一种电动车直流电机控制系统

发明专利无效专利

申请号：
CN00110315.6
IPC分类号：--
申请日期：
2000-04-12
申请人：
中国科学院金属研究所

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专利名称	一种电动车直流电机控制系统
申请号	CN00110315.6	申请日期	2000-04-12
法律状态	权利终止	申报国家	中国
公开/公告日	2001-10-17	公开/公告号	CN1317421
优先权	暂无	优先权号	暂无
主分类号	暂无	IPC分类号	暂无查看分类表>
申请人	中国科学院金属研究所	申请人地址	辽宁省沈阳市沈河区文化路*** 变更专利地址、主体等相关变化，请及时变更，防止失效
权利人	中国科学院金属研究所	当前权利人	中国科学院金属研究所
发明人	刘炳东;姜志民;李东华
代理机构	沈阳科苑专利商标代理有限公司	代理人	张晨

摘要

一种电动车直流电机控制系统，由蓄电池电压经过由储能电容(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直流电动机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)与开关电源集成控制器(TL494)的1脚连接构成限流调节器。本发明可以通过原油门踏板调节直流电动机转速，并且使电动车具有良好的起动和加速性能。

技术领域
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。
背景技术
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。
发明内容
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
附图1为系统结构框图
附图2为电机电枢端电压Um的波形
附图3为TL494的功能等效电路示意图
附图4为PWM波形产生示意图
附图5为控制电路框图
附图6为实用电路
具体实施方式
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。
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。
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。
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。
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1、最高时速：70Km/h
2、一次充电续驶里程：90Km(40Km/h恒速行驶)
3、加速性能：(0～40Km/h)＜30s
4、最大爬坡度：10°