过温度安全值时，进入温度保护程序，降低电机限流值以使电机或功率开关管的温度下降，当温度恢复到达到设定的温度安全值以下时，退出温度保护程序，实现对电机和功率开关管的温度保护。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，当短路检测电路检测到电源短路时产生一个开关信号输入控制单元，通过控制单元使主接触器断开，对电动控制系统进行保护。

上述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，调节后相电流实际值与所述目标电流值的差值在目标电流值的5%以内。

本发明的有益效果是：本发明为基于单片机的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器，一个电机控制器控制一个无刷直流电机，电机控制器具有与整车控制器通信的CAN总线通信接口，所述电机控制器通过CAN总线接收整车控制器的控制指令，根据控制指令对电机进行精确转速控制或转矩控制，并将电机运行状态通过CAN总线反馈给整车控制器。

该电机控制器专用于功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低的无刷直流电机，是用来实现四轮独立驱动电动汽车的驱动电机的最佳选择之一。

控制器可工作在转速控制模式和电流控制模式，适合四轮独立驱动电动汽车的对电机控制器的要求。电机控制器功能完善、接口方便，具有很高的可靠性和实用性。采用该控制方法的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器可实现电动车辆在不同行驶状态下按整车控制器的指令在转速控制模式和电流控制模式之间切换。转速控制模式可以使无刷直流电动机驱动的电动汽车获得良好的动态性能，提高乘坐的舒适性；电流控制模式适合于整车的转矩差速控制，提高电动汽车在转弯时的操控性能。该控制方法同时利用无刷直流电机的可逆特性实现了电动汽车在减速情况下的电子防抱死刹车控制功能，与机械制动相比，减少了制动的响应时间，减轻了电动汽车的整车质量，有利于提高续行里程。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的逆变电路原理图：

图3是本发明的驱动电路与三相全桥中A相桥的电路原理图；

图4是本发明的控制方法流程图；

图5是本发明的转速电流闭环控制算法结构图。

具体实施方式

本发明是在由四个72V、4KW的无刷直流轮毂电机驱动的电动汽车上经过测试的，下面结合附图对本发明做具体说明。

如图1、图2和图3所示，该四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器，包括控制单元，所述的控制单元可采用美国TI公司生产的带有PWM模块、ADC模块及CAN模块的DSP芯片（型号为TMS320LF2407），以满足电机控制的需要，实际不受本实例限制。在控制单元的CAN接口接有通信单元，在控制单元的PWM信号输出端通过驱动电路接有功率转换单元，所述功率转换单元是由逆变电路和主接触器电路组成。所述逆变电路为三相全桥结构，具体由六组功率开关管Q1－Q6、与每组功率开关管并联的寄生二极管D1～D6和滤波电容C1组成，每组功率开关管采用多个（4-8个）N沟道耗尽型功率MOS管并联组成，以提高电流驱动能力。本实施例以上、下桥臂分别采用4个N沟道耗尽型功率MOS管V11～V14和V41～V44并联为例，实际不受本实施例限制。电池组为6块12V、80Ah的铅蓄电池串联组成。 

主接触器电路是由主接触器J1和预充电电阻R1组成，在主接触器J1闭合前，通过预充电电阻R1向滤波电容C1充电。所述的驱动电路是由集成驱动芯片和电流均衡电路构成，本实施例中集成驱动芯片的型号为IR2132，所述的电流均衡电路是由接在集成驱动芯片上桥臂PWM驱动输出端的上桥臂驱动电阻R100、与上桥臂驱动电阻R100并联的上桥臂关闭二极管D7、通过上桥臂驱动电阻R100分别与上桥臂MOS管V11-V14栅级连接的栅极驱动电阻R101～R104、接在集成驱动芯片下桥臂PWM驱动输出端的下桥臂驱动电阻R400、与下桥臂驱动电阻R400并联的下桥臂关闭二极管D8、通过下桥臂驱动电阻R400分别与下桥臂MOS管V41-V44栅级连接的栅极驱动电阻R401～R404 及分别接在栅级驱动电阻和集成驱动芯片电源参考端的滤波电容C11和C12组成（以A相桥为例）。栅极驱动电阻的作用是调节并联功率MOS管的开关速度，达到均衡并联功率MOS管的目的。关闭二极管D7、D8的作用是加快MOS管的关断速度。

在控制单元的ADC转换接口接有电流检测电路、温度检测电路、电池电压检测电路，在控制单元的I/O接口接有转子位置检测电路和短路检测电路。短路检测电路是由过流取样电阻Rs、电阻R2和 R3与集成驱动芯片内部放大器、比较器组成。

控制单元输出的PWM信号与集成驱动芯片输入端连接，集成驱动芯片输出六路信号通过电流均衡电路实现各路电流均衡来控制六组N沟道MOSFET功率开关管Q1～Q6，三相全桥输出A、B、C三相电压驱动无刷直流电动机运转。

如图4所示，该四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法如下：

1、控制单元初始化完成后，控制单元通过CAN总线接收整车控制器的控制指令，所述整车控制器的控制指令包括控制模式、方向、目标转速值和目标电流值，所述的控制模式是指转速控制模式和电流控制模式；控制单元按照整车控制器发来的控制模式进行控制模式选择；

2、控制单元通过电流检测电路、电池电压检测电路、温度检测电路、转子位置检测电路和短路检测电路将母线电流和电机相电流、蓄电池电压、电机温度和逆变电路中功率开关管温度信号和电机转子位置、电源短路信号进行实时检测，具体如下：

电机相电流的检测是利用电流互感器将电流信号转换为电压信号，经滤波后输入到控制单元，在控制单元中经过A/D转换得到实时相电流检测值；电机温度信号和逆变电路中功率开关管温度信号是利用半导体温度传感器将电机绕组的温度信号和功率开关管的温度信号转换为电压信号，经滤波后输入到控制单元，在控制单元中经过A/D转换得到实时电机绕组温度检测值和功率开关管温度检测值，控制单元将电机绕组温度检测值和功率开关的温度检测值分别与设定的温度安全值比较，当温度达到或超过安全值时，进入温度保护程序，降低电机限流值以使无刷电机或功率开关管的温度下降，当温度恢复到达到设定的温度安全值以下时，退出温度保护程序，实现对无刷直流电机和功率开关管的温度保护。

当短路检测电路检测到电源短路时产生一个开关信号输入控制单元，通过控制单元使主接触器断开，对由无刷直流电机和电机控制器构成的电机控制系统进行保护。

3、控制单元根据所述控制指令和实时检测的电机相电流值和转子位置信号，调节驱动电路输出的驱动信号，所述的驱动信号是占空比可调的PWM信号；控制单元按照整车控制器发来的控制模式通过所述驱动信号驱动逆变电路来控制无刷直流电机的转速或电流，从而实现对电机控制系统的闭环控制，具体如下： 

实时相电流检测值是电流检测电路输出的电压信号经过A/D转换由控制单元得到的。在电流控制模式下，控制单元按电流环单闭环控制电机输出转矩的大小。首先将实时相电流检测值与所述目标电流值和预先设置在控制单元内的限流值比较，当所述实时相电流检测值小于或等于预先设置在控制单元中的限流值时，采用积分分离的PI控制算法调节输出的驱动信号即占空比可调的PWM信号占空比，通过驱动信号占空比的控制量，使相电流实际值趋近于所述目标电流值，实现相电流的闭环调节，调节后相电流实际值与所述目标电流值的差值在目标电流值的5%以内。当控制单元检测到所述实时相电流检测值超过预先设置在控制单元中的限流值时，控制单元通过对驱动信号占空比进行调节，使电机相电流实际值与限流值相等，实现限流功能。

所述电流控制模式适合于整车的转矩差速控制。由于无刷直流电动机的转矩系数在整个工作区域内比较稳定，故对于电流的控制与对转矩的控制相当。对电机电流进行控制时，可以直接控制驱动轮与地面之间的摩擦力，更有利于车辆的牵引控制。控制电动机的转矩，可实现准确的整车运动学、动力学控制。因为汽车运动学及动力学特性终是由驱动力控制来实现的，只要准确控制各驱动电动机的转矩必能获得具有良好性能的电动汽车。此时转速随动，汽车可更好地适应路面情况的变化。

实际转速值则是通过转子位置检测电路输出的位置量，由控制单元经过计算得到。在转速控制模式下，由控制单元实现无刷直流电动机转速环和电流环的全数字双闭环控制；目标转速值与实际转速值形成偏差，经转速PID调节后产生电流参考量，它与实际相电流形成的偏差经电流调节后形成驱动信号占空比的控制量，实现电动机的速度控制。通过转速模式可以使无刷直流电动机获得良好的动态性能。位于无刷直流电机内部的三个位置间隔120°霍尔传感器输出端经滤波隔离电路分别与控制单元的输入端相连。控制单元由I/O端口通过转子位置检测电路接收电机内部三个霍尔传感器输出的位置信号，产生中断，在中断处理程序中，检测转子的转动位置，并根据转子的位置由控制单元改变PWM信号，从而改变逆变电路中功率开关管的导通顺序，实现换向控制。同时，根据连续两次换向的时间间隔计算出当前转速值。

4、在转速模式下，当目标转速值小于实际转速值并且转速差值超过设定值时，控制单元启动电子防抱死制动控制程序，根据转速差值的大小控制逆变电路中功率开关管开关顺序和开关时间来释放无刷直流电机的电能，调节制动力的强弱。所述电子防抱死制动控制程序是按照以下规律实现 ：通过三相全桥的下桥臂Q4、Q6、Q2的开关状态，某一时刻使其中一个下桥臂导通，并与电机三相绕组A、B、C中的两相和一个上桥臂开关管内部的寄生二极管及电容C构成反向回路（如图3所示），从而使电机绕组中储存的能量释放出去，形成制动力，此时电机工作在发电状态，与电动状态时的相电流方向相反；制动力距的大小通过由控制单元控制下桥臂导通时的驱动信号占空比来实现，使驱动信号占空比由小逐渐增大，驱动信号占空比最大值与刹车时实际转速和整车控制器发出的目标转速之间的差值成正比。

5、控制单元通过CAN总线将无刷直流电机的状态信号或故障信号发送给整车控制器。

如果系统中出现过流或者短路情况，短路检测电路使控制单元产生外部中断，启动控制单元的功率驱动保护控制程序，这时控制单元所有的输出引脚将被置为高阻态，实现对功率开关管Q1-Q6的保护。

Claims (10)

1.一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器，包括控制单元、通信单元，通过驱动电路与控制单元连接的功率转换单元，所述功率转换单元包括逆变电路和主接触器电路，所述逆变电路采用三相全桥结构，在控制单元的输入接口接有电流检测电路、电池电压检测电路、转子位置检测电路，其特征在于，逆变电路中的功率开关管由多个N沟道耗尽型功率MOS管并联组成，在控制单元的输入接口还接有用来检测电机温度及逆变电路中功率开关管温度的温度检测电路和用来检测电源短路信号的短路检测电路，所述的驱动电路是由集成驱动芯片和电流均衡电路组成。

2.根据权利要求1 所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器，其特征在于，所述的电流均衡电路是由接在集成驱动芯片上桥臂PWM驱动输出端的上桥臂驱动电阻、与上桥臂驱动电阻并联的上桥臂关闭二极管、通过上桥臂驱动电阻分别与上桥臂MOS管栅级连接的栅极驱动电阻、接在集成驱动芯片下桥臂PWM驱动输出端的下桥臂驱动电阻、与下桥臂驱动电阻并联的下桥臂关闭二极管、通过下桥臂驱动电阻分别与下桥臂MOS管栅级连接的栅极驱动电阻及分别接在栅级驱动电阻和集成驱动芯片电源参考端的滤波电容组成。

3.一种四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，

3.1采用控制单元通过CAN总线接收整车控制器的控制指令，所述整车控制器的控制指令包括控制模式、方向、目标转速值和目标电流值，所述的控制模式是指转速控制模式和电流控制模式；

3.2控制单元通过电流检测电路、电池电压检测电路、温度检测电路、转子位置检测电路和短路检测电路将母线电流和电机相电流、蓄电池电压、电机温度及通过驱动电路接在控制单元和无刷直流电机之间的逆变电路中功率开关管温度信号、电机转子位置、电源短路信号进行实时检测；

3.3控制单元根据所述控制指令和实时检测的信号值，调节驱动电路输出的驱动信号，所述的驱动信号是占空比可调的PWM信号；控制单元按照整车控制器发来的控制模式通过所述驱动信号驱动逆变电路来控制无刷直流电机的转速或电流，从而实现对由控制器和无刷直流电机构成的电机控制系统的闭环控制；

3.4当目标转速值小于实际转速值并且转速差值超过设定值时，控制单元启动电子防抱死制动控制程序，根据转速差值的大小控制所述功率开关管开关顺序和开关时间来释放无刷直流电机的电能，调节制动力的强弱；

3.5控制单元通过CAN总线将电机的状态信号或故障信号发送给整车控制器。

4.根据权利要求3所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，在电流控制模式下，控制单元按所述目标电流值调节驱动信号占空比时采用积分分离的PI控制算法，按电流环单闭环控制电机输出转矩的大小。

5.根据权利要求3所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，在转速控制模式下，由控制单元实现无刷直流电机转速环和电流环的全数字双闭环控制；目标转速值与实际转速值形成偏差，经转速PID调节后产生电流参考量，它与实际相电流形成的偏差经电流调节后形成驱动信号占空比的控制量，实现电动机的速度控制。

6.根据权利要求3所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，电机相电流的检测是利用霍尔电流互感器电路将电流信号转换为电压信号，经滤波后输入到控制单元，在控制单元中经过A/D转换得到实时相电流检测值；控制单元将该实时相电流检测值与所述目标电流值和预先设置在控制单元中的限流值比较，当所述实时相电流检测值小于或等于限流值时，调节输出的驱动信号占空比，再通过驱动电路驱动逆变电路使相电流实际值趋近于所述目标电流值，实现相电流的闭环调节；当控制单元检测到所述实时相电流检测值超过预先设置在控制单元中的限流值时，控制单元通过对驱动信号占空比进行调节，使电机相电流实际值与限流值相等，实现限流功能。

7.根据权利要求3所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，所述电子防抱死制动控制程序是在按以下规律实现的： 通过控制三相全桥的下桥臂的开关状态，使无刷直流电机绕组中的两相和导通的下桥臂、一个上桥臂开关管内部的寄生二极管及接在电源主回路中滤波电容构成反向回路，从而使电机绕组中储存的电能释放出去，形成制动力，此时电机工作在发电状态，与电动状态时的相电流方向相反；制动力距的大小通过由控制单元控制下桥臂导通时的驱动信号占空比来实现，使驱动信号占空比由小逐渐增大，驱动信号占空比最大值与刹车时实际 转速和整车控制器发出的目标转速之间的差值成正比。

8.根据权利要求3所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，电机温度信号和功率开关管温度信号是利用半导体温度传感器将电机绕组的温度信号和功率开关管的温度信号，转换为电压信号，经滤波后输入到控制单元，在控制单元中经过A/D转换得到实时电机绕组温度检测值和功率开关管温度检测值，控制单元将电机绕组温度检测值和功率开关管温度检测值分别与设定的温度安全值比较，当温度达到或超过温度安全值时，进入温度保护程序，降低电机限流值以使电机或功率开关管的温度下降，当温度恢复到达到设定的温度安全值以下时，退出温度保护程序，实现对电机和功率开关管的温度保护。

9.根据权利要求3所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，当短路检测电路检测到电源短路时产生一个开关信号输入控制单元，通过控制单元使主接触器断开，对电动控制系统进行保护。

10.根据权利要求6所述的四轮独立驱动电动汽车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于，调节后相电流实际值与所述目标电流值的差值在目标电流值的5%以内。

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