永磁同步電機制動能量回收系統(tǒng)的控制方法

盧智鋒 ，李 軍 ，周世瓊 ，康龍云

（1.深圳市特種設備安全檢驗研究院，廣東 深圳 518029；2.中山職業(yè)技術學院 機械工程系，廣東 中山 528404；3.深圳信息職業(yè)技術學院交通與環(huán)境學院，廣東 深圳 518029；4.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641）

0 引言

能源是社會長期穩(wěn)定發(fā)展的關鍵因素之一。隨著社會的不斷進步，對能源的需求量也日益增大，使得能源枯竭日益嚴重。能源危機是當今各國所共同面臨也是必須解決的難題之一。如何有效地解決能源枯竭的問題，各國已經展開了廣泛而深入的探討，普遍認為應提高能源的利用率和開發(fā)新的能源。當然，提高能源的利用率并不能阻止能源的枯竭，但可起到延緩作用，從技術上緩解能源緊張的問題。提高能源的利用率也即節(jié)能技術，可以降低能源的使用成本，與廣大能源消耗者的切身利益密切相關。提高能源利用率的方法很多，能量回收是其中之一。能量回收是通過回收系統(tǒng)中剩余的（多余的）或制動時產生的能量，以達到節(jié)約能源的目的。

隨著電能大規(guī)模的應用，全球大多數電能都是通過電動機實現(xiàn)能量的轉換。目前，永磁電機驅動系統(tǒng)已經大量使用，而且這種情況將會持續(xù)下去［1］。電動機在制動過程中，特別是在頻繁制動的場合，如日常使用的電梯、電動車等的電機系統(tǒng)，往往會浪費大量的能源。通過回收制動能量產生電磁制動轉矩代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械制動，實現(xiàn)減速，是非常有必要的［2-5］。對制動能量進行回收，一方面可以節(jié)約能源，另一方面也可以作為電機的輔助制動，更好地保護制動器，并使制動更加平穩(wěn)簡單。

現(xiàn)在已有大量研究通過DC/DC逆變器實現(xiàn)制動能量回收的文獻［6-10］。本文通過AC/DC逆變器實現(xiàn)制動能量［11-13］回收，采用基于矢量控制的鉛酸蓄電池-永磁同步電機系統(tǒng)，通過制定相應的回收控制策略，利用逆變器對電動機制動時產生的交流電流進行整流，對蓄電池進行充電。本文首先介紹了制動能量回收系統(tǒng)的構成及系統(tǒng)的控制技術——電機系統(tǒng)采用矢量控制技術，逆變器采用正弦脈沖寬度調制（SPWM）技術；然后對能量回收系統(tǒng)的影響因素進行分析，制定控制策略；最后給出相應試驗測試數據并進行分析。

1 能量回收系統(tǒng)構成

永磁同步電機常采用磁場定向控制策略［14-15］。圖1（a）和圖1（b）分別為系統(tǒng)在驅動和制動2種狀態(tài)下的能量流向圖。直流電流以蓄電池對外做功為正，蓄電池吸收能量為負，即圖1（a）中直流電流為正，圖1（b）中直流電流為負。此外，從圖1中可以看出，系統(tǒng)在驅動和制動2個過程中，都使用了逆變器和位置傳感器。逆變器的作用為：驅動時通過逆變器驅動模塊控制功率器件的導通和關斷，將直流電流逆變?yōu)榻涣麟娏鳎―C/AC），向電動機提供能量；制動時電動機作為發(fā)電機產生交流電流，通過逆變器整流（AC/DC）后，向蓄電池輸入直流電流，實現(xiàn)制動能量回收。位置傳感器的作用是檢測永磁電機磁極位置的實時信號。

圖1 電機控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of motor control system

1.1 永磁電機的矢量控制

永磁電機的矢量控制原理和交流電機的類似。交流電機矢量控制的思想是將三相定子坐標轉換為兩相定子坐標，然后再轉換為同步旋轉坐標。產生相同的旋轉磁場的情況下，同步旋轉坐標系中電流為直流，即實現(xiàn)了交流電機的解耦［16］。坐標變換和逆變換分別如式（1）、（2）所示：

由于永磁電機是采用永磁體作為勵磁磁場的，空間矢量關系如圖2所示，因此不需要向電機提供勵磁電流，即d軸電流為0，通常稱之為id=0的控制，但其矢量控制需要時刻檢測磁極所在的位置。通過位置傳感器檢測磁極的位置信號，然后進行空間坐標變換，可得到直、交軸（d、q軸）的電流，變換和逆變換公式分別如式（3）、（4）所示：

其中，θr=ωt+θ，θ為t=0時刻d軸和A軸的夾角。

圖2 dq軸的空間矢量Fig.2 Space vector of dq axis

從式（3）和（4）中可以看出q軸的電流是電機控制的關鍵，只要通過控制iq的大小即可制定三相電流的幅值，而通過位置傳感器可以獲得三相電流的相角關系，因此整個控制系統(tǒng)可以簡化為只要實施對iq的控制即可實現(xiàn)電機轉速以及轉矩的控制。

1.2 SPWM技術

本電機系統(tǒng)的逆變器采用三相全橋電路，如圖3所示，通過SPWM技術控制逆變器，使其按設定值進行輸出/輸入。SPWM采用標準正弦作為PWM的調制波，是目前應用最為廣泛的逆變控制技術［17］。

圖3 三相全橋逆變電路Fig.3 Circuit of three-phase full-bridge inverter

通過霍爾位置傳感器檢測獲得磁極的實時位置，并設定預期的三相電流作為調制波，以標準的三角波作為載波，制定功率器件的通斷狀態(tài)，使逆變器按預期的目標工作。SPWM的工作原理如圖4所示。調制波處于載波上方時，同一橋上的上半橋功率器件導通而處于下半橋的功率器件關斷；調制波處于載波下方時，同一橋上的上半橋功率器件關斷而下半橋功率器件導通。因此，在同一載波中輸入三相正弦的調制波，可以控制三相全橋逆變器功率器件的導通與關斷，從而可輸出類似調制波的三相電流波形。三相電流可由式（4）計算得到。

圖4 SPWM工作原理Fig.4 Schematic diagram of SPWM

2 能量的回收

由圖1（a）可見，電機系統(tǒng)的能量是通過蓄電池到逆變器再到永磁電機。電機處于制動狀態(tài)時，如何按圖1（b）所示控制逆變器進行整流，使能量從永磁電機通過逆變器（充電器）回收到蓄電池是本文重點。

2.1 能量回收的控制

在驅動過程中，矢量控制是通過設定iq的參考值控制功率器件，從而輸出實際的三相電流，而制動時能量的流向是驅動過程的反方向。因此，制動時可采取類似于驅動的控制策略：設定參考值-iq，根據矢量控制原理得到三相電流的參考值，以其作為SPWM的調制波控制功率器件的導通與關斷，最后向蓄電池輸出實際的直流電流，實現(xiàn)對蓄電池的充電。制動過程中的三相電流參考值可以通過式（5）獲得。

2.2 影響-iq的因素

a.制動減速度。引入制動能量回收系統(tǒng)后，制動的實施（系統(tǒng)自身的阻力除外）由機械制動和電磁制動組成。設定的過大，則電磁制動增大而機械制動作用不變，制動的減速度也相應增大，易出現(xiàn)急剎車的情況，降低電機系統(tǒng)的舒適性。

b.蓄電池充電特性。充電時，應盡量避免因充電電流過大或充電時間過長而損壞電池。在實際的制動過程中由于充電時間通常較短，因此主要考慮充電電流的大小對電池的影響。

c.逆變器在充電過程中的功耗。電機的制動能量通過逆變器對電池充電，如果設定的偏小，產生的制動能量不足以抵消逆變器的功耗，不但起不到充電的作用，還增加了逆變器的工作負荷，影響逆變器的壽命。

2.3 |-iq|的設定

-iq計算公式見式（6）：

圖6 iq與制動時間t的關系Fig.6 Relationship between iqand t

2.4 影響回收量的其他因素

制動能量的回收量是能量回收系統(tǒng)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的實際價值以及存在的意義。除了制動次數和系統(tǒng)自身設定外，還有其他影響因素。

a.制動緊急程度。不同的制動程度回收的制動量不同。制動緊急程度一般分為輕微制動、中度制動、緊急制動3種。3種情況的機械制動的作用程度不同，使得制動時間不同?；厥樟縿t電磁制動力度不變的條件下，制動時間越長，回收得到的能量越多。

b.蓄電池的放電深度，主要表現(xiàn)為電池側的電壓變化。在相同的速度v下實施制動（機械制動作用相同時），電動機產生的等效反電動勢U0相等。忽略電樞的自感L，逆變器的輸出側電壓Uout=U0-Unidcrm，蓄電池側電壓 Uin=Udc+idcri。因為 Uout=Uin，所以 idc=（U0-Un-Udc）/（rm+ri）。其中，Un為逆變器壓降；rm為等效的電樞繞組電阻；ri為蓄電池內阻；idc為回收的直流電流值。因此，當Udc較大時，回收的直流電流值idc較小，從而在相同的制動時間內回收量也較少。

3 試驗及結果分析

以搭載了該鉛酸蓄電池和永磁同步電機的二輪電動車作路面的行駛試驗。永磁電機額定電壓為48 V，額定功率為 2.2 kW，最高轉速達 1000 r/min；采用的動力電池為鉛酸蓄電池，額定電壓為48 V，總容量為48 A·h；數據的采樣頻率為10 Hz。

圖7為部分能量回收試驗的結果。圖7（a）是制動時電動車行駛速度與直流電流、電壓的對應關系。圖7（b）是在相同的機械制動作用下，采用不同回收電流（14.4 A和19.2 A）與制動時間對應關系，采用19.2 A（即idc1）回收電流時，速度下降更快，制動時間更短。圖7（c）是相同的機械制動作用下，不同放電深度時完成一次制動能量回收時的能量回收量的對比。分別計算2次制動的回收量，放電深度大即蓄電池電壓較低（Udc1）時，回收量為 39.96 mA·h；放電深度小即蓄電池電壓較高（Udc2）時，回收量為32.45 mA·h。

圖7 實驗結果Fig.7 Experimental results

在相同路段、相同制動次數及電池滿充一次放電的情況下，進行制動能量不回收和回收行駛試驗。不回收時，放電量為31.53 A·h，放電深度為65.7%，持續(xù)里程為42.36 km；回收時，回收系統(tǒng)設定以19.2 A作為最大可回收的直流電流。整個過程放電量為33.29 A·h，制動能量回收為 -2.59 A·h，占放電量的7.8%，持續(xù)里程為45.20km，持續(xù)里程增加了2.84km。

4 結論

根據試驗的結果可以得出：

a.采用-iq控制逆變器整流實行制動能量回收的控制策略，方法簡單有效，具有很好的實用價值；

b.根據制停距離和電池充電特性，設計出合適的回收電流，回收制動的能量；

c.根據電池放電深度對制動能量回收量的影響，可設定不同的制動策略，在不同的放電深度下調節(jié)電磁制動在制動過程中所占的比例。