CN110572095B - 具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，加速踏板霍尔传感器的信号输出端与CPU的加速信号输入端相连，CPU的脉宽调制信号输出端通过光耦与驱动模块的控制脉冲输入端相连，驱动模块的驱动脉冲输出端分别与各IGBT的栅极相连；各IGBT的集电极并联后与动力电池正极相连，有刷电动机的驱动及换向电路连接在各IGBT的发射极与动力电池负极之间，且并联有多个续流二极管。继电器一、二的常开触头串联，继电器三、四的常开触头串联，有刷电动机的一端连接在继电器一、二的常开触头之间，另一端连接在继电器三、四的常开触头之间。该汽车通过多个并联的IGBT精确控制车速，通过继电器换向，驱动效率高，制造成本低，且节约汽车的安装空间。

Description

具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种电源电路，特别涉及一种具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，属于直流电机控制技术领域。

背景技术

安装有直流有刷电动机的电动汽车常用的驱动形式为，由电动机驱动变速箱的输入轴，由变速箱的输出轴驱动主减速器的输入轴，由主减速器驱动左、右半轴，左右半轴驱动车辆后轮转动，依靠变速箱的切换实现电动汽车的前进或后退。该驱动形式的缺点在于：变速箱的体积较大，机械传动效率较低，变速箱的采购成本较高。

电动汽车的另一种驱动形式为，四个IGBT管呈桥式连接，直流有刷电动机的两端连接在桥式电路的一对对角点之间，桥式电路的另一对对角点与电源相连，电动汽车的前进或后退依靠IGBT组合通断的切换来进行。该驱动形式的缺点在于：电机无论是正转还是反转，在电机的驱动电路里，都串联了两个IGBT，多增加的一个IGBT会产生压降，IGBT本身的功耗较高。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，通过多个并联的IGBT精确控制电机的电流，降低电动汽车控制器的制造成本，且节约汽车的安装空间。

为解决以上技术问题，本发明的一种具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，包括加速踏板1和制动踏板2，加速踏板1的铰接轴上安装有加速踏板霍尔传感器H1，加速踏板霍尔传感器H1的信号输出端与CPU的加速信号输入端CPU-PAD1相连， CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1与光耦五G5的输入端相连，光耦五G5的输出端与驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN相连，驱动模块的驱动脉冲输出端U1-HO分别与各IGBT的栅极相连；各IGBT的集电极并联后通过总开关K0与动力电池正极VIN+相连， 有刷电动机M1的驱动及换向电路连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间连接有多个相互并联的电动机续流二极管。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：有刷电动机M1的启动会产生较大的工作电流，单个IGBT的额定工作电流虽然能够达到150A，但是实际应用中IGBT的散热不能够达到最理想的状态；IGBT的针脚不能够长时间承受大电流；过高的电流使得IGBT的内阻发热严重。IGBT打开和关断过程产生的热量严重影响控制器的安全运行。本发明采用多个相互并联的IGBT1、IGBT2至IGBTn驱动有刷电动机M1，并采用多个相互并联的电动机续流二极管EJG1、EJG2至EJGn进行续流。采用MC9S12XS128MAA单片机或者其它类似的单片机作为控制系统CPU，当IGBT1、IGBT2至IGBTn关断时，有刷电动机M1因自感电动势产生的自感电流可以通过电动机续流二极管EJG1、EJG2至EJGn在有刷电动机M1内部消耗。CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出的占空比信号经过光耦五G5的高、低压隔离，送入驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN，经驱动模块U1放大后，由驱动脉冲输出端U1-HO输出占空比信号，经过限流电阻XLR18、XLR19至XLRn限流后，控制IGBT1、IGBT2至IGBTn的占空比，从而满足有刷电动机M1的运行速度需求。

作为本发明的改进，有刷电动机M1的驱动及换向电路包括继电器一J1、继电器二J2、继电器三J3和继电器四J4，继电器一的常开触头K1与继电器二的常开触头K2串联后连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，继电器三的常开触头K3与继电器四的常开触头K4串联后连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，有刷电动机M1的一端连接在继电器一的常开触头K1与继电器二的常开触头K2之间，有刷电动机M1的另一端连接在继电器三的常开触头K3与继电器四的常开触头K4之间；继电器一的常开触头K1与继电器四的常开触头K4联动，继电器二的常开触头K2与继电器三的常开触头K3联动。当继电器一的常开触头K1与继电器四的常开触头K4闭合，继电器二的常开触头K2与继电器三的常开触头K3断开时，有刷电动机M1正向转动，汽车前进。当继电器一的常开触头K1与继电器四的常开触头K4断开，继电器二的常开触头K2与继电器三的常开触头K3闭合时，有刷电动机M1反向转动，汽车后退。由于继电器的驱动功率很小，只有几瓦，因此换向时的驱动效率非常高，且制造成本很低。

作为本发明的进一步改进，CPU的前进信号输出端CPU-PA1通过限流电阻R1与光耦一G1的输入正极相连，光耦一G1的输入负极与CPU-GND相连，光耦一G1的输入正负极之间连接有下拉电阻R2；光耦一G1的输出端通过三极管一S1与继电器一J1的线圈相连；CPU的前进信号输出端CPU-PA1还通过限流电阻R13与光耦四G4的输入正极相连，光耦四G4的输入负极与CPU-GND相连，光耦四G4的输入正负极之间连接有下拉电阻R14；光耦四G4的输出端通过三极管四S4与继电器四J4的线圈相连。CPU的前进信号输出端CPU-PA1输出逻辑电平“1”时，经限流电阻R1限流后送至光耦一G1的输入端，光耦一G1的输出端经三极管一S1放大后，使继电器一J1的线圈得电，继电器一的常开触头K1吸合；下拉电阻R2确保CPU-PA1输出逻辑电平“0”时，光耦一G1的输入端电平也为逻辑“0”，发光二极管确保能够可靠地截止；同理光耦四G4的输出端经三极管四S4放大后，使继电器四J4的线圈得电，继电器四的常开触头K4同步吸合，有刷电动机M1的正向转动，汽车前进。

作为本发明的进一步改进，CPU的后退信号输出端CPU-PA2通过限流电阻R5与光耦二G2的输入正极相连，光耦二G2的输入负极与CPU-GND相连，光耦二G2的输入正负极之间连接有下拉电阻R6；光耦二G2的输出端通过三极管二S2与继电器二J2的线圈相连；CPU的后退信号输出端CPU-PA2还通过限流电阻R9与光耦三G3的输入正极相连，光耦三G3的输入负极与CPU-GND相连，光耦三G3的输入正负极之间连接有下拉电阻R10；光耦三G3的输出端通过三极管三S3与继电器三J3的线圈相连。CPU的后退信号输出端CPU-PA2输出逻辑电平“1”时，经限流电阻R5限流后送至光耦二G2的输入端，光耦二G2的输出端经三极管二S2放大后，使继电器二J2的线圈得电，继电器二的常开触头K2吸合；下拉电阻R6确保CPU-PA2输出逻辑电平“0”时，光耦二G2的输入端电平也为逻辑“0”，发光二极管确保能够可靠地截止；同理光耦三G3的输出端经三极管三S3放大后，使继电器三J3的线圈得电，继电器三的常开触头K3同步吸合，有刷电动机M2的反向转动，汽车后退；使汽车前进与后退的切换十分方便。

作为本发明的进一步改进，励磁线圈L1与有刷电动机M1的电枢绕组相串联，或者励磁线圈L1连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间。励磁线圈L1与有刷电动机M1的电枢绕组相串联为串励电动机，励磁线圈L1连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间为并励电动机，本发明的控制系统对串励和并励电动机均适用。

作为本发明的进一步改进，CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1通过限流电阻R18与光耦五G5的输入正极相连，光耦五G5的输入负极与CPU-GND相连，光耦五G5的输入正负极之间连接有下拉电阻R19；光耦五G5的输出端集电极与+15V电源相连，光耦五G5的输出端发射极与驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN相连，控制脉冲输入端U1-IN通过下拉电阻R20与驱动地端QD-GND相连，光耦五G5的输出端并联有续流二极管D9；驱动模块U1的工作电源端U1-Vcc与+15V电源相连，驱动模块U1的输入地端U1-COM与驱动地端QD-GND相连且通过电容C1与+15V电源相连，各IGBT的发射极与输出级参考地端U1-Vs相连，输出级参考地端U1-Vs通过电容C2与输出级工作电源端U1-VB相连，输出级工作电源端U1-VB通过二极管D10与+15V电源相连；各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间串联有电阻R17与电容C3。CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出的占空比信号经限流电阻R18限流后送至光耦五G5的输入端，下拉电阻R19确保CPU-PWM1输出逻辑电平“0”时，光耦五G5的输入端电平也为逻辑“0”，发光二极管确保能够可靠地截止；当驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN的电压突然升高时，续流二极管D9进行续流；电容C1作为稳压电容，电容C2和二极管D10组成自举电路，产生驱动模块U1的VB电压；电阻R17与电容C3构成储能电路。驱动模块U1将控制脉冲输入端U1-IN输入的占空比信号放大后，由驱动脉冲输出端U1-HO输出相同的占空比，控制IGBT1、IGBT2至IGBTn的通断。

作为本发明的进一步改进，制动踏板2的铰接轴上安装有制动开关K5，制动开关K5连接在CPU的制动信号输入端CPU-PJ7与CPU-GND之间，CPU的制动信号输入端CPU-PJ7还通过电阻R21与CPU+5V电源相连；汽车传动轴或车轮上安装有车速传感器H2，车速传感器H2的信号输出端通过电阻R23与CPU的速度信号输入端CPU-PJ6相连；CPU的速度信号输入端CPU-PJ6还通过电阻R24与CPU+5V电源相连，CPU的速度信号输入端CPU-PJ6与CPU-GND之间连接有电容C4；换向开关K6连接在CPU的换向信号输入端CPU-PT0与CPU-GND之间，CPU的换向信号输入端CPU-PT0还通过电阻R22与CPU+5V电源相连。制动踏板2被压下后，制动开关K5闭合，CPU的制动信号输入端CPU-PJ7输入逻辑电平“0”，CPU控制其脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出占空比为0，有刷电动机M1失电且制动。车速传感器H2为霍尔传感器，车速传感器H2检测到的车速信号送入CPU的速度信号输入端CPU-PJ6，作为巡航控制的PID调节输入量；同时作为换向速度参考，只有当车速为0时，才能进行换向。当换向开关K6闭合时，CPU的换向信号输入端CPU-PT0输入逻辑电平“0”，CPU在确认车速为0后，前进信号输出端CPU-PA1与后退信号输出端CPU-PA2切换输出信号，实现换向。

作为本发明的进一步改进，动力电池正极VIN+与热敏电阻RM及二极管D11依次串联后与DC-DC转换器的输入电压正极Vi+相连，热敏电阻RM与动力电池负极VIN-及DC-DC转换器的输入电压负极Vi-之间串联有压敏电阻YM，DC-DC转换器的输入电压正极Vi+与动力电池负极VIN-之间并联连接有续流二极管D12和电容C5；DC-DC转换器的输出负极一VO1-与CPU-GND相连，DC-DC转换器的输出正极一VO1+向CPU提供+5V电源；DC-DC转换器的输出负极二VO2-与驱动地端QD-GND相连，DC-DC转换器的输出正极二VO2+向驱动模块U1提供+15V电源；驱动地端QD-GND与动力电池负极VIN-之间通过电感L2相互连接；DC-DC转换器的输出负极一VO1-与输出正极一VO1+之间连接有续流二极管D14，DC-DC转换器的输出正极一VO1+与CPU+5V电源之间串联有电感L3，CPU+5V与CPU-GND之间并联连接有电容C6及电容C7；DC-DC转换器的输出负极二VO2-与输出正极二VO2+之间连接有续流二极管D15，DC-DC转换器的输出正极二VO2+与驱动模块+15V电源之间串联有电感L4，驱动模块+15V电源与驱动地端QD-GND之间并联连接有电容C8及电容C9。本发明中CPU用的电源电压为+5V，驱动模块U1用的电源电压为+15V；利用小功率、具有两路电压输出的小功率成品DC-DC转换器提供+5V和+15V电源。小功率成品DC-DC转换器的输入VIN-、CPU-GND\QD-GND之间相互隔离。有刷电动机M1的工作电流比较大时，容易造成动力电池的端压下降较多，导致端压不稳定。热敏电阻RM为正温度系数，可以有效地缓冲动力电池端电压较大变化时对DC-DC转换器的输入电压冲击；压敏电阻YM可以进一步缓冲由于IGBT关断时，有刷电动机M1的自感电动势对DC-DC转换器的冲击；当动力电池的端电压降低到低于DC-DC转换器的允许输入电压之后，二极管D11可以有效防止电流倒流；电容C5起到稳压作用，在较长一段时间内使DC-DC转换器的输入电压仍然高于最低允许输入电压。电感L2可以减小动力电池VIN-端压变化对驱动模块QD-GND的影响。电感L3与电容C6及电容C7构成+5V电源的滤波电路和稳压电路，可以使CPU的+5V电源的电压更加稳定，CPU-GND的电压突然升高时，续流二极管D14进行续流。电感L4与电容C8及电容C9构成+15V电源的滤波电路和稳压电路，可以使驱动模块U1的+15V电源的电压更加稳定，驱动地端QD-GND的电压突然升高时，续流二极管D15进行续流。

作为本发明的进一步改进，电路板上安装有温度传感器的T1，温度传感器的T1的温度信号输出端与CPU的PAD2端口相连，PAD2端口与CPU+5V电源之间串联有上拉电阻R25，温度传感器的T1的接地端与CPU-GND相连，CPU的PAD2端口与CPU-GND之间设有电容C10。温度传感器的T1为负温度系数，100℃时的电阻值为4.52kΩ，20℃时的电阻值为42.16kΩ；CPU读取PAD2的值，通过插值法，就可计算出电路板的温度值，如电路板的温度过高，则CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出的占空比可以为0/4，使有刷电动机M1停止工作。

作为本发明的进一步改进，控制系统还设有加速模式显示数码管，加速模式显示数码管的数据输入端分别与CPU的PB0、PB1至PB7端口相连；CPU的+5V电源通过滑动变阻器HR1与CPU-GND相连，滑动变阻器HR1的中间输出端与CPU的PAD3端口相连。驾驶员可根据情况合理选择汽车的加速模式，通过调节滑动变阻器HR1的阻值，使CPU的PAD3端口接收到的电压值发生变化，CPU根据PAD3的电压值区间计算出加速模式设定值，并且将该加速模式设定值通过PB0、PB1至PB7端口送至加速模式显示数码管的数据输入端，加速模式显示数码管显示加速模式设定值。当加速模式设定值为“1”时，汽车采取正常加速；当加速模式设定值为“2”时，汽车采取暴力起步加速；当加速模式设定值为“3”时，汽车采取柔和起步加速。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

图1为本发明中加速踏板的接线原理图。

图2为本发明中车速传感器的接线原理图。

图3为本发明中制动踏板的接线原理图。

图4为本发明中换向开关的接线原理图。

图5为本发明直流有刷串励电动机的控制原理图。

图6为本发明直流有刷并励电动机的控制原理图。

图7为本发明控制系统用+5V/+15V电源的产生电路图。

图8为本发明中加速模式选择及其加速曲线图。

图9为本发明中电路板的温度检测电路图。

图10为本发明中CPU的外围电路图。

具体实施方式

如图1及图10所示，本发明具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统包括加速踏板1和制动踏板2和有刷电动机M1，加速踏板1的铰接轴上安装有加速踏板霍尔传感器H1，加速踏板霍尔传感器H1的信号输出端与CPU的加速信号输入端CPU-PAD1相连。

如图2所示，汽车传动轴或车轮上安装有车速传感器H2，车速传感器H2的信号输出端通过电阻R23与CPU的速度信号输入端CPU-PJ6相连；CPU的速度信号输入端CPU-PJ6还通过电阻R24与CPU+5V电源相连，CPU的速度信号输入端CPU-PJ6与CPU-GND之间连接有电容C4。车速传感器H2为霍尔传感器，车速传感器H2检测到的车速信号送入CPU的速度信号输入端CPU-PJ6，作为巡航控制的PID调节输入量；同时作为换向速度参考，只有当车速为0时，才能进行换向。

如图3所示，制动踏板2的铰接轴上安装有制动开关K5，制动开关K5连接在CPU的制动信号输入端CPU-PJ7与CPU-GND之间，CPU的制动信号输入端CPU-PJ7还通过电阻R21与CPU+5V电源相连。制动踏板2被压下后，制动开关K5闭合，CPU的制动信号输入端CPU-PJ7输入逻辑电平“0”，CPU控制其脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出占空比为0，有刷电动机M1失电且制动。

如图4所示，换向开关K6连接在CPU的换向信号输入端CPU-PT0与CPU-GND之间，CPU的换向信号输入端CPU-PT0还通过电阻R22与CPU+5V电源相连。当换向开关K6闭合时，CPU的换向信号输入端CPU-PT0输入逻辑电平“0”，CPU在确认车速为0后，前进信号输出端CPU-PA1与后退信号输出端CPU-PA2切换输出信号，实现换向。

如图5所示，CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1与光耦五G5的输入端相连，光耦五G5的输出端与驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN相连，驱动模块的驱动脉冲输出端U1-HO分别与各IGBT的栅极相连；各IGBT的集电极并联后通过总开关K0与动力电池正极VIN+相连， 有刷电动机M1的驱动及换向电路连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间连接有多个相互并联的电动机续流二极管。

有刷电动机M1的启动会产生较大的工作电流，单个IGBT的额定工作电流虽然能够达到150A，但是实际应用中IGBT的散热不能够达到最理想的状态；IGBT的针脚不能够长时间承受大电流；过高的电流使得IGBT的内阻发热严重。IGBT打开和关断过程产生的热量严重影响控制器的安全运行。本发明采用多个相互并联的IGBT1、IGBT2至IGBTn驱动有刷电动机M1，并采用多个相互并联的电动机续流二极管EJG1、EJG2至EJGn进行续流。

采用MC9S12XS128MAA单片机或者其它类似的单片机作为控制系统CPU，当IGBT1、IGBT2至IGBTn关断时，有刷电动机M1因自感电动势产生的自感电流可以通过电动机续流二极管EJG1、EJG2至EJGn在有刷电动机M1内部消耗。CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出的占空比信号经过光耦五G5的高、低压隔离，送入驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN，经驱动模块U1放大后，由驱动脉冲输出端U1-HO输出占空比信号，经过限流电阻XLR18、XLR19至XLRn限流后，控制IGBT1、IGBT2至IGBTn的占空比，从而满足有刷电动机M1的运行速度需求。

有刷电动机M1的驱动及换向电路包括继电器一J1、继电器二J2、继电器三J3和继电器四J4，继电器一的常开触头K1与继电器二的常开触头K2串联后连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，继电器三的常开触头K3与继电器四的常开触头K4串联后连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，有刷电动机M1的一端连接在继电器一的常开触头K1与继电器二的常开触头K2之间，有刷电动机M1的另一端连接在继电器三的常开触头K3与继电器四的常开触头K4之间；继电器一的常开触头K1与继电器四的常开触头K4联动，继电器二的常开触头K2与继电器三的常开触头K3联动。励磁线圈L1与有刷电动机M1的电枢绕组相串联。

当继电器一的常开触头K1与继电器四的常开触头K4闭合，继电器二的常开触头K2与继电器三的常开触头K3断开时，有刷电动机M1正向转动，汽车前进。当继电器一的常开触头K1与继电器四的常开触头K4断开，继电器二的常开触头K2与继电器三的常开触头K3闭合时，有刷电动机M1反向转动，汽车后退。由于继电器的驱动功率很小，只有几瓦，因此换向时的驱动效率非常高，且制造成本很低。

CPU的前进信号输出端CPU-PA1通过限流电阻R1与光耦一G1的输入正极相连，光耦一G1的输入负极与CPU-GND相连，光耦一G1的输入正负极之间连接有下拉电阻R2；光耦一G1的输出端通过三极管一S1与继电器一J1的线圈相连；CPU的前进信号输出端CPU-PA1还通过限流电阻R13与光耦四G4的输入正极相连，光耦四G4的输入负极与CPU-GND相连，光耦四G4的输入正负极之间连接有下拉电阻R14；光耦四G4的输出端通过三极管四S4与继电器四J4的线圈相连。

CPU的前进信号输出端CPU-PA1输出逻辑电平“1”时，经限流电阻R1限流后送至光耦一G1的输入端，光耦一G1的输出端经三极管一S1放大后，使继电器一J1的线圈得电，继电器一的常开触头K1吸合；下拉电阻R2确保CPU-PA1输出逻辑电平“0”时，光耦一G1的输入端电平也为逻辑“0”，发光二极管确保能够可靠地截止；同理光耦四G4的输出端经三极管四S4放大后，使继电器四J4的线圈得电，继电器四的常开触头K4同步吸合，有刷电动机M1的正向转动，汽车前进。

CPU的后退信号输出端CPU-PA2通过限流电阻R5与光耦二G2的输入正极相连，光耦二G2的输入负极与CPU-GND相连，光耦二G2的输入正负极之间连接有下拉电阻R6；光耦二G2的输出端通过三极管二S2与继电器二J2的线圈相连；CPU的后退信号输出端CPU-PA2还通过限流电阻R9与光耦三G3的输入正极相连，光耦三G3的输入负极与CPU-GND相连，光耦三G3的输入正负极之间连接有下拉电阻R10；光耦三G3的输出端通过三极管三S3与继电器三J3的线圈相连。

CPU的后退信号输出端CPU-PA2输出逻辑电平“1”时，经限流电阻R5限流后送至光耦二G2的输入端，光耦二G2的输出端经三极管二S2放大后，使继电器二J2的线圈得电，继电器二的常开触头K2吸合；下拉电阻R6确保CPU-PA2输出逻辑电平“0”时，光耦二G2的输入端电平也为逻辑“0”，发光二极管确保能够可靠地截止；同理光耦三G3的输出端经三极管三S3放大后，使继电器三J3的线圈得电，继电器三的常开触头K3同步吸合，有刷电动机M2的反向转动，汽车后退；使汽车前进与后退的切换十分方便。

CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1通过限流电阻R18与光耦五G5的输入正极相连，光耦五G5的输入负极与CPU-GND相连，光耦五G5的输入正负极之间连接有下拉电阻R19；光耦五G5的输出端集电极与+15V电源相连，光耦五G5的输出端发射极与驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN相连，控制脉冲输入端U1-IN通过下拉电阻R20与驱动地端QD-GND相连，光耦五G5的输出端并联有续流二极管D9；驱动模块U1的工作电源端U1-Vcc与+15V电源相连，驱动模块U1的输入地端U1-COM与驱动地端QD-GND相连且通过电容C1与+15V电源相连，各IGBT的发射极与输出级参考地端U1-Vs相连，输出级参考地端U1-Vs通过电容C2与输出级工作电源端U1-VB相连，输出级工作电源端U1-VB通过二极管D10与+15V电源相连。各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间串联有电阻R17与电容C3构成储能电路。

CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出的占空比信号经限流电阻R18限流后送至光耦五G5的输入端，下拉电阻R19确保CPU-PWM1输出逻辑电平“0”时，光耦五G5的输入端电平也为逻辑“0”，发光二极管确保能够可靠地截止；当驱动模块U1的控制脉冲输入端U1-IN的电压突然升高时，续流二极管D9进行续流；电容C1作为稳压电容，电容C2和二极管D10组成自举电路，产生驱动模块U1的VB电压；驱动模块U1将控制脉冲输入端U1-IN输入的占空比信号放大后，由驱动脉冲输出端U1-HO输出相同的占空比，控制IGBT1、IGBT2至IGBTn的通断。

图6所示为并励电动机的控制系统，励磁线圈L1连接在各IGBT的发射极与动力电池负极VIN-之间，其余与串励电动机相同。

如图7所示，动力电池正极VIN+与热敏电阻RM及二极管D11依次串联后与DC-DC转换器的输入电压正极Vi+相连，热敏电阻RM与动力电池负极VIN-及DC-DC转换器的输入电压负极Vi-之间串联有压敏电阻YM，DC-DC转换器的输入电压正极Vi+与动力电池负极VIN-之间并联连接有续流二极管D12和电容C5；DC-DC转换器的输出负极一VO1-与CPU-GND相连，DC-DC转换器的输出正极一VO1+向CPU提供+5V电源；DC-DC转换器的输出负极二VO2-与驱动地端QD-GND相连，DC-DC转换器的输出正极二VO2+向驱动模块U1提供+15V电源；驱动地端QD-GND与动力电池负极VIN-之间通过电感L2相互连接。

本发明中CPU用的电源电压为+5V，驱动模块U1用的电源电压为+15V；利用小功率、具有两路电压输出的小功率成品DC-DC转换器提供+5V和+15V电源。小功率成品DC-DC转换器的输入VIN-、CPU-GND\QD-GND之间相互隔离。有刷电动机M1的工作电流比较大时，容易造成动力电池的端压下降较多，导致端压不稳定。热敏电阻RM为正温度系数，可以有效地缓冲动力电池端电压较大变化时对DC-DC转换器的输入电压冲击；压敏电阻YM可以进一步缓冲由于IGBT关断时，有刷电动机M1的自感电动势对DC-DC转换器的冲击；当动力电池的端电压降低到低于DC-DC转换器的允许输入电压之后，二极管D11可以有效防止电流倒流；电容C5起到稳压作用，在较长一段时间内使DC-DC转换器的输入电压仍然高于最低允许输入电压。电感L2可以减小动力电池VIN-端压变化对驱动模块QD-GND的影响。

DC-DC转换器的输出负极一VO1-与输出正极一VO1+之间连接有续流二极管D14，DC-DC转换器的输出正极一VO1+与CPU+5V电源之间串联有电感L3，CPU+5V与CPU-GND之间并联连接有电容C6及电容C7；DC-DC转换器的输出负极二VO2-与输出正极二VO2+之间连接有续流二极管D15，DC-DC转换器的输出正极二VO2+与驱动模块+15V电源之间串联有电感L4，驱动模块+15V电源与驱动地端QD-GND之间并联连接有电容C8及电容C9。

电感L3与电容C6及电容C7构成+5V电源的滤波电路和稳压电路，可以使CPU的+5V电源的电压更加稳定，CPU-GND的电压突然升高时，续流二极管D14进行续流。电感L4与电容C8及电容C9构成+15V电源的滤波电路和稳压电路，可以使驱动模块U1的+15V电源的电压更加稳定，驱动地端QD-GND的电压突然升高时，续流二极管D15进行续流。

电路板上安装有温度传感器的T1，温度传感器的T1的温度信号输出端与CPU的PAD2端口相连，PAD2端口与CPU+5V电源之间串联有上拉电阻R25，温度传感器的T1的接地端与CPU-GND相连，CPU的PAD2端口与CPU-GND之间设有电容C10。温度传感器的T1为负温度系数，100℃时的电阻值为4.52kΩ，20℃时的电阻值为42.16kΩ；CPU读取PAD2的值，通过插值法，就可计算出电路板的温度值，如电路板的温度过高，则CPU的脉宽调制信号输出端CPU-PWM1输出的占空比可以为0/4，使有刷电动机M1停止工作。

控制系统还设有加速模式显示数码管，加速模式显示数码管的数据输入端分别与CPU的PB0、PB1至PB7端口相连；CPU的+5V电源通过滑动变阻器HR1与CPU-GND相连，滑动变阻器HR1的中间输出端与CPU的PAD3端口相连。

驾驶员可根据情况合理选择汽车的加速模式，通过调节滑动变阻器HR1的阻值，使CPU的PAD3端口接收到的电压值发生变化，CPU根据PAD3的电压值区间计算出加速模式设定值，并且将该加速模式设定值通过PB0、PB1至PB7端口送至加速模式显示数码管的数据输入端，加速模式显示数码管显示加速模式设定值。当加速模式设定值为“1”时，汽车采取正常加速；当加速模式设定值为“2”时，汽车采取暴力起步加速；当加速模式设定值为“3”时，汽车采取柔和起步加速。

以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (6)

1.一种具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，包括加速踏板(1)和制动踏板(2)，加速踏板(1)的铰接轴上安装有加速踏板霍尔传感器(H1)，加速踏板霍尔传感器(H1)的信号输出端与CPU的加速信号输入端(CPU-PAD1)相连，其特征在于：CPU的脉宽调制信号输出端(CPU-PWM1)与光耦五(G5)的输入端相连，光耦五(G5)的输出端与驱动模块(U1)的控制脉冲输入端(U1-IN)相连，驱动模块的驱动脉冲输出端(U1-HO)分别与各IGBT的栅极相连；各IGBT的集电极并联后通过总开关(K0)与动力电池正极(VIN+)相连，有刷电动机(M1)的驱动及换向电路连接在各IGBT的发射极与动力电池负极(VIN-)之间，各IGBT的发射极与动力电池负极(VIN-)之间连接有多个相互并联的电动机续流二极管；

动力电池正极(VIN+)与热敏电阻(RM)及二极管D11依次串联后与DC-DC转换器的输入电压正极(Vi+)相连，热敏电阻(RM)与动力电池负极(VIN-)及DC-DC转换器的输入电压负极(Vi-)之间串联有压敏电阻(YM)，DC-DC转换器的输入电压正极(Vi+)与动力电池负极(VIN-)之间并联连接有续流二极管D12和电容C5；DC-DC转换器的输出负极一(VO1-)与CPU-GND相连，DC-DC转换器的输出正极一(VO1+)向CPU提供+5V电源；DC-DC转换器的输出负极二(VO2-)与驱动地端(QD-GND)相连，DC-DC转换器的输出正极二(VO2+)向驱动模块(U1)提供+15V电源；驱动地端(QD-GND)与动力电池负极(VIN-)之间通过电感L2相互连接；DC-DC转换器的输出负极一(VO1-)与输出正极一(VO1+)之间连接有续流二极管D14，DC-DC转换器的输出正极一(VO1+)与CPU+5V电源之间串联有电感L3，CPU+5V与CPU-GND之间并联连接有电容C6及电容C7；DC-DC转换器的输出负极二(VO2-)与输出正极二(VO2+)之间连接有续流二极管D15，DC-DC转换器的输出正极二(VO2+)与驱动模块+15V电源之间串联有电感L4，驱动模块+15V电源与驱动地端(QD-GND)之间并联连接有电容C8及电容C9；

CPU的脉宽调制信号输出端(CPU-PWM1)通过限流电阻R18与光耦五(G5)的输入正极相连，光耦五(G5)的输入负极与CPU-GND相连，光耦五(G5)的输入正负极之间连接有下拉电阻R19；光耦五(G5)的输出端集电极与+15V电源相连，光耦五(G5)的输出端发射极与驱动模块(U1)的控制脉冲输入端(U1-IN)相连，控制脉冲输入端(U1-IN)通过下拉电阻R20与驱动地端(QD-GND)相连，光耦五(G5)的输出端并联有续流二极管D9；驱动模块(U1)的工作电源端(U1-Vcc)与+15V电源相连，驱动模块(U1)的输入地端(U1-COM)与驱动地端(QD-GND)相连且通过电容C1与+15V电源相连，各IGBT的发射极与输出级参考地端(U1-Vs)相连，输出级参考地端(U1-Vs)通过电容C2与输出级工作电源端(U1-VB)相连，输出级工作电源端(U1-VB)通过二极管D10与+15V电源相连；各IGBT的发射极与动力电池负极(VIN-)之间串联有电阻R17与电容C3；

制动踏板(2)的铰接轴上安装有制动开关(K5)，制动开关(K5)连接在CPU的制动信号输入端(CPU-PJ7)与CPU-GND之间，CPU的制动信号输入端(CPU-PJ7)还通过电阻R21与CPU+5V电源相连；汽车传动轴或车轮上安装有车速传感器(H2)，车速传感器(H2)的信号输出端通过电阻R23与CPU的速度信号输入端(CPU-PJ6)相连；CPU的速度信号输入端(CPU-PJ6)还通过电阻R24与CPU+5V电源相连，CPU的速度信号输入端(CPU-PJ6)与CPU-GND之间连接有电容C4；换向开关(K6)连接在CPU的换向信号输入端(CPU-PT0)与CPU-GND之间，CPU的换向信号输入端(CPU-PT0)还通过电阻R22与CPU+5V电源相连；

控制系统还设有加速模式显示数码管，加速模式显示数码管的数据输入端分别与CPU的PB0、PB1至PB7端口相连；CPU的+5V电源通过滑动变阻器HR1与CPU-GND相连，滑动变阻器HR1的中间输出端与CPU的PAD3端口相连。

2.根据权利要求1所述的具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，其特征在于：有刷电动机(M1)的驱动及换向电路包括继电器一(J1)、继电器二(J2)、继电器三(J3)和继电器四(J4)，继电器一的常开触头(K1)与继电器二的常开触头(K2)串联后连接在各IGBT的发射极与动力电池负极(VIN-)之间，继电器三的常开触头(K3)与继电器四的常开触头(K4)串联后连接在各IGBT的发射极与动力电池负极(VIN-)之间，有刷电动机(M1)的一端连接在继电器一的常开触头(K1)与继电器二的常开触头(K2)之间，有刷电动机(M1)的另一端连接在继电器三的常开触头(K3)与继电器四的常开触头(K4)之间；继电器一的常开触头(K1)与继电器四的常开触头(K4)联动，继电器二的常开触头(K2)与继电器三的常开触头(K3)联动。

3.根据权利要求2所述的具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，其特征在于：CPU的前进信号输出端(CPU-PA1)通过限流电阻R1与光耦一(G1)的输入正极相连，光耦一(G1)的输入负极与CPU-GND相连，光耦一(G1)的输入正负极之间连接有下拉电阻R2；光耦一(G1)的输出端通过三极管一(S1)与继电器一(J1)的线圈相连；CPU的前进信号输出端(CPU-PA1)还通过限流电阻R13与光耦四(G4)的输入正极相连，光耦四(G4)的输入负极与CPU-GND相连，光耦四(G4)的输入正负极之间连接有下拉电阻R14；光耦四(G4)的输出端通过三极管四(S4)与继电器四(J4)的线圈相连。

4.根据权利要求2所述的具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，其特征在于：CPU的后退信号输出端(CPU-PA2)通过限流电阻R5与光耦二(G2)的输入正极相连，光耦二(G2)的输入负极与CPU-GND相连，光耦二(G2)的输入正负极之间连接有下拉电阻R6；光耦二(G2)的输出端通过三极管二(S2)与继电器二(J2)的线圈相连；CPU的后退信号输出端(CPU-PA2)还通过限流电阻R9与光耦三(G3)的输入正极相连，光耦三(G3)的输入负极与CPU-GND相连，光耦三(G3)的输入正负极之间连接有下拉电阻R10；光耦三(G3)的输出端通过三极管三(S3)与继电器三(J3)的线圈相连。

5.根据权利要求2所述的具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，其特征在于：励磁线圈(L1)与有刷电动机(M1)的电枢绕组相串联，或者励磁线圈(L1)连接在各IGBT的发射极与动力电池负极(VIN-)之间。

6.根据权利要求1所述的具有换向功能的电动汽车用直流有刷电动机控制系统，其特征在于：电路板上安装有温度传感器的(T1)，温度传感器的(T1)的温度信号输出端与CPU的PAD2端口相连，PAD2端口与CPU+5V电源之间串联有上拉电阻R25，温度传感器的(T1)的接地端与CPU-GND相连，CPU的PAD2端口与CPU-GND之间设有电容C10。

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