用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器的制造方法
【專利摘要】一種用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，包括電源電路、主控電路、主驅(qū)電路以及接口電路組成，主控電路包括主控芯片、主控芯片監(jiān)控電路、EEPROM存儲電路、力矩檢查電路、高壓泄放電路、旋變解碼電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、硬件保護電路以及通信電路；主驅(qū)電路包括驅(qū)動電路、三相逆變電路以及電機。利用硬件上實現(xiàn)過壓、過流、過溫及IGBT故障保護，同時具有主控芯片監(jiān)控、力矩檢查、高壓泄放功能的改進型純電動汽車用大功率永磁同步電機控制器，解決了軟件處理延時、保護失效等問題，同時完成主控芯片工作狀態(tài)的監(jiān)控、電機力矩的無位置檢測，保證電機的正常運行。
【專利說明】用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本實用新型涉及電學領(lǐng)域，尤其涉及電機控制器，特別是一種用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]永磁同步電機控制器是用于動力蓄電池組與電機間能量轉(zhuǎn)換的控制裝置，是純電動汽車的驅(qū)動核心，其主要由電源電路、主控電路、主驅(qū)電路以及接口電路等組成。為提高純電動汽車行駛時的安全可靠性，控制器應(yīng)對直流母線過壓信號、直流母線過流信號、三相電流過流信號、電機過溫信號、IGBT過溫及IGBT故障信號進行實時監(jiān)測，并需要根據(jù)故障信號及時做出處理?，F(xiàn)有技術(shù)中，控制器的監(jiān)測和處理方法是利用主MCU (微控制器)的AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換)端口對母線電壓、母線電流、三相電流、電機溫度以及IGBT溫度等信號進行實時采樣，通過軟件計算各信號的數(shù)值，判斷各信號數(shù)值是否在合理區(qū)域范圍，從而做出正確反應(yīng)。然而，由于主MCU需要處理的數(shù)據(jù)比較龐大，處理速度有限，利用軟件判斷各故障信號時會有一定的時間延遲，極可能造成保護失效等不良現(xiàn)象。目前存在的控制器均不具備符合IS026262和IEC61508安全應(yīng)用標準的獨立的安全監(jiān)測芯片，因此不能實現(xiàn)對主MCU的有效監(jiān)視工作。同時，當汽車停車時，由于接在母線兩端的儲能電容依然存在著高電壓，現(xiàn)有技術(shù)中的電機控制器不能放掉儲能電容的能量，從而存在著一定的安全隱患。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型的目的在于提供一種用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，所述的這種用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器要解決現(xiàn)有技術(shù)中電機控制器主芯片工作速度有限、判斷故障信號有時間延遲、不能對儲能電容進行放電的技術(shù)問題。
[0007]本實用新型的這種用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，包括電源電路、主控電路和主驅(qū)電路，其中，所述的主控電路中包括主控芯片、監(jiān)控芯片、EEPROM存儲電路、力矩檢查電路、高壓泄放電路、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路和硬件保護電路，所述的主驅(qū)電路中包括驅(qū)動電路、三相逆變電路、設(shè)置在電機軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器、設(shè)置在電機中的溫度傳感器，所述的主控芯片包括有電源輸入接口、脈寬調(diào)制信號輸出接口、輸入輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和串行外設(shè)接口，所述的電源電路與主控芯片的電源輸入接口連接，主控芯片的脈寬調(diào)制信號輸出接口與主驅(qū)電路中的驅(qū)動電路連接，主控芯片通過串行外設(shè)接口分別與所述的監(jiān)控芯片、EEPROM存儲電路和力矩檢查電路連接，主控芯片通過輸入輸出接口分別與所述的高壓泄放電路、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路和硬件保護電路連接，主控芯片通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口分別與所述的電壓檢測電路、電流檢測電路和溫度檢測電路連接，電壓檢測電路又與主驅(qū)電路中的三相逆變電路連接，電壓檢測電路還與硬件保護電路連接，電流檢測電路又與主驅(qū)電路中三相逆變電路的輸出端連接，電流檢測電路還與硬件保護電路連接，溫度檢測電路又與電機中的溫度傳感器連接，溫度檢測電路還與硬件保護電路連接，硬件保護電路又與主驅(qū)電路中的驅(qū)動電路連接，硬件保護電路還與主控芯片的脈寬調(diào)制信號輸出接口連接，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路與旋轉(zhuǎn)變壓器連接。[0008]進一步的，所述的主控芯片包括有控制器局域網(wǎng)總線接口。
[0009]進一步的，主控芯片的脈寬調(diào)制信號輸出接口通過一個第一接口電路與主驅(qū)電路中的驅(qū)動電路連接。
[0010]進一步的，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路通過一個第二接口電路與旋轉(zhuǎn)變壓器連接。
[0011]進一步的，三相逆變電路的輸出端與一個電機連接。
[0012]進一步的，主控芯片通過控制器局域網(wǎng)總線接口、控制器局域網(wǎng)總線與一個上位機連接。
[0013]進一步的，硬件保護電路中包括有一個相電流比較器、一個絕緣柵雙極晶體管溫度比較器、一個母線電流比較器、一個母線電壓比較器和一個電機溫度比較器。
[0014]進一步的，高壓泄放電路包括一個光耦隔離器、一個三極管、一個功率場效應(yīng)晶體管、一個功率電阻器和一個儲能電容器，所述的三極管的基極與主控芯片的輸入輸出接口連接，三極管的集電極與電源的正極連接，三極管的發(fā)射極通過所述的光耦隔離器后與所述的功率場效應(yīng)晶體管的柵極連接，功率場效應(yīng)晶體管的源極和漏極分別連接在所述的儲能電容器的兩端，所述的功率電阻器串聯(lián)在功率場效應(yīng)晶體管的源極和儲能電容器之間，功率電阻器與儲能電容器的連接點接地。
[0015]本實用新型的工作原理是:旋轉(zhuǎn)變壓器與所述電機同軸連接，用于采集電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路解碼后輸入到主控芯片的I/o口。電壓檢測電路用于檢測直流母線電壓，電流檢測電路利用電流傳感器檢測直流母線電流和三相電流，溫度檢測電路利用溫度傳感器采集驅(qū)動電路中IGBT的溫度和電機溫度，電壓檢測電路、電流檢測電路和溫度檢測電路的信號輸出端經(jīng)過放大隔離電路后送入主控芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換口，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換口得到的過壓信號、過流信號、過溫信號經(jīng)所述硬件保護電路與PWM輸出信號開關(guān)連接，直接控制PWM輸出信號的接通與斷開。監(jiān)控芯片用于對主控芯片工作狀態(tài)的監(jiān)控。EEPROM存儲電路實現(xiàn)電機參數(shù)的存儲及讀取。所述力矩檢查電路完成對電機力矩的無位置檢測，實現(xiàn)電機力矩的安全檢查。高壓泄放電路通過功率電阻器，將儲能電容器兩端的能量進行泄放，放電速度的快慢可通過主控芯片發(fā)出的開關(guān)指令控制功率MOS管的開通/關(guān)斷頻率來控制，為保證信號的抗干擾能力，強弱電之間通過光耦進行隔離。
[0016]本實用新型和已有技術(shù)相比較，其效果是積極和明顯的。本實用新型利用電路實現(xiàn)過壓、過流、過溫及IGBT故障保護，同時具有主控芯片監(jiān)控、力矩檢查、高壓泄放功能，解決了處理延時、保護失效等問題，同時完成主控芯片工作狀態(tài)的監(jiān)控、電機力矩的無位置檢測，保證電機的正常運行。當汽車停車時，該控制器可將儲能電容上的能量釋放，消除了安全隱患，保證人員安全。
[0017]【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0019]圖2為本實用新型的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器中的硬件保護電路原理框圖。
[0020]圖3為本實用新型的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器中的主控芯片監(jiān)控原理框圖。[0021]圖4為本實用新型的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器中的力矩檢查電路原理框圖。
[0022]圖5為本實用新型的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器中的高壓泄放電路原理框圖。
[0023]【具體實施方式】
[0024]實施例1:
[0025]如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實用新型的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，包括電源電路1、主控電路2和主驅(qū)電路3，其中，主控電路2中包括主控芯片4、監(jiān)控芯片5、EEPROM存儲電路6、力矩檢查電路7、高壓泄放電路8、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路9、電壓檢測電路10、電流檢測電路11、溫度檢測電路12和硬件保護電路13，主驅(qū)電路3中包括驅(qū)動電路14、三相逆變電路15、設(shè)置在電機軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器17、設(shè)置在電機M中的溫度傳感器(圖中未示)，主控芯片4包括有電源輸入接口 VCC、脈寬調(diào)制信號輸出接口PWM、輸入輸出接口 I/O、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 AD和串行外設(shè)接口 SPI，電源電路I與主控芯片4的電源輸入接口 VCC連接，主控芯片4的脈寬調(diào)制信號輸出接口 PWM與主驅(qū)電路3中的驅(qū)動電路14連接，主控芯片4通過串行外設(shè)接口 SPI分別與監(jiān)控芯片5、EEPROM存儲電路6和力矩檢查電路7連接，主控芯片4通過輸入輸出接口 I/O分別與高壓泄放電路8、旋轉(zhuǎn)變壓器17解碼電路9和硬件保護電路13連接，主控芯片4通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 AD分別與電壓檢測電路10、電流檢測電路11和溫度檢測電路12連接，電壓檢測電路10又與主驅(qū)電路3中的三相逆變電路15連接，電壓檢測電路10還與硬件保護電路13連接，電流檢測電路11又與主驅(qū)電路3中三相逆變電路15的輸出端連接，電流檢測電路11還與硬件保護電路13連接，溫度檢測電路12又與電機中的溫度傳感器連接，溫度檢測電路12還與硬件保護電路13連接，硬件保護電路13又與主驅(qū)電路3中的驅(qū)動電路14連接，硬件保護電路13還與主控芯片4的脈寬調(diào)制信號輸出接口 PWM連接，旋轉(zhuǎn)變壓器17解碼電路9與旋轉(zhuǎn)變壓器17連接。
[0026]進一步的，主控芯片4包括有控制器局域網(wǎng)總線接口 CAN。
[0027]進一步的，主控芯片4的脈寬調(diào)制信號輸出接口 PWM通過一個第一接口電路18與主驅(qū)電路3中的驅(qū)動電路14連接。
[0028]進一步的，旋轉(zhuǎn)變壓器17解碼電路9通過一個第二接口電路19與旋轉(zhuǎn)變壓器17連接。
[0029]進一步的，三相逆變電路15的輸出端與一個電機連接。
[0030]進一步的，主控芯片4通過控制器局域網(wǎng)總線接口、控制器局域網(wǎng)總線與一個上位機16連接。
[0031]進一步的，硬件保護電路13中包括有一個相電流比較器、一個絕緣柵雙極晶體管溫度比較器、一個母線電流比較器、一個母線電壓比較器和一個電機溫度比較器。
[0032]進一步的，高壓泄放電路8包括一個光耦隔離器20、一個三極管、一個功率場效應(yīng)晶體管T、一個功率電阻器R和一個儲能電容器C，三極管的基極與主控芯片4的輸入輸出接口 I/O連接，三極管的集電極與電源的正極連接，三極管的發(fā)射極通過光耦隔離器20后與功率場效應(yīng)晶體管T的柵極連接，功率場效應(yīng)晶體管T的源極和漏極分別連接在儲能電容器C的兩端，功率電阻器R串聯(lián)在功率場效應(yīng)晶體管T的源極和儲能電容器C之間，功率電阻器R與儲能電容器C的連接點接地。
[0033]具體的，在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，電源電路I從外部+12V蓄電池取電，通過隔離、降壓轉(zhuǎn)換為+5V、+3.3V以及+1.5V等電源給整個系統(tǒng)供電；旋轉(zhuǎn)變壓器17用于采集電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)外部接口電路、旋變電路將解碼后的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信息輸入到主控芯片4的I/O 口 ；電壓檢測電路10用于檢測直流母線電壓，電流檢測電路11利用電流傳感器檢測直流母線電流、三相電流，溫度檢測電路12利用溫度傳感器采集IGBT的溫度、電機溫度，檢測到的電壓信號、電流信號、溫度信號經(jīng)過放大隔離電路后送入主控芯片4的AD 口，產(chǎn)生的過壓信號、過流信號、過溫信號經(jīng)硬件保護電路13直接關(guān)斷PWM輸出信號，及時進行保護，同時將故障信號反應(yīng)到主控芯片4的I/O 口，實現(xiàn)監(jiān)測；主控芯片4監(jiān)控電路用于對主控芯片4工作狀態(tài)的監(jiān)控；EEPR0M存儲電路6實現(xiàn)電機參數(shù)的存儲及讀取功能；力矩檢查電路7完成對電機力矩的無位置檢測，實現(xiàn)電機力矩的安全檢查；高壓泄放電路8經(jīng)過連接在儲能電容兩端的電阻實現(xiàn)電能的釋放，而放電速度的快慢決定于主控芯片4的I/O 口發(fā)出的開關(guān)指令頻率；通信電路涉及到CAN和SPI兩種通信方式，其中CAN通信用于主控芯片4與上位機進行人機交互，SPI通信則實現(xiàn)主控芯片4與主控芯片4監(jiān)控電路、EEPROM存儲電路6及安全力矩檢查電路7之間的數(shù)據(jù)交換。
[0034]本實施例中，主控芯片4采用TC1797集成電路，利用旋變電路得到當前電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角，同時利用電流檢測電路11實時采樣得到電機三相相電流，三相相電流進行Clark變換(3s/2s)得到靜止坐標系的I a、I P，接著根據(jù)當前轉(zhuǎn)子位置角做Park變換得到實際的d、q軸電流。將此電流與上位機通過CAN總線給出的目標轉(zhuǎn)矩和當前轉(zhuǎn)速查詢轉(zhuǎn)矩一速度二維表得到IcUIq的命令值作差，其結(jié)果進行PI調(diào)節(jié)得到d、q軸電壓值Vd,Vq，同時對得到的VcUVq值進行限幅；由于作用時間的不同，在這里進行Park逆變換前，轉(zhuǎn)子位置角需要補償，利用補償后的結(jié)果進行Park-1得到Va、VP，從而確定扇區(qū)，計算所需的占空比，經(jīng)過SVPWM調(diào)制來控制電機旋轉(zhuǎn)。
[0035]如圖2所示，主控芯片4的PWM輸出信號經(jīng)過外部接口電路、驅(qū)動電路14、三相逆變電路15與永磁同步電機連接；利用電壓傳感器檢測到的直流母線電壓VDC，利用電流傳感器檢測到的直流母線電流IDC、相電流PHASEU_CURRENT，利用溫度傳感器采集到的IGBT溫度AI_TEMP_IGBT、電機溫度M0T0R_TEMP，經(jīng)過放大隔離電路后送入主控芯片4的AD 口，同時接入圖2硬件保護電路13，直流母線電壓VDC、直流母線電流IDC、相電流PHASEU_CURRENT、IGBT 溫度 AI_TEMP_IGBT 和電機溫度 M0T0R_TEMP 分別與參考值 VREF_VDC、VREF_IDC、VREF_CURRENT、VREF_TEMP1和VREF_TEMP2進行比較，當控制器正常狀態(tài)時，各級運放輸出為正，與門后輸出HARDWARE_SHUTDOWN為高電平，PWM信號正常輸出，一旦出現(xiàn)過壓、過流、過溫其中任何一種故障，該級運放輸出為負，與門后輸出HARDWARE_SHUTDOWN為低電平，該低電平將直接關(guān)斷PWM輸出，從而立即實現(xiàn)硬件保護。
[0036]通常，一套安全系統(tǒng)需要一個符合IS026262和IEC61508安全應(yīng)用標準的獨立的安全監(jiān)測芯片，來完成對主控制器的有效監(jiān)視工作。本實用新型為保證主控芯片4TC1797正常工作，采用英飛凌公司的CIC61508芯片實現(xiàn)有效監(jiān)控。如圖3所示，CIC61508芯片通過檢測主芯片供應(yīng)電源判斷主控芯片4是否工作正常，同時與主控芯片4進行SPI通信，完成數(shù)據(jù)交換。CIC61508作為獨立的診斷監(jiān)測器件，需要單獨加+3.3V工作供電電源。CIC61508中的SEN端口連接到主控芯片4的電源輸入端VCC。[0037]如圖4所示，力矩檢查主芯片采用英飛凌公司的XC2734集成電路。利用電流傳感器檢測到的U相電流、V相電流和W相電流，經(jīng)過放大隔離電路后送入XC2734集成電路的AD 口，XC2734集成電路利用檢測到的電流建立永磁同步電機可調(diào)數(shù)學模型，比較可調(diào)模型與實際模型的輸出量的差值，通過模型參考自適應(yīng)的控制方法，使兩者差值為零，繼而從含位置、轉(zhuǎn)速信息的電量將電機位置、轉(zhuǎn)速信息提取出來，實現(xiàn)電機的無位置檢測。XC2734集成電路檢測到的電機位置、轉(zhuǎn)速信息通過SPI總線與主控芯片4TC1797進行數(shù)據(jù)交換，從而確保電機力矩的安全精準。
[0038]當汽車停車時，由于接在直流母線兩端的儲能電容器C存在著高壓，該高壓可高達380V，為防止人員誤碰，造成安全事故，停車后必須將該能量釋放。如圖5所示，高壓泄放電路8通過功率電阻器R，將儲能電容器C兩端的能量進行泄放，而放電速度的快慢可以通過主控芯片4TC1797發(fā)出的開關(guān)指令控制功率MOS管的開通/關(guān)斷頻率來控制。為保證信號的抗干擾能力，強弱電之間通過光耦進行隔離。
[0039]應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本實用新型所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，包括電源電路、主控電路和主驅(qū)電路，其特征在于:所述的主控電路中包括主控芯片、監(jiān)控芯片、EEPROM存儲電路、力矩檢查電路、高壓泄放電路、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路和硬件保護電路，所述的主驅(qū)電路中包括驅(qū)動電路、三相逆變電路、設(shè)置在電機軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器、設(shè)置在電機中的溫度傳感器，所述的主控芯片包括有電源輸入接口、脈寬調(diào)制信號輸出接口、輸入輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和串行外設(shè)接口，所述的電源電路與主控芯片的電源輸入接口連接，主控芯片的脈寬調(diào)制信號輸出接口與主驅(qū)電路中的驅(qū)動電路連接，主控芯片通過串行外設(shè)接口分別與所述的監(jiān)控芯片、EEPROM存儲電路和力矩檢查電路連接，主控芯片通過輸入輸出接口分別與所述的高壓泄放電路、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路和硬件保護電路連接，主控芯片通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口分別與所述的電壓檢測電路、電流檢測電路和溫度檢測電路連接，電壓檢測電路又與主驅(qū)電路中的三相逆變電路連接，電壓檢測電路還與硬件保護電路連接，電流檢測電路又與主驅(qū)電路中三相逆變電路的輸出端連接，電流檢測電路還與硬件保護電路連接，溫度檢測電路又與電機中的溫度傳感器連接，溫度檢測電路還與硬件保護電路連接，硬件保護電路又與主驅(qū)電路中的驅(qū)動電路連接，硬件保護電路還與主控芯片的脈寬調(diào)制信號輸出接口連接，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路與旋轉(zhuǎn)變壓器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:所述的主控芯片包括有控制器局域網(wǎng)總線接口。
3.如權(quán)利要求1所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:主控芯片的脈寬調(diào)制信號輸出接口通過一個第一接口電路與主驅(qū)電路中的驅(qū)動電路連接。
4.如權(quán)利要求1所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路通過一個第二接口電路與旋轉(zhuǎn)變壓器連接。
5.如權(quán)利要求1所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:三相逆變電路的輸出端與一個電機連接。
6.如權(quán)利要求2所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:主控芯片通過控制器局域網(wǎng)總線接口、控制器局域網(wǎng)總線與一個上位機連接。
7.如權(quán)利要求1所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:硬件保護電路中包括有一個相電流比較器、一個IGBT溫度比較器、一個母線電流比較器、一個母線電壓比較器和一個電機溫度比較器。
8.如權(quán)利要求1所述的用于純電動汽車的大功率永磁同步電機控制器，其特征在于:高壓泄放電路包括一個光耦隔離器、一個三極管、一個功率場效應(yīng)晶體管、一個功率電阻器和一個儲能電容器，所述的三極管的基極與主控芯片的輸入輸出接口連接，三極管的集電極與電源的正極連接，三極管的發(fā)射極通過所述的光耦隔離器后與所述的功率場效應(yīng)晶體管的柵極連接，功率場效應(yīng)晶體管的源極和漏極分別連接在所述的儲能電容器的兩端，所述的功率電阻器串聯(lián)在功率場效應(yīng)晶體管的源極和儲能電容器之間，功率電阻器與儲能電容器的連接點接地。
【文檔編號】H02P25/02GK203434912SQ201320445412
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】王亞南, 王銀杉, 田景 申請人:華域汽車電動系統(tǒng)有限公司