當(dāng)今世界，安全、環(huán)保和節(jié)能日益成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題，而電動(dòng)汽車(chē)由于具有低排放甚至零排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今汽車(chē)研究、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用領(lǐng)域從電動(dòng)叉車(chē)、場(chǎng)地車(chē)、觀光車(chē)以及其他一些特種車(chē)輛等傳統(tǒng)領(lǐng)域得以不斷拓展。

　　同時(shí)，隨著近些年來(lái)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計(jì)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(dòng)技術(shù)逐漸成熟。相比于現(xiàn)有串勵(lì)或者并勵(lì)有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，永磁無(wú)刷電機(jī)擁有功率密度大、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且采用永磁無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)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(jì)，使得驅(qū)動(dòng)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(dòng)技術(shù)，可以減少剎車(chē)片的磨損，同時(shí)又增加汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程。

　　因此，基于電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展需要和技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可靠、低成本、性能優(yōu)良的全數(shù)字化電動(dòng)汽車(chē)永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　本文首先通過(guò)比較分析永磁無(wú)刷電機(jī)的方波控制方式和正弦波控制方式的特點(diǎn)，選擇了方波電流控制方式作為本電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案，然后詳細(xì)分析了永磁無(wú)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(dòng)方式，介紹了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)計(jì)，最后給出了相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明控制系統(tǒng)性能。

　　永磁無(wú)刷電機(jī)方波電流控制方案更符合國(guó)情

　　傳統(tǒng)的永磁無(wú)刷電機(jī)理論認(rèn)為，永磁無(wú)刷電機(jī)根據(jù)反電勢(shì)波形不同，可分為具有梯形波反電勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和正弦波反電勢(shì)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(duì)三相正弦波反電勢(shì)的永磁無(wú)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(jì)方案的依據(jù)。

　　永磁無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由永磁無(wú)刷電機(jī)、三相逆變器、驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)策略從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(hào)傳感器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

　　而對(duì)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(guò)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），直軸和交軸兩個(gè)電流閉環(huán)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(hào)傳感器。工業(yè)伺服上常用的位置傳感器主要有絕對(duì)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(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)上，要求位置傳感器絕緣等級(jí)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(guò)以上比較分析可知，永磁無(wú)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(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)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(dòng)的四象限運(yùn)行控制為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)永磁無(wú)刷電機(jī)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　電機(jī)在第四象限運(yùn)行的細(xì)枝末節(jié)

　　用四象限來(lái)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?yàn)閄軸，通過(guò)兩個(gè)正交的坐標(biāo)軸把平面分為四個(gè)象限來(lái)分別表示電機(jī)的四個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：（1）正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行；（2）反轉(zhuǎn)能量回饋制動(dòng)運(yùn)行；（3）反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)；（4）正轉(zhuǎn)能量回饋制動(dòng)運(yùn)行。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，其主要運(yùn)行于第一象限的前進(jìn)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和第四象限的正轉(zhuǎn)能量回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。第四象限起到輔助制動(dòng)和回收能量給動(dòng)力蓄電池充電的作用，對(duì)于第三象限主要是指汽車(chē)倒車(chē)運(yùn)行，一般設(shè)有倒車(chē)速度限制，所以第二象限反轉(zhuǎn)能量回饋制動(dòng)運(yùn)行的作用較小。對(duì)于實(shí)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(dòng)序列即可，所以本節(jié)的重點(diǎn)在于討論電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于第四象限正轉(zhuǎn)能量回饋制動(dòng)運(yùn)行的技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　無(wú)刷電流電機(jī)的能量回饋制動(dòng)技術(shù)主要分為半橋斬波能量回饋制動(dòng)和全橋斬波能量回饋制動(dòng)兩種方式。前者在功率管開(kāi)通時(shí)，依靠電機(jī)反電勢(shì)建立電流，在電機(jī)繞組中儲(chǔ)存能量，當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，電機(jī)繞組中電流即沿著續(xù)流二極管給動(dòng)力蓄電池充電，而后者相當(dāng)于直接對(duì)電機(jī)施加反向驅(qū)動(dòng)序列，提供制動(dòng)力矩，甚至反向驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)回饋能量。相對(duì)而言，后者制動(dòng)效果更好，但會(huì)提供反向力矩，控制起來(lái)復(fù)雜。電動(dòng)汽車(chē)中的能量回饋制動(dòng)技術(shù)還需要滿(mǎn)足一些約束條件，首先必須滿(mǎn)足剎車(chē)系統(tǒng)的安全要求，通過(guò)機(jī)械剎車(chē)和電剎車(chē)的良好結(jié)合來(lái)確保安全；其次要確保能量回饋時(shí)電池充電安全的問(wèn)題，因?yàn)閯?dòng)力電池?fù)碛凶畲笤试S的充電電流限制；同時(shí)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(jì)選擇半橋斬波能量回饋制動(dòng)方式，通過(guò)電流閉環(huán)控制制動(dòng)力矩。

　　當(dāng)永磁無(wú)刷電機(jī)工作在正向電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，采用兩兩導(dǎo)通的控制方式，即任一時(shí)刻只有2個(gè)功率開(kāi)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(wú)刷電機(jī)工作在半橋斬波回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，則只調(diào)制處于下橋臂的三個(gè)功率管，而上橋臂的三個(gè)功率管始終是截止的，半橋斬波能量回饋制動(dòng)方式原理與升壓斬波（BOOST）電路的工作原理類(lèi)似。

　　以調(diào)制功率管為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，A、B相繞組蓄能，為續(xù)流狀態(tài)，此時(shí)的電流走向如圖1所示（為便于分析與計(jì)算，這里忽略了時(shí)的非換向區(qū)的三相導(dǎo)通現(xiàn)象）。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，A、B相繞組釋放能量，為充電狀態(tài)，此時(shí)的電流走向如圖2所示。

　　為了便于建立回饋制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，先進(jìn)行如下簡(jiǎn)化處理：在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)以及各種電感系數(shù)可看成常數(shù)[4]。設(shè)為兩相反電動(dòng)勢(shì)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(shí)為開(kāi)口向下的二次拋物曲線，具有最大值�？汕蟮么俗畲笾导皩�(duì)應(yīng)的占空比為：

　　綜上所述可知，永磁無(wú)刷電機(jī)半橋回饋制動(dòng)時(shí)，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(wú)刷電機(jī)半橋斬波回饋制動(dòng)時(shí)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(dòng)勢(shì)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(shí)，對(duì)于制動(dòng)力矩來(lái)說(shuō)，則隨著占空比的增加線性增加。

　　驅(qū)動(dòng)板是控制系統(tǒng)硬件的重要組成

　　永磁無(wú)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(dòng)板兩部分組成。驅(qū)動(dòng)板上主要有電流和電壓傳感器、開(kāi)關(guān)電源模塊、驅(qū)動(dòng)電路和由MOSFET組成的三相功率逆變器，電流傳感器分別檢測(cè)電機(jī)相電流和直流側(cè)電流，反激式開(kāi)關(guān)電源模塊擁有多路電壓輸出，其為整個(gè)控制系統(tǒng)供電。

　　將電流和電壓傳感器上所得到信號(hào)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(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，同時(shí)控制板上還擁有CAN通信網(wǎng)絡(luò)接口和多路開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入輸出，用于與汽車(chē)上其他部件連接。

　　仿真結(jié)果得到有效驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，對(duì)系統(tǒng)控制原理進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)控制器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)用永磁無(wú)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�？刂破鞑捎�72V鉛酸動(dòng)力電池供電。同時(shí)，仿真模型基于MATLAB/SIMULINK平臺(tái)搭建，參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)相同。為說(shuō)明半橋式能量回饋制動(dòng)方式的特點(diǎn)，通過(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)矩（b）回饋電流（實(shí)際波形為脈沖波形，此處經(jīng)過(guò)濾波）（c）相電流波形。仿真結(jié)果有效驗(yàn)證了前文推理結(jié)論，即半橋斬波能量回饋制動(dòng)方式中，制動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，利用直流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)永磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行能量回饋制動(dòng)試驗(yàn)，在100rpm轉(zhuǎn)速下，圖5所示為所獲得的實(shí)驗(yàn)相電流波形。實(shí)際應(yīng)用中，為保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的絕對(duì)安全可靠，保證動(dòng)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(chē)來(lái)制動(dòng)，目前的能量回饋制動(dòng)功能的最佳運(yùn)行工況在于電動(dòng)汽車(chē)下坡減速制動(dòng)上。

　　針對(duì)全數(shù)字化電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)思想和具體設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)在電動(dòng)觀光車(chē)和微型電動(dòng)汽車(chē)上近一年的試車(chē)運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，在同樣車(chē)型上，同等條件下與有刷串勵(lì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)前景。

　　本文首先通過(guò)比較分析永磁無(wú)刷電機(jī)的方波控制方式和正弦波控制方式的特點(diǎn)，選擇了方波電流控制方式作為本電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案，詳細(xì)分析了永磁無(wú)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(dòng)方式，其次介紹了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)計(jì)，最后給出了相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明控制系統(tǒng)性能。

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