CN204681275U - 一种电动车用电机转速闭环数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动车用电机转速闭环数字控制系统，其包括转速检测单元、同步转速计算单元、给定转速计算单元、给定转速补偿单元、速度闭环控制准入单元以及扭矩调节单元；转速检测单元、同步转速计算单元和给定转速计算单元集成为一体；转速检测单元一端连接于同步转速计算单元；同步转速计算单元一端连接于给定转速计算单元；给定转速补偿单元一端连接于速度闭环控制准入单元，另一端连接于转速检测单元、同步转速计算单元和给定转速计算单元的集成体；速度闭环控制准入单元一端连接于扭矩调节单元。本实用新型结构设计简单、合理，运行稳定、可靠，抗干扰性强，动态响应速度快,能够满足电机速度闭环控制要求，适于推广与应用。

Description

一种电动车用电机转速闭环数字控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电动车用电机转速闭环数字控制系统。

背景技术

三相异步电动机在进行转速闭环控制时,由于同步转速与转子转速在不同工况下的差值是不一样的,同时在进行转速闭环时,将给定转速与转子转速的差值作为跟踪控制对象,而给定转速与同步转速之间的大小关系也不确定。

随着数字控制技术、功率器件和微电子技术的发展，交流调速系统已应用于诸多领域。特别是具有恒功率调速能力，可在一定速度范围内稳定运行的交流调速系统，在主轴驱动、电力牵引和电动车等领域占据重要地位。

异步电机调速系统调速范围宽，在高速和低速时效率高，转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，且采用合适的控制技术后，在整个调速范围内能够获得较好的动态性能。

异步电机的同步转速与转子转速之间的相对关系不一样时,其工作状态也不一样,当同步转速高于转子转速时,异步电机工作在电动状态,当同步转速低于转子转速时异步电机工作在发电状态。工作在电动状态时,其转子转速永远低于同步转速,并且在不同工况下转差率时不一样的,转差率的设定与给定转速、实际转速和同步转速有关，给定转速过低，稳定运行时电机的转子转速过低，转差率大，影响当前同步转速的最大扭矩，给定转速过高，那么在当前工况下转子转速永远无法达到给定转速，造成在当前工况下定子电压大，电流大，电机的效率低，因此根据电机工况来计算和给定当前电机的给定转速和同步转速不仅关系到电机的工作状态，而且还影响其动态和静态稳定性。

发明内容

基于以上原因，本实用新型提出了一种结构设计简单、合理，运行稳定、可靠，抗干扰性强，动态响应速度快,能够满足电机速度闭环控制要求的电动车用电机转速闭环数字控制系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

上述的电动车用电机转速闭环数字控制系统，所述控制系统包括转速检测单元、同步转速计算单元、给定转速计算单元、给定转速补偿单元、速度闭环控制准入单元以及扭矩调节单元；所述的转速检测单元、同步转速计算单元和给定转速计算单元集成为一体，所述同步转速计算单元的两端分别连接所述的转速检测单元和同步转速计算单元；所述转速检测单元用于转子转速的检测并滤波，包括有转速信号预处理电路，所述转速信号预处理电路是由电阻R1~R8、电容C1~C6、共模抑制电感T、电压比较器Q1、光电耦合器U1和施密特触发器U2连接组成；所述同步转速计算单元是由电阻R9~R17、瞬态抑制二极管TVS1、运算放大器Q2和Q3、电容C7~C9以及接线端子J1连接组成；所述接线端子J1具有引脚TIAO1、引脚VIN和引脚KI；所述给定转速补偿单元一端连接于所述速度闭环控制准入单元，另一端连接于所述转速检测单元、同步转速计算单元和给定转速计算单元的集成体；所述速度闭环控制准入单元一端连接于所述扭矩调节单元。

所述的电动车用电机转速闭环数字控制系统，其中：所述电阻R1一端连接+12V电源，另一端通过所述电阻R2连接所述共模抑制电感T其中一个输入端，所述电阻R1与R2的连接点还连接有端子BMB并通过所述端子BMB连接在电机的正交编码器的转速脉冲输出端；所述电容C1并联于所述共模抑制电感T的两个输入端之间且一端还接地；所述电容C2并联于所述共模抑制电感T的两个输出端之间且一端还接地；所述电压比较器Q1的电源正极端连接+12V电源，电源负极端接地，同相输入端连接所述共模抑制电感T其中一个输出端，反相输入端连接所述电阻R3并通过所述电阻R3连接+6V电源；所述电阻R4一端连接+12V电源，另一端连接所述电压比较器Q1的输出端；所述光电耦合器U1的阴极端接地，阳极端通过所述电阻R5连接至所述电压比较器Q1的输出端，基极连接+3.3V电源，发射极接地，集电极通过所述电阻R7连接至所述施密特触发器U2的端口A；所述电阻R6一端连接+3.3V电源，另一端连接所述光电耦合器U1的集电极；所述电容C3一端连接于所述光电耦合器U1的集电极与所述电阻R6、R7的连接点，另一端接地；所述电容C4一端接地，另一端连接于所述电阻R6、光电耦合器U1的基极与+3.3V电源的连接点；所述施密特触发器U2通过端子GND接地，通过端子VCC连接+3.3V电源；所述电容C5一端连接+3.3V电源，另一端接地；所述电容C6一端连接所述施密特触发器U2的端子Y，另一端接地；所述电阻R8一端连接于所述电容C6与施密特触发器U2的端子Y之间的连接点，另一端连接有输出端子CAP2并通过所述输出端子CAP2连接到DSP的速度捕捉口。

所述的电动车用电机转速闭环数字控制系统，其中：所述瞬态抑制二极管TVS1的阳极端接地，阴极端连接有端子ADCINA4；所述电阻R9一端连接所述瞬态抑制二极管TVS1的阴极端，另一端连接所述运算放大器Q2的输出端；所述运算放大器Q2的反相输入端连接至输出端，同相输入端依次通过串接所述电阻R10、R12连接至所述运算放大器Q3的输出端；所述电阻R11一端接地，另一端连接于所述电阻R10与电阻R12的连接点；所述电容C7并联于所述电阻R11两端；所述运算放大器Q3的电源正极端连接+5V电源，负极端接地，同相输入端通过所述电阻R16连接至所述接线端子J1的引脚TIAO1，反相输入端通过所述电阻R15接地；所述电阻R17一端接地，另一端连接于所述接线端子J1的引脚TIAO1；所述电阻R13一端连接于所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述电容C8并通过所述电容C8连接至所述运算放大器Q3的反相输入端；所述电阻R14一端连接所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述运算放大器Q3的反相输入端。

有益效果：

本实用新型电动车用电机转速闭环数字控制系统结构设计简单、合理，运行稳定、可靠，其先将同步转速与给定转速区分开来进行适当的分段式补偿,同时在进行转速闭环控制时将速度差和转差率同时作为控制对象,实际测试结果表明，本实用新型抗干扰性强，通用性好、精度高，动态响应速度快,能够满足电机速度闭环控制的要求；

本实用新型基本功能是：在某一油门信号情况下，同时将电机全转速范围运行区间分成三个区间，按照低速、中速和高速分成三个区间，在三个不同的区间段内，根据定子电流的大小不一样，对给定转速进行一定的补偿，从而得到最终的给定转速；在满足转速闭环控制条件的情况下，才进入转速闭环的PI调节，从而保证实际转子转速与给定的转子转速基本一致。

附图说明

图1为本实用新型电动车用电机转速闭环数字控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型电动车用电机转速闭环数字控制系统的转速检测单元的电路图；

图3为本实用新型电动车用电机转速闭环数字控制系统的同步转速计算单元的电路图。

具体实施方式

如图1至3所示，本实用新型电动车用电机转速闭环数字控制系统，包括转速检测单元1、同步转速计算单元2、给定转速计算单元3、给定转速补偿单元4、速度闭环控制准入单元5以及扭矩调节单元6。

其中，该转速检测单元1、同步转速计算单元2和给定转速计算单元3集成为一体。

该转速检测单元1是用于准确的计算出转子转速,同时对计算出的结果进行数字滤波,将数字滤波后输出的转速值作为速度闭环控制中的实际转速值，一端连接于该同步转速计算单元2。其中，该转速检测单元1包括转速信号预处理电路和软件处理算法（包括中值平均、排序和滑动平均）；如图2所示，该转速信号预处理电路是由电阻R1~R8、电容C1~C6、共模抑制电感T、电压比较器Q1、光电耦合器U1和施密特触发器U2连接组成；该电阻R1一端连接+12V电源，另一端通过电阻R2连接共模抑制电感T其中一个输入端，该电阻R1与电阻R2的连接点还连接有端子BMB并通过端子BMB连接在电机的正交编码器的转速脉冲输出端；电容C1并联于共模抑制电感T的两个输入端之间且一端还接地；电容C2并联于共模抑制电感T的两个输出端之间且一端还接地；该电压比较器Q1的电源正极端连接+12V电源，电源负极端接地，同相输入端连接共模抑制电感T其中一个输出端，反相输入端连接电阻R3并通过电阻R3连接+6V的电源；电阻R4一端接地，另一端连接电压比较器Q1的输出端；该光电耦合器U1的阴极端接地，阳极端通过电阻R5连接至电压比较器Q1的输出端，基极连接+3.3V电源，发射极接地，集电极通过电阻R7连接至施密特触发器U2的端口A；电阻R6一端连接+3.3V电源，另一端连接光电耦合器U1的集电极；电容C3一端连接于光电耦合器U1的集电极与电阻R6、R7的连接点，另一端接地；电容C4一端接地，另一端连接于电阻R6、光电耦合器U1的基极与+3.3V电源的连接点；该施密特触发器U2通过端子GND接地，通过端子VCC连接+3.3V电源；电容C5一端连接+3.3V电源，另一端接地；电容C6一端连接施密特触发器U2的端子Y，另一端接地；电阻R8一端连接于电容C6与施密特触发器U2的端子Y之间的连接点，另一端连接有输出端子CAP2并通过输出端子CAP2连接到DSP的速度捕捉口。

该同步转速计算单元2一端连接于给定转速计算单元3，其是根据车载踏板传感器的油门信号的大小,计算定子电压频率形成的同步转速值；其中，该同步转速计算单元2是由电阻R9~R17、瞬态抑制二极管TVS1、运算放大器Q2和Q3、电容C7~C9以及接线端子J1连接组成，该接线端子J1具有引脚TIAO1、引脚VIN和引脚KI；瞬态抑制二极管TVS1的阳极端接地，阴极端连接有端子ADCINA4；该电阻R9一端连接瞬态抑制二极管TVS1的阴极端，另一端连接运算放大器Q2的输出端；运算放大器Q2的反相输入端连接至输出端，同相输入端依次通过串接电阻R10、R12连接至运算放大器Q3的输出端；电阻R11一端接地，另一端连接于电阻R10与电阻R12的连接点；电容C7并联于该电阻R11两端；运算放大器Q3的电源正极端连接+5V电源，负极端接地，同相输入端通过电阻R16连接至接线端子J1的引脚TIAO1，反相输入端通过电阻R15接地；电阻R17一端接地，另一端连接于接线端子J1的引脚TIAO1；电阻R13一端连接于运算放大器Q3的输出端，另一端连接电容C8并通过电容C8连接至运算放大器Q3的反相输入端；电阻R14一端连接运算放大器Q3的输出端，另一端连接运算放大器Q3的反相输入端。

该给定转速计算单元3是在不同的同步转速时,采用分段的方式计算给定转速(给定转速总是小于同步转速,区别在于在不同的同步转速时,给定转速与同步转速的变差是不固定的）。

该给定转速补偿单元4一端连接于速度闭环控制准入单元5，另一端连接于转速检测单元1、同步转速计算单元2和给定转速计算单元3的集成体；其中，该给定转速补偿单元4是根据负载的不同以及电机在低速、中速以及高速段对电机速度闭环控制的给定转速进行补偿。

该速度闭环控制准入单元5一端连接于扭矩调节单元6，其是对进入速度闭环控制时设定一定的准入条件（包含三个准入条件，一是给定转速与转子转速的偏差必须大于某一数值；二是转子转速必须大于某一数值，以防止在闭环状态中出现电机堵转或者传感器器损坏的现象；三是转差率必须大于某一数值）,提高速度环的抗干扰性。

该扭矩调节单元6在闭环控制单元中，调节输出扭矩以适应负载转矩的变化，保证转子转速和定子电流能够跟随给定转速和负载轻重的变化而变化；其中，该扭矩调节单元6接收速度闭环控制准入单元5的信号，根据给定转速和实际转速的差距（如果转子转速大于给定转速并且两者的偏差大于某一数值时就减小扭矩，如果转子转速小于给定转速并且两者的偏差大于某一数值时就增加扭矩）,在闭环控制程序中调节定子电压,从而调节扭矩,实现转子转速跟踪给定转速。

本实用新型的工作原理：

控制中断周期中,检测油门信号，根据油门信号的大小来拟合实际给定的转子转速，同时根据拟合值计算同步转速和给定转速，判断是否进行转速闭环程序，如果进入转速闭环程序，那么此时判断转子实际转速与给定转速之间的关系，如果实际转速大于给定转速，那么就减小转矩，并再次判断是否进入转速闭环程序，重复上述过程，如果实际转速小于给定转速，那么就增大转矩，并再次判断是否进入转速闭环程序，重复上述过程；如果没有进入转速闭环程序，那么此时再次检测油门信号，重复上述过程。

本实用新型结构设计简单、合理，运行稳定、可靠，抗干扰性强，动态响应速度快,能够满足电机速度闭环控制的要求，适于推广与应用。

Claims (3)

1.一种电动车用电机转速闭环数字控制系统，其特征在于：所述控制系统包括转速检测单元、同步转速计算单元、给定转速计算单元、给定转速补偿单元、速度闭环控制准入单元以及扭矩调节单元；

所述的转速检测单元、同步转速计算单元和给定转速计算单元集成为一体，所述同步转速计算单元的两端分别连接所述的转速检测单元和同步转速计算单元；

所述转速检测单元用于转子转速的检测并滤波，包括有转速信号预处理电路，所述转速信号预处理电路是由电阻R1~R8、电容C1~C6、共模抑制电感T、电压比较器Q1、光电耦合器U1和施密特触发器U2连接组成；

所述同步转速计算单元是由电阻R9~R17、瞬态抑制二极管TVS1、运算放大器Q2和Q3、电容C7~C9以及接线端子J1连接组成；所述接线端子J1具有引脚TIAO1、引脚VIN和引脚KI；

所述给定转速补偿单元一端连接于所述速度闭环控制准入单元，另一端连接于所述转速检测单元、同步转速计算单元和给定转速计算单元的集成体；

所述速度闭环控制准入单元一端连接于所述扭矩调节单元。

2.如权利要求1所述的电动车用电机转速闭环数字控制系统，其特征在于：所述电阻R1一端连接+12V电源，另一端通过所述电阻R2连接所述共模抑制电感T其中一个输入端，所述电阻R1与R2的连接点还连接有端子BMB并通过所述端子BMB连接在电机的正交编码器的转速脉冲输出端；所述电容C1并联于所述共模抑制电感T的两个输入端之间且一端还接地；所述电容C2并联于所述共模抑制电感T的两个输出端之间且一端还接地；所述电压比较器Q1的电源正极端连接+12V电源，电源负极端接地，同相输入端连接所述共模抑制电感T其中一个输出端，反相输入端连接所述电阻R3并通过所述电阻R3连接+6V电源；所述电阻R4一端连接+12V电源，另一端连接所述电压比较器Q1的输出端；所述光电耦合器U1的阴极端接地，阳极端通过所述电阻R5连接至所述电压比较器Q1的输出端，基极连接+3.3V电源，发射极接地，集电极通过所述电阻R7连接至所述施密特触发器U2的端口A；所述电阻R6一端连接+3.3V电源，另一端连接所述光电耦合器U1的集电极；所述电容C3一端连接于所述光电耦合器U1的集电极与所述电阻R6、R7的连接点，另一端接地；所述电容C4一端接地，另一端连接于所述电阻R6、光电耦合器U1的基极与+3.3V电源的连接点；所述施密特触发器U2通过端子GND接地，通过端子VCC连接+3.3V电源；所述电容C5一端连接+3.3V电源，另一端接地；所述电容C6一端连接所述施密特触发器U2的端子Y，另一端接地；所述电阻R8一端连接于所述电容C6与施密特触发器U2的端子Y之间的连接点，另一端连接有输出端子CAP2并通过所述输出端子CAP2连接到DSP的速度捕捉口。

3.如权利要求1所述的电动车用电机转速闭环数字控制系统，其特征在于：所述瞬态抑制二极管TVS1的阳极端接地，阴极端连接有端子ADCINA4；所述电阻R9一端连接所述瞬态抑制二极管TVS1的阴极端，另一端连接所述运算放大器Q2的输出端；所述运算放大器Q2的反相输入端连接至输出端，同相输入端依次通过串接所述电阻R10、R12连接至所述运算放大器Q3的输出端；所述电阻R11一端接地，另一端连接于所述电阻R10与电阻R12的连接点；所述电容C7并联于所述电阻R11两端；所述运算放大器Q3的电源正极端连接+5V电源，负极端接地，同相输入端通过所述电阻R16连接至所述接线端子J1的引脚TIAO1，反相输入端通过所述电阻R15接地；所述电阻R17一端接地，另一端连接于所述接线端子J1的引脚TIAO1；所述电阻R13一端连接于所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述电容C8并通过所述电容C8连接至所述运算放大器Q3的反相输入端；所述电阻R14一端连接所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述运算放大器Q3的反相输入端。