CN110266221A - 一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动汽车制动控制领域，特别是涉及一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，包括PIC控制器、永磁无刷直流电动机、转子霍尔传感器和蓄电池；转子霍尔传感器用于实时检测永磁无刷直流电动机的转子磁极位置，并将检测到的位置信号转化成电信号传输给所述PIC控制器；PIC控制器采用PWM‑ON‑PWM调制方式及非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法对永磁无刷直流电机的电子换相电路进行驱动控制；蓄电池与永磁无刷直流电机的电子换相电路并联连接。本发明应用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法来抑制中低速换相转矩脉动，应用简单、快速性好、具有限流能力以及减小实际电流跟踪参考电流的误差，另外采用PIC控制器，提高了准确性及可靠性。

Description

一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统
技术领域
本发明涉及电动汽车制动控制领域，特别是涉及一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统。
背景技术
无刷直流电机由于其可以在不改变本身硬件电路的基础上，通过电机控制器软件实现能量回馈制动控制，可以更好的发挥电机性能，并适应电动汽车用永磁直流无刷电机需要频繁启停，起步、爬坡、刹车、加速、减速要的需求，大大延长电动汽车单次充电续航里程。研究被电动汽车日益广泛的应用在驱动系统中的永磁无刷直流电机的回馈制动技术具有现实的经济和社会效益。
现有技术中存在一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统，包括：母线电流传感器，永磁无刷直流电机，蓄电池，母线电容，三相全桥逆变器；RC低通滤波器，直流母线电流调节器，直流母线过压保护模块，电枢电流调节器，PWM调制器。通过制动能量回馈，最大化地将车辆动能转化为电能回送给蓄电池，以最大限度地提高电动车辆的续航里程。该技术采用电机电枢电流与回送蓄电池电流双闭环控制方法，并且只应用了单电流传感器。其回馈制动过程为：三相全桥逆变器中两相下桥臂开关管根据永磁无刷直流电机的霍尔传感器位置信号分别导通和PWM斩波，对电机反电动势进行升压以回送电流到蓄电池。该技术并没有采用抑制转矩脉动的技术，限制了其在高精度、速度伺服控制系统的应用。另外，该技术没有采用先进的微处理器及控制策略和控制算法，控制精度及效果受到限制。
发明内容
本发明提供一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，采用抑制转矩脉动的技术，在电动汽车高精度、速度伺服控制下也能有效应用，另外本发明采用先进的基于PIC单片机的控制策略，可靠性、精度、准确性更高，高精度、速度伺服控制下也可以可行执行，执行效率更高。
本发明的技术方案为如下：
一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，包括PIC控制器、永磁无刷直流电动机、转子霍尔传感器和蓄电池；
所述转子霍尔传感器用于实时检测所述永磁无刷直流电动机的转子磁极位置，并将检测到的位置信号转化成电信号传输给所述PIC控制器；
所述PIC控制器采用PWM-ON-PWM调制方式及非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法对所述永磁无刷直流电机的电子换相电路进行驱动控制；
所述蓄电池与所述永磁无刷直流电机的电子换相电路并联连接。
本发明应用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法来抑制中低速换相转矩脉动，非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法具有应用简单、快速性好、具有限流能力以及减小实际电流跟踪参考电流的误差的优点，在高精度位置、速度伺服控制系统方面也能应用，另外采用了先进的PIC控制器，提高了准确性及可靠性，效率更高。
进一步，所述PIC控制器控制所述永磁无刷直流电动机的电子换相电路中功率开关管的开通或者关断，进而实现对所述永磁无刷直流电动机的定子相电流和转速的控制。
进一步，所述非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法为：换相时，非换相相电流值未达到给定值时，PWM调制不起作用；当非换相相电流值大于给定值时，PWM调制起作用，电流值减少，进而实现调节非换相的相电流，使其稳定。
PIC控制器应用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法来抑制中低速换相转矩脉动，具有应用简单、快速性好、具有限流能力以及减小实际电流跟踪参考电流的误差的优点。
进一步，所述给定值是指所述永磁无刷直流电动机的额定电流值。
进一步，所述PIC控制器采用数字PID控制器，数字PID控制器应用双闭环控制器，对所述永磁无刷直流电动机的转速环采用传统的PID控制，电流环采用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法。采用双闭环的数字PID控制器可以有效提高无刷直流电机控制系统的可靠性。
进一步，所述永磁无刷直流电动机采用永磁体励磁，电枢绕组在定子上，电枢绕组由电子换相电路进行供电，电子换相电路把直流信号转变为交流信号，所述PIC控制器根据转子的位置信号，控制电子换相电路中的开关管的导通，触发电子换相电路进行换相，进而控制电枢绕组中电流的大小和方向，达到电子换相取代传统的机械换向方案的目的。
进一步，所述PIC控制器控制开关电路使所述永磁无刷直流电动机从电动状态切换到发电状态，此时，转矩为制动转矩，将所述永磁无刷直流电动机所发出的电能回馈到所述蓄电池。
进一步，所述开关电路是指具有接通和断开两种状态的电路。
进一步，所述PIC控制器设有晶振电路，所述晶振电路连接所述PIC控制器的主控制单元，保证主控制单元能够准确发出控制信号给执行元件。
本发明的有益效果为：
相比现有技术，本发明应用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法来抑制中低速换相转矩脉动，具有应用简单、快速性好、具有限流能力以及减小实际电流跟踪参考电流的误差的优点，在高精度位置、速度伺服控制系统方面也能应用，另外采用了先进的双闭环PID控制器，对直流无刷电机的转速环采用传统的PID控制，电流环采用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法，控制精度、可靠性都得到提高，执行效率更高，促进了无刷直流电动机在电动汽车上的应用。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是系统的控制原理图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1所示，一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，包括PIC控制器、永磁无刷直流电动机、转子霍尔传感器和蓄电池；
转子霍尔传感器用于实时检测永磁无刷直流电动机的转子磁极位置，并将检测到的位置信号转化成电信号传输给PIC控制器；
PIC控制器采用PWM-ON-PWM调制方式及非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法对永磁无刷直流电机的电子换相电路进行驱动控制；
蓄电池与永磁无刷直流电机的电子换相电路并联连接。
在本实施例中，转子霍尔传感器安装在永磁无刷直流电机的转子处，并将检测到的转子的位置信号转化成电信号传输给PIC控制器，PIC控制器控制永磁无刷直流电动机的电子换相电路中功率开关管的开通或者关断，进而实现对永磁无刷直流电动机的定子相电流和转速的控制。
在本实施例中，PIC控制器应用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法来抑制中低速换相转矩脉动，非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法为：换相时，非换相相电流值未达到给定值(永磁无刷直流电动机的额定电流值)时，PWM调制不起作用；反之当非换相相电流值大于给定值时，令PWM调制开始起作用，来减少电流值，进而实现调节非换相的相电流，使其稳定。非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法具有应用简单、快速性好、具有限流能力以及减小实际电流跟踪参考电流的误差的优点，在高精度位置、速度伺服控制系统方面也能应用，另外采用了先进的PIC控制器，提高了准确性及可靠性，效率更高。
在本实施例中，为了提高系统的可靠性，PIC控制器采用数字PID控制器，数字PID控制器应用双闭环控制器，对永磁无刷直流电动机的转速环采用传统的PID控制，电流环采用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法。
在本实施例中，永磁无刷直流电动机采用永磁体励磁，电枢绕组在定子上，电枢绕组由电子换相电路进行供电，电子换相电路把直流信号转变为交流信号，PIC控制器根据转子的位置信号，控制电子换相电路中的开关管的导通，触发电子换相电路进行换相，进而控制电枢绕组中电流的大小和方向，达到电子换相取代传统的机械换向方案的目的。
在本实施例中，PIC控制器控制开关电路使永磁无刷直流电动机从电动状态切换到发电状态，此时，转矩为制动转矩，将永磁无刷直流电动机所发出的电能回馈到蓄电池。开关电路是指具有接通和断开两种状态的电路。
在本实施例中，PIC控制器设有晶振电路，晶振电路连接PIC控制器的主控制单元，保证主控制单元能够准确发出控制信号给执行元件。
如图2所示，为本系统的控制原理图，T1～T6为功率开关管，每个开关管反并联续流二极管D1～D6，在不增加硬件电路的基础上，通过有序控制开关管的导通关断，实现低速回馈制动。A、B、C为永磁无刷直流电机的三相绕组。转子霍尔传感器安装在转子处，向PIC控制器传递转子的位置信号，PIC控制器主要控制电子换相电路中功率开关管的接通与关断，电容C1起储能的作用，与蓄电池电压U一起向永磁无刷直流电机的电子换相电路供电。
永磁无刷直流电机制动时，反电动势和电流的方向相反得到负电磁转矩，即制动转矩；但是由于电机在额定转速以下时，蓄电池的直流母线电压U总是高于永磁无刷直流电机两组绕组串联后的电动势2E，不能直接进行能量回馈制动。利用升压斩波原理通过合理控制开关管的开通和关断即可实现永磁无刷直流电机两组绕组串联后的电动势2E>U，进而实现永磁无刷直流电机的能量回馈制动。
具体永磁无刷直流电机回馈制动控制实施方式包括如下步骤：
S1：续流储能状态，根据转子霍尔传感器不同的编码状态，以A相为例，当开关管T4进行PWM斩波，根据A相的电流情况又可分为两种不同状态瞬时电动势e>0时和e≤0时两种情况；
S2：当A相e>0时，续流回路为：B相绕组→T4→D6→C相绕组；
S3：当A相e≤0时，由于A相e≤0，D2正向偏置导通，故A相电流i>0，此时，电机三相绕组均参与续流，电感存储能量；
S4：蓄电池充电状态，仍然以相同的转子霍尔传感器状态来分析，当T4关断时，绕组电感的感应电势与反电势之和大于蓄电池电压，从而为蓄电池充电，当开关管T4关断时，由于A相瞬时电动势小于B相瞬时电动势，二极管D1及D2均反向截止，因为A相电流为0，这时的蓄电池充电回路为：蓄电池负极→D6→C相绕组→B相绕组→D3→蓄电池正极；
S5：随着B相电流的减小，蓄电池充电端电压逐渐减小，当出现充电端电压小于等于蓄电池电压U的时候，二极管反向截止，充电回路断开，当B相电流减小到0时，电机停止，内部电流为0。
A、B、C三相结构一样，其两相的工作原理与A相相同，回馈制动过程中，蓄电池不向外输出功率，仅仅回收功率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，包括PIC控制器、永磁无刷直流电动机、转子霍尔传感器和蓄电池；
所述转子霍尔传感器用于实时检测所述永磁无刷直流电动机的转子磁极位置，并将检测到的位置信号转化成电信号传输给所述PIC控制器；
所述PIC控制器采用PWM-ON-PWM调制方式及非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法对所述永磁无刷直流电机的电子换相电路进行驱动控制；
所述蓄电池与所述永磁无刷直流电机的电子换相电路并联连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述PIC控制器控制所述永磁无刷直流电动机的电子换相电路中功率开关管的开通或者关断，进而实现对所述永磁无刷直流电动机的定子相电流和转速的控制。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法为：换相时，非换相相电流值未达到给定值时，PWM调制不起作用；当非换相相电流值大于给定值时，PWM调制起作用，电流值减少，进而实现调节非换相的相电流。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述给定值是指所述永磁无刷直流电动机的额定电流值。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述PIC控制器采用数字PID控制器，数字PID控制器应用双闭环控制器，对所述永磁无刷直流电动机的转速环采用传统的PID控制，电流环采用非换相相电流滞环控制的电流反馈调节法。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述永磁无刷直流电动机采用永磁体励磁，电枢绕组在定子上，电枢绕组由电子换相电路进行供电，电子换相电路把直流信号转变为交流信号，所述PIC控制器根据转子的位置信号，控制电子换相电路中的开关管的导通，触发电子换相电路进行换相，进而控制电枢绕组中电流的大小和方向。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述PIC控制器控制开关电路使所述永磁无刷直流电动机从电动状态切换到发电状态，此时，转矩为制动转矩，将所述永磁无刷直流电动机所发出的电能回馈到所述蓄电池。
8.根据权利要求7所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述开关电路是指具有接通和断开两种状态的电路。
9.根据权利要求1所述的一种电动汽车用无刷直流电机回馈制动控制系统，其特征在于，所述PIC控制器设有晶振电路，所述晶振电路连接所述PIC控制器的主控制单元，保证主控制单元能够准确发出控制信号给执行元件。
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