CN201667630U

CN201667630U - 一种无刷直流电机及其控制装置和使用它的机动车

Info

Publication number: CN201667630U
Application number: CN2010201291533U
Authority: CN
Inventors: 赵勇杰
Original assignee: LIDE INTERNATIONAL ENTERPRISES Ltd
Current assignee: Heshan city somp electromechanical Co. Ltd.
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-02-11

Abstract

一种无刷直流电机控制装置，包括输入及显示模块、通信模块、CPU控制模块、方波及正弦波发生器模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、整流三相逆变及IGBT驱动保护模块，其特征在于所述CPU控制模块由一个主控CPU和多个副CPU组成，其中输入及显示模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、方波及正弦波发生器模块分别设置有各自独立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和协调下对所有的事件进行并行处理以提高运行速度和响应速度。本实用新型的目的是提供一种具有多CPU并行处理能力，并能在环境较为苛刻(如高温、高湿、灰尘、空间狭小等)条件下工作且安装简单方便，可靠性高的无刷直流电机及其控制装置和使用它的机动车。

Description

一种无刷直流电机及其控制装置和使用它的机动车

技术领域

本实用新型涉及一种无刷直流电机及其控制装置以及一种使用所述无刷直流电机的机动车。

背景技术

“轮毂”电机可以直接安装在交通和运输工具的车轮之上，它能为交通工具提供瞬时的扭力，同时大大提高动力效率。而电动机动车的性能优劣主要取决于电池系统和电机及其控制系统两方面的技术，其中，电机要求瞬时功率大、过载能力强、加速性能好和使用寿命长。然而，一般都存在电机转矩不足，而且在长时间有载运行中电机易发热，永磁体磁性能弱化等缺点，制约了纯电动或者混合动力交通和运输工具的发展。

而现在的无刷直流电机一般包括具有永磁体的转子组件和具有用于多相的驱动线圈的定子组件及其控制装置，同时这种无刷直流电机的控制装置的主控部分一般是采用单一的CPU的数据处理及控制模式，造成处理速度相对较慢，不能满足产品的较繁复工作和及时的数据处理的需求，而且这种控制装置的电机位置及转速的检测一般是通过光栅编码器来实现的，但因光栅编码器存在安装复杂、可靠性较低、适用环境差的缺点，使得其使用效果不是十分理想，不能满足日益进步的社会需要。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题的存在，提供一种具有多CPU并行处理能力，并能在环境较为苛刻(如高温、高湿、灰尘、空间狭小等)条件下工作且安装简单方便，可靠性高的无刷直流电机及其控制装置和使用它的机动车。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无刷直流电机控制装置，包括输入及显示模块、通信模块、CPU控制模块、方波及正弦波发生器模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、整流三相逆变及IGBT驱动保护模块，其特征在于所述CPU控制模块由一个主控CPU和多个副CPU组成，其中输入及显示模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、方波及正弦波发生器模块分别设置有各自独立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和协调下对所有的事件进行并行处理以提高运行速度和响应速度。

其中为更好地保证其电机位置及转速检测的可靠性，上述霍尔传感器检测及运算处理模块包括用于检测电机转子位置与转速的通过线路板嵌入在电机转子中的二对或二对以上按极性间序排列呈圆周分布霍尔传感器；

用于将各霍尔传感器检测到的信号进行放大处理的放大器；

用于将各放大器输出的信号进行模数转换的A/D转换电路；

用于对各A/D转换电路的输出信号进行运算处理而生成电机的模拟位置信号的数字信号处理器DSP；

其中，各霍尔传感器检测到的电机转子位置信号经依序连接的放大器，A/D转换电路数字信号处理器DSP处理后输出到上述主控CPU、输入及显示模块、方波及正弦波发生器模块、通信模块与给定的转速进行运算并产生相应的控制信号，该控制信号再输出整流三相逆变及IGBT驱动保护模块输出所期望的电流及电压来控制驱动电机。

一种具有上述无刷直流电机控制装置的无刷直流电机，该无刷直流电机包括具有永磁体的转子组件和具有用于多相的驱动线圈的定子组件，其特征在于所述定子组件和转子组件为少槽多极结构。其中，上述定子组件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽结构，转子组件为6极或8极或10极或12极或14极或16极或18极或20极结构；上述定子组件为12槽结构，上述转子组件为10极或14极结构。

一种具有上述无刷直流电机的机动车，主要包括机动车车体、安装在机动车车体上的前轮和后轮，且前轮和/或者后轮连接有驱动其转动的“轮毂”电机，“轮毂”电机连接有安装在机动车车体上的供电组件，其特征在于所述电机采用上述无刷直流电机。

本实用新型与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果

(1)一体化设计，集成度高，可靠性强。本实用新型集数据采集，数字信号处理，减少了外部线路物理连接，具有很高的稳定性。

(2)采用多CPU结构实现了在主控CPU模块的控制和协调对所有的事件进行并行处理提高运行速度和响应速度系统。

在电机转子的位置和速度检测采用了霍尔传感器检测运算处理模块与原来的光栅编码器比具有以下优点：

A：输出方式灵活多样

B：360℃可编程角度测量

C：非接触式，高可靠性

D：体积小，易于安装拆卸

E：适合应用于振动，高温，粉尘等各种苛刻工业环境

F：价位低，更适合工控领域大规模应用

以下结合附图详细描述本实用新型的具体实现：

附图说明

图1是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的结构组成示意图；

图2是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的霍尔传感器检测及运算处理模块的结构组成示意图；

图3是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的整流三相逆变有IGBT驱动保护模块的结构组成示意图；

图4是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的主控CPU的结构组成示意图；

图5-1是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Clarke变换结构示意图；

图5-2是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Clarke变换坐标示意图；

图6-1是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Clarke逆变换结构示意图；

图6-2是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Clarke逆变换坐标示意图；

图7-1是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Park变换结构示意图；

图7-2是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Park变换坐标示意图；

图8-1是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Park逆变换结构示意图；

图8-2是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的Park逆变换坐标示意图；

图9-1是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的基本空间矢量分布示意图；

图9-2是本实用新型所述无刷直流电机控制装置的平均空间矢量分布示意图。

具体实施方式

如图1～图9-2所示，本实用新型所述的一种无刷直流电机控制装置，包括输入及显示模块、通信模块、CPU控制模块、方波及正弦波发生器模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、整流三相逆变及IGBT驱动保护模块，其特征在于所述CPU控制模块由一个主控CPU和多个副CPU组成，其中输入及显示模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、方波及正弦波发生器模块分别设置有各自独立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和协调下对所有的事件进行并行处理以提高运行速度和响应速度。其中为更好地保证其电机位置及转速检测的可靠性，上述霍尔传感器检测及运算处理模块包括用于检测电机转子位置与转速的通过线路板嵌入在电机转子中的二对或二对以上按极性间序排列呈圆周分布霍尔传感器；

用于将各霍尔传感器检测到的信号进行放大处理的放大器；

用于将各放大器输出的信号进行模数转换的A/D转换电路；

其中，各霍尔传感器检测到的电机转子位置信号经依序连接的放大器，A/D转换电路数字信号处理器DSP处理后输出到上述主控CPU、输入及显示模块、方波及正弦波发生器模块、通信模块与给定的转速进行运算并产生相应的控制信号，该控制信号再输出整流三相逆变及IGBT驱动保护模块输出所期望的电流及电压来控制驱动电机。此时，

1.输入显示模块主要由LED数码显示器，按键和一个副CPU控制电路组成，主要负责输入各运行参数和显示电机的运行状态和工况。

2.通信模块主要采用RS-485，可通过RS-485使多台电机同上位机进行连接，上位机可读取各台电机的运行状态和工况，分别向各台电机下发各控制命令和参数来改变电极运行速度、方向、启动时间等，从而实现多台电机连动。

3.霍尔传感器检测运算处理模块通过在线路板中嵌入4个或8个呈圆周分布并反极性间序排列的霍尔传感器，采用安装在电机轴正面的磁钢沿直径方向磁化的磁铁，磁铁将在两个成90度的线性霍尔传感器中轴上方旋转运动两路输出信号相位差90度，即提供角度的一个正弦信号和一个余弦信号通过微分放大器起结合在一起正弦和余弦信号被两个ADC转换器数字化并通过数字滤波器减少噪声，DSP转化正弦和余弦信号输出角度和数字量，其特点在于：输出方式灵活多样可输出U/V/W和A/B/Z信号，360℃可编程角度测量，非接触式，高可靠性体积小，易于安装拆卸。适合应用于各种苛刻工业环境。

4.整流三相逆变和IGBT驱动保护模块主要包括：IGBT驱动、过电流保护、欠压过压保护、IGBT逻辑保护电路，整流及功率因素较正电路和三相逆变电路。

5.主控CPU和PID控制模块和方波及正弦波发生器模块

(1)单速度环PID控制

主控CPU主要负责电机转速的PID控制，在电机运行时，从转速测量值中减去转速给定值(期望转速)，PID控制器对转速误差进行处理，其输出作为正弦波幅值的给定控制量。

可通过电压设定转速给定值，而电机转速测量值则根据霍尔效应传感器的反馈信号来计算每隔1毫秒在中断服务程序中执行一次PID转速控制。该中断服务程序将对有符号小数格式的给定转速和电机当前实际转速进行处理。通过从存储器中读出给定转速值减去实际转速值以确定转速误差值，该误差值可确定电机应升速还是减速。为确保电机能够平稳运行，误差值将被解析为比例、积分和微分分量以产生一个合成输出控制量，该输出量用于补偿转速误差。用于产生控制器输出值的公式根据前三次中断中获取的三个误差值当前的转速误差、前一次中断转速误差(1ms前的)和前二次转速误差(2ms前的)进行计算。

(2)磁场定向PID控制

通过一系列坐标变换，可间接确定不随时间变化的转矩和磁通值，并可采用经典的PI控制环对其进行控制。控制过程起始于3相电机电流的测量。实际应用中，三个电流值的瞬时和为零。这样仅测量其中两个电流即可得到第三个电流值。因此，可通过去除第三个电流传感器来降低硬件成本。第一次坐标变换，称为Clarke变换，它将一个3轴、2维的定子坐标系变换到2轴的定子坐标系中如图所示其中ia、ib和ic为各相电流

现在，已使定子电流在一个两坐标轴分别标为α、β的2轴正交系中得以表达。下一步将其变换到另一个正在随着转子磁通旋转的2轴系统中。这种变换就是Park变换，如图所示，该2轴旋转坐标系的坐标轴称为dq轴。

使用三个PI环分别控制相互影响的三个变量。转子转速、转子磁通和转子转矩分别由单独的PI模块控制。

PID控制器的P增益设定整个系统的响应。在初次对控制器进行参数整定时，将I和D增益设置为0。随后可增大P增益，直到系统能够很好地响应设定点的变化，不存在过大超调或振荡。使用较小的P增益值可较“松”地控制系统，而较大的值则会较“紧”地控制系统。此时，系统将有可能不收敛到设定点。选取了合适的P增益后，可缓慢地增加I增益以消除系统的误差。对多数系统而言，只需较小的I增益。如果I增益取值过大，则可能会抵消P项的作用，减缓整个控制系统的响应，并使系统在设定点附近振荡。如果发生振荡，通过减小I增益并增大P增益通常可解决问题。本应用中包含了限制积分饱和的项，当积分误差使输出参数饱和时会产生积分饱和。此时，再增加积分误差将不会影响输出。当累积误差减小时，它必须减小(下降)到导致输出饱和的值以下才能对输出产生影响。Kc系数用于限制这些不会影响输出的累积误差。对于大多数情况，该系数取值可与Ki相同。存在三个相互关联的PI控制环。外环控制电机转速。两个内环分别控制变换后的电机电流Id和Iq。如前所述，Id环控制磁通，而Iq值控制电机转矩。

经过PI迭代后，可获得旋转d-q坐标系的电压矢量的两个分量。这时需要经过逆变换将其重新变换到3相电机电压。首先，需从2轴旋转d-q坐标系变换到2轴静止α-β坐标系。该变换使用了Park逆变换，如图所示。

下一步是将静止2轴α-β坐标系变换到静止3轴3相定子参考坐标系。从数学角度来看，该变换是通过Clarke逆变换来实现的，如图所示。

(3)正弦波发生器

正弦波发生器通过使用空间矢量调制，三相中每一相电压信号的脉宽产生过程将简化为几个简单的公式。三个逆变器输出中的任何一个都将处于以下两个状态之一：连接至+母线轨或-母线轨。因此，如下表所示，输出可具有8种可能的状态。

C	B	A	Vab	Vbc	Vca	Vds	Vqs	矢量
									0	0	0	0	0	0	0	0	U(000)
0	0	1	VDC	0	-VDC	2/3Vdc	0	U0
									0	1	1	0	VDC	-VDC	VDC/3	VDC/3	U60
0	1	0	-VDC	VDC	0	-VDC/3	VDC	U120
									1	1	0	-VDC	0	VDC	-2VDC/3	0	U180
1	0	0	0	-VDC	VDC	-VDC/3	-VDC/3	U240
									1	0	1	VDC	-VDC	0	VDC/3	-VDC/3	U3
1	1	1	0	0	0	0	0	U(111)

所有三相输出全部连接至+母线或-母线的两个状态被认为是无效状态，因为在任意两相之间不存在线电压。这两个状态对应的空间矢量在SVM星型的原点绘出。其余的六个状态表示为六个空间互差60度的基本空间矢量，如图所示

空间矢量调制可采用相邻两个基本空间矢量的矢量和来表征任一合成矢量。在下图中，UOUT是期望的合成矢量。该矢量位于U60和U0之间的区间内。如果在给定的PWM周期T内，U0的输出时间为T1/T而U60的输出时间为T2/T，则整个周期内的平均矢量将为UOUT。

T1和T2的值将从查找表中获取。该表包含0至60电角度之间的172个小数正弦值。因此，对于6个区间中的任何一个区间，将有一个轴与此对应，另外两个轴对称分布在该区间边界。沿这两个边界轴的的矢量分量值等于T1和T2。如下图中所示，在PWM周期T中，矢量T1输出时间为T1/T，矢量T2输出时间为T2/T。在一个周期内的剩余时间内将输出空矢量。

一种具有上述无刷直流电机控制装置的无刷直流电机，该无刷直流电机包括具有永磁体的转子组件和具有用于多相的驱动线圈的定子组件，其特征在于所述定子组件和转子组件为少槽多极结构。其中，上述定子组件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽结构，转子组件为6极或8极或10极或12极或14极或16极或18极或20极结构；上述定子组件为12槽结构，上述转子组件为10极或14极结构。一种上述无刷直流电机的机动车，主要包括机动车车体、安装在机动车车体上的前轮和后轮，且前轮和/或者后轮连接有驱动其转动的“轮毂”电机，“轮毂”电机连接有安装在机动车车体上的供电组件，其特征在于所述电机采用上述无刷直流电机。

上述无刷直流电机包括内转子电机和外转子“轮毂”电机。

Claims

1.一种无刷直流电机控制装置，包括输入及显示模块、通信模块、CPU控制模块、方波及正弦波发生器模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、整流三相逆变及IGBT驱动保护模块，其特征在于所述CPU控制模块由一个主控CPU和多个副CPU组成，其中输入及显示模块、霍尔传感器检测及运算处理模块、方波及正弦波发生器模块分别设置有各自独立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和协调下对所有的事件进行并行处理以提高运行速度和响应速度。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于上述霍尔传感器检测及运算处理模块包括用于检测电机转子位置与转速的通过线路板嵌入在电机转子中的二对或二对以上按极性间序排列呈圆周分布霍尔传感器；

用于将各霍尔传感器检测到的信号进行放大处理的放大器；

用于将各放大器输出的信号进行模数转换的A/D转换电路；

3.一种具有权利要求1至权利要求2任一权项所述无刷直流电机控制装置的无刷直流电机，该无刷直流电机包括具有永磁体的转子组件和具有用于多相的驱动线圈的定子组件，其特征在于所述定子组件和转子组件为少槽多极结构。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电机控制装置的无刷直流电机，其特征在于上述定子组件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽结构，转子组件为6极或8极或10极或12极或14极或16极或18极或20极结构。

5.根据权利要求4所述的无刷直流电机控制装置的无刷直流电机，其特征在于上述定子组件为12槽结构，上述转子组件为10极或14极结构。

6.根据权利要求3至权利要求5任一权项所述无刷直流电机，其特征在于所述无刷直流电机包括内转子电机和外转子“轮毂”电机。

7.一种具有权利要求3至权利要求6任一权项所述无刷直流电机的机动车，主要包括机动车车体、安装在机动车车体上的前轮和后轮，且前轮和/或者后轮连接有驱动其转动的“轮毂”电机，“轮毂”电机连接有安装在机动车车体上的供电组件，其特征在于所述电机采用上述无刷直流电机。