驅動與反饋電流不對稱的電機驅動電路設計

毛乾寧　黃杰　周雅夫

摘 要：一種新型驅動與反饋電流不對稱的電機驅動電路，包括驅動電路和制動能量回收反饋電路。其中驅動電路為多個功率器件組成的橋式拓撲電路，具有逆變的功能，在控制電路的控制下，可將直流電電能轉換成驅動電機需要的電能。驅動電路的輸入端與電源連接，輸出端與電機連接。制動能量回收反饋電路為一個帶有控制的橋式整流電路，具有單向導通的功能，可將電機制動產生的電能回收到儲能元件或其它可消耗電能的裝置。能量回收反饋電路輸入端與電機連接，輸出端與儲能元件或其它可消耗電能的裝置連接。該新型驅動電路能夠應用于各種電機驅動系統，整流電路可以使用成本較低的功率器件，降低車輛成本。

關鍵詞：電機驅動電路；反饋電路

一、電路結構

驅動與反饋電流不對稱的電機驅動電路分為兩部分，分別是驅動電路和制動能量回收反饋電路。

（一）驅動電路方案

驅動電路為多個功率器件組成的橋式拓撲電路，具有逆變的功能，其輸入端與電源連接，輸出端與電機連接。在控制電路的控制下，驅動電路通過控制電路控制功率器件的開關狀態，實現逆變，將直流電電能轉換成驅動電機需要的電能。驅動電路中包含的功率器件有絕緣柵雙極型晶體管、MOSFET、碳化硅、鍺化硅。

當直流電源輸入，控制六個開關管的驅動脈沖，則從U、V、W三端（或其中兩端）得到交流電壓，成為逆變電路。驅動電路包括具有單向導通功能的二極管和單向可控硅，通過控制電路控制各個功率器件的開關狀態，從而實現逆變功能。

（二）制動能量回收反饋電路方案

在電動汽車上采用制動能量回收的技術，是提高電動汽車能量利用率與續駛里程的有效方法。制動能量回收反饋電路的輸入端與電機連接，輸出端與電源連接，所述的制動能量回收反饋電路為多個單向可控硅構成的橋式拓撲電路。單向可控硅具有單向導通的功能，可以實現電源驅動電機時電流不經過制動能量回收反饋電路，而控制電路控制每個單向可控硅的導通角，把電機制動時產生的電能回收到電源。

二、電路設計

這種新型驅動與反饋電流不對稱的電機驅動電路，可應用于各種電機驅動系統。

電機驅動電路包括一個動力蓄電池組B（15）、一個三相單繞組電機M1（16）、一個驅動電路A和一個制動能量回收反饋電路A。

所述的驅動電路A為總電路中絕緣柵雙極型晶體管（8）和六個絕緣柵雙極型晶體管（9～14）構成的橋式拓撲電路。總電路中絕緣柵雙極型晶體管（8）控制驅動與反饋的狀態；通過控制電路控制橋式拓撲電路中各個IGBT的開關狀態，實現逆變的功能，把動力蓄電池組B（15）產生的直流電電能轉換成驅動三相單繞組電機M1（16）需要的電能。

當三相單繞組電機M1（16）處于驅動狀態時，所述的驅動電路A導通、制動能量回收反饋電路A不導通。控制電路利用脈寬調制技術控制驅動電路A中橋式拓撲電路的六個絕緣柵雙極型晶體管的開關狀態，使動力蓄電池組B（15）產生的直流電流通過驅動電路A轉換成三相單繞組電機M1（16）所需的三相交流電 ，此時的電流比較小，所需的絕緣柵雙極型晶體管的容量比較小，因此所需的絕緣柵雙極型晶體管的成本比較低。

當三相單繞組電機M1（16）處于制動能量回收狀態時，所述的制動能量回收反饋電路A、驅動電路A均導通。控制電路控制制動能量回收反饋電路A中六個單向可控硅與驅動電路各個IGBT的開關狀態，使三相單繞組電機M1（16）產生的三相交流電大部分通過制動能量回收反饋電路A、較少一部分電流經過驅動電路A轉換成動力蓄電池組B（15）充電所需的直流電流。

三、電路仿真及結果分析

（一）永磁同步電機矢量控制模型原理

本文建模采用永磁同步電機為驅動電機，利用simulink建立模型，驗證驅動電路與反饋電路電流不對稱。

系統算法描述如下：

1.測量三相定子電流，可分別獲得ia 、ib 和ic 。同時測量轉子速度。

2.將三相電流變換至d、q軸系統。Clark變換將三相相電流測量值ia 、ib 和ic 變換為變量iα 和iβ 。

3. iα 和iβ 變量經過Park變換可獲得Id 和Iq 變量。Id 和Iq 變量為變換到旋轉坐標系下的正交電流。

4.通過將實際的Id、Iq 與給定值Idref 、Iqref 進行比較獲得各自的誤差信號。Id 給定值用以控制轉子磁通。Iq 給定值則用以控制電機的轉矩輸出。誤差信號作為PI控制器的輸入。PI控制器的輸出為Udref 、Uqref ，這兩個變量是施加到電機上的電壓矢量在d、q軸上的兩個分量。

5.通過使用Park逆變換可將PI控制器的輸出變量Udref、 Uqref 變換至靜止參考坐標系。該計算將產生正交電壓值Uα 、Uβ 。

6. Uα 、Uβ 值該三相電壓值用來計算新的PWM占空比以生成所期望的電壓矢量。

（二）仿真結果分析

當車輛電機處于制動能量回收狀態時，在0-0.2s，電路中流過小電流，經過驅動電路的電流約為2A，經過反饋電路的電流約為5A，經過總電路的電流約為7A；在0.2s-0.3s，電路中流過大電流，經過驅動電路的電流約為100A，經過反饋電路的電流約為260A，總電路中電流約為360A。有仿真結果得出：反饋電路中的電流大于驅動電路中的電流，較大一部分電流是經過反饋電路對電池充電。

即上文所設計的電路可以滿足：當車輛電機處于制動能量回收狀態時，可以使所產生的大電流較少一部分經過驅動電路的功率器件，而大部分電流經過反饋電路，使能量回收到儲能元件，從而降低逆變器功率器件的成本。

四、結束語

本文設計的驅動與反饋電流不對稱的電機驅動電路能夠應用于車輛的驅動系統中，在車輛的驅動系統中可以使用容量較小的功率器件，當車輛電機處于制動能量回收狀態時，可以使所產生的大電流不經過驅動電機的功率器件，而是經過整流電路的功率器件，使能量回收到儲能元件或其它可消耗電能的電路及裝置連接，而整流電路可以使用成本相對較低的功率器件，從而降低車輛成本。

參考文獻：

[1]張瑞琪.汽車能量回收系統設計[J].內燃機與配件，2018（01）：45-47.

[2]邱浩，董鑄榮，賀萍.一種新型電動汽車復合電源電路設計[J].電源技術，2015，39（08）：1726-1728+1779.

作者簡介：

1.毛乾寧（1996-），女，籍貫山西臨汾，漢族，大連理工大學運載工程與力學學部本科在讀，專業為車輛工程。

2.黃杰（1995-），男，籍貫廣西桂林，瑤族，大連理工大學運載工程與力學學部本科在讀，專業為車輛工程。

3.周雅夫（1962-），男，遼寧大連人，漢族，大連理工大學教授，博士生導師，主要從事汽車電子、新能源汽車控制技術研究。

基金項目：“大學生創新創業訓練”國家級項目，項目編號為2016101411053，項目名稱為《電動汽車驅動電機參數在線辨識與控制方法自尋優》.