CN104653768A - 无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁，包括驱动电路和无刷电机，其特征是：驱动电路：包含Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6共6个MOSFET，Q1、Q3、Q5为上臂，连接电源正，Q2、Q4、Q6为下臂，连接电源地，UH、UL、VH、VL、WH、WL连接MCU，用来控制6个MOSFET的导通或关断；UH和UL控制U相的输出，若要U相连接电源正时UH控制Q1打开，UL控制Q2关闭；若要U相连接电源地时UH控制Q1关闭，UL控制Q2打开；若要U相悬空时UH控制Q1关闭，UL控制Q2关闭；所述的无刷电机：电机由定子和转子组成，定子为线圈绕组与电机外壳固定连接U、V、W三相构成回路，转子由永磁体组成。本发明具有自锁扭矩恒定、自锁位精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车选档技术，特别是无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁。
背景技术
在电一电式AMT系统中，执行电动机选用了无刷直流电动机和机械行程控制技术，就是通过一定的机械装置—减速机构将运动和动力分别传递到选档拨叉上，从而对选档进行控制。此项控制特点是无刷直流电机，按照换档时序要求，通过减速机驱动选档拨叉，完成选档控制。为了保证换挡的速度和精度，机械行程控制技术采用了开环+闭环的控制方法，开环部分是为了运行速度，闭环是保证控制的精度。控制上的特征分为机械机构连接和机械行程控制技术，电机机械机构在实现过程中有诸多的非线性时变、外界干扰情况，机械行程控制技术很好实现了目标指令快速准确跟踪，而传统的线性控制理论难以很好地解决问题。
传统的直流电机控制中一般采用无源自锁和有源自锁，无源自锁采用短接电机绕组方式实现，该方式自锁扭矩与电机转速成正比，低速时难以自锁，精度差。
发明内容
本发明的目的是提供一种自锁扭矩恒定、自锁位精度高的无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁。
本发明的目的是这样实现的，无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁，包括驱动电路和无刷电机，无刷电机连接在壳体上，直流无刷电机的输出轴与齿轮减速装置连接；磁铁嵌装在传感轴的轴端，霍尔传感器设置在与磁铁对应的位置；齿轮减速装置输出轴连接汽车选档机构，其特征是：驱动电路：包含Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6共6个MOSFET，Q1、Q3、Q5为上臂，连接电源正，Q2、Q4、Q6为下臂，连接电源地，UH、UL、VH、VL、WH、WL连接MCU，用来控制6个MOSFET的导通或关断；UH和UL控制U相的输出，若要U相连接电源正时UH控制Q1打开，UL控制Q2关闭；若要U相连接电源地时UH控制Q1关闭，UL控制Q2打开；若要U相悬空时UH控制Q1关闭，UL控制Q2关闭；所述的无刷电机：电机由定子和转子组成，定子为线圈绕组与电机外壳固定连接U、V、W三相构成回路，转子由永磁体组成；通过给U、V、W供电在电机内形成磁场， 不断改变磁场方向，转子就会在磁场的作用下转动；通过霍尔传感器检测磁铁的位置和控制电机U、V、W三相电压，使电机自锁。
所述的电机自锁为三相自锁，电机U、V、W三相同时工作，两相打开上臂或下臂，一相打开下臂或上臂；通过打开Q1、Q3、Q5和关闭Q2、Q4、Q6来控制U+和V+接通电源正，W+接通电源地，这样U+到U-上产生正向磁场，V+到V-上产生正向磁场，W+到W-上产生反向磁场，最终的磁场方向为三相矢量和，在这样的固定不变的磁场中，转子上的永磁体受到磁场作用会保持固定的位置不动，如果在外力作用下转动但电机霍尔值不变时该磁场会形成对外力的阻力，外力消失后转子也能恢复到转动前的位置，当外力作用下转动使得电机霍尔值变化时，芯片会通过控制三相的导通状态改变磁场方向以适应新的位置继续对外力形成阻力。
所述的电机自锁为两相自锁，每次电机U、V、W中的两相同时工作，控制只打开两相，其合力方向决定磁场方向。
本发明通过霍尔传感器检测磁铁的位置和控制电机U、V、W三相电压，使电机自锁。自锁位置选择的是电机霍尔值，每一个霍尔值对应一个自锁位置，由于两相自锁和三相自锁的位置有偏差，为了保证自锁位置不会处在两个霍尔值交界处，通过对电机结构的计算得出哪种方式可以避开交界处。一旦接收到自锁指令，首先获取当前电机位置（霍尔值）；计算要自锁当前位置需要控制的绕组及通电方向，通过控制导通的脉冲占空比控制自锁扭力（占空比不可过大，因此时电机静止，所有功率转化为磁场和热，占空比过大会导致电机或功率器件烧毁）。
本发明的优点是：
1. 自锁扭矩大，能让选挡拨叉稳定自锁不晃动，简化控制算法；
2. 自锁精度高，能让选挡拨叉在多个位置自锁，提高控制精度；
3. 自锁扭矩可调，根据不同的环境调整扭矩大小，控制更灵活。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例电路控制示意图；
图2是三相自锁方式示意图；
图3为两相自锁方式；
图4是霍尔值边界所处的位置与自锁位置关系图；
图5是本发明实施例时序图。
图6是选挡装置控制流程图。
具体实施方式
如图1所示，刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁，包括驱动电路和无刷电机，无刷电机连接在壳体上，直流无刷电机的输出轴与齿轮减速装置连接；磁铁嵌装在传感轴的轴端，线性霍尔传感器（用于检测换挡拨叉的位置）设置在与磁铁对应的位置；齿轮减速装置输出轴连接汽车选档机构，其中，驱动电路：包含Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6共6个MOSFET，Q1、Q3、Q5为上臂，连接电源正，Q2、Q4、Q6为下臂，连接电源地，UH、UL、VH、VL、WH、WL连接MCU，用来控制6个MOSFET的导通或关断；UH和UL控制U相的输出，若要U相连接电源正时UH控制Q1打开，UL控制Q2关闭；若要U相连接电源地时UH控制Q1关闭，UL控制Q2打开；若要U相悬空时UH控制Q1关闭，UL控制Q2关闭；所述的无刷电机：电机由定子和转子组成，定子为线圈绕组与电机外壳固定连接U、V、W三相构成回路，转子由永磁体组成；通过给U、V、W供电在电机内形成磁场， 不断改变磁场方向，转子就会在磁场的作用下转动；通过霍尔传感器检测磁铁的位置和控制电机U、V、W三相电压，使电机自锁。
图2、图5a所示，电机自锁为三相自锁，三相自锁方式，这种方式下电机U、V、W三相同时工作，三相同时工作又分为两种情况，一种是两相打开上臂，一相打开下臂，另一种是两相打开下臂，一相打开上臂。例如，如图1，通过打开Q1、Q3、Q5和关闭Q2、Q4、Q6来控制U+和V+接通电源正，W+接通电源地，这样U+到U-上产生正向磁场，V+到V-上产生正向磁场，W+到W-上产生反向磁场，最终的磁场方向为三相矢量和，在这样的固定不变的磁场中，转子上的永磁体受到磁场作用会保持固定的位置不动，如果在外力作用下转动但电机霍尔值不变时该磁场会形成对外力的阻力，外力消失后转子也能恢复到转动前的位置，当外力作用下转动使得电机霍尔值变化时，芯片会通过控制三相的导通状态改变磁场方向以适应新的位置继续对外力形成阻力。
图3、图5b所示，电机自锁为两相自锁方式，每次控制只打开两相，其合力方向决定磁场方向，其他控制方式与三相相同。
如图2，图3所示，三相方式与两相方式控制方式基本相同，三相自锁的位置为白圈，两相自锁的位置为黑圈，选择哪种方式取决于霍尔值的边界是否与自锁位置重合。
如图4所示，霍尔值边界所处的位置与三相自锁位置所处的位置基本一致，这种情况下选择三相自锁，否则选择两相自锁。
如图6所示，选挡装置控制流程为：
1. 上电
2. 检测上位机指令
3. 没有收到指令返回第2步，收到进入下一步
4. 根据指令内容决定控制策略，配置相关参数控制电机
5. 读取减速机构线性霍尔传感器值
6. 将当前位置信息上传给上位机
7. 如果已到达指令要求的位置则进入下一步，否则返回第4步继续控制电机指令完成，控制电机停止并返回第2步。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (3)
1.无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁，包括驱动电路和无刷电机，无刷电机连接在壳体上，直流无刷电机的输出轴与齿轮减速装置连接；磁铁嵌装在传感轴的轴端，霍尔传感器设置在与磁铁对应的位置；齿轮减速装置输出轴连接汽车选档机构，其特征是：驱动电路：包含Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6共6个MOSFET，Q1、Q3、Q5为上臂，连接电源正，Q2、Q4、Q6为下臂，连接电源地，UH、UL、VH、VL、WH、WL连接MCU，用来控制6个MOSFET的导通或关断；UH和UL控制U相的输出，若要U相连接电源正时UH控制Q1打开，UL控制Q2关闭；若要U相连接电源地时UH控制Q1关闭，UL控制Q2打开；若要U相悬空时UH控制Q1关闭，UL控制Q2关闭；所述的无刷电机：电机由定子和转子组成，定子为线圈绕组与电机外壳固定连接U、V、W三相构成回路，转子由永磁体组成；通过给U、V、W供电在电机内形成磁场， 不断改变磁场方向，转子就会在磁场的作用下转动；通过霍尔传感器检测磁铁的位置和控制电机U、V、W三相电压，使电机自锁。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁，其特征是：所述的电机自锁为三相自锁，电机U、V、W三相同时工作，两相打开上臂或下臂，一相打开下臂或上臂；通过打开Q1、Q3、Q5和关闭Q2、Q4、Q6来控制U+和V+接通电源正，W+接通电源地，这样U+到U-上产生正向磁场，V+到V-上产生正向磁场，W+到W-上产生反向磁场，最终的磁场方向为三相矢量和，在这样的固定不变的磁场中，转子上的永磁体受到磁场作用会保持固定的位置不动，如果在外力作用下转动但电机霍尔值不变时该磁场会形成对外力的阻力，外力消失后转子也能恢复到转动前的位置，当外力作用下转动使得电机霍尔值变化时，芯片会通过控制三相的导通状态改变磁场方向以适应新的位置继续对外力形成阻力。
3.根据权利要求1所述的无刷直流电机用于汽车选档的大扭矩精确自锁，其特征是：所述的电机自锁为两相自锁，每次电机U、V、W中的两相同时工作，控制只打开两相，其合力方向决定磁场方向。
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