專利名稱：具有自動(dòng)弱磁調(diào)速功能的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的控制器。電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)分兩大類，一類為交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，另一類為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，本發(fā)明屬于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)這一技術(shù)領(lǐng)域范疇。
目前，電動(dòng)汽車所使用的直流電機(jī)有三種它勵(lì)直流電機(jī)(包括永磁直流電機(jī))、串勵(lì)直流電機(jī)、復(fù)合勵(lì)磁的直流電機(jī)。它勵(lì)直流電機(jī)不能滿足電動(dòng)汽車起動(dòng)、加速的大扭矩要求，串勵(lì)直流電機(jī)彌補(bǔ)了這一點(diǎn)的不足，但難于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)要求，即使通過復(fù)雜的控制能勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，制動(dòng)穩(wěn)定性也不好，可靠性也較差。因此，電動(dòng)汽車在使用直流電機(jī)做為牽引電機(jī)時(shí)，最好用它勵(lì)加增磁繞組的復(fù)合勵(lì)磁的直流電機(jī)，為了提高效率，它勵(lì)部分最好選用釹鐵硼等高磁材料構(gòu)成的永磁磁極。當(dāng)今，許多使用直流電機(jī)的電動(dòng)車輛大多采用串勵(lì)電機(jī)或它勵(lì)電機(jī)，所用的電機(jī)控制器也是針對(duì)串勵(lì)電機(jī)或它勵(lì)電機(jī)設(shè)計(jì)的，例如，“IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,VOL.IA-6,NO.4”上刊登的“A Two-Quadrant Transistor Chopper for an Electric VehicleDrive”一文所涉及的就是一種電動(dòng)汽車它勵(lì)直流電機(jī)控制器。廣州市電車公司在電動(dòng)大客車上采用了永磁和增磁繞組結(jié)合的復(fù)合勵(lì)磁的直流電機(jī)做為牽引電機(jī)，但所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)增磁繞組的控制，只是采用了在車輛需要大扭矩驅(qū)動(dòng)時(shí)把增磁繞組通過接觸器閉合通電的簡(jiǎn)單增磁方法，實(shí)際上是把增磁繞組當(dāng)做并勵(lì)繞組使用，這樣無法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車由低速到高速起動(dòng)過程中的自動(dòng)弱磁，控制起來十分不便，而且，由于使用了接觸器這類的有觸點(diǎn)開關(guān)，可靠性也降低了。
本發(fā)明的目的就是要針對(duì)上述直流電機(jī)控制器的不足，設(shè)計(jì)出一種滿足永磁加增磁繞組復(fù)合勵(lì)磁的直流電機(jī)控制器，以滿足電動(dòng)汽車直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要。該控制器把增磁繞組接在電機(jī)的續(xù)流回路中，產(chǎn)生了全新的自動(dòng)弱磁調(diào)速方案，能滿足電動(dòng)汽車大扭矩起動(dòng)和高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)需要弱磁調(diào)速的特性要求。另外，該電機(jī)控制器采用高頻斬波的方式，使得電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生噪音，而且，該控制器和電機(jī)構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能在雙現(xiàn)象內(nèi)運(yùn)行，保證了電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)功能。
下面結(jié)合附圖，具體介紹本發(fā)明

圖1為本發(fā)明的電路原理示意圖。圖1中的BATT為電池組，是電動(dòng)汽車運(yùn)行的動(dòng)力電源，也就是本發(fā)明裝置的電源。A為直流牽引電機(jī)的電樞，L1為電機(jī)的增磁繞組，L2繞組代表電機(jī)的永磁部分。圖1中K1為電源開關(guān)，F(xiàn)1為保險(xiǎn)，U0為電流傳感器，它能檢測(cè)電源電流的大小和方向，用于U1和U2的過流保護(hù)。K2為接觸器，C1為電源濾波電容，R0為功率電阻，當(dāng)K1閉合而K2的主觸點(diǎn)接通前，電池組通過R0給C1預(yù)充電，U1為IGBT模塊，包括IGBT和于之反并聯(lián)的二極管，其中的IGBT用做為高頻功率半導(dǎo)體開關(guān)，它工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，由控制它的導(dǎo)通角大小，來控制給電機(jī)電樞電壓的平均值，C2、R1和D1構(gòu)成U1的尖峰電壓吸收保護(hù)電路。U2為IGBT模塊，包括IGBT和于之反并聯(lián)的二極管，其中的IGBT也用做為高頻功率半導(dǎo)體開關(guān)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)關(guān)斷，電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)，它處在高頻開關(guān)狀態(tài)，控制它的導(dǎo)通角大小，可控制再生制動(dòng)電流的大小，再生制動(dòng)時(shí)，U1中的IGBT處在關(guān)斷狀態(tài)。D2、R2和C3構(gòu)成U2的尖峰電壓吸收保護(hù)電路。圖1中的IGBT模塊U1和U2也可用由以IGBT為核心的智能功率模塊IPM代替。圖中的U3為功率二極管模塊，C4、R3和D3構(gòu)成U3的尖峰電壓吸收保護(hù)電路。U4為電流傳感器，它能檢測(cè)電機(jī)電樞電流的大小和方向。T1和T2是兩個(gè)溫度傳感器，分別裝在U1和U2下面的散熱器上，用于U1和U2的過熱保護(hù)用。以上這些部件構(gòu)成本發(fā)明的主電路部分。圖1中的CONTRL、DRIVE1、DRIVE2和DRIVE0已由北京理工大學(xué)電動(dòng)汽車技術(shù)中心做成的標(biāo)準(zhǔn)控制單元電路，構(gòu)成本發(fā)明的信號(hào)控制部分，其中CONTRL是以單片微機(jī)為核心的電子控制線路，DRIVE1接收CONTRL的高電平或低電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)U1的控制輸入，以控制U1中IGBT的導(dǎo)通或關(guān)斷，DRIVE2接收CONTRL的高電平或低電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)U2的控制輸入，以控制U2的導(dǎo)通或關(guān)斷，DRIVE0接收CONTRL的高電平或低電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)接觸器K2的線圈，以控制K2主觸點(diǎn)的關(guān)閉。CONTRL接收U4的電流反饋信號(hào)，根據(jù)圖中的電動(dòng)汽車加速踏板的加速信號(hào)ACCE或制動(dòng)踏板的制動(dòng)信號(hào)BRAKE來控制電機(jī)電樞的驅(qū)動(dòng)電流或再生制動(dòng)電流。
驅(qū)動(dòng)時(shí)，U2中的IGBT一直關(guān)斷，電源開關(guān)K1合上后，踩電動(dòng)汽車加速踏板給CONTRL加速信號(hào)ACCE后，ACCE信號(hào)達(dá)到驅(qū)動(dòng)門坎值之后，CONTRL給出控制信號(hào)S1，控制K2閉合，接通電池組BATT的電源，當(dāng)加速踏板踩到一定位置時(shí)，CONTRL發(fā)出高頻脈沖信號(hào)S3，通過DRIVE1驅(qū)動(dòng)，控制U1中的IGBT處在高頻開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通角根據(jù)U4的電流反饋信號(hào)S4自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)通角大小的調(diào)節(jié)原則是確保驅(qū)動(dòng)電樞電流i的大小與ACCE信號(hào)大小相對(duì)應(yīng)，在U1中的IGBT處在開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通過程中，驅(qū)動(dòng)電流由電池組BATT的正極通過K1、F1、U0、K2、U1中的IGBT、U4到電機(jī)電樞的正極，再由電機(jī)電樞的負(fù)極流出到BATT的負(fù)極，在U1中的IGBT處在開關(guān)狀態(tài)的關(guān)斷過程中，電機(jī)電樞電流經(jīng)過由增磁繞組L1和U2中的反并聯(lián)二極管構(gòu)成的續(xù)流回路，續(xù)流過程中，增磁繞組的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)(圖中由繞組L2表示)是一致的，即增磁。當(dāng)電動(dòng)汽車處在加速或爬坡的低速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)電樞的反電勢(shì)小，要達(dá)到加速踏板信號(hào)ACCE要求的電流值時(shí)，U1中的IGBT的導(dǎo)通角很小，而在U1中IGBT處在關(guān)斷狀態(tài)的較長(zhǎng)時(shí)間里，電機(jī)電樞電流通過在增磁繞組L1中的續(xù)流而增磁，使得電機(jī)有較大的扭矩，而隨著電機(jī)速度的升高，由于電機(jī)反電勢(shì)的增大，要達(dá)到加速踏板信號(hào)ACCE要求的電樞電流值時(shí)，U1中IGBT的導(dǎo)通角則增大，這時(shí)，通過L1的續(xù)流時(shí)間隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而縮短，增磁磁場(chǎng)也減小，符合電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)不需要大扭矩而需要弱磁提速的要求，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，U1中的IGBT完全導(dǎo)通，L1中沒有續(xù)流電流，這時(shí)電動(dòng)汽車達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。上述隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，增磁繞組的增磁電流逐漸減小的過程，就是本發(fā)明中的自動(dòng)弱磁過程，它使得以本發(fā)明中的直流電機(jī)控制器為核心組成的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速過程能與電動(dòng)汽車的動(dòng)力特性要求得到自動(dòng)完美的配合。
再生制動(dòng)時(shí)，這時(shí)電機(jī)處在發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在制動(dòng)過程中U1中IGBT一直關(guān)斷，電源開關(guān)K1合上后，踩電動(dòng)汽車剎車踏板給CONTRL剎車信號(hào)BRAKE后，BRAKE信號(hào)達(dá)到制動(dòng)門坎值后，CONTRL控制K2閉合，剎車踏板踩到一定位置時(shí)，CONTRL發(fā)出高頻脈沖信號(hào)S6，通過DRIVE2驅(qū)動(dòng)，控制U2中的IGBT處在高頻開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通角根據(jù)U4的電流反饋信號(hào)S4自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)通角大小的調(diào)節(jié)原則是確保電機(jī)電樞電流發(fā)出電流的大小與BRAKE信號(hào)大小相對(duì)應(yīng)，在U2中IGBT處在開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通過程中，制動(dòng)電流由電機(jī)電樞A的正極流出，經(jīng)過U4、U2中的IGBT、U3再流向A的負(fù)極，由于U3的存在，L1中沒有電流通過，使得電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)穩(wěn)定。在U2中IGBT處在開關(guān)狀態(tài)的關(guān)斷過程中，制動(dòng)電流由A的正極流出，經(jīng)過U4，再經(jīng)過與U1中的反并聯(lián)二極管后，通過K2、U0、F1和K1給電池組BATT充電，然后由BATT的負(fù)極流出到A的負(fù)極。
CONTRL采集由T1和T2給出的溫度信號(hào)S2和S5，當(dāng)S2或S5達(dá)到較大的值時(shí)，說明U1或U2溫度較高，這時(shí)CONTRL封鎖信號(hào)S3和S6，使得U1和U2中的IGBT都截止，實(shí)現(xiàn)U1和U2的過溫保護(hù)。CONTRL采集由U0和U4給出的電流信號(hào)S0和S4，當(dāng)S0或S4達(dá)到較大的值時(shí)，說明U1或U2有過電流現(xiàn)象，這時(shí)CONTRL封鎖信號(hào)S3和S6，使得U1和U2中的IGBT都截止，實(shí)現(xiàn)U1和U2的過流保護(hù)。
實(shí)施例1圖1所示的電路中，電池組BATT由4組并聯(lián)而成，每組由30塊12V/85Ah的密封蓄電池串聯(lián)而成，K1選400A/1000V的大閘開關(guān)，K2選400A/1000V的直流接觸器(線圈電壓24VDC)，R0選2個(gè)4K/50W的電阻并聯(lián)而成，C1選2000uF/1000V的電容，U1和U2選800A/1200V的IGBT或IPM模塊，C2或C3或C4選2uF/1200VDC電容，R1或R2或R3選4個(gè)100/50W的電阻并聯(lián)而成，D1或D2或D3選4個(gè)30A/1200V的快恢二極管并聯(lián)，U3選500A/2000V的快恢二極管模塊，U0和U4選把400A變100mA的霍爾電流傳感器，電機(jī)的額定功率為75KW，峰值電壓125KW，額定電壓350V，額定效率92％，額定轉(zhuǎn)速2200r/min，電機(jī)采用永磁加增磁繞組的復(fù)合勵(lì)磁方法，增磁繞組施加電機(jī)額定電流時(shí)，產(chǎn)生的增磁磁場(chǎng)為永磁磁場(chǎng)的0.8倍。另外D0選3A/100V的二極管，CONTRL、DRIVE0、DRIVE1和DRIVE2采用北京理工大學(xué)電動(dòng)汽車技術(shù)中心的標(biāo)準(zhǔn)控制單元電路，CONTRL的電源為24VDC。T1和T2為95℃動(dòng)作的觸點(diǎn)傳感器。所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)10米長(zhǎng)的電動(dòng)大客車，該車的時(shí)速大于50km/h，爬坡度大于13％，加速性能好，并且加速過程特別平穩(wěn)。
權(quán)利要求
1．具有自動(dòng)弱磁調(diào)速功能的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)控制器，由大閘開關(guān)K1、保險(xiǎn)K1、接觸器K2、電容預(yù)充電阻、IGBT功率半導(dǎo)體模塊U1和U2、功率二極管模塊U3、電流傳感器U0和U4、U1的尖峰電壓吸收電路(由C2、R1、D1組成)、U2的尖峰電壓吸收電路(由C3、R2、D2組成)、U3的尖峰電壓吸收電路(由C4、R3、D3組成)、單元控制電路CONTRL、U1的驅(qū)動(dòng)單元電路DRIVE1、U2的驅(qū)動(dòng)單元電路DRIVE2、K2接觸器線圈驅(qū)動(dòng)單元電路DRIVE0、K2線圈的續(xù)流二極管D0、溫度傳感器T1、溫度傳感器T2構(gòu)成，該控制器的電源為電池組，控制的對(duì)象是永磁加增磁繞組復(fù)合勵(lì)磁的直流牽引電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)控制要求。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)控制器，其特征在于電機(jī)的增磁繞組L1接在電機(jī)的續(xù)流回路中，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車由低速到高速過程中牽引電機(jī)自動(dòng)弱磁調(diào)速功能。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)控制器，其特征在于接在電機(jī)續(xù)流回路中的增磁繞組L1上并聯(lián)了一個(gè)功率二極管模塊U3，使得電動(dòng)汽車在再生制動(dòng)過程中U2中IGBT處在高頻開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通過程中，電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電流由電樞A的正極通過U2中IGBT后，直接經(jīng)過二極管模塊U3而不用經(jīng)過L1后流向A的負(fù)極，這樣在再生制動(dòng)過程中，L1中沒有電流通過，保證了制動(dòng)過程中電機(jī)具有穩(wěn)定的磁場(chǎng)，從而使制動(dòng)過程平穩(wěn)進(jìn)行。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)控制器，其特征在于U1中的IGBT或U2中的IGBT在電機(jī)驅(qū)動(dòng)或再生制動(dòng)過程中工作在高頻斬波開關(guān)狀態(tài)，從而保證了電機(jī)運(yùn)行過程中沒有噪音產(chǎn)生。
全文摘要
該發(fā)明中的控制器與牽引直流電機(jī)構(gòu)成電動(dòng)汽車上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),該控制器控制的直流電機(jī)采用復(fù)合勵(lì)磁方式,由于上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用自動(dòng)弱磁調(diào)速方案,滿足了電動(dòng)汽車的大扭矩起動(dòng)和高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)需弱磁調(diào)速的特性要求,電動(dòng)汽車全速運(yùn)行時(shí),電機(jī)增磁繞組中的勵(lì)磁電流能自動(dòng)減到零。由于該控制器斬波頻率為高頻,牽引電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生噪音。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能在雙現(xiàn)象內(nèi)運(yùn)行,使電動(dòng)汽車具有再生制動(dòng)功能。
文檔編號(hào)B60L15/00GK1234347SQ9910792
公開日1999年11月10日 申請(qǐng)日期1999年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月3日
發(fā)明者孫逢春, 張承寧, 李學(xué)勇, 孫立清 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)