CN204886783U - 一种电动车用电机复合调制控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动车用电机复合调制控制系统，其包括模式分析与判断单元、正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元、载波频率计算单元、载波比计算单元、扭矩调节单元以及脉冲输出与控制单元；正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元和载波频率计算单元集成为一体；模式分析与判断单元一端连接集成体；正弦表计算单元一端连接占空比计算单元；占空比计算单元一端连接相位调整与计算单元；相位调整与计算单元一端连接载波频率计算单元；扭矩调节单元一端连接集成体，另一端连接脉冲输出与控制单元。本实用新型运行稳定、可靠，可高效实现电机同步调制与异步调制切换，能够满足异步电机宽范围变频调速。

Description

一种电动车用电机复合调制控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机调速技术领域，尤其涉及一种电动车用电机复合调制控制系统。

背景技术

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。

变频调速技术因其调速和起制动性能优异、功率因数高、应用范围广泛等许多优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式。由于交流异步电动机主磁极的磁通是按照正弦规律来设计和运行的，为了使电动机的运行性能优良，通常使用正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)的方式来实现调速。SVPWM调制方式于上世纪90年代提出，时至今日，在国内SPWM调制方式仍广泛应用于交流变频调速系统中。目前开关器件的开关频率已经可以做到很高，在中小功率应用场合SPWM调制一般采用异步调制模式，但在大功率应用场合，开关器件的工作频率受到限制，采用异步调制会导致逆变器三相输出电压波形不对称，谐波分量增加。为了克服这些弱点，可以采用分段同步调制模式，但在分段同步调制模式中，存在因载波比切换而导致电压相位发生跳变的问题,使得转矩发生脉动。

异步电动机的主磁通时按照正弦规律来设计和运行的，为了使异步电动机的运行性能良好，通常使用正弦脉宽调制和空间矢量控制；在低频场合，通常采用异步调制，在高频场合采用同步调制，由于电动车用交流异步电机的调速范围宽，在同步调制模式中，由于受到开关频率以及电机本身谐振频率的影响，通常采用分段同步调制的方法，这样既能保证开关频率维持在一个合理的范围，同时也能提高电压的利用率。

异步调制在改变输出频率时,载波信号和调制波信号不保持同步的调制方式.异步调制时,在调制波信号的半周期内,脉冲波的脉冲个数不固定,相位也不固定,因此正负半周的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当调制波频率较低时,载波比较大,一周期内脉冲个数较多,脉冲不对称产生的影响较小,输出波形也接近正弦波,当调制波的频率较高时,载波比较小,不对称脉冲产生的影响变大,输出波形畸变影响增大。

同步调制在改变正弦频率时，载波信号和调制波信号保持同步，并且载波比N等于常数，该调制方法的特点是当载波比为6的整数倍时，三相输出完全对称，半周期内也对称；但是当调制波信号频率很低时，载波频率也很低，由此产生的谐波严重，且不易滤除，电机转动的噪声大，当调制波信号频率高时，开关频率会很高，超出开关器件允许的频率，使得开关器件难以承受。

发明内容

基于以上原因，本发明提出了一种结构设计简单、合理，运行稳定、可靠，可高效实现电机同步调制与异步调制切换，能够满足异步电机宽范围变频调速的电动车用电机复合调制控制系统。

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复合调制控制系统，包括模式分析与判断单元、正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元、载波频率计算单元、载波比计算单元、扭矩调节单元以及脉冲输出与控制单元；所述占空比计算单元两端分别连接所述正弦表计算单元和所述相位调整与计算单元；所述占空比计算单元是由电阻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；所述相位调整与计算单元的另一端连接于所述载波频率计算单元，所述的正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元和载波频率计算单元集成为一体；所述的正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元和载波频率计算单元的集成为一体后分别连接所述模式分析与判断单元和所述扭矩调节单元；所述扭矩调节单元的另一端连接所述脉冲输出与控制单元；所述模式分析与判断单元是由电阻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。

所述电动车用电机复合调制控制系统，其中：所述载波比计算单元在异步调制时载波比为6的整数倍。

所述电动车用电机复合调制控制系统，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。

所述电动车用电机复合调制控制系统，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。

有益效果：

本实用新型电动车用电机复合调制控制系统结构设计简单、合理，运行稳定、可靠，可高效实现电机同步调制与异步调制切换，能够满足异步电机宽范围变频调速；其基本功能是：在低频采用异步调制，在高频采用分段同步调制，同时在同步调制与异步调制切换的过渡阶段采用防抖处理，保证在过渡阶段不会出现震荡过程；实际运行结果表明该复合调制控制系统能够满足异步电机宽范围变频调速的技术要求。

附图说明

图1为本实用新型电动车用电机复合调制控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型电动车用电机复合调制控制系统的模式分析与判断单元的电路图；

图3为本实用新型电动车用电机复合调制控制系统的占空比计算单元的电路图；

图4为本实用新型电动车用电机复合调制控制系统的相位调整与计算单元的电路原理图。

具体实施方式

如图1至4所示，本实用新型电动车用电机复合调制控制系统，其是在电机在低速控制时仅采用异步调制模式，且包括模式分析与判断单元1、正弦表计算单元2、占空比计算单元3、相位调整与计算单元4、载波频率计算单元5、载波比计算单元6、扭矩调节单元7以及脉冲输出与控制单元8。

其中，该正弦表计算单元2、占空比计算单元3、相位调整与计算单元4以及载波频率计算单元5集成为一体。

该模式分析与判断单元1主要功能是判断当前电机工作在异步调制模式还是同步调制模式，同时在异步调制和同步调制进行切换时进行防抖处理，其一端连接于该正弦表计算单元2、占空比计算单元3、相位调整与计算单元4和载波频率计算单元5的集成体；该模式分析与判断单元1是接收电动车踏板传感器输出的电压信号，由电压的大小计算同步转速，并根据同步转速的大小来判断是异步调制模式还是同步调制模式，同时为了防止在异步调制向同步调制过渡时出现抖动，在过渡过程中进行平滑处理。其中，该模式分析与判断单元1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。

该正弦表计算单元2一端连接于该占空比计算单元3，其是根据同步调制的载波比（在分段同步调制阶段，同步调制的载波比根据定子电压频率的大小和开关频率的大小事先设定好）的大小来计算正弦表，得到在不同采样点对应的正弦值。

该占空比计算单元3一端连接于相位调整与计算单元4，其是根据电机当前的载波信号、调制波信号和调制度（载波信号为高频的等腰三角波；调制波信号为希望得到的信号，即频率可变的正弦波；调制度主要是进行速度闭环控制时，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调制度，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调制度）计算当前的六个脉冲的占空比，利用查表的方法进行计算。其中，该占空比计算单元3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R4一端连接+12V的电源，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。

该相位调整与计算单元4一端连接于载波频率计算单元5，其是在同步调制中根据不同频段的载波比（在分段同步调制阶段，同步调制的载波比根据定子电压频率的大小和开关频率的大小事先设定好的），计算三相逆变器中3个半桥的初始相位对应的采样点。

该载波频率计算单元5是在同步调制中根据当前频段的载波比和调制波频率（载波信号为高频的等腰三角波，调制波信号为希望得到的信号，即频率可变的正弦波；调制度主要是进行速度闭环控制时，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调制度，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调制度）来计算开关频率。

该载波比计算单元6是计算模式分析与判断单元1异步调制时的载波比，为了减小谐波和减缓波形的不对称，在异步调制时，尽量考虑频率过渡平滑的同时要保证载波比为6的整数倍，采用查表的方法来计算不同工况下的载波比。

该扭矩调节单元7（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）一端连接该正弦表计算单元2、占空比计算单元3、相位调整与计算单元4和载波频率计算单元5的集成体，另一端连接脉冲输出与控制单元8，其是根据负载的不同来调节电机的转动扭矩。

该脉冲输出与控制单元8是根据占空比计算单元3、载波比计算单元6、扭矩调节单元7计算得到的输出，在定时中断周期中进行更新脉冲的等效宽度和频率。

本实用新型的原理：

控制中断周期中,计算当前定子电压的频率，模式分析与判断单元1判断是否进入异步调制模式，如果进入异步调制模式，此时占空比计算单元3计算比较寄存器的数值、载波比计算单元6计算当前的载波比，脉冲输出与控制单元8根据占空比计算单元3和载波比计算单元6计算的数值更新PWM的电参数，同时输出PWM，并再次判断是否进入异步调制模式，重复上述过程；如果进入同步调制模式，首先根据当前的定子电压频率判断进入哪一个频段，如果则进入频段1，根据正弦表计算单元2的数值和占空比计算单元3计算比较寄存器的数值，相位调整与计算单元4计算三相逆变器中3个半桥的初始相位对应的采样点，载波频率计算单元5根据当前频段的载波频率和调制波频率计算开关频率，脉冲输出与控制单元8根据占空比计算单元3和载波比计算单元6计算的数值更新PWM的电参数，同时输出PWM；否则如果，则进入频段2，按照类似频段1的过程计算PWM的参数，同时输出PWM；否则如果，则进入频段2，按照类似频段1的过程计算PWM的参数，同时输出PWM；如果，则进入频段2，按照类似频段1的过程计算PWM的参数，同时输出PWM；并再次判断是否进入异步调制模式，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，可高效实现电机同步调制与异步调制切换，能够满足异步电机宽范围变频调速，适于推广与应用。

Claims (4)

1.一种电动车用电机复合调制控制系统，其特征在于：所述控制系统包括模式分析与判断单元、正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元、载波频率计算单元、载波比计算单元、扭矩调节单元以及脉冲输出与控制单元；

所述占空比计算单元两端分别连接所述正弦表计算单元和所述相位调整与计算单元；所述占空比计算单元是由电阻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；

所述相位调整与计算单元的另一端连接于所述载波频率计算单元，所述的正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元和载波频率计算单元集成为一体；所述的正弦表计算单元、占空比计算单元、相位调整与计算单元和载波频率计算单元的集成为一体后分别连接所述模式分析与判断单元和所述扭矩调节单元；所述扭矩调节单元的另一端连接所述脉冲输出与控制单元；

所述模式分析与判断单元是由电阻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。

2.如权利要求1所述的电动车用电机复合调制控制系统，其特征在于：所述载波比计算单元在异步调制时载波比为6的整数倍。

3.如权利要求1所述的电动车用电机复合调制控制系统，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。

4.如权利要求1所述的电动车用电机复合调制控制系统，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。