劉杰+梅建偉
收稿日期:2013-06-20
作者簡(jiǎn)介:劉 杰(1988—),男,湖北公安人,助理實(shí)驗(yàn)師,學(xué)士,研究方向:汽車(chē)電子技術(shù)。
文章編號(hào):1003-6199(2014)02-0081-04
摘 要:他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低,適合在小型電動(dòng)車(chē)上運(yùn)行,有效的降低了電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格,有利于電動(dòng)汽車(chē)的普及。本文在分析電動(dòng)車(chē)用他勵(lì)直流電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上,論述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體方案,并設(shè)計(jì)3KW/36V他勵(lì)有刷直流電機(jī)控制器。該控制器主要通過(guò)TL494控制,包括36V鉛酸蓄電池欠壓保護(hù),控制器的過(guò)熱保護(hù)等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該控制器達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),工作穩(wěn)定可靠,滿足電動(dòng)車(chē)的各種運(yùn)行情況,保護(hù)功能完善并具有能量回饋等功能。
關(guān)鍵詞:直流電機(jī);電動(dòng)車(chē);控制器;TL494
中圖分類(lèi)號(hào):TM921.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
A Electric Vehicle Motor Controller Based on TL494
LIU Jie, MEI Jianwei
(Hubei University of Automobile Technology School of Electrical & Information Engineering , Shiyan,Hubei 442002,China)
Abstract:The separately excited DC motor drive system is suitable for operating on the small electric vehicle. As it has simple structure, reliable performance and low cost, which is actually reducing the price of electrombile, is conducive to the popularity of electric cars. This paper discusses the motor drive system of the overall program, which is based on the theory of electric vehicles excited DC motor working, and is designed the 3KW/36V excited brushed DC motor controller. The controller is managed by TL494, it possesses the 36V of leadacid batteries undervoltage protection, and controller overheating protection, etc. The experiments confirm that the system can achieve design specification, working stable and reliable, satisfy a variety of the electric vehicles operating conditions, it will protect motors function and have energy feedback, other functions and so on.
Key words:direct current motor;controller;electric vehicle;TL494
1 引 言
面對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的廢氣污染和能源枯竭,電動(dòng)汽車(chē)現(xiàn)在逐步走進(jìn)了人們的生活。世界各大汽車(chē)生產(chǎn)廠家,都在大力研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)控制技術(shù),并在最近的車(chē)展上紛紛推出了電動(dòng)汽車(chē)。電機(jī)控制器是電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分,它的發(fā)展對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的普及及推廣有著深遠(yuǎn)的影響?,F(xiàn)在主流的電動(dòng)車(chē)控制器主要由電力電子器件構(gòu)成,其中電機(jī)控制器直接充當(dāng)了心臟的角色[1-2]。
2 電動(dòng)車(chē)電機(jī)控制器的原理
本文中電動(dòng)汽車(chē)采用他勵(lì)直流有刷電機(jī),動(dòng)力電池采用6節(jié)鉛酸蓄電池串聯(lián),每塊電池額定電壓6V,總額定輸出電壓為36V。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓為36V,額定功率為3kW,輸出額定轉(zhuǎn)矩為10.84Nm,額定轉(zhuǎn)速為2600r/min,勵(lì)磁電流為10A,最大負(fù)載電流為110A。
本控制器的設(shè)計(jì)方案中,電樞控制部分采用兩象限型直流斬波PWM系統(tǒng),勵(lì)磁控制部分采用雙極式可逆直流斬波PWM系統(tǒng)[3]??刂破鬟x用TL494芯片,其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。TL494內(nèi)置有5V±5%的基準(zhǔn)電源、兩路誤差放大器、PWM產(chǎn)生比較器以及死區(qū)時(shí)間可調(diào)控制等[4]。
2.1 兩象限型直流斬波PWM系統(tǒng)
兩象限型直流斬波器原理圖如圖1所示,采用半橋結(jié)構(gòu),電機(jī)中流過(guò)的電流Ia可正可負(fù),開(kāi)關(guān)管S2只在制動(dòng)時(shí)起作用,系統(tǒng)能工作在2個(gè)象限。
計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年6月
第33卷第2期劉 杰等:一種基于TL494芯片的電動(dòng)車(chē)電機(jī)控制器
該控制方案雖然只能使電機(jī)工作在第一、第二象限,但是具有能量回饋制動(dòng)功能,而且控制方便,使用的電子元器件較少,有利于減小控制器的體積,且系統(tǒng)的可靠性較高,方案的成本低[5-6]。
圖1 兩象限型直流斬波器電路原理圖
2.2 雙極式可逆直流斬波PWM系統(tǒng)
雙極式可逆直流斬波器原理圖如圖2所示。這種直流斬波器可以使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行,即電樞電壓Va和電流Ia既可以為正,也可以為負(fù)。
圖2 四象限型直流斬波器驅(qū)動(dòng)原理圖
該控制方案能夠使電機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行,電路和控制不復(fù)雜,電機(jī)停止時(shí)有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);低速時(shí),每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證功率開(kāi)關(guān)管的可靠導(dǎo)通。他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁回路中通過(guò)電流不大,勵(lì)磁回路不用經(jīng)常切換,只需讓其工作在一、三象限[7-8]。
2.3 他勵(lì)直流有刷電機(jī)控制器的總體方案
控制器最終方案中電樞回路采用兩象限型直流斬波器,勵(lì)磁回路采用四象限的直流斬波器。由于電動(dòng)車(chē)必須要能夠在多種路面和多種天氣(高溫、低溫)下使用,控制器必須具有一定的抗震性、防水性,抗電磁干擾能力等。為了適應(yīng)本控制器的惡劣使用環(huán)境,本控制系統(tǒng)中采用了純硬件設(shè)計(jì)。 他勵(lì)直流有刷電機(jī)控制器總體方案框圖如圖3所示[9]。
圖3 電機(jī)控制器總體方案原理框圖
為了提高控制器的穩(wěn)定性,添加了部分保護(hù)功能,如:過(guò)熱保護(hù)、勵(lì)磁檢測(cè)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、電池欠壓保護(hù)、防反接保護(hù)等。本設(shè)計(jì)方案采用了兩片TL494作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器,一片TL494專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制勵(lì)磁部分。
控制器勵(lì)磁部分的TL494構(gòu)成的小系統(tǒng),在電動(dòng)車(chē)上電后開(kāi)始工作,使電動(dòng)車(chē)在運(yùn)行期間勵(lì)磁信號(hào)不缺失,有效保護(hù)電機(jī)。在采集前進(jìn)和后退選擇按鈕信號(hào)后,選擇勵(lì)磁回路中勵(lì)磁電流的流向,控制電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行方向。控制器電樞控制部分采用另一片TL494控制,該系統(tǒng)采集油門(mén)踏板信號(hào),來(lái)改變TL494輸出PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)速。通過(guò)檢測(cè)勵(lì)磁回路中電流信號(hào),確認(rèn)勵(lì)磁電流正常后啟動(dòng)電樞回路。通過(guò)檢測(cè)電樞回路電路信號(hào),發(fā)現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)及時(shí)關(guān)閉TL494脈沖輸出,防止電流過(guò)大燒壞功率器件和電機(jī)[10]。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 TL494外圍電路設(shè)計(jì)
PWM調(diào)節(jié)由TL494CN芯片實(shí)現(xiàn),其電路原理圖如圖4所示,主要功率器件采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)和多個(gè)二極管并聯(lián)的方式。為實(shí)現(xiàn)直流有刷電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速,將TL494的13號(hào)引腳接地,使TL494工作在單端輸出方式,實(shí)現(xiàn)PWM占空比從0到96%連續(xù)可調(diào)。
圖4 TL494外圍電路圖
為了增大TL494的輸出驅(qū)動(dòng)電流,提高驅(qū)動(dòng)能力,并保護(hù)TL494的輸出端(9號(hào)和10號(hào)引腳),通過(guò)兩個(gè)高速二極管并聯(lián)輸出的方式,輸出最大500mA的電流,很大程度的提高了輸出的驅(qū)動(dòng)能力。并在輸出端單獨(dú)采用達(dá)林頓管推挽輸出,來(lái)驅(qū)動(dòng)電樞回路中多個(gè)并聯(lián)的MOSFET[4],多個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)需要注意均流和散熱。
3.2 過(guò)熱保護(hù)
過(guò)熱保護(hù)電路的核心元件主要是65°C常開(kāi)溫控開(kāi)關(guān)R40和高速運(yùn)放LM358,通過(guò)改變運(yùn)放反向輸入端電壓,使運(yùn)放輸出高低電平,來(lái)控制TL494的死區(qū)。過(guò)熱保護(hù)電路圖如圖5所示。
圖5 過(guò)熱保護(hù)電路
R40的一端接地,另一端介入R5和R6之間,整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)差分式的運(yùn)算放大電路。當(dāng)溫度超過(guò)65°C,溫控開(kāi)關(guān)閉合時(shí),運(yùn)放LM358輸出為高電平(大于3.3V),TL494的死區(qū)電壓大于3.3V時(shí),輸出的PWM波的占空比降為0,輸出為低電平,使開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通,切斷電機(jī)的供電。
而當(dāng)控制器正常工作時(shí),散熱器的溫度不會(huì)超過(guò)65°C,溫控開(kāi)關(guān)會(huì)一直處于斷開(kāi)狀態(tài),此時(shí)的TL494死區(qū)端電壓為120mV的偏置電壓,輸出的PWM占空比受到TL494運(yùn)放的輸出電壓控制。
3.3 電池欠壓保護(hù)
電動(dòng)車(chē)的供電由鉛酸蓄電池提供給,電池容量有限,電量不足時(shí)要及時(shí)充電,為了防止電動(dòng)車(chē)電池的過(guò)渡放電,保護(hù)電池,提高電池的使用壽命,應(yīng)該設(shè)置電池的欠壓保護(hù),電池欠壓保護(hù)電路圖如圖6所示。
當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),蓄電池輸出電流迅速增大,此時(shí)電池不能夠提供這么大的功率,會(huì)導(dǎo)致電池電壓的急劇下降。根據(jù)電池的特性,36V的鉛酸蓄電池,電池在正常工作時(shí),輸出電壓不會(huì)低于30V。設(shè)置電池的最低保護(hù)電壓為30V,這樣可以保護(hù)電池并防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)。 電池的欠壓保護(hù)采用LM393電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn),將36V的蓄電池電壓經(jīng)過(guò)分壓后與參考電壓比較,當(dāng)電池的電壓低于30V時(shí),LM393的反向輸入端電壓低于同相輸入端電壓,輸出為高電平,使TL494的死區(qū)電壓達(dá)到最大值,關(guān)斷TL494的脈沖輸出,使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖6 電池欠壓保護(hù)電路
4 總 結(jié)
通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和裝車(chē)試驗(yàn),證實(shí)本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動(dòng)車(chē)的實(shí)際需要。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁和電樞的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)他勵(lì)直流有刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和能量回饋。并在設(shè)計(jì)中預(yù)留了多路信號(hào)通信接口,將各關(guān)鍵狀態(tài)信號(hào)輸入車(chē)載ECU中,方便整車(chē)的協(xié)調(diào)和升級(jí)。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳清泉. 論電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化,1998,(2):2-6.
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3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 TL494外圍電路設(shè)計(jì)
PWM調(diào)節(jié)由TL494CN芯片實(shí)現(xiàn),其電路原理圖如圖4所示,主要功率器件采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)和多個(gè)二極管并聯(lián)的方式。為實(shí)現(xiàn)直流有刷電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速,將TL494的13號(hào)引腳接地,使TL494工作在單端輸出方式,實(shí)現(xiàn)PWM占空比從0到96%連續(xù)可調(diào)。
圖4 TL494外圍電路圖
為了增大TL494的輸出驅(qū)動(dòng)電流,提高驅(qū)動(dòng)能力,并保護(hù)TL494的輸出端(9號(hào)和10號(hào)引腳),通過(guò)兩個(gè)高速二極管并聯(lián)輸出的方式,輸出最大500mA的電流,很大程度的提高了輸出的驅(qū)動(dòng)能力。并在輸出端單獨(dú)采用達(dá)林頓管推挽輸出,來(lái)驅(qū)動(dòng)電樞回路中多個(gè)并聯(lián)的MOSFET[4],多個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)需要注意均流和散熱。
3.2 過(guò)熱保護(hù)
過(guò)熱保護(hù)電路的核心元件主要是65°C常開(kāi)溫控開(kāi)關(guān)R40和高速運(yùn)放LM358,通過(guò)改變運(yùn)放反向輸入端電壓,使運(yùn)放輸出高低電平,來(lái)控制TL494的死區(qū)。過(guò)熱保護(hù)電路圖如圖5所示。
圖5 過(guò)熱保護(hù)電路
R40的一端接地,另一端介入R5和R6之間,整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)差分式的運(yùn)算放大電路。當(dāng)溫度超過(guò)65°C,溫控開(kāi)關(guān)閉合時(shí),運(yùn)放LM358輸出為高電平(大于3.3V),TL494的死區(qū)電壓大于3.3V時(shí),輸出的PWM波的占空比降為0,輸出為低電平,使開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通,切斷電機(jī)的供電。
而當(dāng)控制器正常工作時(shí),散熱器的溫度不會(huì)超過(guò)65°C,溫控開(kāi)關(guān)會(huì)一直處于斷開(kāi)狀態(tài),此時(shí)的TL494死區(qū)端電壓為120mV的偏置電壓,輸出的PWM占空比受到TL494運(yùn)放的輸出電壓控制。
3.3 電池欠壓保護(hù)
電動(dòng)車(chē)的供電由鉛酸蓄電池提供給,電池容量有限,電量不足時(shí)要及時(shí)充電,為了防止電動(dòng)車(chē)電池的過(guò)渡放電,保護(hù)電池,提高電池的使用壽命,應(yīng)該設(shè)置電池的欠壓保護(hù),電池欠壓保護(hù)電路圖如圖6所示。
當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),蓄電池輸出電流迅速增大,此時(shí)電池不能夠提供這么大的功率,會(huì)導(dǎo)致電池電壓的急劇下降。根據(jù)電池的特性,36V的鉛酸蓄電池,電池在正常工作時(shí),輸出電壓不會(huì)低于30V。設(shè)置電池的最低保護(hù)電壓為30V,這樣可以保護(hù)電池并防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)。 電池的欠壓保護(hù)采用LM393電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn),將36V的蓄電池電壓經(jīng)過(guò)分壓后與參考電壓比較,當(dāng)電池的電壓低于30V時(shí),LM393的反向輸入端電壓低于同相輸入端電壓,輸出為高電平,使TL494的死區(qū)電壓達(dá)到最大值,關(guān)斷TL494的脈沖輸出,使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖6 電池欠壓保護(hù)電路
4 總 結(jié)
通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和裝車(chē)試驗(yàn),證實(shí)本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動(dòng)車(chē)的實(shí)際需要。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁和電樞的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)他勵(lì)直流有刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和能量回饋。并在設(shè)計(jì)中預(yù)留了多路信號(hào)通信接口,將各關(guān)鍵狀態(tài)信號(hào)輸入車(chē)載ECU中,方便整車(chē)的協(xié)調(diào)和升級(jí)。
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3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 TL494外圍電路設(shè)計(jì)
PWM調(diào)節(jié)由TL494CN芯片實(shí)現(xiàn),其電路原理圖如圖4所示,主要功率器件采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)和多個(gè)二極管并聯(lián)的方式。為實(shí)現(xiàn)直流有刷電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速,將TL494的13號(hào)引腳接地,使TL494工作在單端輸出方式,實(shí)現(xiàn)PWM占空比從0到96%連續(xù)可調(diào)。
圖4 TL494外圍電路圖
為了增大TL494的輸出驅(qū)動(dòng)電流,提高驅(qū)動(dòng)能力,并保護(hù)TL494的輸出端(9號(hào)和10號(hào)引腳),通過(guò)兩個(gè)高速二極管并聯(lián)輸出的方式,輸出最大500mA的電流,很大程度的提高了輸出的驅(qū)動(dòng)能力。并在輸出端單獨(dú)采用達(dá)林頓管推挽輸出,來(lái)驅(qū)動(dòng)電樞回路中多個(gè)并聯(lián)的MOSFET[4],多個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)需要注意均流和散熱。
3.2 過(guò)熱保護(hù)
過(guò)熱保護(hù)電路的核心元件主要是65°C常開(kāi)溫控開(kāi)關(guān)R40和高速運(yùn)放LM358,通過(guò)改變運(yùn)放反向輸入端電壓,使運(yùn)放輸出高低電平,來(lái)控制TL494的死區(qū)。過(guò)熱保護(hù)電路圖如圖5所示。
圖5 過(guò)熱保護(hù)電路
R40的一端接地,另一端介入R5和R6之間,整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)差分式的運(yùn)算放大電路。當(dāng)溫度超過(guò)65°C,溫控開(kāi)關(guān)閉合時(shí),運(yùn)放LM358輸出為高電平(大于3.3V),TL494的死區(qū)電壓大于3.3V時(shí),輸出的PWM波的占空比降為0,輸出為低電平,使開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通,切斷電機(jī)的供電。
而當(dāng)控制器正常工作時(shí),散熱器的溫度不會(huì)超過(guò)65°C,溫控開(kāi)關(guān)會(huì)一直處于斷開(kāi)狀態(tài),此時(shí)的TL494死區(qū)端電壓為120mV的偏置電壓,輸出的PWM占空比受到TL494運(yùn)放的輸出電壓控制。
3.3 電池欠壓保護(hù)
電動(dòng)車(chē)的供電由鉛酸蓄電池提供給,電池容量有限,電量不足時(shí)要及時(shí)充電,為了防止電動(dòng)車(chē)電池的過(guò)渡放電,保護(hù)電池,提高電池的使用壽命,應(yīng)該設(shè)置電池的欠壓保護(hù),電池欠壓保護(hù)電路圖如圖6所示。
當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),蓄電池輸出電流迅速增大,此時(shí)電池不能夠提供這么大的功率,會(huì)導(dǎo)致電池電壓的急劇下降。根據(jù)電池的特性,36V的鉛酸蓄電池,電池在正常工作時(shí),輸出電壓不會(huì)低于30V。設(shè)置電池的最低保護(hù)電壓為30V,這樣可以保護(hù)電池并防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)。 電池的欠壓保護(hù)采用LM393電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn),將36V的蓄電池電壓經(jīng)過(guò)分壓后與參考電壓比較,當(dāng)電池的電壓低于30V時(shí),LM393的反向輸入端電壓低于同相輸入端電壓,輸出為高電平,使TL494的死區(qū)電壓達(dá)到最大值,關(guān)斷TL494的脈沖輸出,使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖6 電池欠壓保護(hù)電路
4 總 結(jié)
通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和裝車(chē)試驗(yàn),證實(shí)本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動(dòng)車(chē)的實(shí)際需要。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁和電樞的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)他勵(lì)直流有刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和能量回饋。并在設(shè)計(jì)中預(yù)留了多路信號(hào)通信接口,將各關(guān)鍵狀態(tài)信號(hào)輸入車(chē)載ECU中,方便整車(chē)的協(xié)調(diào)和升級(jí)。
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