驅(qū)動與反饋電流不對稱的電機驅(qū)動電路設(shè)計

毛乾寧　黃杰　周雅夫

摘 要：一種新型驅(qū)動與反饋電流不對稱的電機驅(qū)動電路，包括驅(qū)動電路和制動能量回收反饋電路。其中驅(qū)動電路為多個功率器件組成的橋式拓撲電路，具有逆變的功能，在控制電路的控制下，可將直流電電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機需要的電能。驅(qū)動電路的輸入端與電源連接，輸出端與電機連接。制動能量回收反饋電路為一個帶有控制的橋式整流電路，具有單向?qū)ǖ墓δ?，可將電機制動產(chǎn)生的電能回收到儲能元件或其它可消耗電能的裝置。能量回收反饋電路輸入端與電機連接，輸出端與儲能元件或其它可消耗電能的裝置連接。該新型驅(qū)動電路能夠應(yīng)用于各種電機驅(qū)動系統(tǒng)，整流電路可以使用成本較低的功率器件，降低車輛成本。

關(guān)鍵詞：電機驅(qū)動電路；反饋電路

一、電路結(jié)構(gòu)

驅(qū)動與反饋電流不對稱的電機驅(qū)動電路分為兩部分，分別是驅(qū)動電路和制動能量回收反饋電路。

（一）驅(qū)動電路方案

驅(qū)動電路為多個功率器件組成的橋式拓撲電路，具有逆變的功能，其輸入端與電源連接，輸出端與電機連接。在控制電路的控制下，驅(qū)動電路通過控制電路控制功率器件的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)逆變，將直流電電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機需要的電能。驅(qū)動電路中包含的功率器件有絕緣柵雙極型晶體管、MOSFET、碳化硅、鍺化硅。

當直流電源輸入，控制六個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖，則從U、V、W三端（或其中兩端）得到交流電壓，成為逆變電路。驅(qū)動電路包括具有單向?qū)üδ艿亩O管和單向可控硅，通過控制電路控制各個功率器件的開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)逆變功能。

（二）制動能量回收反饋電路方案

在電動汽車上采用制動能量回收的技術(shù)，是提高電動汽車能量利用率與續(xù)駛里程的有效方法。制動能量回收反饋電路的輸入端與電機連接，輸出端與電源連接，所述的制動能量回收反饋電路為多個單向可控硅構(gòu)成的橋式拓撲電路。單向可控硅具有單向?qū)ǖ墓δ埽梢詫崿F(xiàn)電源驅(qū)動電機時電流不經(jīng)過制動能量回收反饋電路，而控制電路控制每個單向可控硅的導通角，把電機制動時產(chǎn)生的電能回收到電源。

二、電路設(shè)計

這種新型驅(qū)動與反饋電流不對稱的電機驅(qū)動電路，可應(yīng)用于各種電機驅(qū)動系統(tǒng)。

電機驅(qū)動電路包括一個動力蓄電池組B（15）、一個三相單繞組電機M1（16）、一個驅(qū)動電路A和一個制動能量回收反饋電路A。

所述的驅(qū)動電路A為總電路中絕緣柵雙極型晶體管（8）和六個絕緣柵雙極型晶體管（9～14）構(gòu)成的橋式拓撲電路?？傠娐分薪^緣柵雙極型晶體管（8）控制驅(qū)動與反饋的狀態(tài)；通過控制電路控制橋式拓撲電路中各個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)逆變的功能，把動力蓄電池組B（15）產(chǎn)生的直流電電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動三相單繞組電機M1（16）需要的電能。

當三相單繞組電機M1（16）處于驅(qū)動狀態(tài)時，所述的驅(qū)動電路A導通、制動能量回收反饋電路A不導通?？刂齐娐防妹}寬調(diào)制技術(shù)控制驅(qū)動電路A中橋式拓撲電路的六個絕緣柵雙極型晶體管的開關(guān)狀態(tài)，使動力蓄電池組B（15）產(chǎn)生的直流電流通過驅(qū)動電路A轉(zhuǎn)換成三相單繞組電機M1（16）所需的三相交流電 ，此時的電流比較小，所需的絕緣柵雙極型晶體管的容量比較小，因此所需的絕緣柵雙極型晶體管的成本比較低。

當三相單繞組電機M1（16）處于制動能量回收狀態(tài)時，所述的制動能量回收反饋電路A、驅(qū)動電路A均導通?？刂齐娐房刂浦苿幽芰炕厥辗答侂娐稟中六個單向可控硅與驅(qū)動電路各個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，使三相單繞組電機M1（16）產(chǎn)生的三相交流電大部分通過制動能量回收反饋電路A、較少一部分電流經(jīng)過驅(qū)動電路A轉(zhuǎn)換成動力蓄電池組B（15）充電所需的直流電流。

三、電路仿真及結(jié)果分析

（一）永磁同步電機矢量控制模型原理

本文建模采用永磁同步電機為驅(qū)動電機，利用simulink建立模型，驗證驅(qū)動電路與反饋電路電流不對稱。

系統(tǒng)算法描述如下：

1.測量三相定子電流，可分別獲得ia 、ib 和ic 。同時測量轉(zhuǎn)子速度。

2.將三相電流變換至d、q軸系統(tǒng)。Clark變換將三相相電流測量值ia 、ib 和ic 變換為變量iα 和iβ 。

3. iα 和iβ 變量經(jīng)過Park變換可獲得Id 和Iq 變量。Id 和Iq 變量為變換到旋轉(zhuǎn)坐標系下的正交電流。

4.通過將實際的Id、Iq 與給定值Idref 、Iqref 進行比較獲得各自的誤差信號。Id 給定值用以控制轉(zhuǎn)子磁通。Iq 給定值則用以控制電機的轉(zhuǎn)矩輸出。誤差信號作為PI控制器的輸入。PI控制器的輸出為Udref 、Uqref ，這兩個變量是施加到電機上的電壓矢量在d、q軸上的兩個分量。

5.通過使用Park逆變換可將PI控制器的輸出變量Udref、 Uqref 變換至靜止參考坐標系。該計算將產(chǎn)生正交電壓值Uα 、Uβ 。

6. Uα 、Uβ 值該三相電壓值用來計算新的PWM占空比以生成所期望的電壓矢量。

（二）仿真結(jié)果分析

當車輛電機處于制動能量回收狀態(tài)時，在0-0.2s，電路中流過小電流，經(jīng)過驅(qū)動電路的電流約為2A，經(jīng)過反饋電路的電流約為5A，經(jīng)過總電路的電流約為7A；在0.2s-0.3s，電路中流過大電流，經(jīng)過驅(qū)動電路的電流約為100A，經(jīng)過反饋電路的電流約為260A，總電路中電流約為360A。有仿真結(jié)果得出：反饋電路中的電流大于驅(qū)動電路中的電流，較大一部分電流是經(jīng)過反饋電路對電池充電。

即上文所設(shè)計的電路可以滿足：當車輛電機處于制動能量回收狀態(tài)時，可以使所產(chǎn)生的大電流較少一部分經(jīng)過驅(qū)動電路的功率器件，而大部分電流經(jīng)過反饋電路，使能量回收到儲能元件，從而降低逆變器功率器件的成本。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計的驅(qū)動與反饋電流不對稱的電機驅(qū)動電路能夠應(yīng)用于車輛的驅(qū)動系統(tǒng)中，在車輛的驅(qū)動系統(tǒng)中可以使用容量較小的功率器件，當車輛電機處于制動能量回收狀態(tài)時，可以使所產(chǎn)生的大電流不經(jīng)過驅(qū)動電機的功率器件，而是經(jīng)過整流電路的功率器件，使能量回收到儲能元件或其它可消耗電能的電路及裝置連接，而整流電路可以使用成本相對較低的功率器件，從而降低車輛成本。

參考文獻：

[1]張瑞琪.汽車能量回收系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件，2018（01）：45-47.

[2]邱浩，董鑄榮，賀萍.一種新型電動汽車復合電源電路設(shè)計[J].電源技術(shù)，2015，39（08）：1726-1728+1779.

作者簡介：

1.毛乾寧（1996-），女，籍貫山西臨汾，漢族，大連理工大學運載工程與力學學部本科在讀，專業(yè)為車輛工程。

2.黃杰（1995-），男，籍貫廣西桂林，瑤族，大連理工大學運載工程與力學學部本科在讀，專業(yè)為車輛工程。

3.周雅夫（1962-），男，遼寧大連人，漢族，大連理工大學教授，博士生導師，主要從事汽車電子、新能源汽車控制技術(shù)研究。

基金項目：“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練”國家級項目，項目編號為2016101411053，項目名稱為《電動汽車驅(qū)動電機參數(shù)在線辨識與控制方法自尋優(yōu)》.