CN103684202B - 集成驱动及充放电功能的电机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了集成驱动及充放电功能的电机控制器，充电电池与双向DC‑DC变换器、三相桥式DC‑AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、三相桥式DC‑AC双向变换器、双向DC‑DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，第一开关K1和第二开关K2分别安装在一根连线上以控制三相桥式DC‑AC双向变换器和电机的连接和断开，交流电源输入接口装置与三相桥式DC‑AC双向变换器之间连接三相PFC电感，交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电并采用统一接口PI，具有接口A、接口B、接口C和接口N和第三开关K3，第三开关K3的两端分别连接接口N和接口A，它电路结构简单，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、高功率因数。

Description

集成驱动及充放电功能的电机控制器
技术领域：
本发明涉及集成驱动及充放电功能的电机控制器，尤其涉及涉及一种集成电机驱动和单、三相充放电功能的控制器。
背景技术：
一)目前国外集驱动及充放电功能的电机控制器的解决方案基于非隔离集成“充电－驱动”系统的方案在汽车行业已经得到应用。具体方案有：
(1)并联Boost非隔离集成充电机，如图1，利用电机绕组作为电感结合三相IGBT变换器组合而成，对电机的设计要求较高；
(2)基于裂相电机的非隔离集成充电机；
(3)基于四轮独立驱动的集成充电机。这类拓扑的共同点是：在充电模式下利用接触器对电机的绕组进行了重新配置和复用功率开关单元。
从国外已有技术方案来看，目前基于PWM整流技术的“驱动—充电”集成方案均实现了高效的充电和单位功率因数控制等功能，性能上具有较大优势；而且与电机驱动系统中的三相逆变器共用电力电子器件，节省了不控整流+有源功率因数校正电路或PWM整流电路的成本，是一种可以切实提高系统性能指标，降低体积和成本的有前景的技术。
国外技术的缺点：
(1).利用电机绕组作为电感，对电机的设计要求较高。三相充电模式下，在永磁同步电机上必须增加额外的锁止装置，控制技术上难以实现；
(2).对于兼容三相和单相充电方式支持不足；
(3).对于大功率充电和小功率充电的切换，需要制定标准来进行自适应。
二)国内集驱动及充放电功能的电机控制器的解决方案，如有北京理工大学的名称为“一种具有220VAC/380VAC充电功能的电机驱动－充电一体化装置”，专利公开号为CN102935812A的发明专利，
该技术方案主要存在以下缺点：1、额外增加了两个大功率的升/降压电感、体积大，较为笨重；2、额外增加两个DCDC升降压桥臂(大功率IGBT单元)；3、额外增加三个高压大电流的继电器(高成本)；4、单、三相充电接口不兼容。5、由于接口的不兼容，不能自动判断并适应不同的充电模式。
发明内容：
本发明的目的是提供一种集成驱动及充放电功能的电机控制器，电路结构简单，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、高功率因数。
本发明的进一步目的是兼容单相充电和三相充电的集成驱动及充放电功能的电机控制器。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
集成驱动及充放电功能的电机控制器，其特征在于：它包括双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器、驱动－充电模式切换装置、交流电源输入接口装置和中央控制微处理器，其中充电电池与双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、三相桥式DC－AC双向变换器、双向DC－DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，利用驱动－充电模式切换装置使电机驱动回路处于工作状态而电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断而电池充电回路处于工作状态。
上述所述的双向DC－DC变换器在驱动模式下形成boost升压电路，在充电模式下形成buck降压电路。
上述所述的双向DC－DC变换器包括第七开关管、第七二级管、第八开关管、第八二级管、复用电感和电容，第七开关管的发射极与第八开关管集电极连接组合形成一个单桥壁结构，复用电感的一端连接在第七开关管的发射极与第八开关管集电极之间，第七开关管的集电极与第八开关管发射极之间连接电容，复用电感的另一端与充电电池正极连接，充电电池负极连接第八开关管发射极，第七开关管和第八开关管的控制端与中央控制微处理器的输出端连接。
上述所述的驱动－充电模式切换装置包括第一开关K1和第二开关K2，三相桥式DC－AC双向变换器和电机之间有3根连线，第一开关K1和第二开关K2分别安装在两根连线上以控制三相桥式DC－AC双向变换器和电机的连接和断开，在驱动模式下，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，第一开关和第二开关都闭合，充电电池经双向DC－DC变换器升压对直流母线电压进行稳压，三相桥式DC－AC双向变换器工作在逆变状态，将直流DC变化成交流AC供电给电机；在充电模式下，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，第一开关和第二开关都断开，三相桥式DC－AC双向变换器工作在整流状态，交流电源输入接口装置输入的交流电经过三相桥式DC－AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流母线电压，并通过后级双向DC－DC变换器进行降压限流对充电电池进行快充或者慢充。
上述所述在电池充电回路中，交流电源输入接口装置与三相桥式DC－AC双向变换器之间连接三相PFC电感，三相PFC电感包括第一相电感、第二相电感和第三相电感。
上述所述的交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动单相充电模式和三相充电模式去控制双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器。
上述所述的交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电并采用统一接口PI，具有接口J1、接口J2、接口J3和接口N和第三开关，第三开关的两端分别连接接口N和接口J1。
上述所述当中央控制微处理器启动单相充电模式，闭合第三开关，接口J2、接口J3有输入，利用三相PFC电感中的第二相电感和第三相电感参与PFC功率校正；当中央控制微处理器启动三相充电模式，断开第三开关，利用第一相电感、第二相电感和第三相电感参与PFC功率校正。
上述所述当外部电源通过同一个接口PI接入到中央控制微处理器时，交流输入检测电路将对接口J1、接口J2、接口J3和接口N进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为单相输入时将第三开关闭合，由此接口N的零线将引入到第一相电感中，当检测判断结果为三相输入时将第三开关断开，由于接口N的零线将不再接入第一相电感中，形成第一相电感、第二相电感和第三相电感参与PFC功率校正，从而实现单相和三相的不干涉输入，共用一个接口PI。
上述所述的第一开关、第二开关和第三开关都是继电器开关，中央控制微处理器通过驱动电路分别独立控制第一开关、第二开关和第三开关。
上述所述的中央控制微处理器还检测母线电压、母线电流、电机转子位置、电机绕组的相电流、电机故障等数据。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1、充电电池与双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、三相桥式DC－AC双向变换器、双向DC－DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，利用驱动－充电模式切换装置使电机驱动回路处于工作状态而电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断而电池充电回路处于工作状态。这样一来，采用同一的双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器实现充电控制和驱动控制，简化电路结构，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、提高功率因数。
2、充电电池与三相桥式DC－AC双向变换器之间安装双向DC－DC变换器，双向DC－DC变换器在驱动模式下形成boost升压电路，在充电模式下形成buck降压电路，并且共用复用电感L1，这样可以进一步简化电路结构，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小，提高功率因数，双向DC－DC变换器采用由2个功率开关元件T7、T8组成单个桥臂结构，既提升了电机系统在驱动状态下的弱磁扩速能力和充电模式下的充电电压调节能力，又大大降低了器件用量及成本；
3)驱动－充电模式切换装置包括第一开关K1和第二开关K2，三相桥式DC－AC双向变换器和电机之间有3根连线，第一开关K1和第二开关K2分别安装在两根连线上以控制三相桥式DC－AC双向变换器和电机的连接和断开，在驱动模式下，第一开关和第二开关都闭合，在充电模式下，第一开关和第二开关都断开，控制简单可靠，零件数小。
4)实现了充电机系统、三相充电模式与单相充电模式的兼容与自适应；在驱动模式下，第一开关和第二开关都闭合，在充电模式下，第一开关和第二开关都断开，交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动单相充电模式和三相充电模式去控制双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器，当中央控制微处理器启动单相充电模式，闭合第三开关，接口J2、接口J3有输入，利用三相PFC电感中的第二相电感和第三相电感参与PFC功率校正；当中央控制微处理器启动三相充电模式，断开第三开关，利用第一相电感、第二相电感和第三相电感参与PFC功率校正。因此实用简单方便，兼容性强，同时三相PFC电感的在单相和三相充电模式的复用，简化电路结构，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、提高功率因数。
5)本发明的交流电源输入接口装置输入的交流电经过三相桥式DC－AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流母线电压，省却交流输入整流装置的同时，还实现了高功率因数；
6)本发明的利用第一开关K1和第二开关K2控制电机的通断电，除去了传统控制方案的复用电机电感所带来的复杂锁止控制，使本发明的整个系统控制策略比较简单；
7、成本低廉，本发明额外增加的成本不超过原有3.3KW车载充电机的成本。
附图说明：
图1是本发明的电路原理方框图。
图2是图1对应的局部电气原理图。
图3是本发明双向DC－DC变换器工作在驱动模式下的等效电路图。
图4是本发明三相桥式DC－AC双向变换器在三相充电模式的等效电路图。
图5是发明双向DC－DC变换器工作在充电模式下的等效电路图。
图6是本发明三相桥式DC－AC双向变换器在单相充电模式的等效电路图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1至图2所示，本发明是集成驱动及充放电功能的电机控制器，它包括双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器、驱动－充电模式切换装置、交流电源输入接口装置和中央控制微处理器，其中充电电池与双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、三相桥式DC－AC双向变换器、双向DC－DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，利用驱动－充电模式切换装置使电机驱动回路处于工作状态而电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断而电池充电回路处于工作状态。
上述所述的双向DC－DC变换器在驱动模式下形成boost升压电路，在充电模式下形成buck降压电路。
上述所述的双向DC－DC变换器包括第七开关管T7、第七二级管D7、第八开关管T8、第八二级管D8、复用电感L1和电容C，第七开关管T7的发射极与第八开关管T8集电极连接组合形成一个单桥壁结构，复用电感L1的一端连接在第七开关管T7的发射极与第八开关管T8集电极之间，第七开关管T7的集电极与第八开关管T8发射极之间连接电容C，复用电感L1的另一端与充电电池正极连接，充电电池负极连接第八开关管T8发射极，第七开关管T7和第八开关管T8的控制端与中央控制微处理器的输出端连接。
上述所述的驱动－充电模式切换装置包括第一开关K1和第二开关K2，三相桥式DC－AC双向变换器和电机之间有3根连线，第一开关K1和第二开关K2分别安装在两根连线上以控制三相桥式DC－AC双向变换器和电机的连接和断开，在驱动模式下，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，第一开关K1和第二开关K2都闭合，充电电池经双向DC－DC变换器升压对直流母线电压进行稳压，三相桥式DC－AC双向变换器工作在逆变状态，将直流DC变化成交流AC供电给电机；在充电模式下，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，第一开关K1和第二开关K2都断开，三相桥式DC－AC双向变换器工作在整流状态，交流电源输入接口装置输入的交流电经过三相桥式DC－AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流母线电压，并通过后级双向DC－DC变换器进行降压限流对充电电池进行快充或者慢充。
上述所述在电池充电回路中，交流电源输入接口装置与三相桥式DC－AC双向变换器之间连接三相PFC电感，三相PFC电感包括第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4。
上述所述的交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动单相充电模式和三相充电模式去控制双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器。
上述所述的交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电并采用统一接口PI，具有接口J1、接口J2、接口J3和接口N和第三开关K3，第三开关K3的两端分别连接接口N和接口J1。
上述当中央控制微处理器启动单相充电模式，闭合第三开关K3，接口J2、接口J3有输入，利用三相PFC电感中的第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正；当中央控制微处理器启动三相充电模式，断开第三开关K3，利用第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正。
当外部电源通过同一个接口PI接入到中央控制微处理器时，交流输入检测电路将对接口J1、接口J2、接口J3和接口N进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为单相输入时将第三K3开关闭合，由此接口N的零线将引入到第一相电感L2中，当检测判断结果为三相输入时将第三开关K3断开，由于接口N的零线将不再接入第一相电感L2中，形成第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正，从而实现单相和三相的不干涉输入，共用一个接口PI。
上述所述的第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3都是继电器开关，中央控制微处理器通过驱动电路分别独立控制第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3。
上述所述的中央控制微处理器还检测母线电压、母线电流、电机转子位置、电机绕组的相电流数据。
三相桥式DC－AC双向变换器包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管T5、开关管T6、二级管D1、二级管D2、二级管D3、二级管D4、二级管D5、二级管D6；上述零件组合成3个桥臂，开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管T5、开关管T6的控制端由中央控制微处理器。
本发明的工作原理如下：本发明的集成电机控制器可以利用同一套装置实现驱动、充电和制动功能。
在电机驱动模式下，K1和K2闭合，K3为常态断开，充电电池E与双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，如图3所示实线部分组成，此时电路可以看成是由复用电感L1、开关管T8、开关管T7的反并联二极管D7及输出侧电容C组成的Boost升压电路，由中央控制微处理器使开关管T7处于常开状态，此时充电电池E通过复用电感L1进行储能，电容C向负载提供能量，T7的反并联二极管D7处于反偏状态；当开关管T8关断时，此时复用电感L1储存的能量与电池能量叠加一起向负载侧提供能量，并补充电容C上在T8导通时损耗掉的能量，由于复用电感L1具有电压泵生的作用，使输出侧电压大于充电电池E电压，实现了升压的功能。通过控制开关管T8的占空比，即可对直流母线电压进行调节，可以提升电机系统在驱动状态下的弱磁扩速能力。在电机驱动模式下，三相桥式DC－AC双向变换器在中央控制微处理器控制下工作在逆变状态，将直流DC变化成交流AC供电给汽车电机M。
在充电模式下：K1和K2断开，K3为常态断开，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，交流输入检测电路将对接口J1、接口J2、接口J3和接口N进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为单相输入时将第三K3开关闭合，由此接口N的零线将引入到第一相电感L2中，当检测判断结果为三相输入时将第三开关K3断开，由于接口N的零线将不再接入第一相电感L2中，形成第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正，从而实现单相和三相的不干涉输入，共用一个接口PI。
在三相充电模下：交流电源输入接口装置、三相桥式DC－AC双向变换器、双向DC－DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，断开第三开关K3，外界三相交流电源利用第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正，三相桥式DC－AC双向变换器在中央控制微处理器控制下工作在三相桥式PWM整流，其等效电路如图4所示。
在充电模式下，双向DC－DC变换器的等效电路如图5中实线部分组成，此时电路可以看成是由复用电感L1、开关管T7、开关管T8的反并联二极管D8组成的Buck降压电路，此时开关管T8处于常开状态，此时，复用电感L1的功能是降压滤波电感，开关管T8反并联二极管D8为电流提供续流回路，通过对开关管T7占空比的控制，可以将直流母线电压Udc变换为充电电池E的充电电压，并且具有良好的充电电压调节能力，实现恒流或恒压的控制目标，从而满足电池的充电需求。
在单相充电模下：交流电源输入接口装置、三相桥式DC－AC双向变换器、双向DC－DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，闭合第三开关K3，外界三相交流电源利用第二相电感L3或者第三相电感L4参与PFC功率校正，三相桥式DC－AC双向变换器在中央控制微处理器控制下工作在三相桥式PWM整流，其等效电路如图6所示，中央控制微处理器控制下只有开关管T3、开关管T4、开关管T5、开关管T6、二级管D3、二级管D4、二级管D5、二级管D6参与工作，形成2个桥臂。

Claims (5)

1.集成驱动及充放电功能的电机控制器，其特征在于：它包括双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器、驱动－充电模式切换装置、交流电源输入接口装置和中央控制微处理器，其中充电电池与双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、三相桥式DC－AC双向变换器、双向DC－DC变换器和充电电池依次连接形成电池充电回路，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，利用驱动－充电模式切换装置使电机驱动回路处于工作状态而电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断而电池充电回路处于工作状态，双向DC－DC变换器在驱动模式下形成boost升压电路，在充电模式下形成buck降压电路，驱动－充电模式切换装置包括第一开关K1和第二开关K2，三相桥式DC－AC双向变换器和电机之间有3根连线，第一开关K1和第二开关K2分别安装在两根连线上以控制三相桥式DC－AC双向变换器和电机的连接和断开；在驱动模式下，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，第一开关K1和第二开关K2都闭合，充电电池经双向DC－DC变换器升压对直流母线电压进行稳压，三相桥式DC－AC双向变换器工作在逆变状态，将直流DC变化成交流AC供电给电机；在充电模式下，中央控制微处理器对双向DC－DC变换器和三相桥式DC－AC双向变换器进行控制，第一开关K1和第二开关K2都断开，三相桥式DC－AC双向变换器工作在整流状态，交流电源输入接口装置输入的交流电经过三相桥式DC－AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流母线电压，并通过后级双向DC－DC变换器进行降压限流对充电电池进行快充或者慢充，在电池充电回路中，交流电源输入接口装置与三相桥式DC－AC双向变换器之间连接三相PFC电感，三相PFC电感包括第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4，交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动单相充电模式和三相充电模式去控制双向DC－DC变换器、三相桥式DC－AC双向变换器，交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电并采用统一接口PI，具有接口J1、接口J2、接口J3和接口N和第三开关K3，第三开关K3的两端分别连接接口N和接口J1，当中央控制微处理器启动单相充电模式，闭合第三开关K3，接口J2、接口J3有输入，利用三相PFC电感中的第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正；当中央控制微处理器启动三相充电模式，断开第三开关K3，利用第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正。
2.根据权利要求1所述的集成驱动及充放电功能的电机控制器，其特征在于：双向DC－DC变换器包括第七开关管(T7)、第七二级管(D7)、第八开关管(T8)、第八二级管(D8)、复用电感(L1)和电容(C)，第七开关管(T7)的发射极与第八开关管(T8)集电极连接组合形成一个单桥臂结构，复用电感(L1)的一端连接在第七开关管(T7)的发射极与第八开关管(T8)集电极之间，第七开关管(T7)的集电极与第八开关管(T8)发射极之间连接电容(C)，复用电感(L1)的另一端与充电电池正极连接，充电电池负极连接第八开关管(T8)发射极，第七开关管(T7)和第八开关管(T8)的控制端与中央控制微处理器的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的集成驱动及充放电功能的电机控制器，其特征在于：当外部电源通过同一个接口PI接入到中央控制微处理器时，交流输入检测电路将对接口J1、接口J2、接口J3和接口N进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为单相输入时将第三开关K3闭合，由此接口N的零线将引入到第一相电感L2中，当检测判断结果为三相输入时将第三开关K3断开，由于接口N的零线将不再接入第一相电感L2中，形成第一相电感L2、第二相电感L3和第三相电感L4参与PFC功率校正，从而实现单相和三相的不干涉输入，共用一个接口PI。
4.根据权利要求3所述的集成驱动及充放电功能的电机控制器，其特征在于：第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3都是继电器开关，中央控制微处理器通过驱动电路分别独立控制第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3。
5.根据根据权利要求4所述的集成驱动及充放电功能的电机控制器，其特征在于：中央控制微处理器还检测母线电压、母线电流、电机转子位置、电机绕组的相电流数据。
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