電動(dòng)車用直流無(wú)刷電機(jī)電氣制動(dòng)方法研究

邢立成，韓豐陽(yáng)，趙 敏

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051）

電動(dòng)車用直流無(wú)刷電機(jī)電氣制動(dòng)方法研究

邢立成，韓豐陽(yáng)，趙 敏

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051）

根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)四象限運(yùn)行的特性，對(duì)三種電氣制動(dòng)方式做了分析比較，并提出了低速時(shí)采取回饋制動(dòng)和反接制動(dòng)相結(jié)合的制動(dòng)方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在低速時(shí)反接制動(dòng)可以補(bǔ)償回饋制動(dòng)的制動(dòng)強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)。

直流無(wú)刷電機(jī)；回饋制動(dòng)；反接制動(dòng)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在伺服領(lǐng)域以及電動(dòng)車上得到廣泛的應(yīng)用。伺服電動(dòng)機(jī)要求頻繁起動(dòng)和制動(dòng)且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 因?yàn)殡妱?dòng)車使用直流電池供電，所以還希望在電氣制動(dòng)時(shí)充電，以增加續(xù)駛里程。電氣制動(dòng)的方式主要有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)三種[1]。但能耗制動(dòng)不僅耗散能量，還需要耗能電阻，因此不常使用。反接制動(dòng)雖制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但要消耗電源能量。回饋制動(dòng)可以回收能量，但是在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠大。使用者可以根據(jù)具體工況選擇制動(dòng)方式。這里采用回饋制動(dòng)加反接制動(dòng)。

1 四象限運(yùn)行

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及位置傳感器三部分組成。其中驅(qū)動(dòng)器包括逆變器和控制器。逆變器主回路和電機(jī)連接原理，見(jiàn)圖1。 圖中，主電路由三相橋式電路構(gòu)成。直流電源供電[2]。

圖1 逆變器主回路和電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)工作原理是根據(jù)電機(jī)holl信號(hào)選擇換相，見(jiàn)表 1。每次換相有兩個(gè)管子導(dǎo)通，且使用PWM_ON導(dǎo)通方式。

表1 電動(dòng)運(yùn)行時(shí)霍爾信號(hào)與功率管導(dǎo)通狀態(tài)

狀態(tài)關(guān)系則由數(shù)學(xué)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(xué)表達(dá)式

可得反電勢(shì)表達(dá)式為

式中：覬m為磁通；Ce為電機(jī)電勢(shì)常數(shù)；ω為電機(jī)的角速度。其中電磁轉(zhuǎn)矩Te為

式中，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；E為電動(dòng)勢(shì)；I為電樞電流由式（1）～（4），可得無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為：

圖2給出了直流無(wú)刷電機(jī)四象限運(yùn)行的機(jī)械特性MI～MIV。其中，I～I(xiàn)V象限分別表示正轉(zhuǎn)電動(dòng)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)[2]。

圖2 四象限運(yùn)行的機(jī)械特性

2 能耗制動(dòng)

能耗制動(dòng)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(zhuǎn)速n不能突變，即電動(dòng)勢(shì)E不變，因此電樞電流為：

由于Te〈0，n〉0，轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用，所以電機(jī)減速。

在以上制動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)的機(jī)械功率一部分由電機(jī)空載損耗掉，一部分轉(zhuǎn)化為電磁功率通過(guò)制動(dòng)電阻損耗，這會(huì)造成能量的浪費(fèi)。

3 反接制動(dòng)

反接制動(dòng)方式需要直流電壓源提供制動(dòng)電流。在制動(dòng)過(guò)程中，稱電機(jī)反電勢(shì)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(dòng)電流[4]。在反接制動(dòng)的初期，電源電壓和反電動(dòng)勢(shì)的作用下，相電流迅速減為零，而后反向，形成制動(dòng)電流。文獻(xiàn)[4]指出在反接制動(dòng)時(shí)采用雙管調(diào)制可以通過(guò)控制占空比以獲得制動(dòng)力矩脈動(dòng)最小。

在換相時(shí)控制占空比為

可以使換相時(shí)制動(dòng)力矩脈動(dòng)最小。

反接制動(dòng)時(shí)能夠更快地停車，但是要消耗電源功率，且要保證制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)電流不能太大。

4 回饋制動(dòng)

4.1 回饋原理

這里采用半橋調(diào)制升壓斬波原理，即只有上半橋或下半橋上的3個(gè)元件有PWM輸出，另半橋上的3個(gè)管子保持截止。以下分析當(dāng)VT2管有PWM則，一個(gè)周期中電樞線圈中存儲(chǔ)的能量和釋放的能量相等時(shí)，一個(gè)PWM周期T內(nèi)的電流與能量的關(guān)系。圖4為一個(gè)周期內(nèi)的電流波形。

圖3 一個(gè)PWM周期電流波形

這種升壓斬波回饋制動(dòng)方式的制動(dòng)力矩與電樞電流成正比，它可能達(dá)到的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。

4.2 半橋調(diào)制回饋制動(dòng)控制方式

電機(jī)制動(dòng)時(shí)需控制充電電流iBr。反電勢(shì)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(dòng)時(shí)，通過(guò)設(shè)定值與電機(jī)當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值，利用PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié) PWM的占空比，從而控制iBr的大小，使制動(dòng)轉(zhuǎn)矩跟隨給定轉(zhuǎn)矩的參考值變化，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制。

5 制動(dòng)方法改進(jìn)

實(shí)際中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，回饋制動(dòng)的充電能力較好；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到一定程度時(shí)，由于系統(tǒng)的機(jī)械能變小，使得電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，此時(shí)的PID調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。

為了滿足電機(jī)制動(dòng)時(shí)的快速性，以及制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩要求，可采用回饋制動(dòng)與反接制動(dòng)相接合的方法。該方法的原理是給定一個(gè)回饋制動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速nbr，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于nbr時(shí)，采用回饋制動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于nbr時(shí)，采用反接制動(dòng)。文獻(xiàn)[3]中對(duì)此種方法做了仿真。證實(shí)了該方法的合理性與正確性。

6 結(jié)論

能耗制動(dòng)方式通過(guò)調(diào)節(jié)能耗電阻來(lái)改變制動(dòng)時(shí)間，若想輸出大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則需要大功率的電阻。反接制動(dòng)輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但是不易控制，若電機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載，則有可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，這時(shí)倒不如使用能耗制動(dòng)更加方便?；仞佒苿?dòng)既能回收能量又能快速制動(dòng)是使用最多的制動(dòng)方法。

[1]李發(fā)海，王巖.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[2]劉軍，李金飛，俞金壽.無(wú)刷直流伺服電機(jī)四象限運(yùn)行分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（12）：1911.

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

[4]胡慶波，鄭繼文，呂征宇.混合動(dòng)力中無(wú)刷直流電機(jī)反接制動(dòng)PWM調(diào)制方式的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（30）：87－90.

[5]黃獎(jiǎng)梨，王耀明，李發(fā)海.電動(dòng)汽車永磁無(wú)刷直流電機(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（3）：28－31.

〔責(zé)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(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。