CN102684576A - 应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，控制器主要由电源板、控制板、驱动板和功率部件组成，电源板与控制板、驱动板和功率部件连接，控制板通过CAN总线与整车控制器连接，控制板的控制输出与驱动板连接，驱动板的输出与功率部件连接，控制板的一组模拟量输入分别与电流互感器和旋转变压器连接，电流互感器与永磁电机的电源端子连接，旋转变压器与永磁电机转轴连接。本发明可精确地控制电机转速，有效降低开关损耗，大幅度提高系统的动态响应速度和电动机的加速特性；对于不同需求的电动车，本控制器只需更换冷却器和驱动板即可满足功率要求在60KW以下的纯电动轿车，为控制器制造厂节约了生产成本及生产周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法。
背景技术
随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车在带给人们便利的同时，对人类环境带来的危害越来越严重。环境保护呼声的高涨和石油储量的日益短缺使得内燃机已不能满足要求了，且传统燃油发动机效率低，一般在30%～50%之间，现在，电动车以车载动力电源为动力，用电机驱动汽车行驶，作为零污染交通工具的电动车无内燃机汽车工作时产生的污染环境的废气并且电动车效率超过传统汽车，系统最高效率通常在90%以上，尤其永磁电机驱动系统可达94%以上。因此，电动汽车成为当前汽车工业发展和研究的重点。
目前，国内多数电动车以交流异步电机、直流电机作为驱动核心，但是交流异步电机功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差，而直流电机制造比较贵，碳刷和整流子存在磨损，使用寿命短，噪音大。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种可正交或解藕控制的、电压利用率和控制精度高的、能有效适应恶劣环境的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：应用于纯电动轿车的永磁电机控制器，它主要由电源板、控制板、驱动板和功率部件组成，电源板与控制板、驱动板和功率部件连接，控制板通过CAN总线与整车控制器连接，控制板的控制输出与驱动板连接，驱动板的输出与功率部件连接，控制板的一组模拟量输入分别与电流互感器和旋转变压器连接，电流互感器与永磁电机的电源端子连接，旋转变压器与永磁电机转轴连接；所述的控制板包括控制器壳体和置于控制器壳体内的电机控制单元，所述的控制器壳体上设有动力电源接头和电机三相信号接头，控制器壳体的底部安装有冷却器，冷却器上设有冷却液输入管和冷却液输出管，冷却器内有冷却液流道，冷却液流道采用密封板密封，冷却液输入管和冷却液输出管置于控制器壳体外部；所述的电机控制单元电路包括电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、硬件故障锁存电路、位移信号采集电路、电机控制信号产生电路和微处理器，电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、位移信号采集电路和电机控制信号产生电路通过内部总线与微处理器连接，电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、位移信号采集电路和电机控制信号产生电路还分别于电流互感器、外部开关信号、外部CAN总线、旋转变压器和驱动板对应连接，硬件故障锁存电路与微处理器连接。
本发明所述的电流互感器为霍尔传感器。
本发明所述的控制器壳体为铸铝件。
本发明所述的功率部件为绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本发明所述的驱动板与功率部件集成在一起。
本发明在电源板与功率部件之间的连接回路中，并联有支撑电容。
应用于纯电动轿车的永磁电机控制器的控制方法，它包括以下步骤：
Step1：整车控制器通过CAN总线向控制器发出控制指令；
Step2：控制器通过电流互感器和旋转变压器分别采集电流和电机位置信号；
Step3：控制器根据所述的控制指令，并结合采集得到的电流和电机位置信号，采用适当的控制策略，向空间矢量脉宽调制器SVPWM发出策略控制信号；
Step4：空间矢量脉宽调制器SVPWM输出执行指令至驱动-功率部件，驱动-功率部件将电源板提供的直流动力电源变为需要的三相交流电并输出至永磁同步电机，实现永磁同步电机正常运行调节输出扭矩大小、方向，驱动电动车车轮转动。
本发明所述的控制指令包括前进指令、后退指令、所需驱动扭矩和制动扭矩。
本发明所述的控制策略是基速以下采用最大转矩/电流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。
本发明的有益效果是：（1）矢量控制可以从零转速起进行速度控制，即使低速亦能运行，电压利用率高、开关损耗低、调速范围宽广、调速方法灵活，能使电动车高效率运行，并且可以对转矩实行精确控制，本控制器的转矩控制精度达到全速范围内的5%，转速控制精度在±20rpm以下，系统的动态响应速度非常快，电动机的加速特性好；（2）控制器电机转子位置信号采集采用旋转变压器，其主要优势为：①与其它角度位置传感元件相比，其具有无可比拟的可靠性、非常好的抗恶劣环境条件的能力；②可以运行在更高的转速下；③方便的绝对值信号数据输出；（3）针对不同需求的电动车，本控制器只需更换冷却器、IGBT及驱动板即可满足功率要求在60KW以下的纯电动轿车，为控制器制造厂节约了生产成本及生产周期。本控制器输入输出信号多，包括2路电机温度信号输入、控制器冷却器温度检测、控制器内部环境温度检测、3路IGBT温度检测，电动车冷却泵控制接点输出、冷却风扇控制接点输出、刹车制动信号输出、两路油门信号输入等，由于控制机集成了轿车所需的多种信号采集及控制功能，对于低成本轿车，本控制器可作为整车控制器使用。本控制器的保护功能强大，控制器针对电机及控制器本身采取三级故障停机或报警，针对电压、电流、温度及各种电路短路的故障报警多达50个，大大提高电动车的安全性，本控制器已与多款永磁电机匹配，并经过大量试验，证明了其通用性及可靠性。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明矢量控制框图；
图3为本发明工作原理框图；
图4为本发明电机控制单元电路框图；
图5为本发明外观正面结构示意图；
图中，1-控制器壳体，2-冷却器，3-动力电源接头，4-三相信号接头，5-冷却液输入管，6-冷却液输出管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：如图1、4、5所示，应用于纯电动轿车的永磁电机控制器，它主要由电源板、控制板、驱动板和功率部件组成，电源板与控制板、驱动板和功率部件连接，控制板通过CAN总线与整车控制器连接，控制板的控制输出与驱动板连接，驱动板的输出与功率部件连接，控制板的一组模拟量输入分别与电流互感器和旋转变压器连接，电流互感器与永磁电机的电源端子连接，旋转变压器与永磁电机转轴连接；所述的控制板包括控制器壳体（1）和置于壳体内电机控制单元，所述的控制器壳体（1）上设有动力电源接头（3）和电机三相信号接头（4），控制器壳体（1）的底部安装有冷却器（2），冷却器上设有冷却液输入管（5）和冷却液输出管（6），冷却器（2）内有冷却液流道，冷却液流道采用密封板密封，冷却液输入管（5）和冷却液输出管（6）置于控制器壳体外部；所述的电机控制单元电路包括电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、硬件故障锁存电路、位移信号采集电路、电机控制信号产生电路和微处理器，电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、位移信号采集电路和电机控制信号产生电路通过内部总线与微处理器连接，电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、位移信号采集电路和电机控制信号产生电路还分别于电流互感器、外部开关信号、外部CAN总线、旋转变压器和驱动板对应连接，硬件故障锁存电路与微处理器连接。
如图2所示，应用于纯电动轿车的永磁电机控制器的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
Step1：整车控制器通过CAN总线向控制器发出控制指令；
Step2：控制器通过电流互感器和旋转变压器分别采集电流和电机位置信号；
Step3：控制器根据所述的控制指令，并结合采集得到的电流和电机位置信号，采用适当的控制策略，向空间矢量脉宽调制器SVPWM发出策略控制信号；
Step4：空间矢量脉宽调制器SVPWM输出执行指令至驱动-功率部件，驱动-功率部件将电源板提供的直流动力电源变为需要的三相交流电并输出至永磁同步电机，实现永磁同步电机正常运行调节输出扭矩大小、方向，驱动电动车车轮转动。
本发明采用矢量控制法控制电机，控制电路中的矢量控制模块包括永磁电机电流控制模块和脉宽调制变频器（PWM INVETER），永磁电机电流控制模块的输入连接电流信号输入，其两路输出依次通过加法器和参数控制器PI连接空间矢量脉宽调整模块的两路输入，空间矢量脉宽调整模块的多路输出连接脉宽调制变频器（PWM INVETER）的输入，脉宽调制变频器（PWM INVETER）的输出连接永磁电机的三相输入，其中两路输入通过坐标转换模块连接在两个加法器上，永磁电机的输出通过电机转速和转子位置信号检测模块分别连接坐标转换模块和永磁电机电流控制模块。
如图5所示，本发明从外观上看它包括控制壳体1，控制壳体1上设有动力电源接头3和三相信号接头4；箱体的下面安装有可拆卸的冷却器2，冷却器2上设有冷却液输入管5和冷却液输出管6。其中，冷却器2有多个流道和安装孔并用螺钉紧固密封板密封，冷却液输入管5和冷却液输出管6置于控制器外部；动力电源接头5和三相信号接头6均采用防水接头。
本发明在电机车中的工作原理如下：
如图3所示，电动机车中的控制电路包括动力电源、永磁同步电机和电机控制单元，动力电源通过整流器与DC/AC功率模块连接，DC/AC功率模块分别与永磁同步电机的三相信号输入接口和电机控制单元连接，DC/AC功率模块与永磁同步电机之间的三路连接中的两路与电路采样模块连接，电路采样模块与电机控制单元连接；永磁同步电机依次通过旋转变压器和位置信号模块与电机控制单元相连，电机控制单元又与整车控制器相连；整车控制器通过CAN总线向电机控制单元发出控制指令，如前进后退，所需驱动扭矩或制动扭矩等，电机控制器根据指令，并结合反馈得到的电流和电机位置信号，控制电机驱动器——功率模块将蓄电池动力电源变为需要的三相交流电，实现永磁同步电机正常运行调节输出扭矩大小、方向，驱动电动车车轮转动。
本发明的部分基本性能参数：
| 参数名称 | |
| 输入电压范围 | DC250～440V |
| 控制电源 | 工作范围DC6V~18V;额定工作电压DC12V |
| 最大功率 | 75KW |
| 过载能力 | 连续输出最大功率180秒 |
| 弱磁范围 | 3倍弱磁 |
| 最高转速 | 12000rpm |
| 冷却方式 | 水冷（冷却水量≥8L/min） |
| 进水口冷却水温度 | ≤65℃ |
| 散热器最高温度限值 | 85 ℃ |
| 供电方式 | 336VDC 蓄电池组 |
| 控制效率 | 不小于96% |
| 控制方式 | CAN总线或端子控制 |
| 通讯方式 | CAN通讯 |
Claims (9)
1.应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，其特征在于：它主要由电源板、控制板、驱动板和功率部件组成，电源板与控制板、驱动板和功率部件连接，控制板通过CAN总线与整车控制器连接，控制板的控制输出与驱动板连接，驱动板的输出与功率部件连接，控制板的一组模拟量输入分别与电流互感器和旋转变压器连接，电流互感器与永磁电机的电源端子连接，旋转变压器与永磁电机转轴连接；所述的控制板包括控制器壳体（1）和置于控制器壳体（1）内的电机控制单元，所述的控制器壳体（1）上设有动力电源接头（3）和电机三相信号接头（4），控制器壳体（1）的底部安装有冷却器（2），冷却器上设有冷却液输入管（5）和冷却液输出管（6），冷却器（2）内有冷却液流道，冷却液流道采用密封板密封，冷却液输入管（5）和冷却液输出管（6）置于控制器壳体外部；所述的电机控制单元电路包括电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、硬件故障锁存电路、位移信号采集电路、电机控制信号产生电路和微处理器，电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、位移信号采集电路和电机控制信号产生电路通过内部总线与微处理器连接，电流信号采集电路、开关量输入输出电路、CAN总线数据传输电路、位移信号采集电路和电机控制信号产生电路还分别于电流互感器、外部开关信号、外部CAN总线、旋转变压器和驱动板对应连接，硬件故障锁存电路与微处理器连接。
2.根据权利要求1所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，其特征在于：所述的电流互感器为霍尔传感器。
3.根据权利要求1所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，其特征在于：所述的控制器壳体（1）为铸铝件。
4.根据权利要求1所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，其特征在于：所述的功率部件为绝缘栅双极型晶体管IGBT。
5.根据权利要求1所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，其特征在于：所述的驱动板与功率部件集成在一起。
6.根据权利要求1所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法，其特征在于：在电源板与功率部件之间的连接回路中，并联有支撑电容。
7.根据权利要求1所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
Step1：整车控制器通过CAN总线向控制器发出控制指令；
Step2：控制器通过电流互感器和旋转变压器分别采集电流和电机位置信号；
Step3：控制器根据所述的控制指令，并结合采集得到的电流和电机位置信号，采用适当的控制策略，向空间矢量脉宽调制器SVPWM发出策略控制信号；
Step4：空间矢量脉宽调制器SVPWM输出执行指令至驱动-功率部件，驱动-功率部件将电源板提供的直流动力电源变为需要的三相交流电并输出至永磁同步电机，实现永磁同步电机正常运行调节输出扭矩大小、方向，驱动电动车车轮转动。
8.根据权利要求8所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法的控制方法，其特征在于：所述的控制指令包括前进指令、后退指令、所需驱动扭矩和制动扭矩。
9.根据权利要求8所述的应用于纯电动轿车的永磁电机控制器及控制方法的控制方法，其特征在于：所述的控制策略是基速以下采用最大转矩/电流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。
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