CN101159422A - 具有近似恒功率牵引电机特性的永磁直流电机驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种具有近似恒功率牵引电机特性的永磁直流电机特别是无刷电机的新型驱动控制系统：采用全电子驱动控制与DC－DC变换器新技术，无需改进电机结构—不使结构复杂化与制造成本增高，也无需弱磁控制，即可在低功耗下实现大驱动转矩—高牵引力、强爬坡能力与有更好的加速性能；在轻载下又可获得超过基速的高速、宽调速与无级变速性能；还可减少电池组的总电压以及单体串联总数，可充分利用滑行及制动时的能量回馈并实现可控电制动。新系统能显著提高电动车辆的行驶动力性能、安全性与可靠性，大幅度减少运行成本，具有各种以充电电池或/与超级电容为能源的电动车辆类电力驱动装置所期望的理想驱动特性，并显著扩展了传统的电驱动系统的工作范围与能力。

Description

具有近似恒功率牵引电机特性的永磁直流电机驱动控制系统

技术领域

本发明是关于一种具有近似恒功率牵引电机特性的宽调速、大驱动转矩、低功耗的永磁直流电机驱动控制系统。本系统中使用的电机无需弱磁控制，但其工作转速能高于额定电压下的基速。本系统的驱动特性类似于它激电动机牵引电机，相当于传统的电机一机械变速系统的电子式现代仿真版，属电机驱动控制领域。适用于本发明的永磁直流电机也包括将永磁直流电机与机械减速器直接连接并紧密组合为一体的、不用机械方式变速的机电一体化集成组件，其中的减速器为固定减速比、单级减速且具有高机械效率的类型。

背景技术

具有恒功率、类似于牵引电机驱动特性的永磁直流电机驱动控制系统是各种以充电电池或/与超级电容为能源的车辆类电力驱动装置所期望的理想驱动特性。

例如，电动车辆通常均以有限能量的充电电池供电，而车辆在启动、加速、强逆风或爬坡时又均需驱动系统输出高转矩才能获得良好的行驶性能，故驱动电机必须能提供足够大的恒转矩；在高速运行时则期望驱动装置以恒功率方式运行，以减小功耗。

它激电机在低转速下可输出大转矩，轻载的小转矩下可输出高转速，驱动系统的输出功率可恒定，因而功耗低。此外，它运行稳定，可平滑控制电制动转矩，因此是以往用作牵引电机的首选。串激电机虽然也有恒功率特性，可用作牵引电机，但存在车轮打滑时转速飞升以及电制动时发电特性不稳定等缺点。这两种电机由于均需励磁绕组，故功耗大、效率低，功率密度小，已成为现代牵引电机驱动系统更新换代的主要目标。

永磁直流电机特别是稀土永磁直流无刷电机(包括永磁同步电机)由于具有高效率、高功率密度、高比功率、全电子换相、无电刷磨损、无电火花干扰、维修服务量小、可靠性高，因而已成为电动车辆、船舶、航空航天执行器、工业电力拖动、家用电器等领域的首选驱动方案之一，已被广泛应用。

然而，永磁直流电机具有的固定的励磁磁场强度(即恒磁通)却是实现具有理想恒功率的驱动特性的最大障碍。因恒定磁场的永磁直流电机通常只具有类似直流并激电动机的硬驱动特性-转速随负载转矩增加下降较小，转速只能向基速以下调整。因此，对于固定电源电压下工作的永磁直流电机，不能获得基速以上的高转速。

目前，一般的电动车辆均只能在固定的额定工作电压下工作：充电电池组的额定电压通常为固定值，不能调整。因此，电动车辆在在启动、加速或爬坡等路况条件-即重载或大转矩下，由于转矩与工作电流成正比，电池必须输出大电流时驱动电机才能产生高转矩，从而导致工作于此类路况时的电池功率消耗最大，通常电流或转矩必须达到额定值的2-4倍或更大才能获得良好的工作性能。由于具体使用的电机及控制器的最大使用功率均有限制，同时为电机-控制器供电的电池也有最大放电电流的限制，因而驱动控制系统的最大工作转矩有限。在轻载下，永磁直流电机的最高转速通常只能小于固定的额定工作电压下的空载转速-即基速，因而实际可使用的最大转速也有限：不可能高于基速。为获得较高的车速，提高行车效率，则必须选择高空载转速的电机或选择更高额定工作电压的充电电池组。但电机的输出功率为转矩与转速的乘积，为同时获得高转速与大转矩，势必只能选择大功率电机，相应地还须选择大容量及高额定工作电压的电池。这样做很不经济，既增大了驱动系统与电池的体积、重量，又显著增加了系统造价。

当电动车辆频繁在上述重载路况下操作时，使用目前的永磁电机及驱动技术由于工作特性不适宜车辆类驱动使用，功率消耗过大，车载容量有限的充电电池的一次充电续驶里程必然大大减少；与此相关，频繁的再充电也将使电池的寿命大大减小。设计者面对获得所期望的驱动性能与降低造价、节能之间产生的重大矛盾时通常难于圆满解决。

因而，在此系统用于各种电动车辆的情况下，目前的永磁直流电机常选择与各种机械变速器配合以增大转矩使之更灵活地适应不同路况的驾驶需求。但配用各种机械变速器势必加大电机驱动系统的制造成本，机械转速器的加入也必将引起驱动系统总效率的降低、噪声增大、可靠性下降与维护服务工作量的增大。通常，直流电机选择高速类型常可获得较高的效率、高的比功率，但所需转速很低时则必须选择大减速比-即多级减速器，因而降低了此类系统的优点。完美地协调这两者的矛盾通常也非易事。当减速器设计、制造或装配不良时，常导致驱动控制系统性能的严重劣化。

另一方面，使用具有高功率密度、高比能量、长寿命的新能源是实现现有各种高污染、高能耗、低效率的燃油动力装置的电动化的最大技术关键。而在新能源中，锂离子电池是目前最接近实用化的一种高性能可充电电池。这种电池目前已大量生产，并已广泛用于手机、笔记本电脑等小型移动的通讯设备与办公、娱乐设备中。与此不同，电动车辆中使用的电池应为高功率、高工作电压的动力型锂离子电池组。由于锂金属的活泼性，动力型锂离子电池的充放电过程要求严格的防止过充电、过放电及短路故障，否则有起火、燃烧、爆炸及危及人身安全的危险。此外，高工作电压的动力型锂离子电池组通常只能由多只低电压的单元锂离子电池经串、并联连接而成。为保证锂离子电池组的安全性，电池组内部必须对每节单体电池设置保护电路，防止其短路、断路、过充电与过放电并保证其中的每节都能均衡地充放电。单体锂离子电池的电压通常很低，只有3.2V-3.6V左右，小型电动车的电池组电压通常都选择在24V以上，电动汽车则需选择高达几百伏以上以便避免因高驱动功率引起的过大电流，相应地避免导线截面过大导致铜材用量以及线路欧姆损失-铜耗(损)的增加。这就要求单元电池及其保护电路至少需串联8-10节，甚至高达上百节之多。这样的多节的保护电路不但使电池组制造成本大大增加，而且带来了可靠性的严重问题：节数越多，保护电路的元器件越多，可靠性越差。其中任何一节保护电路发生故障都可能使电池组不能正常工作，严重的还可能危及到电池组及使用者的人身安全。这也对保护电路的功能提出了很高的要求：故障发生时必须将故障级自动由串接的电池单元序列中隔离、跨接或分离。这一问题现已形成动力型锂离子电池组-这种最有前途的新能源之一在电动车领域内广泛应用的重大障碍。

作为最有前途的电动车辆的可充能源或辅助储能装置之一的电化学超级电容与充电电池相比具有极快的充电速度，瞬间大功率放电的能力，以及长达10万次以上的循环充放电寿命。但在应用方面则有与锂离子电池同样的问题，即单元电容器的工作电压也低，仅1-4.5V，高压也需多单元串联。为保证使用安全，同样也需配备完善的防止过充、过放及均衡充放电的高可靠保护电路。此外，与可充电电池不同之处在于：其充放电电压随充放电过程线性增加或降低-即对负载供电的电压幅度变化很大，在工作范围内的电压变化可达到50％。

上述锂离子电池与超级电容对保护电路的严格要求大大增加了保护电路的复杂性、显著增加了制造成本，大量单元保护电路的串接也极大地降低了保护装置的可靠性。

为使永磁直流电机特别是稀土永磁直流无刷电机也具有恒功率的理想驱动特性，科学与工程界为此已作了大量努力，这也已成为电机与驱动控制领域研究中的重要课题与难题。现有技术是从以下方面来试图解决这一难题，但遗憾的是由于已提出的方案由于存在种种缺点或不足，大多尚不具备理想的驱动特性，因而尚未被广泛采用或未能实用化：

现有技术中，一类是试图改进现有恒定磁场的永磁直流电机的结构：例如增添辅助励磁绕组的混合励磁式电机，其缺点是电机结构复杂化、电励磁也使功耗加大、效率减低且使制造成本显著增高，其恒功率范围也很有限；还有的将电机设计为多相电机，例如专利WO9941829：其每个绕组线圈彼此不相连接。多相方案使电机结构与控制电路均更加复杂化，大功率电力电子开关元件数量显著增多，只能导致系统制造成本显著增高、故障率加大、可靠性降低。

另一类改进是从驱动控制技术入手，例如采用弱磁化技术：其中之一的方法是利用电枢反应减弱磁通，其缺点是：因稀土永磁材料有强大的矫顽力，恒功率效果并不明显；另一种方法-也是目前应用得较多方法，例如专利WO9601521是控制电流换相的提前角-即控制绕组的电流相对于转子磁通矢量的相位关系，其缺点是能实现的恒功率范围也很有限，且受恒定电源电压下电机最大转速(通常是空载转速)与允许的最大电流的限制较大。这类技术还由于受电机绕组电感量大小的限制，其控制效果往往不佳。

还有的方案系采用由控制转速与电流乘积保持恒定的方法，这种方法虽然从理论上讲可获得理想的恒功率驱动特性，但由于永磁无刷电机的控制耦合性极强，很难建立线型数学模型和状态方程，只能采用某些软件技术-例如模糊控制来实现。此方案的缺点还在于：必须保证控制的稳定性、实现参数自整定、提高控制过程的鲁棒性才能实现；另外，此方案受电池、电机的性能参数限制也较大。

虽然现有技术中的其它一些设计方案已如本发明在永磁直流电机调速控制系统的的前端也增加了DC-DC变换器，例如Boost、Buck、Cuk等拓扑结构的升压、降压或升降压电路，但均只单纯为提升使用低压充电电池的电压、改善电机的平滑调速、减少损耗和以及抑制或消除无刷直流电机转矩脉动等用途，但并未研究新的控制方法去解决永磁直流电机的恒功率难题。

发明内容

本发明的主要目的是：更彻底地解决目前仍困扰各种以充电电池为能源的各种电力驱动装置-特别是电动车辆目前仍受电池、电机的参数限制并大幅度地改进其运行性能，大大增加高效率、高功率密度的永磁直流电机驱动控制系统的设计、应用自由度，进一步推动电动车辆在节能环保时代的广泛普及与推广，加速使之成为新时代的主要交通工具。

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种获得近似恒功率特性的新型控制系统拓扑结构和相应的控制策略：可不改变现有电机的结构-不使电机结构复杂化与制造成本增高，并减少方案受电池与电机性能参数的限制，可减少可充电电池组、超级电容组的总电压-及单体电池、超级电容串联的总数目；在总成本不显著增大的前提下，仍主要采用全电子驱动控制技术这种具有高生产效率又易于大批量生产的先进方式，提高电动车辆的行驶动力性能、安全性与可靠性，并大幅度减少电动车辆的功耗与运行成本，延长一次充电续行里程，减少可充电电池的充电频率、延长其使用寿命。

本发明的技术特征与解决方案是：按本发明构成的直流永磁电机驱动控制系统主要由直流永磁电机、驱动控制器及可控升降压(或单降压、单升压)、可控单向DC-DC变换器或输入输出能量可双向流动的双向DC-DC变换器(BDC)三部分构成。其特征是：可控DC-DC变换器的输出电压由电机转速控制，其输出电压与转速成正比或成特定的函数关系。单、双向可控DC-DC变换器为升降压时采用Buck-Boost Flyback、Cuk或Sepic、桥式(半桥、全桥、单桥、双桥)、推挽、正反激(Forward-Flyback)、级联式等开关拓扑模式以及脉冲相移(PPS)加PWM控制BDC等开关拓扑结构模式，仅为降压时可采用简单的Buck拓扑结构模式，仅升压时采用简单的Boost拓扑模式；对各种拓扑模式均优先采用高频化与软开关(ZVS/ZCS)技术，以及其他可降低主功率开关的应力的安全保护技术(例如有源箝位技术、过流与超温保护技术)与降低开关损耗的同步整流技术等；在需要输入地与输出地之间安全隔离的情况下，可采用隔离技术(能量传输通过高频变压器等)的各种拓扑模式；以充电电池及超级电容为能源时，驱动控制系统应优先采用可双向工作的DC-DC变换器的各种拓扑模式以充分利用电制动时的回馈能量。

本发明的特征还在于：控制DC-DC变换器输出电压的转速信号由与电机同轴连接各种转速传感器提供。当电机为永磁直流无刷电机时，转速信号也可由驱动控制器的位置检测信号取出后再经变换获得。设计的DC-DC可控变换器的输出电压范围是依据：当电机工作于低转速区，按电机允许的最大工作电流与最低工作效率值确定；当电机工作于高转速区，依电机允许的最高工作电压与最高转速确定。

本发明的特征还在于：直流永磁电机可为有刷电机，也可为无刷电机或同步电机，但优先为方波无刷电机，并应能在宽额定电压范围内工作并有较高的效率。直流永磁电机还可与机械减速器组合：使用电机与单级机械减速器集成的紧凑型机电一体化装置，其中的机械减速器有较小的、固定的减速比，但无复杂的机械变速装置。

本发明的特征也在于：电机驱动控制器可依常规由脉宽调制(PWM)专用控制芯片为主的方式构成，也可由单片机(单片微控制器)或DSP以软件编程控制为主的方式构成；可以使用模拟控制技术，也可使用数字控制技术。驱动控制器的控制模式可为转速单开环，转速单闭环，转速、电流双闭环，转速、电流、电流微分值三闭环。在高、中转速范围PWM为全通方式，即占空比为1，并按转速给定值由控制DC-DC可控变换器的输出电压升降实现平滑调速；在低转速范围则可由逐渐减少占空比实现平滑调速。

本发明的技术原理是：直流永磁电机驱动控制系统中的电机通常当在额定电压下工作时，其转速一转矩特性为一条下斜直线。在不同工作电压下电机的转速-转矩特性曲线、电流-转矩曲线、效率曲线、输出功率曲线均可构成特性曲线族。依据本发明，为实现直流永磁电机驱动控制系统具有恒功率特性的机理是：

为使输出功率恒定，即P₀＝constant，

因：P₀＝K₀nT

式中n-转速，T-转矩，K₀-单位换算系数，

应使T＝P₀/K₀n＝K_C/n

这里K_C＝P₀/K₀，

又：T＝K_tI

式中I-电流，K_t-转矩常数，

故有：I＝K_c/K_tn，或In＝K_c/K_t

而K_C/K_t＝constant

由此可见，为使直流永磁电机驱动控制系统获得较精确的恒功率特性，应使电流I与转速n成反比，或使两者乘积为常数。

对本发明，考虑到电机效率η在电机运行范围内通常变化不太大，作为一阶近似，可令η＝constant。

由于：电压U＝P_i/I＝ηP₀/I

式中U-电压，P_i-输入功率，

或：I＝P_i/U＝ηP₀/U

故有：U＝ηP₀/I＝ηP₀K_tn/K_C＝Cn

这里：C＝ηP₀K_t/K_C＝constant

由此可见，本发明的实质在于：依照转速高低，成正比地控制施加于驱动控制器的工作电压，无须使用复杂的控制逻辑即可获得较理想的近似恒功率特性。在一般情况下，对于驱动控制系统并不要求、也无必要获得十分精确的恒功率特性，而依据本发明所得到的恒功率特性已完全可以满足大多数应用的要求。如若确需更精确些的恒功率特性，根据上式，就需要考虑电机效率的影响，并选择使输出电压与转速成特定的函数关系。通常，这可用单片机、DSP等在软件编程时对DC-DC变换器的控制电压加以修正即可实现。

附图说明：

图1示出了按本发明以模拟控制方式构成的具有近似恒功率牵引电机特性的直流永磁无刷电机驱动控制系统的一般构成原理方框图之一例。

图2为图1中的双向升降压可控DC-DC变换器由双向Bust等各种拓扑结构模式构成的电原理部分图例。

图3为直流永磁无刷电动机在宽工作电压范围内的性能曲线族一例。

图4为所要求的可控升降压DC-DC变换器的输出电压与电机转速函数关系曲线的一例。

图5为按本发明构成的直流永磁无刷电机驱动控制系统可获得的具有近似恒功率牵引电机特性的运行性能曲线一例。

具体实施方式

由于构成本发明的各个部分式部件均已有成熟的技术，特别是永磁直流有刷或无刷电机及其驱动控制技术、DC-DC变换器技术，因而本发明的实施没有根本的困难。

图1所示为具有近似恒功率牵引电机特性的直流永磁无刷电机驱动控制系统。

图1中：1为可充电电池或超级电容组E/C，2为双向升降压可控DC-DC变换器，3为电机PWM驱动控制器，4为永磁直流无刷电机(BLDCM)，5为转速传感器，6为转速传感器输出信号Un变换为双向升降压可控DC-DC变换器输出电压的控制信号U’n的Un-U’n函数变换器，7为PWM脉冲发生及驱动控制器。

DC-DC变换器2的输入端经开关接可充电电池或超级电容组1，输出连接电机PWM驱动控制器3，为其提供功率部分(图中的3相功率逆变桥)的供电；驱动控制器3的输出连接永磁直流无刷电机(BLDCM)4。转速传感器5的输出信号经函数变换器6变换成与转速成比例的控制电压U’n，U’n再与DC-DC变换器2的输出电压U的电压取样值U’进行比较，比较后经电压PI调节器调控后作为PWM驱动控制器7的主控信号。PWM驱动控制器7也受输入电压、电流的欠压与过流保护信号的控制，用以保护可充电电池1。PWM驱动控制器7的输出作为双向升降压可控DC-DC变换器2的主控信号，通过占空比6控制其输出电压U与电机4的转速n成正比，使电机获得近似恒功率牵引电机的特性；而在系统制动时通过占空比6控制使双向升降压可控DC-DC变换器2反向工作：将其在断电后的滑行发电状态的车体质量惯性运动能量转化的电能可控地回充给可充电电池或超级电容组1，而不致使其发生损坏，并获得节能、增加一次充电续行里程、增加可充电电池的效果。通过附加的控制器位置信号(图1中未示出)还可使其作为柔性的电制动控制，以便可按驾驶者的意愿与路况控制刹车(电制动)或滑行距离。

对电机4的转速的调整与控制，按图1是由转速、电流双闭环的控制模式进行。转速给定信号与转速传感器5的输出电压Un经比较后，送转速PI调节器调控，其输出信号再与输出电流传感器的输出电流信号比较，比较后经电流PI调节器调控后作为电机PWM驱动控制器3的主控制信号，使电机4的转速与给定的要求相一致。电机PWM驱动控制器3也接受制动控制与输出过流保护信号，以便对电机4执行制动控制或保护。

转速信号也可由电机4的位置传感器信号经转速信号提取电路获得，在图1中已用虚线表示，这样可不必使用专用的转速传感器5。

上述系统仅是模拟控制的一例，上述系统完全可被改造成由单片机或数字处理器DSP控制的智能驱动控制系统。目前，这已成为常规技术，故不再特别加以说明。

图2所示的为图1中双向升降压可控DC-DC变换器2中可使用的一些电路拓扑结构模式，这些电路的共同特点是结构简单的非隔离式，仅使用单电感，元件数量少，成本低，且均可双向工作。其中，图a为双向Buck拓扑结构；图b为双向Buck-Boost拓扑结构；图c为级联型或H桥型Buck-Boost拓扑结构；图d为双向Boost型拓扑结构。类似可使用的可升降压、可双向工作的DC-DC变换器拓扑结构还有许多，就不再一一列举。

图3为有代表性的直流永磁无刷电动机在宽工作电压范围内的性能曲线族示意图，图中所示参变量U为工作电压(V)，各曲线依工作电压高低依次排列。

图5所示为按本发明构成的直流永磁无刷电机驱动控制系统，按图4要求的DC-DC变换器的输出电压与电机转速函数关系曲线进行控制可获得的具有近似恒功率牵引电机特性的性能曲线实例结果。

实施发明的效果

按本发明的方法可以突破由于可充电电池工作电压固定而带来对永磁直流电机驱动控制系统的一系列限制并能克服其性能上因电机磁场恒定存在的严重缺陷，使用永磁电机即可构成具有近似恒功率牵引电机特性的直流驱动控制系统。因此，按本发明构成的电机驱动控制系统通常可无需再采用电机配合机械变速器改变转矩的传统方式。使用本发明的高效率、易于大批量生产、成本较低又先进的全电子控制方式，即可实现电机-机械变速器传动系统的仿真与模拟，并可使电机-驱动控制系统获得优良的工作特性：可使系统在低功耗下实现大转矩、高牵引力、大爬坡能力，在轻载下又可获得超过基速的高速性能以及优良的无级变速性能。

按本发明，传统电机驱动系统在选择可升降压的双向DC-DC变换器拓扑工作模式时有更高的转速-即更宽的可调速范围，将使电动车辆具有更好的加速性能与高速的行驶能力，可充分利用滑行及制动时的能量回馈并实现电制动并大大扩展了传统的电驱动系统的工作范围与能力。

同样，对于最高转速有较严格规定的使用场合，例如电动自行车，则可使用仅降压的双向DC-DC拓扑变换器工作模式或仅升压但限制最高输出电压的双向DC-DC拓扑变换器工作模式，同时仍保留了本发明的新型电机驱动控制系统的其他优点。

本发明不仅可直接与电机组合为最小系统，也可用于带机械减速器的电机驱动系统-即使用电机与单级机械减速器集成的紧凑型机电一体化组合装置，其中的机械减速器有适宜的固定减速比，但无复杂的机械变速装置，即可进一步扩大本发明的应用范围，从而还可能获得比单纯使用永磁直流电机的驱动控制系统获得更宽范围良好的工作性能。

本发明的其他改进是在特定情况下结合改变控制电流换相提前角也可获得更优良的工作特性，但其提前角范围不超过30度电角度。

本发明还可结合目前已成功应用的其他控制新技术以形成更经济、功能更好的动力驱动系统，例如：自适应控制、转矩直接控制等。又例如：结合最优化设计可以充分发挥永磁直流电机高速时高效率、高功率密度的优点。

与实现恒功率特性的其他现有技术相比，本发明的先进性是显而易见的。它使用了具有高效率、技术成熟的先进开关电源技术，就无须完全依赖于机械减速器的精密制造技术，也无需完全依赖于设计结构复杂而成本高的电机，还避免了某些软件控制方式的不稳定性。

本发明改变了目前电动车辆普遍使用的依电池电压确定的定电压限流工作模式在重载下一味加大工作电流与转矩带来的大功耗的弊病，使电机-驱动器自动工作于最佳工况下并获得理想的低耗电、恒功率特性，使普通永磁直流电机可获得更适宜于车辆的牵引电机特性。

实施本发明，由于可使永磁直流电机在低输入功率(输入电流)下获得大转矩，而输入电流并不增加，将大大延长了充电电池的使用寿命与一次充电续行里程，并使电池充电次数减少。

按本发明所涉及的电机驱动控制方案在同样驱动转矩(在电动车辆上相应于加速与爬坡或驱动能力)下较普通无减速器电机功耗减少25％以上；或在同样功耗下，使电机-驱动控制系统的爬坡能力大为提高，加速时间更短，即加速性能更好，或可使轻载下的最高转速(电动车的最高转速)提高20％以上。

由于具有以上特点，本发明特别适宜各种电动车辆的控制，无论是小型电动自行车，还是电动摩托车与电动汽车以及其他由电池供电的电力驱动装置。此外，本发明同样适用于各种需恒功率特性的直流永磁电机控制领域，例如工业驱动控制方面，可使驱动控制系统有更宽的调整范围，更好的驱动特性，又有低的功耗，综合工作性能将更好。

本发明可广泛用于各种直流永磁电动机的驱动控制系统，鉴于直流永磁电机特别是无刷电机已应用于国民经济各领域，因而可望有广阔的应用市场前景与经济效益。

本发明不仅适用于各种以电池为动力的电动车辆与机车，也适用于与电动舰船(例如潜艇)、航空航天执行器以及工业电力拖动、家用电器等许多领域的驱动、拖动、推进、牵引与控制，用途极为广泛。

由于能源危机以及环境污染的不断加剧，世界范围对绿色能源特别是绿色交通工具-电动车辆的需求与日俱增。由于本发明突破了对锂离子电池与超级电容电压的限制，因此可使用少串联节数的锂离子动力电池或超级电容单元组成的低压电池、电容组作为各类电动车的主能源或辅助能源，从而大大降低了其保护电路的设计制造技术难度，并大大增加了锂离子动力电池与超级电容组工作的安全性与可靠性。本发明的广泛应用将加速这类高比能量或高比功率的绿色能源的迅速推广与新型电动车的进一步普及，从而对促进世界电动车产业的发展也将有重要作用，其社会效益也不可低估。

Claims (5)

1.一种具有近似恒功率牵引电机特性的永磁直流电机驱动控制系统：其特征是；驱动控制器的功率供电端连接的可控DC-DC变换器的输出电压由电机转速控制，其输出电压与转速成正比或成特定的函数关系；单、双向可控DC-DC变换器为升降压时采用Buck-Boost、Flyback、Cuk或Sepic、桥式(半桥、全桥、单桥、双桥)、推挽、正反激(Forward-Flyback)、级联式等开关拓扑模式以及脉冲相移(PPS)加PWM控制BDC等开关拓扑结构模式，仅为降压时采用简单的Buck拓扑结构模式，仅升压时采用简单的Boost拓扑模式；各种拓扑模式均优先采用高频化与软开关(ZVS/ZCS)技术，以及其他可降低主功率开关的应力的安全保护技术(例如有源箝位技术、过流与超温保护技术)与降低开关损耗的同步整流技术等；在需要输入地与输出地之间安全隔离的情况下，可采用隔离技术(能量传输通过高频变压器等)的各种拓扑模式：Flyback、Cuk或Sepic、桥式(半桥、全桥、单桥、双桥)、推挽、正反激(Forward-Flyback)、级联式等开关拓扑模式；以充电电池及超级电容为能源时，驱动控制系统采用可双向工作的DC-DC变换器的各种拓扑模式。

2.根据权利要求一所述的电机驱动控制器可依常规由脉宽调制(PWM)专用控制芯片为主的方式构成，也可由单片机(单片微控制器)或DSP以软件编程控制为主的方式构成；可以使用模拟控制技术，也可使用数字控制技术。驱动控制器的控制模式可为转速单开环，转速单闭环，转速、电流双闭环，转速、电流、电流微分值三闭环。在高、中转速范围PWM为全通方式，即占空比为1，并按转速给定值由控制DC-DC可控变换器的输出电压升降实现平滑调速；在低转速范围则可由逐渐减少占空比实现平滑调速。

3.根据权利要求一所述的直流永磁电机可为有刷电机，也可为无刷电机或同步电机，但优先为方波无刷电机，并应能在宽额定电压范围内工作并有较高的效率。直流永磁电机还可与机械减速器组合：使用电机与单级机械减速器集成的紧凑型机电一体化装置，其中的机械减速器有较小的、固定的减速比，但无复杂的机械变速装置。

4.根据权利要求一所述的控制DC-DC变换器输出电压的电机转速信号可由与电机同轴连接的各种转速传感器信号直接或再经变换后取得；电机的转速信号还可由无刷控制器的换相信号取出再经变换取得。

5.根据权利要求一所述的的DC-DC可控变换器的输出电压范围是依据：当电机工作于低转速区，按电机允许的最大工作电流与最低工作效率值确定；当电机工作于高转速区，依电机允许的最高工作电压与最高转速确定。

Images