CN201122920Y - 四轮独立驱动电动车辆双电机控制器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于车用控制装置范围，尤其是以微处理器及电力电子器件为核心的一种四轮独立驱动电动车辆双电机控制器。以TMS320LF2407为数字核心，CAN通讯和串口通讯电路通过地址、数据和控制总线和TMS320LF2407处理器连接，TMS320LF2407数字核心通过接插件电路分别与双电机PWM信号转换与功率驱动电路、双电机电流检测及处理电路、双电机转子信息检测与处理电路相连接，***电源电路与上述各部分电路相连接。本实用新型能够应用一台双电机控制器根据整车控制器的指令实现对两个车轮上的两台无刷直流电机进行控制，从而降低了电动车辆控制器造价、尺寸和车辆总体布局难度。

Description

四轮独立驱动电动车辆双电机控制器
技术领域
本实用新型属于车用控制装置范围，尤其是以微处理器及电力电子器件为核心的一种四轮独立驱动电动车辆双电机控制器。
背景技术
为了解决日益严重的能源及环境问题，汽车正由传统的内燃机驱动，朝着以电动机为动力的电动车辆方向发展。而整车的性能直接决定于驱动电机及其控制器的性能。
电动车辆目前主要采用单台电机提供动力的方式，电机的体积、功率比较大，而且需要复杂的机械传动机构将电机的动力传递到车轮，造成车辆的总体布局难度大，也限制了车辆运动的灵活性。四轮独立驱动电动车辆技术正在研究当中，其技术思想是在每个车轮上布置一***立的电机，各个车轮均可以靠车轮上的电机独立控制。这样，车辆运动灵活性加大；即使部分电机出现故障，其余电机仍可保证车辆运行，提高了车辆的可靠性；由于每台电机的体积、功率大大降低，并且省却了单电机传动所必须的机械传动装置，使得整车零部件布局的灵活性大大提高。
四轮独立驱动电机必须满足低速大转矩的性能要求，因此，基于永磁转子结构的无刷直流电机更适合。无刷直流电机需要控制器的配合才能实现调速功能。通常，每台电机需要各配一个控制器，控制器数量多使得***成本增加；而且多个控制器在车辆上需要更多的安装空间，造成整车布局的困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种四轮独立驱动电动车辆双电机控制器；所要解决的技术问题是，通过数字核心电路配合由不同的输入输出调理电路、供电电源电路及电力电子器件驱动电路构成的***电路，可以根据整车控制器的指令，同时控制两台车用无刷直流电机，从而降低了控制器造价、尺寸和车辆的总体布局难度。
电动车辆用无刷直流电机控制器包含较多的传感器和执行器，同时需要实现复杂的电机控制算法并具备可靠的通讯功能，因此，其控制核心既要有丰富的I/O接口，又要有很强的运算能力。TI公司的处理器TMS320LF2407集成了16通道10位模数转换器ADC、CAN控制器、串行通讯接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、事件管理器(EV)等模块，特别适合于车用无刷直流电机的控制。尤其是其具备的两个事件管理器模块(EVA、EVB)，各集成了8路PWM输出及3路捕获单元(CAP)，使得应用一片TMS320LF2407处理器控制两台电机成为可能。
双电机控制器以TMS320LF2407为数字核心，其周边结合了电流传感器及其信号处理电路、电机转子信息检测电路、PWM信号处理及功率驱动电路和通讯电路。这样，一台双电机控制器可根据整车控制器的指令同时控制两个车轮上的两台电机，使整车所用电机控制器由四台减少为两台，从而降低了控制器造价、尺寸和车辆的总体布局难度。
本实用新型采用了如下技术方案：以TMS320LF2407为数字核心，CAN通讯和串口通讯电路通过地址、数据和控制总线和TMS320LF2407处理器连接，TMS320LF2407数字核心通过接插件电路分别与双电机PWM信号转换与功率驱动电路、双电机电流检测及处理电路、双电机转子信息检测与处理电路相连接，***电源电路与上述各部分电路相连接。
所述TMS320LF2407数字核心由TMS320LF2407芯片、晶振电路、JTAG调试接口、上拉电路、复位电路、存储器扩展电路和电源电路构成。所述存储器扩展电路各采用了一片AT49LV1024和IS61LV12816芯片对存储器进行了扩展。其中AT49LV1024芯片的地址线与数据线分别和TMS320LF2407芯片地址线和数据线相连接，其他控制引脚分别和TMS320LF2407的部分控制引脚相连接；IS61LV12816芯片的地址线与数据线分别和TMS320LF2407芯片地址线和数据线相连接，使能引脚、写信号引脚及其他控制引脚分别和TMS320LF2407芯片的部分控制引脚相连接。采用TPS7333芯片设计电源电路，包括输入电源经二极管、电容到TPS7333输入端的连接、TPS7333输出端经电阻、电容、电感到信号输出端的连接以及TPS7333数据输入端到限流电阻和发光二极管的连接。
所述的CAN通讯和串口通讯电路，采用了MAX3232实现了一路串口通讯电路，其中MAX3232芯片的收发端口分别连接到TMS320LF2407的SCI串口端口。
所述双电机PWM信号转换与功率驱动电路由两部分对称电路构成，每部分包括六个功率MOSFET、1个MOSFET驱动器(U20)和3个高速光耦；其中，3个高速光耦输入端分别连接TMS320LF2407处理器的PWM7～PWM12管脚，其输出端分别与MOSFET驱动器(U20)的相应引脚连接；MOSFET驱动器(U20)的输出信号分别经电阻与六个功率MOSFET的驱动端连接；六个功率MOSFET接成三相全桥逆变电路，其中，Q11与Q12、Q13与Q14、Q15与Q16的公共点U、V、W分别与电机三相绕组连接。
所述双电机电流检测及处理电路由两部分对称电路构成，每部分由串接于直流回路的霍尔电流传感器、运算放大器OP27、电阻、电容、稳压管及相应的连接构成，来自霍尔电流传感器U8的输出信号Id1经运算放大器OP27结合R20、R24～R26处理，经稳压管D5、D6后连接至TMS320LF2407处理器(U1)的ADCIN00管脚。
所述双电机转子信息检测与处理电路由光电耦合器、电阻构成；其中，光耦输入信号HA1～HA3与一台电机上的霍尔元件相连接，光耦输入信号HB1～HB3与另一台电机上的霍尔元件相连接；输出端分别经接插件电路与TMS320LF2407处理器(U1)的CAP1～CAP6管脚相连接。
本实用新型的有益效果，能够应用一台双电机控制器根据整车控制器的指令实现对两个车轮上的两台无刷直流电机进行控制，从而降低了电动车辆控制器造价、尺寸和车辆总体布局难度。
附图说明
图1是车用双电机控制器的结构框图
图2为TMS320LF2407数字核心电路
图3为CAN通讯和串口通讯电路
图4为接插件连接电路
图5是***电源电路
图6是双电机PWM信号转换与功率驱动电路
图7是双电机电流检测及处理电路
图8是双电机转子信息检测与处理电路
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
图1为车用双电机控制器的结构框图，包括七个部分，即TMS320LF2407数字核心电路、CAN通讯和串口通讯电路、接插件连接电路、***电源电路、双电机PWM信号转换与功率驱动电路、电流检测及处理电路、转子信息检测与处理电路。
通过CAN通讯和串口通讯电路可实现与整车控制器的通讯，CAN通讯和串口通讯电路，采用了MAX3232实现了一路串口通讯电路，其中MAX3232芯片的收发端口分别连接到TMS320LF2407的SCI串口端口。采用了6N137、TJA1050和NML0505实现了一路隔离的CAN收发电路，包括CAN的收发器TJA1050到6N137芯片的相应连接，以及从6N137到TMS320LF2407芯片CAN引脚的相应连接。
接插件连接电路使用2个34针双排标准接插件设计安排接插口，包括从接插件到TMS320LF2407芯片相关资源信号引脚的连接。
***电源电路由多个开关电源模块构成，包括XZR05/48D15、XZR05/48S05、TPS77633、XR10/48S15与相应输入端电源、电容及输出电容的连接。
控制器***电源电路靠48V直流供电。
图2所示为TMS320LF2407数字核心电路，包括TMS320LF2407芯片、晶振电路、JTAG调试接口、上拉电路、复位电路、存储器扩展电路和电源电路。晶振电路由晶振Y1及相关电容构成，C16、C17为20pF的电容，连接后接入U1的XTAL1、XTAL2，提供***运行的晶振。JTAG接口包括JTAG所标识的元件和相关电阻构成的电路连接。其中JTAG为14针接插口，按照图中的网络标号连接后，可以给***提供JTAG调试功能。复位电路包括R20、C25及相关网络标号所构成的连接。上拉电路包括TMS320LF2407芯片的相关信号，通过电阻上拉到高电平3.3V的电路连接。存储器扩展电路包括U2、U3及相关电阻。网络标号A0～A15的地址信号及网络标号D0～D15与U2、U3的各个相关引脚连接，其他控制引脚分别和TMS320LF2407的控制引脚相连接。该部分电路中U2的型号为IS61LV12816；U3型号AT49LV1024。采用TPS7333芯片设计电源电路，包括输入电源经二极管D1、电容C23到U4输入端的连接、U4输出端经电阻、电容、电感L2到信号输出端的连接以及U4数据输入端到限流电阻和发光二极管LED1的连接。U4型号是TPS7333。
图3所示为CAN通讯和串口通讯电路。其通讯模块SCI收发电路由MAX3232收发器U8、部分电容以及网络标号所标识的电路，提供串口驱动。网络标号SCIRXD、SCITXD连接到U1的相应引脚(如图2所示)。CAN通讯电路采用TMS320LF2407内部集成的CAN实现。将5V电平VCC接入DC-DC隔离芯片U5生成隔离的5V电源CANVCC和CANGND，为CAN通讯部分提供电源。CAN的收发部分由U9～U11按照图3所示连接构成。外部CAN信号线由网络标号CANH、CANL引入，经CAN收发器U11后与光隔器件U9、U10连接，相应的CAN信号CANRX、CANTX连接至TMS320LF2407的相应引脚。该部分主要芯片型号有：U11为CAN的收发器TJA1050，U9、U10为光电耦合器件6N137，U5为DC-DC隔离芯片NML0505。
图4所示是接插件电路，包括J1、J3以及相关网络标号构成的连接。J1、J3为标准34针双排接插件。TMS320LF2407用于双电机控制的资源均连接至有电源引脚的J1、J3，因此，TMS320LF2407数字核心电路板能够从母板直接获得电源。
图5是***电源电路，包括开关电源模U9～U13与相应电容。其中，U10～U13的输入电源为48V，U9输入电源为5V。U11的输出连接U14和U16(见图7)，U10输出连接电机上的霍尔元件，U9、U12、U13的输出分别连接到PWM信号转换与功率驱动电路(见图6)。该部分主要电源模块型号有：U9为TPS77633，U10、U13为XZR05/48S05，U11为XZR05/48D15，U12为XR10/48S15。
图6是双电机PWM信号转换与功率驱动电路，通过PWM信号转换与功率驱动电路的输出可以直接控制两台被控电机。该驱动电路由两部分对称电路构成。以其中一部分电路为例进行说明。包括六个功率MOSFET(Q11～Q16)、1个MOSFET驱动器(U20)、3个高速光耦(U17～U19)、电阻、电容及快恢复二极管(D7～D9)及相关网络标号的连接。U17～U19输入端分别连接U1的PWM7～PWM12，其输出分别与U20的相应引脚连接；U20的输出信号分别经电阻与Q11～Q16的驱动端连接。Q11～Q16接成如图所示的三相全桥逆变电路，其中，母线电源为直流48V，Q11与Q12、Q13与Q14、Q15与Q16的公共点U、V、W分别与电机三相绕组连接。该部分主要芯片型号有：Q11～Q16为MOSFETIRF540；U20为IR2136；U17～U19为HCPL2531。
图7是双电机电流检测及处理电路。由串接于直流回路的霍尔电流传感器U8、U15(见图6)、运算放大器U14、U16、电阻、电容、稳压管及相应的连接构成。该电路包括两部分结构相同的对称电路，两部分电路结构相同，分别对应于单台电机的电流检测与处理。以其中一部分电路为例进行说明。来自U8的输出信号Id1经U14结合R20、R24～R26处理，经稳压管D5、D6后连接至U1的ADCIN00管脚。从而实现对电机电流的检测。其中，U8、U15型号为LTS6-NP，U14、U16型号为OP27。
图8是双电机转子信息检测与处理电路，由3个光耦和相关电阻构成。其中，光耦输入信号HA1～HA3与一台电机上的霍尔元件相连接，光耦输入信号HB1～HB3与另一台电机上的霍尔元件相连接；输出端分别经接插件电路与U1的CAP1～CAP6管脚相连接。其中，两台电机上的霍尔元件输出信号HA1～HA3、HB1～HB3为TTL电平的开关信号，每路输出信号随电机转子位置不同而改变。这样，通过检测HA1～HA3、HB1～HB3的状态就可以得到电机的转子位置信息。

Claims (6)

1、四轮独立驱动电动车辆双电机控制器，其特征在于：包括有TMS320LF2407处理器、CAN通讯和串口通讯电路、双电机PWM信号转换与功率驱动电路、双电机电流检测及处理电路、双电机转子信息检测与处理电路；其中：
CAN通讯和串口通讯电路通过地址、数据和控制总线和TMS320LF2407处理器相连接，用于实现电机控制器与整车控制器的通讯；
双电机PWM信号转换与功率驱动电路与TMS320LF2407处理器相连，其中，12路PWM信号由TMS320LF2407输出给双电机PWM信号转换与功率驱动电路；
双电机电流检测及处理电路与TMS320LF2407处理器相连，该电路分别通过霍尔电流传感器检测两台电机直流母线电流信号并进行处理，处理后的信号传送给TMS320LF2407处理器的两路AD端口；
双电机转子信息检测及处理电路分别与电机定子上安装的霍尔元件及TMS320LF2407处理器相连接，霍尔元件输出的TTL电平信号经转子信息检测及处理电路后传送给TMS320LF2407处理器的CAP端口；
***电源电路与上述各部分电路相连接。
2、根据权利要求1所述的四轮独立驱动电动车辆双电机控制器，其特征在于：所述的TMS320LF2407处理器由TMS320LF2407芯片、晶振电路、JTAG调试接口、上拉电路、复位电路、存储器扩展电路和电源电路构成；
所述的存储器扩展电路采用了一片AT49LV1024和IS61LV12816芯片对存储器进行了扩展；其中AT49LV1024芯片的地址线与数据线分别和TMS320LF2407芯片地址线和数据线相连接，其他控制引脚分别和TMS320LF2407的部分控制引脚相连接；IS61LV12816芯片的地址线与数据线分别和TMS320LF2407芯片地址线和数据线相连接，使能引脚、写信号引脚及其他控制引脚分别和TMS320LF2407芯片的部分控制引脚相连接。
3、根据权利要求1所述的四轮独立驱动电动车辆双电机控制器，其特征在于：所述的CAN通讯和串口通讯电路，采用了MAX3232实现了一路串口通讯电路，其中MAX3232芯片的收发端口分别连接到TMS320LF2407的SCI串口端口。
4、根据权利要求1所述的四轮独立驱动电动车辆双电机控制器，其特征在于：所述双电机PWM信号转换与功率驱动电路由两部分对称电路构成，每部分包括六个功率MOSFET、1个MOSFET驱动器(U20)和3个高速光耦；其中，3个高速光耦输入端分别连接TMS320LF2407处理器的PWM7～PWM12管脚，其输出端分别与MOSFET驱动器(U20)的相应引脚连接；MOSFET驱动器(U20)的输出信号分别经电阻与六个功率MOSFET的驱动端连接；六个功率MOSFET接成三相全桥逆变电路，其中，Q11与Q12、Q13与Q14、Q15与Q16的公共点U、V、W分别与电机三相绕组连接。
5、根据权利要求1所述的四轮独立驱动电动车辆双电机控制器，其特征在于：所述双电机电流检测及处理电路由两部分对称电路构成，每部分由串接于直流回路的霍尔电流传感器、运算放大器OP27、电阻、电容、稳压管及相应的连接构成，来自霍尔电流传感器U8的输出信号Id1经运算放大器OP27结合R20、R24～R26处理，经稳压管D5、D6后连接至TMS320LF2407处理器(U1)的ADCIN00管脚。
6、根据权利要求1所述的四轮独立驱动电动车辆双电机控制器，其特征在于：所述双电机转子信息检测与处理电路由光电耦合器、电阻构成；其中，光耦输入信号HA1～HA3与一台电机上的霍尔元件相连接，光耦输入信号HB1～HB3与另一台电机上的霍尔元件相连接；输出端分别经接插件电路与TMS320LF2407处理器(U1)的CAP1～CAP6管脚相连接。
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