永磁無刷直流電動機在電動汽車中的應用

左堃

摘 要：本文選用基于無刷直流電動機控制器MC33033的集成電路，通過PID調(diào)速和PWM調(diào)制的控制，結合永磁無刷直流電動機的工作原理、運行特性以及選用原則，來實現(xiàn)其在電動汽車中的應用。

關鍵詞：MC33033控制器；PID調(diào)速；PWM調(diào)制

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A

1 引言

燃油汽車要消耗大量的石油資源，排放大量的廢氣，嚴重污染環(huán)境和制造噪聲，帶來了無法回避的負面影響。為此，面對如此嚴峻的形勢，電動汽車的研究與開發(fā)引起了世界各國的關注。

電機及其控制技術是電動汽車的關鍵部分，應具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、起動轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕、效率高、動態(tài)制動強和能量回饋等特點，以保證電動汽車良好的運行性能。

目前電動汽車多采用直流電機、感應電機、開關磁阻電機以及無刷直流電機等。其中，無刷直流電機作為驅(qū)動電機保留了直流電機良好的調(diào)速、控制和運行特性，克服了其機械換向的缺點，并具有效率高、功率密度高、免維護、高速運行等一系列優(yōu)點，很好地滿足了電動汽車對驅(qū)動電機的基本要求。

2 永磁無刷直流電動機的系統(tǒng)組成和原理

2.1 無刷直流電動機的特點

永磁無刷直流電動機是隨著電子技術發(fā)展而出現(xiàn)的新型機電一體化電動機，是現(xiàn)代電子技術、控制理論和電機技術相結合的產(chǎn)物。一方面，無刷直流電動機采用半導體功率開關器件和位置傳感器代替直流伺服電動機的換向器和電刷，以電子換相代替機械換相，提高了電動機的可靠性。另一方面，永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子采用了永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運行。無刷直流電動機具有以下特點：

① 經(jīng)電子控制獲得類似直流電動機的運行特性，有較好的可控性，較寬調(diào)速范圍；

② 需要轉(zhuǎn)子位置反饋信息和電子多相逆變驅(qū)動器；

③ 由于沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，可高速工作，具有較高的可靠性，壽命長，無須經(jīng)常維護，機械噪聲小，無線電干擾小；

④ 功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子無損耗和發(fā)熱，有較高的效率；

⑤ 必須有電子控制部分，總成本比直流電動機高。與電子電路結合，使用更靈活。適用于數(shù)字控制，易與微處理器和微型計算機接口。

2.2 無刷直流電動機的結構及其原理

永磁無刷直流電動機主要由電動機本體、位置傳感器、電子開關線路和控制器4個部分組成，如圖1所示。

永磁無刷直流電動機電子開關線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給直流無刷電動機定子上各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號，但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關單元。綜上所述，組成無刷直流電動機各主要部件的框圖，如圖2所示。

3 無刷直流電機的控制原理

3.1 PID調(diào)速原理

標準PID控制器的基本原理是根據(jù)設定值與實際值之間的偏差，按比例-積分-微分的線性組合關系構成控制量，利用控制器再對控制對象進行控制。由于其具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高和參數(shù)易整定等優(yōu)點，已在工程實際中得到了廣泛應用，其控制系統(tǒng)典型結構如圖3所示。

3.2 PWM調(diào)制方式

永磁無刷直流電動機工作在由位置檢測器控制逆變器開關通斷的“自控式”變頻方式下，逆變器的變頻是自動完成的，并不需要控制系統(tǒng)加以干預及控制。要控制電機的轉(zhuǎn)速就應控制電機的轉(zhuǎn)矩，只要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通常采用PWM調(diào)節(jié)方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸入永磁無刷直流電動機的平均直流電壓，以達到調(diào)速的目的。永磁無刷直流電動機系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)原理如圖4所示。

其中，ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通常采用PID算法實現(xiàn)。速度為外環(huán)，電流為內(nèi)環(huán)，由Te=KTIa，電流環(huán)調(diào)節(jié)的實際上是電磁轉(zhuǎn)矩。速度

給定信號n*與速度反饋信號n一起送給速度調(diào)節(jié)器（ASR），速度調(diào)節(jié)器的輸出為電流參考值i*，與電流信號的反饋值i一起送至電流調(diào)節(jié)器（ACR），電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值，與給定載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制逆變器的實際輸出電壓。邏輯控制單元的任務是根據(jù)位置檢測器的輸出信號及正反轉(zhuǎn)信號決定導通相。被確定要導通的相并不總是在導通，它還要受PWM輸出信號的控制，邏輯“與”單元的任務就是把換相信號和PWM信號結合起來，再送到逆變器的驅(qū)動電路。

4 無刷直流電機在電動汽車中的應用

4.1 無刷直流電動機控制器MC33033集成電路

MC33033是Motorola公司生產(chǎn)的一款高性能的無刷直流電動機單片控制集成電路。

表一是MC33033的引腳功能。

MC33033內(nèi)部主要包括用于確定正確換相次序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、能為傳感器供電的帶溫度補償?shù)膮⒖茧妷涸础㈩l率可調(diào)的鋸齒波振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器、3個集電極開路的上橋臂驅(qū)動器和3個適合驅(qū)動大功率MOSFET的大電流下橋臂驅(qū)動器。

4.2 永磁無刷直流電動機的選型

在下列情況下可選用無刷直流電動機：

⑴ 使用直流電源；

⑵ 要求有高可靠性、長壽命、少維護或甚至不能維護的場合；

⑶ 要求對周圍電子儀器設備有低電磁干擾或低噪聲的地方；

⑷ 高速工作的要求；

⑸ 在高真空、有害介質(zhì)、液體介質(zhì)中工作或在強沖擊振動等惡劣條件環(huán)境下工作的情況；

⑹ 有防爆要求的場合。

4.3 無刷直流電機在電動汽車中的應用

電動汽車具有污染少、節(jié)約石油消耗、結構簡單、維修容易、使用壽命長等優(yōu)點，因而在能源、環(huán)保和節(jié)能方面顯示出卓越的優(yōu)越性；此外，電動汽車轉(zhuǎn)矩響應迅速、加速過程短、車輪轉(zhuǎn)速直接控制、易實現(xiàn)四輪獨立驅(qū)動和四輪轉(zhuǎn)向、制動安全性和可靠性較高等特點使其在車輛性能方面也呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢和強大的市場競爭力。采用無刷直流電機驅(qū)動的電動汽車結構如圖5所示。

5 結語

在電動汽車驅(qū)動用無刷直流電機的電磁設計中應以提高電機轉(zhuǎn)速為主要設計目標，進而為電動汽車提供體積小、質(zhì)量輕、功率和轉(zhuǎn)矩密度高的驅(qū)動電機，滿足運行需求。同時，無刷直流電機還可以應用在汽車的其他部件，例如，可以作為汽車空調(diào)的驅(qū)動電機。

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（本文審稿 張麗）