隨著社會的發(fā)展，近些年來電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計算機(jī)技術(shù)、稀土永磁材料、傳感器技術(shù)與電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，使得交流驅(qū)動技術(shù)逐漸成熟。相比于現(xiàn)有串勵或者并勵有刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，永磁無刷電機(jī)擁有功率密度大、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單牢固、易于維護(hù)等優(yōu)點，且采用永磁無刷電機(jī)作為驅(qū)動元件的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本較低；采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得驅(qū)動器接口靈活，控制能力更強(qiáng)，操作更加舒適；應(yīng)用能量回饋制動技術(shù)，可以減少剎車片的磨損，同時又增加汽車?yán)m(xù)駛里程。因此本文對永磁無刷電機(jī)做一些簡單的介紹，以便大家更好的了解。
首先通過比較分析永磁無刷電機(jī)的方波控制方式和正弦波控制方式的特點，選擇了方波電流控制方式作為本電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動方案，然后詳細(xì)分析了永磁無刷電機(jī)的四象限運(yùn)行控制方法以及半橋式能量回饋制動方式，介紹了整個控制系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)計，最后給出了相關(guān)仿真和實驗結(jié)果說明控制系統(tǒng)性能。
永磁無刷電機(jī)方波電流控制方案更符合國情
統(tǒng)的永磁無刷電機(jī)理論認(rèn)為，永磁無刷電機(jī)根據(jù)反電勢波形不同，可分為具有梯形波反電勢的無刷直流電機(jī)（BLDC）和正弦波反電勢的永磁同步電機(jī)（PMSM）。本節(jié)所討論的內(nèi)容則主要從控制策略出發(fā)，針對三相正弦波反電勢的永磁無刷電機(jī)的方波電流控制方式和正弦波電流控制方式（矢量控制）進(jìn)行比較分析，從而作為選定控制系統(tǒng)設(shè)計方案的依據(jù)。
永磁無刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由永磁無刷電機(jī)、三相逆變器、驅(qū)動電路、微控制器、電流傳感器、位置傳感器以及相應(yīng)的接口電路組成。對于方波電流控制方式，一般采用"六拍換相"， 兩兩導(dǎo)通和以及上管調(diào)制，下管恒通的全波控制方法，加上電流閉環(huán)以及能量回饋制動策略從而實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)四象限運(yùn)行，除了電流傳感器外，其還需要低成本的離散霍爾轉(zhuǎn)子位置信號傳感器來獲得轉(zhuǎn)子位置信號。
而對于正弦波電流控制方式，軟件算法相比方波控制就要復(fù)雜一些，但能獲得平滑的轉(zhuǎn)矩輸出性能，其需要利用矢量控制策略，通過空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），直軸和交軸兩個電流閉環(huán)控制，來實現(xiàn)根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子磁場位置定向和力矩電流的解耦控制，所以電機(jī)上必須要安裝能反映連續(xù)且擁有較高分辨率的轉(zhuǎn)子位置信號傳感器。工業(yè)伺服上常用的位置傳感器主要有絕對式和增量式光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，線性霍爾或者磁編碼器。應(yīng)用在電動汽車驅(qū)動上，要求位置傳感器絕緣等級高，結(jié)構(gòu)牢固，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗震能力，目前旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用較多。
通過以上比較分析可知，永磁無刷電機(jī)方波電流控制方案和正弦波電流控制方案主要硬件差別在于位置傳感器上，而軟件算法上正弦波控制略為復(fù)雜，但力矩控制性能更好。根據(jù)目前國內(nèi)電動汽車的市場狀況和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀，本文采用方波電流控制方式，以電流閉環(huán)和能量回饋制動的四象限運(yùn)行控制為基礎(chǔ)來對永磁無刷電機(jī)控制器進(jìn)行設(shè)計。
電機(jī)在第四象限運(yùn)行的細(xì)枝末節(jié)
用四象限來描述電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)一般是指以電機(jī)輸出力矩為Y軸，運(yùn)行方向為X軸，通過兩個正交的坐標(biāo)軸把平面分為四個象限來分別表示電機(jī)的四個運(yùn)行狀態(tài)：（1）正轉(zhuǎn)電動運(yùn)行；（2）反轉(zhuǎn)能量回饋制動運(yùn)行；（3）反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)；（4）正轉(zhuǎn)能量回饋制動運(yùn)行。針對電動汽車驅(qū)動的特點，其主要運(yùn)行于第一象限的前進(jìn)驅(qū)動狀態(tài)和第四象限的正轉(zhuǎn)能量回饋制動運(yùn)行狀態(tài)。第四象限起到輔助制動和回收能量給動力蓄電池充電的作用，對于第三象限主要是指汽車倒車運(yùn)行，一般設(shè)有倒車速度限制，所以第二象限反轉(zhuǎn)能量回饋制動運(yùn)行的作用較小。對于實現(xiàn)第一、三象限運(yùn)行中，只需應(yīng)用正向和反向的功率管導(dǎo)通驅(qū)動序列即可，所以本節(jié)的重點在于討論電動車驅(qū)動電機(jī)位于第四象限正轉(zhuǎn)能量回饋制動運(yùn)行的技術(shù)細(xì)節(jié)。
無刷電流電機(jī)的能量回饋制動技術(shù)主要分為半橋斬波能量回饋制動和全橋斬波能量回饋制動兩種方式。前者在功率管開通時，依靠電機(jī)反電勢建立電流，在電機(jī)繞組中儲存能量，當(dāng)功率管關(guān)斷時，電機(jī)繞組中電流即沿著續(xù)流二極管給動力蓄電池充電，而后者相當(dāng)于直接對電機(jī)施加反向驅(qū)動序列，提供制動力矩，甚至反向驅(qū)動力矩，同時回饋能量。相對而言，后者制動效果更好，但會提供反向力矩，控制起來復(fù)雜。電動汽車中的能量回饋制動技術(shù)還需要滿足一些約束條件，首先必須滿足剎車系統(tǒng)的安全要求，通過機(jī)械剎車和電剎車的良好結(jié)合來確保安全；其次要確保能量回饋時電池充電安全的問題，因為動力電池?fù)碛凶畲笤试S的充電電流限制；同時還要考慮電機(jī)的輸出能力和特性。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計選擇半橋斬波能量回饋制動方式，通過電流閉環(huán)控制制動力矩。
當(dāng)永磁無刷電機(jī)工作在正向電動狀態(tài)時，采用兩兩導(dǎo)通的控制方式，即任一時刻只有2個功率開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于三相逆變器上半橋臂和下半橋。而當(dāng)永磁無刷電機(jī)工作在半橋斬波回饋制動狀態(tài)時，則只調(diào)制處于下橋臂的三個功率管，而上橋臂的三個功率管始終是截止的，半橋斬波能量回饋制動方式原理與升壓斬波（BOOST）電路的工作原理類似。
以調(diào)制功率管為例來進(jìn)行說明。當(dāng)導(dǎo)通時，A、B相繞組蓄能，為續(xù)流狀態(tài)，此時的電流走向如圖1所示（為便于分析與計算，這里忽略了時的非換向區(qū)的三相導(dǎo)通現(xiàn)象）。當(dāng)關(guān)斷時，A、B相繞組釋放能量，為充電狀態(tài)，此時的電流走向如圖2所示。
為了便于建立回饋制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，先進(jìn)行如下簡化處理：在一個PWM周期內(nèi)，電機(jī)的反電動勢以及各種電感系數(shù)可看成常數(shù)[4]。設(shè)為兩相反電動勢幅值之和，為兩相繞組自感之和與互感之和的差值，為兩相繞組內(nèi)阻之和，為PWM占空比，為PWM周期，為電池電壓，內(nèi)阻。
由該電流斷續(xù)條件可得：
(1)直流母線上的平均回饋電流為
(2)此時為開口向下的二次拋物曲線，具有最大值?？汕蟮么俗畲笾导皩?yīng)的占空比為：
綜上所述可知，永磁無刷電機(jī)半橋回饋制動時，當(dāng)電樞電流斷續(xù)，直流母線上的平均回饋電流為單調(diào)遞增函數(shù)；當(dāng)電樞電流連續(xù)，為二次拋物線函數(shù)。因此，永磁無刷電機(jī)半橋斬波回饋制動時存在著使平均回饋電流達(dá)到最大值的最佳占空比，且隨著反電動勢的增大，即轉(zhuǎn)速的上升，該最佳占空比逐漸減小，最大平均回饋電流逐漸增大。同時，對于制動力矩來說，則隨著占空比的增加線性增加。
驅(qū)動板是控制系統(tǒng)硬件的 重要組成
永磁無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制系統(tǒng)硬件主要由控制板和驅(qū)動板兩部分組成。驅(qū)動板上主要有電流和電壓傳感器、開關(guān)電源模塊、驅(qū)動電路和由MOSFET組成的三相功率逆變器，電流傳感器分別檢測電機(jī)相電流和直流側(cè)電流，反激式開關(guān)電源模塊擁有多路電壓輸出，其為整個控制系統(tǒng)供電。
將電流和電壓傳感器上所得到信號連接到控制板的接口電路，然后輸入主控芯片。主控芯片采用微芯公司16位DSP處理器DSPIC30F5015，其擁有30MIPS的處理能力，16路10位AD， UART和CAN通信接口，以及電機(jī)控制用的多路PWM輸出等外設(shè)。前文所述相關(guān)軟件算法都基于此平臺設(shè)計開發(fā)，同時控制板上還擁有CAN通信網(wǎng)絡(luò)接口和多路開關(guān)量和模擬量輸入輸出，用于與汽車上其他部件連接。
仿真結(jié)果得到有效驗證
為驗證所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)控制原理進(jìn)行了仿真研究，并對控制器進(jìn)行試驗測試，試驗用永磁無刷電機(jī)參數(shù)為：額定功率7.5kw，額定電壓72V，額定電流170A，額定轉(zhuǎn)速3000rpm。控制器采用72V鉛酸動力電池供電。同時，仿真模型基于MATLAB/SIMUlink平臺搭建，參數(shù)與實際試驗樣機(jī)參數(shù)相同。為說明半橋式能量回饋制動方式的特點，通過仿真得到圖4所示結(jié)果，分別為隨著占空比的不斷提高（0-100%）（a）制動轉(zhuǎn)矩（b）回饋電流（實際波形為脈沖波形，此處經(jīng)過濾波）（c）相電流波形。仿真結(jié)果有效驗證了前文推理結(jié)論，即半橋斬波能量回饋制動方式中，制動力矩隨著占空比增加而線性增加，而在平均回饋電流隨著占空比變化呈現(xiàn)拋物線變化。
實驗中，利用直流電機(jī)作為原動機(jī)拖動永磁無刷電機(jī)進(jìn)行能量回饋制動試驗，在100rpm轉(zhuǎn)速下，圖5所示為所獲得的實驗相電流波形。實際應(yīng)用中，為保證驅(qū)動系統(tǒng)的絕對安全可靠，保證動力電池、電機(jī)以及控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，最終還是需要依靠機(jī)械剎車來制動，目前的能量回饋制動功能的最佳運(yùn)行工況在于電動汽車下坡減速制動上。
針對全數(shù)字化電動汽車用永磁無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)相關(guān)的軟硬件設(shè)計思想和具體設(shè)計方案。經(jīng)過在電動觀光車和微型電動汽車上近一年的試車運(yùn)行，所設(shè)計的永磁無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，在同樣車型上，同等條件下與有刷串勵電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)比較，綜合效率提高了近30%，續(xù)駛里程增加25%，具有良好的市場前景。
從這些我們可以看出 永磁無刷電機(jī)在電動汽車行業(yè)的應(yīng)用前景是非常光明的。
