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1、微特电机技术创新与发展论坛论文集 电动汽车用无刷直流电机回馈制动研究 俞志文1 ，姜淑忠1 ，温新明1 ，李 燕2 ( 1 上海交通大学，上海2 0 0 2 4 0 ；2 四川大学，成都6 1 0 0 6 5 ) 摘 要：以无刷直流电机驱动器中的三相桥来分析回馈制动的原理。着重分析了电动汽车在低 于额定转速时如何实现能量的回馈制动，在此基础上提出一种低速的能量回馈制动的新型控制 方法；并通过数学模型论证了新型控制方法的可行性。实验表明，这种方法可以很好地实现低 速制动及能量的回馈。 关键词：无刷直流电机；回馈制动；电动汽车；实验 I 陋溅I r c h 伽R e g e n e r a 缸v
2、eB 聆k i 峰o fB r 璐M e 鹤D CM O t o rf o rE I t r i cv e U c 垴 Y UZ I i w e n l ，J I A N GS h u z h o n 9 1 ，W E NX i n g - r I l i n 9 1 ，UY 柚2 ( 1 D e p a n m e n t0 fE l e c 喇c 8 lE n g i n e e r i n g ，S h a n g l l a iJ i a o t o n gU n i v e r s i 眵， S h 肌g l a i2 0 0 2 4 0 ，C h i I l a ；2 S i c
3、h u 锄U n i v e 鸺畸，C h e n g d o u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ) A b s t m c t ：1 1 l ep r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v ek a l 【i n gw i b e 舳a l y 冼dw i t l lt l l et l l r e e p h 鹊eb r i d g ei nB r u 8 1 1 l 朗s D Cm o t o r 曲V ei nt l l i sa n i c l e F o c u s i n go n 如a n a J y 8 i so fa c
4、h i e v i n gr e g e n e m t i V eb m k i n gi nac e n a i ns t a t e w h e r l et h ee l e c t r i cV e h i c l e sa tl o w e rt h 肌t l l er a | 【e ds p e e d ，t h e nan e wc o n 帅lm e t h o dw i l lb ea d v 锄c e do n t l l eb 鹊i so ft h e 眈p r i n c i p l e I nt l l i sp a p e r ，t l l em a t h e
5、m d c a lm o d e lw i ub ea d v 锄c e dt op r o v et h ef e 鹊i b i l i t yo fn e wc o n t m lm e t h o d E x l ) e r i m e n t ss h o wt I l a tt I l i sm e 山o dc 锄解h i e V eg o o dl o w 喝p e e db 阳k i n ga n d e n e r g yi nr e t 岫 K e yW o r d s ：B L D C M ；R e g e n e r a t i V eb m l 【i n g ；E l
6、e c t r i cV e h i c l e ；E x p e r i m e n t 0 引言 1 回馈制动原理 开发新型环保节能的电动汽车成为汽车工业 的新方向。牵引电机及其控制系统既是电动汽车 的心脏，又是电动汽车研制的关键技术之一。近 十年来，主要发展交流异步电机和永磁无刷电机 系统。与原有的直流电机相比，无刷直流电机采 用电子换向，消除了机械换向产生的电火花，工 作寿命延长。但是电动汽车的一次运行时间短， 这在一定程度上制约了电动汽车的发展。据相关 部门的调查显示，在电动汽车运行中2 0 的能量 消耗在了刹车起停上下坡中。如果将那部分能量 回馈到车载电池中，那么电动汽车将在原有的
7、运 行时间上将又有很大提升的空间。本文以逆变器 作为研究背景，不需做任何的硬件改进就可使电 动汽车从运行状态切换到能量回馈制动状态，从 而实现能量的回馈制动。 1 1 无刷直流电机运行原理 图l 是无刷直流电机6 个开通状态中的一个。 当P W M 为高电平时，即晶闸管1 、4 开通时，电 流就按图2 的方向从晶闸管1 经过电机流到晶闸管 4 ；而当P w M 为低电平时，即晶闸管l 、4 关断 时，由于电机是感性负载，所以电流不可能发生 突变，电流将通过续流二极管D 2 流向续流二极 管D 3 。 通过上述分析可以看出，在电流续流阶段， 由于电感的作用使的电流从续流二极管D 2 流向了 D
8、3 ，给电源充电了。由此得到启发，如果改变控 制方式就可以实现能量的回馈制动。 1 2 无刷直流电机的回馈制动原理 假如正常运行时，在某个霍尔状态下，开关 管1 和4 导通，那么电流方向为从开关管1 流到开 关管4 ，如图l 。电机在制动状态时，如果晶闸管 一9 1 电动汽车用无刷直流电机回馈制动研究 1 、2 、3 、4 、5 、6 都不导通，那么在电机的线圈 中只有感应电势，没有感应电流。如图2 所示，如 果开通晶闸管2 和给晶闸管4 通P W M 波形，此时 就形成了一个电流通道。当P w M 为高电平时，电 流从晶闸管2 流过晶闸管4 形成回路。因为电机中 有电感的存在，在电流回路中，
9、电感也在不停地 存储能量，直到饱和；当P W M 为低电平时，由于 ，】： 电路中存在电感的作用( 豢) ，使得电机的反电动 U 势升高，所以电流将从晶闸管2 流向续流二极管4 形成电流回路。此时，电机成为发电机，开始向 电池充电。 图1无刷直流电机运行时的三相桥控制 图2 无刷直流电机回馈制动时的三相桥控制 2 数学模型下的能量回馈 通过第l 节的分析，可以从表面上理解回馈制 动的原理。要想更加深入的了解该原理，必须从 其本质出发，借助数学这门工具来解答它。为了 清楚的分析能量回馈，故将其分成两个阶段。以 晶闸管4 的开通状况作为分界点，首先分析下晶闸 管4 导通时的状态。 图3 是图2 的
10、简化等效图。根据图3 可以写出 回路电压方程式 热。糕一为时间慨 晶闸管4 R 月。+ b 图3 晶闸管4 导通时的等效图 由式( 3 ) 可以看出，在晶闸管4 导通的时候， 电感。，。正在进行能量存储。这个阶段，电流 没有向电池回馈充电，此时为能量回馈的第二个 阶段做准备。 形= I M ( t ) i ( t ) 山( 4 ) J l 式( 4 ) 为电感存储的能量，其中( ) = ( E 。一层。) 一i ( ) ( r 且+ r b ) 。 由于在第一阶段电感存储了大量的能量，所 以在第二阶段电感中的能量被释放出来。 根据图4 可以重新写出回路电压方程： E 。一E b = i ( r
11、 。+ r b ) + ( 。+ b ) d d t 一仉( 5 ) 同理得电流： 其中，i 。= i = i 。一( i 。一毛) e f 2 ( 6 ) E 。一E h U a 尺。+ 尺b 根据式( 3 ) 和式( 6 ) 可以得出电感在充电的时 间小于电感放电的时间。所以根据以上分析，通 过仿真可以得到电机的相电流波形如图5 所示。t 。 t ：时刻处在能量回馈的第一个阶段，t ：一t ，时刻 电机处在能量回馈的第二个阶段。 电 E 一E b = i ( r + r b ) + ( 。+ L b ) d d t ( 1 ) 月- + 对其拉斯变换得： 图4 晶闸管4 关断的等效图 生导
12、：。i ( 。) ( ，。+ r b ) + ( 。+ k ) i ( 。) ( 2 ) 3 能量回馈制动的实现 最后由反拉斯变换得电流解析式：通过第2 节的分析比较，可以知道只要根据无 江i 。一( i 。一i 。) e 。p ( 3 )刷直流电机的霍尔信号来对应开通不同的晶闸管， 一9 2 微特电机技术创新与发展论坛论文集 就可以连续不断地实现电机的能量回馈制动。针 对图5 我们希望在t ，到来时，电流最好不要出现 断续；选择好：，使电感尽可能多的储存能量。 图5 电机制动时的电流波形 由上面的分析可得，通过改变t ，一t 。的值反映 到软件上就是P w M 的周期值，及：的值反映到软 件
13、上就是P W M 的占空比来实现制动的强度。 下面通过表1 来说明电动汽车制动的效果 表l电动汽车空载条件下能量回馈制动与自然制动对比 能量同馈制动停车( 占 自然停车 空比斜率为一2 ) 转速刹车停车所转速停电停车所 ( r 面n ) 需圈数( 圈)( r m i n ) 需圈数( 圈) 2 2 31 6Z 4 05 6 3 1 52 63 1 26 O 3 7 93 23 6 87 7 4 3 54 44 1 29 2 4 6 55 64 c 21 1 2 5 5 67 45 3 01 3 3 通过表l 的对比可以很明显地看出，能量回馈 制动停车比自然停车要更加。根据图6 图7 可以看 出
14、占空比斜率对能量回馈制动的影响。 图6 占空比斜率为一2 时的曲线 图7 占空比斜率为一1 时的曲线 图中，n 为电动汽车空转时的转速；P 为电动 刹车到停车的圈速。 占空比斜率是指在不同的转速下，对应P w M 的占空比将随斜率而变化，转速越高，占空比越 小，反之亦然。 从图6 图7 可以看出，回馈制动型刹车可以灵 活改变速度的变化率，在实际的运用中将有很大 的价值。 4 结论 本文从三相桥出发，分析了能量回馈制动式的 控制方法；又从数学角度阐述了该种控制方法的可 行性，最后借助电动车的实验平台实际证明改进控 制方法的正确性；由于此法不需要改进硬件就可实 现能量回馈制动，因此，具有很好的推广
15、意义。 参考文献 1 MAE 1 s h a 【a wi ，AAE 1 一s m n a b y H i g hp 哪f b 皿a n c eD r i v e 0 fD cB B l I l e 鹋M o t 0 璃u s i n gN e u m lN e t w o r k J 1 E E E1 h n 明c t i E r g yC v e m i ，1 9 9 4 ：9 ( 2 ) ：3 1 7 - 3 2 2 2 朱莉，姜淑忠永磁同步伺服卷绕系统的实现 J 电机与 控制应用，2 0 0 7 ，3 4 ( 3 ) ：4 7 4 9 3 黄斐梨等电动汽车永磁无刷电机控制系统的仿真分析 J 清华大学学报，1 9 9 5 ，3 5 ( 1 ) 4 张琛，直流无刷电机原理及应用 M 北京：机械工业出版 社。2 0 0 4 作者简介：俞志文( 1 粥3 一) ，男，硕士生，研究方向为无刷 直流电机的控制及驱动。 姜淑忠，男，副教授，硕士生导师研究方向为中小型伺服 控制系统。 一9 3
