CN204993126U - 一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器，该控制器通过CAN总线接收整车控制器发送的控制指令、同时将处理后的母线电压、电流、转速和电机状态等信号发送给整车控制器，电机控制器将接收到的指令和传感器信号进行综合处理后，实现对开关磁阻电机的转速控制和转矩控制，可靠性较高；同时通过信号检测和处理，实现对开关磁阻电机的故障诊断和处理，满足使用需求。

Description

一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种混合动力电动车用电机控制器，更具体地说涉及一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器，属于开关磁阻电机控制技术领域。

背景技术

电机控制器是混合动力电动车的关键零部件。目前，可供混合动力电动车选用的电机型式多种多样，主要有交流感应电机和永磁同步电机驱动系统。但是，这两种类型的电机分别存在以下不足：一、感应电机，其驱动电路复杂，成本高，动态响应、低速性能不好，相对永磁电机而言，感应电机效率和功率密度偏低。二、永磁同步电机驱动系统，耗费宝贵的稀土资源，且开发稀土会破坏资源；同时由于永磁体在高温下容易退磁，永磁电机耐高温较差；即使不运行在高温环境中，磁钢也会随着时间缓慢自然退磁，电机功率也会缓慢下降；断电滑行有电磁阻力，能量回收困难。

开关磁阻电机是一种新型调速电机，其结构紧凑牢固，驱动电路简单，适合于高速运行，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制，性能可靠，适合电动车辆的各种工况下运行；并且无需使用磁铁等稀有金属材料，成本低，因此适用范围越来越广。但是，开关磁阻电机的高度非线性、多变量及变结构特性，使其控制复杂、难度大，较难实现对其有效和可靠的控制。传统开关磁阻电机控制器的控制电路大多采用独立DSP的架构，除了对开关磁阻电机本身实施控制之外不能对其他相关部件进行控制，另外，控制方式多采用电流斩波控制和角度位置控制的分段控制，这种控制电路功能简单，可靠性不高，同时因控制方法模式切换引起转矩不平顺性，增大了电机的转矩脉动和噪声，不能满足使用需求。

发明内容

本实用新型针对现有的混合动力电动车用开关磁阻电机控制器功能简单，可靠性差，控制方法复杂、难度大、不易实现等问题，提供一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器。

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器，包括上电和掉电延迟模块、开关电源、主控制器电路模块、母线电压/电流传感器模块、相电流传感器模块、功率驱动隔离模块、冷却系统驱动模块、正负极开关模块、预充电开关模块和功率变换模块，所述主控制电路模块的其中四个输入端分别与三相开关磁阻电机中的位置/转速传感器和绕组温度传感器的输出端、整车控制器的使能端、水冷却系统的进出水口温度传感器输出端相连，主控制电路模块的CAN通信接口与整车控制器的CAN通信接口相连接，主控制电路模块的PWM信号输出端与功率驱动隔离模块的输入端相连接，所述功率驱动隔离模块的过流信号端与主控制电路模块的普通I/O相连接，功率驱动隔离模块的IGBT驱动信号端与功率变换模块相连接，所述功率变换模块的IGBT反馈信号端与功率驱动隔离模块相连接，功率变换模块的三路不对称半桥输出接口与开关磁阻电机的三路输入端相连接，功率变换模块输入端与预充电开关模块的高压输出端相连接，所述预充电开关模块的控制输入端和反馈输出端分别与主控制电路模块的普通I/O相连接，预充电开关模块的高压输入端与正负极开关模块高压输出端相连接，所述正负极开关模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，正负极开关模块的高压输入端与动力电源的高压输出端相连接，所述母线电压/电流传感器模块的输入端与功率变换模块的电压输入端相连接，母线电压/电流传感器模块的输出端与主控制电路模块的AD接口相连接，所述相电流传感器模块的输入端与功率变换模块的三路不对称半桥相连接，相电流传感器模块的输出端与主控制电路模块的AD接口相连接，所述开关电源的输出端与主控制电路模块的供电接口相连接，开关电源的输入端与上电和掉电延迟模块相连接，所述上电和掉电延迟模块的输入端与24V电源输出端相连接，上电和掉电延迟模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，所述冷却系统驱动模块的电源供电端与24V电源输出端相连接，冷却系统驱动模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，冷却系统驱动模块的输出端与水冷却系统的水泵和电子风扇接口相连接。

所述的主控制电路模块包括数字信号处理电路、复杂可编程逻辑器件、单片机、晶振电路、JTAG接口、复位电路、EEPROM、显示键盘接口电路、CAN通信隔离电路、母线电流/电压/相电流采样电路、开关量输入电路、模拟斩波电路、旋转变压器信号解码处理电路、过流过压信号比较电路、复位电路、温度信号采样电路、运行指示灯、正负极及预充电开关控制电路、冷却系统控制电路、IGBT逻辑驱动电路和SPI隔离及通信电路，所述的数字信号处理电路分别与晶振电路的输出端、复位电路I的输出端、母线电流/电压/相电流采样电路的输出端、开关量输入电路的输出端和绝缘检测电路的输出端相连接，所述运行指示灯的输入端、正负极及预充电开关控制电路输入端、冷却系统控制电路的输入端分别与数字信号处理电路相连接，所述的CAN通信隔离电路、JTAG接口、EEPROM、SPI隔离及通信电路、复杂可编程逻辑器件分别与数字信号处理电路双向连接，所述模拟斩波电路的输出端、旋转变压器信号解码处理电路的输出端、过流过压信号比较电路的输出端分别与复杂可编程逻辑器件相连接，所述IGBT逻辑驱动电路的输入端与复杂可编程逻辑器件相连接，所述的单片机与SPI隔离及通信电路双向连接，所述复位电路II的输出端、温度信号采样电路的输出端分别与单片机相连接。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型包括上电和掉电延迟模块、开关电源、主控制器电路模块、母线电压/电流传感器模块、相电流传感器模块、功率驱动隔离模块、冷却系统驱动模块、正负极开关模块、预充电开关模块和功率变换模块，主控制器电路模块通过CAN总线接收整车控制器发送的指令、同时将母线电压、电流、转速和电机状态等信号发送给整车控制器，从而实现对开关磁阻电机的转速控制和转矩控制，可靠性较高；同时通过信号检测和处理，实现对开关磁阻电机的故障诊断和处理，满足了使用需求。

2、本实用新型中主控制电路模块采用数字信号处理电路+复杂可编程逻辑器件结构，复杂可编程逻辑器件完成对数字信号处理电路的监控和协处理，减轻了数字信号处理电路的工作负荷，使其能更快，更稳的定运行，进一步的提高了系统安全性和可靠性；同时，主控制电路模块内部集成了电机冷却系统的控制功能，根据系统温度变化，能更加精准地对冷却系统进行控制，实现更加节能。电机控制器内部集成了能实时监控高压绝缘故障的传感器，并将故障及时报告给整车控制器然后进行实时保护，提高了整车安全性。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型中主控制电路模块结构示意图。

图3是本实用新型中主功率电路电路图。

附图说明，母线电流传感器1，母线电压传感器2，A相电流传感器3，B相电流传感器4，C相电流传感器5。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。

参见图1，一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器，包括上电和掉电延迟模块、开关电源、主控制器电路模块、母线电压/电流传感器模块、相电流传感器模块、功率驱动隔离模块、冷却系统驱动模块、正负极开关模块、预充电开关模块和功率变换模块。

参见图1，所述主控制电路模块的其中四个输入端分别与三相开关磁阻电机中的位置/转速传感器和绕组温度传感器的输出端、整车控制器（HCU）的使能端、水冷却系统的进出水口温度传感器输出端相连，主控制电路模块的CAN通信接口与整车控制器的CAN通信接口相连接，主控制电路模块的PWM信号输出端与功率驱动隔离模块的输入端相连接，所述功率驱动隔离模块的过流信号端与主控制电路模块的普通I/O相连接，功率驱动隔离模块的IGBT驱动信号端与功率变换模块相连接，所述功率变换模块的IGBT反馈信号端与功率驱动隔离模块相连接，功率变换模块的三路不对称半桥输出接口与开关磁阻电机的三路输入端相连接，功率变换模块输入端与预充电开关模块的高压输出端相连接，所述预充电开关模块的控制输入端和反馈输出端分别与主控制电路模块的普通I/O相连接，预充电开关模块的高压输入端与正负极开关模块高压输出端相连接，所述正负极开关模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，正负极开关模块的高压输入端与动力电源的高压输出端相连接，所述母线电压/电流传感器模块的输入端与功率变换模块的电压输入端相连接，母线电压/电流传感器模块的输出端与主控制电路模块的AD接口相连接，所述相电流传感器模块的输入端与功率变换模块的三路不对称半桥相连接，相电流传感器模块的输出端与主控制电路模块的AD接口相连接，所述开关电源的输出端与主控制电路模块的供电接口相连接，开关电源的输入端与上电和掉电延迟模块相连接，所述上电和掉电延迟模块的输入端与24V电源输出端相连接，上电和掉电延迟模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，所述冷却系统驱动模块的电源供电端与24V电源输出端相连接，冷却系统驱动模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，冷却系统驱动模块的输出端与水冷却系统的水泵和电子风扇接口相连接。

所述的上电和掉电延迟模块基于其内部三极管的开关特性、继电器和控制时序设计，当车辆的点火开关打开，三极管导通后、继电器得电吸合，所以开关电源内部接通24VDC电源；当车辆的点火开关关闭，主控制电路模块检测到掉电信号，主控制电路模块内CPU保存相关数据，延时时间到后，控制上电和掉电延迟模块中的三极管关断、继电器失电断开，使得整个系统24VDC断电，延时时间可由软件控制。具体的，上电和掉电延迟模块内部的三极管采用和继电器可以分别采用MMBT4401LT1和YL-101H-DC5V。

具体的，所述的开关电源选用型号为4NIC-DC75K/24的朝阳开关电源，其具体参数为：输入电压：18～36VDC，输出电压：+5V/3A一组、±15V/1A两组、+15V/2A一组。

所述的功率驱动隔离模块基于成熟的IGBT驱动隔离模组设计，其模组型号为双路输出的2SD315AI；接收主控制模块电路的六路PWM信号、并进行功率放大和隔离，然后控制IGBT的导通和关断，同时经IGBT的故障状态信号反馈给主控制模块电路。

具体的，所述的冷却系统驱动模块选用两路安森美推出的高度集成保护的NCV840x系列低端自保护MOSFET，其最大漏极电流15A，接收主控制电路模块的二路PWM信号，且分别驱动水冷系统的水泵和冷却风扇。

参见图2，所述的主控制电路模块包括数字信号处理电路（DSP）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、单片机（C8051）、晶振电路、JTAG接口、复位电路、EEPROM、显示键盘接口电路、CAN通信隔离电路、母线电流/电压/相电流采样电路、开关量输入电路、模拟斩波电路、旋转变压器信号解码处理电路、过流过压信号比较电路、复位电路、温度采样电路、运行指示灯、正负极及预充电开关控制电路、冷却系统控制电路、IGBT逻辑驱动电路和SPI隔离及通信电路。

参见图2，所述的主控制电路模块通过CAN通信隔离电路接收整车控制器HCU的控制指令，采集相电流、母线电流和电压、温度采样电流及开关磁阻电机转子的位置信号，并通过电流斩波控制、角度位置控制算法产生PWM信号，从而通过IGBT驱动电路220实现对开关磁阻电机转速和转矩控制，通过流过压信号比较电路和温度信号采集电路检测过流、过压、过温故障，进行故障应对，同时将过故障信号通过CAN总线发送给整车控制器HCU、通过SPI总线发送给显示键盘接口电路进行显示。所述的数字信号处理电路分别与晶振电路的输出端、复位电路I的输出端、母线电流/电压/相电流采样电路的输出端、开关量输入电路的输出端和绝缘检测电路的输出端相连接。所述运行指示灯的输入端、正负极及预充电开关控制电路输入端、冷却系统控制电路的输入端分别与数字信号处理电路相连接，所述的CAN通信隔离电路、JTAG接口、EEPROM、SPI隔离及通信电路、复杂可编程逻辑器件分别与数字信号处理电路双向连接，所述模拟斩波电路的输出端、旋转变压器信号解码处理电路的输出端、过流过压信号比较电路的输出端分别与复杂可编程逻辑器件相连接，所述IGBT逻辑驱动电路的输入端与复杂可编程逻辑器件相连接，所述的单片机与SPI隔离及通信电路双向连接，所述复位电路II的输出端、温度信号采样电路的输出端分别与单片机相连接。

参见图2，所述的数字信号处理电路（DSP）采用TI公司的C2000系列的数字信号处理器TMS320F2810，它专为电机运动控制设计，具有高达40MIPS的运算速度。所述的复杂可编程逻辑器件（CPLD）采用Altera公司的7000系列可编程逻辑器件EPM7128，它具有高达150M的执行速度和在系统编程（InSystemProgrammable，简称ISP）能力。所述的单片机（C8051）处理速度达25M，12BitADC，同时带SPI通行功能。

参见图2，所述的晶振电路基于外接30MHz有源晶振设计，晶振输出的信号直接供数字信号处理电路（DSP）使用，然后再通过施密特反向器SN74LVC1G14后，供复杂可编程逻辑器件（CPLD）使用。

参见图2，所述的复位电路和复位电路均基于分离器件按键和电容设计，分别为数字信号处理电路（DSP）和单片机（C8051）提供复位信号。

参见图2，所述的EEPROM电路基于X5043设计，4K的存储空间，同时带SPI接口，方便其与数字信号处理电路（DSP）进行数据交换。

参见图2，所述的显示键盘接口电路为外接的显示键盘提供稳定的5V供电电源和10PIN的连接接口。

参见图2，所述的CAN通信隔离电路基于CAN通信采用PHILIPS的PCA82C250专有收发器；为减弱EMC，CAN物理接口电路应该采用DC-DC电源模块独立供电和高速光电隔离器件(6N173)。同时在传输信号线上增加30p的对地去耦电容，另外在信号线上反接保护二极管，总线出口处接电感电容滤波。在CAN_L和CAN_H之间还设计有可选择的120欧的终端电阻，根据整个CAN网络的需求进行选择。

参见图2，所述的母线电流/电压/相电流采样电路通过功率电阻将电流和电压传感器输出的电流型信号转换成电压信号，然后经过由TL082构成的一阶有源滤波器滤波处理，由于数字信号处理电路（DSP）的IO口输入输出电平小于3.3V，故用3.3V的稳压管HZ3B1将滤波器输出的电平稳定在3.3V以下。

参见图2，所述的开关量输入电路是将电机使能信号、接触器吸合状态等24V开关信号经过分压电阻分压后，通过光耦TLP121GB和施密特触发器SN74AHC14处理后，输送给数字信号处理电路（DSP）使用。

参见图2，所述的模拟斩波电路是将数字信号处理电路（DSP）给出的PWM信号，经过驱动芯片SN74ACT244将信号增强后，在经过由TL028构成的二阶滤波器滤波后转换成模拟信号，该模拟信号与处理后的相电流信号通过比较器LM293进行比较，比较结果送CPLD处理。同时，处理后的相电流信号与过电流整定值GL进行比较，当相电流大于过电流整定值GL时，比较输出低电平给复杂可编程逻辑器件（CPLD），以采取硬件模拟斩波的保护措施。

参见图2，所述的旋转变压器信号解码处理电路基于ADI公司的AD2S1200设计，励磁电压信号从AD2S1200的EXC+和EXC-输出，AD2S1200输出峰-峰值为8.2V，频率为10KHz的正弦波励磁信号，旋转变压器的次级输出信号uNs1和uNs3，uNs2和uNs4经滤波电路后直接进入AD2S1200的SIN，SINLO，COS，COSLO四个管脚。其与数字信号处理电路（DSP）以串行方式通信，由电平转换芯片SN74ALVC164245完成AD2S1200输出5V电平到DSP输入3.3V电平的转换后，直接与数字信号处理电路（DSP）的接口相连。

参见图2，所述的过流过压信号比较电路将IGBT驱动电路将反馈信号通过逻辑运算芯片SN75451B和高电平进行“与”运算，运算结果送复杂可编程逻辑器件（CPLD）进行比较处理，根据结果对IGBT采取相应的保护措施。

参见图2，所述的温度信号采样电路采用NTC特性的热敏电阻，通过分压和电压跟随器后，送单片机（C8051）处理。

参见图2，所述的运行指示灯基于LED设计，数字信号处理电路（DSP）输出的周期为500ms的方波信号，经过SN74ACT244将信号增强后，驱动LED指示灯，用于指示软件的运行状态。

参见图2，所述的正负极及预充电开关控制电路，数字信号处理电路（DSP）的控制信号先通过SN74ACT244增强，在经过”与”门SN75451B后，驱动正负极和预充电开关接触器。

参见图2，所述的冷却系统控制电路是将数字信号处理电路（DSP）输出的PWM控制信号经过SN74ACT244增强后，输出给冷却系统驱动模块。

参见图2，所述的IGBT逻辑驱动电路是将复杂可编程逻辑器件（CPLD）输出的PWM信号通过驱动芯片SN74ACT244增强，输出功率驱动隔离模块。

参见图2，所述的SPI隔离及通信电路基于隔离芯片HCPL0900设计，所用的温度信号经过单片机（C8051）处理器处理后，通过SPI电路，在送给数字信号处理电路（DSP）使用。

参见图3，所述的母线电压/电流传感器模块、相电流传感器模块、正负极开关模块、预充电开关模块和功率变换模块共同构成主功率电路。所述的母线电压/电流传感器模块包括母线电流传感器1和母线电压传感器2，其采用的型号分别LEM公司的LT208-S7和CLSM-10MA。所述的包括A相电流传感器3、B相电流传感器4和C相电流传感器5，其采用的型号都为LEM公司的LT308-S7。所述的正负极开关模块包括开关S1和S3，均采用泰克EV200HAANA型的高压无辅助触点的高压接触器，在开关电机系统无故障时，由主控制电路模块控制其吸合导通，控制器高压上电。所述的预充电开关模块包括预充电电阻R1、预充电开关S2和薄膜电容C1，其中预充电电阻R1的型号为RX24-50-100RF铝壳充电电阻、阻值100R、功率50W，预充电开关S2采用泰克EV200AAANA型的高压有辅助触点的高压接触器，薄膜电容C1的型号为EPCOS的B25655M9108K、额定容量CR:1000uF±10%、额定电压VR:900V。所述的功率变换模块基于三相不对称半桥逆变器拓扑结构，包括IGBT大功率开关器件VT1、二极管D1、IGBT大功率开关器件VT2、二极管D2、IGBT大功率开关器件VT3、二极管D3、IGBT大功率开关器件VT4、二极管D4、IGBT大功率开关器件VT5、二极管D5、IGBT大功率开关器件VT6和二极管D6；其中的IGBT大功率开关器件VT1和二极管D1构成一相上桥，选用塞米控SEMIX703GAR126HD型IGBT模块；IGBT大功率开关器件VT4和二极管D4构成一相下桥选用塞米控SEMIX703GAL126HD型IGBT模块；其它两相的上下桥IGBT模块与前述的型号相同。

参见图1至图3，工作时，本控制器通过CAN总线接收整车控制器HCU发送的控制模式、目标转速和目标转矩指令，同时将母线电压、电流、转速和电机状态等信号发送给整车控制器HCU；同时，本电机控制器根据接收到的指令，然后基于电流斩波控制策略和角度位置控制策略，控制IGBT的导通和关断，从而实现对开关磁阻电机的转速控制和转矩控制。并且本控制器通过信号检测和处理，实现对电机系统的故障诊断和处理；电机控制器还可以通过SPI总线接收外接指令显示键盘发送的控制指令、并能向控制器写入标定参数，实现标定功能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器，其特征在于：包括上电和掉电延迟模块、开关电源、主控制器电路模块、母线电压/电流传感器模块、相电流传感器模块、功率驱动隔离模块、冷却系统驱动模块、正负极开关模块、预充电开关模块和功率变换模块，所述主控制电路模块的其中四个输入端分别与三相开关磁阻电机中的位置/转速传感器和绕组温度传感器的输出端、整车控制器的使能端、水冷却系统的进出水口温度传感器输出端相连，主控制电路模块的CAN通信接口与整车控制器的CAN通信接口相连接，主控制电路模块的PWM信号输出端与功率驱动隔离模块的输入端相连接，所述功率驱动隔离模块的过流信号端与主控制电路模块的普通I/O相连接，功率驱动隔离模块的IGBT驱动信号端与功率变换模块相连接，所述功率变换模块的IGBT反馈信号端与功率驱动隔离模块相连接，功率变换模块的三路不对称半桥输出接口与开关磁阻电机的三路输入端相连接，功率变换模块输入端与预充电开关模块的高压输出端相连接，所述预充电开关模块的控制输入端和反馈输出端分别与主控制电路模块的普通I/O相连接，预充电开关模块的高压输入端与正负极开关模块高压输出端相连接，所述正负极开关模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，正负极开关模块的高压输入端与动力电源的高压输出端相连接，所述母线电压/电流传感器模块的输入端与功率变换模块的电压输入端相连接，母线电压/电流传感器模块的输出端与主控制电路模块的AD接口相连接，所述相电流传感器模块的输入端与功率变换模块的三路不对称半桥相连接，相电流传感器模块的输出端与主控制电路模块的AD接口相连接，所述开关电源的输出端与主控制电路模块的供电接口相连接，开关电源的输入端与上电和掉电延迟模块相连接，所述上电和掉电延迟模块的输入端与24V电源输出端相连接，上电和掉电延迟模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，所述冷却系统驱动模块的电源供电端与24V电源输出端相连接，冷却系统驱动模块的控制输入端与主控制电路模块的普通I/O相连接，冷却系统驱动模块的输出端与水冷却系统的水泵和电子风扇接口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器，其特征在于：所述的主控制电路模块包括数字信号处理电路、复杂可编程逻辑器件、单片机、晶振电路、JTAG接口、复位电路、EEPROM、显示键盘接口电路、CAN通信隔离电路、母线电流/电压/相电流采样电路、开关量输入电路、模拟斩波电路、旋转变压器信号解码处理电路、过流过压信号比较电路、复位电路、温度信号采样电路、运行指示灯、正负极及预充电开关控制电路、冷却系统控制电路、IGBT逻辑驱动电路和SPI隔离及通信电路，所述的数字信号处理电路分别与晶振电路的输出端、复位电路I的输出端、母线电流/电压/相电流采样电路的输出端、开关量输入电路的输出端和绝缘检测电路的输出端相连接，所述运行指示灯的输入端、正负极及预充电开关控制电路输入端、冷却系统控制电路的输入端分别与数字信号处理电路相连接，所述的CAN通信隔离电路、JTAG接口、EEPROM、SPI隔离及通信电路、复杂可编程逻辑器件分别与数字信号处理电路双向连接，所述模拟斩波电路的输出端、旋转变压器信号解码处理电路的输出端、过流过压信号比较电路的输出端分别与复杂可编程逻辑器件相连接，所述IGBT逻辑驱动电路的输入端与复杂可编程逻辑器件相连接，所述的单片机与SPI隔离及通信电路双向连接，所述复位电路II的输出端、温度信号采样电路的输出端分别与单片机相连接。