电流滞环跟踪控制的永磁无刷直流电机回馈制动的研究

摘 要： 对电流环采用电流滞环跟踪控制技术的无刷直流电机控制系统进行了研究，提出了电流反相控制回馈制动方式，即通过控制电机相反电势和相电流的相位关系来控制电机运行状态的控制方法，将电机在正向电动、正向制动、反向电动、反向制动四种运行状态下的控制算法统一起来。仿真实验表明，该系统动态响应性能好，其控制策略具有实现简便、可靠性高的特点，适合于无刷直流电机在电动汽车驱动系统领域的应用。
关键词： 无刷直流电机；滞环跟踪；回馈制动

电驱动系统是电动汽车的关键组成部分，其性能和效率决定了整车性能的优劣。永磁无刷直流由于具有转矩密度高、体积小、控制方便、调速性能好、直流供电等优点广泛应用于电动汽车的电驱动系统中。传统的电气制动方式有能耗制动和反接制动，这两种制动方式所产生的热量以热的形式散失掉，得不到回收利用。而回馈制动可以将电能回馈到蓄电池而不是消耗掉，因此回馈制动方式可大大延长电动汽车的单次充电行驶里程。蓄电池供电的无刷直流电机（BLDCM）调速系统与其他类型的电机调速系统相比，能够方便地实现回馈制动。
　无刷直流电机特殊的应用场合和要求决定了长期以来对无刷直流电机控制的研究主要致力于减小转矩脉动，提高调速性能和运行稳定性；但对无刷直流电机四象限稳定运行，尤其是对回馈制动的研究则相对较少。随着无刷直流电机在电动汽车电驱动系统中的广泛应用，对其四象限运行控制的研究尤其是回馈制动的研究越来越受到重视。参考文献[1-3]研究了无刷直流电机回馈制动的控制方法，并在电动汽车上进行了实验研究。这些研究均采用对逆变桥的开关管进行PWM控制的方式，电机的电动和回馈制动在控制方式上不统一，存在较大差别。因此，有必要对无刷直流电机回馈制动的控制进行深入研究，寻找四象限运行下控制方式统一且简单可靠的控制策略。为此，本文提出了电流反相控制回馈制动方式，即通过控制电机相反电势和相电流的相位关系来控制电机运行状态的控制思想，将电机在正向电动、正向制动、反向电动、反向制动四种运行状态下的控制算法统一起来。
1 无刷直流电机调速系统的构成与控制方式
　无刷直流电机调速系统主要由蓄电池及逆变电路、无刷直流电机、系统控制单元等几部分组成。图1为蓄电池、功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图。无刷直流电机运行时，定子绕组产生的反电势的波形为梯形波，三相之间互差120°电角度。为产生恒定的电磁转矩，使电机稳定运行，应合理控制三相绕组相电流的波形和相位。传统的控制方式下，电机电动运行时，相电流的导通方式采用两两通电、120° 导通方式，即每个时刻都有两个功率管导通，每个功率管导通时间均为120° 电角度，每1/6周期换相一次。图2为电机正向电动和反向电动运行下三相电流和三相反电势的波形及相位关系。