CN103909838B - 双特性电子档电动三轮车驱动装置及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双特性电子档电动三轮车驱动装置，包括双绕组高效差速电机、智能电子档控制器和切换继电器，所述智能电子档控制器包括电机驱动电路和电子换挡电路，所述电机驱动电路的三相输出端口A、B、C分别通过切换继电器与双绕组高效差速电机的高速绕组A、B、C和低速绕组A1、B1、C1相连；电子换挡电路的控制信号输出端JP1第5脚与切换继电器的控制端口JVCC、JGND连接。本发明省去机械档位变速器，通过智能电子档控制器根据不同的行驶路况，全自动电子变速，让车辆具有大扭矩及高速度的综合性能,在不同路况行驶时均能保持较高的工作效率，增大续航里程和爬坡能力，节省能源，对于电动三轮车的性能有较大的提升。

Description

双特性电子档电动三轮车驱动装置及驱动方法

技术领域

本发明涉及电动三轮车的电气传动控制系统，具体涉及一种电动三轮车驱动系统。

背景技术

目前国内电动三轮车普遍采用单绕组差速电机和单速控制器驱动的模式，此类驱动模式电气特性单一，均存在以下三种情况：一是，当电机的效率特性适应平路行驶时，在平路行驶效率高续航里程远；但在坡路多的地方行驶时扭矩不够且效率极低、严重影响续航里程和爬坡能力；二是，当电机的效率特性适应坡路行驶时，在平路行驶时就造成扭矩过剩，速度慢而且效率低；三是，为了兼顾平路行驶和坡路行驶，通常需要加装机械档位变速器；机械档位变速器成本高，易磨损而且操控性差。上述问题不仅长期困扰着电动三轮车生产厂家和电机生产厂家，也是广大经销商和用户朋友们非常关心的问题；解决这一技术问题将对于电动三轮车的性能有较大的提升。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种双特性电子档电动三轮车驱动系统，可以使电动三轮车通过智能电子档控制器和双绕组高效差速电机系统驱动，省去机械档位变速器，通过智能电子档控制器根据不同的行驶路况，全自动电子变速，让车辆具有大扭矩及高速度的综合性能,在不同路况行驶时均能保持较高的工作效率，增大续航里程和爬坡能力，节省能源，对于电动三轮车的性能有较大的提升。

为了解决上述技术问题，本发明一种双特性电子档电动三轮车驱动装置，包括双绕组高效差速电机、智能电子档控制器和切换继电器，所述双绕组高效差速电机包括双绕组定子、电机霍尔传感器、永磁磁钢、电机转子、电机输出轴、齿轮1、齿轮2、齿轮3、齿轮4、输出半轴、差速器、变速箱体、电机霍尔传感器引线和电机相线组；所述电机相线组包括高速绕组和低速绕组，所述高速绕组包括线圈A、线圈B和线圈C，所述低速绕组包括线圈A1、线圈B1和线圈C1；所述智能电子档控制器包括电机驱动电路和电子换挡电路，所述电机驱动电路由SH79F1611单片机芯片组成，所述电机驱动电路的三相输出端口A、端口B和端口C分别通过切换继电器与双绕组高效差速电机的高速绕组线圈A、线圈B和线圈C和低速绕组线圈A1、线圈B1和线圈C1相连，电机霍尔传感器与电机驱动电路中的CON4端口连接；电子换挡电路的输出端JVCC、JGND分别与切换继电器的控制端口JVCC、JGND连接，电子换挡电路的控制信号接收端与电机驱动电路的JP1第5脚连接；电子换挡电路的输出端JVCC、JGND分别连接至切换继电器的控制端口，电子换挡电路的控制信号接收端与电机驱动电路的JP1第5脚连接。

本发明中，所述电子换挡电路由三个电阻、一个三极管QSS、一个二极管DSS和一个MOS管VSS构成，三个电阻包括电阻RSS、电阻RSS1和电阻RSS2；其中，电阻RSS的一端与单片机IO输出端口TMS连接，电阻RSS1下拉接地形成分压，得到的分压连接至三极管QSS基极，三极管QSS发射极接地，三极管QSS集电极连接MOS管VSS的栅极，电阻RSS2为三极管QSS集电极的保护电阻，MOS管VSS的源极接地，MOS管VSS的漏极接JGND；所述二极管DSS的负极接JVCC，正极接JGND。

本发明一种双特性电子档电动三轮车驱动方法，采用上述双特性电子档电动三轮车驱动装置，驱动方法如下：

起步时，电机驱动电路通过JP1的第5管脚给出高电平信号，触发电子换挡电路，接通切换继电器控制端JVCC、JGND使双绕组高效差速电机的低速绕组线圈A1、线圈B1、线圈C1分别与电机驱动电路的三相输出端口A、端口B、端口C连接，同时驱动双绕组高效差速电机的低速绕组工作；

电机驱动电路通过端口CON4接收电机霍尔传感器引线的输出信号来检测判断车速，

当检测到车速达到12km/每小时且驱动电流小于10A时，电机驱动电路停止输出，经过500毫秒的延时，电机驱动电路给电子换挡电路信号输入端JP1第5脚输出低电平信号，此时，电子换挡电路通过输出端JVCC、JGND控制切换继电器断开，使低速绕组断开与电机驱动电路的连接，接通双绕组高效差速电机的高速绕组线圈A、线圈B、线圈C与电机驱动电路三相输出端口A、端口B、端口C的连接，同时电机驱动电路输出，使双绕组高效差速电机的高速绕组工作；

当检测到车速低于15km/每小时且驱动电流大于15A时，电机驱动电路停止输出，延时500毫秒后给电子换挡电路信号输入端JP1第5脚输出高电平信号，通过切换继电器接通双绕组高效差速电机的低速绕组，断开双绕组高效差速电机的高速绕组，同时驱动输出，使双绕组高效差速电机的低速绕组工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过智能电子档控制器驱动双绕组高效差速电机，能自动根据不同的道路状况，选择传动电机最佳工作状态，省去用传统三轮车上的机械档位变速器来手动调节电机工作状态，完全解决了机械档位变速器成本高，易磨损且操控性差等问题；对电动三轮车的传动系统性能、耐用性、使用寿命及性价比有显著提高。

附图说明

图1是本发明中双绕组高效差速电机结构示意图；

图2是本发明双特性电子档电动三轮车驱动系统工作原理图；

图3-1是本发明中智能电子档控制器的接线图；

图3-1a是图3-1中所示电子换挡电路100其中一部分的局部放大图；

图3-1b是图3-1中所示电子换挡电路100其中另一部分的局部放大图；

图3-1c是图3-1中所示电子换挡电路300和400部分的局部放大图；

图3-2是图3-1中所示电子换挡电路200部分的电路图；

图3-3是图3-1中所示电机驱动电路100的三相输出端口部分电路图；

图4是本发明中智能电子档控制器设置的一回滞环示意图；

图5是本发明中智能电子档控制器的流程图；

图6是双绕组高效差速电机效率曲线图。

图中：100-电机驱动电路，200-电子换挡电路，300-切换继电器，400-双绕组高效差速电机，1-双绕组定子，2-电机霍尔传感器，3-永磁磁钢，4-电机转子，5-电机输出轴，6-齿轮1，7-齿轮2，8-齿轮3，9-齿轮4，10-输出半轴，11-差速器，12-变速箱体，13-电机霍尔传感器引线，14-电机相线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图2和图3-1所示，本发明一种双特性电子档电动三轮车驱动装置，包括双绕组高效差速电机400、智能电子档控制器和切换继电器300，所述智能电子档控制器包括电机驱动电路100和电子换挡电路200。

如图1所示，所述双绕组高效差速电机包括双绕组定子1、电机霍尔传感器2、永磁磁钢3、电机转子4、电机输出轴5、齿轮16、齿轮27、齿轮38、齿轮49、输出半轴10、差速器11、变速箱体12、电机霍尔传感器引线13和电机相线组14；所述电机相线组14包括高速绕组和低速绕组，所述高速绕组包括线圈A、线圈B和线圈C，所述低速绕组包括线圈A1、线圈B1和线圈C1。直流无刷电机控制器通过电机相线14和电机霍尔传感器引线13控制并驱动电机转子4转动，电机转子4带动电机输出轴5转动，经齿轮1和齿轮2进行一级减速，齿轮3和齿轮4进行二级减速，最后经差速器中的11的输出半轴10输出。本发明中采用的双绕组高效差速电机的优点是：(1)由于加入齿轮减速，所以电机转子转速可做到2000—12000r/min的高转速，体积远小于普通无刷无齿低速电机，而且驱动电机之所需功率大幅减小，具有较高的“能效比”。(2)双绕组结构可用来调节电机转子的转速和扭矩，低速绕组用于起步爬坡，高速绕组用于车辆平路行驶速度，省去了复杂的机械变速器，解决了机械档位变速器成本高，易磨损等问题；其使用寿命也得以显著提高。(3)增加了差速器11，使三轮车在转向时更加平稳，减少轮胎的磨损，其结构对三轮车的传动系统性能、性价比、品质提升产生了较为显著的改进效果。图6是本发明中双绕组高效差速电机效率曲线图。

如图3-1、图3-2和图3-3所示，本发明中所述智能电子档控制器包括电机驱动电路100和电子换挡电路200，如图3-1a和图3-1b所示，所述电机驱动电路100由SH79F1611单片机芯片组成的常规三相无刷电机驱动电路；电子换挡电路200是本发明所增加的功能电路，通过软件控制两电路进行自动换挡和驱动电机来完成整车的操控；各部分的连接方式如图3-1（控制系统接线图）和图3-1c所示，所述电机驱动电路100的三相输出端口A、端口B和端口C分别通过切换继电器300与双绕组高效差速电机400的高速绕组线圈A、线圈B和线圈C和低速绕组线圈A1、线圈B1和线圈C1相连，电机霍尔传感器引线13与电机驱动电路100中的CON4端口连接；电子换挡电路200的输出端JVCC、JGND分别连接至切换继电器300的控制端口，电子换挡电路（200）的控制信号接收端与电机驱动电路100的JP1第5脚连接。

如图3-2所示，所述电子换挡电路由三个电阻、一个三极管QSS、一个二极管DSS和一个MOS管VSS构成，三个电阻包括电阻RSS、电阻RSS1和电阻RSS2；其中，电阻RSS的一端与单片机IO输出端口TMS连接，电阻RSS1下拉接地形成分压，得到的分压连接至三极管QSS基极，三极管QSS发射极接地，三极管QSS集电极连接MOS管VSS的栅极，电阻RSS2为三极管QSS集电极的保护电阻，MOS管VSS的源极接地，MOS管VSS的漏极接JGND；所述二极管DSS的负极接JVCC，正极接JGND。本发明中的电子换挡电路200采用施密特触发电路设计，稳定简洁，可更加有效可靠驱动切换继电器300工作，同时由于继电器是感性负载，如图3-2所示，增加续流二极管DSS在继电器断开时续流，防止继电器的自感电动势对控制器电子元器件的损害，延长系统寿命，且材料成本与机械档位变速器相比有大幅度的降低。

本发明的驱动控制过程如图5所示，起步时，控制器的电机驱动电路100通过JP1的第5管脚给出高电平信号，触发电子换挡电路200，接通切换继电器300的控制端JVCC、JGND使电机低速绕组线圈A1、线圈B1、线圈C1分别与控制器电机驱动电路100的输出端口A、端口B、端口C连接，同时驱动电机低速绕组工作，由于低速绕组驱动扭矩大，具有起步快且省电的优点；电机驱动电路100通过端口CON4接收电机霍尔传感器的输出信号来检测判断车速，当检测到车速达到12km每小时且驱动电流小于10A时，控制器电机驱动电路100停止输出，经过500毫秒的延时，电机驱动电路100给电子换挡电路200信号输入端JP1第5脚输出低电平信号，此时电子换挡电路200通过JVCC、JGND控制继电器断开，使电机低速绕组断开与驱动电路连接，接通电机高速绕组线圈A、线圈B、线圈C与电机驱动电路的三相输出端口A、端口B和端口C的连接，同时电机驱动电路100输出，使电机工作于高速绕组状态；车子上坡或负载加大时，此时工作电流加大、转速降低，高速绕组已无法满足车子的行驶需要，当控制器驱动电路100检测到车速低于15km每小时且驱动电流大于15A时，控制器电机驱动电路100停止输出，延时500毫秒后给电子换挡电路200信号输入端JP1第5脚输出高电平信号，通过却换继电器接通电机的低速绕组，断开高速绕组，同时驱动输出，使电机工作在低速绕组状态，提高驱动扭矩。该控制驱动法的优点是：由于采用电子换挡没有任何的机械磨损，其使用寿命与机械档位变速器相比有大幅度的提高；通过智能电子档控制器对车辆行驶电流和速度的实时监测，实现对档位的无缝切换，做到档位切换平滑无抖动，且每次切换都是有效切换，即省去了手动操作机械档位变速器的麻烦，也实现了车辆换档与实际运行速度及动力需求之间的完美平衡。

双绕组高效差速电机绕组之间切换时，智能电子档控制器根据行驶电流和速度设置一回滞环，可以防止继电器的频繁切换；并且在切换继电器之前，控制器的三相功率MOS停止输出。如图4所示，图中，1表示双绕组高效差速电机高速绕组输出动力，0表示双绕组高效差速电机低速绕组输出动力。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种双特性电子档电动三轮车驱动装置，包括双绕组高效差速电机（400）、智能电子档控制器和切换继电器（300），所述双绕组高效差速电机包括双绕组定子（1）、电机霍尔传感器（2）、永磁磁钢（3）、电机转子（4）、电机输出轴（5）、齿轮1（6）、齿轮2（7）、齿轮3（8）、齿轮4（9）、输出半轴（10）、差速器（11）、变速箱体（12）、电机霍尔传感器引线（13）和电机相线组（14）；所述电机相线组（14）包括高速绕组和低速绕组，所述高速绕组包括线圈A、线圈B和线圈C，所述低速绕组包括线圈A1、线圈B1和线圈C1；

所述智能电子档控制器包括电机驱动电路（100）和电子换挡电路（200），所述电机驱动电路（100）由SH79F1611单片机芯片组成，所述电机驱动电路（100）的三相输出端口A、端口B和端口C分别通过切换继电器（300）与双绕组高效差速电机（400）的高速绕组线圈A、线圈B和线圈C和低速绕组线圈A1、线圈B1和线圈C1相连，电机霍尔传感器引线（13）与电机驱动电路（100）中的CON4端口连接；

电子换挡电路（200）的输出端JVCC、JGND分别连接至切换继电器（300）的控制端口，电子换挡电路（200）的控制信号接收端与电机驱动电路（100）的JP1第5脚连接。

2.根据权利要求1所述一种双特性电子档电动三轮车驱动装置，其特征在于，所述电子换挡电路由三个电阻、一个三极管QSS、一个二极管DSS和一个MOS管VSS构成，三个电阻包括电阻RSS、电阻RSS1和电阻RSS2；其中，电阻RSS的一端与单片机IO输出端口TMS连接，电阻RSS1下拉接地形成分压，得到的分压连接至三极管QSS基极，三极管QSS发射极接地，三极管QSS集电极连接MOS管VSS的栅极，电阻RSS2为三极管QSS集电极的保护电阻，MOS管VSS的源极接地，MOS管VSS的漏极接JGND；所述二极管DSS的负极接JVCC，正极接JGND。

3.一种双特性电子档电动三轮车驱动方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述双特性电子档电动三轮车驱动装置，驱动方法如下：

起步时，电机驱动电路（100）通过JP1的第5管脚给出高电平信号，触发电子换挡电路（200），接通切换继电器（300）控制端JVCC、JGND使双绕组高效差速电机（400）的低速绕组线圈A1、线圈B1、线圈C1分别与电机驱动电路的三相输出端口A、端口B、端口C连接，同时驱动双绕组高效差速电机（400）的低速绕组工作；

电机驱动电路（100）通过端口CON4接收电机霍尔传感器的输出信号来检测判断车速，

当检测到车速达到12km/每小时且驱动电流小于10A时，电机驱动电路（100）停止输出，经过500毫秒的延时，电机驱动电路（100）给电子换挡电路（200）信号输入端JP1第5脚输出低电平信号，此时，电子换挡电路（200）通过输出端JVCC、JGND控制切换继电器（300）断开，使低速绕组断开与电机驱动电路（100）的连接，接通双绕组高效差速电机（400）的高速绕组线圈A、线圈B、线圈C与电机驱动电路三相输出端口A、端口B、端口C的连接，同时电机驱动电路（100）输出，使双绕组高效差速电机（400）的高速绕组工作；

当检测到车速低于15km/每小时且驱动电流大于15A时，电机驱动电路（100）停止输出，延时500毫秒后给电子换挡电路（200）信号输入端JP1第5脚输出高电平信号，通过切换继电器（300）接通双绕组高效差速电机（400）的低速绕组，断开双绕组高效差速电机（400）的高速绕组，同时驱动输出，使双绕组高效差速电机（400）的低速绕组工作。