專利名稱：應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法
技術領域：
本發明涉及ー種應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法。
背景技術：
隨著世界汽車保有量的急劇增長，傳統的內燃機汽車在帶給人們便利的同時，對人類環境帶來的危害越來越嚴重。環境保護呼聲的高漲和石油儲量的日益短缺使得內燃機已不能滿足要求了，且傳統燃油發動機效率低，一般在30% 50%之間，現在，電動車以車載動カ電源為動力，用電機驅動汽車行駛，作為零污染交通工具的電動車無內燃機汽車工作時產生的污染環境的廢氣并且電動車效率超過傳統汽車，系統最高效率通常在90%以上，尤其永磁電機驅動系統可達94%以上。因此，電動汽車成為當前汽車エ業發展和研究的重點。
目前，國內多數電動車以交流異步電機、直流電機作為驅動核心，但是交流異步電機功率因數滯后，輕載功率因數低，調速性能稍差，而直流電機制造比較貴，碳刷和整流子存在磨損，使用壽命短，噪音大。

發明內容
本發明的目的在于解決現有技術的不足，提供一種可正交或解藕控制的、電壓利用率和控制精度高的、能有效適應惡劣環境的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的應用于純電動轎車的永磁電機控制器，它主要由電源板、控制板、驅動板和功率部件組成，電源板與控制板、驅動板和功率部件連接，控制板通過CAN總線與整車控制器連接，控制板的控制輸出與驅動板連接，驅動板的輸出與功率部件連接，控制板的一組模擬量輸入分別與電流互感器和旋轉變壓器連接，電流互感器與永磁電機的電源端子連接，旋轉變壓器與永磁電機轉軸連接；所述的控制板包括控制器殼體和置于控制器殼體內的電機控制単元，所述的控制器殼體上設有動力電源接頭和電機三相信號接頭，控制器殼體的底部安裝有冷卻器，冷卻器上設有冷卻液輸入管和冷卻液輸出管，冷卻器內有冷卻液流道，冷卻液流道采用密封板密封，冷卻液輸入管和冷卻液輸出管置于控制器殼體外部；所述的電機控制單元電路包括電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、硬件故障鎖存電路、位移信號采集電路、電機控制信號產生電路和微處理器，電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、位移信號采集電路和電機控制信號產生電路通過內部總線與微處理器連接，電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、位移信號采集電路和電機控制信號產生電路還分別于電流互感器、外部開關信號、外部CAN總線、旋轉變壓器和驅動板對應連接，硬件故障鎖存電路與微處理器連接。本發明所述的電流互感器為霍爾傳感器。本發明所述的控制器殼體為鑄鋁件。
本發明所述的功率部件為絕緣柵雙極型晶體管IGBT。本發明所述的驅動板與功率部件集成在一起。本發明在電源板與功率部件之間的連接回路中，并聯有支撐電容。應用于純電動轎車的永磁電機控制器的控制方法，它包括以下步驟
Stepl :整車控制器通過CAN總線向控制器發出控制指令；
St印2 :控制器通過電流互感器和旋轉變壓器分別采集電流和電機位置信號；
Step3 :控制器根據所述的控制指令，并結合采集得到的電流和電機位置信號，采用適當的控制策略，向空間矢量脈寬調制器SVPWM發出策略控制信號；
Step4 :空間矢量脈寬調制器SVPWM輸出執行指令至驅動-功率部件，驅動-功率部件 將電源板提供的直流動カ電源變為需要的三相交流電并輸出至永磁同步電機，實現永磁同步電機正常運行調節輸出扭矩大小、方向，驅動電動車車輪轉動。本發明所述的控制指令包括前進指令、后退指令、所需驅動扭矩和制動扭矩。本發明所述的控制策略是基速以下采用最大轉矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。本發明的有益效果是(1)矢量控制可以從零轉速起進行速度控制，即使低速亦能運行，電壓利用率高、開關損耗低、調速范圍寬廣、調速方法靈活，能使電動車高效率運行，并且可以對轉矩實行精確控制，本控制器的轉矩控制精度達到全速范圍內的5%，轉速控制精度在±20rpm以下，系統的動態響應速度非常快，電動機的加速特性好；(2)控制器電機轉子位置信號采集采用旋轉變壓器，其主要優勢為①與其它角度位置傳感元件相比，其具有無可比擬的可靠性、非常好的抗惡劣環境條件的能力可以運行在更高的轉速下；③方便的絕對值信號數據輸出；(3)針對不同需求的電動車，本控制器只需更換冷卻器、IGBT及驅動板即可滿足功率要求在60KW以下的純電動轎車，為控制器制造廠節約了生產成本及生產周期。本控制器輸入輸出信號多，包括2路電機溫度信號輸入、控制器冷卻器溫度檢測、控制器內部環境溫度檢測、3路IGBT溫度檢測，電動車冷卻泵控制接點輸出、冷卻風扇控制接點輸出、剎車制動信號輸出、兩路油門信號輸入等，由于控制機集成了轎車所需的多種信號采集及控制功能，對于低成本轎車，本控制器可作為整車控制器使用。本控制器的保護功能強大，控制器針對電機及控制器本身采取三級故障停機或報警，針對電壓、電流、溫度及各種電路短路的故障報警多達50個，大大提高電動車的安全性，本控制器已與多款永磁電機匹配，并經過大量試驗，證明了其通用性及可靠性。


圖I為本發明結構框 圖2為本發明矢量控制框 圖3為本發明工作原理框 圖4為本發明電機控制單元電路框 圖5為本發明外觀正面結構示意 圖中，I-控制器殼體，2-冷卻器,3-動カ電源接頭，4-三相信號接頭,5-冷卻液輸入管，6_冷卻液輸出管。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進ー步描述如圖1、4、5所示，應用于純電動轎車的永磁電機控制器，它主要由電源板、控制板、驅動板和功率部件組成，電源板與控制板、驅動板和功率部件連接，控制板通過CAN總線與整車控制器連接，控制板的控制輸出與驅動板連接，驅動板的輸出與功率部件連接，控制板的一組模擬量輸入分別與電流互感器和旋轉變壓器連接，電流互感器與永磁電機的電源端子連接，旋轉變壓器與永磁電機轉軸連接；所述的控制板包括控制器殼體(I)和置于殼體內電機控制單兀，所述的控制器殼體(I)上設有動カ電源接頭(3)和電機三相信號接頭(4)，控制器殼體(I)的底部安裝有冷卻器(2)，冷卻器上設有冷卻液輸入管(5)和冷卻液輸出管(6)，冷卻器(2)內有冷卻液流道，冷卻液流道采用密封板密封，冷卻液輸入管(5)和冷卻液輸出管(6)置于控制器殼體外部；所述的電機控制單元電路包括電流信號采集電路、開關 量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、硬件故障鎖存電路、位移信號采集電路、電機控制信號產生電路和微處理器，電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、位移信號采集電路和電機控制信號產生電路通過內部總線與微處理器連接，電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、位移信號采集電路和電機控制信號產生電路還分別于電流互感器、外部開關信號、外部CAN總線、旋轉變壓器和驅動板對應連接，硬件故障鎖存電路與微處理器連接。如圖2所示，應用于純電動轎車的永磁電機控制器的控制方法，其特征在于它包括以下步驟
Stepl :整車控制器通過CAN總線向控制器發出控制指令；
St印2 :控制器通過電流互感器和旋轉變壓器分別采集電流和電機位置信號；
Step3:控制器根據所述的控制指令，并結合采集得到的電流和電機位置信號，采用適當的控制策略，向空間矢量脈寬調制器SVPWM發出策略控制信號；
Step4 :空間矢量脈寬調制器SVPWM輸出執行指令至驅動-功率部件，驅動-功率部件將電源板提供的直流動カ電源變為需要的三相交流電并輸出至永磁同步電機，實現永磁同步電機正常運行調節輸出扭矩大小、方向，驅動電動車車輪轉動。本發明采用矢量控制法控制電機，控制電路中的矢量控制模塊包括永磁電機電流控制模塊和脈寬調制變頻器(PWM INVETER)，永磁電機電流控制模塊的輸入連接電流信號輸入，其兩路輸出依次通過加法器和參數控制器PI連接空間矢量脈寬調整模塊的兩路輸入，空間矢量脈寬調整模塊的多路輸出連接脈寬調制變頻器(PWM INVETER)的輸入，脈寬調制變頻器(PWM INVETER)的輸出連接永磁電機的三相輸入，其中兩路輸入通過坐標轉換模塊連接在兩個加法器上，永磁電機的輸出通過電機轉速和轉子位置信號檢測模塊分別連接坐標轉換模塊和永磁電機電流控制模塊。如圖5所示，本發明從外觀上看它包括控制殼體1，控制殼體I上設有動力電源接頭3和三相信號接頭4 ;箱體的下面安裝有可拆卸的冷卻器2，冷卻器2上設有冷卻液輸入管5和冷卻液輸出管6。其中，冷卻器2有多個流道和安裝孔并用螺釘緊固密封板密封，冷卻液輸入管5和冷卻液輸出管6置于控制器外部；動力電源接頭5和三相信號接頭6均采用防水接頭。本發明在電機車中的工作原理如下
如圖3所示，電動機車中的控制電路包括動カ電源、永磁同步電機和電機控制單元，動力電源通過整流器與DC/AC功率模塊連接，DC/AC功率模塊分別與永磁同步電機的三相信號輸入接口和電機控制單元連接，DC/AC功率模塊與永磁同步電機之間的三路連接中的兩路與電路采樣模塊連接，電路采樣模塊與電機控制單元連接；永磁同步電機依次通過旋轉變壓器和位置信號模塊與電機控制単元相連，電機控制単元又與整車控制器相連；整車控制器通過CAN總線向電機控制単元發出控制指令，如前進后退，所需驅動扭矩或制動扭矩等，電機控制器根據指令，并結合反饋得到的電流和電機位置信號，控制電機驅動器——功率模塊將蓄電池動カ電源變為需要的三相交流電，實現永磁同步電機正常運行調節輸出扭矩大小、方向，驅動電動車車輪轉動。本發明的部分基本性能參數_
權利要求
1.應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，其特征在于它主要由電源板、控制板、驅動板和功率部件組成，電源板與控制板、驅動板和功率部件連接，控制板通過CAN總線與整車控制器連接，控制板的控制輸出與驅動板連接，驅動板的輸出與功率部件連接，控制板的一組模擬量輸入分別與電流互感器和旋轉變壓器連接，電流互感器與永磁電機的電源端子連接，旋轉變壓器與永磁電機轉軸連接；所述的控制板包括控制器殼體(I)和置于控制器殼體(I)內的電機控制單元，所述的控制器殼體(I)上設有動力電源接頭(3)和電機三相信號接頭(4),控制器殼體(I)的底部安裝有冷卻器(2),冷卻器上設有冷卻液輸入管(5 )和冷卻液輸出管(6 )，冷卻器(2 )內有冷卻液流道，冷卻液流道采用密封板密封，冷卻液輸入管(5)和冷卻液輸出管(6)置于控制器殼體外部；所述的電機控制單兀電路包括電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、硬件故障鎖存電路、位移信號采集電路、電機控制信號產生電路和微處理器，電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、位移信號采集電路和電機控制信號產生電路通過內部總線與微處理器連接，電流信號采集電路、開關量輸入輸出電路、CAN總線數據傳輸電路、位移信號采集電路和電機控制信號產生電路還分別于電流互感器、外部開關信號、外部CAN總線、旋轉變壓器和驅動板對應連接，硬件故障鎖存電路與微處理器連接。
2.根據權利要求I所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，其特征在于 所述的電流互感器為霍爾傳感器。
3.根據權利要求I所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，其特征在于所述的控制器殼體(I)為鑄鋁件。
4.根據權利要求I所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，其特征在于所述的功率部件為絕緣柵雙極型晶體管IGBT。
5.根據權利要求I所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，其特征在于所述的驅動板與功率部件集成在一起。
6.根據權利要求I所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，其特征在于在電源板與功率部件之間的連接回路中，并聯有支撐電容。
7.根據權利要求I所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法的控制方法，其特征在于它包括以下步驟 Stepl :整車控制器通過CAN總線向控制器發出控制指令； Step2 :控制器通過電流互感器和旋轉變壓器分別采集電流和電機位置信號； Step3:控制器根據所述的控制指令，并結合采集得到的電流和電機位置信號，采用適當的控制策略，向空間矢量脈寬調制器SVPWM發出策略控制信號； Step4 :空間矢量脈寬調制器SVPWM輸出執行指令至驅動-功率部件，驅動-功率部件將電源板提供的直流動力電源變為需要的三相交流電并輸出至永磁同步電機，實現永磁同步電機正常運行調節輸出扭矩大小、方向，驅動電動車車輪轉動。
8.根據權利要求8所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法的控制方法，其特征在于所述的控制指令包括前進指令、后退指令、所需驅動扭矩和制動扭矩。
9.根據權利要求8所述的應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法的控制方法，其特征在于所述的控制策略是基速以下采用最大轉矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。
全文摘要
本發明公開了一種應用于純電動轎車的永磁電機控制器及控制方法，控制器主要由電源板、控制板、驅動板和功率部件組成，電源板與控制板、驅動板和功率部件連接，控制板通過CAN總線與整車控制器連接，控制板的控制輸出與驅動板連接，驅動板的輸出與功率部件連接，控制板的一組模擬量輸入分別與電流互感器和旋轉變壓器連接，電流互感器與永磁電機的電源端子連接，旋轉變壓器與永磁電機轉軸連接。本發明可精確地控制電機轉速，有效降低開關損耗，大幅度提高系統的動態響應速度和電動機的加速特性；對于不同需求的電動車，本控制器只需更換冷卻器和驅動板即可滿足功率要求在60KW以下的純電動轎車，為控制器制造廠節約了生產成本及生產周期。
文檔編號H02P27/06GK102684576SQ20121016207
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者劉琦, 周定祥, 李存利, 王鵬, 袁維蓉, 鄭曙光 申請人:東方電氣集團東風電機有限公司