新型電動車用無刷直流電機回饋制動控制技術(shù)

宋　哲

(中國科學(xué)院 電工研究所，北京　100190)

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新型電動車用無刷直流電機回饋制動控制技術(shù)

宋哲

(中國科學(xué)院 電工研究所，北京100190)

摘要：分析了無刷直流電機低速能量回饋制動控制的基本原理；針對回饋電流恒定的制動方式中，電流經(jīng)功率器件的二極管產(chǎn)生損耗較大的缺點，提出了基于同步整流技術(shù)的能量回饋制動控制新方法。該方法在回饋制動的續(xù)流階段和充電階段，反向?qū)üβ使艿拈_關(guān)器件代替二極管作為電流回路，以此降低回饋電路上的通態(tài)壓降，減小功率損耗，達到高效驅(qū)動的目的。通過對該方法的分析，得出了調(diào)制導(dǎo)通功率器件的邏輯順序，并根據(jù)工程應(yīng)用進行了相關(guān)簡化。仿真和試驗結(jié)果表明，在制動中采用此方法既能高效回饋能量，又能明顯縮短制動時間。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機； 同步整流； 回饋制動； 高效

0引言

無刷直流電機由于其無換向器、調(diào)速性能好等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)中。在電動車運行過程中，有時要根據(jù)實際情況進行減速或制動。常見的制動方式有機械制動和電氣制動，其中電氣制動方式包括能耗制動、反接制動和回饋制動[1-3]。機械制動直接將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，制動方式簡單可靠[4]；能耗制動是將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗在制動電阻上[5]；反接制動是將電機繞組接向電源的極性對調(diào)，制動效果明顯，但是需要電源提供制動電流[6]。

上述制動方式，均不能有效地回收和利用能量，而回饋制動則可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋到儲能裝置。其常用的控制方式有： 最大允許制動轉(zhuǎn)矩控制方式、基于能量回饋曲線(制動曲線)的控制方式和回饋電流恒定的控制方式[7-9]。最大允許制動轉(zhuǎn)矩控制方式能夠提供最大回饋電流，但其制動的動態(tài)波動性較大，可靠性較低；基于能量回饋曲線的控制方式可以實現(xiàn)制動的安全平穩(wěn)，但限制因素較多，控制復(fù)雜；回饋電流恒定的控制方式，由于控制方式簡單，回饋效果較好，得到了廣泛的研究和應(yīng)用[10-12]。

采用回饋電流恒定的恒轉(zhuǎn)矩制動控制方式時，電流經(jīng)二極管產(chǎn)生較大壓降，回饋電路的功率損耗比較明顯，尤其是在低速大電流制動控制中[13-15]。對此，本文提出了基于同步整流的回饋制動控制新方法，即在回饋制動的同時利用同步整流技術(shù)，反向?qū)ㄩ_關(guān)器件代替二極管作為電流回路。由于開關(guān)器件的通態(tài)電阻很小，因此利用同步整流技術(shù)可減小回路壓降，降低功率損耗，實現(xiàn)高效回饋制動。

1回饋制動原理分析

回饋制動一般發(fā)生在電機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，因此稱之為低速能量回饋制動[16]。在制動過程中電機產(chǎn)生與運行方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，同時將電機的動能轉(zhuǎn)化為電能回饋至蓄電池。但只有當電機端電壓高于直流側(cè)端電壓時，電機才能向蓄電池輸出電能。低速能量回饋制動時電機兩相繞組串聯(lián)后線電勢的幅值2e總是低于蓄電池的直流母線電壓Ud，因此無法直接回饋。由于電機繞組屬感性元件，故可利用升壓斬波原理[17]。一個PWM調(diào)制周期內(nèi)電流波如圖1所示。在一個PWM周期內(nèi)，當t0～t1時，繞組電感儲能，回路電流上升，此階段稱之為續(xù)流階段；當t1～t2時，繞組電感放電，向蓄電池充電，回路電流下降，此階段稱之為充電階段。

圖1　一個PWM調(diào)制周期內(nèi)電流波形

在回饋制動時，常采用半橋斬波的調(diào)制方式，即只對相同半橋上的3只功率器件進行PWM調(diào)制(如下半橋VT4、VT6、VT2)；而另外半橋上的3只功率器件總保持截止(如上半橋VT1、VT3、VT5)。圖2為電機制動時的功率管導(dǎo)通邏輯，上橋臂3個功率管全部關(guān)斷，反電勢為最大值相的下橋臂功率管斬波。

圖2　回饋制動功率管導(dǎo)通邏輯

以A、B相導(dǎo)通時制動為例進行分析，該過程只有VT4有開關(guān)動作。在區(qū)間0～2π/3為續(xù)流階段，調(diào)制導(dǎo)通VT4，通過PWM控制泵升電壓和續(xù)流電流的大小，電流回路為A相→VT4→VD6→B相，電路原理如圖3(a)所示；在區(qū)間2π/3～4π/3和4π/3～2π為充電階段，調(diào)制關(guān)斷VT4，此時泵升電壓高于直流母線端電壓，向蓄電池回饋能量，電流回路為A相→VD1→電源正→電源負→VD6→B相，電路原理如圖3(b)所示。

圖3　回饋制動電流回路

根據(jù)制動時的導(dǎo)通邏輯，采用半橋斬波的調(diào)制方式，一個周期電機有3個狀態(tài)，每120°電角度換相一次，功率管開關(guān)器件的導(dǎo)通順序[18]如表1所示。

表1　回饋制動導(dǎo)通順序

回饋電流i的大小與反電勢的大小及功率管觸發(fā)脈沖的占空比有關(guān)： 反電勢越大，則回饋電流越大；占空比越大，則回饋電流越大。因此，在反電勢一定的情況下，調(diào)節(jié)功率管開關(guān)器件的PWM占空比就能控制回饋電流i，進而控制制動轉(zhuǎn)矩。在制動過程中，常采用回饋電流恒定的控制方式[19-21]，轉(zhuǎn)矩給定值與電機實際轉(zhuǎn)矩的差值通過控制器調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而控制回饋電流i的恒定，使制動轉(zhuǎn)矩跟隨給定轉(zhuǎn)矩的參考值變化，實現(xiàn)制動的恒轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

2新型控制方法分析

在恒轉(zhuǎn)矩制動控制的續(xù)流階段和充電階段，回饋電流都會流經(jīng)功率器件的二極管。由于二極管的通態(tài)壓降較大，回饋電流明顯減小，因而產(chǎn)生較大的功率損耗。為了減小回路壓降，實現(xiàn)高效驅(qū)動，本文提出了基于同步整流的新型制動控制方式。利用功率器件可反向?qū)ǎ彝☉B(tài)電阻較小的特點，在回饋制動中反向?qū)ㄩ_關(guān)器件代替二極管作為電流回路，以此降低制動時電流回路的壓降，減小功率損耗，提高能量回饋的系統(tǒng)效率。

以A、B相導(dǎo)通時制動為例，在0～2π/3為區(qū)間的續(xù)流階段，調(diào)制導(dǎo)通VT4的同時導(dǎo)通VT6，代替VD6作為續(xù)流回路，電流回路為A相→VT4→VT6→B相，電路原理如圖4(a)所示；在2π/3～4π/3和4π/3～2π的充電階段，調(diào)制關(guān)斷VT4同時開起VT1，代替VD1作為充電回路，電流回路為A相→VT1→電源正→電源負→VT6→B相，電路原理如圖4(b)所示。

采用新型控制方法必須實時檢測泵升電壓，如果泵升電壓高于直流母線電壓，則在充電階段可以調(diào)制導(dǎo)通VT1，代替VD1作為充電回路，以減小壓降；如果泵升電壓低于直流母線電壓，則在充電階段必須調(diào)制關(guān)斷VT1，利用二極管VD1的單向?qū)щ娦裕刂闺娏鞣聪颍ＷC電磁轉(zhuǎn)矩仍為制動性質(zhì)。

根據(jù)以上分析，采用基于同步整流的回饋制動方法，一個周期電機同樣有3個狀態(tài)，也是每120°電角度換相一次，功率管開關(guān)器件的導(dǎo)通順序如表2所示。

圖4　同步整流的回饋制動

區(qū)間調(diào)制順序0～23πVT2→VT3→VT4→VT5→VT623π～43πVT1→VT2→VT4→VT5→VT643π～2πVT1→VT2→VT3→VT4→VT6

但在實際應(yīng)用中，考慮到制動的快速性和回饋的效果，同時為了使控制簡單，常對以上導(dǎo)通順序進行簡化。仍以A、B相導(dǎo)通時進行制動為例，在0～2π/3的續(xù)流階段，可以調(diào)制導(dǎo)通VT6，代替VD6作為續(xù)流回路；而充電階段對應(yīng)在2π/3～4π/3和4π/3～2π，與續(xù)流區(qū)間0～2π/3相鄰的區(qū)間為2π/3～4π/3，制動的快速性決定了在區(qū)間4π/3～2π的回饋效果甚微，因此在充電階段可只針對2π/3～4π/3區(qū)間進行同步整流。此時仍然需要實時檢測泵升電壓并同直流母線電壓相比較，以保證制動性的電磁轉(zhuǎn)矩。簡化后功率管開關(guān)器件的導(dǎo)通順序如表3所示：

表3　簡化后制動導(dǎo)通順序

3試驗研究

3.1仿真分析

基于MATLAB/Simulink建立無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，電動運行采用雙閉環(huán)控制策略，回饋制動中采用PI控制，以實現(xiàn)回饋電流的恒流控制。使用的方波型無刷直流電機具體參數(shù)如下： 額定電壓U=48V，額定功率P=185W，極對數(shù)p=4，每相電阻R=0.6Ω，每相電感L=0.93mH，開關(guān)頻率f=15kHz。

圖5為電機運行在2000r/min時，采用傳統(tǒng)控制方法制動的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩仿真波形。可以看出，當轉(zhuǎn)速降低到一定程度時，制動轉(zhuǎn)矩和制動能力變小，轉(zhuǎn)速的加速度減弱，轉(zhuǎn)速下降趨于平緩。

圖5　傳統(tǒng)制動方法轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖6為電機運行在2000r/min時，采用新型控制方法制動的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩仿真波形。開始制動時轉(zhuǎn)速較高，泵升電壓較大，在續(xù)流階段和充電階段均采用同步整流技術(shù)，制動轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)速下降明顯；當轉(zhuǎn)速降低到一定程度時，泵升電壓減小，只在續(xù)流階段采用同步整流技術(shù)，制動轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速下降較為平緩。

圖6　同步整流制動轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩仿真波形

3.2試驗分析

以ST公司的STM8S903K3為控制芯片搭建試驗平臺，通過芯片內(nèi)部A/D模塊實現(xiàn)電流的實時采樣，利用軟件編程完成數(shù)字PI的調(diào)節(jié)功能。圖7～圖9為電機運行在800r/min時，采用兩種不同制動方法得到的試驗波形。

圖7　A相電流試驗波形

圖8　A相電流局部放大波形

圖9　直流母線電流試驗波形

圖7是回饋制動時A相電流的試驗波形，圖8是圖7的局部放大。對比發(fā)現(xiàn)采用新型制動控制方式，單相電流波形更趨近于120°理想方波，基本消除了電流尖峰，有利于減小回路功耗，實現(xiàn)高效驅(qū)動。

圖9是回饋制動時的直流母線電流試驗波形。可以看出，采用傳統(tǒng)制動方法得到的直流母線電流緩慢減小，制動時間稍長，約為0.2s；采用新型制動方法得到的直流母線電流迅速減小，制動時間較短，約為0.1s。當電機轉(zhuǎn)速降低到一定程度時，動能減小，無法維持給定的參考轉(zhuǎn)矩，PI控制器飽和，因此圖9(a)中電流存在明顯的波動變化。新型控制方法由于采用了同步整流技術(shù)，回路壓降較小，制動迅速，因此圖9(b)中電流波動變化不大。

4結(jié)語

為實現(xiàn)電動車用無刷直流電機高效回饋制動控制，提出了基于同步整流技術(shù)的能量回饋制動控制方式，得到以下結(jié)論：

(1) 本文以常用的PWM半橋斬波方式為例進行了分析，在傳統(tǒng)恒轉(zhuǎn)矩制動控制的基礎(chǔ)上引入同步整流技術(shù)，形成了新型的控制方法，該方法同樣適用于全橋斬波方式；

(2) 提出的新型回饋制動控制技術(shù)，不改變電路結(jié)構(gòu)，采用軟件編程實現(xiàn)，且不受系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)控制策略影響；

(3) 試驗驗證了所提控制方式能夠有效地實現(xiàn)無刷直流電機的回饋制動，取得較佳的制動和節(jié)能效果，為實際工程應(yīng)用提供了新的方法和思路。

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[主要欄目]

·綜述·研究與設(shè)計·變頻與調(diào)速·控制與應(yīng)用技術(shù)

·應(yīng)用·運行與保護·新產(chǎn)品介紹·新能源與風(fēng)力發(fā)電

·電機系統(tǒng)節(jié)能·測試技術(shù)與檢測設(shè)備·行業(yè)信息

引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢報道經(jīng)典實用案例反映行業(yè)最新動態(tài)

A Novel Regenerative Braking Control Strategy of Brushless

DC Motor for Electric Vehicles

SONGZhe

(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Abstract：The principle of regenerative braking control of brushless DC motor was analyzed. A novel regenerative braking control strategy based on synchronous rectification was proposed to resolve the large loss problem of diode when the current through that used the traditional control. Conducting switches instead of diodes as a current loop reversely in the freewheeling state and the charge state, so the voltage drop on the power devices and the power losses reduced and the efficiency of the drive system improved. After analyzing the principle of the presented control method, logical modulation sequence of switches during braking was achieved and simplified according to engineering applications. Experimental results proved that using the new strategy in braking control not only improved efficiency of energy feedback but also decreased braking time.

Key words：brushless DC motor; synchronous rectification; regenerative braking; high efficiency

收稿日期：2015-06-03

中圖分類號：TM 331

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2015)12-0079-06

通訊作者：宋哲