CN1880119A - 电动汽车五相交流永磁同步驱动电机速度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动汽车技术领域。本发明电动汽车五相交流永磁同步驱动电机速度控制器由动力蓄电池、斩波调压器、制动电路、电子换向五相机械逆变器和五相交流永磁同步驱动电机构成。斩波调压器调节输出电压，从而调节电机的电磁力矩，控制速度，电子换向五相机械逆变器将斩波调压器输出的直流电压逆变为五相交流电供给五相永磁同步驱动电机。本发明电子换向五相机械逆变器为五相交流永磁同步驱动电机供电，具有电机转矩脉动小，机械性能好，过载能力强，同时控制器的造价便宜，有利于电动汽车的商品化进程。

Description

电动汽车五相交流永磁同步驱动电机速度控制器

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电动汽车驱动电机速度控制器。

由于受能源、环境保护的影响，电动汽车可以由多种能源获得电力，没有污染排放，已经受到人们的高度关注，许多发达国家都投入巨资进行电动汽车的开发。电动汽车的动力核心，驱动电机的选择出现了多种方案，早期均采用的是直流电机，近年来仍有多项直流电机控制器的专利申请，如专利号00110315.6，名称为《一种电动车直流电机控制系统》、专利号99107924.8名称为《具有自动弱磁调速功能的电动汽车牵引电机控制器》等。但是由于直流电机存在转子绕组连接换向器，转子绕组与换向器无法分离，结构复杂，维护不便。交流永磁同步电机(即无刷直流电机)具有体积小、重量轻、效率高的优点，已是电动汽车驱动的首选电机之一。但是目前用于电动汽车的永磁同步电机是按通用工业统一标准选用的，通用工业标准是考虑与电网兼容性的要求，一般都是三相结构，三相结构的电机在三相逆变器方波供电时会产生较大的转矩脉动，转矩脉动既影响汽车的机械性能，同时也影响乘客的舒适感。增加电机的相数可以明显降低转矩脉动，改善机械性能；但是交流永磁同步电机需要一个以逆变器为核心的电机速度控制器，这个控制器是由多个高性能的大功率半导体器件构成，价格昂贵，随电机相数增加，逆变器的成本也明显加大，电动汽车作为商品化产品，控制器的成本所占比重过大，制约了电动汽车的商品化进程。

本发明的目的是突破常规容量电机三相结构的传统概念，采用五相交流永磁同步电机，发明一种低成本的五相逆变器构成电动汽车五相交流永磁同步电机控制器，以获得良好的传动性能和很低的成本，促进电动汽车的商品化进程。

为实现上述目的，本发明电动汽车五相交流永磁同步驱动电机速度控制器采用以下技术方案来实现，所述的一种电动汽车五相交流永磁同步驱动电机速度控制器(以下称控制器)，其特征在于，所述控制器包括：

斩波调压器TYQ，该调压器包括功率半导体元件绝缘栅双极晶体管IGBT构成的斩波开关G1、滤波电路(L、C)、和门极驱动电路M1、电压调节控制电路ZBKZ构成，该调压器连接在动力蓄电池E和电子换向多相机械逆变器NBQ之间，用于调节供给逆变器的直流电压；

制动电路ZD，该制动电路包括功率半导体元件绝缘栅极晶体管G2、制动电阻R构成，用于车辆的减速制动；

电子换向五相机械逆变器NBQ，该逆变器的输入连接斩波调压器直流电压输出母线P、N端，逆变器的输出(A、B、C、D、E)连接五相交流永磁同步电机定子绕组，该逆变器用于将斩波调压输出的直流电逆变为五相交流电，为五相交流永磁同步电机提供五相交流电源。

所述的控制器，其特征在于，所述电子换向五相机械逆变器包括：电子换向桥HXQ和五相机械变流器JBQ；

电子换向桥HXQ，所述电子换相桥由两单元半导体功率器件大功率晶体三极管GTR构成的电子开关TP、TN及门极驱动电路Mp、Mn、信号放大整形电路MQ、信号检测单元XP、JC构成，电子换向桥用于为所述多相机械逆变器输出电刷在变流环上片间移动提供等电位换相条件，分时为各相负载进行电压换向；

五相机械变流器JBQ，所述五相机械变流器同轴安装在五相交流永磁同步电机转子轴的风扇轴端；该变流器JBQ包括随电机转子同轴旋转的变流子、和相对静止、与变流子对应位置接触的各个输入、输出电刷，变流子上输入部分有正集电环Hp、换向集电环Hq、负集电环Hn，对应与之接触的分别是：正输入电刷Sp、换向输入电刷Sq、负输入电刷Sp；正输入电刷引线端子与电子换向桥P点连接，负输入电刷引线端子与电子换向桥N点连接，换向输入电刷引线端子与电子换向桥Q点连接；变流子的输出部分是变流环和与之接触的多相输出电刷；变流环是由四片或四的倍数的弧形导电片围成一个圆环，其顺序为正片、换向片、负片、换向片循环，变流环导电片为四的倍数片与多相永磁同步电机转子的极对数对应，即由正片、换向片、负片、换向片四片为一组片对应于同步电机的N、S一对极，片间均由绝缘δ隔离，δ绝缘厚度很小于输出电刷的厚度。变流环的导电片与相应的集电环电连接，正片与正集电环电连接，换向片与换向集电环电连接，负片与负集电环电连接。在变流环圆周上按72°几何中心线均布As、Bs、Cs、Ds、Es五相输出电刷，输出电刷与变流环滑动电接触，输出电刷的输出端子A、B、C、D、E通过引线与多相永磁同步电机定子绕组连接。

所述的控制器，其特征在于，所述电子换向五相机械逆变器变流环的圆弧集电片是非等几何角结构，其正集电片Pj、负集电片Nj、换向集电片Qj在变流环圆周上几何角的分割关系是：Ω(Pj、Nj)＝360°/P-360°/2W，ΩQj＝360°/2W(式中：P电机的极数、W电机的相数)。

本发明采用五相永磁同步电机使电动汽车获得较高的效率，转矩脉动明显减小，普通三相绕组电机每60°换向一次，转矩脉动0.826∶1，本发明五相绕组电机每隔36°换向一次，转矩脉动为0.96∶1，控制器的成本也比三相电子逆变器有明显下降。因此本发明既提高的电动汽车的性能又降低了电动汽车的成本。

本发明的目的通过以下附图进一步说明。

图1是电动汽车五相永磁同步驱动电机速度控制器电路示意图

图2是机械变流器机械变流子的电气示意图

图3是五相电机信号片结构示意图

图4是机械变流子与同步电机安装示意图

图4(C)是变流环集电片几何分割示意图

图5是电子换向机械逆变器换相等效电路示意图

参见图1，为电动汽车五相永磁同步驱动电机速度控制器电路示意图，本发明电动汽车五相永磁同步驱动电机控制器，包括蓄电池直流电源E、斩波调压器TYQ、制动电路ZD、电子换向多相机械逆变器NBQ、五相永磁同步电机BDCM构成。

蓄电池直流电源E由多组动力蓄电池串、并联构成与电动汽车动力需要相适应的电池组，蓄电池可分别采用铅蓄电池，镍氢电池，锂离子动力电池等。

斩波器调压器TYQ该调压器由功率元件G1(绝缘栅极晶体管IGBT)和门极驱动电路M1、滤波电路L、C、斩波控制单元ZBKZ构成，该调压器TYQ的输入连接在动力蓄电池，输出连接制动电路ZD、电子换向多相逆变器NBQ；该调压器用于调节供给逆变器的直流电压；斩波调压控制是以单片机为核心的斩波控制单元ZBKZ通过采样司机速度踏板位移产生的电压信号，经单片机处理，产生高频脉宽调制(PWM)信号，通过门极驱动电路M1驱动G1的控制极，控制G1工作在脉宽调制(PWM)开关状态，调节输出电压。

制动电路构成ZD，该制动电路包括功率半导体元件绝缘栅极晶体管(IGBT)G2、制动电阻R构成，用于车辆的减速制动；通过采样司机制动踏板位移产生的电压信号，经单片机为核心斩波控制单元ZBKZ的处理，产生高频脉宽调制(PWM)信号，通过门极驱动电路M2驱动G2的控制极，控制G2工作在脉宽调制(PWM)开关状态，控制再生制动力矩。

电子换向五相机械逆变器NBQ该逆变器由电子换向桥HXQ和机械变流器JBQ构成，电子换向五相机械逆变器在机械变流器的变流子与五相永磁同步电机转子同轴旋转状态下变换相位，传导电流，电子换向桥承担机械变流过程为机械变流器提供等电位换相条件和分时为五相负载电压换向的功能，机械变流器在电子换向桥的配合下将斩波调压器输出的直流电逆变为五相交流电，为五相永磁交流同步电机提供五相交流电源。

参见图1，电子换向桥HXQ由Tp、Tn两个单元的GTR功率模块构成的电子开关和由信号片XP、检测元件JC、整形放大电路MQ、门极驱动单元M3、M4构成；JC检测反映五相永磁同步电机转子位置的信号片XP信号，通过设定透光信号、或遮光信号，一般整定为亮光时MQ驱动Tp导通，使电子换向桥Q点电位为正，暗光时MQ驱动Tn导通，Q点电位为负。信号检测也可以磁—电式结构。参看图3，光电信号片XP是有5个透光区和五个遮光区圆片，透光区TG与遮光区ZG的设置与电机的相数、极对数对应，5个透光区和五个遮光区对应于一对极的五相永磁同步电机，电机的极对数增加，透光区、遮光区成倍数增加。信号片XP与机械变流器的变流子，同步电机转子同轴连接，反映的机械变流子与同步电机转子磁极的对应位置。电子换向桥承担机械变流器在变流过程中为各相负载电压换向功能，保证机械变流器的等电位条件下换相，使机械变流器在换相过程不产生电磁性换向火花。

参见图2、图4，五相机械变流器JBQ是一个机械结构的电器部件，该变流器同轴安装在五相交流永磁同步电机转子轴的风扇轴端；该变流器包括旋转的变流子和相对静止的、与变流子相应部位滑动接触的输入、输出电刷。在变流子上安有三个集电环和一个变流环，彼此相互电绝缘，三个集电环分别是：正集电环Hp，换向集电环Hq，负集电环Hn。与之有相应滑动接触的输入电刷是：与Hp接触的是正输入电刷Sp，与Hq接触的是换向输入电刷Sq，与Hn接触的是负输入电刷Sn。以上的输入电刷与集电环构成机械变流器的电输入部分。在变流子的另一部位安有一个变流环，变流环是由多块弧形集电片围成的一个圆环，变流环可以根据需要在圆周上设置为一组片结构，两组片结构，或多组片结构，变流环上集电片的组数与永磁同步电机的极对数对应，一个极对数对应于一组片。每组片结构的变流环有四块集电片，分别以正集电片Pj，换向集电片Qj，负集电片Nj，换向集电片Qj依次相间排列；在Pj与Nj之间，都有一片Qj嵌入其中，在各片集电片之间有绝缘槽δ将片与片之间进行电隔离。参见图4C，变流环的集电片是非等几何角结构，Pj、Nj与Qj在变流环圆周上几何角的分割关系是：

Ω(Pj、Nj)＝360°/P-360°/2W，ΩQj＝360°/2W(式中：P电机的极数、W电机的相数)。

各个集电环与变流环对应的集电片在变流子内部由导线电连接，正集电环Hp连接正集电片Pj，负集电环Hn连接负集电片Nj，换向集电环Hq连接换向集电片Qj。在变流环的圆周上有As、Bs、Cs、Ds、Es五相输出电刷按72°的几何角均匀地分布在变流环的圆周上，与变流环的集电片滑动接触传导电流。输出电刷的输出端子A、B、C、D、E通过引线与多相永磁同步电机定子绕组连接。

变流子与交流永磁同步电机同轴旋转，在变流子旋转过程中，各相输出电刷传导输出与各自接触的集电片对应的电位，输出电刷与Pj接触传导正电位，与Nj接触传导负电位，与Qj接触时是传导换向桥Q点的电位。换向桥Q点电位取决于换向桥上所导通的电子开关Tp或Tn，当换向桥的Tp导通，Q点是正电位，Q点电位通过Sq、Hq传导到变流环的Qj，输出电刷在Qj上传导的是正电位，当换向桥的Tn导通，Q点是负电位，输出电刷在Qj上传导的是负电位。并且在变流子旋转过程中保证这样一种重要关系：参见图5，输出电刷从与正集电片Pj移入换向集电电片Qj(或者从换向集电片Qj移入正集电片Pj)之前，换向桥的Tp导通，Q点正电位，使Qj与Pj同为正电位，输出电刷在Pj和Qj同为正电位，Pj与Qj只相差Tp管压降的准等电位的条件下，才开始跨越绝缘槽δ，进行片间移动，这个移动过程有两相同时进行，参见图5(a)其中的一相输出电刷从Pj移入Qj，而另一相则从Qj移入Pj，集电片上所接触的电刷变换了一相；输出电刷从与Nj移入Qj(或者从Qj移入Nj)，则换向桥的Tn导通，参见图5(b)，Q点为负电位，使Nj、Qj同为负电位的条件下跨越绝缘槽δ，进行片间移动，这个移动过程有两相同时进行，其中的一相输出电刷从Nj移入Qj，而另一相则从Qj移入Nj，所在的集电片上变换了一相接触电刷，但是在此期间，输出电刷连续传导电流，各相负载既没有电压的极性的改变也没有电流的方向的改变，只是集电片所接触的电刷由原先接触的该相移出，另一相电刷移入，因此电子换向机械逆变器把这个机械相位改变过程称之为换相。在其中的一相输出电刷完全移入Qj，其中的另一相输出电刷完全移出Qj后，即完成了机械换相，机械换相结束后，电子换相桥开始为负载电压换向：电子换向桥HXQ的电子开关开始换向，改变Q点的输出电压极性，原先换向桥上导通的电子开关转为关断，原先关断的转为导通，使在换向集电片上该相输出电刷改变输出电压极性，实现为该相负载电压换向。电子换向桥HXQ上的Tp导通或Tn导通，则由JC检测到XP所反映的永磁同步电机的转子磁极位置决定，Tp导通或者Tn只是1或0两态变化，光电受光元件则反映亮光和暗光，在设计制造中可以整定为亮光Tp导通，Q点为正，暗光Tn导通，Q点为负。由此可见，电子换向机械逆变器的换相，是各相负载电刷在电子换向桥的保证等电位条件下机械接触相位的变化，而负载电压换向是电子换向桥静态开关的通断变化，电压极性的改变。

本发明通过改变斩波调压器的输出电压调节施加给电机的电压，从而改变电机的电磁力矩，保持了直流电机的调节特性；通过电子换向五相机械逆变器把斩波器输出的直流电压逆变为五相交流电压，供给五相永磁同步电机，使电机的转矩脉动明显减小，大大地改善了电动汽车的机械性能。本发明电子换向五相机械逆变器用两单元的功率半导体器件和机械变流器实现五相逆变，比纯电子五相逆变器少用了八个单元的功率半导体器件，控制器的成本预计可以降低50％，为电动汽车商品化进程提供一个经济实用的新技术。

Claims (3)

1、一种电动汽车五相交流永磁同步驱动电机速度控制器，其特征在于，所述控制器包括：

斩波调压器TYQ，该调压器包括功率半导体元件绝缘栅双极晶体管IGBT构成的斩波开关G1、滤波电路(L、C)、和门极驱动电路M1、电压调节控制电路ZBKZ构成，该调压器连接在动力蓄电池E和电子换向多相机械逆变器NBQ之间，用于调节供给逆变器的直流电压；

制动电路ZD，该制动电路包括功率半导体元件绝缘栅极晶体管G2、制动电阻R构成，用于车辆的减速制动；

电子换向五相机械逆变器NBQ，该逆变器的输入连接斩波调压器直流电压输出母线P、N端，逆变器的五相输出(A、B、C、D、E)连接五相交流永磁同步电机定子绕组，该逆变器用于将斩波调压输出的直流电逆变为五相交流电，为五相交流永磁同步电机提供五相交流电源。

2、所述的控制器，其特征在于，所述电子换向五相机械逆变器NBQ包括：电子换向桥HXQ和五相机械变流器JBQ；

电子换向桥HXQ，所述电子换相桥由两单元半导体功率器件大功率晶体三极管GTR构成的电子开关TP、TN及门极驱动电路Mp、Mn、信号放大整形电路MQ、信号检测单元XP、JC构成，电子换向桥用于为所述多相机械逆变器输出电刷在变流环上片间移动提供等电位换相条件，分时为各相负载进行电压换向；

五相机械变流器JBQ，所述五相机械变流器同轴安装在五相交流永磁同步电机转子轴的风扇轴端；该变流器JBQ包括随电机转子同轴旋转的变流子、和相对静止、与变流子对应位置接触的各个输入、输出电刷，变流子上输入部分有正集电环Hp、换向集电环Hq、负集电环Hn，对应与之接触的分别是：正输入电刷Sp、换向输入电刷Sq、负输入电刷Sp；正输入电刷引线端子与电子换向桥P点连接，负输入电刷引线端子与电子换向桥N点连接，换向输入电刷引线端子与电子换向桥Q点连接；变流子的输出部分是变流环和与之接触的多相输出电刷；变流环是由四片或四的倍数的弧形导电片围成一个圆环，其顺序为正片、换向片、负片、换向片循环，变流环导电片四的倍数片与多相永磁同步电机转子的极对数对应，即由正片、换向片、负片、换向片四片为一组片对应于同步电机的N、S一对极，片间均由绝缘δ隔离，δ绝缘厚度很小于输出电刷的厚度。变流环的导电片与相应的集电环电连接，正片与正集电环电连接，换向片与换向集电环电连接，负片与负集电环电连接，在变流环的圆周上按72°几何中心线均布As、Bs、Cs、Ds、Es五相输出电刷，输出电刷与变流环滑动电接触，输出电刷的输出端子A、B、C、D、E通过引线与五相永磁同步电机定子绕组连接。

3、所述的控制器，其特征在于，所述电子换向五相机械逆变器变流环的圆弧集电片是非等几何角结构，其正集电片Pj、负集电片Nj、换向集电片Qj在变流环圆周上几何角Ω的分割关系是：Ω(Pj、Nj)＝360°/P-360°/2W，ΩQj＝360°/2W(式中：P电机的极数、W电机的相数)。

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