面對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的廢氣污染和能源枯竭，電動(dòng)汽車現(xiàn)在逐步走進(jìn)了人們的生活。世界各大汽車生產(chǎn)廠家，都在大力研發(fā)電動(dòng)汽車控制技術(shù)，并在最近的車展上紛紛推出了電動(dòng)汽車。電機(jī)控制器是電動(dòng)車控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，它的發(fā)展對(duì)電動(dòng)汽車的普及及推廣有著深遠(yuǎn)的影響。現(xiàn)在主流的電動(dòng)車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。為了提高控制器的穩(wěn)定性，添加了部分保護(hù)功能，如：過熱保護(hù)、勵(lì)磁檢測(cè)保護(hù)、過流保護(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。
1.電動(dòng)車電機(jī)控制器的原理
本文中電動(dòng)汽車采用他勵(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)。控制器選用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。
2.兩象限型直流斬波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)中流過的電流Ia可正可負(fù)，開關(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。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。
圖1 兩象限型直流斬波器電路原理圖
3.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)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證功率開關(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。
4.總體方案設(shè)計(jì)
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。
圖3 電動(dòng)控制器總體方案原理框圖
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專門用來控制勵(lì)磁部分。控制器勵(lì)磁部分由TL494構(gòu)成的小系統(tǒng)，在電動(dòng)車上電后開始工作，使電動(dòng)車在運(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)采集油門踏板信號(hào)，來改變TL494輸出PWM 波的占空比進(jìn)行調(diào)速。通過檢測(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，防止電流過大燒壞功率器件和電機(jī)。
4.1硬件設(shè)計(jì)
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)MOS-FET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，來驅(qū)動(dòng)電樞回路中多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET，多個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)需要注意均流和散熱。
4.2過熱保護(hù)
過熱保護(hù)電路的核心元件主要是65°C常開溫控開關(guān)R40和高速運(yùn)放LM358，通過改變運(yùn)放反向輸入端電壓，使運(yùn)放輸出高低電平，來控制TL494的死區(qū)。過熱保護(hù)電路圖如圖5所示。
圖5 過熱保護(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65°C，溫控開關(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65°C，溫控開關(guān)會(huì)一直處于斷開狀態(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。
4.3電池欠壓保護(hù)
電動(dòng)車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)車電池的過渡放電，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電壓比較器來實(shí)現(xiàn)，將36V 的蓄電池電壓經(jīng)過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
總結(jié)
本文總結(jié)了基于TL494的電動(dòng)車電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案，并通過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和裝車試驗(yàn)，證實(shí)本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動(dòng)車的實(shí)際需要。通過對(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)輸入車載 ECU中，方便整車的協(xié)調(diào)和升級(jí)。
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