一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域,特别是一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统。
背景技术
开关磁阻电机调速系统以其结构简单、启动转矩大、容错能力强等优点,已经成为电动车的驱动电机的选择重要选择。控制器和功率变换器是电动车SRM驱动系统设计的关键。
目前开关磁阻电机控制器设计主要分为两种,一种是在功率系统中驱动电路使用简易的三极管搭建,电流采样运用精密电阻器进行采样,该方式虽然最大限度降低了系统成本,但由于数字地和功率地未隔离,不可避免会造成系统稳定性和可靠性降低,无法发挥开关磁阻电机本身的高可靠性和强容错能力。另一种是驱动电路采用专用驱动芯片,而相电流采用霍尔电流传感器进行采样,均实现了驱动系统数字地和功率地的隔离。但该方式大大增加了系统的成本和体积,并无法满足低压低速电动车电机驱动系统的应用中对成本和体积的苛刻要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统,在低压电动车开关磁阻电机领域中,控制控制器成本与体积下,采用高速光耦实现PWM控制信号与MOSFET驱动信号的隔离,以及采用线性光耦实现相电流采样和母线电压采样与控制器AD采样之间的隔离,实现数字地和功率地隔离,从而进一步提升低压电动车SRM驱动系统可靠性,具有重要的应用前景。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
根据本发明提出的一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统,包括隔离驱动电路、相电流隔离检测电路、母线电压隔离检测电路、控制器、功率变换器和电机位置检测电路;其中,
相电流隔离检测电路,用于对功率变换器的A相电流采样信号隔离调理,并输出隔离后的A相电流采样信号至控制器;
母线电压隔离检测电路,用于对功率变换器的母线电压信号隔离调理,并输出隔离后的母线电压信号至控制器;
电机位置检测电路,用于检测开关磁阻电机的位置信号并将其输出至控制器;
控制器,用于输出A相驱动信号至隔离驱动电路;
隔离驱动电路,用于输出隔离后的驱动信号至功率变换器;
隔离驱动电路包括高速光耦、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容,高速光耦的ANODE脚与第一电阻的一端连接,第一电阻的另一端与控制器连接,高速光耦的CATHODE脚接地,高速光耦的VCC脚与电源电压、第二电阻的一端、第一电容的一端分别连接,第一电容的另一端与高速光耦的GND脚、第二电容的一端、母线电压负极分别连接,高速光耦的OUTPUT脚与第二电容的另一端、第二电阻的另一端分别连接。
作为本发明所述的一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统进一步优化方案,相电流隔离检测电路包括不对称半桥电流采样模块、滤波模块、放大模块以及第一线性隔离模块,不对称半桥电流采样模块用于采样A相电流检测信号,相电流采样采用康铜丝实现相电流采样,A相电流检测信号经过滤波模块、放大模块滤波放大后经第一线性隔离模块进行隔离后,再进入控制器的模数转换口实现控制器模拟信号采样,从而实现控制器模拟采样端口与采样电压之间的电气隔离。
作为本发明所述的一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统进一步优化方案,相电流隔离检测电路包括不对称半桥电流采样模块、滤波模块、放大模块以及第一线性隔离模块,不对称半桥电流采样模块包括上管功率开关管、下管功率开关管、A相绕组、康铜丝电阻、上管续流二极管和下管续流二极管,滤波模块包括第一滤波电容、第二滤波电容、第一滤波电阻和第二滤波电阻,放大模块包括第一运算放大器、第一放大比例电阻、第二放大比例电阻和限流电阻,第一线性隔离模块包括第三电阻、第二运算放大器、第一线性光耦、第四电阻、第三运算放大器和第五电阻;其中,
上管功率开关管的漏极与母线电源、上管续流二极管的负极分别连接,上管功率开关管的栅极与上管功率开关管的源极、下管续流二极管的负极、A相绕组的一端分别连接,A相绕组的另一端与上管续流二极管的正极、下管功率开关管的漏极分别连接,下管功率开关管的栅极与下管功率开关管的源极、康铜丝电阻的一端、第一滤波电阻的一端分别连接,康铜丝电阻的另一端与下管续流二极管的正极连接,第一滤波电阻的另一端与第二滤波电阻的一端、第一滤波电容的一端分别连接,第二滤波电阻的另一端与第二滤波电容的一端、第一运算放大器的正输入端分别连接,第一滤波电容的另一端与第二滤波电容的另一端、母线电压负极分别连接,第一放大比例电阻的一端接地,第一放大比例电阻的另一端与第一运算放大器的负输入端、第二放大比例电阻的一端分别连接,第二放大比例电阻的另一端与第一运算放大器的输出端、限流电阻的一端分别连接,限流电阻的另一端与第三电阻的一端连接,第三电阻的另一端与第二运算放大器的负输入端、第一线性光耦的PD1 CATHODE脚分别连接,第二运算放大器的正输入端接母线电压负极,第二运算放大器的输出端与第四电阻的一端连接,第四电阻的另一端与第一线性光耦的LED CATHODE脚连接,第一线性光耦的LED ANODE脚接电源电压,第一线性光耦的PD1 ANODE脚接母线电压负极,第一线性光耦的PD2 ANODE脚与第三运算放大器的正输入端、地分别连接,第一线性光耦的PD2CATHODE脚与第三运算放大器的负输入端、第五电阻的一端分别连接,第五电阻的另一端与第三运算放大器的输出端连接。
作为本发明所述的一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统进一步优化方案,母线电压隔离检测电路包括母线电压采样模块和第二线性隔离模块,采用电阻分压方式实现母线电压的采样,采样电压经过第二线性隔离模块隔离后,再进入控制器的模数转换口实现控制器模拟信号采样,从而实现控制器模拟采样端口与母线电压之间的电气隔离。
作为本发明所述的一种低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统进一步优化方案,母线电压隔离检测电路包括母线电压采样模块和第二线性隔离模块,母线电压采样模块包括第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容、肖特基二极管和稳压二极管,第二线性隔离模块包括第九至第十一电阻、第四运算放大器、第五运算放大器和第二线性隔离模块,第六电阻的一端接母线电压正极,第六电阻的另一端与第七电阻的一端、第八电阻的一端分别连接,第八电阻的另一端与第三电容的一端、肖特基二极管的正极、稳压二极管的正极、母线电压负极分别连接,第七电阻的另一端与第三电容的另一端、肖特基二极管的负极、稳压二极管的负极、第九电阻的一端分别连接,第九电阻的另一端与第四运算放大器的负输入端、第二线性光耦的PD1 CATHODE脚分别连接,第四运算放大器的正输入端接母线电压负极,第四运算放大器的输出端与第十电阻的一端连接,第十电阻的另一端与第二线性光耦的LEDCATHODE脚连接,第二线性光耦的LED ANODE脚接电源电压,第二线性光耦的PD1 ANODE脚接母线电压负极,第二线性光耦的PD2 ANODE脚与第五运算放大器的正输入端、地分别连接,第二线性光耦的PD2 CATHODE脚与第五运算放大器的负输入端、第十一电阻的一端分别连接,第十一电阻的另一端与第五运算放大器的输出端连接。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
本发明解决了现有低压电动车开关磁阻电机控制器的母线负端与控制器数字地完全共地的问题,提升控制器的稳定性与可靠性;此外,实现信号地与功率地的隔离,减少功率电源对信号的干扰,提高采样信号的准确性,进一步提升低压电动车开关磁阻电机驱动系统的可靠性。
附图说明
图1是低压电动车开关磁阻电机隔离驱动系统框图。
图2是高速光耦隔离电路。
图3是A相电流检测电路。
图4是母线电压采样电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明为了在成本与体积一定基础上实现系统强电与弱电的隔离,本发明针对功率驱动系统,在保持三极管搭建驱动电路、电阻采样相电流与母线电压电路不变的前提下,采用线性光耦与普通高速隔离光耦对控制系统优化,提高系统稳定性。
如图1所示,本发明所述低压电动车SRM隔离驱动系统包括隔离驱动电路、相电流隔离检测电路、母线电压隔离检测电路、控制器、功率变换器和电机位置检测电路;控制器为ARM芯片,其中,
相电流隔离检测电路,用于对功率变换器的A相电流采样信号隔离调理,并输出隔离后的A相电流采样信号至控制器;
母线电压隔离检测电路,用于对功率变换器的母线电压信号隔离调理,并输出隔离后的母线电压信号至控制器;
电机位置检测电路,用于检测开关磁阻电机的位置信号并将其输出至控制器;
控制器,用于输出A相驱动信号至隔离驱动电路;
隔离驱动电路,用于输出隔离后的驱动信号至功率变换器。
隔离驱动电路包括高速光耦U2、第一电阻R10、第二电阻R11、第一电容C3和第二电容C4,高速光耦的ANODE脚与第一电阻的一端连接,第一电阻的另一端与控制器连接,高速光耦的CATHODE脚接地,高速光耦的VCC脚与电源电压、第二电阻的一端、第一电容的一端分别连接,第一电容的另一端与高速光耦的GND脚、第二电容的一端、母线电压负极分别连接,高速光耦的OUTPUT脚与第二电容的另一端、第二电阻的另一端分别连接。
相电流隔离检测电路包括不对称半桥电流采样模块、滤波模块、放大模块以及第一线性隔离模块,不对称半桥电流采样模块用于采样A相电流检测信号,相电流采样采用康铜丝实现相电流采样,A相电流检测信号经过滤波模块、放大模块滤波放大后经第一线性隔离模块进行隔离后,再进入控制器的模数转换口实现控制器模拟信号采样,从而实现控制器模拟采样端口与采样电压之间的电气隔离。
相电流隔离检测电路包括不对称半桥电流采样模块、滤波模块、放大模块以及第一线性隔离模块,不对称半桥电流采样模块包括上管功率开关管S1、下管功率开关管S2、A相绕组、康铜丝电阻R1、上管续流二极管D1和下管续流二极管D2,滤波模块包括第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一滤波电阻R2和第二滤波电阻R3,放大模块包括第一运算放大器A1、第一放大比例电阻R4、第二放大比例电阻R5和限流电阻R6,第一线性隔离模块包括第三电阻R7、第二运算放大器A2、第一线性光耦U1、第四电阻R8、第三运算放大器A3和第五电阻R9;其中,
上管功率开关管S1的漏极与母线电源DC+、上管续流二极管D1的负极分别连接,上管功率开关管S1的栅极与上管功率开关管S1的源极、下管续流二极管D2的负极、A相绕组的一端分别连接,A相绕组的另一端与上管续流二极管D1的正极、下管功率开关管S2的漏极分别连接,下管功率开关管S2的栅极与下管功率开关管S2的源极、康铜丝电阻R1的一端、第一滤波电阻R2的一端分别连接,康铜丝电阻R1的另一端与下管续流二极管D2的正极连接,第一滤波电阻R2的另一端与第二滤波电阻R3的一端、第一滤波电容C1的一端分别连接,第二滤波电阻R3的另一端与第二滤波电容C2的一端、第一运算放大器A1的正输入端分别连接,第一滤波电容C1的另一端与第二滤波电容C2的另一端、母线电压负极DC-分别连接,第一放大比例电阻R4的一端接地,第一放大比例电阻R4的另一端与第一运算放大器A1的负输入端、第二放大比例电阻R5的一端分别连接,第二放大比例电阻R5的另一端与第一运算放大器A1的输出端、限流电阻R6的一端分别连接,限流电阻R6的另一端与第三电阻R7的一端连接,第三电阻R7的另一端与第二运算放大器A2的负输入端、第一线性光耦U1的PD1 CATHODE脚分别连接,第二运算放大器A2的正输入端接母线电压负极DC-,第二运算放大器A2的输出端与第四电阻R8的一端连接,第四电阻R8的另一端与第一线性光耦U1的LED CATHODE脚连接,第一线性光耦U1的LED ANODE脚接电源电压,第一线性光耦U1的PD1 ANODE脚接母线电压负极DC-,第一线性光耦U1的PD2 ANODE脚与第三运算放大器A3的正输入端、地分别连接,第一线性光耦U1的PD2 CATHODE脚与第三运算放大器A3的负输入端、第五电阻R9的一端分别连接,第五电阻R9的另一端与第三运算放大器A3的输出端连接。
母线电压隔离检测电路包括母线电压采样模块和第二线性隔离模块,采用电阻分压方式实现母线电压的采样,采样电压经过第二线性隔离模块隔离后,再进入控制器的模数转换口实现控制器模拟信号采样,从而实现控制器模拟采样端口与母线电压之间的电气隔离。
母线电压隔离检测电路包括母线电压采样模块和第二线性隔离模块,母线电压采样模块包括第六电阻R12、第七电阻R13、第八电阻R14、第三电容C5、肖特基二极管D3和稳压二极管D4,第二线性隔离模块包括第九至第十一电阻R15-R17、第四运算放大器A4、第五运算放大器A5和第二线性隔离模块U3,第六电阻R12的一端接母线电压正极,第六电阻R12的另一端与第七电阻R13的一端、第八电阻R14的一端分别连接,第八电阻R14的另一端与第三电容C5的一端、肖特基二极管D3的正极、稳压二极管D4的正极、母线电压负极分别连接,第七电阻R13的另一端与第三电容C5的另一端、肖特基二极管D3的负极、稳压二极管D4的负极、第九电阻R15的一端分别连接,第九电阻R15的另一端与第四运算放大器A4的负输入端、第二线性光耦U3的PD1 CATHODE脚分别连接,第四运算放大器A4的正输入端接母线电压负极DC-,第四运算放大器A4的输出端与第十电阻R16的一端连接,第十电阻R16的另一端与第二线性光耦U3的LED CATHODE脚连接,第二线性光耦U3的LED ANODE脚接电源电压,第二线性光耦U3的PD1 ANODE脚接母线电压负极DC-,第二线性光耦U3的PD2 ANODE脚与第五运算放大器A5的正输入端、地分别连接,第二线性光耦U3的PD2 CATHODE脚与第五运算放大器A5的负输入端、第十一电阻R16的一端分别连接,第十一电阻R16的另一端与第五运算放大器A5的输出端连接。
如图2所示,本发明所述隔离驱动电路中PWMA为ARM芯片输出的A相驱动信号,PWMA信号经过电阻R10接入U2芯片6N137的2号脚,芯片U2的3号脚接地,芯片U2的8号脚分别通过电容C3接地和接电源电压VCC,芯片U2脚的5号脚接母线电压负极DC-,芯片U2的6号脚通过C4接母线电压负极DC-且输出隔离后驱动信号。
如图3所示,本发明所述相电流隔离检测电路包括不对称半桥电流采样模块、滤波模块、放大模块以及第一线性隔离模块;不对称半桥电流采样模块中上管功率开关管S1的漏极接母线电源DC+,S1的源极接A相绕组PhaseA一端,PhaseA的另一端接下管功率开关管S2的漏极,S2的源极接康铜丝电阻R1,R1另一脚接母线电源负极DC-,R1输出信号Ua就是A相电流检测信号,下管续流二极管D2阳极接DC-,D2阴极接绕组PhaseA,下管续流二极管D1阳极接绕组PhaseA,D1阴极接母线电压正极DC+;电流采样信号Ua输入到滤波模块中,经过滤波电阻R2、R3和滤波电容C1、C2接入运算放大器A1的正输入端,A1的负输入端接放大比例电阻R4、R5,R4另一引脚接DC-,R5则接运放A1输出端,A1输出端通过限流电阻R6进入第一线性隔离模块;
如图4所示,本发明所述母线电压隔离检测电路包括母线电压采样模块和第二线性隔离模块,母线电压采样模块在母线电压正、负极之间接入R12、R14进行分压,经过限流电阻R13输出母线电压采样信号UDC,母线电压采样信号UDC通过电容C5接DC-滤波,D3、D4并联接在UDC与母线电压负极DC-形成保护,最后将母线电压采样信号UDC接入第二线性隔离模块。
第一线性隔离模块中第二运算放大器A2的正输入端接DC-,A2负输入端通过R7接调理后相电流采样信号UIa,A2负输入端还要接入芯片U1的3号引脚,A2的输出端通过R8接芯片U1的1号脚,U1芯片HCNR200的2号脚接电源电压VCC,芯片U1的4号脚接母线电压负极DC-,芯片U1的5号脚接运放A3的正输入端和隔离后的地,芯片U1的6号脚接A3的负输入端,A3的负输入端通过R9接运放A3输出端,UIa1便是隔离后的A相电流采样信号,接入ARM芯片中。第一线性隔离模块与第二线性隔离模块原理相同。
上述所设计低压电动车开关磁阻电机隔离驱动方法,通过采用高速光耦实现了控制信号与驱动信号的隔离,利用线性光耦实现了康铜丝电流采样信号以及母线电压的电阻分压信号与控制器AD采样信号的隔离。通过该方案的实施,在基本不增加系统体积成本的条件下,解决了传统低压电动车SRM驱动系统中控制地和功率地不隔离的问题,进一步提升了低压电动车SRM驱动系统的可靠性。
图中的SRM是开关磁阻电机,ARM是核心控制器,S1、S2分别是A相上管功率开关管、下管功率二极管,D1、D2分别是A相上管、下管续流二极管,PhaseA是A相绕组,A1~A5是第一至第五运算放大器,R1是康铜丝采样电阻,DC+、DC-分别是母线电压正负极,Ua是A相电流采样信号,U1、U3是第一、第二线性光耦HCNR200,U2是高速光耦6N137,R2~R17是片式固定电阻器,C1~C5是片式陶瓷电容器,D3是肖特基二极管,D4是稳压二极管,UIa是采样信号经过滤波放大后信号,UIa1是电流采样隔离后信号,VCC是电源,UDC是母线电压采样信号,UDC1是母线电压信号隔离后信号,PWMA为ARM输出的A相驱动信号,AH为隔离后驱动信号。
在控制器PWM信号输出端与非隔离模拟驱动电路之间加入高速光耦,实现控制器PWM控制信号与MOSFET驱动信号之间的电气隔离;相电流隔离检测电路中,相电流采样采用康铜丝实现相电流采样,采样电压的负端为母线电压负端,采样电压经过滤波放大后经线性光耦进行隔离后,再进入控制器的模数转换口实现控制器模拟信号采样,从而实现控制器模拟采样端口与采样电压之间的电气隔离,且能保证电流采样信号的不失真传递;母线电压隔离检测电路,采用电阻分压方式实现母线电压的采样,采样电压经过线性光耦隔离后,再进入控制器的模数转换口实现控制器模拟信号采样,从而实现控制器模拟采样端口与母线电压之间的电气隔离,且能保证母线电压采样信号的不失真传递。本发明解决了现有低压电动车开关磁阻电机控制器的母线负端与控制器数字地完全共地的问题,提升控制器的稳定性与可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。