永磁直流无刷电机双模控制系统及方法与流程

本发明涉及一种永磁直流无刷电机双模控制系统及方法。

背景技术：

在我国电动三轮车产品这一块，基本上90%都是使用永磁直流无刷电机与差速后桥结构。由于该电机起步平稳，调速范围广，维护简单，造价低廉，效率高，抗电流冲击效果好等特性，越来越风靡整个市场，但是目前各个厂家均对该电机的扭矩不甚满意。市面上已经存在的调扭矩方式也只有寥寥几种，而且调节的范围小，效果不明显，例如常规的相电流调速，是通过控制器内部增加压降来实现，还有正弦波调速是通过弱化磁场来调速，都不能较大幅度地增加扭矩。而现有电机绕组分为星型和三角形接法，可参考图1-2所示，其中星型接法的电机绕组具有大扭矩低转速特性，而三角形接法的电机绕组具有高转速低扭矩特性。

由此有必要提出一种永磁直流无刷电机双模控制系统及方法，可根据不同情况来选择星型接法或三角形接法，获得更优性能，并彻底解决上述问题。

技术实现要素：

本发明目的是：提供一种永磁直流无刷电机双模控制系统及方法，通过双模式切换工作，大大提升电机的续航里程和载重爬坡能力。

本发明的第一技术方案是：一种永磁直流无刷电机双模控制系统，其通过两组三相线与永磁直流无刷电机相连，其包括：与永磁直流无刷电机和霍尔传感器相连的转换模块、和与转换模块相连且控制转换模块进行工作模式切换的控制模块，其中当所述永磁直流无刷电机转速低于1800rpm时，所述控制模块控制转换模块执行星型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机形成星形连接；而所述永磁直流无刷电机转速高于或等于1800rpm时，所述控制模块控制转换模块执行三角型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机形成三角形连接。

在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

所述转换模块至少包括与控制模块相连的模式切换继电器、与模式切换继电器相连接的第一继电器、以及与模式切换继电器相连接且与第一继电器并联连接的第二继电器，其中第一继电器或第二继电器的常开触点设置在其中一组三相线上，而模式切换继电器的常开或常闭触点设置在与霍尔传感器相连的霍尔线上。

所述控制模块包括中央控制单元、与转换模块输出相连且与中央控制单元相连的驱动单元、以及向中央控制单元提供电力的降压单元。

所述永磁直流无刷电机的第一组三相线与转换模块相连，而第二组三相线通过第一继电器常开触点进行短接，或通过第二继电器常开触点与第一组三相线相应连接。

所述霍尔传感器包括3个星型霍尔传感器、和3个三角型霍尔传感器，且霍尔线包括电源正极线、地线、3个星型霍尔信号线、和3个三角型霍尔信号线，其中3个星型霍尔信号线与模式切换继电器的常开触点相连，而3个三角型霍尔信号线与模式切换继电器的常闭触点相连。

所述模式切换继电器的一端与驱动单元相连，而另一端则与中央控制单元相连，第一、二继电器的共同端则与中央控制单元相连。

所述中央控制单元为mc33035芯片，而所述驱动单元22为六输出高压mos栅极驱动器。

本发明的第二技术方案是：一种永磁直流无刷电机控制方法，其包括如下步骤：

s1：当永磁直流无刷电机转速低于1800rpm时，执行星型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机形成星形连接；或

s2：当所述永磁直流无刷电机转速高于或等于1800rpm时，执行三角型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机形成三角形连接。

优选地，所述工作模式的切换通过至少三个继电器来实现，其中继电器包括模式切换继电器、与模式切换继电器相连接的第一继电器、以及与模式切换继电器相连接且与第一继电器并联连接的第二继电器，其中第一继电器或第二继电器的常开触点设置在其中一组三相线上，而模式切换继电器的常开或常闭触点设置在与霍尔传感器相连的霍尔线上。

优选地，所述三个继电器受到一控制模块的控制，所述霍尔传感器包括3个星型霍尔传感器、和3个三角型霍尔传感器，且霍尔线包括电源正极线、地线、3个星型霍尔信号线、和3个三角型霍尔信号线，其中3个星型霍尔信号线与模式切换继电器的常开触点相连，而3个三角型霍尔信号线与模式切换继电器的常闭触点相连。

本发明优点是：利用星型接法大扭矩低转速特性和三角形接法的高转速低扭矩特性，在高速行驶的过程中，采用三角形接法，且三角形接法消耗的功率比星型接法低40%，在低速爬坡的过程中，采用星型接法，且星型接法的扭矩又可以提高50%，由此通过双模式切换工作，大大提升电机的续航里程和载重爬坡能力，能在同功率的电机上提升50%的扭矩输出而不影响高速特性。本发明在48v800w的电机上可以作出28-30n.m的扭矩输出，并可通过齿轮箱减速后能输出280n.m左右，足足比普通电机提高100n.m。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是现有电机绕组中星形接法的示意图；

图2是现有电机绕组中三角形接法的示意图；

图3是本发明电机绕组中双模式接法的示意图；

图4是本发明的电路示意图；

图5是本发明与现有电机的电机转速对比示意图；

图6是本发明与现有电机的电机扭矩对比示意图。

具体实施方式

实施例：如图3-4所示，本发明提供了一种永磁直流无刷电机双模控制系统的第一实施例，其通过两组三相线与永磁直流无刷电机m相连，其包括：与永磁直流无刷电机m和霍尔传感器相连的转换模块1、和与转换模块1相连且控制转换模块1进行工作模式切换的控制模块2，其中当永磁直流无刷电机转速低于1800rpm时，控制模块1控制转换模块2执行星型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机m形成星形连接；而永磁直流无刷电机m转速高于或等于1800rpm时，控制模块2控制转换模块1执行三角型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机m形成三角形连接。

转换模块1至少包括与控制模块相连的模式切换继电器kc、与模式切换继电器kc相连接的第一继电器km1、以及与模式切换继电器kc相连接且与第一继电器km1并联连接的第二继电器km2，其中第一继电器km1或第二继电器km2的常开触点设置在其中一组三相线上，而模式切换继电器kc的常开或常闭触点设置在与霍尔传感器相连的霍尔线上。

霍尔传感器设置在永磁直流无刷电机m中，其包括3个星型霍尔传感器30、和3个三角型霍尔传感器32。

控制模块2包括中央控制单元20、与转换模块1输出相连且与中央控制单元20相连的驱动单元22、以及向中央控制单元20提供12伏电压的降压单元24。其中降压单元24与48伏直流电源相连。

中央控制单元20优选采用mc33035芯片，mc33035芯片是motorola公司研制的第二代永磁直流无刷电机控制专用集成芯片，加上一片mc33039电子测速器将转子位置信号进行f／v转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。mc33035芯片包括—个转子定位译码器可用于确定适当换向顺序，它监控着3个霍尔效应开关传感器输入(4、5、6脚)，以保证顶部和底部驱动输出的正确顺序；一个以向传感器供电能力为基准的温度补偿器；一个可以程序控制频率的锯齿波发生器；一个全通误差放大器，能够促进闭环电机速度实现控制，若作为开环速度控制，则可将这误差放大器连成为单一增益电压跟随器；一个脉冲宽度调制比较器，3个集电极开路顶部驱动输出(1，2，24脚)，以及三个适用于驱动功率mosfet的理想的大电流推挽式底部驱动输出(19，20，21脚)。

驱动单元22优选采用ir公司生产的六输出高压mos栅极驱动器ir2130。

永磁直流无刷电机m的输入黄线a1、输入蓝线b1、输入绿线c1与转换模块1相连，而输入黄线a2、输入蓝线b2、输入绿线c2通过第一继电器km1常开触点进行短接，或通过第二继电器km2常开触点与输入黄线a1、输入蓝线b1、输入绿线c1相应连接。而与六个霍尔传感器相连的霍尔线有八根线，即红线、黑线、黄线、绿线、蓝线、黄白线、绿白线、蓝白线，其中红线与电源正极相连，而黑线则与地相连，然而黄线、绿线、蓝线与模式切换继电器kc的常开触点相连，而黄白线、绿白线、蓝白线与模式切换继电器kc的常闭触点相连。模式切换继电器kc的一端与驱动单元22相连，而另一端则与中央控制单元20相连。第一、二继电器km1、km2的共同端与中央控制单元20相连。

现有的永磁直流无刷电机绕组为三相六线星型接法，相线引出三根线，另外三根线并联焊接，保存在电机内部，绕组接法为三相交替正反绕线；霍尔传感器位置为常规机械角度等分霍尔位置，根据电位角120°来改变磁极对数与霍尔的位置关系。而本发明中电机绕组为三相六线星三角双重接法，需要引出六根相线，绕线方法也是三相交替正反绕制；霍尔线由原有的五线（红黑黄绿蓝）改为八线（红黑黄绿蓝（黄白）（绿白）（蓝白））；这是采用通用带霍尔换向控制器来实现的，在霍尔角度这一块，由于三角形和星型接法所使用的霍尔角度不相同，所以内置霍尔传感器的个数为6个。另外也可以使用无霍尔换向控制器来实现，这种实现方法只需接五线。用无霍尔换向控制器只需3个霍尔。

要实现平稳切换电机运行模式必须找到一个三角形和星型的平衡点，这个平衡点就是当三角形的转速和星型的转速一致时切换，要实现这个功能需要在控制模块2里面设置一个霍尔转速检测反馈信号，当两种模式转速达到一致时，切换状态。这种模式是根据转速的趋势来判定的，也就是说当电机转速从高速下降时，就是三角形切换星型，当电机转速从低速提升时，就是星型切换三角形。总体来看：永磁直流无刷电机m从启动开始使用星型连接，当转速达到切换转速时，永磁直流无刷电机m切换到三角形模式，当爬坡时，电机转速掉到切换转速时，永磁直流无刷电机m切换为星型模式。这一套整体的实现方案就很好的利用了星型接法大扭矩低转速特性和三角形接法的高转速低扭矩特性，而且在高速行驶的过程中，三角形接法消耗的功率比星型接法低40%，在低速爬坡的过程中，星型接法的扭矩又可以提高50%。所以，该套电机运行模式将会大大提升电机的续航里程和载重爬坡能力，以下分别对各个阶段进行详细阐述：

启动阶段

线路接好以后，拧动电机转把，控制模块2得到一个启动指令，控制永磁直流无刷电机m按照六步波方式运行，这时模式切换继电器kc端电压为0v，第一继电器km1得电工作，第二继电器km2不得电停止工作，最后根据三个继电器导通的情况，得到永磁直流无刷电机三相线a1b1c1直接输出到控制模块2的abc端，永磁直流无刷电机三相线a2b2c2连接，电机霍尔信号由红黑黄绿蓝线输出到控制模块2的红黑黄绿蓝端，黄白，绿白，蓝白悬空，永磁直流无刷电机m按照星型模式运行，该状态下需要克服电动车本身的自重，所以通常扭矩需求高，转速需求低。

高速转换阶段：

永磁直流无刷电机m从低速转换为高速阶段，转把依然处于拧动的状态，控制模块2正常工作，当控制模块2接收到一个转速信号（48v800w电机切换转速为1200-1800rpm），模式切换继电器kc端电压为12v，kc工作，由于kc工作，那么第一继电器km1断电，第二继电器km2通电，根据三个继电器导通的情况，得到电机三相线a1-c2，b1-a2，c1-b2输出为abc端，电机霍尔信号由红黑黄白绿白蓝白输出到控制模块2的红黑黄绿蓝端，黄绿蓝悬空，永磁直流无刷电机m按照三角形模式运行。该阶段中在电机起步以后，由于惯性的作用，电动车需要的扭矩越来越小，速度越来越快。当电机的效率和输出功率达到星型接法和三角形接法的切换点时，控制模块切换电机运行状态，让电机转速提升，扭矩下降。

爬坡转换阶段：

永磁直流无刷电机m在爬坡的阶段，由于负载加大，电机转速下降，当永磁直流无刷电机m转速下降到模式切换转速时（48v800w电机切换转速为1200-1800rpm），这时模式切换继电器kc端电压为0v，第一继电器km1得电工作，第二继电器km2不得电停止工作，最后根据三个继电器导通的情况，得到电机三相线a1b1c1直接输出到控制模块2的abc端，电机三相线a2b2c2连接，电机霍尔信号由红黑黄绿蓝输出到控制模块2的红黑黄绿蓝端，黄白，绿白，蓝白悬空，永磁直流无刷电机m按照星型模式运行。在爬坡的过程中，由于坡度的原因，使永磁直流无刷电机m不仅要克服向前行驶力还有一个径向分量。控制模块2的反应为降低转速，增大扭矩。这时永磁直流无刷电机m处在三角形接法中，所拥有的特性为高速低扭矩状态，那么在转速达到一定额度的时候，切换工作模式，从三角形接法改变为星型接法，以达到大扭矩输出的环境。

停止阶段：

当永磁直流无刷电机m需要停止运转时，转把复位，控制模块2得到一个停止指令，模式切换继电器kc端电压为0v，第一继电器km1得电，第二继电器km2不得电，永磁直流无刷电机m电机状态回到星型连接状态。

本发明在第一实施例的基础上，进一步提供一种永磁直流无刷电机控制方法的第二实施例，其包括如下步骤：

s1：当永磁直流无刷电机转速低于1800rpm时，执行星型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机形成星形连接；或

s2：当所述永磁直流无刷电机转速高于或等于1800rpm时，执行三角型工作模式，此时三相线则与永磁直流无刷电机形成三角形连接。

其中工作模式的切换通过至少三个继电器来实现，其中继电器包括模式切换继电器、与模式切换继电器相连接的第一继电器、以及与模式切换继电器相连接且与第一继电器并联连接的第二继电器，其中第一继电器或第二继电器的常开触点设置在其中一组三相线上，而模式切换继电器的常开或常闭触点设置在与霍尔传感器相连的霍尔线上。

由于本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

能在同功率的电机上提升50%的扭矩输出而不影响高速特性，请参考图5-6所示，且不增加成本。也就是说；在48v800w的电机上可以作出28-30n.m的扭矩输出，最终通过齿轮箱减速后能输出280n.m左右，足足比普通电机提高100n.m。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。