邢立成，韓豐陽，趙 敏

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051）

電動車用直流無刷電機電氣制動方法研究

邢立成，韓豐陽，趙 敏

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051）

根據(jù)直流無刷電機四象限運行的特性，對三種電氣制動方式做了分析比較，并提出了低速時采取回饋制動和反接制動相結合的制動方法。仿真實驗表明，在低速時反接制動可以補償回饋制動的制動強度不足的缺點。

直流無刷電機；回饋制動；反接制動

無刷直流電動機在伺服領域以及電動車上得到廣泛的應用。伺服電動機要求頻繁起動和制動且動態(tài)響應快。 因為電動車使用直流電池供電，所以還希望在電氣制動時充電，以增加續(xù)駛里程。電氣制動的方式主要有能耗制動、反接制動和回饋制動三種[1]。但能耗制動不僅耗散能量，還需要耗能電阻，因此不常使用。反接制動雖制動轉矩大，但要消耗電源能量?；仞佒苿涌梢曰厥漳芰?，但是在低速時轉矩不夠大。使用者可以根據(jù)具體工況選擇制動方式。這里采用回饋制動加反接制動。

1 四象限運行

無刷直流電動機伺服系統(tǒng)由電機、驅動器及位置傳感器三部分組成。其中驅動器包括逆變器和控制器。逆變器主回路和電機連接原理，見圖1。 圖中，主電路由三相橋式電路構成。直流電源供電[2]。

圖1 逆變器主回路和電機結構圖

電機工作原理是根據(jù)電機holl信號選擇換相，見表 1。每次換相有兩個管子導通，且使用PWM_ON導通方式。

表1 電動運行時霍爾信號與功率管導通狀態(tài)

狀態(tài)關系則由數(shù)學模型

式中U（a/b/c）為電樞三相電壓，ia/b/c為電樞電流，P為微分算子，R為電樞等效電阻，L為電樞電感，M為電樞互感及三相繞組電流數(shù)學表達式

可得反電勢表達式為

式中：覬m為磁通；Ce為電機電勢常數(shù)；ω為電機的角速度。其中電磁轉矩Te為

式中，CT為轉矩常數(shù)；E為電動勢；I為電樞電流由式（1）～（4），可得無刷電機的機械特性表達式為：

圖2給出了直流無刷電機四象限運行的機械特性MI～MIV。其中，I～IV象限分別表示正轉電動、正轉制動、反轉電動和反轉制動[2]。

圖2 四象限運行的機械特性

2 能耗制動

能耗制動就是突然切斷電源電壓，并在電樞回路中串入電阻R。切換的瞬間由于轉速n不能突變，即電動勢E不變，因此電樞電流為：

由于Te〈0，n〉0，轉矩起制動作用，所以電機減速。

在以上制動過程中，系統(tǒng)的機械功率一部分由電機空載損耗掉，一部分轉化為電磁功率通過制動電阻損耗，這會造成能量的浪費。

3 反接制動

反接制動方式需要直流電壓源提供制動電流。在制動過程中，稱電機反電勢產(chǎn)生的電流為再生電流，電源輸出的電流稱為反接電流，兩者之和即為制動電流[4]。在反接制動的初期，電源電壓和反電動勢的作用下，相電流迅速減為零，而后反向，形成制動電流。文獻[4]指出在反接制動時采用雙管調制可以通過控制占空比以獲得制動力矩脈動最小。

在換相時控制占空比為

可以使換相時制動力矩脈動最小。

反接制動時能夠更快地停車，但是要消耗電源功率，且要保證制動過程中制動電流不能太大。

4 回饋制動

4.1 回饋原理

這里采用半橋調制升壓斬波原理，即只有上半橋或下半橋上的3個元件有PWM輸出，另半橋上的3個管子保持截止。以下分析當VT2管有PWM則，一個周期中電樞線圈中存儲的能量和釋放的能量相等時，一個PWM周期T內的電流與能量的關系。圖4為一個周期內的電流波形。

圖3 一個PWM周期電流波形

這種升壓斬波回饋制動方式的制動力矩與電樞電流成正比，它可能達到的最大制動轉矩與電機的轉速成正比。

4.2 半橋調制回饋制動控制方式

電機制動時需控制充電電流iBr。反電勢越大，則充電電流越大；占空比越大，則充電電流也越大[5]。因此在回饋制動時，通過設定值與電機當前實際轉矩的差值，利用PID調節(jié)器調節(jié) PWM的占空比，從而控制iBr的大小，使制動轉矩跟隨給定轉矩的參考值變化，實現(xiàn)制動轉矩的控制。

5 制動方法改進

實際中，當電機轉速較高時，回饋制動的充電能力較好；當電機轉速下降到一定程度時，由于系統(tǒng)的機械能變小，使得電機的制動轉矩下降，此時的PID調節(jié)器處于飽和狀態(tài)。

為了滿足電機制動時的快速性，以及制動時的轉矩要求，可采用回饋制動與反接制動相接合的方法。該方法的原理是給定一個回饋制動的臨界轉速nbr，當轉速高于nbr時，采用回饋制動；當轉速低于nbr時，采用反接制動。文獻[3]中對此種方法做了仿真。證實了該方法的合理性與正確性。

6 結論

能耗制動方式通過調節(jié)能耗電阻來改變制動時間，若想輸出大的制動轉矩，則需要大功率的電阻。反接制動輸出的制動轉矩大，但是不易控制，若電機拖動位能性負載，則有可能出現(xiàn)反轉，這時倒不如使用能耗制動更加方便?；仞佒苿蛹饶芑厥漳芰坑帜芸焖僦苿邮鞘褂米疃嗟闹苿臃椒ā?/p>

[1]李發(fā)海，王巖.電機及拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，1994.

[2]劉軍，李金飛，俞金壽.無刷直流伺服電機四象限運行分析[J].上海交通大學學報，2009，43（12）：1911.

[3]王強，王明渝，范杰.電動叉車用無刷直流電機混合制動的研究[J].電力電子技術，2007（8）：70－73.

[4]胡慶波，鄭繼文，呂征宇.混合動力中無刷直流電機反接制動PWM調制方式的研究[J].中國電機工程學報，2007，27（30）：87－90.

[5]黃獎梨，王耀明，李發(fā)海.電動汽車永磁無刷直流電機驅動系統(tǒng)低速能量回饋制動的研究[J].電工技術學報，1995（3）：28－31.

〔責任編輯 石白云〕

A Study on Electrical Braking of Brushless DC Motor for Electric Vehicles

XING Li－cheng，HAN Feng－yang，Zhao Min
（Department of Electrical Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi，030051）

For study on 4-quadrant operation of Brushless DC Motor，an analysis of the three electrical braking method of BLDCM is given.A mixed braking method is needed which is composed of regenerative braking and opposed connection braking.Computer simulation and experimental results show that opposed connection braking can make up the disadvantage in low speed of regenerative braking.

brushless DCmotot；regenerative braking；opposes connection braking

R743.3

A

1674－0874（2012）02－0067－02

2011－12－08

邢立成（1985－），男，山西朔州人，碩士，研究方向：檢測技術與自動化裝置。