CN103538682B - 一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统，所述三相绕组的另一侧串联连接另一三相绕组一侧的端点，该两个三相绕组之间并联连接一高速MOSFET开关单元，所述另一三相绕组另一侧的端点连接一低速MOSFET开关单元。本发明中，高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元分别通过高转速控制信号和低转速控制信号进行控制，通过该两个信号的逻辑组合，实现了轮毂电机在启动和低速度状态下使用两个三相绕组，当轮毂电机在高速度状态下使用一个三相绕组，高速和低速切换过程中通过MOSFET管实现，持续时间非常短，约数百个微秒，切换时不会出现打火或拉弧的现象，而且切换过程中安全、平稳，驾驶员不会感到不适。
Description
技术领域
本发明属于电动车高转速、低转速切换控制技术尤其是一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统。
背景技术
电动车是一种非常实用的代步工具，其后轮所装的轮毂电机为整车提供动力，具有骑行快、载重量大的优点，上述轮毂电机中，转子在外，定子在内，转子内缘径向均布安装磁极，定子外缘径向制出多个凸极，这些凸极上缠绕绕组，磁极与绕组相互作用实现了转子的旋转，由此带动电动车后轮的转动，使整车移动。
现有的控制器内安装有多个MOSFET管，这些MOSFET管与定子上的三相绕组中的一侧端点连接，该三相绕组的另一侧端点相互连接，这样的结构使轮毂电机在某一转矩和转速下效率达到最高值的点，但偏离该点的效率会逐渐下降，人们为了克服这一缺陷，研制出双速电机，该双速电机通过改变定子绕组的连接方法来改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速，但该双速电机中，一般采用继电器进行控制，整个控制系统复杂，不便于安装维护。
由此可知，在电动车控制过程中，急需一种能自动实现电机低转速工作状态与高转速工作状态之间自动转换且变化平稳，不会影响驾驶性能的系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供能根据信号自动进行低转速和高转速的工作状态切换且安全、平稳的一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统。
本发明采取的技术方案是：
一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统，包括控制器单元和三相绕组，该三相绕组的一侧的端点均连接控制器单元，其特征在于：所述三相绕组的另一侧串联连接另一三相绕组一侧的端点，该两个三相绕组之间并联连接一高速MOSFET开关单元，所述另一三相绕组另一侧的端点连接一低速MOSFET开关单元。
而且，所述高速MOSFET开关单元包括高转速MOSFET开关模块、MOSFET驱动后级模块和高转速控制信号，高转速MOSFET开关模块的一端并联在所述两个三相绕组之间，高转速MOSFET开关模块的另一端连接MOSFET驱动后级模块的一端，MOSFET驱动后级模块的另一端连接高转速控制信号。
而且，所述MOSFET驱动后级模块和高转速控制信号之间串联一光耦模块。
而且，所述光耦模块和高转速控制信号之间串联一输入滤波模块。
而且，所述低速MOSFET开关单元包括低转速MOSFET开关模块、MOSFET驱动后级模块和低转速控制信号，低转速MOSFET开关模块的一端串联所述另一三相绕组另一侧的端点，低转速MOSFET开关模块的另一端连接MOSFET驱动后级模块的一端，MOSFET驱动后级模块的另一端连接低转速控制信号。
而且，所述MOSFET驱动后级模块和低转速控制信号之间串联一光耦模块。
而且，所述光耦模块和低转速控制信号之间串联一输入滤波模块。
而且，所述MOSFET驱动后级模块为图腾柱式的推挽电路。
而且，所述高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元均通过一隔离电源单元供电。
而且，所述隔离电源单元包括多谐振荡器模块、隔离变压器模块、整流模块和稳压模块，该多谐振荡器模块的一端连接电源，该多谐振荡器模块的另一端连接隔离变压器模块的一端，该隔离变压器模块的另一端连接整流模块的一端，该整流模块的另一端连接稳压模块的一端，该稳压模块的另一端为所述高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元供电。
本发明的优点和积极效果是：
本发明中，在原有的一个三相绕组基础上增加了一个三相绕组，该两个三相绕组的绕制方式相同，二者之间的抽头连接一个高速MOSFET开关单元，远离控制器的三相绕组连接一低速MOSFET开关单元，高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元分别通过高转速控制信号和低转速控制信号进行控制，通过该两个信号的逻辑组合，实现了轮毂电机在启动和低速度状态下使用两个三相绕组，当轮毂电机在高速度状态下使用一个三相绕组，高速和低速切换过程中通过MOSFET管实现，持续时间非常短，约数百个微秒，切换时不会出现打火或拉弧的现象，而且切换过程中安全、平稳，驾驶员不会感到不适。
附图说明
图1是本发明的方框图；
图2（a）是本发明中高速MOSFET开关单元与高速隔离电源单元的电路原理图；
图2（b）是本发明中低速MOSFET开关单元与低速隔离电源单元的电路原理图；
图3是本发明中电机在低速及高速中的转矩和效率的曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统，如图1所示，包括控制器单元和三相绕组X1，该三相绕组X1的一侧的端点均连接控制器单元，本发明的创新在于：所述三相绕组X1的另一侧串联连接另一三相绕组X2一侧的端点，该两个三相绕组之间并联连接一高速MOSFET开关单元，所述另一三相绕组X2另一侧的端点连接一低速MOSFET开关单元。
本实施例中，所述高速MOSFET开关单元包括高转速MOSFET开关模块、MOSFET驱动后级模块和高转速控制信号SW1，高转速MOSFET开关模块的一端并联在所述两个三相绕组之间，高转速MOSFET开关模块的另一端连接MOSFET驱动后级模块的一端，MOSFET驱动后级模块的另一端连接高转速控制信号SW1。
更优选的方案是：在MOSFET驱动后级模块和高转速控制信号SW1之间串联一光耦模块以隔离两端的信号。更进一步的是：在光耦模块和高转速控制信号SW1之间串联一输入滤波模块。
上述低速MOSFET开关单元包括低转速MOSFET开关模块、MOSFET驱动后级模块和低转速控制信号，低转速MOSFET开关模块的一端串联所述另一三相绕组X2另一侧的端点，低转速MOSFET开关模块的另一端连接MOSFET驱动后级模块的一端，MOSFET驱动后级模块的另一端连接低转速控制信号SW2。
更优选的方案是：在MOSFET驱动后级模块和低转速控制信号SW2之间串联一光耦模块以隔离两端的信号。更进一步的是：在光耦模块和低转速控制信号SW2之间串联一输入滤波模块。
上述输入滤波模块如图2（a）、图2（b）所示，由三极管、电阻和电容构成；光耦模块使用光电耦合器；MOSFET驱动后级模块使用了由两个三极管构成的图腾柱式的推挽电路；高转速MOSFET开关模块和低转速MOSFET开关模块分别使用了六个N型MOSFET管，每个模块中的六个MOSFET管的漏极连接在一起，高转速MOSFET开关模块中的所有MOSFET管的源级连接三相绕组X1的末端，低转速MOSFET开关模块中的所有MOSFET管的源级连接三相绕组X2的末端。
高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元均通过一隔离电源单元供电。该两个隔离电源单元结构相同，下面以为高速MOSFET开关单元供电的隔离电源单元进行说明：
隔离电源单元包括多谐振荡器模块、隔离变压器模块、整流模块和稳压模块，该多谐振荡器模块的一端连接电源，该多谐振荡器模块的另一端连接隔离变压器模块的一端，该隔离变压器模块的另一端连接整流模块的一端，该整流模块的另一端连接稳压模块的一端，该稳压模块的另一端为所述高速MOSFET开关单元供电。
上述多谐振荡器模块如图2（a）所示，使用三极管Q1、Q2构成，其产生两个互补的高频震荡波，然后通过隔离变压器模块、二极管构成的整流模块、三端稳压芯片构成的稳压模块后输出一个稳定的电源。
上述高转速控制信号SW1和低转速控制信号SW2可以由控制器单元给出，也可以由另外设置的独立电路单元给出，其原理是：控制器单元或独立电路单元检测轮毂电机的转速，然后给出上述SW1和SW2两个控制信号。
实施例
所用电机：500W/10英寸，直流无刷电机
由图3可知，电机在启动瞬间的转矩很大以便于整车行进及加速，但此时电机的效率最低，随着转速的提高，转矩变小，但效率上升，当转速上升到380r/min时，电机效率迅速下降，所以将0-380r/min定义为低速，将380-800r/min定义为高速，具体的切换过程是：
1.电机刚启动或低转速时，电机转速低于380r/min
SW1断开，表现为低电平，SW2闭合，表现为高电平
此时高速MOSFET开关单元断开，低速MOSFET开关单元工作，使三相绕组X1、X2同时投入工作，此时电机工作在低速状态，转矩逐渐下降，效率逐渐升高。
2.电机高转速时，电机达到380r/min
SW2断开，表现为低电平，SW1闭合，表现为高电平
低速MOSFET开关单元首先断开，高速MOSFET开关单元延时110μs后开始工作，使三相绕组X1投入工作，此时电机工作在高速状态。
由图3可知，电机在低速工作状态时保持一定区间的高效率，然后切换为高速工作状态后仍然能保持一定区间的高效率，而且启动时的转矩也符合要求，可见，两组线圈的自动切换的工作方式即可以获得启动时的大转矩，还可以保证较长的高效率工作区间，使用效果非常好。
本发明中，在原有的一个三相绕组基础上增加了一个三相绕组，该两个三相绕组的绕制方式相同，二者之间的抽头连接一个高速MOSFET开关单元，远离控制器的三相绕组连接一低速MOSFET开关单元，高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元分别通过高转速控制信号和低转速控制信号进行控制，通过该两个信号的逻辑组合，实现了轮毂电机在启动和低速度状态下使用两个三相绕组，当轮毂电机在高速度状态下使用一个三相绕组，高速和低速切换过程中通过MOSFET管实现，持续时间非常短，约数百个微秒，切换时不会出现打火或拉弧的现象，而且切换过程中安全、平稳，驾驶员不会感到不适。
Claims (3)
1.一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统，包括控制器单元和三相绕组，该三相绕组的一侧的端点均连接控制器单元，其特征在于：所述三相绕组的另一侧串联连接另一三相绕组一侧的端点，该两个三相绕组之间并联连接一高速MOSFET开关单元，所述另一三相绕组另一侧的端点连接一低速MOSFET开关单元；
所述高速MOSFET开关单元包括高转速MOSFET开关模块、MOSFET驱动后级模块和高转速控制信号，高转速MOSFET开关模块的一端并联在所述两个三相绕组之间，高转速MOSFET开关模块的另一端连接MOSFET驱动后级模块的一端，MOSFET驱动后级模块的另一端连接高转速控制信号；
所述MOSFET驱动后级模块和高转速控制信号之间串联一光耦模块；
所述光耦模块和高转速控制信号之间串联一输入滤波模块；
所述低速MOSFET开关单元包括低转速MOSFET开关模块、MOSFET驱动后级模块和低转速控制信号，低转速MOSFET开关模块的一端串联所述另一三相绕组另一侧的端点，低转速MOSFET开关模块的另一端连接MOSFET驱动后级模块的一端，MOSFET驱动后级模块的另一端连接低转速控制信号；
所述MOSFET驱动后级模块和低转速控制信号之间串联一光耦模块；
所述光耦模块和低转速控制信号之间串联一输入滤波模块；
所述MOSFET驱动后级模块为图腾柱式的推挽电路；
所述输入滤波模块包括三极管、电阻和电容，所述光耦模块包括光电耦合器。
2.根据权利要求1所述的一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统，其特征在于：所述高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元均通过一隔离电源单元供电。
3.根据权利要求2所述的一种高低速快速平稳切换的电动车控制系统，其特征在于：所述隔离电源单元包括多谐振荡器模块、隔离变压器模块、整流模块和稳压模块，该多谐振荡器模块的一端连接电源，该多谐振荡器模块的另一端连接隔离变压器模块的一端，该隔离变压器模块的另一端连接整流模块的一端，该整流模块的另一端连接稳压模块的一端，该稳压模块的另一端为所述高速MOSFET开关单元和低速MOSFET开关单元供电。
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