基于電流滯環(huán)的實現(xiàn)動能回收的無刷直流電機控制方法

汪 磊，胡 楊，丁 偉

(1.合肥工業(yè)大學，合肥230009;2.臺州市金宇機電有限公司，臺州318020)

0 引 言

無刷直流電機是指具有串勵直流電動機起動特性和并勵直流電動機調速特性的梯形波/方波直流電動機，其基本結構由電機本體、功率驅動電路及位置傳感器三者組成［1］。無刷直流電機具有結構簡單、出力大和效率高等特點［2］。

無刷直流電機的控制策略大多采用電壓、電流雙閉環(huán)PI 調節(jié)器［3-5］，對于電機電流的控制是通過PWM 占空比調節(jié)電機的端電壓來實現(xiàn)的。但在實際中，電機轉子磁場并不是理想的梯形波，使得在傳統(tǒng)改變PWM 波占空比的控制策略下的電流波形近似于三角形，對控制器的容量要求較高，同時控制器以及電機的效率較低。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)存在起動電流過大、控制器的容量較大、起動停車時間較長等問題。在制動方式的選擇上，大多數(shù)采用能耗制動，使得在制動過程中產生的能量消耗在電機的繞組上。而能量回饋制動則是將制動過程中的動能回饋到直流電源，從而延長直流電源的工作時間。參考文獻［6 -7］研究了無刷直流電機回饋制動的控制方法，并進行了實驗研究。隨著無刷直流電機的應用范圍越來越廣泛，對其實現(xiàn)回饋制動的研究也越來越受到重視。

本文介紹了一種電流內環(huán)采用滯環(huán)控制的無刷直流電機控制方法。這種控制方式具有以下優(yōu)勢:1)起動時能限流起動，減小由于起動電流過大對控制器及電機造成的沖擊;2)縮短了起動、停車時間，起動時采用大電流起動，停車時同樣也采用大電流停車;這樣實現(xiàn)了快速的起動、停車;3)停車采用的是能量回饋制動方式，將電機負載慣量儲存的動能回饋到蓄電池;4)采用內環(huán)電流滯環(huán)后，使得電機相電流能夠快速的跟隨電流給定值，這樣快速地控制可以得到平穩(wěn)的電流波形，電流平穩(wěn)，縮小控制器的容量，提高電機的效率。

1 數(shù)學模型

圖1 是無刷直流電機的控制系統(tǒng)的硬件架構圖，包括主電路和控制電路兩部分。

首先對無刷直流電動機作假定，轉子磁通不飽和，忽略電機的附加損耗，即磁滯損耗和渦流損耗。理想狀態(tài)時，反電動勢和氣隙磁場的波形如圖2 所示。

一般認為電機繞組的電阻R 是常值，每相繞組的自感L 和相與相之間的互感M 也是定值。在此情況下，無刷直流電動機的三相繞組電壓方程:

2 換流模式分析

采用兩相導通星形三相六狀態(tài)控制模式，每一時刻都有兩相繞組通電。以A 上B 下導通為例進行環(huán)流模式分析，A 相橋臂處于調制狀態(tài)，B 相下管處于常通狀態(tài)，C 相上下管全部關斷。

圖3(a)為電動狀態(tài)下A 上B 下導通狀態(tài)的環(huán)流模式，電動勢平衡方程:

對應圖4 中t0～t1時段，S0 導通，電流增大。

圖3(b)為電動狀態(tài)下A 下B 下導通狀態(tài)的環(huán)流模式，電動勢平衡方程:

對應圖4 中t1～t2時段，D1 導通，電流減小。

圖5 為電機制動狀態(tài)下采用滯環(huán)控制的瞬時電流波形，圖6 為電動機制動狀態(tài)下的電流換相模式。t0時刻，ia達到滯環(huán)的下限值，此時電流方向與電動狀態(tài)時相反，S0 不能導通，電流經D0 流向電源正極，ia逐漸增大。當ia= -iref時，HBC 仍輸出高電平，D0 持續(xù)導通，ia繼續(xù)增大，直到t1時刻，ia= -(iref-ih/2)，滯環(huán)輸出發(fā)生翻轉，D0 關斷，經延時后S1 導通，ia逐漸減小。直到t2時刻，ia= -(iref+ih/2)，滯環(huán)輸出再次發(fā)生翻轉，D0 再次導通。這樣D0與S1 交替工作，D3 處于常通狀態(tài)，使輸出電流ia與給定值iref的差值保持在±ih/2 范圍內。

圖6 的拓撲是一個Boost 電路，通過Boost 升壓，電機對電源進行充電，實現(xiàn)動能回收。

3 電流滯環(huán)環(huán)寬與開關頻率的關系

以電動狀態(tài)下滯環(huán)控制的瞬時電流波形為例，分析滯環(huán)環(huán)寬和開關頻率之間的關系。首先假定忽略開關死區(qū)時間，認為同一橋臂上下功率管的導通和關斷是瞬時的、互補工作的［4］。由圖3 及式(2)可以得到:

由圖3 及式(3)可以得到:

考慮到功率管允許的開關頻率較高，可以假定在開關頻率較高時忽略電阻的影響，繞組電感產生的作用遠大于電阻的，則有:

由式(8)可以得到開關頻率f 與滯環(huán)環(huán)寬ih的關系式:

由式(9)可以看出，開關頻率與滯環(huán)環(huán)寬成反比。

4 控制策略

圖7 是內環(huán)采用電流滯環(huán)控制的雙閉環(huán)結構圖，KT為電機轉矩系數(shù);J 為轉動慣量。

圖7 中，轉速外環(huán)調節(jié)器ASR 應具有良好的抗干擾能力，則按照典型Ⅱ系統(tǒng)設計，選擇PI 調節(jié)器，外環(huán)控制規(guī)律:

式中:Knp，Kni分別為轉速外環(huán)比例、積分系數(shù)。

對于電流內環(huán)，采用滯環(huán)控制。將實際轉速與給定轉速的差值送入轉速調節(jié)器ASR，得到電流的給定值iref，通過對電流進行比較，系統(tǒng)直接輸出高電平或低電平，使電流迅速跟蹤給定電流。電流滯環(huán)控制的A 相原理圖如圖8 所示。

5 實驗結果與分析

實驗中用到的控制芯片是Freescale 的DSP MC56F8013;電機是外轉子的無刷直流電機，電機參數(shù)如表1 所示。

表1 電機參數(shù)

圖9 是無刷直流電機空載起動及停車的波形。從圖9 中可以看出，t0時刻電機起動，直流側電壓被拉低，電機以較大電流起動，t1時電流穩(wěn)定，起動完成;t1～t2是穩(wěn)定運行時間;t2～t3是電機停車過程，電機以最大電流制動，直流母線上會流過一個反向的負電流，同時，直流側電壓會有一個升壓過程，制動時直流側蓄電池會進行充電。

圖10 是無刷直流電機在電流滯環(huán)控制模式下帶負載運行時的電流波形。

圖11 為電流滯環(huán)控制模式下，無刷直流電機制動過程電流波形。從圖11 中可以看出，在A 相功率管導通區(qū)間內，A相電流在t0時刻由正值減小到了負值;B 相電流應在t0時刻變?yōu)樨撝?，但此時B 相產生了正電流;直流母線電流反向增大。此時，無刷直流電機處于制動狀態(tài)，電機的動能轉化為電能，向蓄電池充電，實現(xiàn)動能回收。

6 結 語

本文將滯環(huán)控制應用于電機調速系統(tǒng)的內環(huán)控制上，結合轉速外環(huán)的PI 調節(jié)控制，構成雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，得出以下結論:

(1)在電機起動過程中，能保持較大電流快速啟動;在電機制動過程中，電機能保持較大電流快速制動并且實現(xiàn)了動能回饋;

(2)整個實驗過程中，采用內環(huán)電流滯環(huán)后，使得電機相電流能夠快速的跟隨電流給定值，得到平穩(wěn)的電流波形。

［1］ 夏長亮. 無刷直流電機控制系統(tǒng)［M］. 北京:科學出版社，2009.

［2］ 夏長亮，方宏偉.永磁無刷直流電機及其控制［J］.電工技術學報，2012，27(3):26 -34.

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［4］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［5］ 王成元，夏加寬，孫宜標. 現(xiàn)代電機控制技術［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2008.

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［7］ 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，2005，39(9):52 -55.

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