电流滞环跟踪控制的永磁无刷直流电机回馈制动的研究

孙佃升,高联学，白连平

（1.滨州学院黄河三角洲高效生态经济发展研究院自动控制研究中心，山东滨州256600；2.北京信息科技大学自动化学院，北京100085）

电驱动系统是电动汽车的关键组成部分，其性能和效率决定了整车性能的优劣。永磁无刷直流由于具有转矩密度高、体积小、控制方便、调速性能好、直流供电等优点广泛应用于电动汽车的电驱动系统中。传统的电气制动方式有能耗制动和反接制动，这两种制动方式所产生的热量以热的形式散失掉，得不到回收利用。而回馈制动可以将电能回馈到蓄电池而不是消耗掉，因此回馈制动方式可大大延长电动汽车的单次充电行驶里程。蓄电池供电的无刷直流电机（BLDCM）调速系统与其他类型的电机调速系统相比，能够方便地实现回馈制动。

无刷直流电机特殊的应用场合和要求决定了长期以来对无刷直流电机控制的研究主要致力于减小转矩脉动，提高调速性能和运行稳定性；但对无刷直流电机四象限稳定运行，尤其是对回馈制动的研究则相对较少。随着无刷直流电机在电动汽车电驱动系统中的广泛应用，对其四象限运行控制的研究尤其是回馈制动的研究越来越受到重视。参考文献[1-3]研究了无刷直流电机回馈制动的控制方法，并在电动汽车上进行了实验研究。这些研究均采用对逆变桥的开关管进行PWM控制的方式，电机的电动和回馈制动在控制方式上不统一，存在较大差别。因此，有必要对无刷直流电机回馈制动的控制进行深入研究，寻找四象限运行下控制方式统一且简单可靠的控制策略。为此，本文提出了电流反相控制回馈制动方式，即通过控制电机相反电势和相电流的相位关系来控制电机运行状态的控制思想，将电机在正向电动、正向制动、反向电动、反向制动四种运行状态下的控制算法统一起来。

1 无刷直流电机调速系统的构成与控制方式

无刷直流电机调速系统主要由蓄电池及逆变电路、无刷直流电机、系统控制单元等几部分组成。图1为蓄电池、功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图。无刷直流电机运行时，定子绕组产生的反电势的波形为梯形波，三相之间互差120°电角度。为产生恒定的电磁转矩，使电机稳定运行，应合理控制三相绕组相电流的波形和相位。传统的控制方式下，电机电动运行时，相电流的导通方式采用两两通电、120°导通方式，即每个时刻都有两个功率管导通，每个功率管导通时间均为120°电角度，每1/6周期换相一次。图2为电机正向电动和反向电动运行下三相电流和三相反电势的波形及相位关系。

[1-3]研究的无刷直流电机的控制方法为PWM调制方式，有半桥调制和全桥调制两种。在半桥调制中，PWM只对导通周期内一对元件中的一个起作用。半桥调制的回馈制动下，逆变器只有处于下桥臂的三个功率管(T2、T4、T6)有PWM开关动作，而上桥臂的三个功率管(T1、T3、T5)始终是截止的。T2、T4、T6各导通120°，且正向制动时，T2、T4、T6的导通时刻为正向电动时各自上桥臂的导通时刻。此种控制方式在算法上与电动控制存在较大差异，且需要判断转向，因此控制算法较为复杂。

图1 无刷直流电机控制系统的电路图

图2 正向电动和反向电动运行下三相电流和三相反电势的波形

2 电流滞环跟踪控制方式的电动运行分析

电流控制采用滞环跟踪的控制策略的无刷直流电机(BLDCM)控制系统结构图如图3所示。转速调节器根据转速给定nr和转速反馈n采用控制算法得出转速调节器的输出。转速调节器的输出为相电流最大值，即参考电流生成模块的输入信号。参考电流生成模块根据IM和θ转子位置信号,产生三相电流的参考电流信号iar、ibr、icr。电流滞环调节器的作用就是调节电机实际相电流ia、ib、ic，使之跟踪电流参考信号。

图3 BLDCM控制系统结构图

电动运行下相电流的滞环跟踪控制方式如下:功率逆变电路的每相都有上下两个桥臂,为避免直流侧短路，同一相的上下两个桥臂中的IGBT的驱动信号,是使IGBT截止的信号,或是使IGBT开通的信号(反相的)，即一个IGBT的驱动信号则是让其开通的，另一个IGBT的驱动信号是让其截止的。A、B、C三相的情况类似，只是在相位上依次滞后120°电角度。至于A、B、C三相的电流参考信号的相位关系（iar超前于ibr，还是超前于icr）由电机的转向确定。

图4 电流滞环跟踪原理图

电流滞环跟踪原理图如图4所示,以A相为例进行分析。预先设定滞环宽度Δim，当iar-ia＜-im时，实际电流超出参考电流达到滞环宽度Δim,此时给A相上桥臂的开关管T1施加关断信号,给A相下桥臂的开关管T4施加开通信号，A相下桥臂开通（若ia＞0，D4导通，若ia＜0，T4导通），ua=-(1/2)Ud，A相电流下降。当iar-ia＞im时，参考电流超出实际电流达到滞环宽度Δim,此时给A相上桥臂的开关管T1施加开通信号，给A相下桥臂的开关管T4施加关断信号，A相上桥臂开通(若ia＞0，T1导通，若ia＜0，D1导通)，ua=(1/2)Ud，A相电流上升。因此，电流环采用电流滞环跟踪控制可使电机相电流跟随参考电流而变化，实现正向电动和反向电动运行。

3 电流滞环跟踪控制方式的回馈制动运行分析

由电机工作原理可知，电机在工作状态时是电动运行还是回馈制定运行，取决于电磁转矩是驱动性转矩还是制动性转矩。因此可以得出：电机运行于电动状态下相电流和相反电动势的相位关系与电机运行于回馈制动状态下相电流和相反电动势的相位关系正好相反。图2给出了电机运行于电动状态下相电流和相反电动势的相位关系，可见同一相的相电流和相反电势的波形相位相同。电机运行于回馈制动状态下同一相的相电流和相反电动势的波形相位就是相反的。图5给出了电机运行于回馈制动状态下三相电流和三相反电动势的波形。

三相反电动势eA、eB、eC的相位关系由电机转向决定，无论是正向回馈制动运行（正转时的回馈制动）还是反向回馈制动运行（反转时的回馈制动），各相电流相位与相应电动运行时相反。根据这一特点，可得出电流滞环跟踪控制方式回馈制动运行的控制方式是：电机由电动转入回馈制动，只需给出一个-IM值，其为参考电流生成模块的输入，IM的大小决定回馈制动电流的大小，即决定回馈制动的强度；参考电流生成模块与电流滞环调节器的控制方式与相应电动运行状态下的控制方式完全一致，将这种回馈制动控制方式命名为“电流反相控制回馈制动方式”。可见，该回馈制动控制方式能够将电机在正向电动、正向制动、反向电动、反向制动四种运行状态下的控制算法统一起来，相对于传统的PWM半桥、全桥调制控制方式，简单可靠，具有很大的优越性。

4 仿真实验

在Matlab软件的Simulink环境下对电流滞环跟踪控制的无刷直流电机控制系统进行建模仿真[4-7]。控制系统仿真参数如下：直流母线电压100 V，电机相绕组电阻R=0.5 Ω，相绕组电感L=0.5 H，绕组互感M=0.02 H，电动势常数Ke=0.4 Vgmin/r,系统转动惯量J=0.05 kgm2，阻尼系数B=0.002 N·m·s/rad，极对数P=1。电机起动后0.3 s施加负载转矩TL=3.5 Ngm，给定转速为500 r/min，在0.4 s时，下达回馈制动指令。电机转速和A相电流的响应波形如图6所示,由图可见，转速响应快且无超调，电流波形较理想。A相绕组反电动势波形eA、A相参考电流iar、A相电流ia的对应波形如图7所示。由图可见,电动运行时相电流与该相反电动势波形同相，回馈制动时反相，由电动到回馈制动的转换平稳。

图6 电机转速和A相电流响应波形

本文通过研究电流环采用电流滞环跟踪控制技术的无刷直流电机控制系统的运行特点，提出了电流滞环跟踪控制技术下实现回馈制动的电流反相控制回馈制动方式。应用该控制方式可实现电流滞环跟踪控制下电机的四象限运行。理论分析和仿真实验表明,该控制方式能够将四种运行状态下的控制算法统一起来，具有实现简便、可靠性高的特点，适合于无刷直流电机在电动汽车驱动系统领域的应用。

图7 A相绕组反电动势波形eA、A相参考电流iar、A相电流ia对应波形

参考文献

[1]黄斐梨，王耀明，姜新建,等．电动汽车永磁无刷直流电机驱动系统低速量回馈制动的研究[J]．电工技术学报，1995(3)：28-36.

[2]张毅，杨林，李立明,等．电动汽车无刷直流电动机的回馈控制[J]．上海交通大学学报，2005(9)：52-55.

[3]孙佃升，贾荣丛，白连平．半桥调制下无刷直流电机回馈制动的研究[J]．电力电子技术，2008(10)：22-24.

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

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