直流串勵電機電子換向與4象限工作控制

吳松，莫岳平，周斌欣，2，謝莉，蔣偉

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225127；2.揚州大得機電科技有限公司，江蘇揚州225127）

直流串勵電機具有啟動轉矩大、過載能力強、調速性能良好、控制技術成熟等優(yōu)點，在工農業(yè)生產中得到廣泛應用。直流串勵電機傳統(tǒng)的換向方法采用電磁換向接觸器改變旋轉方向，不能實現快速與高頻率換向。同時，在傳統(tǒng)控制方式中電樞與勵磁串聯(lián)繞組兩端反向電動勢低于供電電壓，電機原則上只能工作在第1 或第3 象限。而電機若要在第2、第4 象限運行，就必須要有應對能量再生的策略，通常的處理策略采用電磁制動方式，其中能耗制動和反接制動又無法達到機械動能重復利用的目的。因此，設計更好的替代方法顯得非常必要［1-3］。

本文以直流串勵電機為控制對象，研究了由4個半導體開關元件組成的全橋電路控制電機電樞繞組的電流回路和方向，控制半導體開關元件的通斷和占空比便可實現直流串勵電機電子換向、變速與4象限運行。實驗結果表明，提出的控制方法能很好地控制直流串勵電機旋轉換向與制動，以及機械動能的回收，達到了預期效果［4］。

1 主電路拓撲結構

本系統(tǒng)拓撲結構如圖1 所示，由4 個體內含有反向二極管的開關管組成橋式電路，電樞繞組La兩端分別接于點Q3，Q4之間，勵磁繞組Lf與二極管D 并聯(lián)，二極管D 陽極與點Q2相連，陰極和電池正極相連；電池負極與點Q5相連。通過控制4個開關管的導通或關斷，改變電樞繞組La、勵磁繞組Lf的電流方向和回路，從而實現電機電子換向與4象限工作［5］。

圖1 主電路拓撲結構Fig.1 Topology of the main circuit

2 電機4象限運行工作過程

2.1 電機運行的4象限簡介

如圖2所示，橫軸X表示電機電磁轉矩方向，縱軸Y表示電機旋轉方向，建立直角坐標系XOY，電機運行的4種狀態(tài)的機械特性曲線分別在直角坐標系的4個象限［6］。由圖2可知，第1象限為正轉電動，此象限電機轉速與轉矩方向相同，車輛處于正向行駛模式；第2象限為正轉制動，即電機處于正轉發(fā)電狀態(tài)，電機轉速與轉矩方向相反，車輛處于正向制動模式；第3象限為反轉電動，電機轉速與轉矩方向相同，車輛處于倒行模式。第4象限為反轉制動，電機轉速與轉矩方向相反，車輛處于倒行制動模式［7］。

圖2 電機4象限運行機械特性曲線Fig.2 Motor mechanical characteristic curves in four-quadrant operation

2.2 電機4象限運行分析

在圖1 中，當選擇A1-A4作為供電開關對時，A1，A4導通，勵磁與電樞電流方向如圖3所示。假設此時電機的旋轉方向為正方向，則電機工作在第1象限［8］。

圖3 A1，A4導通電機運行時電流Fig.3 Motor current when A1，A4 switch on

當A1-A4供電開關對中A1導通，A4關斷或A1關斷，A4導通時，電樞電流在機械能維持的反向電動勢的激勵下增加，勵磁電流經D續(xù)流幾乎維持不變［9］。兩繞組中電流方向分別如圖4、圖5所示。無論是A1還是A4關斷，電樞與勵磁電流方向皆保持不變，即電機電磁轉矩方向保持不變，電機工作在第1 象限。若依照交錯方式選擇A1，A4的通斷，便可以讓開關的發(fā)熱均勻地出現在A1，A4上，減少其溫度脈動，增強短時過載能力。也可固定A1導通，只是通斷A4，這樣A1的開關損耗最小，則A1可以用較小規(guī)格的器件實現同樣的電流要求。

圖4 A1導通，A4關斷電機運行時電流Fig.4 Motor current when A1 on and A4 off

圖5 A1關斷，A4導通電機運行時電流Fig.5 Motor current when A1 off and A4 on

當A1、A4都關斷時，電樞繞組切割磁場產生反向電動勢，電樞電流經二極管D 向電池充電，實現電機軸上的機械能向電池持續(xù)饋電，電樞與勵磁繞組電流方向如圖6 所示。通過控制一個PWM 周期內與電樞電流方向一致的供電開關對中2 個開關都關斷的百分比來控制饋電電流的大小。

圖6 A1，A4關斷電機運行時電流Fig.6 Motor current when A1 and A4 switch off

當電機由A1-A4開關對供電切換至由A2-A3開關對供電，電機旋轉方向導致的電樞反向電動勢是由Q3指向Q4，由于A1-A4都關斷，此時勵磁電流經二極管D續(xù)流，由Q3指向Q4的電樞電流經A2的二極管，電樞繞組La，A3的二極管，二極管D和母線續(xù)流，迅速下降為零，并從此由A2-A3開關對供電，實現電機電磁力矩方向的改變。A2，A3通斷時電樞與勵磁繞組電流回路及方向與開關管A1，A4動作時情況類似，此處不再贅述。

3 數字控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)設計

本設計控制系統(tǒng)原理框圖如圖7 所示，以微處理器STM8S208R6作為電路控制核心，通過人機界面配置和調整車輛控制參數，單片機接收到調速信號后結合系統(tǒng)預設的參數，由系統(tǒng)軟件進行計算，輸出一組PWM控制脈沖，控制信號經過驅動電路和功率變換電路轉換后，控制電機運轉，電機運轉的同時將電機的電氣信號反饋給單片機，由系統(tǒng)軟件對控制系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、速度等變量進行監(jiān)測，實現控制系統(tǒng)的可靠運行。

圖7 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.7 Block diagram of the control system

3.2 STM8S208R6單片機程序設計

主程序中完成部分引腳、定時器、ADC 和一些重要參數等的初始化，檢測硬件電路工作是否安全，在中斷中根據速度、方向和電子剎車要求選取象限和調節(jié)A1到A4的占空比大小，實現電子換向等電路工作狀態(tài)的切換和控制，完成溫度檢測，進行電池電壓和放電電流的采樣，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow chart of main program

4 實驗結果與分析

直流串勵電機控制系統(tǒng)與電機接線如圖9所示。圖9中，Q1～Q5接線柱對應拓撲圖中各點，指示燈通過閃爍次數和快慢顯示控制器工作狀態(tài)?？刂破鳒y試用直流串勵電機參數為：額定功率P=5 kW，額定電壓U=45 V，額定電流I=139 A，額定轉速N=1 500 r/min。電機饋電電流大小與車輛速度、電磁制動力度等因素有關，實驗測得的饋電電流為車輛正常運行時電池母線電流的70%左右。

圖9 系統(tǒng)接線圖Fig.9 Wiring of system

圖10 電機正轉時電源供電電流及Q2點電壓Fig.10 The power supply current and Q2 voltage when motor forward rotation

圖10 為電機正向運行時Q2點電壓和電源供電電流波形，電機先加速再減速，此時電機工作在第1象限。

圖11 為電機正向制動時Q2點電壓和電源反充電電流波形。啟動電子剎車后，Q2點電壓絕對值變大，電機電樞繞組反向電動勢高于供電電壓，向電池反充電，反充電電流隨著電機速度減小而減小，電機工作在第2象限。

圖12 為電機反向旋轉時電源供電電流和Q4點電壓波形。圖13 為電機反向制動時電源反充電電流和Q4點電壓波形。

圖12 電機反轉時電源供電電流及Q4點電壓Fig.12 The power supply current when and Q4 voltage motor reverse rotation

圖13 電機反轉制動時電源饋電電流及Q4點電壓Fig.13 The power feedback current when and Q4 voltage motor reverse brake

圖12 中，電機先加速再減速，開關管A4通斷控制Q4點電壓分別對應電機電樞電壓和A4管管壓降，電機工作在第3象限。

圖13中，啟動電子剎車后電機電樞繞組反向電動勢高于供電電壓，向電池充電，電機工作在第4象限。

從電機分別在4 個象限運行時電源電流和Q2，Q4點電壓可以看出，本文設計的直流串勵電機控制方法實現了預期的控制功能。

5 結論

本文研究了實現直流串勵電機電子換向和4象限運行的新型控制方法，根據提出的勵磁與電樞繞組的接線方式連接電機，通過4 開關橋式電路控制電機，控制4 個供電開關的通斷便可實現對直流串勵電機運行象限的控制。實驗結果表明，所提出的控制方法能很好地控制電機換向與電機能量回收。

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