CN203434912U

CN203434912U - 用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器

Info

Publication number: CN203434912U
Application number: CN201320445412.7U
Authority: CN
Inventors: 王亚南; 王银杉; 田景
Original assignee: Huayu Automotive Systems Co Ltd
Current assignee: Huayu Automotive Systems Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2023-07-24

Abstract

一种用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，包括电源电路、主控电路、主驱电路以及接口电路组成，主控电路包括主控芯片、主控芯片监控电路、EEPROM存储电路、力矩检查电路、高压泄放电路、旋变解码电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、硬件保护电路以及通信电路；主驱电路包括驱动电路、三相逆变电路以及电机。利用硬件上实现过压、过流、过温及IGBT故障保护，同时具有主控芯片监控、力矩检查、高压泄放功能的改进型纯电动汽车用大功率永磁同步电机控制器，解决了软件处理延时、保护失效等问题，同时完成主控芯片工作状态的监控、电机力矩的无位置检测，保证电机的正常运行。

Description

用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器

技术领域

本实用新型涉及电学领域，尤其涉及电机控制器，特别是一种用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器。

背景技术

永磁同步电机控制器是用于动力蓄电池组与电机间能量转换的控制装置，是纯电动汽车的驱动核心，其主要由电源电路、主控电路、主驱电路以及接口电路等组成。为提高纯电动汽车行驶时的安全可靠性，控制器应对直流母线过压信号、直流母线过流信号、三相电流过流信号、电机过温信号、IGBT过温及IGBT故障信号进行实时监测，并需要根据故障信号及时做出处理。现有技术中，控制器的监测和处理方法是利用主MCU（微控制器）的AD（模数转换）端口对母线电压、母线电流、三相电流、电机温度以及IGBT温度等信号进行实时采样，通过软件计算各信号的数值，判断各信号数值是否在合理区域范围，从而做出正确反应。然而，由于主MCU需要处理的数据比较庞大，处理速度有限，利用软件判断各故障信号时会有一定的时间延迟，极可能造成保护失效等不良现象。目前存在的控制器均不具备符合ISO26262和IEC61508安全应用标准的独立的安全监测芯片，因此不能实现对主MCU的有效监视工作。同时，当汽车停车时，由于接在母线两端的储能电容依然存在着高电压，现有技术中的电机控制器不能放掉储能电容的能量，从而存在着一定的安全隐患。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，所述的这种用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器要解决现有技术中电机控制器主芯片工作速度有限、判断故障信号有时间延迟、不能对储能电容进行放电的技术问题。

本实用新型的这种用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，包括电源电路、主控电路和主驱电路，其中，所述的主控电路中包括主控芯片、监控芯片、EEPROM存储电路、力矩检查电路、高压泄放电路、旋转变压器解码电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路和硬件保护电路，所述的主驱电路中包括驱动电路、三相逆变电路、设置在电机轴上的旋转变压器、设置在电机中的温度传感器，所述的主控芯片包括有电源输入接口、脉宽调制信号输出接口、输入输出接口、模数转换接口和串行外设接口，所述的电源电路与主控芯片的电源输入接口连接，主控芯片的脉宽调制信号输出接口与主驱电路中的驱动电路连接，主控芯片通过串行外设接口分别与所述的监控芯片、EEPROM存储电路和力矩检查电路连接，主控芯片通过输入输出接口分别与所述的高压泄放电路、旋转变压器解码电路和硬件保护电路连接，主控芯片通过模数转换接口分别与所述的电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路连接，电压检测电路又与主驱电路中的三相逆变电路连接，电压检测电路还与硬件保护电路连接，电流检测电路又与主驱电路中三相逆变电路的输出端连接，电流检测电路还与硬件保护电路连接，温度检测电路又与电机中的温度传感器连接，温度检测电路还与硬件保护电路连接，硬件保护电路又与主驱电路中的驱动电路连接，硬件保护电路还与主控芯片的脉宽调制信号输出接口连接，旋转变压器解码电路与旋转变压器连接。

进一步的，所述的主控芯片包括有控制器局域网总线接口。

进一步的，主控芯片的脉宽调制信号输出接口通过一个第一接口电路与主驱电路中的驱动电路连接。

进一步的，旋转变压器解码电路通过一个第二接口电路与旋转变压器连接。

进一步的，三相逆变电路的输出端与一个电机连接。

进一步的，主控芯片通过控制器局域网总线接口、控制器局域网总线与一个上位机连接。

进一步的，硬件保护电路中包括有一个相电流比较器、一个绝缘栅双极晶体管温度比较器、一个母线电流比较器、一个母线电压比较器和一个电机温度比较器。

进一步的，高压泄放电路包括一个光耦隔离器、一个三极管、一个功率场效应晶体管、一个功率电阻器和一个储能电容器，所述的三极管的基极与主控芯片的输入输出接口连接，三极管的集电极与电源的正极连接，三极管的发射极通过所述的光耦隔离器后与所述的功率场效应晶体管的栅极连接，功率场效应晶体管的源极和漏极分别连接在所述的储能电容器的两端，所述的功率电阻器串联在功率场效应晶体管的源极和储能电容器之间，功率电阻器与储能电容器的连接点接地。

本实用新型的工作原理是：旋转变压器与所述电机同轴连接，用于采集电机的转速与转向，旋转变压器的输出信号通过旋转变压器解码电路解码后输入到主控芯片的I/O口。电压检测电路用于检测直流母线电压，电流检测电路利用电流传感器检测直流母线电流和三相电流，温度检测电路利用温度传感器采集驱动电路中IGBT的温度和电机温度，电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路的信号输出端经过放大隔离电路后送入主控芯片的模数转换口，通过模数转换口得到的过压信号、过流信号、过温信号经所述硬件保护电路与PWM输出信号开关连接，直接控制PWM输出信号的接通与断开。监控芯片用于对主控芯片工作状态的监控。EEPROM存储电路实现电机参数的存储及读取。所述力矩检查电路完成对电机力矩的无位置检测，实现电机力矩的安全检查。高压泄放电路通过功率电阻器，将储能电容器两端的能量进行泄放，放电速度的快慢可通过主控芯片发出的开关指令控制功率MOS管的开通/关断频率来控制，为保证信号的抗干扰能力，强弱电之间通过光耦进行隔离。

本实用新型和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本实用新型利用电路实现过压、过流、过温及IGBT故障保护，同时具有主控芯片监控、力矩检查、高压泄放功能，解决了处理延时、保护失效等问题，同时完成主控芯片工作状态的监控、电机力矩的无位置检测，保证电机的正常运行。当汽车停车时，该控制器可将储能电容上的能量释放，消除了安全隐患，保证人员安全。

附图说明

图1是本实用新型的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器的结构原理图。

图2为本实用新型的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器中的硬件保护电路原理框图。

图3为本实用新型的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器中的主控芯片监控原理框图。

图4为本实用新型的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器中的力矩检查电路原理框图。

图5为本实用新型的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器中的高压泄放电路原理框图。

具体实施方式

实施例1:

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实用新型的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，包括电源电路1、主控电路2和主驱电路3，其中，主控电路2中包括主控芯片4、监控芯片5、EEPROM存储电路6、力矩检查电路7、高压泄放电路8、旋转变压器解码电路9、电压检测电路10、电流检测电路11、温度检测电路12和硬件保护电路13，主驱电路3中包括驱动电路14、三相逆变电路15、设置在电机轴上的旋转变压器17、设置在电机M中的温度传感器(图中未示)，主控芯片4包括有电源输入接口VCC、脉宽调制信号输出接口PWM、输入输出接口I/O、模数转换接口AD和串行外设接口SPI，电源电路1与主控芯片4的电源输入接口VCC连接，主控芯片4的脉宽调制信号输出接口PWM与主驱电路3中的驱动电路14连接，主控芯片4通过串行外设接口SPI分别与监控芯片5、EEPROM存储电路6和力矩检查电路7连接，主控芯片4通过输入输出接口I/O分别与高压泄放电路8、旋转变压器17解码电路9和硬件保护电路13连接，主控芯片4通过模数转换接口AD分别与电压检测电路10、电流检测电路11和温度检测电路12连接，电压检测电路10又与主驱电路3中的三相逆变电路15连接，电压检测电路10还与硬件保护电路13连接，电流检测电路11又与主驱电路3中三相逆变电路15的输出端连接，电流检测电路11还与硬件保护电路13连接，温度检测电路12又与电机中的温度传感器连接，温度检测电路12还与硬件保护电路13连接，硬件保护电路13又与主驱电路3中的驱动电路14连接，硬件保护电路13还与主控芯片4的脉宽调制信号输出接口PWM连接，旋转变压器17解码电路9与旋转变压器17连接。

进一步的，主控芯片4包括有控制器局域网总线接口CAN。

进一步的，主控芯片4的脉宽调制信号输出接口PWM通过一个第一接口电路18与主驱电路3中的驱动电路14连接。

进一步的，旋转变压器17解码电路9通过一个第二接口电路19与旋转变压器17连接。

进一步的，三相逆变电路15的输出端与一个电机连接。

进一步的，主控芯片4通过控制器局域网总线接口、控制器局域网总线与一个上位机16连接。

进一步的，硬件保护电路13中包括有一个相电流比较器、一个绝缘栅双极晶体管温度比较器、一个母线电流比较器、一个母线电压比较器和一个电机温度比较器。

进一步的，高压泄放电路8包括一个光耦隔离器20、一个三极管、一个功率场效应晶体管T、一个功率电阻器R和一个储能电容器C，三极管的基极与主控芯片4的输入输出接口I/O连接，三极管的集电极与电源的正极连接，三极管的发射极通过光耦隔离器20后与功率场效应晶体管T的栅极连接，功率场效应晶体管T的源极和漏极分别连接在储能电容器C的两端，功率电阻器R串联在功率场效应晶体管T的源极和储能电容器C之间，功率电阻器R与储能电容器C的连接点接地。

具体的，在本实用新型的一个优选实施例中，电源电路1从外部+12V蓄电池取电，通过隔离、降压转换为+5V、+3.3V以及+1.5V等电源给整个系统供电；旋转变压器17用于采集电机的转速与转向，采集到的数据经外部接口电路、旋变电路将解码后的转速转向信息输入到主控芯片4的I/O口；电压检测电路10用于检测直流母线电压，电流检测电路11利用电流传感器检测直流母线电流、三相电流，温度检测电路12利用温度传感器采集IGBT的温度、电机温度，检测到的电压信号、电流信号、温度信号经过放大隔离电路后送入主控芯片4的AD口，产生的过压信号、过流信号、过温信号经硬件保护电路13直接关断PWM输出信号，及时进行保护，同时将故障信号反应到主控芯片4的I/O口，实现监测；主控芯片4监控电路用于对主控芯片4工作状态的监控；EEPROM存储电路6实现电机参数的存储及读取功能；力矩检查电路7完成对电机力矩的无位置检测，实现电机力矩的安全检查；高压泄放电路8经过连接在储能电容两端的电阻实现电能的释放，而放电速度的快慢决定于主控芯片4的I/O口发出的开关指令频率；通信电路涉及到CAN和SPI两种通信方式，其中CAN通信用于主控芯片4与上位机进行人机交互，SPI通信则实现主控芯片4与主控芯片4监控电路、EEPROM存储电路6及安全力矩检查电路7之间的数据交换。

本实施例中，主控芯片4采用TC1797集成电路，利用旋变电路得到当前电机的转速和转子位置角，同时利用电流检测电路11实时采样得到电机三相相电流，三相相电流进行Clark变换(3s/2s)得到静止坐标系的Iα、Iβ，接着根据当前转子位置角做Park变换得到实际的d、q轴电流。将此电流与上位机通过CAN总线给出的目标转矩和当前转速查询转矩－速度二维表得到Id、Iq的命令值作差，其结果进行PI调节得到d、q轴电压值Vd，Vq，同时对得到的Vd、Vq值进行限幅；由于作用时间的不同，在这里进行Park逆变换前，转子位置角需要补偿，利用补偿后的结果进行Park-1得到Vα、Vβ，从而确定扇区，计算所需的占空比，经过SVPWM调制来控制电机旋转。

如图2所示，主控芯片4的PWM输出信号经过外部接口电路、驱动电路14、三相逆变电路15与永磁同步电机连接；利用电压传感器检测到的直流母线电压VDC，利用电流传感器检测到的直流母线电流IDC、相电流PHASEU_CURRENT，利用温度传感器采集到的IGBT温度AI_TEMP_IGBT、电机温度MOTOR_TEMP，经过放大隔离电路后送入主控芯片4的AD口，同时接入图2硬件保护电路13，直流母线电压VDC、直流母线电流IDC、相电流PHASEU_CURRENT、IGBT温度AI_TEMP_IGBT和电机温度MOTOR_TEMP分别与参考值VREF_VDC、VREF_IDC、VREF_CURRENT、VREF_TEMP1和VREF_TEMP2进行比较，当控制器正常状态时，各级运放输出为正，与门后输出HARDWARE_SHUTDOWN为高电平，PWM信号正常输出，一旦出现过压、过流、过温其中任何一种故障，该级运放输出为负，与门后输出HARDWARE_SHUTDOWN为低电平，该低电平将直接关断PWM输出，从而立即实现硬件保护。

通常，一套安全系统需要一个符合ISO26262和IEC61508安全应用标准的独立的安全监测芯片，来完成对主控制器的有效监视工作。本实用新型为保证主控芯片4TC1797正常工作，采用英飞凌公司的CIC61508芯片实现有效监控。如图3所示，CIC61508芯片通过检测主芯片供应电源判断主控芯片4是否工作正常，同时与主控芯片4进行SPI通信，完成数据交换。CIC61508作为独立的诊断监测器件，需要单独加+3.3V工作供电电源。CIC61508中的SEN端口连接到主控芯片4的电源输入端VCC。

如图4所示，力矩检查主芯片采用英飞凌公司的XC2734集成电路。利用电流传感器检测到的U相电流、V相电流和W相电流，经过放大隔离电路后送入XC2734集成电路的AD口，XC2734集成电路利用检测到的电流建立永磁同步电机可调数学模型，比较可调模型与实际模型的输出量的差值，通过模型参考自适应的控制方法，使两者差值为零，继而从含位置、转速信息的电量将电机位置、转速信息提取出来，实现电机的无位置检测。XC2734集成电路检测到的电机位置、转速信息通过SPI总线与主控芯片4TC1797进行数据交换，从而确保电机力矩的安全精准。

当汽车停车时，由于接在直流母线两端的储能电容器C存在着高压，该高压可高达380V，为防止人员误碰，造成安全事故，停车后必须将该能量释放。如图5所示，高压泄放电路8通过功率电阻器R，将储能电容器C两端的能量进行泄放，而放电速度的快慢可以通过主控芯片4TC1797发出的开关指令控制功率MOS管的开通/关断频率来控制。为保证信号的抗干扰能力，强弱电之间通过光耦进行隔离。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，包括电源电路、主控电路和主驱电路，其特征在于：所述的主控电路中包括主控芯片、监控芯片、EEPROM存储电路、力矩检查电路、高压泄放电路、旋转变压器解码电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路和硬件保护电路，所述的主驱电路中包括驱动电路、三相逆变电路、设置在电机轴上的旋转变压器、设置在电机中的温度传感器，所述的主控芯片包括有电源输入接口、脉宽调制信号输出接口、输入输出接口、模数转换接口和串行外设接口，所述的电源电路与主控芯片的电源输入接口连接，主控芯片的脉宽调制信号输出接口与主驱电路中的驱动电路连接，主控芯片通过串行外设接口分别与所述的监控芯片、EEPROM存储电路和力矩检查电路连接，主控芯片通过输入输出接口分别与所述的高压泄放电路、旋转变压器解码电路和硬件保护电路连接，主控芯片通过模数转换接口分别与所述的电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路连接，电压检测电路又与主驱电路中的三相逆变电路连接，电压检测电路还与硬件保护电路连接，电流检测电路又与主驱电路中三相逆变电路的输出端连接，电流检测电路还与硬件保护电路连接，温度检测电路又与电机中的温度传感器连接，温度检测电路还与硬件保护电路连接，硬件保护电路又与主驱电路中的驱动电路连接，硬件保护电路还与主控芯片的脉宽调制信号输出接口连接，旋转变压器解码电路与旋转变压器连接。

2.如权利要求1所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：所述的主控芯片包括有控制器局域网总线接口。

3.如权利要求1所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：主控芯片的脉宽调制信号输出接口通过一个第一接口电路与主驱电路中的驱动电路连接。

4.如权利要求1所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：旋转变压器解码电路通过一个第二接口电路与旋转变压器连接。

5.如权利要求1所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：三相逆变电路的输出端与一个电机连接。

6.如权利要求2所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：主控芯片通过控制器局域网总线接口、控制器局域网总线与一个上位机连接。

7.如权利要求1所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：硬件保护电路中包括有一个相电流比较器、一个IGBT温度比较器、一个母线电流比较器、一个母线电压比较器和一个电机温度比较器。

8.如权利要求1所述的用于纯电动汽车的大功率永磁同步电机控制器，其特征在于：高压泄放电路包括一个光耦隔离器、一个三极管、一个功率场效应晶体管、一个功率电阻器和一个储能电容器，所述的三极管的基极与主控芯片的输入输出接口连接，三极管的集电极与电源的正极连接，三极管的发射极通过所述的光耦隔离器后与所述的功率场效应晶体管的栅极连接，功率场效应晶体管的源极和漏极分别连接在所述的储能电容器的两端，所述的功率电阻器串联在功率场效应晶体管的源极和储能电容器之间，功率电阻器与储能电容器的连接点接地。