具有同步续流的电动车用直流电机控制
器设计
摘 要:由于直流电机控制器是电动车中的核心部件, 又是故障率最高的部件, 其
损坏的主要原因是车辆持续重载运行时控制器功耗过大
,而控制器通常又都安装
在较密闭的空间里
,通风不良,散热条件差,若功耗大就会造成温度快速升高,容易
发生过热损坏。
针对当前直流电机控制器续流损耗大、效率低的问题
,提出了基于同步续流
的直流电机控制系统设计方案
,通过 Matlab 建立系统仿真模型,进行相关仿真研
究来验证方案的可行性
,大量的仿真研究结果证明了设计方案的正确性。
1 引言
作为电动车关键机电元件的电机
, 无论是在品种上, 还是在数量上都得到了
迅猛发展。特别是随着功率半导体器件和控制技术的发展
, 其电控技术也日趋完
善
, 晶体管控制使可靠性大大提高。当电机工作于启动、制动、堵转、过载等方式时,
短时间内电机和控制器中的电流都很大, 甚至数倍于额定电流, 持续时间越长,
对控制器构成的威胁就越大
, 功耗也随之上升, 再加上其工作环境密闭, 很容易发
生过热损坏。当前
, 降低功耗不仅成为节电的必由之路, 并且被赋予了环保的神圣
使命。因此直流电机控制器的设计者们都十分关心功耗问题
, 这也是目前电动车
市场进一步繁荣所必须关心的因素。
为了使控制器和电机的短时过载能力相匹配
, 目前的办法主要就是靠选用大
功率半导体器件或加大控制器散热面积来解决。这样并没有真正降低功耗
, 反而
增加了控制器成本和体积重量。所以在一些对电机控制器的体积和重量有严格要
求的场合
, 这种方法就无能为力了。
电机控制器本身是一种功率变换器件
, 自身需要消耗一定的电能, 而自身消
耗电功率越大
, 控制器的效率就越低。经试验发现, 控制器的功耗主要来自功率开
, 其*率开关管的功耗主要有开关功耗和导通功耗, 这两部分功
耗是可以通过选取开关速度快
, 通态电阻小的功率元件来得到控制。而续流二极
管产生的续流功耗则很难降低
, 即使选用导通压降很低的肖特基二极管, 导通压
降也至少在
0.6V 以上, 随着续流电流的上升其压降还会进一步增大, 那么在续流
二极管上产生的稳态续流功耗占了整个控制器功耗相当大的比例。
2 同步续流工作原理
同步续流技术是一种实现同步续流管的栅极、源极间的驱动信号与同步续流
管的漏极、源极之间开关同步的手段或方法。直流电动机控制系统多采用脉冲宽
度调制
(pulse width modulation PWM)斩波控制方式, 并采用 H 型可逆的 PWM 驱
动控制系统
,H 型可逆的 PWM 驱动控制系统按照控制方法的不同,还可以划分为
双极式
H 型可逆的 PWM 驱动控制系统,单极式 H 型可逆的 PWM 驱动控制系统,
以及受限单极式
H 型可逆的 PWM 驱动控制系统,以双极式 H 型可逆的 PWM 驱
动控制系统的同步续流来说
,就是采用 MOSFET 代替双极式 H 型可逆 PWM 驱
动控制系统中的续流二极管
,达到降低驱动控制系统的续流损耗, 以达到提高控
制系统整体工作效率的目的。
2.1 PWM 驱动控制系统