永磁無刷直流電動機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用

左堃

摘 要：本文選用基于無刷直流電動機(jī)控制器MC33033的集成電路，通過PID調(diào)速和PWM調(diào)制的控制，結(jié)合永磁無刷直流電動機(jī)的工作原理、運(yùn)行特性以及選用原則，來實(shí)現(xiàn)其在電動汽車中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MC33033控制器；PID調(diào)速；PWM調(diào)制

中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

燃油汽車要消耗大量的石油資源，排放大量的廢氣，嚴(yán)重污染環(huán)境和制造噪聲，帶來了無法回避的負(fù)面影響。為此，面對如此嚴(yán)峻的形勢，電動汽車的研究與開發(fā)引起了世界各國的關(guān)注。

電機(jī)及其控制技術(shù)是電動汽車的關(guān)鍵部分，應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、起動轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕、效率高、動態(tài)制動強(qiáng)和能量回饋等特點(diǎn)，以保證電動汽車良好的運(yùn)行性能。

目前電動汽車多采用直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及無刷直流電機(jī)等。其中，無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)保留了直流電機(jī)良好的調(diào)速、控制和運(yùn)行特性，克服了其機(jī)械換向的缺點(diǎn)，并具有效率高、功率密度高、免維護(hù)、高速運(yùn)行等一系列優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的基本要求。

2 永磁無刷直流電動機(jī)的系統(tǒng)組成和原理

2.1 無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)

永磁無刷直流電動機(jī)是隨著電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電動機(jī)，是現(xiàn)代電子技術(shù)、控制理論和電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。一方面，無刷直流電動機(jī)采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件和位置傳感器代替直流伺服電動機(jī)的換向器和電刷，以電子換相代替機(jī)械換相，提高了電動機(jī)的可靠性。另一方面，永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子采用了永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。無刷直流電動機(jī)具有以下特點(diǎn)：

① 經(jīng)電子控制獲得類似直流電動機(jī)的運(yùn)行特性，有較好的可控性，較寬調(diào)速范圍；

② 需要轉(zhuǎn)子位置反饋信息和電子多相逆變驅(qū)動器；

③ 由于沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，可高速工作，具有較高的可靠性，壽命長，無須經(jīng)常維護(hù)，機(jī)械噪聲小，無線電干擾?。?/p>

④ 功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子無損耗和發(fā)熱，有較高的效率；

⑤ 必須有電子控制部分，總成本比直流電動機(jī)高。與電子電路結(jié)合，使用更靈活。適用于數(shù)字控制，易與微處理器和微型計(jì)算機(jī)接口。

2.2 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及其原理

永磁無刷直流電動機(jī)主要由電動機(jī)本體、位置傳感器、電子開關(guān)線路和控制器4個部分組成，如圖1所示。

永磁無刷直流電動機(jī)電子開關(guān)線路用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機(jī)定子上各相繞組，以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號，但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。綜上所述，組成無刷直流電動機(jī)各主要部件的框圖，如圖2所示。

3 無刷直流電機(jī)的控制原理

3.1 PID調(diào)速原理

標(biāo)準(zhǔn)PID控制器的基本原理是根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差，按比例-積分-微分的線性組合關(guān)系構(gòu)成控制量，利用控制器再對控制對象進(jìn)行控制。由于其具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高和參數(shù)易整定等優(yōu)點(diǎn)，已在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，其控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 PWM調(diào)制方式

永磁無刷直流電動機(jī)工作在由位置檢測器控制逆變器開關(guān)通斷的“自控式”變頻方式下，逆變器的變頻是自動完成的，并不需要控制系統(tǒng)加以干預(yù)及控制。要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速就應(yīng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，只要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通常采用PWM調(diào)節(jié)方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸入永磁無刷直流電動機(jī)的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)原理如圖4所示。

其中，ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通常采用PID算法實(shí)現(xiàn)。速度為外環(huán)，電流為內(nèi)環(huán)，由Te=KTIa，電流環(huán)調(diào)節(jié)的實(shí)際上是電磁轉(zhuǎn)矩。速度

給定信號n*與速度反饋信號n一起送給速度調(diào)節(jié)器（ASR），速度調(diào)節(jié)器的輸出為電流參考值i*，與電流信號的反饋值i一起送至電流調(diào)節(jié)器（ACR），電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值，與給定載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制逆變器的實(shí)際輸出電壓。邏輯控制單元的任務(wù)是根據(jù)位置檢測器的輸出信號及正反轉(zhuǎn)信號決定導(dǎo)通相。被確定要導(dǎo)通的相并不總是在導(dǎo)通，它還要受PWM輸出信號的控制，邏輯“與”單元的任務(wù)就是把換相信號和PWM信號結(jié)合起來，再送到逆變器的驅(qū)動電路。

4 無刷直流電機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用

4.1 無刷直流電動機(jī)控制器MC33033集成電路

MC33033是Motorola公司生產(chǎn)的一款高性能的無刷直流電動機(jī)單片控制集成電路。

表一是MC33033的引腳功能。

MC33033內(nèi)部主要包括用于確定正確換相次序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、能為傳感器供電的帶溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷涸?、頻率可調(diào)的鋸齒波振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器、3個集電極開路的上橋臂驅(qū)動器和3個適合驅(qū)動大功率MOSFET的大電流下橋臂驅(qū)動器。

4.2 永磁無刷直流電動機(jī)的選型

在下列情況下可選用無刷直流電動機(jī)：

⑴ 使用直流電源；

⑵ 要求有高可靠性、長壽命、少維護(hù)或甚至不能維護(hù)的場合；

⑶ 要求對周圍電子儀器設(shè)備有低電磁干擾或低噪聲的地方；

⑷ 高速工作的要求；

⑸ 在高真空、有害介質(zhì)、液體介質(zhì)中工作或在強(qiáng)沖擊振動等惡劣條件環(huán)境下工作的情況；

⑹ 有防爆要求的場合。

4.3 無刷直流電機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用

電動汽車具有污染少、節(jié)約石油消耗、結(jié)構(gòu)簡單、維修容易、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而在能源、環(huán)保和節(jié)能方面顯示出卓越的優(yōu)越性；此外，電動汽車轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、加速過程短、車輪轉(zhuǎn)速直接控制、易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動和四輪轉(zhuǎn)向、制動安全性和可靠性較高等特點(diǎn)使其在車輛性能方面也呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢和強(qiáng)大的市場競爭力。采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動的電動汽車結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 結(jié)語

在電動汽車驅(qū)動用無刷直流電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)中應(yīng)以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)而為電動汽車提供體積小、質(zhì)量輕、功率和轉(zhuǎn)矩密度高的驅(qū)動電機(jī)，滿足運(yùn)行需求。同時，無刷直流電機(jī)還可以應(yīng)用在汽車的其他部件，例如，可以作為汽車空調(diào)的驅(qū)動電機(jī)。

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（本文審稿 張麗）