電流滯環(huán)跟蹤控制的永磁無刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)的研究

孫佃升,高聯(lián)學(xué)，白連平

（1.濱州學(xué)院黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究院自動(dòng)控制研究中心，山東濱州256600；2.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100085）

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，其性能和效率決定了整車性能的優(yōu)劣。永磁無刷直流由于具有轉(zhuǎn)矩密度高、體積小、控制方便、調(diào)速性能好、直流供電等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的電氣制動(dòng)方式有能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)，這兩種制動(dòng)方式所產(chǎn)生的熱量以熱的形式散失掉，得不到回收利用。而回饋制動(dòng)可以將電能回饋到蓄電池而不是消耗掉，因此回饋制動(dòng)方式可大大延長電動(dòng)汽車的單次充電行駛里程。蓄電池供電的無刷直流電機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)與其他類型的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，能夠方便地實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。

無刷直流電機(jī)特殊的應(yīng)用場合和要求決定了長期以來對(duì)無刷直流電機(jī)控制的研究主要致力于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高調(diào)速性能和運(yùn)行穩(wěn)定性；但對(duì)無刷直流電機(jī)四象限穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是對(duì)回饋制動(dòng)的研究則相對(duì)較少。隨著無刷直流電機(jī)在電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)其四象限運(yùn)行控制的研究尤其是回饋制動(dòng)的研究越來越受到重視。參考文獻(xiàn)[1-3]研究了無刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)的控制方法，并在電動(dòng)汽車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。這些研究均采用對(duì)逆變橋的開關(guān)管進(jìn)行PWM控制的方式，電機(jī)的電動(dòng)和回饋制動(dòng)在控制方式上不統(tǒng)一，存在較大差別。因此，有必要對(duì)無刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)的控制進(jìn)行深入研究，尋找四象限運(yùn)行下控制方式統(tǒng)一且簡單可靠的控制策略。為此，本文提出了電流反相控制回饋制動(dòng)方式，即通過控制電機(jī)相反電勢和相電流的相位關(guān)系來控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制思想，將電機(jī)在正向電動(dòng)、正向制動(dòng)、反向電動(dòng)、反向制動(dòng)四種運(yùn)行狀態(tài)下的控制算法統(tǒng)一起來。

1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成與控制方式

無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由蓄電池及逆變電路、無刷直流電機(jī)、系統(tǒng)控制單元等幾部分組成。圖1為蓄電池、功率逆變電路以及無刷直流電機(jī)的電路連接圖。無刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的反電勢的波形為梯形波，三相之間互差120°電角度。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)合理控制三相繞組相電流的波形和相位。傳統(tǒng)的控制方式下，電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，相電流的導(dǎo)通方式采用兩兩通電、120°導(dǎo)通方式，即每個(gè)時(shí)刻都有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每個(gè)功率管導(dǎo)通時(shí)間均為120°電角度，每1/6周期換相一次。圖2為電機(jī)正向電動(dòng)和反向電動(dòng)運(yùn)行下三相電流和三相反電勢的波形及相位關(guān)系。

[1-3]研究的無刷直流電機(jī)的控制方法為PWM調(diào)制方式，有半橋調(diào)制和全橋調(diào)制兩種。在半橋調(diào)制中，PWM只對(duì)導(dǎo)通周期內(nèi)一對(duì)元件中的一個(gè)起作用。半橋調(diào)制的回饋制動(dòng)下，逆變器只有處于下橋臂的三個(gè)功率管(T2、T4、T6)有PWM開關(guān)動(dòng)作，而上橋臂的三個(gè)功率管(T1、T3、T5)始終是截止的。T2、T4、T6各導(dǎo)通120°，且正向制動(dòng)時(shí)，T2、T4、T6的導(dǎo)通時(shí)刻為正向電動(dòng)時(shí)各自上橋臂的導(dǎo)通時(shí)刻。此種控制方式在算法上與電動(dòng)控制存在較大差異，且需要判斷轉(zhuǎn)向，因此控制算法較為復(fù)雜。

圖1 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的電路圖

圖2 正向電動(dòng)和反向電動(dòng)運(yùn)行下三相電流和三相反電勢的波形

2 電流滯環(huán)跟蹤控制方式的電動(dòng)運(yùn)行分析

電流控制采用滯環(huán)跟蹤的控制策略的無刷直流電機(jī)(BLDCM)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定nr和轉(zhuǎn)速反饋n采用控制算法得出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為相電流最大值，即參考電流生成模塊的輸入信號(hào)。參考電流生成模塊根據(jù)IM和θ轉(zhuǎn)子位置信號(hào),產(chǎn)生三相電流的參考電流信號(hào)iar、ibr、icr。電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的作用就是調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)際相電流ia、ib、ic，使之跟蹤電流參考信號(hào)。

圖3 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)運(yùn)行下相電流的滯環(huán)跟蹤控制方式如下:功率逆變電路的每相都有上下兩個(gè)橋臂,為避免直流側(cè)短路，同一相的上下兩個(gè)橋臂中的IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào),是使IGBT截止的信號(hào),或是使IGBT開通的信號(hào)(反相的)，即一個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則是讓其開通的，另一個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是讓其截止的。A、B、C三相的情況類似，只是在相位上依次滯后120°電角度。至于A、B、C三相的電流參考信號(hào)的相位關(guān)系（iar超前于ibr，還是超前于icr）由電機(jī)的轉(zhuǎn)向確定。

圖4 電流滯環(huán)跟蹤原理圖

電流滯環(huán)跟蹤原理圖如圖4所示,以A相為例進(jìn)行分析。預(yù)先設(shè)定滯環(huán)寬度Δim，當(dāng)iar-ia＜-im時(shí)，實(shí)際電流超出參考電流達(dá)到滯環(huán)寬度Δim,此時(shí)給A相上橋臂的開關(guān)管T1施加關(guān)斷信號(hào),給A相下橋臂的開關(guān)管T4施加開通信號(hào)，A相下橋臂開通（若ia＞0，D4導(dǎo)通，若ia＜0，T4導(dǎo)通），ua=-(1/2)Ud，A相電流下降。當(dāng)iar-ia＞im時(shí)，參考電流超出實(shí)際電流達(dá)到滯環(huán)寬度Δim,此時(shí)給A相上橋臂的開關(guān)管T1施加開通信號(hào)，給A相下橋臂的開關(guān)管T4施加關(guān)斷信號(hào)，A相上橋臂開通(若ia＞0，T1導(dǎo)通，若ia＜0，D1導(dǎo)通)，ua=(1/2)Ud，A相電流上升。因此，電流環(huán)采用電流滯環(huán)跟蹤控制可使電機(jī)相電流跟隨參考電流而變化，實(shí)現(xiàn)正向電動(dòng)和反向電動(dòng)運(yùn)行。

3 電流滯環(huán)跟蹤控制方式的回饋制動(dòng)運(yùn)行分析

由電機(jī)工作原理可知，電機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)是電動(dòng)運(yùn)行還是回饋制定運(yùn)行，取決于電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性轉(zhuǎn)矩還是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。因此可以得出：電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)下相電流和相反電動(dòng)勢的相位關(guān)系與電機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)下相電流和相反電動(dòng)勢的相位關(guān)系正好相反。圖2給出了電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)下相電流和相反電動(dòng)勢的相位關(guān)系，可見同一相的相電流和相反電勢的波形相位相同。電機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)下同一相的相電流和相反電動(dòng)勢的波形相位就是相反的。圖5給出了電機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)下三相電流和三相反電動(dòng)勢的波形。

三相反電動(dòng)勢eA、eB、eC的相位關(guān)系由電機(jī)轉(zhuǎn)向決定，無論是正向回饋制動(dòng)運(yùn)行（正轉(zhuǎn)時(shí)的回饋制動(dòng)）還是反向回饋制動(dòng)運(yùn)行（反轉(zhuǎn)時(shí)的回饋制動(dòng)），各相電流相位與相應(yīng)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相反。根據(jù)這一特點(diǎn)，可得出電流滯環(huán)跟蹤控制方式回饋制動(dòng)運(yùn)行的控制方式是：電機(jī)由電動(dòng)轉(zhuǎn)入回饋制動(dòng)，只需給出一個(gè)-IM值，其為參考電流生成模塊的輸入，IM的大小決定回饋制動(dòng)電流的大小，即決定回饋制動(dòng)的強(qiáng)度；參考電流生成模塊與電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的控制方式與相應(yīng)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的控制方式完全一致，將這種回饋制動(dòng)控制方式命名為“電流反相控制回饋制動(dòng)方式”。可見，該回饋制動(dòng)控制方式能夠?qū)㈦姍C(jī)在正向電動(dòng)、正向制動(dòng)、反向電動(dòng)、反向制動(dòng)四種運(yùn)行狀態(tài)下的控制算法統(tǒng)一起來，相對(duì)于傳統(tǒng)的PWM半橋、全橋調(diào)制控制方式，簡單可靠，具有很大的優(yōu)越性。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab軟件的Simulink環(huán)境下對(duì)電流滯環(huán)跟蹤控制的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真[4-7]?？刂葡到y(tǒng)仿真參數(shù)如下：直流母線電壓100 V，電機(jī)相繞組電阻R=0.5 Ω，相繞組電感L=0.5 H，繞組互感M=0.02 H，電動(dòng)勢常數(shù)Ke=0.4 Vgmin/r,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.05 kgm2，阻尼系數(shù)B=0.002 N·m·s/rad，極對(duì)數(shù)P=1。電機(jī)起動(dòng)后0.3 s施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=3.5 Ngm，給定轉(zhuǎn)速為500 r/min，在0.4 s時(shí)，下達(dá)回饋制動(dòng)指令。電機(jī)轉(zhuǎn)速和A相電流的響應(yīng)波形如圖6所示,由圖可見，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快且無超調(diào)，電流波形較理想。A相繞組反電動(dòng)勢波形eA、A相參考電流iar、A相電流ia的對(duì)應(yīng)波形如圖7所示。由圖可見,電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相電流與該相反電動(dòng)勢波形同相，回饋制動(dòng)時(shí)反相，由電動(dòng)到回饋制動(dòng)的轉(zhuǎn)換平穩(wěn)。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速和A相電流響應(yīng)波形

本文通過研究電流環(huán)采用電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)下實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)的電流反相控制回饋制動(dòng)方式。應(yīng)用該控制方式可實(shí)現(xiàn)電流滯環(huán)跟蹤控制下電機(jī)的四象限運(yùn)行。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明,該控制方式能夠?qū)⑺姆N運(yùn)行狀態(tài)下的控制算法統(tǒng)一起來，具有實(shí)現(xiàn)簡便、可靠性高的特點(diǎn)，適合于無刷直流電機(jī)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖7 A相繞組反電動(dòng)勢波形eA、A相參考電流iar、A相電流ia對(duì)應(yīng)波形

參考文獻(xiàn)

[1]黃斐梨，王耀明，姜新建,等．電動(dòng)汽車永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速量回饋制動(dòng)的研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1995(3)：28-36.

[2]張毅，楊林，李立明,等．電動(dòng)汽車無刷直流電動(dòng)機(jī)的回饋控制[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(9)：52-55.

[3]孫佃升，賈榮叢，白連平．半橋調(diào)制下無刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)的研究[J]．電力電子技術(shù)，2008(10)：22-24.

[4]JEON Y S.A new simulation model of BLDCM motors with real back EMF waveform[C].Proceeding from Computers in Power Electronics,2000:21-220.

[5]SALEM T,HASKEW T A.Simulation of the brushless DC machine[C].Proceeding from System Theory,1995:18-22.

[6]Cheng Kuangyao,Tzou Yingyu.Design of a sen sorless commutation IC for BLDC motors[J].IEEE Transactions on Power Electronic(S0885-8993),2003,18(6):1365-1375.

[7]SONG J H,CHOY I.Commutation torque ripple reduction in brushless dc Motor drives using a single dc current sensor[J].IEEE Transactions on Power Electronics(S0885-8993),2004,19(2):312-319.