专利名称：一种电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法
技术领域：
本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法。
背景技术：
随着经济的发展，汽车、摩托车等交通工具已经成为人类生活中必不可少的代步工具之一。传统的燃油汽车或摩托车采用内燃机作为其驱动动力源，但随着全球石油能源紧缺问题和环境污染问题的日益严峻，寻求新的能源作为摩托车的动力源已成为必然。电动汽车或摩托车具有无污染、无噪音、节约能源等优点，已日益成为大众化的交通工具。区别于传统内燃机，电动汽车或摩托车采用电动机作为其驱动动力源，而永磁无刷直流电机(BLDC)具有控制简单、功率密度大、效率高、启动转矩大、过载能力强、调速性·能好等一系列优点被广泛用作电动汽车或摩托车的动力源。相比起燃油汽车或摩托车，电动汽车或摩托车采用蓄电池作为其能量源，但由于目前电池技术没有取得突破性的进展，电池容量较小，导致电动汽车或摩托车一次充电的续驶里程远远小于传统的燃油汽车或摩托车，从而制约了电动汽车或摩托车的进一步发展，因此如何节省能量并提高电动汽车或摩托车的续驶里程已成为其进一步发展的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有电动汽车或摩托车的蓄电池续驶里程较小的缺陷，提供一种电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种电机驱动系统，包括蓄电池、电机控制器和永磁无刷直流电机，所述电机控制器包括逆变电路和控制模块，所述逆变电路为三相全桥逆变电路；所述控制模块包括电动控制单元和制动控制单元；所述电动控制单元用于接收所述永磁无刷直流电机的转子位置信号确定发波序列，驱动所述逆变电路将所述蓄电池的直流电逆变为三相交流电为所述永磁无刷直流电机供电；所述制动控制单元用于在制动时确定当前的转子位置信号在电动控制时对应的发波序列导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管；所述制动控制单元发送PWM信号控制所述第一上半桥开关管所在支路对应的第一下半桥开关管通断；其中，所述第一下半桥开关管导通时，上电的两个电机线圈通过该第一下半桥开关管、以及反向并联在所述第二下半桥开关管两端的续流二极管依次构成回路进行电机线圈储电；所述第一下半桥开关管关断时，上电的两个电机线圈依次通过反向并联在所述第一上半桥开关管两端的续流二极管、所述蓄电池、以及反向并联在所述第二下半桥开关管两端的续流二极管构成回路进行蓄电池充电。在根据本发明所述的电机驱动系统中，所述电机驱动系统还包括连接在所述蓄电池和所述逆变电路之间通路上的主开关单元。
在根据本发明所述的电机驱动系统中，所述制动控制单元在所述制动过程保持所述主开关单元导通，且在检测所述蓄电池的电压达到充电饱和电压时关断所述主开关单元停止给所述蓄电池充电。在根据本发明所述的电机驱动系统中，所述主开关单元至少包括串联在所述主开关单元的输入端和输出端之间的一个或多个开关管，所述制动控制单元在检测所述蓄电池电压达到充电饱和电压时关断所述一个或多个开关管停止给所述蓄电池充电。 在根据本发明所述的电机驱动系统中，所述制动控制单元还在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，在所述母线电容的电压低于安全电压时，发送信号导通所述一个或多个开关管恢复上电。在根据本发明所述的电机驱动系统中，所述串联在所述主开关单元的输入端和输出端之间的一个或多个开关管为第一开关管和第二开关管；所述主开关单元还包括第三开关管、二极管和电阻；所述第三开关管与所述电阻串联后并联在所述第一开关管两端，所述二极管正向并联在所述第二开关管两端；所述制动控制单元在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，并检测所述母线电容的电压，在所述母线电容电压低于下限电压时，停止输出所述调整转矩并发送信号导通所述第三开关管对所述母线电容进行上电缓冲，在所述母线电容电压高于下限电压且低于安全电压时，发送信号导通所述第一开关管和第二开关管。本发明还提供了一种如上所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法，包括在制动时确定当前的转子位置信号在电动控制时对应的发波序列导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管，并发送PWM信号控制所述第一上半桥开关管所在支路对应的第一下半桥开关管通断；其中，所述第一下半桥开关管导通时，上电的两个电机线圈通过该第一下半桥开关管、以及反向并联在第二下半桥开关管两端的续流二极管依次构成回路进行电机线圈储电；所述第一下半桥开关管关断时，上电的两个电机线圈依次通过反向并联在所述第一上半桥开关管两端的续流二极管、所述蓄电池、以及反向并联在所述第二下半桥开关管两端的续流二极管构成回路进行蓄电池充电。在根据本发明所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法中，所述方法还包括在检测所述蓄电池的电压达到充电饱和电压时断开所述蓄电池与所述逆变电路的通路，停止给所述蓄电池充电。在根据本发明所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法中，所述方法还包括在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，并在所述母线电容电压低于安全电压时，发送信号接通所述蓄电池与所述逆变电路的通路恢复上电。在根据本发明所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法中，所述方法还包括在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，并检测所述母线电容的电压，在母线电容电压低于下限电压时，停止输出所述调整转矩并发送信号在所述蓄电池与所述逆变电路的通路上接通一电阻对所述母线电容进行上电缓冲，在母线电容电压高于下限电压且低于安全电压时，发送信号接通所述蓄电池与所述逆变电路的通路恢复上电。
实施本发明的电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法，具有以下有益效果本发明的电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法，能够在永磁无刷直流电机制动过程中，根据电机具有可逆性原理，进行半桥调制能量回馈，由电机线圈进行储能再对蓄电池进行充电，进而能够延长蓄电池使用时间，提高续驶里程。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图I为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的模块示意图；图2为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的具体电路图；图3a_3f为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的电机线圈反电动势和相电流图；·
图4a_4c分别为根据本发明的电机驱动系统在第一霍尔状态时制动前、制动后电机线圈储电和制动后蓄电池充电的电路图；图5为根据本发明的电机驱动系统的主开关单元的实施例的电路图；图6为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的能量回馈制动保护处理的软件控制流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。由于电动汽车或者摩托车在行驶过程中，会频繁的进行制动，根据直流电机具有可逆性原理，本文提出一种基于永磁无刷直流电机的电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法，该技术既能将制动时产生的回馈电流充到电池中，用于电机驱动，从而提高续驶里程，同时，出于对安全驾驶方面的考虑，该系统和方法还能进一步对能量回馈过程做特殊处理，防止电池过充导致对人车安全造成危害。请参阅图1，为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的模块示意图。如图I所示，本发明提供的电机驱动系统包括蓄电池10、电机控制器和永磁无刷直流电机30，电机控制器包括逆变电路21和控制模块22，逆变电路21采用三相全桥逆变电路。其中，控制模块22进一步包括电动控制单元221和制动控制单元222。电动控制单元221用于接收永磁无刷直流电机30的转子位置信号确定发波序列，即发送给逆变电路21中各个开关管的PWM信号的序列，以驱动逆变电路21将蓄电池10的直流电逆变为三相交流电为永磁无刷直流电机30供电。即电动控制单元221通过对逆变电路21的6个开关管即Tf T6按一定规律进行开通和关断，实现对永磁无刷直流电机30的电动控制。该电动控制单元221与传统的电动控制器所执行操作的原理和过程相似。制动控制单元222用于在制动时确定当前的的转子位置信号在电动控制时对应的发波序列所导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管，即当前的霍尔状态在电动控制时所对应的发波序列所导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管。制动控制单元222发送PWM信号控制该第一上半桥开关管所在支路对应的第一下半桥开关管通断。其中，第一下半桥开关管在导通时，上电的两个电机线圈通过该第一下半桥开关管、以及反向并联在前述第二下半桥开关管两端的续流二极管依次构成回路进行电机线圈储电。第一下半桥开关管在关断时，上电的两个电机线圈依次通过反向并联在该第一上半桥开关管两端的续流二极管、蓄电池、以及反向并联在第二下半桥开关管两端的续流二极管构成回路进行蓄电池充电。请参阅图2，为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的具体电路图。请结合参阅图3a_3f，为根据本发明的电机驱动系统的优选实施例的电机线圈反电动势和相电流图。该逆变电路21采用由开关管T1-T6构成的三相全桥逆变电路，且输入端并联母线电容
C。其中，开关管T1、T3和T5构成上半桥，开关管T4、T6和T2构成下半桥。开关管Tl和开关管Τ4之间的节点输出相电流iU给电机线圈LI，开关管T3和开关管T6之间的节点输出相电流iv给电机线圈L2，开关管T5和开关管T2之间的节点输出相电流1 给电机线圈L3。本发明中可以进一步在蓄电池10和逆变电路21之间设置主开关单元，以控制蓄电池10和逆变电路21之间线路的通断。在图2中，主开关单元体现为第一开关管T7和电阻R。 图3a_3f以电机正转为例，后文均以正转为例进行分析。在电动状态下，对于永磁无刷直流电机30的控制是采用两两导通换相来进行控制，也称120度控制。通过对逆变电路21中开关管的两两导通，使得逆变电路21分别通过节点U、节点V和节点W为各个电机线圈供电。图3a_3f中体现了反电动势和相电流的关系，其中，ew*别为电机线圈LI、电机线圈L2和电机线圈L3的反电动势，其方向如图2中所示。由于反电动势与当前的发波相序相关，而反电动势与电机转子位置一一对应，因此最终可以根据当前电机的转子位置信号来确定发波相序。永磁无刷直流电机30的转子位置信号是通过永磁无刷直流电机30中安装的3个互成120度的霍尔位置传感器来获得，其中，霍尔状态和发波相序的关系如表I所示。表格I
霍尔状态 [[[[[[ΤΤ 导通开关管 Τ1、Τ6 Τ1、Τ2 Τ3、Τ2 Τ3、Τ4 Τ5、Τ4 Τ5、Τ6现以霍尔状态010为例进行分析，此时导通开关管Tl和开关管Τ6，则IuX), iv〈0，此时输出电动力矩。而如果要输出制动力矩，则电流流向需相反，即i/0，iv>0。本发明对永磁无刷直流电机的能量回馈制动控制是基于升压斩波(BoostChopper)的原理,感应电动势和感应电流公式如式(I)所示E=-L 色(I)
dt本发明的制动控制单元222采用半桥调制的方式，即关闭三相全桥逆变电路的上桥，并根据霍尔状态分别对三相下桥进行PWM调制的方法来达到能量回馈制动的目的。相应地霍尔状态和调制的开关管如表2所示。表格权利要求
1.一种电机驱动系统，包括蓄电池、电机控制器和永磁无刷直流电机，所述电机控制器包括逆变电路和控制模块，所述逆变电路为三相全桥逆变电路；其特征在于，所述控制模块包括电动控制单元和制动控制单元； 所述电动控制单元用于接收所述永磁无刷直流电机的转子位置信号确定发波序列，驱动所述逆变电路将所述蓄电池的直流电逆变为三相交流电为所述永磁无刷直流电机供电； 所述制动控制单元用于在制动时确定当前的转子位置信号在电动控制时对应的发波序列导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管；所述制动控制单元发送PWM信号控制所述第一上半桥开关管所在支路对应的第一下半桥开关管通断；其中，所述第一下半桥开关管导通时，上电的两个电机线圈通过该第一下半桥开关管、以及反向并联在所述第二下半桥开关管两端的续流二极管依次构成回路进行电机线圈储电；所述第一下半桥开关管关断时，上电的两个电机线圈依次通过反向并联在所述第一上半桥开关管两端的续流二极管、所述蓄电池、以及反向并联在所述第二下半桥开关管两端的续流二极管构成回路进行蓄电池充电。
2.根据权利要求I所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统还包括连接在所述蓄电池和所述逆变电路之间通路上的主开关单元。
3.根据权利要求2所述的电机驱动系统，其特征在于，所述制动控制单元在所述制动过程保持所述主开关单元导通，且在检测所述蓄电池的电压达到充电饱和电压时关断所述主开关单元停止给所述蓄电池充电。
4.根据权利要求3所述的电机驱动系统，其特征在于，所述主开关单元至少包括串联在所述主开关单元的输入端和输出端之间的一个或多个开关管，所述制动控制单元在检测所述蓄电池电压达到充电饱和电压时关断所述一个或多个开关管停止给所述蓄电池充电。
5.根据权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于，所述制动控制单元还在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，在所述母线电容的电压低于安全电压时，发送信号导通所述一个或多个开关管恢复上电。
6.根据权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于，所述串联在所述主开关单元的输入端和输出端之间的一个或多个开关管为第一开关管和第二开关管；所述主开关单元还包括第三开关管、二极管和电阻；所述第三开关管与所述电阻串联后并联在所述第一开关管两端，所述二极管正向并联在所述第二开关管两端； 所述制动控制单元在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，并检测所述母线电容的电压，在所述母线电容电压低于下限电压时，停止输出所述调整转矩并发送信号导通所述第三开关管对所述母线电容进行上电缓冲，在所述母线电容电压高于下限电压且低于安全电压时，发送信号导通所述第一开关管和第二开关管。
7.一种根据权利要求1-6中任意一项所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法，其特征在于，包括 在制动时确定当前的转子位置信号在电动控制时对应的发波序列导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管，并发送PWM信号控制所述第一上半桥开关管所在支路对应的第一下半桥开关管通断；其中，所述第一下半桥开关管导通时，上电的两个电机线圈通过该第一下半桥开关管、以及反向并联在第二下半桥开关管两端的续流二极管依次构成回路进行电机线圈储电；所述第一下半桥开关管关断时，上电的两个电机线圈依次通过反向并联在所述第一上半桥开关管两端的续流二极管、所述蓄电池、以及反向并联在所述第二下半桥开关管两端的续流二极管构成回路进行蓄电池充电。
8.根据权利要求7所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法，其特征在于，所述方法还包括在检测所述蓄电池的电压达到充电饱和电压时断开所述蓄电池与所述逆变电路的通路，停止给所述蓄电池充电。
9.根据权利要求8所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法，其特征在于，所述方法还包括在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，并在所述母线电容电压低于安全电压时，发送信号接通所述蓄电池与所述逆变电路的通路恢复上电。
10.根据权利要求9所述的电机驱动系统的能量回馈制动控制方法，其特征在于，所述方法还包括在恢复上电时控制所述逆变电路输出一调整转矩为所述逆变电路的母线电容放电，并检测所述母线电容的电压，在母线电容电压低于下限电压时，停止输出所述调整转矩并发送信号在所述蓄电池与所述逆变电路的通路上接通一电阻对所述母线电容进行上电缓冲，在母线电容电压高于下限电压且低于安全电压时，发送信号接通所述蓄电池与所述逆变电路的通路恢复上电。
全文摘要
本发明涉及一种电机驱动系统及其能量回馈制动控制方法，所述电机驱动系统包括蓄电池、电机控制器和永磁无刷直流电机，所述电机控制器包括控制模块和三相全桥逆变电路；所述控制模块包括电动控制单元和制动控制单元；其中，所述制动控制单元用于在制动时确定当前的转子位置信号在电动控制时对应的发波序列导通的第一上半桥开关管和第二下半桥开关管，并发送PWM信号控制所述第一上半桥开关管所在支路对应的第一下半桥开关管通断以形成回路在电机线圈中产生制动电流，并对蓄电池进行充电。本发明能够在永磁无刷直流电机制动过程中，根据电机具有可逆性原理，进行半桥调制能量回馈，进而能够延长蓄电池使用时间。
文档编号H02P6/00GK102946219SQ201210435990
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者谢亮 申请人:苏州汇川技术有限公司, 苏州默纳克控制技术有限公司, 深圳市汇川技术股份有限公司