專利名稱：基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動機換擋控制執(zhí)行電路，特別是一種可用于電動車輛的星 形連接多檔電動機繞組或串勵電動機勵磁線圈繞組的基于磁保持繼電器的四 檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路。
背景技術：
電動車進入大眾的生活后，成為一種節(jié)能環(huán)保便捷的代步交通工具。但 由于直流電動機本身的機械特性，轉(zhuǎn)速隨著速度的上升而降低。這樣使得電 動車如果設計較高的轉(zhuǎn)速，則會降低最大輸出轉(zhuǎn)矩。如果保證最大轉(zhuǎn)矩的輸 出，則會降低最高輸出的轉(zhuǎn)速。這樣的電動車就會出現(xiàn)保證平坦路面高速運 轉(zhuǎn)就不能保證爬坡的最大轉(zhuǎn)矩輸出。
在目前車載自動切換開關均是電磁式繼電器，通過給繼電器線圈通電產(chǎn) 生電磁力來吸合動作觸點。這種方式缺點在于多相線時不能保證觸點的閉合 壓力和一致性。且閉合的保持力始終由通電線圈供給，而磁保持繼電器的保 持力由永磁體的閉合回路行成，只在閉合和斷開瞬間通電。
另外，電動機繞組的換檔多采用自動開關，自動開關主要由接觸器和繼 電器等組成，由于自動開關本身的電氣特性，在帶電切換的過程中，會發(fā)生 拉弧，容易造成自動開關的損壞。也有一些滅弧的方法和產(chǎn)品，其主要采用 無觸點繼電器和真空滅弧裝置，這些裝置均因制造工藝復雜、真空環(huán)境難以
4保證、成本高等原因，不能得到廣泛的應用。
磁保持繼電器是近幾年發(fā)展起來的一種新型繼電器，也是一種自動開關。 和其他電磁繼電器一樣，對電路起著自動接通和切斷的作用。所不同的是， 磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，其開關狀態(tài)的 轉(zhuǎn)換是靠一定寬度的脈沖電信號觸發(fā)而完成的。磁保持繼電器其觸點開、合 狀態(tài)平時是由永久磁鋼所產(chǎn)生的磁力所保持的。當繼電器的觸點需要開或合 狀態(tài)時(即接通或切斷負載時)，只需用正(反)直流脈沖電壓激勵線圈，繼 電器在瞬間就完成了開與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通常觸點處于保持狀態(tài)時，線圈不 需繼續(xù)通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。這種新型的 磁保持繼電器如能替代傳統(tǒng)的電磁式繼電器，應用在電動車的電動機定子繞 組換檔控制上將帶來不可比擬的優(yōu)越性。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于磁保持繼電 器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，該電路為適用于軟換擋的無刷永磁 直流定子繞組的控制電路。
本實用新型的技術方案是
一種基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，三極管Ql 的基極連接第一速度檔位驅(qū)動信號1，三極管Ql的集電極連接二極管Dl的
正極，繼電器動斷線圈L2和二極管D5串聯(lián)后與二極管D1、繼電器動合線圈 Ll并聯(lián)連接；三極管Q2的基極連接第二速度檔位驅(qū)動信號2，三極管Q2的 集電極連接二極管D2的正極，繼電器動斷線圈L4和二極管D6串聯(lián)后與二極管D2、繼電器動合線圈L3并聯(lián)連接；三極管Q3的基極連接第三速度檔位 驅(qū)動信號3，三極管Q3的集電極連接二極管D3的正極，繼電器動斷線圈L6 和二極管D7串聯(lián)后與二極管D3、繼電器動合線圈L5并聯(lián)連接；三極管Q4 的基極連接第四速度檔位驅(qū)動信號4，三極管Q4的集電極連接二極管D4的 正極，繼電器動斷線圈L8和二極管D8串聯(lián)后與二極管D4、繼電器動合線圈 L7并聯(lián)連接；三極管Ql和三極管Q2的基極分別連接或門Ul的輸入端，或 門Ul的輸出端連接三極管Q8與三極管Q7的基極，三極管Q8的集電極和三 極管Q7的發(fā)射極連接二極管D8的正極，三極管Q7的集電極連接二極管D7 的正極；三極管Q3和三極管Q4的基極分別連接或門U2的輸入端，或門U2 的輸出端連接三極管Q6與三極管Q5的基極，三極管Q6的集電極和三極管 Q5的發(fā)射極連接二極管D6的正極，三極管Q6的集電極連接二極管D2的正 極；二極管D1、 二極管D2、 二極管D3和二極管D4的負極均和電源VDC 連接；三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管Q6和三極管 Q8的發(fā)射極接地。
所述第一速度檔位驅(qū)動信號1 、第二速度檔位驅(qū)動信號2、第三速度檔位 驅(qū)動信號3和第四速度檔位驅(qū)動信號4分別通過電阻R1、電阻R2、電阻R3 和電阻R4與三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3和三極管Q4的基極連接。
所述電源VDC通過自恢復保險絲PTC接入電路。
所述或門U1的輸出端和或門U2的輸出端分別通過電阻R5和電阻R6與 三極管Q6和三極管Q8的基極連接。
所述繼電器動合線圈L1、繼電器動斷線圈L2、繼電器動合線圈L3、繼 電器動斷線圈L4、繼電器動合線圈L5、繼電器動斷線圈L6、繼電器動合線圈L7和繼電器動斷線圈L8所分別對應的繼電器為磁保持繼電器。
所述二極管D1、 二極管D2、 二極管D3和二極管D4為續(xù)流二極管。 所述二極管D5、 二極管D6、 二極管D7和二極管D8為隔離二極管。 所述三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管Q5、三極
管Q6、三極管Q7和三極管Q8為功率三極管或功率場效應管。 本實用新型的有益效果是
本實用新型結(jié)構(gòu)新穎，簡單實用，均可通過現(xiàn)有電子元器件實現(xiàn)，具有 很好的通用性，可廣泛用于各種所有四檔繞組的電動交通工具用電動機及設 備電動機。它具有啟動力矩大，帶負載運行平穩(wěn)，正常運行區(qū)域速度高，且 能隨負載的增加依次遞減切換檔位，保證了運行的平穩(wěn)性和可靠性。
本實用新型的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路充 分利用了無刷永磁直流電動機的特性原理，使電動機能在不同的運行工況條 件下處于不同的運行狀態(tài)之中，滿足電動車輛的無刷永磁直流電動機既滿足 高速行駛的性能要求，又能保證在低速運行條件下和起動時對力矩的性能要 求。且控制方便，可通過電動車手柄的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)換檔操作。
由于磁保持繼電器保持力是由永磁體閉合的磁回路吸力提供，在復雜振 動環(huán)境下，本實用新型是基于磁保持繼電器的高可靠性、大觸點壓力的多個 優(yōu)點進行設計，可避免觸點在振動環(huán)境下自行斷開或閉合，解決了多個磁保 持繼電器并聯(lián)使用的互鎖和互鎖的可靠性問題。


圖1是本實用新型的電路圖。
7圖2是本實用新型的換檔控制信號時序圖。 圖3是本實用新型的檔位控制狀態(tài)邏輯圖。
圖4是應用了本實用新型的四檔電動機換擋控制模塊的功能原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述-
如圖1， 一種基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，三 極管Ql的基極連接第一速度檔位驅(qū)動信號1，三極管Ql的集電極連接二極 管D1的正極，繼電器動斷線圈L2和二極管D5串聯(lián)后與二極管D1、繼電器 動合線圈Ll并聯(lián)連接；三極管Q2的基極連接第二速度檔位驅(qū)動信號2，三 極管Q2的集電極連接二極管D2的正極，繼電器動斷線圈L4和二極管D6串 聯(lián)后與二極管D2、繼電器動合線圈L3并聯(lián)連接；三極管Q3的基極連接第三 速度檔位驅(qū)動信號3，三極管Q3的集電極連接二極管D3的正極，繼電器動 斷線圈L6和二極管D7串聯(lián)后與二極管D3、繼電器動合線圈L5并聯(lián)連接； 三極管Q4的基極連接第四速度檔位驅(qū)動信號4，三極管Q4的集電極連接二 極管D4的正極，繼電器動斷線圈L8和二極管D8串聯(lián)后與二極管D4、繼電 器動合線圈L7并聯(lián)連接；三極管Ql和三極管Q2的基極分別連接或門Ul的 輸入端，或門Ul的輸出端連接三極管Q8與三極管Q7的基極，三極管Q8 的集電極和三極管Q7的發(fā)射極連接二極管D8的正極，三極管Q7的集電極 連接二極管D7的正極；三極管Q3和三極管Q4的基極分別連接或門U2的輸 入端，或門U2的輸出端連接三極管Q6與三極管Q5的基極，三極管Q6的集 電極和三極管Q5的發(fā)射極連接二極管D6的正極，三極管Q6的集電極連接二極管D2的正極；二極管D1、 二極管D2、 二極管D3和二極管D4的負極 均和電源VDC連接；三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極 管Q6和三極管Q8的發(fā)射極接地。
第一速度檔位驅(qū)動信號l、第二速度檔位驅(qū)動信號2、第三速度檔位驅(qū)動 信號3和第四速度檔位驅(qū)動信號4分別通過電阻R1、電阻R2、電阻R3和電 阻R4與三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3和三極管Q4的基極連接。
電源VDC為12伏，為了避免某個功率管因擊穿而導致線圈長時間工作， 引起更大的故障。電源VDC通過自恢復保險絲PTC接入電路，即圖1中的 FUSE，自恢復保險絲PTC的自恢復保險值由1/5 (IQ1+IQ8)的數(shù)值確定，IQ1 和IQ8分別為流經(jīng)三極管Ql和三極管Q8的總電流值。
或門Ul的輸出端和或門U2的輸出端分別通過電阻R5和電阻R6與三極 管Q6和三極管Q8的基極連接。
二極管D1、 二極管D2、 二極管D3和二極管D4為續(xù)流二極管，用來消 除電感線圈斷電產(chǎn)生的反電勢。二極管D5、 二極管D6、 二極管D7和二極管 D8為隔離二極管。
三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管Q5、三極管Q6、 三極管Q7和三極管Q8為功率三極管或功率場效應管。
繼電器動合線圈L1、繼電器動斷線圈L2、繼電器動合線圈L3、繼電器 動斷線圈L4、繼電器動合線圈L5、繼電器動斷線圈L6、繼電器動合線圈L7 和繼電器動斷線圈L8所分別對應的繼電器為磁保持繼電器。所述磁保持 繼電 器帶動繼電器動觸頭的閉合與斷開來控制電動機定子繞組的通斷電。所述磁 保持繼電器可做為四檔繞組電動機換檔控制模塊中的自動檔位切換開關。繼電器動合線圈Ll和繼電器動斷線圈L4分別為控制第一速度檔位切換 的磁保持繼電器Jl的動合線圈和動斷線圈。繼電器動合線圈L3和繼電器動 斷線圈L2分別為控制第二速度檔位切換的磁保持繼電器J2的動合線圈和動 斷線圈。繼電器動合線圈L5和繼電器動斷線圈L8分別為控制第三速度檔位 切換的磁保持繼電器J3的動合線圈和動斷線圈。繼電器動合線圈L7和繼電 器動斷線圈L6分別為控制第四速度檔位切換的磁保持繼電器J4的動合線圈 和動斷線圈。
本實用新型的工作原理為由于磁保持繼電器的保持力是由永磁體閉合 的磁回路吸力提供的，在復雜振動環(huán)境下，為避免觸點在振動環(huán)境下自行斷 開或閉合，本實用新型是基于磁保持繼電器的高可靠性、大觸點壓力的多個 優(yōu)點進行設計，解決了多個磁保持繼電器并聯(lián)使用的互鎖和互鎖的可靠性。
當輸入端輸入第一速度檔位驅(qū)動信號1時，觸發(fā)高電平信號輸入到三極 管Ql的基級，由于控制第一速度檔位切換的繼電器Jl的動合線圈與控制第 二速度檔位切換的繼電器J2的動斷線圈并聯(lián)，當?shù)谝凰俣葯n位閉合時。第二 速度檔位自動斷開。根據(jù)如圖3的檔位控制狀態(tài)邏輯圖，第一速度檔位驅(qū)動 信號l輸入高電平時，第二速度檔位驅(qū)動信號2輸入為低電平，或門U1輸入 為一個高電平、 一個低電平。Ul輸出的高電平觸發(fā)功率管Q8和功率管Q7， 使控制第三速度檔位的繼電器J3、控制第四速度檔位切換的繼電器J4的動斷 線圈同時動作。為了避免一次脈沖通電后，某個速度檔位由于機械振動而出 現(xiàn)誤動作，通電過程為間隔脈沖通電。通電脈沖為500ms,脈沖間隔時間為 IOS，如圖2，為具體的換檔控制信號時序圖，圖中1檔、2檔、3檔、4檔分 別對應第一速度檔位、第二速度檔位、第三速度檔位和第四速度檔位。以上脈沖間隔值均經(jīng)過多次試驗測量得到，超出上述范圍，則會導致電
動機繞組不能順利實現(xiàn)自動換檔功能，且在換檔時容易產(chǎn)生拉弧，造成自動
檔位切換開關損壞以及影響動力輸出。
觸發(fā)信號可以來自電動車控制器內(nèi)部，也可以來自外部觸發(fā)電路。 在本實用新型中，連接表示電連接，在本實用新型的電路結(jié)構(gòu)中，除了
預定的連接關系以外，還可以在其間設置可以電連接的其它元件，如開關器
件、晶體管、二極管、電容元件、電阻原件等。
結(jié)合圖4，四檔電動機換檔控制模塊包括調(diào)速單元、檔位選擇單元、控制 單元、電源、自動檔位切換開關和電動機。調(diào)速單元可連接電動車的調(diào)速轉(zhuǎn) 把，用于提供調(diào)速控制信號。檔位選擇單元可設低速檔位和自動檔位，也可 設置多個速度檔位，可連接電動車的檔位選擇開關，用于提供檔位選擇輸入 信號。電源通過控制單元提供所需電能。檢測控制單元與電源的連接可使用 現(xiàn)有的電源檢測電路實現(xiàn)；若控制單元與電源連接，即電源開關打開，則啟 動控制單元；若控制單元與電源斷開連接，即電源開關斷開或電動車電池取 出時，則停止控制單元工作。控制單元中包含本實用新型提供的基于磁保持 繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，檔位選擇單元提供的檔位選擇 輸入信號分別為第一速度檔位驅(qū)動信號l、第二速度檔位驅(qū)動信號2、第三速 度檔位驅(qū)動信號3和第四速度檔位驅(qū)動信號4，做為本實用新型的電路的控制 輸入。
本實用新型的電路的作用在于根據(jù)第一速度檔位驅(qū)動信號1、第二速度檔 位驅(qū)動信號2、第三速度檔位驅(qū)動信號3和第四速度檔位驅(qū)動信號4來控制磁 保持繼電器的繼電器動斷線圈來控制自動檔位切換開關的開啟和閉合，進而控制電動機的轉(zhuǎn)速。電動機的轉(zhuǎn)速和電動機的工作電流實時反饋給控制單元， 當電動機轉(zhuǎn)速大、載荷小時，控制單元切換電動機檔位至高速檔位；當電動 機轉(zhuǎn)速小、載荷大時，控制單元切換電動機檔位至低速檔位。具體控制方式 可為手動和自動兩種操作模式，手動檔時，電動機最低速檔第一速度檔位運 行；切換為自動檔時，電動機依次由最低速檔第一速度檔位根據(jù)負載切換到 第四速度檔位。
若電動機的轉(zhuǎn)速逐漸升高或電動機的工作電流逐漸減小，則將電動機的 轉(zhuǎn)速逐級提高至少一個速度檔位；若電動機的轉(zhuǎn)速逐漸降低或電動機的工作 電流逐漸增大，則將電動機的轉(zhuǎn)速逐級降低至少一個速度檔位。從而保證電 動機始終保持較高的工作效率。
在電動機換檔切換過程中，控制單元首先切斷電動機繞組的電流，換檔 切換完成后，控制單元通過本實用新型的電路繼續(xù)接通電動機繞組的回路電 流。整個換檔切換過程在幾百個毫秒內(nèi)完成，不影響電動機的動力輸出。
權(quán)利要求1、一種基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，其特征是三極管Q1的基極連接第一速度檔位驅(qū)動信號(1)，三極管Q1的集電極連接二極管D1的正極，繼電器動斷線圈L2和二極管D5串聯(lián)后與二極管D1、繼電器動合線圈L1并聯(lián)連接；三極管Q2的基極連接第二速度檔位驅(qū)動信號(2)，三極管Q2的集電極連接二極管D2的正極，繼電器動斷線圈L4和二極管D6串聯(lián)后與二極管D2、繼電器動合線圈L3并聯(lián)連接；三極管Q3的基極連接第三速度檔位驅(qū)動信號(3)，三極管Q3的集電極連接二極管D3的正極，繼電器動斷線圈L6和二極管D7串聯(lián)后與二極管D3、繼電器動合線圈L5并聯(lián)連接；三極管Q4的基極連接第四速度檔位驅(qū)動信號(4)，三極管Q4的集電極連接二極管D4的正極，繼電器動斷線圈L8和二極管D8串聯(lián)后與二極管D4、繼電器動合線圈L7并聯(lián)連接；三極管Q1和三極管Q2的基極分別連接或門U1的輸入端，或門U1的輸出端連接三極管Q8與三極管Q7的基極，三極管Q8的集電極和三極管Q7的發(fā)射極連接二極管D8的正極，三極管Q7的集電極連接二極管D7的正極；三極管Q3和三極管Q4的基極分別連接或門U2的輸入端，或門U2的輸出端連接三極管Q6與三極管Q5的基極，三極管Q6的集電極和三極管Q5的發(fā)射極連接二極管D6的正極，三極管Q6的集電極連接二極管D2的正極；二極管D1、二極管D2、二極管D3和二極管D4的負極均和電源VDC連接；三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管Q6和三極管Q8的發(fā)射極接地。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，其特征是所述第一速度檔位驅(qū)動信號(1)、第二速度檔位驅(qū)動信號(2)、 第三速度檔位驅(qū)動信號(3)和第四速度檔位驅(qū)動信號(4)分別通過電阻R1、 電阻R2、電阻R3和電阻R4與三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3和三極管 Q4的基極連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行 電路，其特征是所述電源VDC通過自恢復保險絲PTC接入電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行 電路，其特征是所述或門Ul的輸出端和或門U2的輸出端分別通過電阻R5 和電阻R6與三極管Q6和三極管Q8的基極連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行 電路，其特征是所述繼電器動合線圈L1、繼電器動斷線圈L2、繼電器動合線 圈L3、繼電器動斷線圈L4、繼電器動合線圈L5、繼電器動斷線圈L6、繼電 器動合線圈L7和繼電器動斷線圈L8所分別對應的繼電器為磁保持繼電器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行 電路，其特征是所述二極管D1、 二極管D2、 二極管D3和二極管D4為續(xù)流 二極管。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行 電路，其特征是所述二極管D5、 二極管D6、 二極管D7和二極管D8為隔離 二極管。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行 電路，其特征是所述三極管Q1、三極管Q2、三極管Q3、三極管Q4、三極管 Q5、三極管Q6、三極管Q7和三極管Q8為功率三極管或功率場效應管。
專利摘要一種基于磁保持繼電器的四檔繞組電動機換檔控制執(zhí)行電路，其特征是三極管Q1的基極連接第一速度檔位驅(qū)動信號(1)，三極管Q1的集電極連接二極管D1的正極，繼電器動斷線圈L2和二極管D5串聯(lián)后與二極管D1、繼電器動斷線圈L1并聯(lián)連接。本實用新型是基于磁保持繼電器的高可靠性、大觸點壓力的多個優(yōu)點進行設計，解決了多個磁保持繼電器并聯(lián)使用的互鎖和互鎖的可靠性問題。
文檔編號H02P6/08GK201374672SQ200920041288
公開日2009年12月30日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者鋒 王 申請人:江蘇新日電動車股份有限公司