文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0061-04
隨著全球環境污染和能源問題的日益嚴重，電動車輛迎來了發展契機。但是，電動車輛所遇到的最大問題是續航里程短。因此，如何有效地利用電池能量是發展電動車輛所面臨的一個重要問題。
本文以電動車用直流無刷電機(BLDCM)[1]為研究對象，提出了一種簡單有效的方法，將剎車產生的能量轉換成電能然后再存儲到電池中，以此延長電動車的續航里程。
1 能量回饋制動的工作原理分析
BLDCM的等效電路與逆變橋如圖1所示[2]。R、L分別是電樞電阻、電感；ea、eb、ec分別是a、b、c相的反電動勢。ia、ib、ic是對應的相電流。圖2是BLDCM在電動和制動狀態時的開關序列。其中，ea、eb、ec是電機的相反電動勢，H1、H2、H3是霍爾信號；S1～S6是開關信號。在電動狀態時，上橋臂開關管S1、S3、S5為PWM調制，下管S2、S4、S6為常開或常關。在制動狀態時，上管全部關閉，下管為PWM調制。
1.1 電動狀態
從圖2可知，一個電周期內有６個狀態，以狀態Ⅰ 作為研究對象。圖3給出了狀態Ⅰ的等效電路。在PWM信號為高電平時，功率管S1與S4飽和導通，電流經 S1→a、b相繞組→S4與電源閉合。如圖3中實線回路所示。a、b相繞組所加電壓為Vbatt，電機處于電動工作狀態。
在PWM信號為低電平時，S1關閉，S4繼續飽和導通，電流回路為S4→D2→a、b相繞組→S4，如圖3中虛線回路所示。a、b相繞組上所加電壓為零，電機處于電動續流狀態。
1.2 制動狀態
由于電機屬于感性器件，根據升壓斬波原理，可通過合理控制各橋臂功率管的通斷，實現回饋充電。根據上述原理，可將上橋臂S1、S3、S5全部關斷，下橋臂S2、S4、S6輪流進行PWM調制以產生回饋電流。下橋臂功率管的調制順序由霍爾信號決定，能量回饋時霍爾信號與功率管開通情況如圖2所示。當控制器接收到剎車信號時，電機從電動狀態切換至制動狀態。下面以狀態Ⅰ為例分析電機處于制動狀態時的工作原理及過程。圖4所示為電機在制動狀下階段Ⅰ的開關信號S2和對應相電流的波形。
設從t0至t2為S2的一個開關周期T，S2在t0時刻開通，t1時刻截止，電機a、b繞組中電流i的波形如圖4所示。
在實際工作過程中，主控芯片STM32處理外部輸入信號(如轉把、剎車信號等)，根據轉子位置傳感器所提供的信號，按照相應的換相邏輯發出一定占空比的PWM信號。驅動電路將接收到的PWM信號放大處理，用以驅動逆變電路中的功率管以希望的開關頻率和占空比導通或關斷。從而使電機連續旋轉并輸出轉矩及功率。
2.2 控制系統的軟件設計
本控制系統的軟件部分主要內容包括主程序和ADC中斷子程序等。ADC中斷子程序是程序設計的最主要部分，主要完成電機工作狀態判定、相電流采樣及軟件濾波、速度計算、電動狀態的速度和電流雙閉環算法、制動狀態的電流閉環算法等。ADC中斷子程序流程圖如圖7所示。
3 仿真及實驗結果
為了驗證本控制系統的可行性和可靠性，使用PSIM進行計算機仿真。PSIM用于仿真整個電機控制系統及電動和制動工作狀態的運行。仿真電路采用簡化的控制電路。
圖8(a)和圖8(b)分別為電機工作在電動狀態下，霍爾信號H1、H2、H3以及電機相電流ia的PSIM仿真和實驗結果波形圖。而圖9(a)和圖9(b)分別為電機工作在制動狀態下，霍爾信號H1、H2、H3以及電機相電流ia的PSIM仿真和實驗結果波形圖。
比較圖8和圖9，相電流方向恰好相反，與理論分析的結果一致。驗證了控制策略的正確性。
當控制器工作在電動狀態時，轉把信號有效，剎車信號無效；當控制器工作在制動狀態時，轉把信號無效，剎車信號有效。樣機實驗中先使電機工作在最大速度的電動狀態，即Speed=426 r/min，然后調整剎車信號給定制動電流，此時電機工作在制動狀態。電機的狀態切換以及相電流ia和直流母線電流ibatt的波形如圖10所示，圖中給定制動電流為45 A。由圖10可知，當電機運行在電動狀態時直流母線電流為正，電池釋放能量；當電機運行在制動狀態時，直流母線電流為負，電池吸收能量。實驗結果表明，本方法可以實現電機制動時的能量回饋。
本文提出了一種簡單有效的方法來實現直流無刷電機的制動與能量回饋。電動狀態與制動狀態的切換通過控制器內部控制策略完成，無需做任何硬件變動。通過PSIM仿真和樣機實驗，驗證了本方法的可行性。
參考文獻
[1] 郭慶鼎，趙希梅.直流無刷電動機原理與技術應用[M]. 北京：中國電力出版社，2008.
[2] 孫立志.PWM與數字化電動機控制技術與應用[M].北京：中國電力出版社，2008.
[3] 黃斐梨，王耀明，姜新建，等．電動汽車永磁無刷直流電動機驅動系統低速能量回饋制動的研究[J].電工技術學報，1995，10(3)：28-31.