专利名称：基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机换挡控制执行电路，特别是一种可用于电动车辆的星 形连接多档电动机绕组或串励电动机励磁线圈绕组的基于磁保持继电器的四 档绕组电动机换档控制执行电路。
背景技术：
电动车进入大众的生活后，成为一种节能环保便捷的代步交通工具。但 由于直流电动机本身的机械特性，转速随着速度的上升而降低。这样使得电 动车如果设计较高的转速，则会降低最大输出转矩。如果保证最大转矩的输 出，则会降低最高输出的转速。这样的电动车就会出现保证平坦路面高速运 转就不能保证爬坡的最大转矩输出。
在目前车载自动切换开关均是电磁式继电器，通过给继电器线圈通电产 生电磁力来吸合动作触点。这种方式缺点在于多相线时不能保证触点的闭合 压力和一致性。且闭合的保持力始终由通电线圈供给，而磁保持继电器的保 持力由永磁体的闭合回路行成，只在闭合和断开瞬间通电。
另外，电动机绕组的换档多采用自动开关，自动开关主要由接触器和继 电器等组成，由于自动开关本身的电气特性，在带电切换的过程中，会发生 拉弧，容易造成自动开关的损坏。也有一些灭弧的方法和产品，其主要采用 无触点继电器和真空灭弧装置，这些装置均因制造工艺复杂、真空环境难以
4保证、成本高等原因，不能得到广泛的应用。
磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型继电器，也是一种自动开关。 和其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断的作用。所不同的是， 磁保持继电器的常闭或常开状态完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的 转换是靠一定宽度的脉冲电信号触发而完成的。磁保持继电器其触点开、合 状态平时是由永久磁钢所产生的磁力所保持的。当继电器的触点需要开或合 状态时(即接通或切断负载时)，只需用正(反)直流脉冲电压激励线圈，继 电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。通常触点处于保持状态时，线圈不 需继续通电，仅靠永久磁钢的磁力就能维持继电器的状态不变。这种新型的 磁保持继电器如能替代传统的电磁式继电器，应用在电动车的电动机定子绕 组换档控制上将带来不可比拟的优越性。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于磁保持继电 器的四档绕组电动机换档控制执行电路，该电路为适用于软换挡的无刷永磁 直流定子绕组的控制电路。
本实用新型的技术方案是
一种基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，三极管Ql 的基极连接第一速度档位驱动信号1，三极管Ql的集电极连接二极管Dl的
正极，继电器动断线圈L2和二极管D5串联后与二极管D1、继电器动合线圈 Ll并联连接；三极管Q2的基极连接第二速度档位驱动信号2，三极管Q2的 集电极连接二极管D2的正极，继电器动断线圈L4和二极管D6串联后与二极管D2、继电器动合线圈L3并联连接；三极管Q3的基极连接第三速度档位 驱动信号3，三极管Q3的集电极连接二极管D3的正极，继电器动断线圈L6 和二极管D7串联后与二极管D3、继电器动合线圈L5并联连接；三极管Q4 的基极连接第四速度档位驱动信号4，三极管Q4的集电极连接二极管D4的 正极，继电器动断线圈L8和二极管D8串联后与二极管D4、继电器动合线圈 L7并联连接；三极管Ql和三极管Q2的基极分别连接或门Ul的输入端，或 门Ul的输出端连接三极管Q8与三极管Q7的基极，三极管Q8的集电极和三 极管Q7的发射极连接二极管D8的正极，三极管Q7的集电极连接二极管D7 的正极；三极管Q3和三极管Q4的基极分别连接或门U2的输入端，或门U2 的输出端连接三极管Q6与三极管Q5的基极，三极管Q6的集电极和三极管 Q5的发射极连接二极管D6的正极，三极管Q6的集电极连接二极管D2的正 极；二极管D1、 二极管D2、 二极管D3和二极管D4的负极均和电源VDC 连接；三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q6和三极管 Q8的发射极接地。
所述第一速度档位驱动信号1 、第二速度档位驱动信号2、第三速度档位 驱动信号3和第四速度档位驱动信号4分别通过电阻R1、电阻R2、电阻R3 和电阻R4与三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4的基极连接。
所述电源VDC通过自恢复保险丝PTC接入电路。
所述或门U1的输出端和或门U2的输出端分别通过电阻R5和电阻R6与 三极管Q6和三极管Q8的基极连接。
所述继电器动合线圈L1、继电器动断线圈L2、继电器动合线圈L3、继 电器动断线圈L4、继电器动合线圈L5、继电器动断线圈L6、继电器动合线圈L7和继电器动断线圈L8所分别对应的继电器为磁保持继电器。
所述二极管D1、 二极管D2、 二极管D3和二极管D4为续流二极管。 所述二极管D5、 二极管D6、 二极管D7和二极管D8为隔离二极管。 所述三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极
管Q6、三极管Q7和三极管Q8为功率三极管或功率场效应管。 本实用新型的有益效果是
本实用新型结构新颖，简单实用，均可通过现有电子元器件实现，具有 很好的通用性，可广泛用于各种所有四档绕组的电动交通工具用电动机及设 备电动机。它具有启动力矩大，带负载运行平稳，正常运行区域速度高，且 能随负载的增加依次递减切换档位，保证了运行的平稳性和可靠性。
本实用新型的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路充 分利用了无刷永磁直流电动机的特性原理，使电动机能在不同的运行工况条 件下处于不同的运行状态之中，满足电动车辆的无刷永磁直流电动机既满足 高速行驶的性能要求，又能保证在低速运行条件下和起动时对力矩的性能要 求。且控制方便，可通过电动车手柄的旋转实现换档操作。
由于磁保持继电器保持力是由永磁体闭合的磁回路吸力提供，在复杂振 动环境下，本实用新型是基于磁保持继电器的高可靠性、大触点压力的多个 优点进行设计，可避免触点在振动环境下自行断开或闭合，解决了多个磁保 持继电器并联使用的互锁和互锁的可靠性问题。
图1是本实用新型的电路图。
7图2是本实用新型的换档控制信号时序图。 图3是本实用新型的档位控制状态逻辑图。
图4是应用了本实用新型的四档电动机换挡控制模块的功能原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述-
如图1， 一种基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，三 极管Ql的基极连接第一速度档位驱动信号1，三极管Ql的集电极连接二极 管D1的正极，继电器动断线圈L2和二极管D5串联后与二极管D1、继电器 动合线圈Ll并联连接；三极管Q2的基极连接第二速度档位驱动信号2，三 极管Q2的集电极连接二极管D2的正极，继电器动断线圈L4和二极管D6串 联后与二极管D2、继电器动合线圈L3并联连接；三极管Q3的基极连接第三 速度档位驱动信号3，三极管Q3的集电极连接二极管D3的正极，继电器动 断线圈L6和二极管D7串联后与二极管D3、继电器动合线圈L5并联连接； 三极管Q4的基极连接第四速度档位驱动信号4，三极管Q4的集电极连接二 极管D4的正极，继电器动断线圈L8和二极管D8串联后与二极管D4、继电 器动合线圈L7并联连接；三极管Ql和三极管Q2的基极分别连接或门Ul的 输入端，或门Ul的输出端连接三极管Q8与三极管Q7的基极，三极管Q8 的集电极和三极管Q7的发射极连接二极管D8的正极，三极管Q7的集电极 连接二极管D7的正极；三极管Q3和三极管Q4的基极分别连接或门U2的输 入端，或门U2的输出端连接三极管Q6与三极管Q5的基极，三极管Q6的集 电极和三极管Q5的发射极连接二极管D6的正极，三极管Q6的集电极连接二极管D2的正极；二极管D1、 二极管D2、 二极管D3和二极管D4的负极 均和电源VDC连接；三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极 管Q6和三极管Q8的发射极接地。
第一速度档位驱动信号l、第二速度档位驱动信号2、第三速度档位驱动 信号3和第四速度档位驱动信号4分别通过电阻R1、电阻R2、电阻R3和电 阻R4与三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4的基极连接。
电源VDC为12伏，为了避免某个功率管因击穿而导致线圈长时间工作， 引起更大的故障。电源VDC通过自恢复保险丝PTC接入电路，即图1中的 FUSE，自恢复保险丝PTC的自恢复保险值由1/5 (IQ1+IQ8)的数值确定，IQ1 和IQ8分别为流经三极管Ql和三极管Q8的总电流值。
或门Ul的输出端和或门U2的输出端分别通过电阻R5和电阻R6与三极 管Q6和三极管Q8的基极连接。
二极管D1、 二极管D2、 二极管D3和二极管D4为续流二极管，用来消 除电感线圈断电产生的反电势。二极管D5、 二极管D6、 二极管D7和二极管 D8为隔离二极管。
三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、 三极管Q7和三极管Q8为功率三极管或功率场效应管。
继电器动合线圈L1、继电器动断线圈L2、继电器动合线圈L3、继电器 动断线圈L4、继电器动合线圈L5、继电器动断线圈L6、继电器动合线圈L7 和继电器动断线圈L8所分别对应的继电器为磁保持继电器。所述磁保持 继电 器带动继电器动触头的闭合与断开来控制电动机定子绕组的通断电。所述磁 保持继电器可做为四档绕组电动机换档控制模块中的自动档位切换开关。继电器动合线圈Ll和继电器动断线圈L4分别为控制第一速度档位切换 的磁保持继电器Jl的动合线圈和动断线圈。继电器动合线圈L3和继电器动 断线圈L2分别为控制第二速度档位切换的磁保持继电器J2的动合线圈和动 断线圈。继电器动合线圈L5和继电器动断线圈L8分别为控制第三速度档位 切换的磁保持继电器J3的动合线圈和动断线圈。继电器动合线圈L7和继电 器动断线圈L6分别为控制第四速度档位切换的磁保持继电器J4的动合线圈 和动断线圈。
本实用新型的工作原理为由于磁保持继电器的保持力是由永磁体闭合 的磁回路吸力提供的，在复杂振动环境下，为避免触点在振动环境下自行断 开或闭合，本实用新型是基于磁保持继电器的高可靠性、大触点压力的多个 优点进行设计，解决了多个磁保持继电器并联使用的互锁和互锁的可靠性。
当输入端输入第一速度档位驱动信号1时，触发高电平信号输入到三极 管Ql的基级，由于控制第一速度档位切换的继电器Jl的动合线圈与控制第 二速度档位切换的继电器J2的动断线圈并联，当第一速度档位闭合时。第二 速度档位自动断开。根据如图3的档位控制状态逻辑图，第一速度档位驱动 信号l输入高电平时，第二速度档位驱动信号2输入为低电平，或门U1输入 为一个高电平、 一个低电平。Ul输出的高电平触发功率管Q8和功率管Q7， 使控制第三速度档位的继电器J3、控制第四速度档位切换的继电器J4的动断 线圈同时动作。为了避免一次脉冲通电后，某个速度档位由于机械振动而出 现误动作，通电过程为间隔脉冲通电。通电脉冲为500ms,脉冲间隔时间为 IOS，如图2，为具体的换档控制信号时序图，图中1档、2档、3档、4档分 别对应第一速度档位、第二速度档位、第三速度档位和第四速度档位。以上脉冲间隔值均经过多次试验测量得到，超出上述范围，则会导致电
动机绕组不能顺利实现自动换档功能，且在换档时容易产生拉弧，造成自动
档位切换开关损坏以及影响动力输出。
触发信号可以来自电动车控制器内部，也可以来自外部触发电路。 在本实用新型中，连接表示电连接，在本实用新型的电路结构中，除了
预定的连接关系以外，还可以在其间设置可以电连接的其它元件，如开关器
件、晶体管、二极管、电容元件、电阻原件等。
结合图4，四档电动机换档控制模块包括调速单元、档位选择单元、控制 单元、电源、自动档位切换开关和电动机。调速单元可连接电动车的调速转 把，用于提供调速控制信号。档位选择单元可设低速档位和自动档位，也可 设置多个速度档位，可连接电动车的档位选择开关，用于提供档位选择输入 信号。电源通过控制单元提供所需电能。检测控制单元与电源的连接可使用 现有的电源检测电路实现；若控制单元与电源连接，即电源开关打开，则启 动控制单元；若控制单元与电源断开连接，即电源开关断开或电动车电池取 出时，则停止控制单元工作。控制单元中包含本实用新型提供的基于磁保持 继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，档位选择单元提供的档位选择 输入信号分别为第一速度档位驱动信号l、第二速度档位驱动信号2、第三速 度档位驱动信号3和第四速度档位驱动信号4，做为本实用新型的电路的控制 输入。
本实用新型的电路的作用在于根据第一速度档位驱动信号1、第二速度档 位驱动信号2、第三速度档位驱动信号3和第四速度档位驱动信号4来控制磁 保持继电器的继电器动断线圈来控制自动档位切换开关的开启和闭合，进而控制电动机的转速。电动机的转速和电动机的工作电流实时反馈给控制单元， 当电动机转速大、载荷小时，控制单元切换电动机档位至高速档位；当电动 机转速小、载荷大时，控制单元切换电动机档位至低速档位。具体控制方式 可为手动和自动两种操作模式，手动档时，电动机最低速档第一速度档位运 行；切换为自动档时，电动机依次由最低速档第一速度档位根据负载切换到 第四速度档位。
若电动机的转速逐渐升高或电动机的工作电流逐渐减小，则将电动机的 转速逐级提高至少一个速度档位；若电动机的转速逐渐降低或电动机的工作 电流逐渐增大，则将电动机的转速逐级降低至少一个速度档位。从而保证电 动机始终保持较高的工作效率。
在电动机换档切换过程中，控制单元首先切断电动机绕组的电流，换档 切换完成后，控制单元通过本实用新型的电路继续接通电动机绕组的回路电 流。整个换档切换过程在几百个毫秒内完成，不影响电动机的动力输出。
权利要求1、一种基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，其特征是三极管Q1的基极连接第一速度档位驱动信号(1)，三极管Q1的集电极连接二极管D1的正极，继电器动断线圈L2和二极管D5串联后与二极管D1、继电器动合线圈L1并联连接；三极管Q2的基极连接第二速度档位驱动信号(2)，三极管Q2的集电极连接二极管D2的正极，继电器动断线圈L4和二极管D6串联后与二极管D2、继电器动合线圈L3并联连接；三极管Q3的基极连接第三速度档位驱动信号(3)，三极管Q3的集电极连接二极管D3的正极，继电器动断线圈L6和二极管D7串联后与二极管D3、继电器动合线圈L5并联连接；三极管Q4的基极连接第四速度档位驱动信号(4)，三极管Q4的集电极连接二极管D4的正极，继电器动断线圈L8和二极管D8串联后与二极管D4、继电器动合线圈L7并联连接；三极管Q1和三极管Q2的基极分别连接或门U1的输入端，或门U1的输出端连接三极管Q8与三极管Q7的基极，三极管Q8的集电极和三极管Q7的发射极连接二极管D8的正极，三极管Q7的集电极连接二极管D7的正极；三极管Q3和三极管Q4的基极分别连接或门U2的输入端，或门U2的输出端连接三极管Q6与三极管Q5的基极，三极管Q6的集电极和三极管Q5的发射极连接二极管D6的正极，三极管Q6的集电极连接二极管D2的正极；二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4的负极均和电源VDC连接；三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q6和三极管Q8的发射极接地。
2、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，其特征是所述第一速度档位驱动信号(1)、第二速度档位驱动信号(2)、 第三速度档位驱动信号(3)和第四速度档位驱动信号(4)分别通过电阻R1、 电阻R2、电阻R3和电阻R4与三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管 Q4的基极连接。
3、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行 电路，其特征是所述电源VDC通过自恢复保险丝PTC接入电路。
4、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行 电路，其特征是所述或门Ul的输出端和或门U2的输出端分别通过电阻R5 和电阻R6与三极管Q6和三极管Q8的基极连接。
5、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行 电路，其特征是所述继电器动合线圈L1、继电器动断线圈L2、继电器动合线 圈L3、继电器动断线圈L4、继电器动合线圈L5、继电器动断线圈L6、继电 器动合线圈L7和继电器动断线圈L8所分别对应的继电器为磁保持继电器。
6、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行 电路，其特征是所述二极管D1、 二极管D2、 二极管D3和二极管D4为续流 二极管。
7、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行 电路，其特征是所述二极管D5、 二极管D6、 二极管D7和二极管D8为隔离 二极管。
8、 根据权利要求1所述的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行 电路，其特征是所述三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管 Q5、三极管Q6、三极管Q7和三极管Q8为功率三极管或功率场效应管。
专利摘要一种基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，其特征是三极管Q1的基极连接第一速度档位驱动信号(1)，三极管Q1的集电极连接二极管D1的正极，继电器动断线圈L2和二极管D5串联后与二极管D1、继电器动断线圈L1并联连接。本实用新型是基于磁保持继电器的高可靠性、大触点压力的多个优点进行设计，解决了多个磁保持继电器并联使用的互锁和互锁的可靠性问题。
文档编号H02P6/08GK201374672SQ200920041288
公开日2009年12月30日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者锋 王 申请人:江苏新日电动车股份有限公司