具有自动弱磁调速功能的电动汽车牵引电机控制器

摘要

该发明中的控制器与牵引直流电机构成电动汽车上的电机驱动控制系统,该控制器控制的直流电机采用复合励磁方式,由于上述电机驱动控制系统采用自动弱磁调速方案,满足了电动汽车的大扭矩起动和高速运行时电机需弱磁调速的特性要求,电动汽车全速运行时,电机增磁绕组中的励磁电流能自动减到零。由于该控制器斩波频率为高频,牵引电机运行时不产生噪音。电机驱动系统能在双现象内运行,使电动汽车具有再生制动功能。

说明书

本发明涉及一种电动汽车牵引电机的控制器。电动汽车的驱动控制系统分两大类，一类为交流电机的驱动控制系统，另一类为直流电机的驱动控制系统，本发明属于直流电机的驱动控制系统这一技术领域范畴。

目前，电动汽车所使用的直流电机有三种：它励直流电机(包括永磁直流电机)、串励直流电机、复合励磁的直流电机。它励直流电机不能满足电动汽车起动、加速的大扭矩要求，串励直流电机弥补了这一点的不足，但难于实现电动汽车的再生制动要求，即使通过复杂的控制能勉强实现再生制动，制动稳定性也不好，可靠性也较差。因此，电动汽车在使用直流电机做为牵引电机时，最好用它励加增磁绕组的复合励磁的直流电机，为了提高效率，它励部分最好选用钕铁硼等高磁材料构成的永磁磁极。当今，许多使用直流电机的电动车辆大多采用串励电机或它励电机，所用的电机控制器也是针对串励电机或它励电机设计的，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种电动汽车它励直流电机控制器。广州市电车公司在电动大客车上采用了永磁和增磁绕组结合的复合励磁的直流电机做为牵引电机，但所设计的控制器对增磁绕组的控制，只是采用了在车辆需要大扭矩驱动时把增磁绕组通过接触器闭合通电的简单增磁方法，实际上是把增磁绕组当做并励绕组使用，这样无法实现电动汽车由低速到高速起动过程中的自动弱磁，控制起来十分不便，而且，由于使用了接触器这类的有触点开关，可靠性也降低了。

本发明的目的就是要针对上述直流电机控制器的不足，设计出一种满足永磁加增磁绕组复合励磁的直流电机控制器，以满足电动汽车直流电机驱动系统的需要。该控制器把增磁绕组接在电机的续流回路中，产生了全新的自动弱磁调速方案，能满足电动汽车大扭矩起动和高速运行时电机需要弱磁调速的特性要求。另外，该电机控制器采用高频斩波的方式，使得电动汽车的牵引电机运行时不产生噪音，而且，该控制器和电机构成的直流电机驱动系统能在双现象内运行，保证了电动汽车的再生制动功能。

下面结合附图，具体介绍本发明：

图1为本发明的电路原理示意图。图1中的BATT为电池组，是电动汽车运行的动力电源，也就是本发明装置的电源。A为直流牵引电机的电枢，L1为电机的增磁绕组，L2绕组代表电机的永磁部分。图1中K1为电源开关，F1为保险，U0为电流传感器，它能检测电源电流的大小和方向，用于U1和U2的过流保护。K2为接触器，C1为电源滤波电容，R0为功率电阻，当K1闭合而K2的主触点接通前，电池组通过R0给C1预充电，U1为IGBT模块，包括IGBT和于之反并联的二极管，其中的IGBT用做为高频功率半导体开关，它工作在高频开关状态，由控制它的导通角大小，来控制给电机电枢电压的平均值，C2、R1和D1构成U1的尖峰电压吸收保护电路。U2为IGBT模块，包括IGBT和于之反并联的二极管，其中的IGBT也用做为高频功率半导体开关，电机驱动时关断，电机再生制动时，它处在高频开关状态，控制它的导通角大小，可控制再生制动电流的大小，再生制动时，U1中的IGBT处在关断状态。D2、R2和C3构成U2的尖峰电压吸收保护电路。图1中的IGBT模块U1和U2也可用由以IGBT为核心的智能功率模块IPM代替。图中的U3为功率二极管模块，C4、R3和D3构成U3的尖峰电压吸收保护电路。U4为电流传感器，它能检测电机电枢电流的大小和方向。T1和T2是两个温度传感器，分别装在U1和U2下面的散热器上，用于U1和U2的过热保护用。以上这些部件构成本发明的主电路部分。图1中的CONTRL、DRIVE1、DRIVE2和DRIVE0已由北京理工大学电动汽车技术中心做成的标准控制单元电路，构成本发明的信号控制部分，其中CONTRL是以单片微机为核心的电子控制线路，DRIVE1接收CONTRL的高电平或低电平信号，驱动U1的控制输入，以控制U1中IGBT的导通或关断，DRIVE2接收CONTRL的高电平或低电平信号，驱动U2的控制输入，以控制U2的导通或关断，DRIVE0接收CONTRL的高电平或低电平信号，驱动接触器K2的线圈，以控制K2主触点的关闭。CONTRL接收U4的电流反馈信号，根据图中的电动汽车加速踏板的加速信号ACCE或制动踏板的制动信号BRAKE来控制电机电枢的驱动电流或再生制动电流。

驱动时，U2中的IGBT一直关断，电源开关K1合上后，踩电动汽车加速踏板给CONTRL加速信号ACCE后，ACCE信号达到驱动门坎值之后，CONTRL给出控制信号S1，控制K2闭合，接通电池组BATT的电源，当加速踏板踩到一定位置时，CONTRL发出高频脉冲信号S3，通过DRIVE1驱动，控制U1中的IGBT处在高频开关状态，导通角根据U4的电流反馈信号S4自动调节，导通角大小的调节原则是确保驱动电枢电流i的大小与ACCE信号大小相对应，在U1中的IGBT处在开关状态的导通过程中，驱动电流由电池组BATT的正极通过K1、F1、U0、K2、U1中的IGBT、U4到电机电枢的正极，再由电机电枢的负极流出到BATT的负极，在U1中的IGBT处在开关状态的关断过程中，电机电枢电流经过由增磁绕组L1和U2中的反并联二极管构成的续流回路，续流过程中，增磁绕组的电流产生的磁场与永磁磁场(图中由绕组L2表示)是一致的，即增磁。当电动汽车处在加速或爬坡的低速运行时，由于电机电枢的反电势小，要达到加速踏板信号ACCE要求的电流值时，U1中的IGBT的导通角很小，而在U1中IGBT处在关断状态的较长时间里，电机电枢电流通过在增磁绕组L1中的续流而增磁，使得电机有较大的扭矩，而随着电机速度的升高，由于电机反电势的增大，要达到加速踏板信号ACCE要求的电枢电流值时，U1中IGBT的导通角则增大，这时，通过L1的续流时间随着电机转速的增加而缩短，增磁磁场也减小，符合电动汽车电机转速提高时不需要大扭矩而需要弱磁提速的要求，当电机转速很高，U1中的IGBT完全导通，L1中没有续流电流，这时电动汽车达到最高转速。上述随着电机转速的提高，增磁绕组的增磁电流逐渐减小的过程，就是本发明中的自动弱磁过程，它使得以本发明中的直流电机控制器为核心组成的电动汽车驱动系统的调速过程能与电动汽车的动力特性要求得到自动完美的配合。

再生制动时，这时电机处在发电制动运行状态。在制动过程中U1中IGBT一直关断，电源开关K1合上后，踩电动汽车刹车踏板给CONTRL刹车信号BRAKE后，BRAKE信号达到制动门坎值后，CONTRL控制K2闭合，刹车踏板踩到一定位置时，CONTRL发出高频脉冲信号S6，通过DRIVE2驱动，控制U2中的IGBT处在高频开关状态，导通角根据U4的电流反馈信号S4自动调节，导通角大小的调节原则是确保电机电枢电流发出电流的大小与BRAKE信号大小相对应，在U2中IGBT处在开关状态的导通过程中，制动电流由电机电枢A的正极流出，经过U4、U2中的IGBT、U3再流向A的负极，由于U3的存在，L1中没有电流通过，使得电机的励磁磁场稳定。在U2中IGBT处在开关状态的关断过程中，制动电流由A的正极流出，经过U4，再经过与U1中的反并联二极管后，通过K2、U0、F1和K1给电池组BATT充电，然后由BATT的负极流出到A的负极。

CONTRL采集由T1和T2给出的温度信号S2和S5，当S2或S5达到较大的值时，说明U1或U2温度较高，这时CONTRL封锁信号S3和S6，使得U1和U2中的IGBT都截止，实现U1和U2的过温保护。CONTRL采集由U0和U4给出的电流信号S0和S4，当S0或S4达到较大的值时，说明U1或U2有过电流现象，这时CONTRL封锁信号S3和S6，使得U1和U2中的IGBT都截止，实现U1和U2的过流保护。

实施例1：

图1所示的电路中，电池组BATT由4组并联而成，每组由30块12V/85Ah的密封蓄电池串联而成，K1选400A/1000V的大闸开关，K2选400A/1000V的直流接触器(线圈电压24VDC)，R0选2个4K/50W的电阻并联而成，C1选2000uF/1000V的电容，U1和U2选800A/1200V的IGBT或IPM模块，C2或C3或C4选2uF/1200VDC电容，R1或R2或R3选4个100/50W的电阻并联而成，D1或D2或D3选4个30A/1200V的快恢二极管并联，U3选500A/2000V的快恢二极管模块，U0和U4选把400A变100mA的霍尔电流传感器，电机的额定功率为75KW，峰值电压125KW，额定电压350V，额定效率92％，额定转速2200r/min，电机采用永磁加增磁绕组的复合励磁方法，增磁绕组施加电机额定电流时，产生的增磁磁场为永磁磁场的0.8倍。另外D0选3A/100V的二极管，CONTRL、DRIVE0、DRIVE1和DRIVE2采用北京理工大学电动汽车技术中心的标准控制单元电路，CONTRL的电源为24VDC。T1和T2为95℃动作的触点传感器。所构成的驱动控制器驱动10米长的电动大客车，该车的时速大于50km/h，爬坡度大于13％，加速性能好，并且加速过程特别平稳。