新能源汽車永磁無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)能量回饋雙閉環(huán)控制技術(shù)

楊小兵,路高磊,王發(fā)群（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司,鄭州 450016）

新能源汽車永磁無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)能量回饋雙閉環(huán)控制技術(shù)

楊小兵,路高磊,王發(fā)群
（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司,鄭州 450016）

本文分析了新能源汽車永磁無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)能量回饋的雙閉環(huán)控制方法，論述了永磁無(wú)刷電機(jī)能量回饋原理和雙閉環(huán)控制原理，根據(jù)電機(jī)制動(dòng)能量回饋原理提出一種實(shí)現(xiàn)制動(dòng)可靠能量回饋控制方法，通過(guò)在電機(jī)控制器測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

新能源汽車；永磁無(wú)刷直流電機(jī)；能量回饋；雙閉環(huán)控制

1 前言

隨著新能源汽車控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)新能源汽車控制技術(shù)的要求越來(lái)越高，提高續(xù)航里程是其中的一個(gè)重要問(wèn)題，而新能源汽車用電機(jī)能量回饋技術(shù)可以將汽車制動(dòng)和減速時(shí)[1]的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋到蓄電池，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，但是，蓄電池容量都有一定的限制，制動(dòng)能量回饋時(shí)將產(chǎn)生很高的泵升電壓和電流，為了避免過(guò)高的泵升電壓和電流對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)危害，文中提出了通過(guò)控制占空比的辦法來(lái)抑制泵升電壓[2]和電流，提出了一種電壓和電流雙閉環(huán)數(shù)字控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵升電壓和電流的抑制，該方法通過(guò)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，無(wú)需改動(dòng)或增加硬件[3]，該方法可迅速抑制泵升電壓和電流，實(shí)現(xiàn)可靠的能量回饋控制，且具有良好的制動(dòng)效果。

2 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

圖1是永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由電源、控制電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路、位置傳感器和永磁無(wú)刷電機(jī)組成。

圖1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

工作原理：能量回饋即電動(dòng)機(jī)工作于再生制動(dòng)模式，在制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)控制電路控制驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路使電機(jī)電流方向與正向運(yùn)行時(shí)相反，便會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)產(chǎn)生的電壓高于蓄電池電壓時(shí)，可以將電流回饋至蓄電池，達(dá)到能量回饋的目的，在能量回饋控制時(shí)，將逆變電路上橋臂的功率管關(guān)斷，根據(jù)位置傳感器信號(hào)對(duì)下橋臂的功率管的通斷進(jìn)行有規(guī)律的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制，可以起到與Boost（升壓）變換器相同的效果，其基本控制原理是Boost Chopper（升壓斬波）方式，本文中選用半橋調(diào)制方式，在半橋斬波方式里，逆變電路6個(gè)開(kāi)關(guān)管中，只有處于相同半橋上的3個(gè)元件（如圖2中VT4、VT6、VT2）通有PWM波，另半橋上的3個(gè)元件（如圖2中VT1、VT3、VT5）始終是關(guān)斷的。

3 制動(dòng)能量回饋運(yùn)行原理分析和回饋電壓、電流限制方案

3.1 制動(dòng)能量回饋運(yùn)行原理分析

如圖2所示，在能量回饋狀態(tài)時(shí)，利用控制電路的控制信號(hào)，將功率逆變電路上半橋的功率管VT1、VT3、VT5全部關(guān)閉，而將下半橋的功率管VT2、VT4、VT6分別按照一定的規(guī)律進(jìn)行PWM控制，這樣，因上半橋續(xù)流二極管D1、D3、D5的存在，其等效電路等同于一個(gè)半控整流電路。

因新能源電動(dòng)汽車電池特性，電機(jī)在進(jìn)入能量回饋工作時(shí)，其回饋電壓必須高于蓄電池電壓，才能輸出電功率，所以能量回饋運(yùn)行的控制方法是采用半控整流的PWM升壓工作原理，但是，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮到最高轉(zhuǎn)速的回饋輸出電壓不應(yīng)該大于蓄電池的最高充電電壓,在低轉(zhuǎn)速時(shí)的能量回饋運(yùn)行是使下半橋的功率管VT2、VT4、VT6按規(guī)律通過(guò)PWM波控制產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)泵升電壓高于蓄電池的端電壓時(shí)就輸出電能，這一過(guò)程全部由控制電路控制。

為了便于分析，選擇VT4導(dǎo)通，且對(duì)脈寬調(diào)制工作取PWM的一個(gè)脈沖周期T進(jìn)行分析[4]，設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為t1，則截止時(shí)間T-t1。圖2、圖3給出了VT4在PWM一個(gè)脈沖周期T內(nèi)導(dǎo)通和截止的能量回饋運(yùn)行工作示意圖 。

圖2 在0到t1時(shí)間段VT4導(dǎo)通

在[0，t1]時(shí)間段內(nèi)VT4導(dǎo)通，其工作回路為A相繞組進(jìn)入VT4，然后進(jìn)入D6，而后進(jìn)入B相繞組，最后回到A相繞組。此時(shí)屬于電機(jī)電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的過(guò)程。當(dāng)忽略VT4、D6的管壓降時(shí)，由電壓回路方程 ：

且令UA-UB=0，i=-iA=iB得到回路電壓方程為：

存儲(chǔ)于電機(jī)電感2（L-M）的磁場(chǎng)能量為：

圖3 在[t1,T]時(shí)間段VT4截止

在[t1，T]時(shí)間段VT4截止，其工作回路為A相繞組進(jìn)入D1，而后進(jìn)入蓄電池再通過(guò)D6進(jìn)入B相繞組，最后回到A相繞組。此時(shí)電機(jī)電感釋放磁場(chǎng)能量的過(guò)程。當(dāng)忽略D1、D6的管壓降時(shí)，由式（1）且令UA-UB=Ud，i=-iA=iB得到回路電壓方程為：

回路電流為

蓄電池吸收的能量為 ：

式中，We、WR、WL'分別為[t1，T]時(shí)間段內(nèi)的汽車動(dòng)能經(jīng)電機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)換的電能、電機(jī)繞組發(fā)熱消耗的電能、電機(jī)電感2（L-M）釋放的磁場(chǎng)能量 。

設(shè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電感2（L-M）在[0，t1]時(shí)間段內(nèi)吸收的能量等于在[t1，T]時(shí)間段釋放的能量，即WL=WL'，結(jié)合式（8）、（9）得到 ：

則有當(dāng)不考慮電流i的脈動(dòng)，且忽略相電阻R時(shí)，由式得到：故得到 ：

式中D=t1/T即PWM的占空比,所以控制PWM的占空比D的大小即可使蓄電池兩端的電壓 uAB≥Ud（14）

3.2 回饋電壓、電流限制方案

新能源汽車用永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量回饋過(guò)程要受到車輛運(yùn)行狀態(tài)的限制，能量回饋的過(guò)程還要受到制動(dòng)安全和蓄電池的充電承受能力充電電流的大小限制，包括蓄電池SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)），電機(jī)系統(tǒng)的回饋能力和當(dāng)前轉(zhuǎn)速等?；仞佒苿?dòng)控制方案需要與整車要求緊密結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中，回饋制動(dòng)應(yīng)滿足一定的約束條件，并采取相應(yīng)的控制方案。如圖4所示，本文采取在控制電路中以閉環(huán)控制的方式自動(dòng)調(diào)整PWM占空比D ，采用雙PI（比例積分）控制閉環(huán)方式，外層是回饋電流控制閉環(huán)，內(nèi)層是回饋電壓控制環(huán)，回饋電流環(huán)輸出作為回饋電壓環(huán)的輸入，選擇合適的PI控制參數(shù)，使回饋電壓不低于蓄電池額定電壓和不超過(guò)蓄電池允許的最高充電電壓，并滿足回饋電流不超過(guò)蓄電池允許的最大充電電流。程序編寫采用模塊化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的中斷方式，將制動(dòng)回饋模塊放入定時(shí)中斷，能快速響應(yīng)制動(dòng)能量回饋。

圖4 回饋電壓電流控制

圖5是制動(dòng)能量回饋模塊程序流程圖，控制板根據(jù)當(dāng)前車輛運(yùn)行狀況（如車速、油門踏板、制動(dòng)踏板等）計(jì)算出制動(dòng)能量回饋轉(zhuǎn)矩需求值，將回饋轉(zhuǎn)矩需求值乘以轉(zhuǎn)矩電流系數(shù)得到回饋電流需求值，根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩和電池充電功率限制等參數(shù)計(jì)算出最大回饋轉(zhuǎn)矩，根據(jù)車輛加減速時(shí)車輛的平穩(wěn)性需求計(jì)算出回饋轉(zhuǎn)矩變化率限制值，通過(guò)PI參數(shù)設(shè)置對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)可靠的制動(dòng)能量回饋。

圖5 制動(dòng)能量回饋模塊程序流程圖

4 電機(jī)臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證

本文所述控制方案采用11KW永磁無(wú)刷直流電機(jī)在電機(jī)測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，電源使用直流穩(wěn)壓電源，回饋能量通過(guò)放入水中的電加熱器進(jìn)行了釋放。

表1 低轉(zhuǎn)速時(shí)回饋電壓、回饋電流和占空比數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該控制方法能將回饋電流限制在所設(shè)定的5.5A左右，能將回饋電壓限制在所設(shè)定的195～210的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所采用能量回饋控制方案，不需要改動(dòng)和增加硬件，直接利用現(xiàn)有的硬件電路實(shí)現(xiàn)了可靠的能量回饋，且對(duì)能量回饋過(guò)程進(jìn)行了有效控制，達(dá)到了較好的能量回饋和制動(dòng)效果。

[1]張俊智，薛俊亮等. 混合動(dòng)力城市客車串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009（06）.

[2]宋小慶.電動(dòng)裝甲車無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的再生制動(dòng)[J].微電機(jī),2001,34（01）:27-30.

[3]俞志文等.電動(dòng)汽車用無(wú)刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)研究[D].會(huì)議論文,2009.

[4]黃斐梨,王耀明,姜新建,劉士祥,李發(fā)海.電動(dòng)汽車永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速能量回饋制動(dòng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),l995（03）:28-3l.

楊小兵（1978-），男，本科，主要從事：新能源混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車的研究開(kāi)發(fā)工作。