電動摩托制動控制器的設(shè)計

柯寶中 毛丹 徐銘武

摘 要：為解決由電動摩托剎車系統(tǒng)不完善造成的問題，結(jié)合三相永磁同步電機原理，提出了一種基于PWM控制策略及PI閉環(huán)控制方法的電動摩托輔助制動控制器.首先，通過測定的電機轉(zhuǎn)速和不同剎車角度時電機期望轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并以此控制信號和所測電機轉(zhuǎn)過的機械角度作為PWM控制器的輸入量；然后，經(jīng)過一系列邏輯運算產(chǎn)生六路PWM控制信號，控制三相逆變器的晶體管達到電機減速的目的；最后，通過搭建Matlab/Simulink仿真模型，進行仿真結(jié)果的對比與分析.結(jié)果表明：設(shè)計方案可實現(xiàn)高性能的控制策略，完成緊急時刻的減速要求，滿足電動摩托的制動需求，即使在誤操作過程中也不會影響制動效果，可減少安全事故.

關(guān)鍵詞：PWM控制器；電動摩托輔助制動；PI控制器；仿真

中圖分類號：U482.3 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.015

0 引言

隨著當(dāng)今社會工業(yè)不斷發(fā)展，石油資源消耗與日俱增，導(dǎo)致石油資源匱乏和環(huán)境污染嚴(yán)重.電動摩托車采用永磁同步電機制動，具有操作簡單、騎乘舒適、無污染低噪聲等特點，相比燃油摩托更加節(jié)能環(huán)保.同時綠色、節(jié)能理念的倡導(dǎo)普及，使得電動摩托這種具有無排放、節(jié)能、輕便、價格適中等優(yōu)點的交通工具受到許多人的喜愛，成為現(xiàn)在很多城市居民短距離出行首選的交通工具.然而道路車輛越來越多，交通環(huán)境越來越復(fù)雜，產(chǎn)生了更多的安全問題，人們對電動車的制動性能要求不斷提高.電動摩托控制器作為控制核心決定著整個電動車的性能[1-2]，因此，需要設(shè)計一種制動效果良好的電動摩托輔助制動控制器.

傳統(tǒng)的電動摩托上只有機械制動很少有輔助制動，在緊急情況下會增加事故發(fā)生率.目前電動摩托車主要采用永磁無刷直流電動機，控制簡單、運行穩(wěn)定，但是無刷直流電動機的控制策略存在較嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動問題.近幾年，國內(nèi)外一些公司的控制器以DSP（數(shù)字信號處理器）為主控芯片，這類控制器功能強大、處理數(shù)據(jù)速度快，由于芯片價格昂貴，使得生產(chǎn)成本提高，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用.柴介雄[3]曾提出一種簡單的抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動的PWM調(diào)制策略，使得電機換相轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小，但是缺少輔助制動效果.通過分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，以永磁同步電機作為研究對象，提出了電機控制原理和控制方法，設(shè)計了一個具備完善剎車系統(tǒng)的電動摩托輔助制動控制器.

1 永磁同步電機電動摩托制動控制設(shè)計

設(shè)計以永磁同步電機為電動摩托的控制對象，其中三相永磁同步電機主要是由永磁同步電機、轉(zhuǎn)子位置傳感器（BQ）和電子開關(guān)電路三部分組成的電機系統(tǒng).控制制動的部分是通過給定的速度和剎車給定的速度作為輸入信號控制制動控制器，制動控制器通過控制電子開關(guān)實現(xiàn)電動摩托的制動控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1 永磁同步電機結(jié)構(gòu)及其原理

一個四極永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

電機包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，定子內(nèi)部含有鐵心且鐵心內(nèi)裝有接成星形或三角形的三相交流繞組，它是電機的電樞繞組，其作用是用來產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場.轉(zhuǎn)子則是由高磁能積的稀土等磁性材料制成永磁式轉(zhuǎn)子.根據(jù)磁場的觀點可以把電機的運動看成主磁場Bf（勵磁磁場）和電樞磁場Ba相互作用的結(jié)果.

在直流電機中主磁場Bf 的空間位置是靜止的，電樞是旋轉(zhuǎn)的.通過電刷或者換向器的作用，可把通過電源輸入的直流電轉(zhuǎn)換成交流電輸入到直流電機電樞中，保證了在旋轉(zhuǎn)過程中電樞的電流方向始終沒變，使得電樞磁場Ba和主磁場Bf的相對空間位置不變[4-5].它們之間夾角θ=90°就能使電機開始轉(zhuǎn)動.同理，對于三相永磁同步電機來說也可以通過同樣的方式使電機工作.三相永磁同步電機原理接線圖如圖3所示.

在三相同步電機中，只要使電刷與磁極同步旋轉(zhuǎn)，Ba與Bf 相對位置保持一致，即使不是相互垂直，電動機也會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，但是產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩不是最大，甚至Ba和Bf 的位置可以在一定的范圍內(nèi)變化，只要變化的電磁轉(zhuǎn)矩能滿足使電機產(chǎn)生所需平均電磁轉(zhuǎn)矩的要求即可[6].可通過晶體管隨時控制電流的導(dǎo)通與截止，使得三相永磁同步電機的電樞繞組中電流產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，保證Ba和Bf 的空間位置相對穩(wěn)定，來獲得一定的平均電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子運行.

1.2 電動摩托的制動控制方法

PMSM電機采用PI閉環(huán)的PWM控制如圖4所示.

首先通過電動摩托的剎車角度輸出對應(yīng)剎車時得到的期望速度，再將此時的速度通過速度變換器變換成對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，同時與電機上轉(zhuǎn)速傳感器檢測到的實際轉(zhuǎn)速作對比，得到其差值通過PI控制器進行計算，獲得值通過限幅控制器和增益環(huán)節(jié)將其限制在-1～1之間變化，將此時得到的信號輸入到單相PWM控制器中.理論上對于PWM控制器而言載波頻率越高，則電壓波的占空比越大，電流的高次諧波成分越小，電流的平滑性越好，電機的振動越小，運行噪音越小，電機發(fā)熱越少.但是，載波頻率越高，諧波電流頻率也越高，電機定子的肌膚效應(yīng)嚴(yán)重，電機損耗越大，輸出功率越小，所以調(diào)到一個合適的載波進行控制十分重要[7].通過單相PWM控制器產(chǎn)生的PWM控制信號和電機的轉(zhuǎn)角傳感器測得電動機的轉(zhuǎn)角作為制動控制器輸入量，產(chǎn)生六路PWM波控制三相逆變器，最終來控制剎車時電動摩托的輔助制動.在這里為了能夠使電機得到較好性能的控制，通過傳感器在每一個周期內(nèi)測出電機的實時轉(zhuǎn)速與給定速度作比較作為PI控制器的輸入信號，形成一個閉環(huán)控制使得控制效果得到更好的優(yōu)化.設(shè)計的制動控制原理是：首先，通過傳感器測得電機機械轉(zhuǎn)角，除以2*π得到電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，將取整后得到的圈數(shù)和對應(yīng)的機械轉(zhuǎn)角作為控制量輸入到控制器中進行計算；其次，再將通過控制器得到的6個數(shù)據(jù)結(jié)果分別與設(shè)定好的6個常量做減法，得到的結(jié)果與單相PWM控制產(chǎn)生的PWM波進行指定的邏輯關(guān)系操作，最終實現(xiàn)六路PWM控制波對三相逆變器的控制，即電動摩托的制動控制.

由于車載電池容量有限，限制了電動摩托車的行駛路程.電動摩托車一般采用機械制動、摩擦阻力制動和電阻制動等傳統(tǒng)的制動方式，在很大程度上浪費了能量.為保證制動性能的同時，有效地回收制動能量，設(shè)計方法如2所述.車輛處于制動狀態(tài)時，車速與電機轉(zhuǎn)子的角速度成比例.電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速直接決定了電機產(chǎn)生的電壓大小和頻率.本文設(shè)計中電機采用的是三相永磁同步電機，發(fā)出的是交流電，不能直接為電池組充電，故先對交流電進行整流，再對整流后的直流電進行變壓，并經(jīng)PWM信號通過控制功率變換器的工作控制制動能量回收.

2 電動摩托制動控制器的設(shè)計

2.1 PWM控制技術(shù)在三相逆變橋中的應(yīng)用

PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，基本工作原理是通過控制電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件，改變直流電的形狀和幅值，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓脈沖序列. PWM調(diào)制原理圖如圖5所示.通過調(diào)節(jié)電壓脈沖的脈沖周期以及脈沖寬度，實現(xiàn)變壓變頻作用[8].三相永磁同步電機的轉(zhuǎn)速控制就是利用此原理控制的.而脈寬的控制則是通過載波和調(diào)制波兩者決定，這里以正弦波作為調(diào)制信號，三角波作為載波信號進行具體的說明.以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以等腰三角波作為載波，其頻率比期望高得多，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波.由調(diào)制波與載波的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，獲得正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波，按照面積相等的原則（每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等），因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效[9-10].這種方法也稱之為SPWM正弦脈寬調(diào)制法.由于在一定載波的情況下不同調(diào)制波的頻率和幅值決定了調(diào)制后電壓的均值或者頻率，所以最終實現(xiàn)了變壓或變頻調(diào)速的目的.SPWM調(diào)制的基本原理如圖6所示.

2.2 PWM在電動摩托中的制動研究

依據(jù)以上PWM控制技術(shù)在三相逆變橋中的應(yīng)用，電動摩托的制動控制也利用同樣的原理，只是根據(jù)不同情況控制產(chǎn)生的PWM脈寬不同而已.電動摩托制動控制器的設(shè)計在保證制動調(diào)速性能的基本前提條件下，需要考慮路況導(dǎo)致負(fù)載變化時對制動控制的影響.所以在制動過程中要同時考慮轉(zhuǎn)速、輸出的轉(zhuǎn)矩和功率.對已有的電動摩托而言由于它的靈活輕便性，對其輸出功率并沒有很嚴(yán)格的要求.但是，由于三相永磁同步電機每相繞組都只有部分時間通電，轉(zhuǎn)子和電樞繞組旋轉(zhuǎn)磁場之間的夾角不斷變化，因此三相永磁同步電機會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩脈動，用開環(huán)控制將會導(dǎo)致制動控制性能變差[8].基于此設(shè)計采用了PI閉環(huán)控制提高制動控制性能，同時主要考慮的是在制動的情況下能使電機以當(dāng)前行駛的速度在執(zhí)行制動請求后，能使電動摩托的速度降到一定的安全值，對應(yīng)到電機中就是能使電機在相對高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，通過制動請求之后降低電機的轉(zhuǎn)速以保證人身和車輛的安全.這里還需要考慮即使電動摩托在帶負(fù)載時也能保證制動請求后電動摩托的轉(zhuǎn)速降到期望值.為了確保更好的安全性能，防止人們在緊急情況下的誤操作，設(shè)計制動請求命令優(yōu)先于電動摩托的加速命令，即在請求制動時電動摩托的加速命令是不能執(zhí)行的.

本文中設(shè)計的電制動系統(tǒng)模型中的電機采用的是三相永磁同步電機，相較于異步電機，三相永磁同步電機比異步電機節(jié)能20%以上，這意味著在同等車況下，不增加電池組容量，采用同步電機的汽車比采用異步電機的汽車有更長的續(xù)航里程.

制動控制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示，這是電動摩托制動控制的核心部分，通過轉(zhuǎn)速傳感器測得電機的轉(zhuǎn)速和剎車制動時所達到的期望轉(zhuǎn)速相減，得到的結(jié)果通過PI控制器進行調(diào)節(jié)得到調(diào)制信號輸入到單相PWM控制器中.此時PWM控制器中所用的載波頻率為3 000 Hz，將調(diào)制信號和載波信號作用后得到單相PWM信號，與位置傳感器測得的機械角作為制動控制器的輸入量，通過如圖7所示的一系列邏輯運算之后將會得到六路PWM波，完成對三相逆變器的控制，最終在觸動剎車時實現(xiàn)對電動摩托的制動控制.

其中PI控制器的功能是根據(jù)當(dāng)前的車速與制動控制時達到的期望車速的差值產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，PI控制器的數(shù)學(xué)模型可描述為：

其中，比例環(huán)節(jié)為u（n）=x1（n）-x2（n），積分環(huán)節(jié)為，x1（n）為制動后期望的轉(zhuǎn)速，x2（n）為電機當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，u（n）為系統(tǒng)輸入，y（n）為系統(tǒng)輸出.Kp， KI分別為PI控制器的比例與積分控制參數(shù).需要通過大量的嘗試才能調(diào)出更好的結(jié)果.

3 制動控制仿真分析

為了驗證設(shè)計的制動控制器的正確性和有效性，在Matlab/simulink中建立仿真模型進行仿真實驗分析.同時建立了經(jīng)典的在開環(huán)和閉環(huán)下的SPWM控制逆變器實現(xiàn)的制動控制，形成對比分析，使得仿真結(jié)果更具有可信性.

仿真實驗所用的參數(shù)為：N=4，pε=1 kw，R=4.765，L=0.008 5，VDC=110 V，J=0.000 15 kg·m2.為驗證設(shè)計的制動控制器在不同負(fù)載下的制動控制性能，仿真實驗分別給出了在帶不同負(fù)載的情況下，通過不同程度制動后電機轉(zhuǎn)速由1 000 r/min分別降到500 r/min、0轉(zhuǎn)速波形圖.下面給出電動車速度與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系.

電機的角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

速度與角速度的關(guān)系：

可得電機轉(zhuǎn)速和電動摩托行駛速度關(guān)系：

其中，ω——電機的角速度，n——電機的轉(zhuǎn)速，v——電動摩托的速度，R——電動摩托的半徑.仿真時所用的電動車直徑為15英寸，得到的電機的轉(zhuǎn)速和電動摩托的速度之比約為50.

公式（5）描述了三相永磁同步電機作為發(fā)電機時其中一相的感應(yīng)電動勢：

式中，n——線圈匝數(shù)；p——永磁體的級數(shù)；φm——磁通最大值，它們由電機結(jié)構(gòu)決定，在仿真時作為常量處理. ns是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，與汽車行駛速度相對應(yīng). 轉(zhuǎn)子的角速度和汽車的速度之間的關(guān)系可以用公式（6）描述.

其中，u——電動摩托行駛的速度，Rr——電動摩托的車輪半徑.當(dāng)電動摩托制動時會放出電，為了簡化不考慮電能回收的問題，就直接在每個晶閘管并聯(lián)一個足夠大的電阻保證剎車時的安全.

圖8（a）、圖8（b）分別給出了在空載情況時電動摩托兩種不同制動程度下的效果圖.從圖中可以看出在空載的情況下電動摩托在0.5 s制動時電機的降速時間基本都小于0.1 s，同時在不同程度的制動時也能使得制動轉(zhuǎn)速波動很小，最終得到較好的制動效果.圖8（c）、圖8（d）給出了帶載情況下電動摩托不同制動程度的波形效果圖.從圖中可以看出帶載情況下轉(zhuǎn)速的波動比較大，但是并不影響制動控制效果，通過此圖可知帶載情況下在不動程度的制動時，制動效果比空載時效果要好，制動時間比空載制動時要少.

當(dāng)電動車接受到制動命令時，制動控制器產(chǎn)生的六路PWM波形圖如圖9所示.由圖9可知正常行駛時六路中都有占空比較大的PWM波，但是在制動之后只有兩路有占空比很小的PWM波.

為增加實驗仿真的可行度，分別對比了開環(huán)和閉環(huán)時的SPWM制動控制效果，其中SPWM模塊來自于Matlab中自帶模塊.圖10（a）是在開環(huán)制動控制時產(chǎn)生的控制效果圖.

從圖10（a）可知：即使在0.5 s時采取了制動，轉(zhuǎn)速也不會發(fā)生改變，只能完全靠機械制動來改變轉(zhuǎn)速使電動摩托車減速.在SPWM閉環(huán)控制中給出了制動控制效果如圖10（b）所示，在0.5 s時開始制動.由圖10（b）可知當(dāng)用SPWM閉環(huán)控制制動時，制動時間相對于本文設(shè)計的制動控制器控制時間要慢很多，制動效果差.

其中一組動態(tài)測試結(jié)果如表1所示（其測試環(huán)境是在普通的干燥水泥路面上，摩擦系數(shù)為0.6左右）.在帶載重度制動下（無輔助制動）的測試結(jié)果如表1所示.

從表1與表2可知，加了輔助制動控制器后制動時間變短，制動距離減小，安全性能提高，但是制動效果比仿真結(jié)果稍差.

4 結(jié)論

通過對比分析仿真結(jié)果，實驗表明設(shè)計的制動控制器在基于三相永磁同步電機的電動摩托上的輔助制動是可行的.制動時可以有效且快速地將電機轉(zhuǎn)速降下來，且制動后電機的轉(zhuǎn)速波動不會太大，在一定程度上具有較好的制動性能，減少機械制動時對電機的傷害.該制動控制器的制動控制方法具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點，是一種較好的制動控制方案，可以廣泛應(yīng)用于電動摩托的輔助制動控制中.

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Abstract： Inspired by the principle of three-phase permanent magnet synchronous motor， we propose the design of an assistant controller for electric motor braking-system based on PWM controlling strategy and PI closed-loop control method. The design first measured the motor speed in normal way and the expected speed at different braking angles. And the PI controller will adjust itself and signal to PMW controller， which will produce six-way PMW signal after logically dealing with the input of the signal by PI controller and the measured mechanical angle of the motor， and the signal will be passed to the three-phase inverter transistor to slow down the speed of motor. By developing one model to simulate different circumstances to test the new design， we can know that the simulation results show the validity and accuracy of the model， which can perform very well even in emergency and meet the needs of controlling the speed of motorcycle perfectly so as to reduce the traffic accidents. Moreover， the system is stable and it still works normal even if it is misused.

Key words： PWM controller； electric motor auxiliary brake； PI controller； simulation

（學(xué)科編輯：黎 婭）