CN107248834A

CN107248834A - 一种电动车驱动电机用集成模块化控制器

Info

Publication number: CN107248834A
Application number: CN201710088457.6A
Authority: CN
Inventors: 曹硕; 沈威; 黄利萍
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-02-19
Filing date: 2017-02-19
Publication date: 2017-10-13

Abstract

本发明公开了一种电动车驱动电机用集成模块化控制器，驱动电机为三相开关磁阻电机，控制器主要包括控制电路、驱动电路和功率变换器电路。控制电路、驱动电路均选用贴片式封装器件；功率变换器电路采用不对称半桥主电路拓扑结构，主电路中的开关管和二极管采用多管并联的方式，各桥臂中并联的开关管和二极管分别固定在一块散热铝块上形成直插结构，功率变换器直流侧电容由若干个小容量的电解电容并联而成以代替体积较大的电解电容，各相桥臂在器件安装和线路布局上保持一致性和对称性以避免杂散电感和不均流现象的发生。通过合理的器件选型和布局，将整个控制系统集成在一块PCB板上，实现了控制器的集成化和模块化，大大减小了控制器的成本和体积，提高了系统的可靠性，对电动车驱动电机用控制器的集成化开发具有很好的工程应用和参考价值。

Description

一种电动车驱动电机用集成模块化控制器

技术领域

本发明涉及一种电动车驱动电机用控制器集成模块化的设计方法，尤其适用于电动车用控制器集成模块化的设计。

背景技术

传统内燃机汽车加剧了环境污染和化石能源的枯竭，发展绿色交通工具符合可持续发展的主题，电动车因高效率、低噪音、零排放等优点越来越受到人们的关注。目前电动车用驱动电机包括直流电机、感应电机、永磁电机和开关磁阻电机，其中开关磁阻电机结构简单牢固、启动转矩大、过载能力强、调速范围宽、容错性能好、效率高等优点，非常适合作为电动车用驱动电机。

电动车用控制器是电动车控制系统的核心，电动车要求控制器具有体积小、成本低、集成度高、可靠性好等特点，电动车用控制器一般包括控制电路、驱动电路、保护电路以及功率变换器电路等，其中功率变换器电路是实现电源到驱动电机能量传递的中间环节，电路中半导体器件数量多、体积大、功率级别高，功率变换器的设计是控制器集成模块化设计的重要环节，电动车在启动、爬坡以及重载等工况下，驱动电机绕组电流往往大于额定电流，理论上应选择耐高压、大电流的IGBT作为电动车用控制器的功率变换器主开关器件，但IGBT体积大，成本高，不利于电动车用控制器的集成化设计，而电动车采用低压蓄电池供电，选择耐压值较高的IGBT造成了电压裕量的浪费；MOSFET体积小，成本低，开关速度快，工作频率高，但MOSFET通态电流较小，现有的电动车用功率变换器电路中的开关器件大多采用多个MOSFET并联结构以增大功率等级，且MOSFFET通态电阻具有正温度系数，有利于器件并联时的均流，采用多个MOSFET并联结构实现功率变换器的集成化设计，进而实现整个控制器的集成化、模块化已成为电动车控制器设计的主流。

感应电机，永磁电机目前已广泛应用于电动车用驱动电机，电动车控制器的集成化、模块化设计技术已经成熟，与感应电机、永磁电机相比，开关磁阻电机在电动车上的应用起步较晚，相应的电动车控制器集成模块化设计技术尚未成熟，开关磁阻电机特殊的功率变换器电路拓扑结构增大了功率变换器的体积，不利于实现集成模块化的控制系统，此外电动车用开关磁阻电机控制器的集成模块化设计需要考虑多个MOSFET并联产生的不均流和杂散电感问题。设计合理的多MOSFET并联结构，减小功率变换器的体积是实现电动车用开关磁阻电机控制系统集成化的重要前提，对提高开关磁阻电机在电动车中的应用价值具有重要意义，电动车控制器的集成模块化设计已成为现代电动汽车研究的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是针对开关磁阻电机驱动系统结构复杂、集成度低，不利于应用在电动车场合，提供一种开关磁阻电机驱动系统的集成模块化设计方法，该方法通过选择器件，进行合理的器件布局和布线设计，将驱动系统的控制电路、保护电路、驱动电路和功率变换器电路均集成在一块PCB电路板上，该PCB电路板体积小、集成度高，能够满足电动车用驱动电机的正常控制，实现了电动车驱动电机用控制器的集成模块化设计。

为了实现上述目的，控制电路、保护电路、驱动电路均选用贴片式封装器件，功率变换器电路中的开关管和二极管采用多管并联的方式，直流侧电容由若干个小容量的电解电容并联而成以代替体积较大的电解电容，各相桥臂在器件安装和线路布局上保持一致性和对称性以避免杂散电感和不均流现象的发生。

1.本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器，各部分电路的主要接线方式为：

a)控制电路选用电机控制专用芯片dsPIC30F4012单片机作为控制系统CPU，选用74HC04和HEF4081对输出控制信号进行处理；驱动电路选用MOSFET专用驱动芯片IR2110，以电机A相控制电路为例，其引脚连接情况为：dsPIC引脚AN1、AN2、AN3分别连接三相电流i _A、i _B、i _C的采样输入端，dsPIC引脚IC7、IC8、IC2分别连接位置信号P、Q、R的输出端，dsPIC引脚RE0连接74HC04引脚1A，dsPIC引脚RE3连接74HC04引脚2A，dsPIC引脚IC1连接74HC04引脚3A，HEF4081_1引脚I1连接74HC04引脚6Y, HEF4081_1引脚I2连接74HC04引脚5Y，HEF4081_2引脚I1连接74HC04引脚6Y, HEF4081_2引脚I2连接74HC04引脚4Y, HEF4081_1引脚O1或HEF4081_1引脚O1连接到保护电路芯片IU引脚A3，IU引脚A4连接保护信号P；IR2110引脚HIN连接IU引脚AO，IR2110引脚LIN连接74HC04引脚6Y，IR2110引脚HO、VS分别与功率变换器MOSFET中的S_u1、S_u2、S_u3、S_u4的栅极（G）、源极（S）相连，IR2110引脚LO、COM分别与功率变换器MOSFET中的S_d1、S_d2、S_d3、S_d4的栅极（G）、源极（S）相连；

b)dsPIC引脚SDI1、SDO1、SCK1分别为SPI的串行数据输入、输出以及移位时钟输入或输出端口，SPI以全双工工作方式实现高速通信，可与车载其他MCU进行通信。

2.本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器，各部分电路的主要功能为：

a)位置信号P、Q、R经过HEF40106进行两次反向滤除毛刺分别输入到dsPIC的捕获引脚IC7、IC8、IC9，用于驱动电机速度的计算和转子位置的判断；

b)电流采样信号输入到dsPIC的ADC引脚AN1、AN2、AN3，实现A/D模数转换，用于调节电流的峰值；转子位置判断产生A相、B相、C相的位置相控信号，分别从dsPIC引脚RE0、RE1、RE2输出；速度调节器根据驾驶员踏板信号与电流调节器或PWM信号发生器协同工作，实现电流斩波控制（CCC）或电压PWM控制，用于电动车速度调节和电流调节，A相、B相、C相电流斩波控制（CCC）信号分别从引脚RE3、RE4、RE5输出，电压PWM控制信号从引脚IC1输出；dsPIC4012使能内部SPI模块，作为主控制器，用于和车载其他MCU进行通信；

c)dsPIC输出的位置相控信号以及CCC、PWM控制产生的控制信号经74HC04芯片两次反向滤除毛刺，位置相控信号与控制信号经过HEF4081相“与”，实现斩单管控制，保护电路根据保护信号及时对CCC、PWM控制产生的控制信号进行切断或开通，实现对控制电路和功率变换器电路的保护。

3.整个电动车用开关磁阻电机控制系统，包括控制电路、驱动电路、保护电路、功率变换器电路均集成设计在一块PCB电路板上，PCB电路板要求体积小、器件布局紧凑、集成度高，能够满足控制系统的功率需求。

4.电动车用开关磁阻电机控制系统的集成模块化设计重点在于不对称半桥功率变换器的集成模块化设计。考虑到实际应用中整个控制系统的功率等级，并有利于控制器的PCB设计，功率变换器中每条桥臂上的开关器件由4个MOSFET并联而成，MOSFET选用IRFB4110，每条桥臂上的续流二极管由4个二极管并联而成，二极管选用MUR6020。

5.本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器，功率变换器器件布局和PCB电路板布线设计为：

a)多管并联结构的功率变换器的PCB设计需要合理的器件布局和布线设计以尽可能的减小控制器PCB电路板的体积，提高设计的集成度，同时减小杂散电感和不均流问题，保证控制器工作的可靠性。对于多个并联器件的布局，本设计从直插式封装芯片的封装结构中获得启发，以功率变换器一条桥臂为例，4个并联的IRFB4110 S_u1、S_u2、S_u3、S_u4通过螺丝固定在铝块（e）上，有利于器件的散热，其中S_u1、S_u2和S_u3、S_u4分别固定在铝块（e）相对的两个面，S_u1、S_u2、S_u3、S_u4的背部与铝块通过导热绝缘垫片实现导热和绝缘；4个并联的MUR6020 D_d1、D_d2、D_d3、D_d4通过螺丝固定在铝块（j）上，有利于器件的散热，其中D_d1、D_d2和D_d3、D_d4分别固定在铝块（j）相对的两个面，D_d1、D_d2、D_d3、D_d4的背部与铝块通过导热绝缘垫片实现导热和绝缘，这样4个并联的MOSFET和4个并联的二极管分别形成两个直插形式的器件布局，相比器件平铺的布局形式更有效地利用了空间，有利于控制器的PCB设计；

b)对于PCB的布线设计，本设计采用双层布线结构，顶层用于对控制电路、驱动电路、保护电路以及功率变换电路中器件的布局和布线进行设计，底层用于对直流母线（①,②）的布线以及直流侧电容（C_1~9）的布局进行设计，极大缩短直流母线与各相桥臂上器件的接线距离，减小了杂散电感；顶层布线设计中，为了减小不均流问题，各相以及各相桥臂之间的接线和器件布局均保持一致性和对称性，采用“U”型布线方式实现各相多个MOSFET与多个二极管的并联连接，MOSFET与二极管的连接处（③,④）直接与电机相绕组相连，“U”型布线区域焊接铜条以满足较大的相绕组电流需求；底层布线设计中，直流母线直接与各相桥臂中并联的MOSFET器件和并联的二极管直接相连，省去了再次布线，同时降低了杂散电感，直流母线的正负两极到各相桥臂之间采用“E”型接线布局，提高了功率变换器布线的对称性，“E”型布线区域焊接铜条以提高直流母线的载流能力，9个100μF的电解电容直线排列，电解电容的正负两极分别连接到对应的直流母线正负两极上，实现9个电解电容的并联，增大电容容量的同时减小了电容器的体积。

有益效果：本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器以PCB设计为辅助手段，极大地减小了开关磁阻电机驱动系统的体积，具有较高的集成度；器件布局和布线方式合理地利用了空间，增加了布线的对称性，减小了杂散电感，有利于器件的均流；这种设计思想满足不同相数、不同数目器件并联的功率变换器，具有良好的扩展性；驱动系统的PCB集成化设计省去了复杂的手工接线带来的误差，有利于提高驱动系统的可靠性，这些有益效果对电动车用开关磁阻电机驱动系统的集成模块化设计具有很好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的集成模块化控制器电路原理图（功率变换器电路只给出A相桥臂）。

图2是本发明的功率变换器中4个并联MOSFET的器件布局三视图。

图3是本发明的功率变换器中4个并联二极管的器件布局三视图。

图4是本发明的功率变换器PCB电路板顶层布线设计示意图。

图5是本发明的功率变换器PCB电路板底层布线设计示意图。

①-直流母线正极与A相桥臂连接处；②-直流母线正极与A相桥臂连接处；③-并联MOSFET S_u1、S_u2、 S_u3、S_u4与并联二极管D_d1、D_d2、D_d3、D_d4连接处；④-并联MOSFET S_d1、S_d2、S_d3、S_d4与并联二极管D_u1、D_u2、D_u3、 D_u4连接处。a-MOSFET IRFB4110S_u1；b-MOSFET IRFB4110S_u2；c-MOSFET IRFB4110S_u3；d-MOSFET IRFB4110 S_u4；e-MOSFET散热铝块；f-二极管MUR6020D_d1；g-二极管MUR6020D_d2；h-二极管MUR6020D_d3；i-二极管MUR6020D_d4；j-二极管散热铝块。(1)-A相左桥臂并联MOSFET与并联二极管接线处PCB布线设计；(2)-A 相右桥臂并联MOSFET与并联二极管接线处PCB布线设计；(3)-B相左桥臂并联MOSFET与并联二极管接线处PCB布线设计；(4)-B相右桥臂并联MOSFET与并联二极管接线处PCB布线设计；(5)-C相左桥臂并联 MOSFET与并联二极管接线处PCB布线设计；(6)-C相右桥臂并联MOSFET与并联二极管接线处PCB布线设计；(7)-9个并联电解电容PCB器件布局设计；(8)-直流母线正极“E”型PCB布线设计；(9)-直流母线负极“E”型PCB布线设计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

1.控制电路、保护电路、驱动电路均选用贴片式封装器件，控制电路选用电机控制专用芯片dsPIC30F4012单片机作为控制系统CPU，选用74HC04和HEF4081对输出控制信号进行处理，驱动电路选用MOSFET专用驱动芯片IR2110。

2.如图1所示，本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器，各部分电路的连接情况为：

a)如图1所示，以电机A相控制电路为例，其引脚连接情况为：dsPIC引脚AN1、AN2、AN3分别连接三相电流i _A、i _B、i _C的采样输入端，dsPIC引脚IC7、IC8、IC2分别连接位置信号P、Q、R的输出端，dsPIC引脚RE0连接74HC04引脚1A，dsPIC引脚RE3连接74HC04引脚2A，dsPIC引脚IC1连接74HC04引脚3A，HEF4081_1引脚I1连接74HC04引脚6Y, HEF4081_1引脚I2连接74HC04引脚5Y，HEF4081_2引脚I1连接74HC04引脚6Y, HEF4081_2引脚I2连接74HC04引脚4Y,HEF4081_1引脚O1或HEF4081_1引脚O1连接到保护电路芯片IU引脚A3，IU引脚A4连接保护信号P；IR2110引脚HIN连接IU引脚AO，IR2110引脚LIN连接74HC04引脚6Y，IR2110引脚HO、VS分别与功率变换器MOSFET中的S_u1、S_u2、S_u3、S_u4的栅极（G）、源极（S）相连，IR2110引脚LO、COM分别与功率变换器MOSFET中的S_d1、S_d2、S_d3、S_d4的栅极（G）、源极（S）相连；

3.本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器，各部分电路的主要功能：

b)电流采样信号输入到dsPIC的ADC引脚AN1、AN2、AN3，实现A/D模数转换，用于调节电流的峰值；转子位置判断产生A相、B相、C相的位置相控信号，分别从dsPIC引脚RE0、RE1、RE2输出；速度调节器根据驾驶员踏板信号与电流调节器或PWM信号发生器协同工作，实现电流斩波控制（CCC）或电压PWM控制，用于电动车速度调节和电流调节，A相、B相、C相电流斩波控制（CCC）信号分别从引脚RE3、RE4、RE5输出，电压PWM控制信号从引脚IC1输出，dsPIC使能内部SPI模块，作为主控制器，用于和车载其他MCU进行通信；

4.整个电动车用开关磁阻电机控制系统，包括控制电路、驱动电路、保护电路、功率变换器电路均集成设计在一块PCB电路板上，PCB电路板要求体积小、器件布局紧凑、集成度高，能够满足控制系统的功率需求。

5.电动车用开关磁阻电机控制系统的集成模块化设计重点在于不对称半桥功率变换器的集成模块化设计。考虑到实际应用中整个控制系统的功率等级，并有利于控制器的PCB设计，功率变换器中每条桥臂上的开关器件由4个MOSFET并联而成，MOSFET选用IRFB4110，每条桥臂上的续流二极管由4个二极管并联而成，二极管选用MUR6020。

6.如图2、图3、图4、图5所示，本发明的电动车驱动电机用集成模块化控制器，功率变换器器件布局和PCB电路板布线设计为：

a)多管并联结构的功率变换器的PCB设计需要合理的器件布局和布线设计以尽可能的减小控制器PCB电路板的体积，提高设计的集成度，同时减小杂散电感和不均流问题，保证控制器工作的可靠性。对于多个并联器件的布局，本设计从直插式封装芯片的封装结构中获得启发，以功率变换器一条桥臂为例，4个并联的IRFB4110 S_u1、S_u2、S_u3、S_u4通过螺丝固定在铝块（e）上，其中S_u1、S_u2和S_u3、S_u4分别固定在铝块（e）相对的两个面，S_u1、S_u2、S_u3、S_u4的背部与铝块通过导热绝缘垫片实现导热和绝缘；4个并联的MUR6020 D_d1、D_d2、D_d3、D_d4通过螺丝固定在铝块（j）上，其中D_d1、D_d2和D_d3、D_d4分别固定在铝块（j）相对的两个面，D_d1、D_d2、D_d3、D_d4的背部与铝块通过导热绝缘垫片实现导热和绝缘，这样4个并联的MOSFET和4个并联的二极管分别形成两个直插形式的器件布局，图3和图4分别给出了MOSFET和二极管直插形式器件布局的三视图，相比器件平铺的布局形式更有效地利用了空间，有利于控制器的PCB设计；

b)对于功率变换器PCB的布线设计，采用双层布线结构，顶层用于对控制电路、驱动电路、保护电路以及功率变换电路中器件的布局和布线进行设计，底层用于对直流母线（①,②）的布线以及直流侧电容（C_1~9）的布局进行设计，极大缩短直流母线与各相桥臂上器件的接线距离，减小了杂散电感，图4和图5分别为PCB顶层和底层布线设计示意图。顶层布线设计中，为了减小不均流问题，各相以及各相桥臂之间的接线和器件布局均保持一致性和对称性，采用“U”型布线方式实现各相多个MOSFET与多个二极管的并联连接，即图1中③接线处的PCB布线设计为图4中[(1)]，图1中④接线处的PCB布线设计为图4中[(2)]，MOSFET与二极管的连接处（③, ④）直接与电机相绕组相连，“U”型布线区域焊接铜条以满足较大的相绕组电流需求；底层布线设计中，直流母线直接与各相桥臂中并联的MOSFET器件和并联的二极管直接相连，省去了再次布线，同时降低了杂散电感，直流母线的正负两极到各相桥臂之间的接线采用“E”型接线布局，即图1中①接线处的PCB布线设计为图5中[(8)]，图1中②接线处的PCB布线设计为图5中[(9)],“E”型布线区域焊接铜条以提高直流母线的载流能力，9个100μF的电解电容直线排列成图4中[(7)]的形式，电解电容的正负两极分别连接到对应的直流母线[(8)]和[(9)]上，实现9个电解电容的并联，增大电容容量的同时减小了电容器的体积。

Claims

1.一种电动车驱动电机用集成模块化控制器，包括控制电路、保护电路、驱动电路和功率变换电路，驱动电机为三相开关磁阻电机，功率变换器电路选用不对称半桥主电路拓扑结构。

2.控制电路、保护电路、驱动电路均选用贴片式封装器件，有利于提高控制器的集成度；功率变换器电路中的开关管和二极管采用多管并联的方式，直流侧电容由若干个小容量的电解电容并联而成以代替体积较大的电解电容，各相桥臂在器件安装和线路布局上保持一致性和对称性以避免杂散电感和不均流现象的发生。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动车驱动电机用集成模块化控制器，其电路特征在于：

4.根据权利要求1或2所述的一种电动车驱动电机用集成模块化控制器，其控制特征在于：

a)位置信号P、Q、R经过HEF40106进行两次反向滤除毛刺分别输入到dsPIC4012的捕获引脚IC7、IC8、IC9，用于驱动电机速度的计算和转子位置的判断；

5.根据权利要求1或2所述的一种电动车驱动电机用集成模块化控制器，其设计特征在于：

a)整个电动车用开关磁阻电机控制系统，包括控制电路、驱动电路、保护电路、功率变换器电路均集成设计在一块PCB电路板上，PCB电路板要求体积小、器件布局紧凑、集成度高，能够满足控制系统的功率需求；

b)电动车用开关磁阻电机控制系统的集成模块化设计重点在于不对称半桥功率变换器的集成模块化设计。考虑到实际应用中整个控制系统的功率等级，并有利于控制器的PCB设计，功率变换器中每条桥臂上的开关器件由4个MOSFET并联而成，MOSFET选用IRFB4110，每条桥臂上的续流二极管由4个二极管并联而成，二极管选用MUR6020；

c)多管并联结构的功率变换器的PCB设计需要合理的器件布局和布线设计以尽可能的减小控制器PCB电路板的体积，提高设计的集成度，同时减小杂散电感和不均流问题，保证控制器工作的可靠性。对于多个并联器件的布局，本设计从直插式封装芯片的封装结构中获得启发，以功率变换器一条桥臂为例，4个并联的IRFB4110 S_u1、S_u2、S_u3、S_u4通过螺丝固定在铝块（e）上，有利于器件的散热，其中S_u1、S_u2和S_u3、S_u4分别固定在铝块（e）相对的两个面，S_u1、S_u2、S_u3、S_u4的背部与铝块通过导热绝缘垫片实现导热和绝缘；4个并联的MUR6020 D_d1、D_d2、D_d3、D_d4通过螺丝固定在铝块（j）上，有利于器件的散热，其中D_d1、D_d2和D_d3、D_d4分别固定在铝块（j）相对的两个面，D_d1、D_d2、D_d3、D_d4的背部与铝块通过导热绝缘垫片实现导热和绝缘，这样4个并联的MOSFET和4个并联的二极管分别形成两个直插形式的器件布局，相比器件平铺的布局形式更有效地利用了空间，有利于控制器的PCB设计；

d)对于PCB的布线设计，本设计采用双层布线结构，顶层用于对控制电路、驱动电路、保护电路以及功率变换电路中器件的布局和布线进行设计，底层用于对直流母线（①,②）的布线以及直流侧电容（C_1~9）的布局进行设计，极大缩短直流母线与各相桥臂上器件的接线距离，减小了杂散电感；顶层布线设计中，为了减小不均流问题，各相以及各相桥臂之间的接线和器件布局均保持一致性和对称性，采用“U”型布线方式实现各相多个MOSFET与多个二极管的并联连接，MOSFET与二极管的连接处（③,④）直接与电机相绕组相连，“U”型布线区域焊接铜条以满足较大的相绕组电流需求；底层布线设计中，直流母线直接与各相桥臂中并联的MOSFET器件和并联的二极管直接相连，省去了再次布线，同时降低了杂散电感，直流母线的正负两极到各相桥臂之间采用“E”型接线布局，提高了功率变换器布线的对称性，“E”型布线区域焊接铜条以提高直流母线的载流能力，9个100μF的电解电容直线排列，电解电容的正负两极分别连接到对应的直流母线正负两极上，实现9个电解电容的并联，增大电容容量的同时减小了电容器的体积。