一种电动车直流电机控制系统

1、一种电动车直流电机控制系统，其特征在于：该系统由电池的直流 电压(Us)经过由储能电容(C)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、续流二极 管(D)构成的固定频率脉冲宽度调制斩波调压器调制后加到电动机(M) 两端；绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极由开关电源集成控制器(TL494) 的输出端第九脚(9)控制；控制指令信号加到开关电源集成控制器(TL494) 的死区时间控制端第四脚(4)上，主回路中的霍尔电流传感器(HCS)通 过低通滤波、信号放大器与开关电源集成控制器(TL494)的第一脚(1) 连接构成限流调节器。
2、按照权利要求1所述电动车直流电机控制系统，其特征在于：无感 电阻(Rs)、无感电容(Cs)和快恢复型二极管(Ds)分别加在开关器件绝 缘栅双极晶体管(IGBT)和续流二极管(D)的两端构成浪涌电压吸收电 路。
3、按照权利要求1所述电动车直流电机控制系统，其特征在于：开关 电源集成控制器(TL494)的输出端第九脚(9)通过集成隔离驱动电路 (M57962L)控制绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极。

技术领域\n本发明涉及电动车技术，特别提供了一种可通过原油门踏板调节电机 转速，使电动车具有良好的起动和加速性能的电动车直流电机控制系统。\n背景技术\n目前，电动车研究处于起步阶段，其相应的电机控制系统未见报道。 现代直流电动机的驱动控制都是采用晶体管放大器来实现的，晶体管放大 器系统可分为线性放大器和开关放大器两种类型。线性放大器具有线性的 控制特性，没有明显的控制滞后现象，速度控制范围宽。但是正因为工作 于线性放大状态，功率器件的损耗大，效率低(最高不超过50％)。因此， 线性放大器一般仅在小功率的场合有所应用，大量采用的是开关放大器。 开关放大器总是处于导通或断开状态，导通时，管压降很小，而断开时电 流近似为零，所以，无论是通或断，晶体管的功耗都很小，这就大大提高 了开关型功率放大器的效率。开关放大器的驱动多采用脉宽调制(PWM) 方式，即放大器工作频率固定，通过改变导通脉冲的宽度(导通角)，来 改变加在负载上的平均电压值。作为电动车直流电机控制系统，其负载是 大功率直流电机(额定功率25～45KW，额定电压180～240V，额定电流 140～200A)，电枢电阻很小，在起动和速度很低时，电流将很大，过大的电流 将会产生过大的电磁转矩，使得电机损坏，还会产生过大的电枢反应，导 致电机永久性退磁。另外，控制驱动电路中功率器件的容量都有一定限制， 过大的电流会烧坏这些器件，因此，对于电动车大功率电动机驱动系统来 说，既要对控制指令产生快速响应，使电动车具有良好的起动和加速性能， 又要保证开关型功率器件的动态工作特性在其安全使用范围(SOA)之内。 对此，现有的直流电机驱动技术很难在调速和动态保护等方面满足电动车 的要求。\n发明内容\n本发明的目的在于提供一种电动车直流电机控制系统，其可以通过原 油门踏板调节电机转速，并且使电动车具有良好的起动和加速性能。\n本发明提供了一种电动车直流电机控制系统，其特征在于：该系统由 电池的直流电压Us经过由储能电容C、绝缘栅双极晶体管IGBT、续流二 极管D构成的固定频率PWM斩波调压器调制后加到电机M两端；IGBT 的栅极由开关电源集成控制器TL494的输出端9脚控制；控制指令信号加 到开关电源集成控制器TL494的死区时间控制端4脚上，主回路中的霍尔 电流传感器HCS通过低通滤波、信号放大器与TL494的1脚连接构成限 流调节器。\n本发明中在开关器件IGBT和续流二极管D的两端加无感电阻Rs、无 感电容Cs和快恢复型二极管Ds以构成浪涌电压吸收电路。TL494的输出 端9脚通过集成隔离驱动电路M57962L控制IGBT的栅极。\n本发明采用高压、高速、大功率开关器件IGBT(绝缘栅双极晶体管) 构成PWM斩波调压器，将控制指令信号(如位移传感器、压力传感器、 电位器等)转换成电压信号后加到开关电源集成控制器(如TL494、 SG3525、MC34060、UC3842等)的死区时间控制端，通过调节PWM信 号的脉冲宽度，达到调节输出平均电压的目的。另外利用开关电源集成控 制器内含的误差放大器作为限流调节器，以限制主回路中负载电流的峰 值。并且采用IGBT专用混合集成隔离驱动电路M57962L作为IGBT的栅 极隔离驱动电路。采用无感电阻、无感电容和快恢复型二极管构成浪涌电 压吸收电路，限制开关器件IGBT和续流二极管上因主回路杂散电感而引 起的过电压冲击。\n开关电源集成控制器TL494是一种脉宽调制型(PWM)开关电源集成 控制电路，包含开关稳压电源所需的全部控制电路，其中有误差放大器、 振荡器、脉宽调制器、脉冲发生器、输出开关管和过流保护电路，可以用 于产生PWM控制信号；芯片内含两个误差放大器，可设计成具有限压、 限流功能的固定稳压值开关电源控制电路。本发明通过分析TL494的内部 控制原理，将其死区时间控制功能用于输出电压调节，研究出电压可调的 稳压控制电路，将其用于电动车上，驾驶员可通过原油门踏板调节电机转 速，达到调速的目的；利用其中的一个误差放大器作为限流调节器，以限 制主回路中负载电流的峰值，而其比例-积分(PI)环节，用以协调控制系 统的电气特性和电机-负载系统的机械特性，使开关型功率器件工作在安全 范围(SOA)之内，可以达到快速响应，因而使电动车具有良好的起动和 加速性能。此外本发明具有重要而又广泛的应用价值，根据这一原理，可 设计出各种恒压、恒流装置如电压连续可调的稳压开关电源、可调的高精 度恒压或恒流充电装置、感应加热装置的输出功率控制等。下面通过实施 例详述本发明。\n附图说明\n附图1为系统结构框图\n附图2为电机电枢端电压Um的波形\n附图3为TL494的功能等效电路示意图\n附图4为PWM波形产生示意图\n附图5为控制电路框图\n附图6为实用电路\n具体实施方式\n系统结构框图如图1所示。电池采用Ni-MH 60Ah电池120只串联使 用，电压Us为144V。电池的直流电压Us经过IGBT构成的固定频率 (20KHz)PWM斩波调压器调制后加到电机M两端。电机电枢端电压Um 的波形如图2所示。电机转速由平均电压Ua决定。改变IGBT在一个开 关周期(T)内的导通宽度(t)，即可改变平均电压Ua的大小，从而控制 了电机的转速。D为续流二极管，在功率器件IGBT截止过程中，电机的 自感电动势使续流二极管正向导通，给负载电流提供一个续流回路，同时 将IGBT端电压钳位于电源电压Us。V1选用日本三菱公司的高压、高速、 大功率半导体器件IGBT(CM300HA-12H)，其额定电流为300A，额定电 压为600V。Rs、Cs、Ds为浪涌电压吸收电路，抑制IGBT和续流二极管 D上的开关浪涌电压。Rs、Cs为无感电阻和元感电容，Ds为快恢复型二 极管。电解电容C为储能电容，在IGBT导通时提供辅助放电电流。FUSE 为保险丝，提供负载短路保护。HCS为霍尔电流互感器，为控制电路提供 电流信号。电动机选用永磁直流电机，其额定功率为25KW，额定转速为 3000rpm，额定电压为180V，额定电流为147A。\n图3为TL494的功能等效电路示意图。其中的误差放大器A1和A2 的输出端(A、B)及TL494的4脚，通过三个等效的二极管并联后，再 与振荡器产生的锯齿波相比较而产生PWM波。PWM波形产生示意图见 图4，右图可见，TL494的电压比较器A3输出(C)的脉冲宽度由A、B 及4脚三者中电压最高者决定。通常，TL494的4脚用于软起动控制、死 区控制及保护控制，而放大器A1或A2用于恒压或恒流调节。14脚为内 部提供的5V基准电压输出端，13脚为输出方式控制端，决定输出驱动级 是互补输出(高电平有效)，还是同步输出(低电平有效)。正因为PWM 波形的脉冲宽度受TL494的4脚控制，因此可以通过调节4脚电压，达到 调节PWM输出平均电压的目的。而利用其中的一个误差放大器作为限流 调节器，以限制主回路中负载电流的峰值。\n图5为控制电路框图。由霍尔电流传感器采集主回路中的负载电流信 号，经低通滤波器滤除高频成分后，变成平滑的直流信号，再经信号放大 器放大后变成适当幅值的电流反馈信号加到由TL494构成的PWM信号产 生及控制电路上，其输出PWM控制信号经M57962L隔离驱动后，加到IGBT 的栅极上，够成了PWM控制回路。\n实用电路见图6。霍尔电流传感器(HCS)M端输出的电流信号经电 阻R1变换为电压信号，经电位器P1取样后加到R2、C1、R3、C2、R4、 R5构成的二阶低通滤波器上，输出直流信号经R4、R5分压后加到放大器 CA3 140的同相端3脚上，其反相端2接有比例调节电阻网络(R6、R7、 R8、P2)，放大后的直流信号经6脚输出加到TL494的1脚(即内部误差 放大器A1的同相端)，形成电流反馈信号。14脚输出的5V基准电压经R14、 P3分压后，经电阻R9加到2脚(即误差放大器A1的反相端)，以提供比 较的参考电压。2脚、3脚之间的电阻R10、R11和电容C4及电阻R9构 成比例-积分(PI)调节器。5脚、6脚接定时元件(电容C6和电阻R12)， 以构成固定的PWM振荡频率(f＝1.1/Rt*Ct)。其13脚接地，形成单端输 出。通过调节电位器P4，调节TL4944脚的端电压，从而调节PWM信号 的脉冲宽度。C5为滤波电容，R13为分压电阻，用以限制4脚的端电压。 TL494产生的PWM调制信号由9脚输出，经电阻R16加到M57962L的 控制端14脚。M57962L为IGBT模块专用混合集成隔离驱动电路，其5 脚输出驱动信号，经电阻R18加到IGBT的栅极G上。Z1、Z2、Z3为保 护器件用的稳压管，D1为快恢复二极管，用以IGBT的过流检测，8脚所 接LED指示灯为过流信号指示。\n将丰田VANNETE面包车改装成电动车，车体重量为1500Kg；电机 选用Nd-Fe-B永磁直流电机，电机额定功率为25KW，额定转速为3000rpm， 额定电压为180V。电池采用Ni-MH 60Ah电池120只串联使用，电压为 144V。调速电路采用功率器件IGBT模块构成PWM斩波器调节电机电压。 控制电路可以无级调速且具有过流保护功能，可以限制最大起动电流，以 及行驶过程中随时可能发生的电机过载电流峰值。整车可以达到的性能指 标为：\n1、最高时速：70Km/h\n2、一次充电续驶里程：90Km(40Km/h恒速行驶)\n3、加速性能：(0～40Km/h)＜30s\n4、最大爬坡度：10°

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