專利名稱：電動汽車五相交流永磁同步驅動電機速度控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電動汽車技術領域，具體涉及一種電動汽車驅動電機速度控制器。
由于受能源、環(huán)境保護的影響，電動汽車可以由多種能源獲得電力，沒有污染排放，已經受到人們的高度關注，許多發(fā)達國家都投入巨資進行電動汽車的開發(fā)。電動汽車的動力核心，驅動電機的選擇出現(xiàn)了多種方案，早期均采用的是直流電機，近年來仍有多項直流電機控制器的專利申請，如專利號00110315.6，名稱為《一種電動車直流電機控制系統(tǒng)》、專利號99107924.8名稱為《具有自動弱磁調速功能的電動汽車牽引電機控制器》等。但是由于直流電機存在轉子繞組連接換向器，轉子繞組與換向器無法分離，結構復雜，維護不便。交流永磁同步電機(即無刷直流電機)具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點，已是電動汽車驅動的首選電機之一。但是目前用于電動汽車的永磁同步電機是按通用工業(yè)統(tǒng)一標準選用的，通用工業(yè)標準是考慮與電網兼容性的要求，一般都是三相結構，三相結構的電機在三相逆變器方波供電時會產生較大的轉矩脈動，轉矩脈動既影響汽車的機械性能，同時也影響乘客的舒適感。增加電機的相數可以明顯降低轉矩脈動，改善機械性能；但是交流永磁同步電機需要一個以逆變器為核心的電機速度控制器，這個控制器是由多個高性能的大功率半導體器件構成，價格昂貴，隨電機相數增加，逆變器的成本也明顯加大，電動汽車作為商品化產品，控制器的成本所占比重過大，制約了電動汽車的商品化進程。
本發(fā)明的目的是突破常規(guī)容量電機三相結構的傳統(tǒng)概念，采用五相交流永磁同步電機，發(fā)明一種低成本的五相逆變器構成電動汽車五相交流永磁同步電機控制器，以獲得良好的傳動性能和很低的成本，促進電動汽車的商品化進程。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明電動汽車五相交流永磁同步驅動電機速度控制器采用以下技術方案來實現(xiàn)，所述的一種電動汽車五相交流永磁同步驅動電機速度控制器(以下稱控制器)，其特征在于，所述控制器包括斬波調壓器TYQ，該調壓器包括功率半導體元件絕緣柵雙極晶體管IGBT構成的斬波開關G1、濾波電路(L、C)、和門極驅動電路M1、電壓調節(jié)控制電路ZBKZ構成，該調壓器連接在動力蓄電池E和電子換向多相機械逆變器NBQ之間，用于調節(jié)供給逆變器的直流電壓；制動電路ZD，該制動電路包括功率半導體元件絕緣柵極晶體管G2、制動電阻R構成，用于車輛的減速制動；電子換向五相機械逆變器NBQ，該逆變器的輸入連接斬波調壓器直流電壓輸出母線P、N端，逆變器的輸出(A、B、C、D、E)連接五相交流永磁同步電機定子繞組，該逆變器用于將斬波調壓輸出的直流電逆變?yōu)槲逑嘟涣麟?，為五相交流永磁同步電機提供五相交流電源。
所述的控制器，其特征在于，所述電子換向五相機械逆變器包括電子換向橋HXQ和五相機械變流器JBQ；電子換向橋HXQ，所述電子換相橋由兩單元半導體功率器件大功率晶體三極管GTR構成的電子開關TP、TN及門極驅動電路Mp、Mn、信號放大整形電路MQ、信號檢測單元XP、JC構成，電子換向橋用于為所述多相機械逆變器輸出電刷在變流環(huán)上片間移動提供等電位換相條件，分時為各相負載進行電壓換向；
五相機械變流器JBQ，所述五相機械變流器同軸安裝在五相交流永磁同步電機轉子軸的風扇軸端；該變流器JBQ包括隨電機轉子同軸旋轉的變流子、和相對靜止、與變流子對應位置接觸的各個輸入、輸出電刷，變流子上輸入部分有正集電環(huán)Hp、換向集電環(huán)Hq、負集電環(huán)Hn，對應與之接觸的分別是正輸入電刷Sp、換向輸入電刷Sq、負輸入電刷Sp；正輸入電刷引線端子與電子換向橋P點連接，負輸入電刷引線端子與電子換向橋N點連接，換向輸入電刷引線端子與電子換向橋Q點連接；變流子的輸出部分是變流環(huán)和與之接觸的多相輸出電刷；變流環(huán)是由四片或四的倍數的弧形導電片圍成一個圓環(huán)，其順序為正片、換向片、負片、換向片循環(huán)，變流環(huán)導電片為四的倍數片與多相永磁同步電機轉子的極對數對應，即由正片、換向片、負片、換向片四片為一組片對應于同步電機的N、S一對極，片間均由絕緣δ隔離，δ絕緣厚度很小于輸出電刷的厚度。變流環(huán)的導電片與相應的集電環(huán)電連接，正片與正集電環(huán)電連接，換向片與換向集電環(huán)電連接，負片與負集電環(huán)電連接。在變流環(huán)圓周上按72°幾何中心線均布As、Bs、Cs、Ds、Es五相輸出電刷，輸出電刷與變流環(huán)滑動電接觸，輸出電刷的輸出端子A、B、C、D、E通過引線與多相永磁同步電機定子繞組連接。
所述的控制器，其特征在于，所述電子換向五相機械逆變器變流環(huán)的圓弧集電片是非等幾何角結構，其正集電片Pj、負集電片Nj、換向集電片Qj在變流環(huán)圓周上幾何角的分割關系是Ω(Pj、Nj)＝360°/P-360°/2W，ΩQj＝360°/2W(式中P電機的極數、W電機的相數)。
本發(fā)明采用五相永磁同步電機使電動汽車獲得較高的效率，轉矩脈動明顯減小，普通三相繞組電機每60°換向一次，轉矩脈動0.826∶1，本發(fā)明五相繞組電機每隔36°換向一次，轉矩脈動為0.96∶1，控制器的成本也比三相電子逆變器有明顯下降。因此本發(fā)明既提高的電動汽車的性能又降低了電動汽車的成本。
本發(fā)明的目的通過以下附圖進一步說明。


圖1是電動汽車五相永磁同步驅動電機速度控制器電路示意2是機械變流器機械變流子的電氣示意3是五相電機信號片結構示意4是機械變流子與同步電機安裝示意4(C)是變流環(huán)集電片幾何分割示意5是電子換向機械逆變器換相等效電路示意圖參見圖1，為電動汽車五相永磁同步驅動電機速度控制器電路示意圖，本發(fā)明電動汽車五相永磁同步驅動電機控制器，包括蓄電池直流電源E、斬波調壓器TYQ、制動電路ZD、電子換向多相機械逆變器NBQ、五相永磁同步電機BDCM構成。
蓄電池直流電源E由多組動力蓄電池串、并聯(lián)構成與電動汽車動力需要相適應的電池組，蓄電池可分別采用鉛蓄電池，鎳氫電池，鋰離子動力電池等。
斬波器調壓器TYQ該調壓器由功率元件G1(絕緣柵極晶體管IGBT)和門極驅動電路M1、濾波電路L、C、斬波控制單元ZBKZ構成，該調壓器TYQ的輸入連接在動力蓄電池，輸出連接制動電路ZD、電子換向多相逆變器NBQ；該調壓器用于調節(jié)供給逆變器的直流電壓；斬波調壓控制是以單片機為核心的斬波控制單元ZBKZ通過采樣司機速度踏板位移產生的電壓信號，經單片機處理，產生高頻脈寬調制(PWM)信號，通過門極驅動電路M1驅動G1的控制極，控制G1工作在脈寬調制(PWM)開關狀態(tài)，調節(jié)輸出電壓。
制動電路構成ZD，該制動電路包括功率半導體元件絕緣柵極晶體管(IGBT)G2、制動電阻R構成，用于車輛的減速制動；通過采樣司機制動踏板位移產生的電壓信號，經單片機為核心斬波控制單元ZBKZ的處理，產生高頻脈寬調制(PWM)信號，通過門極驅動電路M2驅動G2的控制極，控制G2工作在脈寬調制(PWM)開關狀態(tài)，控制再生制動力矩。
電子換向五相機械逆變器NBQ該逆變器由電子換向橋HXQ和機械變流器JBQ構成，電子換向五相機械逆變器在機械變流器的變流子與五相永磁同步電機轉子同軸旋轉狀態(tài)下變換相位，傳導電流，電子換向橋承擔機械變流過程為機械變流器提供等電位換相條件和分時為五相負載電壓換向的功能，機械變流器在電子換向橋的配合下將斬波調壓器輸出的直流電逆變?yōu)槲逑嘟涣麟?，為五相永磁交流同步電機提供五相交流電源。
參見圖1，電子換向橋HXQ由Tp、Tn兩個單元的GTR功率模塊構成的電子開關和由信號片XP、檢測元件JC、整形放大電路MQ、門極驅動單元M3、M4構成；JC檢測反映五相永磁同步電機轉子位置的信號片XP信號，通過設定透光信號、或遮光信號，一般整定為亮光時MQ驅動Tp導通，使電子換向橋Q點電位為正，暗光時MQ驅動Tn導通，Q點電位為負。信號檢測也可以磁—電式結構。參看圖3，光電信號片XP是有5個透光區(qū)和五個遮光區(qū)圓片，透光區(qū)TG與遮光區(qū)ZG的設置與電機的相數、極對數對應，5個透光區(qū)和五個遮光區(qū)對應于一對極的五相永磁同步電機，電機的極對數增加，透光區(qū)、遮光區(qū)成倍數增加。信號片XP與機械變流器的變流子，同步電機轉子同軸連接，反映的機械變流子與同步電機轉子磁極的對應位置。電子換向橋承擔機械變流器在變流過程中為各相負載電壓換向功能，保證機械變流器的等電位條件下?lián)Q相，使機械變流器在換相過程不產生電磁性換向火花。
參見圖2、圖4，五相機械變流器JBQ是一個機械結構的電器部件，該變流器同軸安裝在五相交流永磁同步電機轉子軸的風扇軸端；該變流器包括旋轉的變流子和相對靜止的、與變流子相應部位滑動接觸的輸入、輸出電刷。在變流子上安有三個集電環(huán)和一個變流環(huán)，彼此相互電絕緣，三個集電環(huán)分別是正集電環(huán)Hp，換向集電環(huán)Hq，負集電環(huán)Hn。與之有相應滑動接觸的輸入電刷是與Hp接觸的是正輸入電刷Sp，與Hq接觸的是換向輸入電刷Sq，與Hn接觸的是負輸入電刷Sn。以上的輸入電刷與集電環(huán)構成機械變流器的電輸入部分。在變流子的另一部位安有一個變流環(huán)，變流環(huán)是由多塊弧形集電片圍成的一個圓環(huán)，變流環(huán)可以根據需要在圓周上設置為一組片結構，兩組片結構，或多組片結構，變流環(huán)上集電片的組數與永磁同步電機的極對數對應，一個極對數對應于一組片。每組片結構的變流環(huán)有四塊集電片，分別以正集電片Pj，換向集電片Qj，負集電片Nj，換向集電片Qj依次相間排列；在Pj與Nj之間，都有一片Qj嵌入其中，在各片集電片之間有絕緣槽δ將片與片之間進行電隔離。參見圖4C，變流環(huán)的集電片是非等幾何角結構，Pj、Nj與Qj在變流環(huán)圓周上幾何角的分割關系是Ω(Pj、Nj)＝360°/P-360°/2W，ΩQj＝360°/2W(式中P電機的極數、W電機的相數)。
各個集電環(huán)與變流環(huán)對應的集電片在變流子內部由導線電連接，正集電環(huán)Hp連接正集電片Pj，負集電環(huán)Hn連接負集電片Nj，換向集電環(huán)Hq連接換向集電片Qj。在變流環(huán)的圓周上有As、Bs、Cs、Ds、Es五相輸出電刷按72°的幾何角均勻地分布在變流環(huán)的圓周上，與變流環(huán)的集電片滑動接觸傳導電流。輸出電刷的輸出端子A、B、C、D、E通過引線與多相永磁同步電機定子繞組連接。
變流子與交流永磁同步電機同軸旋轉，在變流子旋轉過程中，各相輸出電刷傳導輸出與各自接觸的集電片對應的電位，輸出電刷與Pj接觸傳導正電位，與Nj接觸傳導負電位，與Qj接觸時是傳導換向橋Q點的電位。換向橋Q點電位取決于換向橋上所導通的電子開關Tp或Tn，當換向橋的Tp導通，Q點是正電位，Q點電位通過Sq、Hq傳導到變流環(huán)的Qj，輸出電刷在Qj上傳導的是正電位，當換向橋的Tn導通，Q點是負電位，輸出電刷在Qj上傳導的是負電位。并且在變流子旋轉過程中保證這樣一種重要關系參見圖5，輸出電刷從與正集電片Pj移入換向集電電片Qj(或者從換向集電片Qj移入正集電片Pj)之前，換向橋的Tp導通，Q點正電位，使Qj與Pj同為正電位，輸出電刷在Pj和Qj同為正電位，Pj與Qj只相差Tp管壓降的準等電位的條件下，才開始跨越絕緣槽δ，進行片間移動，這個移動過程有兩相同時進行，參見圖5(a)其中的一相輸出電刷從Pj移入Qj，而另一相則從Qj移入Pj，集電片上所接觸的電刷變換了一相；輸出電刷從與Nj移入Qj(或者從Qj移入Nj)，則換向橋的Tn導通，參見圖5(b)，Q點為負電位，使Nj、Qj同為負電位的條件下跨越絕緣槽δ，進行片間移動，這個移動過程有兩相同時進行，其中的一相輸出電刷從Nj移入Qj，而另一相則從Qj移入Nj，所在的集電片上變換了一相接觸電刷，但是在此期間，輸出電刷連續(xù)傳導電流，各相負載既沒有電壓的極性的改變也沒有電流的方向的改變，只是集電片所接觸的電刷由原先接觸的該相移出，另一相電刷移入，因此電子換向機械逆變器把這個機械相位改變過程稱之為換相。在其中的一相輸出電刷完全移入Qj，其中的另一相輸出電刷完全移出Qj后，即完成了機械換相，機械換相結束后，電子換相橋開始為負載電壓換向電子換向橋HXQ的電子開關開始換向，改變Q點的輸出電壓極性，原先換向橋上導通的電子開關轉為關斷，原先關斷的轉為導通，使在換向集電片上該相輸出電刷改變輸出電壓極性，實現(xiàn)為該相負載電壓換向。電子換向橋HXQ上的Tp導通或Tn導通，則由JC檢測到XP所反映的永磁同步電機的轉子磁極位置決定，Tp導通或者Tn只是1或0兩態(tài)變化，光電受光元件則反映亮光和暗光，在設計制造中可以整定為亮光Tp導通，Q點為正，暗光Tn導通，Q點為負。由此可見，電子換向機械逆變器的換相，是各相負載電刷在電子換向橋的保證等電位條件下機械接觸相位的變化，而負載電壓換向是電子換向橋靜態(tài)開關的通斷變化，電壓極性的改變。
本發(fā)明通過改變斬波調壓器的輸出電壓調節(jié)施加給電機的電壓，從而改變電機的電磁力矩，保持了直流電機的調節(jié)特性；通過電子換向五相機械逆變器把斬波器輸出的直流電壓逆變?yōu)槲逑嘟涣麟妷?，供給五相永磁同步電機，使電機的轉矩脈動明顯減小，大大地改善了電動汽車的機械性能。本發(fā)明電子換向五相機械逆變器用兩單元的功率半導體器件和機械變流器實現(xiàn)五相逆變，比純電子五相逆變器少用了八個單元的功率半導體器件，控制器的成本預計可以降低50％，為電動汽車商品化進程提供一個經濟實用的新技術。
權利要求
1.一種電動汽車五相交流永磁同步驅動電機速度控制器，其特征在于，所述控制器包括斬波調壓器TYQ，該調壓器包括功率半導體元件絕緣柵雙極晶體管IGBT構成的斬波開關G1、濾波電路(L、C)、和門極驅動電路M1、電壓調節(jié)控制電路ZBKZ構成，該調壓器連接在動力蓄電池E和電子換向多相機械逆變器NBQ之間，用于調節(jié)供給逆變器的直流電壓；制動電路ZD，該制動電路包括功率半導體元件絕緣柵極晶體管G2、制動電阻R構成，用于車輛的減速制動；電子換向五相機械逆變器NBQ，該逆變器的輸入連接斬波調壓器直流電壓輸出母線P、N端，逆變器的五相輸出(A、B、C、D、E)連接五相交流永磁同步電機定子繞組，該逆變器用于將斬波調壓輸出的直流電逆變?yōu)槲逑嘟涣麟姡瑸槲逑嘟涣饔来磐诫姍C提供五相交流電源。
2.所述的控制器，其特征在于，所述電子換向五相機械逆變器NBQ包括電子換向橋HXQ和五相機械變流器JBQ；電子換向橋HXQ，所述電子換相橋由兩單元半導體功率器件大功率晶體三極管GTR構成的電子開關TP、TN及門極驅動電路Mp、Mn、信號放大整形電路MQ、信號檢測單元XP、JC構成，電子換向橋用于為所述多相機械逆變器輸出電刷在變流環(huán)上片間移動提供等電位換相條件，分時為各相負載進行電壓換向；五相機械變流器JBQ，所述五相機械變流器同軸安裝在五相交流永磁同步電機轉子軸的風扇軸端；該變流器JBQ包括隨電機轉子同軸旋轉的變流子、和相對靜止、與變流子對應位置接觸的各個輸入、輸出電刷，變流子上輸入部分有正集電環(huán)Hp、換向集電環(huán)Hq、負集電環(huán)Hn，對應與之接觸的分別是正輸入電刷Sp、換向輸入電刷Sq、負輸入電刷Sp；正輸入電刷引線端子與電子換向橋P點連接，負輸入電刷引線端子與電子換向橋N點連接，換向輸入電刷引線端子與電子換向橋Q點連接；變流子的輸出部分是變流環(huán)和與之接觸的多相輸出電刷；變流環(huán)是由四片或四的倍數的弧形導電片圍成一個圓環(huán)，其順序為正片、換向片、負片、換向片循環(huán)，變流環(huán)導電片四的倍數片與多相永磁同步電機轉子的極對數對應，即由正片、換向片、負片、換向片四片為一組片對應于同步電機的N、S一對極，片間均由絕緣δ隔離，δ絕緣厚度很小于輸出電刷的厚度。變流環(huán)的導電片與相應的集電環(huán)電連接，正片與正集電環(huán)電連接，換向片與換向集電環(huán)電連接，負片與負集電環(huán)電連接，在變流環(huán)的圓周上按72°幾何中心線均布As、Bs、Cs、Ds、Es五相輸出電刷，輸出電刷與變流環(huán)滑動電接觸，輸出電刷的輸出端子A、B、C、D、E通過引線與五相永磁同步電機定子繞組連接。
3.所述的控制器，其特征在于，所述電子換向五相機械逆變器變流環(huán)的圓弧集電片是非等幾何角結構，其正集電片Pj、負集電片Nj、換向集電片Qj在變流環(huán)圓周上幾何角Ω的分割關系是Ω(Pj、Nj)＝360°/P-360°/2W，ΩQj＝360°/2W(式中P電機的極數、W電機的相數)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電動汽車技術領域。本發(fā)明電動汽車五相交流永磁同步驅動電機速度控制器由動力蓄電池、斬波調壓器、制動電路、電子換向五相機械逆變器和五相交流永磁同步驅動電機構成。斬波調壓器調節(jié)輸出電壓，從而調節(jié)電機的電磁力矩，控制速度，電子換向五相機械逆變器將斬波調壓器輸出的直流電壓逆變?yōu)槲逑嘟涣麟姽┙o五相永磁同步驅動電機。本發(fā)明電子換向五相機械逆變器為五相交流永磁同步驅動電機供電，具有電機轉矩脈動小，機械性能好，過載能力強，同時控制器的造價便宜，有利于電動汽車的商品化進程。
文檔編號B60L15/02GK1880119SQ20051007876
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月16日 優(yōu)先權日2005年6月16日
發(fā)明者吳炎喜 申請人:吳炎喜