專利名稱：一種電動車直流電機控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動車技術(shù)，特別提供了一種可通過原油門踏板調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使電動車具有良好的起動和加速性能的電動車直流電機控制系統(tǒng)。
目前，電動車研究處于起步階段，其相應(yīng)的電機控制系統(tǒng)未見報道。現(xiàn)代直流電動機的驅(qū)動控制都是采用晶體管放大器來實現(xiàn)的，晶體管放大器系統(tǒng)可分為線性放大器和開關(guān)放大器兩種類型。線性放大器具有線性的控制特性，沒有明顯的控制滯后現(xiàn)象，速度控制范圍寬。但是正因為工作于線性放大狀態(tài)，功率器件的損耗大，效率低(最高不超過50％)。因此，線性放大器一般僅在小功率的場合有所應(yīng)用，大量采用的是開關(guān)放大器。開關(guān)放大器總是處于導(dǎo)通或斷開狀態(tài)，導(dǎo)通時，管壓降很小，而斷開時電流近似為零，所以，無論是通或斷，晶體管的功耗都很小，這就大大提高了開關(guān)型功率放大器的效率。開關(guān)放大器的驅(qū)動多采用脈寬調(diào)制(PWM)方式，即放大器工作頻率固定，通過改變導(dǎo)通脈沖的寬度(導(dǎo)通角)，來改變加在負載上的平均電壓值。作為電動車直流電機控制系統(tǒng)，其負載是大功率直流電機(額定功率25～45KW，額定電壓180～240V，額定電流140～200A)，電樞電阻很小，在起動和速度很低時，電流將很大，過大的電流將會產(chǎn)生過大的電磁轉(zhuǎn)矩，使得電機損壞，還會產(chǎn)生過大的電樞反應(yīng)，導(dǎo)致電機永久性退磁。另外，控制驅(qū)動電路中功率器件的容量都有一定限制，過大的電流會燒壞這些器件，因此，對于電動車大功率電動機驅(qū)動系統(tǒng)來說，既要對控制指令產(chǎn)生快速響應(yīng)，使電動車具有良好的起動和加速性能，又要保證開關(guān)型功率器件的動態(tài)工作特性在其安全使用范圍(SOA)之內(nèi)。對此，現(xiàn)有的直流電機驅(qū)動技術(shù)很難在調(diào)速和動態(tài)保護等方面滿足電動車的要求。
本發(fā)明的目的在于提供一種電動車直流電機控制系統(tǒng)，其可以通過原油門踏板調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并且使電動車具有良好的起動和加速性能。
本發(fā)明提供了一種電動車直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由電池的直流電壓Us經(jīng)過由儲能電容C、絕緣柵雙極晶體管IGBT、續(xù)流二極管D構(gòu)成的固定頻率PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電機M兩端；IGBT的柵極由開關(guān)電源集成控制器TL494的輸出端9腳控制；控制指令信號加到開關(guān)電源集成控制器TL494的死區(qū)時間控制端4腳上，主回路中的霍爾電流傳感器HCS通過低通濾波、信號放大器與TL494的1腳連接構(gòu)成限流調(diào)節(jié)器。
本發(fā)明中在開關(guān)器件IGBT和續(xù)流二極管D的兩端加無感電阻Rs、無感電容Cs和快恢復(fù)型二極管Ds以構(gòu)成浪涌電壓吸收電路。TL494的輸出端9腳通過集成隔離驅(qū)動電路M57962L控制IGBT的柵極。
本發(fā)明采用高壓、高速、大功率開關(guān)器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)構(gòu)成PWM斬波調(diào)壓器，將控制指令信號(如位移傳感器、壓力傳感器、電位器等)轉(zhuǎn)換成電壓信號后加到開關(guān)電源集成控制器(如TL494、SG3525、MC34060、UC3842等)的死區(qū)時間控制端，通過調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度，達到調(diào)節(jié)輸出平均電壓的目的。另外利用開關(guān)電源集成控制器內(nèi)含的誤差放大器作為限流調(diào)節(jié)器，以限制主回路中負載電流的峰值。并且采用IGBT專用混合集成隔離驅(qū)動電路M57962L作為IGBT的柵極隔離驅(qū)動電路。采用無感電阻、無感電容和快恢復(fù)型二極管構(gòu)成浪涌電壓吸收電路，限制開關(guān)器件IGBT和續(xù)流二極管上因主回路雜散電感而引起的過電壓沖擊。
開關(guān)電源集成控制器TL494是一種脈寬調(diào)制型(PWM)開關(guān)電源集成控制電路，包含開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部控制電路，其中有誤差放大器、振蕩器、脈寬調(diào)制器、脈沖發(fā)生器、輸出開關(guān)管和過流保護電路，可以用于產(chǎn)生PWM控制信號；芯片內(nèi)含兩個誤差放大器，可設(shè)計成具有限壓、限流功能的固定穩(wěn)壓值開關(guān)電源控制電路。本發(fā)明通過分析TL494的內(nèi)部控制原理，將其死區(qū)時間控制功能用于輸出電壓調(diào)節(jié)，研究出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓控制電路，將其用于電動車上，駕駛員可通過原油門踏板調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的；利用其中的一個誤差放大器作為限流調(diào)節(jié)器，以限制主回路中負載電流的峰值，而其比例-積分(PI)環(huán)節(jié)，用以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的電氣特性和電機-負載系統(tǒng)的機械特性，使開關(guān)型功率器件工作在安全范圍(SOA)之內(nèi)，可以達到快速響應(yīng)，因而使電動車具有良好的起動和加速性能。此外本發(fā)明具有重要而又廣泛的應(yīng)用價值，根據(jù)這一原理，可設(shè)計出各種恒壓、恒流裝置如電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓開關(guān)電源、可調(diào)的高精度恒壓或恒流充電裝置、感應(yīng)加熱裝置的輸出功率控制等。下面通過實施例詳述本發(fā)明。
附

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖附圖2為電機電樞端電壓Um的波形附圖3為TL494的功能等效電路示意圖附圖4為PWM波形產(chǎn)生示意圖附圖5為控制電路框圖附圖6為實用電路實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電池采用Ni-MH 60Ah電池120只串聯(lián)使用，電壓Us為144V。電池的直流電壓Us經(jīng)過IGBT構(gòu)成的固定頻率(20KHz)PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電機M兩端。電機電樞端電壓Um的波形如圖2所示。電機轉(zhuǎn)速由平均電壓Ua決定。改變IGBT在一個開關(guān)周期(T)內(nèi)的導(dǎo)通寬度(t)，即可改變平均電壓Ua的大小，從而控制了電機的轉(zhuǎn)速。D為續(xù)流二極管，在功率器件IGBT截止過程中，電機的自感電動勢使續(xù)流二極管正向?qū)ǎo負載電流提供一個續(xù)流回路，同時將IGBT端電壓鉗位于電源電壓Us。V1選用日本三菱公司的高壓、高速、大功率半導(dǎo)體器件IGBT(CM300HA-12H)，其額定電流為300A，額定電壓為600V。Rs、Cs、Ds為浪涌電壓吸收電路，抑制IGBT和續(xù)流二極管D上的開關(guān)浪涌電壓。Rs、Cs為無感電阻和無感電容，Ds為快恢復(fù)型二極管。電解電容C為儲能電容，在IGBT導(dǎo)通時提供輔助放電電流。FUSE為保險絲，提供負載短路保護。HCS為霍爾電流互感器，為控制電路提供電流信號。電動機選用永磁直流電機，其額定功率為25KW，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定電壓為180V，額定電流為147A。
圖3為TL494的功能等效電路示意圖。其中的誤差放大器A1和A2的輸出端(A、B)及TL494的4腳，通過三個等效的二極管并聯(lián)后，再與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波相比較而產(chǎn)生PWM波。PWM波形產(chǎn)生示意圖見圖4，右圖可見，TL494的電壓比較器A3輸出(C)的脈沖寬度由A、B及4腳三者中電壓最高者決定。通常，TL494的4腳用于軟起動控制、死區(qū)控制及保護控制，而放大器A1或A2用于恒壓或恒流調(diào)節(jié)。14腳為內(nèi)部提供的5V基準電壓輸出端，13腳為輸出方式控制端，決定輸出驅(qū)動級是互補輸出(高電平有效)，還是同步輸出(低電平有效)。正因為PWM波形的脈沖寬度受TL494的4腳控制，因此可以通過調(diào)節(jié)4腳電壓，達到調(diào)節(jié)PWM輸出平均電壓的目的。而利用其中的一個誤差放大器作為限流調(diào)節(jié)器，以限制主回路中負載電流的峰值。
圖5為控制電路框圖。由霍爾電流傳感器采集主回路中的負載電流信號，經(jīng)低通濾波器濾除高頻成分后，變成平滑的直流信號，再經(jīng)信號放大器放大后變成適當幅值的電流反饋信號加到由TL494構(gòu)成的PWM信號產(chǎn)生及控制電路上，其輸出PWM控制信號經(jīng)M57962L隔離驅(qū)動后，加到IGBT的柵極上，夠成了PWM控制回路。
實用電路見圖6?；魻栯娏鱾鞲衅?HCS)M端輸出的電流信號經(jīng)電阻R1變換為電壓信號，經(jīng)電位器P1取樣后加到R2、C1、R3、C2、R4、R5構(gòu)成的二階低通濾波器上，輸出直流信號經(jīng)R4、R5分壓后加到放大器CA3140的同相端3腳上，其反相端2接有比例調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)(R6、R7、R8、P2)，放大后的直流信號經(jīng)6腳輸出加到TL494的1腳(即內(nèi)部誤差放大器A1的同相端)，形成電流反饋信號。14腳輸出的5V基準電壓經(jīng)R14、P3分壓后，經(jīng)電阻R9加到2腳(即誤差放大器A1的反相端)，以提供比較的參考電壓。2腳、3腳之間的電阻R10、R11和電容C4及電阻R9構(gòu)成比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器。5腳、6腳接定時元件(電容C6和電阻R12)，以構(gòu)成固定的PWM振蕩頻率(f=1.1/Rt*Ct)。其13腳接地，形成單端輸出。通過調(diào)節(jié)電位器P4，調(diào)節(jié)TL4944腳的端電壓，從而調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度。C5為濾波電容，R13為分壓電阻，用以限制4腳的端電壓。TL494產(chǎn)生的PWM調(diào)制信號由9腳輸出，經(jīng)電阻R16加到M57962L的控制端14腳。M57962L為IGBT模塊專用混合集成隔離驅(qū)動電路，其5腳輸出驅(qū)動信號，經(jīng)電阻R18加到IGBT的柵極G上。Z1、Z2、Z3為保護器件用的穩(wěn)壓管，D1為快恢復(fù)二極管，用以IGBT的過流檢測，8腳所接LED指示燈為過流信號指示。
將豐田VANNETE面包車改裝成電動車，車體重量為1500Kg；電機選用Nd-Fe-B永磁直流電機，電機額定功率為25KW，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定電壓為180V。電池采用Ni-MH 60Ah電池120只串聯(lián)使用，電壓為144V。調(diào)速電路采用功率器件IGBT模塊構(gòu)成PWM斬波器調(diào)節(jié)電機電壓。控制電路可以無級調(diào)速且具有過流保護功能，可以限制最大起動電流，以及行駛過程中隨時可能發(fā)生的電機過載電流峰值。整車可以達到的性能指標為1、最高時速70Km/h2、一次充電續(xù)駛里程90Km(40Km/h恒速行駛)3、加速性能(0～40Km/h)＜30s4、最大爬坡度10°
權(quán)利要求
1.一種電動車直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由電池的直流電壓Us經(jīng)過由儲能電容C、絕緣柵雙極晶體管IGBT、續(xù)流二極管D構(gòu)成的固定頻率PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到電動機M兩端；IGBT的柵極由開關(guān)電源集成控制器TL494的輸出端9腳控制；控制指令信號加到開關(guān)電源集成控制器TL494的死區(qū)時間控制端4腳上，主回路中的霍爾電流傳感器HCS通過低通濾波、信號放大器與TL494的腳1腳連接構(gòu)成限流調(diào)節(jié)器。
2.按照權(quán)利要求1所述電動車直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于無感電阻Rs、無感電容Cs和快恢復(fù)型二極管Ds分別加在開關(guān)器件IGBT和續(xù)流二極管D的兩端構(gòu)成浪涌電壓吸收電路。
3.按照權(quán)利要求1所述電動車直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于TL494的輸出端9腳通過集成隔離驅(qū)動電路M57962L控制IGBT的柵極。
全文摘要
一種電動車直流電機控制系統(tǒng)，由蓄電池電壓經(jīng)過由C、IGBT、D構(gòu)成的固定頻率PWM斬波調(diào)壓器調(diào)制后加到直流電動機M兩端；IGBT的柵極由開關(guān)電源集成控制器TL494的輸出端9腳控制；控制指令信號加到開關(guān)電源集成控制器TL494的死區(qū)時間控制端4腳上，主回路中的霍爾電流傳感器HCS與TL494的1腳連接構(gòu)成限流調(diào)節(jié)器。本發(fā)明可以通過原油門踏板調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速，并且使電動車具有良好的起動和加速性能。
文檔編號B60L15/00GK1317421SQ0011031
公開日2001年10月17日 申請日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月12日
發(fā)明者劉炳東, 姜志民, 李東華 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所