CN203645588U

CN203645588U - 基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统

Info

Publication number: CN203645588U
Application number: CN201420027390.7U
Authority: CN
Inventors: 周美兰; 苏革航
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2024-01-16

Abstract

基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，它属于汽车能量管理及无刷直流电机控制领域。它为解决现有的纯电动汽车制动时不能有效的回收汽车在制动过程中产生的能量的问题。它包括驱动隔离电路和控制器，它还包括电池模块、保护电路和变流电路，所述变流电路为双向变流电路；保护电路串联在所述电池模块的电源端与变流电路的两个直流信号端之间，所述变流电路输出无刷直流电机的驱动信号；控制器输出的无刷直流电机的控制信号通过驱动隔离电路输出给变流电路。它可用于纯电动汽车中。

Description

基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及基于汽车再生制动的无刷直流电机控制领域，属于汽车能量管理及无刷直流电机控制领域。

背景技术

我国是全球汽车消费的第一大国，但随着不可再生能源的日益枯竭和石油价格的不断增长，随之而来的环境也进入到了大家的视野。如何让汽车更环保，更节能，在这一要求下，新能源汽车逐步成为了汽车行业的发展方向。对于新能源汽车而言,纯电动汽车是目前的研究热点。但是由于目前电池容量技术的受限，纯电动汽车的续航问题一直是业内难以攻克的问题。再生制动系统可以有效地回收汽车在制动过程中所产生的能量，并将其储存在汽车的电源模块中。无刷直流电机由于其效率高、噪声小、寿命长、启动转矩大等优点，我们选择其为系统的主控电机，并为其设计了基于再生制动系统的电机控制器。

现有的纯电动汽车制动时不能有效的回收汽车在制动过程中产生的能量的问题。（这句话说的太绝对，应该删去，现有纯电动汽车可以回收制动能量，只是和我的方法不一样）

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有的纯电动汽车制动时不能有效的回收汽车在制动过程中产生的能量的问题，而提出了基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统。

基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，它包括驱动隔离电路和控制器，其特征在于，它还包括电池模块、保护电路和变流电路，所述变流电路为双向变流电路；

保护电路串联在所述电池模块的电源端与变流电路的两个直流信号端之间，所述变流电路输出无刷直流电机的驱动信号；控制器输出的无刷直流电机的控制信号通过驱动隔离电路输出给变流电路。

本实用新型是在现有无刷直流电机控制系统的基础之上，将变流电路设计为双向变流电路，即：在正常工作状态，控制器控制变流电路将电池输出的直流电信号转换成驱动无刷直流电机工作的三相交流电信号驱动无刷直流电机工作，在制动系统启动时，控制器控制变流电路将无刷直流电机输出的三相交流电信号转换成直流信号给电池充电，实现能量回收。达到纯电动汽车制动时有效的回收汽车在制动过程中产生的能量问题，能量回收率同比增加了3倍以上。本实用新型可用于纯电动汽车中。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的基于再生制动系统的无刷直流电机控制系统的原理框图；

图2是具体实施方式四所述的保护电路的原理图；

图3是具体实施方式五所述的变流电路的原理图；

图4是具体实施方式六所述的驱动隔离电路的原理图；

图5是具体实施方式七所述的电流检测电路的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，它包括驱动隔离电路4和控制器6，其特征在于，它还包括电池模块9、保护电路1和变流电路2，所述变流电路2为双向变流电路；

保护电路1串联在所述电池模块9的电源端与变流电路2的两个直流信号端之间，所述变流电路2输出无刷直流电机的三相交流电驱动信号；控制器6输出的无刷直流电机的控制信号通过驱动隔离电路4输出给变流电路2。

本实施方式是在现有无刷直流电机控制系统的基础之上，将变流电路2设计为双向变流电路，即：在正常工作状态，控制器控制变流电路2将电池输出的直流电信号转换成驱动无刷直流电机工作的三相交流电信号驱动无刷直流电机工作，在制动系统启动时，控制器控制变流电路2将无刷直流电机输出的三相交流电信号转换成直流信号给电池充电，实现能量回收。控制变流电路的方法为现有方法就能实现。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统的不同点在于，它还包括电流检测电路5，所述电流检测电路5用于采集变流电路2输出的无刷直流电机的驱动信号的电流，并将采集的电流信号转换成数字信号发送给控制器6。

本实施方式提供了采集无刷直流电机的驱动信号电流值的电流检测电路，实现对无刷直流电机的工作电流进行实时采集，进而可以根据无刷直流电机的实际工作电流调整无刷直流电机的驱动信号，所述根据无刷直流电机的实际工作电流调整无刷直流电机的驱动信号的方法是现有方法。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统的不同点在于，它还包括速度检测电路7，该速度检测电路7用于采集无刷直流电机的转速，并将采集结果发送给控制器6。

本实施方式提供的速度检测电路7可以采用速度传感器实现。

本实施方式增加了用于检测速度的速度检测电路7，可以实现转速闭环。所述转速闭环控制方法采用现有方法即可实现。

具体实施方式四、结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统的不同点在于，保护电路1包括电路a和电路b，电路a包括温度开关P1、5V电源、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D3、二极管D4、二极管D5、极性电容C1、极性电容C2、电位器P2和运算放大器U2，

温度开关P1的1接口连接5V电源，温度开关P1的3接口同时连接电阻R3的一端和二极管D3的阳极，电阻R3的另一端连接电源地，二极管D3的阴极同时连接二极管D4的阴极、二极管D5的阳极和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电源地，二极管D4的阳极同时连接电阻R4的一端和运算放大器U2的输出端，电阻R4的另一端连接5V电源，运算放大器U2的双相电源正极连接5V电源，运算放大器U2的双相电源负极连接电源地，运算放大器U2的正相输入端同时连接极性电容C1的正极和电阻R2的一端，极性电容C1的负极连接电源地，运算放大器U2的负相输入端同时连接极性电容C2的正极和电位器P2的2端口，极性电容C2的负极同时连接电源地和电位器P2的3端口，电位器P2的1端口连接5V电源，R2的另一端为电路a的输入端，二极管D5的阴极为电路a的输出端，

电路a和电路b结构相同，电路a的输入端连接电路b的输出端，电路a的输出端连接电路b的输入端，

电路a的输入端为保护电路1的电源信号输入端，电路a的输出端为保护电路1的直流信号输出端。

本实施方式中的保护电路1包含了温度保护和过流保护。如图2所示，图中的温度开关P1用来检测运算放大器U2的温度，一旦温度超过75℃，温度开关闭合，输出信号请求停车。当系统过流时，检测的电流信号经过电阻转变成电压信号与电位器设定值进行比较，超过设定的上限值，比较器输出信号将系统掉电。保护电路1一方面保证了系统的双向运行，一方面对系统进行了双向保护。

具体实施方式五、结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统的不同点在于，所述变流电路2包括：一号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ1、二号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ2、三号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ3、四号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ4、五号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ5、六号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ6、一号二极管D5、二号二极管D6、三号二极管D7、四号二极管D8、五号二极管D9、六号二极管D10和电容C3；

一号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ1的栅极、二号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ2的栅极、三号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ3的栅极、四号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ4的栅极、五号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ5的栅极和六绝缘栅双极型晶体管IGBTQ6的栅极均为变流电路2的交流信号输出端，

一号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ1的集电极同时连接一号二极管D5的阴极、三号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ3的集电极、二号二极管D6的阴极、五号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ5的集电极、三号二极管D7的阴极和电容C3的一端，

四号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ4的发射极同时连接四号二极管D8的阳极、六号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ6的发射极、五号二极管D9的阳极、二号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ2的发射极、六号二极管D10的阳极和电容C3的另一端，

一号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ1的集电极和四号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ4的发射极连接，作为变流电路2的电源输入/输出端，

一号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ1的发射极同时与一号二极管D5的阳极、四号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ4的集电极和四号二极管D8的阴极连接，作为变流电路2的驱动信号输入/输出端，

三号NPN型二极管Q3的发射极同时与二号二极管D6的阳极、六号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ6的集电极和五号二极管D9的阴极连接，作为变流电路2的驱动信号输入/输出端，

五号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ5的发射极同时与三号二极管D7的阳极、二号绝缘栅双极型晶体管IGBTQ2的集电极和六号二极管D10的阴极连接，作为变流电路2的驱动信号输入/输出端。

本实施方式中电路中的二极管是根据再生制动系统时，因整流需要而进行参数匹配的。这样该电路就实现了逆变和整流两种功能，实现了电机的电动状态和发电状态共用一套装置。其中，在逆变状态下工作时，给绝缘栅双极型晶体管IGBT发送的是SPWM波，在进行整流时，绝缘栅双极型晶体管IGBT是关断的，参见4所示。

具体实施方式六、结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统的不同点在于，所述驱动隔离电路4采用型号为IR2130的驱动芯片U1实现的，该电路包括：15V电源、十一号二极管D11、滑动电阻R7、八号电阻R8、九号电阻R9、十号电阻R10、十一号电阻R11、十二号电阻R12、十三号电阻R13和十四号电阻R14，

型号为IR2130的驱动芯片U1的1号引脚同时连接15V电源和十一号二极管D11的阳极，

型号为IR2130的驱动芯片U1的2号引脚、3号引脚、4号引脚、5号引脚、6号引脚和7号引脚均为驱动隔离电路4的驱动信号输入端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的9号引脚连接滑动电阻R7的第一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的12号引脚同时连接滑动电阻R7的第二端、八号电阻R8的一端和电源地，

型号为IR2130的驱动芯片U1的13号引脚同时连接滑动电阻R7的第三端和八号电阻R8的另一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的14号引脚连接十四号电阻R14的一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的15号引脚连接十三号电阻R13的一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的16号引脚连接十二号电阻R12的一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的19号引脚连接十一号电阻R11的一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的20号引脚同时连接24号引脚、28号引脚和十一号二极管D11的阴极，

型号为IR2130的驱动芯片U1的23号引脚连接十号电阻R10的一端，

型号为IR2130的驱动芯片U1的27号引脚连接九号电阻R9的一端，

十三号电阻R9的另一端、十号电阻R10的另一端、十一号电阻R11的另一端、十二号电阻R12的另一端、十三号电阻R13的另一端和十四号电阻R14的另一端均为驱动隔离电路4的驱动信号输出端。

本实施方式中的型号为IR2130的驱动芯片，可以驱动六个全部功率开关管。参见图4。

具体实施方式七、结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统的不同点在于，所述电流检测电路5采用型号为ADS1115的A/D转换芯片实现的，该电路包括：3.3V电源、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、运算放大器U4和运算放大器U5，

ADS1115的A/D转换芯片的1号引脚和3号引脚均连接电源地，

ADS1115的A/D转换芯片的4号引脚连接电阻R19的一端，R19的另一端同时连接电阻R17的一端和运算放大器U5的输出端，运算放大器U5的双相电源正极连接电源，运算放大器U5的双相电源负极同时连接电阻R18的一端和电源地，运算放大器U5的负向输入端连接电阻R18的另一端，运算放大器U5的正向输入端同时连接电阻R16的一端和电阻R17的另一端，电阻R16的另一端同时连接电阻R14的一端和运算放大器U4的输出端，运算放大器U4的双相电源正极连接电源，运算放大器U4的双相电源负极同时连接电源地和电阻R15的一端，运算放大器U4的正相输入端同时连接电阻R14的另一端和电阻R13的一端，运算放大器U4的负相输入端连接电阻R15的另一端，电阻R13的另一端为电流检测电路5的驱动信号输入端，

ADS1115的A/D转换芯片的8号引脚同时连接3.3V电源、电阻R20的一端和电阻R21的一端，

ADS1115的A/D转换芯片的9号引脚连接电阻R21的另一端，电阻R21的另一端为电流检测电路5的控制信号输出端，

ADS1115的A/D转换芯片的10号引脚连接电阻R20的另一端，电阻R20的另一端为电流检测电路5的控制信号输出端。

本实施方式中，电流检测电路参见图5所示，采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值和功率的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来获取直流回路的电流。然后检测三相绕组的相电压，通过相电压的相互关系确定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。选用高精度A/D转换芯片ADS1115进行数据处理，通过I²C总线与外接电路相连，完成电流闭环。

本实用新型的优点：1、该系统是电机控制器和能量管理一体化设计，即电机在电动状态下和发电状态下共用一套电路，使得电源和电机之间的双向能量传输通过一套装置就可以实现。2、电机控制器部分采用了SPWM控制策略，提高了电池的利用率，反馈方面采用电流转速双闭环系统，使得电机调速响应快，运行稳定，控制方便。电路中还设计了保护电路，保证了系统可以安全可靠地运行。

工作原理：本实施方式中，当汽车正常行驶时，电机工作在电动状态，把电能传递给变流电路，此时的变流电路工作在逆变状态，电流检测电路和速度检测电路分别检测无刷直流电机上的电流和电机转速，把电流和电机转速传送给信号处理电路,信号处理电路进行调控通过驱动隔离电路更好的驱动无刷直流电机的运行；当汽车再生制动时，电池模块将发出的电能传递给变流电路，此时的变流电路工作在整流状态，将无刷直流电机电动时输出的电能给电源模块进行充电。

Claims

1.基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，它包括驱动隔离电路（4）和控制器（6），其特征在于，它还包括电池模块（9）、保护电路（1）和变流电路（2），所述变流电路（2）为双向变流电路；

保护电路（1）串联在所述电池模块（9）的电源端与变流电路（2）的两个直流信号端之间，所述变流电路（2）输出无刷直流电机的三相交流电驱动信号；控制器（6）输出的无刷直流电机的控制信号通过驱动隔离电路（4）输出给变流电路（2）。

2.根据权利要求1所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，其特征在于，它还包括电流检测电路（5），所述电流检测电路（5）用于采集变流电路（2）输出给无刷直流电机的电流，并将采集的电流信号转换成数字信号发送给控制器（6）。

3.根据权利要求1所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，其特征在于，它还包括速度检测电路（7），该速度检测电路（7）用于采集无刷直流电机的转速，并将采集结果发送给控制器（6）。

4.根据权利要求1所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，其特征在于，保护电路1包括电路a和电路b，电路a包括温度开关P1、5V电源、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D3、二极管D4、二极管D5、极性电容C1、极性电容C2、电位器P2和运算放大器U2，

电路a和电路b结构相同，电路a的输入端与电路b的输出端连接，作为保护电路（1）的电源端，

电路a的输出端与电路b的输入端连接，作为保护电路（1）的直流信号输出端。

5.根据权利要求1所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述变流电路（2）包括：一号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q1）、二号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q2）、三号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q3）、四号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q4）、五号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q5）、六号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q6）、一号二极管（D5）、二号二极管（D6）、三号二极管（D7）、四号二极管（D8）、五号二极管（D9）、六号二极管（D10）和电容C3；

一号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q1）的栅极、二号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q2）的栅极、三号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q3）的栅极、四号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q4）的栅极、五号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q5）的栅极和六绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q6）的栅极均为变流电路（2）的交流信号输出端，

一号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q1）的集电极同时连接一号二极管（D5）的阴极、三号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q3）的集电极、二号二极管（D6）的阴极、五号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q5）的集电极、三号二极管（D7）的阴极和电容C3的一端，

四号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q4）的发射极同时连接四号二极管（D8）的阳极、六号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q6）的发射极、五号二极管（D9）的阳极、二号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q2）的发射极、六号二极管（D10）的阳极和电容C3的另一端，

一号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q1）的集电极和四号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q4）的发射极连接，作为变流电路（2）的电源输入/输出端，

一号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q1）的发射极同时与一号二极管（D5）的阳极、四号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q4）的集电极和四号二极管（D8）的阴极连接，作为变流电路（2）的驱动信号输入/输出端，

三号NPN型二极管（Q3）的发射极同时与二号二极管（D6）的阳极、六号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q6）的集电极和五号二极管（D9）的阴极连接，作为变流电路（2）的驱动信号输入/输出端，

五号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q5）的发射极同时与三号二极管（D7）的阳极、二号绝缘栅双极型晶体管IGBT（Q2）的集电极和六号二极管（D10）的阴极连接，作为变流电路（2）的驱动信号输入/输出端。

6.根据权利要求1所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述驱动隔离电路（4）采用型号为IR2130的驱动芯片（U1）实现的，该电路包括：15V电源、十一号二极管（D11）、滑动电阻（R7）、八号电阻（R8）、九号电阻（R9）、十号电阻（R10）、十一号电阻（R11）、十二号电阻（R12）、十三号电阻（R13）和十四号电阻（R14），

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的1号引脚同时连接15V电源和十一号二极管（D11）的阳极，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的2号引脚、3号引脚、4号引脚、5号引脚、6号引脚和7号引脚均为驱动隔离电路（4）的驱动信号输入端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的9号引脚连接滑动电阻（R7）的第一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的12号引脚同时连接滑动电阻（R7）的第二端、八号电阻（R8）的一端和电源地，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的13号引脚同时连接滑动电阻（R7）的第三端和八号电阻（R8）的另一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的14号引脚连接十四号电阻（R14）的一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的15号引脚连接十三号电阻（R13）的一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的16号引脚连接十二号电阻（R12）的一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的19号引脚连接十一号电阻（R11）的一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的20号引脚同时连接24号引脚、28号引脚和十一号二极管（D11）的阴极，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的23号引脚连接十号电阻（R10）的一端，

型号为IR2130的驱动芯片（U1）的27号引脚连接九号电阻（R9）的一端，

十三号电阻（R9）的另一端、十号电阻（R10）的另一端、十一号电阻（R11）的另一端、十二号电阻（R12）的另一端、十三号电阻（R13）的另一端和十四号电阻（R14）的另一端均为驱动隔离电路（4）的驱动信号输出端。

7.根据权利要求2所述的基于汽车再生制动的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述电流检测电路（5）采用型号为ADS1115的A/D转换芯片实现的，该电路包括：3.3V电源、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、运算放大器U4和运算放大器U5，

ADS1115的A/D转换芯片的1号引脚和3号引脚均连接电源地，

ADS1115的A/D转换芯片的4号引脚连接电阻R19的一端，R19的另一端同时连接电阻R17的一端和运算放大器U5的输出端，运算放大器U5的双相电源正极连接电源，运算放大器U5的双相电源负极同时连接电阻R18的一端和电源地，运算放大器U5的负向输入端连接电阻R18的另一端，运算放大器U5的正向输入端同时连接电阻R16的一端和电阻R17的另一端，电阻R16的另一端同时连接电阻R14的一端和运算放大器U4的输出端，运算放大器U4的双相电源正极连接电源，运算放大器U4的双相电源负极同时连接电源地和电阻R15的一端，运算放大器U4的正相输入端同时连接电阻R14的另一端和电阻R13的一端，运算放大器U4的负相输入端连接电阻R15的另一端，电阻R13的另一端为电流检测电路（5）的信号输入端，

ADS1115的A/D转换芯片的9号引脚连接电阻R21的另一端，电阻R21的另一端为电流检测电路（5）的控制信号输出端，

ADS1115的A/D转换芯片的10号引脚连接电阻R20的另一端，电阻R20的另一端为电流检测电路（5）的控制信号输出端。