CN103231663A - 一种低成本三独立电源电动车用驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低成本三独立电源电动车驱动系统。包括三个独立电源、三个开关管、三相双凸极驱动电机和控制系统等。其特征在于：所述三相双凸极驱动电机由三个独立电源供电，每个独立电源和一个开关管串联组成一个一桥臂，三个桥臂按三角形连接方式依次首尾串联，桥臂的三个连接点分别与双凸极电机的三相星形绕组相连。所述三相双凸极驱动电机定子铁心的极弧系数为0.5，转子铁心的极弧系数为0.333。本发明提供的系统开关器件少，成本低；不存在三相逆变器的直通现象，可靠性高，具有较高的实用性。

Description

一种低成本三独立电源电动车用驱动系统
技术领域
本发明涉及一种低成本三独立电源电动车驱动系统，属于电动车驱动技术领域。
背景技术
电动车驱动系统常采用三相桥式逆变器，该逆变器采用6个开关管，价格较高，存在较高的导通压降，而且工作在高温、高频等恶劣条件下，是驱动系统中最为薄弱的部分，死区设置不当极易发生直通故障。由于降低开关管的个数可有效提高系统的可靠性，并降低系统成本，因此市场急需研发一种开关管少、可靠性高的驱动系统。
双凸极电机是一种由位置传感器、电力电子功率变换器、永磁或电磁励磁单元、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。作为一种新型的变磁阻电机，其磁阻最大值和最小值比值大，有较好的机电能量转换特性，在电动车行业具有较好的应用前景。
目前已有的技术中，许多发明专利叙述了应用传统三相桥式逆变器的三相电机。其中也有一些专利对传统的三相桥式逆变器进行了改进，例如授权的发明专利：ZL201010565874.3，用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器，发明了一种可用一台逆变器同时对两部三相交流电机单独进行控制，由于逆变器中开关管的数目为9个，比传统每个电机用六个个开关管的逆变器要少。
新型的双凸极电机在电动车行业具有较好的应用前景，因此国内也有一些研究成果。2008年第6期《电工技术学报》刊出的论文：电动车用新型定子双馈电双凸极电动机驱动系统的设计和实现，设计了一种电励磁双凸极电机，并利用数字信号处理器实现了电动控制；申请号为200610097465.9的中国发明专利：双凸极电机驱动器，其附图1公开了一种三相双凸极电机常用的三相桥式逆变器电路，该逆变器和传统的三相逆变器电路一致。申请号为201110062872. 7的中国发明专利：四相双凸极电机，公开了一种四相双凸极电机所用的四相逆变器，该逆变器比传统的三相逆变器多一个桥臂。授权的发明专利：ZL200810021000.4，一种双凸极永磁电机的容错控制方法，发明了一种正常运行时采用三相方波控制，故障运行时通过等效正弦波驱动的控制方法，该控制方法所采用的逆变器仍然是传统的三相桥式逆变器。
上述文献提到的三相双凸极电机所用的逆变器皆为三相桥式逆变器，该逆变器采用三个上开关管和三个下开关管实现电机的换相驱动，开关管多，压降大，损耗大；而且还容易存在上下开关管的直通现象，极易造成电源系统的损坏。
相对于已有技术来说，本发明公开的低成本三独立电源电动车驱动系统，采用三个独立电源和三个开关管给双凸极驱动电机供电，开关器件少，电路拓扑结构新颖，并在此基础上给出了适合控制双凸极电机的三拍导通控制方式。本发明所述的低成本三独立电源电动车驱动系统在三相逆变器拓扑结构和双凸极电机驱动控制方面具有新颖性、创造性，在电动车驱动方面具有较高的实用性。
目前国内外尚未检索到本发明提出的低成本三独立电源电动车驱动系统。
发明内容
本发明结合三相双凸极电机的驱动控制方式，提出了一种低成本三独立电源电动车驱动系统，该系统只使用三个开关管和三个独立电源即可搭建三相双凸极电机的主功率电路，开关器件少、成本低、开关管损耗少、可靠性高。
本发明为降低传统的三相双凸极电机所用的三相桥式逆变器的成本和损耗，采用如下技术方案：
一种低成本三独立电源电动车驱动系统，包括三个独立电源、三个开关管、三相双凸极驱动电机、位置传感器、电流传感器和控制系统等，其特征在于：所述三相双凸极驱动电机由第一独立电源(U1)、第二独立电源(U2)和第三独立电源(U3)三个电源独立供电，第一独立电源(U1)和第一开关管(Q1)串联组成第一桥臂，第二独立电源(U2)和第二开关管(Q2)串联组成第二桥臂，第三独立电源(U3)和第三开关管(Q3)串联组成第三桥臂，三个桥臂按三角形连接方式依次首尾串联，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)分别并联有第一体二极管(D1)、第二体二极管(D2)和第三体二极管(D3)；所述三相双凸极驱动电机由三相绕组、凸极式定子铁心、凸极式转子铁心和外壳组成， A相绕组的一端和第一桥臂与第二桥臂的连接点连接，B相绕组的一端和第二桥臂与第三桥臂的连接点连接， C相绕组的一端和第三桥臂与第一桥臂的连接点连接，三相绕组的另一端接在一起组成三相星形绕组，所述定子铁心的极弧系数为1/2，转子铁心的极弧系数为1/3，三相双凸极驱动电机既可以使用励磁绕组励磁，也可以使用永磁体励磁；位置传感器用于检测转子位置，控制系统根据检测到的位置信号控制第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)开通或关断；当A相电感上升、C相电感下降时控制第一开关管(Q1)导通给A相绕组通正向电流，给C相绕组通负向电流，A相绕组和C相绕组共同出力；当B相电感上升、A相电感下降时控制第二开关管(Q2)导通给B相绕组通正向电流，给A相绕组通负向电流，B相绕组和A相绕组共同出力；当C相电感上升、B相电感下降时控制第三开关管(Q3)导通给C相绕组通正向电流，给B相绕组通负向电流，C相绕组和B相绕组共同出力；电流传感器用于检测电流，并将信号输送给控制系统以限流并保护电路；控制系统接收传感器、油门和制动信号，并在调理该信号后将信号输送给控制单元，控制单元经过运算后输出开关管的驱动信号，该信号经过驱动隔离电路后分别发送给第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)，实现对系统的控制。
本发明的有益效果如下：
1采用三个独立电源和三个开关管给双凸极驱动电机供电，开关器件少，成本低、开关管损耗少；2系统不会存在上、下开关管的直通现象，不会因为直通而造成电源损坏，具有一定的开关管短路故障容错能力；3电动车三相驱动电机采用三相双凸极电机，该机可由定子上的永磁体或励磁绕组提供磁场，转子结构简单，实现了电机的无刷化、可靠性高，可在高速和恶劣条件下运行；4采用三拍导通控制方式控制双凸极电机的转动，能有效发挥双凸极电机的特性。
根据能量守恒定律，本系统虽然采用三个独立电源供电，但三个电源的总容量仍然为传统驱动系统一个电源的容量，并不会增加电源系统成本。
附图说明
图1是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统组成图。
图2是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统的三相电励磁双凸极驱动电机结构示意图。其中1、励磁绕组；2、电枢绕组；3、定子铁心；4、转子铁心。
图3是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统的三相切向永磁双凸极驱动电机结构示意图。其中1、永磁体；2、电枢绕组；3、定子铁心；4、转子铁心。
图4是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统的三相径向永磁双凸极驱动电机结构示意图。其中1、电枢绕组；2、定子铁心；3、电机外壳；4、永磁体；5、转子铁心。
图5为本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统三拍导通控制原理图。
图6为传统三相电机与三相桥式逆变器的连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统组成图。该系统包括三个独立电源、三个开关管、三相双凸极驱动电机、位置传感器、电流传感器和控制系统等，其特征在于：所述三相双凸极驱动电机由U1、U2和U3三个电源独立供电，第一独立电源(U1)和第一开关管(Q1)串联组成第一桥臂，第二独立电源(U2)和第二开关管(Q2)串联组成第二桥臂，第三独立电源(U3)和第三开关管(Q3)串联组成第三桥臂，三个桥臂按三角形连接方式依次首尾串联，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)分别并联有第一体二极管(D1)、第二体二极管(D2)和第三体二极管(D3)；所述三相双凸极驱动电机由三相绕组、凸极式定子铁心、凸极式转子铁心和外壳组成， A相绕组的一端与第一桥臂与第二桥臂的连接点连接，B相绕组的一端与第二桥臂与第三桥臂的连接点连接， C相绕组的一端与第三桥臂与第一桥臂的连接点连接，三相绕组的另一端接在一起组成三相星形绕组。位置传感器用于检测转子位置，控制系统根据检测到的位置信号控制三个开关管开通或关断，实现电机的转动。电流传感器用于检测电流，并将信号输送给控制系统以限流并保护电路。控制系统接收传感器、油门和制动信号，并在调理该信号后将信号输送给控制单元，控制单元经过运算后输出开关管的驱动信号，该信号经过驱动隔离电路后分别发送给第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)，实现对系统的控制。
图2是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统的三相电励磁双凸极驱动电机结构示意图，该机定子铁心的极弧系数为1/2，转子铁心的极弧系数为1/3。
图3是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统的三相切向永磁双凸极驱动电机结构示意图，该机永磁体的充磁方向为切向，其定子铁心的极弧系数为1/2，转子铁心的极弧系数为1/3。
图4是本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统的三相径向永磁双凸极驱动电机结构示意图，该机永磁体的充磁方向为径向，其定子铁心的极弧系数为1/2，转子铁心的极弧系数为1/3。
同理，本系统也可以采用永磁与电励磁混合励磁的双凸极电机作为驱动电机。
图5为本发明的低成本三独立电源电动车驱动系统三拍导通控制原理图。
图6为传统三相电机与三相桥式逆变器的连接图。
从图6可以看出，传统三相电机与传统的三相桥式逆变器配合时，需要采用上下共六个开关管，以目前常用的三菱PM100RSE120为例，其价格为1800元左右。因此，节省三个开关管，可以节省大量的系统成本。
结合附图5可以看出本系统的工作原理是，当电角度在(0°，120°)之间时，A相电感上升、C相电感下降，此时控制开关管(Q1)导通给A相绕组通正向电流，给C相绕组通负向电流，A相绕组和C相绕组的磁阻转矩互相抵消，A相绕组输出正的电磁转矩Taf，C相绕组输出正的电磁转矩Tcf，A相绕组和C相绕组共同出力；当电角度在(120°，240°)之间时，当B相电感上升、A相电感下降，此时控制开关管(Q2)导通给B相绕组通正向电流，给A相绕组通负向电流，B相绕组和A相绕组的磁阻转矩互相抵消，B相绕组输出正的电磁转矩Tbf，A相绕组输出正的电磁转矩Taf，B相绕组和A相绕组共同出力；当电角度在(240°，360°)之间时， C相电感上升、B相电感下降，此时控制开关管(Q3)导通给C相绕组通正向电流，给B相绕组通负向电流，C相绕组和B相绕组的磁阻转矩互相抵消，C相绕组输出正的电磁转矩Tcf，B相绕组输出正的电磁转矩Tbf，C相绕组和B相绕组共同出力。

Claims (1)

1.一种低成本三独立电源电动车驱动系统，包括三个独立电源、三个开关管、三相双凸极驱动电机、位置传感器、电流传感器和控制系统等，其特征在于：所述三相双凸极驱动电机由第一独立电源(U1)、第二独立电源(U2)和第三独立电源(U3)三个电源独立供电，第一独立电源(U1)和第一开关管(Q1)串联组成第一桥臂，第二独立电源(U2)和第二开关管(Q2)串联组成第二桥臂，第三独立电源(U3)和第三开关管(Q3)串联组成第三桥臂，三个桥臂按三角形连接方式依次首尾串联，第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)分别并联有第一体二极管(D1)、第二体二极管(D2)和第三体二极管(D3)；所述三相双凸极驱动电机由三相绕组、凸极式定子铁心、凸极式转子铁心和外壳组成， A相绕组的一端和第一桥臂与第二桥臂的连接点连接，B相绕组的一端和第二桥臂与第三桥臂的连接点连接， C相绕组的一端和第三桥臂与第一桥臂的连接点连接，三相绕组的另一端接在一起组成三相星形绕组，所述定子铁心的极弧系数为1/2，转子铁心的极弧系数为1/3，三相双凸极驱动电机既可以使用励磁绕组励磁，也可以使用永磁体励磁；位置传感器用于检测转子位置，控制系统根据检测到的位置信号控制第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)开通或关断；当A相电感上升、C相电感下降时控制第一开关管(Q1)导通给A相绕组通正向电流，给C相绕组通负向电流，A相绕组和C相绕组共同出力；当B相电感上升、A相电感下降时控制第二开关管(Q2)导通给B相绕组通正向电流，给A相绕组通负向电流，B相绕组和A相绕组共同出力；当C相电感上升、B相电感下降时控制第三开关管(Q3)导通给C相绕组通正向电流，给B相绕组通负向电流，C相绕组和B相绕组共同出力；电流传感器用于检测电流，并将信号输送给控制系统以限流并保护电路；控制系统接收传感器、油门和制动信号，并在调理该信号后将信号输送给控制单元，控制单元经过运算后输出开关管的驱动信号，该信号经过驱动隔离电路后分别发送给第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)，实现对系统的控制。
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Application publication date: 20130807

Assignee: SHANDONG TANGJUN OULING AUTOMOBILE MANUFACTURE Co.,Ltd.

Assignor: Shandong University of Technology

Contract record no.: 2017370000025

Denomination of invention: Low-cost driving system with three independent power supplies and for electromobile

Granted publication date: 20150325

License type: Exclusive License

Record date: 20170401

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Granted publication date: 20150325