專利名稱：一種無刷直流電機及其控制裝置和使用它的機動車的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種無刷直流電機及其控制裝置以及一種使用所述無刷直流電 機的機動車。
背景技術：
“輪轂”電機可以直接安裝在交通和運輸工具的車輪之上，它能為交通工具提供瞬 時的扭力，同時大大提高動力效率。而電動機動車的性能優劣主要取決于電池系統和電機 及其控制系統兩方面的技術，其中，電機要求瞬時功率大、過載能力強、加速性能好和使用 壽命長。然而，一般都存在電機轉矩不足，而且在長時間有載運行中電機易發熱，永磁體磁 性能弱化等缺點，制約了純電動或者混合動力交通和運輸工具的發展。而現在的無刷直流電機一般包括具有永磁體的轉子組件和具有用于多相的驅動 線圈的定子組件及其控制裝置，同時這種無刷直流電機的控制裝置的主控部分一般是采用 單一的CPU的數據處理及控制模式，造成處理速度相對較慢，不能滿足產品的較繁復工作 和及時的數據處理的需求，而且這種控制裝置的電機位置及轉速的檢測一般是通過光柵編 碼器來實現的，但因光柵編碼器存在安裝復雜、可靠性較低、適用環境差的缺點，使得其使 用效果不是十分理想，不能滿足日益進步的社會需要。
發明內容本實用新型的目的是針對上述問題的存在，提供一種具有多CPU并行處理能力， 并能在環境較為苛刻(如高溫、高濕、灰塵、空間狹小等)條件下工作且安裝簡單方便，可靠 性高的無刷直流電機及其控制裝置和使用它的機動車。本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波 及正弦波發生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、整流三相逆變及IGBT驅動保護模 塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模 塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波發生器模塊分別設置有各自獨立的副 CPU,且各副CPU在主控CPU的控制和協調下對所有的事件進行并行處理以提高運行速度和 響應速度。其中為更好地保證其電機位置及轉速檢測的可靠性，上述霍爾傳感器檢測及運算 處理模塊包括用于檢測電機轉子位置與轉速的通過線路板嵌入在電機轉子中的二對或二 對以上按極性間序排列呈圓周分布霍爾傳感器；用于將各霍爾傳感器檢測到的信號進行放大處理的放大器；用于將各放大器輸出的信號進行模數轉換的A/D轉換電路；用于對各A/D轉換電路的輸出信號進行運算處理而生成電機的模擬位置信號的 數字信號處理器DSP ；其中，各霍爾傳感器檢測到的電機轉子位置信號經依序連接的放大器，A/D轉換電路數字信號處理器DSP處理后輸出到上述主控CPU、輸入及顯示模塊、方波及正弦波發生器 模塊、通信模塊與給定的轉速進行運算并產生相應的控制信號，該控制信號再輸出整流三 相逆變及IGBT驅動保護模塊輸出所期望的電流及電壓來控制驅動電機。一種具有上述無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，該無刷直流電機包括具有 永磁體的轉子組件和具有用于多相的驅動線圈的定子組件，其特征在于所述定子組件和轉 子組件為少槽多極結構。其中，上述定子組件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽 或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽結構，轉子組件為6極或8極或10極或12 極或14極或16極或18極或20極結構；上述定子組件為12槽結構，上述轉子組件為10極 或14極結構。一種具有上述無刷直流電機的機動車，主要包括機動車車體、安裝在機動車車體 上的前輪和后輪，且前輪和/或者后輪連接有驅動其轉動的“輪轂”電機，“輪轂”電機連接 有安裝在機動車車體上的供電組件，其特征在于所述電機采用上述無刷直流電機。本實用新型與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果(1) 一體化設計，集成度高，可靠性強。本實用新型集數據采集，數字信號處理，減 少了外部線路物理連接，具有很高的穩定性。(2)采用多CPU結構實現了在主控CPU模塊的控制和協調對所有的事件進行并行 處理提高運行速度和響應速度系統。在電機轉子的位置和速度檢測采用了霍爾傳感器檢測運算處理模塊與原來的光 柵編碼器比具有以下優點A 輸出方式靈活多樣B :360°C可編程角度測量C:非接觸式，高可靠性D 體積小，易于安裝拆卸E 適合應用于振動，高溫，粉塵等各種苛刻工業環境F:價位低，更適合工控領域大規模應用
以下結合附圖詳細描述本實用新型的具體實現
圖1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的結構組成示意圖；圖2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的霍爾傳感器檢測及運算處理模 塊的結構組成示意圖；圖3是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的整流三相逆變有IGBT驅動保護 模塊的結構組成示意圖；圖4是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的主控CPU的結構組成示意圖；圖5-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke變換結構示意圖；圖5-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke變換坐標示意圖；圖6-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke逆變換結構示意圖；圖6-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke逆變換坐標示意圖；圖7-1是本實用新型所 無刷直流電機控制裝置的Park變換結構示意圖；[0034]圖7-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park變換坐標示意圖；圖8-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park逆變換結構示意圖；圖8-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park逆變換坐標示意圖；圖9-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的基本空間矢量分布示意圖；圖9-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的平均空間矢量分布示意圖。
具體實施方式
如圖1 圖9-2所示，本實用新型所述的一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及 顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波及正弦波發生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理 模塊、整流三相逆變及IGBT驅動保護模塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU 和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波 發生器模塊分別設置有各自獨立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和協調下對所有的 事件進行并行處理以提高運行速度和響應速度。其中為更好地保證其電機位置及轉速檢測 的可靠性，上述霍爾傳感器檢測及運算處理模塊包括用于檢測電機轉子位置與轉速的通過 線路板嵌入在電機轉子中的二對或二對以上按極性間序排列呈圓周分布霍爾傳感器；用于將各霍爾傳感器檢測到的信號進行放大處理的放大器；用于將各放大器輸出的信號進行模數轉換的A/D轉換電路；用于對各A/D轉換電路的輸出信號進行運算處理而生成電機的模擬位置信號的 數字信號處理器DSP ；其中，各霍爾傳感器檢測到的電機轉子位置信號經依序連接的放大器，A/D轉換電 路數字信號處理器DSP處理后輸出到上述主控CPU、輸入及顯示模塊、方波及正弦波發生器 模塊、通信模塊與給定的轉速進行運算并產生相應的控制信號，該控制信號再輸出整流三 相逆變及IGBT驅動保護模塊輸出所期望的電流及電壓來控制驅動電機。此時，1.輸入顯示模塊主要由LED數碼顯示器，按鍵和一個副CPU控制電路組成，主要負 責輸入各運行參數和顯示電機的運行狀態和工況。2.通信模塊主要采用RS-485，可通過RS-485使多臺電機同上位機進行連接，上位 機可讀取各臺電機的運行狀態和工況，分別向各臺電機下發各控制命令和參數來改變電極 運行速度、方向、啟動時間等，從而實現多臺電機連動。3.霍爾傳感器檢測運算處理模塊通過在線路板中嵌入4個或8個呈圓周分布并反 極性間序排列的霍爾傳感器，采用安裝在電機軸正面的磁鋼沿直徑方向磁化的磁鐵，磁鐵 將在兩個成90度的線性霍爾傳感器中軸上方旋轉運動兩路輸出信號相位差90度，即提供 角度的一個正弦信號和一個余弦信號通過微分放大器起結合在一起正弦和余弦信號被兩 個ADC轉換器數字化并通過數字濾波器減少噪聲，DSP轉化正弦和余弦信號輸出角度和數 字量，其特點在于輸出方式靈活多樣可輸出U/V/W和A/B/Z信號，360°C可編程角度測量， 非接觸式，高可靠性體積小，易于安裝拆卸。適合應用于各種苛刻工業環境。4.整流三相逆變和IGBT驅動保護模塊主要包括IGBT驅動、過電流保護、欠壓過 壓保護、IGBT邏輯保護電路，整流及功率因素較正電路和三相逆變電路。5.主控CPU和PID控制模塊和方波及正弦波發生器模塊(1)單速度環PID控制[0050]主控CPU主要負責電機轉速的PID控制，在電機運行時，從轉速測量值中減去轉速 給定值(期望轉速)，PID控制器對轉速誤差進行處理，其輸出作為正弦波幅值的給定控制量。可通過電壓設定轉速給定值，而電機轉速測量值則根據霍爾效應傳感器的反饋信 號來計算每隔1毫秒在中斷服務程序中執行一次PID轉速控制。該中斷服務程序將對有符 號小數格式的給定轉速和電機當前實際轉速進行處理。通過從存儲器中讀出給定轉速值減 去實際轉速值以確定轉速誤差值，該誤差值可確定電機應升速還是減速。為確保電機能夠 平穩運行，誤差值將被解析為比例、積分和微分分量以產生一個合成輸出控制量，該輸出量 用于補償轉速誤差。用于產生控制器輸出值的公式根據前三次中斷中獲取的三個誤差值當 前的轉速誤差、前一次中斷轉速誤差(1ms前的)和前二次轉速誤差(2ms前的)進行計算。(2)磁場定向PID控制通過一系列坐標變換，可間接確定不隨時間變化的轉矩和磁通值，并可采用經典 的PI控制環對其進行控制。控制過程起始于3相電機電流的測量。實際應用中，三個電流 值的瞬時和為零。這樣僅測量其中兩個電流即可得到第三個電流值。因此，可通過去除第 三個電流傳感器來降低硬件成本。第一次坐標變換，稱為Clarke變換，它將一個3軸、2維 的定子坐標系變換到2軸的定子坐標系中如圖所示其中ia、ib和ic為各相電流現在，已使定子電流在一個兩坐標軸分別標為α、β的2軸正交系中得以表達。 下一步將其變換到另一個正在隨著轉子磁通旋轉的2軸系統中。這種變換就是Park變換， 如圖所示，該2軸旋轉坐標系的坐標軸稱為dq軸。使用三個PI環分別控制相互影響的三個變量。轉子轉速、轉子磁通和轉子轉矩分 別由單獨的PI模塊控制。PID控制器的P增益設定整個系統的響應。在初次對控制器進行參數整定時，將I 和D增益設置為0。隨后可增大P增益，直到系統能夠很好地響應設定點的變化，不存在過 大超調或振蕩。使用較小的P增益值可較“松”地控制系統，而較大的值則會較“緊”地控制 系統。此時，系統將有可能不收斂到設定點。選取了合適的P增益后，可緩慢地增加I增益 以消除系統的誤差。對多數系統而言，只需較小的I增益。如果I增益取值過大，則可能會 抵消P項的作用，減緩整個控制系統的響應，并使系統在設定點附近振蕩。如果發生振蕩， 通過減小I增益并增大P增益通常可解決問題。本應用中包含了限制積分飽和的項，當積 分誤差使輸出參數飽和時會產生積分飽和。此時，再增加積分誤差將不會影響輸出。當累 積誤差減小時，它必須減小(下降)到導致輸出飽和的值以下才能對輸出產生影響。Kc系 數用于限制這些不會影響輸出的累積誤差。對于大多數情況，該系數取值可與Ki相同。存 在三個相互關聯的PI控制環。外環控制電機轉速。兩個內環分別控制變換后的電機電流 Id和Iq。如前所述，Id環控制磁通，而Iq值控制電機轉矩。經過PI迭代后，可獲得旋轉d_q坐標系的電壓矢量的兩個分量。這時需要經過逆 變換將其重新變換到3相電機電壓。首先，需從2軸旋轉d-q坐標系變換到2軸靜止α-β 坐標系。該變換使用了 Park逆變換，如圖所示。下一步是將靜止2軸α _ β坐標系變換到靜止3軸3相定子參考坐標系。從數學 角度來看，該變換是通過Clarke逆變換來實現的，如圖所示。(3)正弦波發生器[0060]正弦波發生器通過使用空間矢量調制，三相中每一相電壓信號的脈寬產生過程將 簡化為幾個簡單的公式。三個逆變器輸出中的任何一個都將處于以下兩個狀態之一連接 至+母線軌或_母線軌。因此，如下表所示，輸出可具有8種可能的狀態。
所有三相輸出全部連接至+母線或_母線的兩個狀態被認為是無效狀態，因為在 任意兩相之間不存在線電壓。這兩個狀態對應的空間矢量在SVM星型的原點繪出。其余的 六個狀態表示為六個空間互差60度的基本空間矢量，如圖所示空間矢量調制可采用相鄰兩個基本空間矢量的矢量和來表征任一合成矢量。在下 圖中，UOUT是期望的合成矢量。該矢量位于U60和UO之間的區間內。如果在給定的PWM 周期T內，UO的輸出時間為T1/T而U60的輸出時間為T2/T，則整個周期內的平均矢量將為 UOUToTl和T2的值將從查找表中獲取。該表包含0至60電角度之間的172個小數正弦 值。因此，對于6個區間中的任何一個區間，將有一個軸與此對應，另外兩個軸對稱分布在 該區間邊界。沿這兩個邊界軸的的矢量分量值等于Tl和T2。如下圖中所示，在PWM周期T 中，矢量Tl輸出時間為T1/T，矢量T2輸出時間為T2/T。在一個周期內的剩余時間內將輸
出空矢量。一種具有上述無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，該無刷直流電機包括具有 永磁體的轉子組件和具有用于多相的驅動線圈的定子組件，其特征在于所述定子組件和轉 子組件為少槽多極結構。其中，上述定子組件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽 或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽結構，轉子組件為6極或8極或10極或12 極或14極或16極或18極或20極結構；上述定子組件為12槽結構，上述轉子組件為10極 或14極結構。一種上述無刷直流電機的機動車，主要包括機動車車體、安裝在機動車車體上的前輪和后輪，且前輪和/或者后輪連接有驅動其轉動的“輪轂”電機，“輪轂”電機連接 有安裝在機動車車體上的供電組件，其特征在于所述電機采用上述無刷直流電機。 上述無刷直流電機包括內轉子電機和外轉子“輪轂”電機。
權利要求一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波及正弦波發生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、整流三相逆變及IGBT驅動保護模塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波發生器模塊分別設置有各自獨立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和協調下對所有的事件進行并行處理以提高運行速度和響應速度。
2.根據權利要求1所述的無刷直流電機控制裝置，其特征在于上述霍爾傳感器檢測及 運算處理模塊包括用于檢測電機轉子位置與轉速的通過線路板嵌入在電機轉子中的二對 或二對以上按極性間序排列呈圓周分布霍爾傳感器；用于將各霍爾傳感器檢測到的信號進行放大處理的放大器；用于將各放大器輸出的信號進行模數轉換的A/D轉換電路；用于對各A/D轉換電路的輸出信號進行運算處理而生成電機的模擬位置信號的數字 信號處理器DSP ；其中，各霍爾傳感器檢測到的電機轉子位置信號經依序連接的放大器，A/D轉換電路 數字信號處理器DSP處理后輸出到上述主控CPU、輸入及顯示模塊、方波及正弦波發生器模 塊、通信模塊與給定的轉速進行運算并產生相應的控制信號，該控制信號再輸出整流三相 逆變及IGBT驅動保護模塊輸出所期望的電流及電壓來控制驅動電機。
3.一種具有權利要求1至權利要求2任一權項所述無刷直流電機控制裝置的無刷直 流電機，該無刷直流電機包括具有永磁體的轉子組件和具有用于多相的驅動線圈的定子組 件，其特征在于所述定子組件和轉子組件為少槽多極結構。
4.根據權利要求3所述的無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，其特征在于上述定 子組件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽或14槽或16槽或18槽或20槽或22 槽或24槽結構，轉子組件為6極或8極或10極或12極或14極或16極或18極或20極結 構。
5.根據權利要求4所述的無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，其特征在于上述定 子組件為12槽結構，上述轉子組件為10極或14極結構。
6.根據權利要求3至權利要求5任一權項所述無刷直流電機，其特征在于所述無刷直 流電機包括內轉子電機和外轉子“輪轂”電機。
7.一種具有權利要求3至權利要求6任一權項所述無刷直流電機的機動車，主要包括 機動車車體、安裝在機動車車體上的前輪和后輪，且前輪和/或者后輪連接有驅動其轉動 的“輪轂”電機，“輪轂”電機連接有安裝在機動車車體上的供電組件，其特征在于所述電機 采用上述無刷直流電機。
專利摘要一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波及正弦波發生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、整流三相逆變及IGBT驅動保護模塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波發生器模塊分別設置有各自獨立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和協調下對所有的事件進行并行處理以提高運行速度和響應速度。本實用新型的目的是提供一種具有多CPU并行處理能力，并能在環境較為苛刻(如高溫、高濕、灰塵、空間狹小等)條件下工作且安裝簡單方便，可靠性高的無刷直流電機及其控制裝置和使用它的機動車。
文檔編號H02K29/08GK201667630SQ20102012915
公開日2010年12月8日 申請日期2010年2月11日 優先權日2010年2月11日
發明者趙勇杰 申請人:利德國際企業有限公司