電流滯環跟蹤控制的永磁無刷直流電機回饋制動的研究

孫佃升,高聯學，白連平

（1.濱州學院黃河三角洲高效生態經濟發展研究院自動控制研究中心，山東濱州256600；2.北京信息科技大學自動化學院，北京100085）

電驅動系統是電動汽車的關鍵組成部分，其性能和效率決定了整車性能的優劣。永磁無刷直流由于具有轉矩密度高、體積小、控制方便、調速性能好、直流供電等優點廣泛應用于電動汽車的電驅動系統中。傳統的電氣制動方式有能耗制動和反接制動，這兩種制動方式所產生的熱量以熱的形式散失掉，得不到回收利用。而回饋制動可以將電能回饋到蓄電池而不是消耗掉，因此回饋制動方式可大大延長電動汽車的單次充電行駛里程。蓄電池供電的無刷直流電機（BLDCM）調速系統與其他類型的電機調速系統相比，能夠方便地實現回饋制動。

無刷直流電機特殊的應用場合和要求決定了長期以來對無刷直流電機控制的研究主要致力于減小轉矩脈動，提高調速性能和運行穩定性；但對無刷直流電機四象限穩定運行，尤其是對回饋制動的研究則相對較少。隨著無刷直流電機在電動汽車電驅動系統中的廣泛應用，對其四象限運行控制的研究尤其是回饋制動的研究越來越受到重視。參考文獻[1-3]研究了無刷直流電機回饋制動的控制方法，并在電動汽車上進行了實驗研究。這些研究均采用對逆變橋的開關管進行PWM控制的方式，電機的電動和回饋制動在控制方式上不統一，存在較大差別。因此，有必要對無刷直流電機回饋制動的控制進行深入研究，尋找四象限運行下控制方式統一且簡單可靠的控制策略。為此，本文提出了電流反相控制回饋制動方式，即通過控制電機相反電勢和相電流的相位關系來控制電機運行狀態的控制思想，將電機在正向電動、正向制動、反向電動、反向制動四種運行狀態下的控制算法統一起來。

1 無刷直流電機調速系統的構成與控制方式

無刷直流電機調速系統主要由蓄電池及逆變電路、無刷直流電機、系統控制單元等幾部分組成。圖1為蓄電池、功率逆變電路以及無刷直流電機的電路連接圖。無刷直流電機運行時，定子繞組產生的反電勢的波形為梯形波，三相之間互差120°電角度。為產生恒定的電磁轉矩，使電機穩定運行，應合理控制三相繞組相電流的波形和相位。傳統的控制方式下，電機電動運行時，相電流的導通方式采用兩兩通電、120°導通方式，即每個時刻都有兩個功率管導通，每個功率管導通時間均為120°電角度，每1/6周期換相一次。圖2為電機正向電動和反向電動運行下三相電流和三相反電勢的波形及相位關系。

[1-3]研究的無刷直流電機的控制方法為PWM調制方式，有半橋調制和全橋調制兩種。在半橋調制中，PWM只對導通周期內一對元件中的一個起作用。半橋調制的回饋制動下，逆變器只有處于下橋臂的三個功率管(T2、T4、T6)有PWM開關動作，而上橋臂的三個功率管(T1、T3、T5)始終是截止的。T2、T4、T6各導通120°，且正向制動時，T2、T4、T6的導通時刻為正向電動時各自上橋臂的導通時刻。此種控制方式在算法上與電動控制存在較大差異，且需要判斷轉向，因此控制算法較為復雜。

圖1 無刷直流電機控制系統的電路圖

圖2 正向電動和反向電動運行下三相電流和三相反電勢的波形

2 電流滯環跟蹤控制方式的電動運行分析

電流控制采用滯環跟蹤的控制策略的無刷直流電機(BLDCM)控制系統結構圖如圖3所示。轉速調節器根據轉速給定nr和轉速反饋n采用控制算法得出轉速調節器的輸出。轉速調節器的輸出為相電流最大值，即參考電流生成模塊的輸入信號。參考電流生成模塊根據IM和θ轉子位置信號,產生三相電流的參考電流信號iar、ibr、icr。電流滯環調節器的作用就是調節電機實際相電流ia、ib、ic，使之跟蹤電流參考信號。

圖3 BLDCM控制系統結構圖

電動運行下相電流的滯環跟蹤控制方式如下:功率逆變電路的每相都有上下兩個橋臂,為避免直流側短路，同一相的上下兩個橋臂中的IGBT的驅動信號,是使IGBT截止的信號,或是使IGBT開通的信號(反相的)，即一個IGBT的驅動信號則是讓其開通的，另一個IGBT的驅動信號是讓其截止的。A、B、C三相的情況類似，只是在相位上依次滯后120°電角度。至于A、B、C三相的電流參考信號的相位關系（iar超前于ibr，還是超前于icr）由電機的轉向確定。

圖4 電流滯環跟蹤原理圖

電流滯環跟蹤原理圖如圖4所示,以A相為例進行分析。預先設定滯環寬度Δim，當iar-ia＜-im時，實際電流超出參考電流達到滯環寬度Δim,此時給A相上橋臂的開關管T1施加關斷信號,給A相下橋臂的開關管T4施加開通信號，A相下橋臂開通（若ia＞0，D4導通，若ia＜0，T4導通），ua=-(1/2)Ud，A相電流下降。當iar-ia＞im時，參考電流超出實際電流達到滯環寬度Δim,此時給A相上橋臂的開關管T1施加開通信號，給A相下橋臂的開關管T4施加關斷信號，A相上橋臂開通(若ia＞0，T1導通，若ia＜0，D1導通)，ua=(1/2)Ud，A相電流上升。因此，電流環采用電流滯環跟蹤控制可使電機相電流跟隨參考電流而變化，實現正向電動和反向電動運行。

3 電流滯環跟蹤控制方式的回饋制動運行分析

由電機工作原理可知，電機在工作狀態時是電動運行還是回饋制定運行，取決于電磁轉矩是驅動性轉矩還是制動性轉矩。因此可以得出：電機運行于電動狀態下相電流和相反電動勢的相位關系與電機運行于回饋制動狀態下相電流和相反電動勢的相位關系正好相反。圖2給出了電機運行于電動狀態下相電流和相反電動勢的相位關系，可見同一相的相電流和相反電勢的波形相位相同。電機運行于回饋制動狀態下同一相的相電流和相反電動勢的波形相位就是相反的。圖5給出了電機運行于回饋制動狀態下三相電流和三相反電動勢的波形。

三相反電動勢eA、eB、eC的相位關系由電機轉向決定，無論是正向回饋制動運行（正轉時的回饋制動）還是反向回饋制動運行（反轉時的回饋制動），各相電流相位與相應電動運行時相反。根據這一特點，可得出電流滯環跟蹤控制方式回饋制動運行的控制方式是：電機由電動轉入回饋制動，只需給出一個-IM值，其為參考電流生成模塊的輸入，IM的大小決定回饋制動電流的大小，即決定回饋制動的強度；參考電流生成模塊與電流滯環調節器的控制方式與相應電動運行狀態下的控制方式完全一致，將這種回饋制動控制方式命名為“電流反相控制回饋制動方式”。可見，該回饋制動控制方式能夠將電機在正向電動、正向制動、反向電動、反向制動四種運行狀態下的控制算法統一起來，相對于傳統的PWM半橋、全橋調制控制方式，簡單可靠，具有很大的優越性。

4 仿真實驗

在Matlab軟件的Simulink環境下對電流滯環跟蹤控制的無刷直流電機控制系統進行建模仿真[4-7]。控制系統仿真參數如下：直流母線電壓100 V，電機相繞組電阻R=0.5 Ω，相繞組電感L=0.5 H，繞組互感M=0.02 H，電動勢常數Ke=0.4 Vgmin/r,系統轉動慣量J=0.05 kgm2，阻尼系數B=0.002 N·m·s/rad，極對數P=1。電機起動后0.3 s施加負載轉矩TL=3.5 Ngm，給定轉速為500 r/min，在0.4 s時，下達回饋制動指令。電機轉速和A相電流的響應波形如圖6所示,由圖可見，轉速響應快且無超調，電流波形較理想。A相繞組反電動勢波形eA、A相參考電流iar、A相電流ia的對應波形如圖7所示。由圖可見,電動運行時相電流與該相反電動勢波形同相，回饋制動時反相，由電動到回饋制動的轉換平穩。

圖6 電機轉速和A相電流響應波形

本文通過研究電流環采用電流滯環跟蹤控制技術的無刷直流電機控制系統的運行特點，提出了電流滯環跟蹤控制技術下實現回饋制動的電流反相控制回饋制動方式。應用該控制方式可實現電流滯環跟蹤控制下電機的四象限運行。理論分析和仿真實驗表明,該控制方式能夠將四種運行狀態下的控制算法統一起來，具有實現簡便、可靠性高的特點，適合于無刷直流電機在電動汽車驅動系統領域的應用。

圖7 A相繞組反電動勢波形eA、A相參考電流iar、A相電流ia對應波形

參考文獻

[1]黃斐梨，王耀明，姜新建,等．電動汽車永磁無刷直流電機驅動系統低速量回饋制動的研究[J]．電工技術學報，1995(3)：28-36.

[2]張毅，楊林，李立明,等．電動汽車無刷直流電動機的回饋控制[J]．上海交通大學學報，2005(9)：52-55.

[3]孫佃升，賈榮叢，白連平．半橋調制下無刷直流電機回饋制動的研究[J]．電力電子技術，2008(10)：22-24.

[4]JEON Y S.A new simulation model of BLDCM motors with real back EMF waveform[C].Proceeding from Computers in Power Electronics,2000:21-220.

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

[6]Cheng Kuangyao,Tzou Yingyu.Design of a sen sorless commutation IC for BLDC motors[J].IEEE Transactions on Power Electronic(S0885-8993),2003,18(6):1365-1375.

[7]SONG J H,CHOY I.Commutation torque ripple reduction in brushless dc Motor drives using a single dc current sensor[J].IEEE Transactions on Power Electronics(S0885-8993),2004,19(2):312-319.