渠彥彥，顏鋼鋒

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

隨著全球環(huán)境污染和能源問題的日益嚴(yán)重，電動(dòng)車輛迎來了發(fā)展契機(jī)。但是，電動(dòng)車輛所遇到的最大問題是續(xù)航里程短。因此，如何有效地利用電池能量是發(fā)展電動(dòng)車輛所面臨的一個(gè)重要問題。

本文以電動(dòng)車用直流無刷電機(jī)(BLDCM)[1]為研究對(duì)象，提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法，將剎車產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能然后再存儲(chǔ)到電池中，以此延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)航里程。

1 能量回饋制動(dòng)的工作原理分析

BLDCM的等效電路與逆變橋如圖1所示[2]。R、L分別是電樞電阻、電感；ea、eb、ec分別是 a、b、c相的反電動(dòng)勢(shì)。ia、ib、ic是對(duì)應(yīng)的相電流。圖2是 BLDCM在電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的開關(guān)序列。其中，ea、eb、ec是電機(jī)的相反電動(dòng)勢(shì)，H1、H2、H3是霍爾信號(hào)；S1～S6是開關(guān)信號(hào)。在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，上橋臂開關(guān)管 S1、S3、S5為 PWM 調(diào)制，下管 S2、S4、S6為常開或常關(guān)。在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，上管全部關(guān)閉，下管為PWM調(diào)制。

1.1 電動(dòng)狀態(tài)

從圖2可知，一個(gè)電周期內(nèi)有6個(gè)狀態(tài)，以狀態(tài)Ⅰ作為研究對(duì)象。圖3給出了狀態(tài)Ⅰ的等效電路。在PWM信號(hào)為高電平時(shí)，功率管S1與S4飽和導(dǎo)通，電流經(jīng) S1→a、b相繞組→S4與電源閉合。如圖3中實(shí)線回路所示。a、b相繞組所加電壓為Vbatt，電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)。

在 PWM信號(hào)為低電平時(shí)，S1關(guān)閉，S4繼續(xù)飽和導(dǎo)通，電流回路為 S4→D2→a、b相繞組→S4，如圖 3中虛線回路所示。a、b相繞組上所加電壓為零，電機(jī)處于電動(dòng)續(xù)流狀態(tài)。

1.2 制動(dòng)狀態(tài)

由于電機(jī)屬于感性器件，根據(jù)升壓斬波原理，可通過合理控制各橋臂功率管的通斷，實(shí)現(xiàn)回饋充電。根據(jù)上述原理，可將上橋臂 S1、S3、S5全部關(guān)斷，下橋臂 S2、S4、S6輪流進(jìn)行PWM調(diào)制以產(chǎn)生回饋電流。下橋臂功率管的調(diào)制順序由霍爾信號(hào)決定，能量回饋時(shí)霍爾信號(hào)與功率管開通情況如圖2所示。當(dāng)控制器接收到剎車信號(hào)時(shí)，電機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)切換至制動(dòng)狀態(tài)。下面以狀態(tài)Ⅰ為例分析電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的工作原理及過程。圖4所示為電機(jī)在制動(dòng)狀下階段Ⅰ的開關(guān)信號(hào)S2和對(duì)應(yīng)相電流的波形。

設(shè)從t0至t2為S2的一個(gè)開關(guān)周期T，S2在t0時(shí)刻開通，t1時(shí)刻截止，電機(jī)a、b繞組中電流i的波形如圖4所示。

對(duì)狀態(tài)Ⅰ進(jìn)行分析，在[t0，t1]時(shí)間段功率管 S2飽和導(dǎo)通，電流回路為S2→D4→a、b繞組→S2。此時(shí)屬于電機(jī)電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的過程。具體等效電路如圖5(a)所示。

忽略 S2、D4的管壓降，此時(shí)回路電壓方程為[3]：

i的大小為：

在分析能量關(guān)系時(shí)忽略電阻R，則此時(shí)間段存儲(chǔ)在電機(jī)電感2(L-M)中的磁場(chǎng)能量WL為：

在[t1，t2]時(shí)間段，功率管 S2閉合，電流經(jīng) D4→a、b 相繞組→D1與電源閉合。此時(shí)電機(jī)電感釋放所存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量，為蓄電池充電，等效電路如圖5(b)所示。

電路電壓方程為：

電流為：

則蓄電池所吸收的能量為：

式中We為[t1，t2]時(shí)間段，汽車動(dòng)能經(jīng)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)作用轉(zhuǎn)化的電能，W′L為電感在[t1，t2]內(nèi)釋放的磁場(chǎng)能量。

假設(shè)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電感在[t0，t1]內(nèi)吸收的能量等于在[t1，t2]內(nèi)釋放的能量，即 WL=W′L，則有：

在不考慮電流i和Uab脈動(dòng)的情況下，從式(7)可得：式中d為PWM的占空比。

由此可知，通過選擇合適的d值，在S2截止時(shí)，可使蓄電池兩端電壓Uab≥Vbatt，即升壓斬波，從而實(shí)現(xiàn)能量回饋。

2 電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

本控制器研究的對(duì)象是72 V、5.5 kW的直流無刷電機(jī)。所用的微控制器是STM32F103RCT6。

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件電路主要由控制電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路4部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。模塊Ⅰ為控制電路，包括STM32最小系統(tǒng)和外部信號(hào)輸入，如電壓、溫度、轉(zhuǎn)把、剎車、霍爾信號(hào)等；模塊Ⅱ?yàn)檗D(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路；模塊Ⅲ為逆變電路；模塊Ⅳ為驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)方式為自舉驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)芯片是IR2110。

在實(shí)際工作過程中，主控芯片STM32處理外部輸入信號(hào)(如轉(zhuǎn)把、剎車信號(hào)等)，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器所提供的信號(hào)，按照相應(yīng)的換相邏輯發(fā)出一定占空比的PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路將接收到的PWM信號(hào)放大處理，用以驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率管以希望的開關(guān)頻率和占空比導(dǎo)通或關(guān)斷。從而使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)并輸出轉(zhuǎn)矩及功率。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件部分主要內(nèi)容包括主程序和ADC中斷子程序等。ADC中斷子程序是程序設(shè)計(jì)的最主要部分，主要完成電機(jī)工作狀態(tài)判定、相電流采樣及軟件濾波、速度計(jì)算、電動(dòng)狀態(tài)的速度和電流雙閉環(huán)算法、制動(dòng)狀態(tài)的電流閉環(huán)算法等。ADC中斷子程序流程圖如圖7所示。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本控制系統(tǒng)的可行性和可靠性，使用PSIM進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。PSIM用于仿真整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)及電動(dòng)和制動(dòng)工作狀態(tài)的運(yùn)行。仿真電路采用簡(jiǎn)化的控制電路。

圖8(a)和圖8(b)分別為電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)下，霍爾信號(hào) H1、H2、H3以及電機(jī)相電流 ia的 PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖。而圖9(a)和圖9(b)分別為電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)下， 霍爾信號(hào) H1、H2、H3以及電機(jī)相電流 ia的PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖。

比較圖8和圖9，相電流方向恰好相反，與理論分析的結(jié)果一致。驗(yàn)證了控制策略的正確性。

當(dāng)控制器工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)把信號(hào)有效，剎車信號(hào)無效；當(dāng)控制器工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)把信號(hào)無效，剎車信號(hào)有效。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中先使電機(jī)工作在最大速度的電動(dòng)狀態(tài)，即Speed=426 r/min，然后調(diào)整剎車信號(hào)給定制動(dòng)電流，此時(shí)電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)的狀態(tài)切換以及相電流ia和直流母線電流ibatt的波形如圖10所示，圖中給定制動(dòng)電流為45 A。由圖10可知，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)直流母線電流為正，電池釋放能量；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，直流母線電流為負(fù)，電池吸收能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)時(shí)的能量回饋。

本文提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法來實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的制動(dòng)與能量回饋。電動(dòng)狀態(tài)與制動(dòng)狀態(tài)的切換通過控制器內(nèi)部控制策略完成，無需做任何硬件變動(dòng)。通過PSIM仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法的可行性。

[1]郭慶鼎，趙希梅.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]孫立志.PWM與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]黃斐梨，王耀明，姜新建，等．電動(dòng)汽車永磁無刷直流電動(dòng)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)，1995，10(3)：28-31.