（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的双锂电池电动车节能控制器设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yi n t e n s i f i e de n e r g yc r i s i sa n dp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t , e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) w i l ls u b s t i t u t eo fp r e s e n tv e h i c l e s ，w h i c hh a sb e e nan e c e s s a r y t e n d e n c y h o w e v e r , t h ec o n t i n u o u sd r i v i n gt i m eo fe vc o n s t r a i n t st h er a p i d d e v e l o p m e n to fe v r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sav a l i dm e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m t h ei s s u ea b o u tt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri no r d e rt o i n c r e a s et h ee f f i c i e n c ya n dc o n t i n u o u sd r i v i n gd i s t a n c eo ft h ee v m a i nc o n t e n t sa r c a sf o l l o w s f i r s to fa l l ，t h ep o w e rs y s t e ms c h e m eu s i n gd o u b l eb a t t e r yp a c kw a sg i v e n t h e s t r u c t u r e ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e t b m s l d e s sd cm o t o rw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e nt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp w m m o d u l ed u r i n gp h a s ec h a n g ep e r i o dw h i c hi m p a c t st h ep u l s a t i o n so ft o r q u ew a s a n a l y z e d f r o mt h ea n g l eo fs w i t c h i n gl o s sa n dm o d u l a t i o np o l a r , t h ep w m o n m o d u l a t i o nm e t h o d w a sp i c k e du p t h e nt h ep r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i n gs c h e m eo ft h e b m s l l l e 镐d cm o t o r w a sd i s c u s s e d f o rt h ec h a r a c t e r i s t i co fl i t h i u mb a t t e r i e s ，t h ec o m p o s i t ee s t i m a t i o ns t r a t e g yo f l i t h i u mb a t t e r ys o ca n dt h ec h a r g i n gs t r a t e g yw c r cp i c k e du pt os u i tt h er e g e n e r a t i v e b r a k i n go fe v t h e nt h em o d eo fp o w e rs y s t e mw a sa n a l y z e d ，t h es t r a t e g yo fd o u b l e b a t t e r yp a c kw a sp r o p o s e df o rt h ee n e r g ys a v i n gc o n t r o ls y s t e m b e s i d e st h e s e ，t h e d o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o lw h i c hc o n s i s t so fc u r r e n tc o n t r o li ni n n e rl o o pa n d v e l o c i t yc o n t r o li no u t e rl o o pw a sa p p l i e d ，i nw h i c h , t h es i n g l en e u r o na d a p t i v ep i d c o n t r o lw a sa p p l i e di nv e l o c i t yl o o p t h ed e s i g no fs o f t w a r e - h a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n ds y s t e md e b u g g i n g w a sc o m p l e t e db a s e do nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h ed e s i g no ft h ec o n t r o lo ft h e h a r d w a r es y s t e mc o n s i s t so fm a i nc o n t r o lc i r c u i t , t h ei n v e r s i o no ft h et h r e ep h a s ef u l l b r i d g ea n di t sd r i v i n gc i r c u i t , t h ec i r c u i to fn o - c o n t a c ts w i t c ha n di t sd r i v i n gc i r c u i t ， t h ep r o t e c tc i r c u i t , a n ds oo n t h e nt h es o f t w a r eo fv a r i o u sf u n c t i o n sm o d u l ew e r e d e s c r i p td e e p l y , w h i c hi n c l u d e dm a i np r o g r a m ，t h es u b p r o g r a mf o rt h es t a r t i n go f m o t o r , t h es u b p r o g r a mo fv e l o c i t ym e a s u r e m e n to fc a p t u r eu n i t , c o m m u n i c a t i n g m o d u l e ，t h es u b p r o g r a mo fa d ci n t e r r u p t ，t h em o d u l ef o rg e n e r a t i n gt h ew a v e f o r m a n dd e a dz o n eo fp w m ，a n ds oo n t h e ni n t r o d u c e dt h es o f t w a r ea n t i - j a m m i n g t e c h n i q u e s a f t e rs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee n e r g y - s a v i n gc o n t r o l l e r d e s i g n e di nt h i sp a p e r h a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o dc o n t r o le f f e c t k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ：b r u s l d e s sd cm o t o r ；r e g e n e r a t i v e b r a k i n g ：n o - c o n t a c t s w i t c h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 蔓连塾鹰二导师签名：么幺壶红日期：芈 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 从第一辆汽车诞生至今的短短一百多年时间里，汽车已经遍及人类社会的 各个角落并极大地改变了人们的生活。在人们享受由汽车带来的种种便利时， 汽车对环境所造成的危害也使人们深受其害。燃油汽车所带来的污染问题越来 越严重，特别是尾气中的一氧化碳和铅对人类的健康危害极大。另一方面燃油 汽车使用的燃料来自于石油，而石油是有限的不可再生资源，作为全世界重要 的化工资源的石油被世界各国在汽车上大量的消耗，据联合国能源组织评估， 全世界探明的石油储存量在未来5 0 年内即将用完，世界石油供给将日趋紧张【。 燃油汽车的大量普及已造成无法回避的负面影响，与日俱增的能源与环境 压力促使人们迫切要求开展对电动汽车的研究与开发。近2 0 年来世界各国对电 动汽车的开发投入了数百亿美元及大量的人力，并取得一些进展。 科技部部长万钢提出了新能源汽车发展的明确目标为“到2 0 1 2 年，国内有 1 0 新生产的汽车是节能与新能源汽车，按届时汽车年产量为1 0 0 0 万辆算，我 国新能源汽车要达到年产1 0 0 万辆的规模一。因此，环保节能的电动汽车对我 国未来的发展意义重大，在我国研究和发展电动汽车迫在眉睫。电动汽车一次 充电的续驶里程制约了电动汽车的迅速推广，电动汽车实现再生制动是增加其 续驶里程的一个有效方法，本课题针对电动车节能控制器展开研究，采用双锂 电池组供电策略，研究电动车用直流无刷电机再生制动原理，并对该电动车节 能控制器进行软硬件设计。 1 2 课题的研究意义 电动车是一种以车载电源为动力、用电机驱动车轮行驶、接近零污染的绿 色交通工具。电池是电动汽车的关键部件，电池性能不足是造成目前电动汽车 难以普及的关键原因，从一开始电池技术就是电动汽车研究和发展道路上的瓶 武汉理工大学硕士学位论文 颈。续航里程短、充电时间长、售价昂贵和整车太重等这些困扰电动汽车发展 的主要因素最终都可以归结到电池上。由于蓄电池的功率密度比较小，电动车 能够携带的蓄电池能量有限，所以电动车的一次充电续驶里程相对比较短，和 传统的燃油汽车相比还相差太远，受到这一限制，到目前为止几乎上还没有一 辆具有商业价值的电动汽车【2 j 。虽然如此，发展环保型汽车是今后汽车发展的方 向这一观点在世界各国已经形成了认同，国内外生产厂商都在进行不懈的努力， 纷纷抢占未来市场。所以对于如何增加电动汽车续驶里程，如何减少电动汽车 在行驶过程当中能量损耗的研究，不论是对于生产厂商还是对于我国的汽车产 业都是十分必要的，都有着重要的实际意义。 汽车在运行中，特别是在市区运行中，加减速、刹车频繁重复，这时汽车 动能无谓的转化为热量等而被废弃，当再次启动时又必须消耗大量能量。因此， 面向新技术发展的需求，电动汽车的电制动功能再生制动必然成为令人瞩 目的研究课题。电动汽车的再生制动是指：电动汽车的驱动电机以发电机模式 运行，消耗汽车动能，提供制动力矩使汽车制动，同时发出的电能被回馈、储 存到车载储能装置中。显然，高技术性能指标的电制动，不仅能提高汽车整车 制动性能，而且能够通过回馈制动能量来节约车载能源，增加电动汽车的续驶 里程。有关研究表明，如果有效的回馈制动能量，电动汽车的行驶距离将提高 百分之十到百分之三十例。 但是，由于过充电及急速充电等问题，使电动机和蓄电池的工作条件变得 很复杂，对控制系统也提出了很高的要求【4 l 。在回馈制动过程中，要对电池的充 电特性进行研究，以预测出在电池各种状态下的最大可充电流，从而得到适当 的充电策略，在保证不损伤充电电池的前提下尽可能多地接受回馈充电电流， 这就是本课题所主要研究的内容，课题的研究可以在一定程度上缓解电动汽车 目前所遇到的技术难题。 1 3 国内外研究现状 上世纪八十年代至今，现代电力电子、微电子、新材料技术和计算机技术 的迅速发展，为电动汽车的开发研制提供了良好的条件。以欧、美、日为代表 的发达国家的科研机构、车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开始研制，并成 功推出了一批概念车。我国也投入了大量的人力、物力进行研发。当前电动汽 2 武汉理工大学硕士学位论文 车的研究集中于蓄电池及其检测管理技术，电机驱动技术，整车系统集成控制 技术，充电技术和车体的优化改进。其中，驱动电机系统的选型，驱动方式的 确定，驱动电机系统高效率、高性能指标的实现，再生制动和能量回馈的实现， 整车的行驶驱动控制策略是电动汽车系统实现必须面临的关键问题【5 】o ( 1 ) 电池技术 目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想，主要表现为蓄电 池的比能量、比功率不够大，造成续驶里程不够长，充电时间较长，使用寿命 短，成本高。在电动汽车研究与开发过程中，使用最为广泛的铅酸电池的比能 量低，一般为4 0 w h k g 左右，而汽油的比能量是1 2 3 4 k w h k g ，两者相差3 0 0 倍，造成电动车续驶里程短，车载能量少，在最高时速、最大加速能力、最大 爬坡能力等方面受到诸多限制。鉴于铅酸电池性能继续提高的潜力不大，世界 各国都在研究新蓄电池，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池，以使电动车的性能、 价格能与燃油汽车相抗衡。从研究和开发的情况看，锂电池比较理想，能量密 度和功率密度显著提高，寿命较长，充放电速度和效率高【6 】。此外，燃料电池作 为一种新兴的能源系统，也是车载电源研究的一个重要方向。另外，电池的成 本在整车中占有较大的比重，精确的s o c 估计和状态监控可以防止电池的过充 电和过放电、延长电池的使用寿命、可相应的降低车辆的使用成本，因此电池 管理系统研究是电动车的重要研究内容之一。电池管理系统主要指电源的开关 管理、电池组的切换管理、电池故障管理及系统的能量回馈管理等，主要功能 是使电池组处于最佳工作状态，实时监控电池组，使系统的回馈能量得以最大 限度存储。 ( 2 ) 电机技术 驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动 车轮和其他工作装置。电机是电动车的关键部件，要使电动车具有良好的性能， 驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量 轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。在驱动电机的选择上，德国主 要选用交流感应电机和永磁无刷直流电机，英国使用开关磁阻电机。在上个世 纪7 0 年代至年代前期，日本主要使用永磁直流电机系统，之后开始使用交 流异步电机，近年来又开始使用永磁无刷直流电机。日本学者通过研究认为采 用优化的矢量控制技术控制异步电机所得的效率高于普通矢量控制系统，而优 化的矢量控制系统的效率还是低于永磁无刷直流电机的效率用。目前电动车所采 3 武汉理工大学硕士学位论文 用的电动机中，直流电机基本上己被交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动 机所取代。永磁直流无刷电机最大的特点就是效率高，这对提高汽车的一次续 驶里程意义重大。电动车所采用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小 型化方向发展。其驱动方案有集中驱动、车桥驱动、双电机驱动及轮毂电机驱 动。轮毂驱动电机彻底改变了汽车传统的驱动方式，将电动机安装在车轮的轮 毂内，电机的转子为外转子，输出转矩直接传输到车轮，既提高了车体空间的 利用率，又舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械部件，减轻了整车重 量，降低了机械传动损耗，并具有灵活的机械行驶特性，成为电动车发展的一 个独特方向嗍。 ( 3 ) 电机驱动方法 针对不同电机有不同的调速方法，其中脉宽调制技术( p w m ：p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 是当今各类电机调速控制方法的重要基础。交流感应电机的调速控 制主要包括：变压变频调速( 岍或w ) 、矢量控制( v c ) 以及直接转矩控 制技术( d s c ：d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) 。永磁直流无刷电动机和永磁直流电机的基 本驱动方法有三种：电流反馈控制方法、电流滞环控制方法、开环电压调速控 制方法。无刷电机根据位置信号检测方法的不同，又有无位置传感器的控制方 法，此方法一般是通过检测各相反电势过零，配合速度检测实现运转。无刷电 机逆变器p w m 驱动有双极性p w m 、单极性p w m 、倍频型p w m 三种基本形 式，双极性p w m 开关损耗相对较高，在电动车辆驱动控制中不宜采用【们。单极 性p w m 和倍频型p w m 所对应的直流母线电流均为间断的脉冲波形，电流采样 必须根据逆变器的开关状态进行，对控制器的处理速度要求较高。 控制器是电动车的大脑，它将各种有用信号转变为控制或保护指令，监督 电动机和电路的运行状态，采样、对比分析并将信号转化为控制指令，其主要 作用是控制电机转速、提高电机效率，并在一定情况下保护电机和电池。电机 控制器目前有三大类：一是采用专用集成电路制作的控制器，如用于直流无刷 电机控制的代表芯片m c 3 3 0 3 5 、l b l l 8 2 0 和用于有刷直流电机控制的专用集成 芯片t m 3 3 9 、t l 4 9 4 ，这类芯片集成度高，使用方便，但功能有限，通用性和可 扩展性不强，更不能实现制动能量回馈。二是采用通用单片机制作的控制器， 以a t m e l 公司的8 9 c 2 0 5 1 和微芯公司的p i c l 6 c 5 4 、p i c l 6 c 7 2 a 为代表，这类 控制器容易进行扩展，但单片机处理能力有限，往往不能满足数据量大、实时 性和精度要求高的场合。三是采用专用数字信号处理器d s p 实现的控制器，能 4 武汉理工大学硕士学位论文 对输入输出数据进行高速处理，且提供高度专业化的指令集，可完成一些较复 杂的控制功能，提高了电机控制的性能，同时简化了系统结构。随着d s p 性价 比的不断提高，基于d s p 的控制系统将是运动控制系统实现技术的发展方向【圳。 c 4 ) 电机系统控制策略 电机控制策略多种多样，转矩闭环控制方面的研究较为活跃，主要集中于 调节器设计、转矩脉动抑制以及最大转矩控制方法的研究。另外，永磁电机由 于励磁恒定，恒功率弱磁控制一直是其应用难点。效率最优控制策略( e o c ) 还在进一步研究当中。随着交流电机在电动车系统中的应用，各种现代控制技 术开始应用在电动车电机驱动控制系统中，如模糊控制、自适应控制、神经网 络和专家系统等1 1 1 j 。 ( 5 ) 能量回馈技术 汽车制动能量再生方法根据不同的储能机理分为液压储能、飞轮储能和电 储能。液压储能和飞轮储能。再生方法的实质是将汽车制动或减速时的动能存 储并直接释放利用，属机电一体化的能量再生系统。飞轮装置重量体积大，意 味着汽车运行将消耗更多能量，且高速飞轮的研制是技术难点；液压储能方式 中功率必须通过液压泵和泵马达转换，不可避免的伴随摩擦和热的损失，且系 统密封性要求高、成本昂贵；电储能制动能量回馈方式是一种方便、可靠且能 量回馈利用效率高的方案，目前研制的纯电动汽车和混合动力车普遍采用这种 方法来实现能量再生制动。世界各大汽车集团一些汽车上己装有先进的制动能 量回馈系统，如f o r d 的t h i n kc i t y ，g m 的e v i ，t o y o t a 的删，h o n d a 的e v p i u s 等。据美国对电动汽车的实际运行测试结果表明，再生制动能使电动汽车一次 充电后行驶的里程增加1 0 2 5 ，如丰田的p r i u s 可以回馈大约3 0 的能量1 1 2 1 。 我国电动车与欧、美、日等发达国家相比起步较晚，为了在该项技术与国际同 步，我国政府耗资数亿元启动了国家“8 6 3 一计划电动车重大专项计划，全国各 地掀起研发电动汽车的热潮，制动能量回馈问题成为电动汽车研究中的一个热 点。目前的再生制动研究主要集中于具体电路的实现、控制和在车辆中的应用， 对制动控制策略的深入研究尚未见到报道。能量回馈控制直接影响能量回馈效 率、制动安全性、驾驶时的舒适度等，需要综合考虑各种因素。在车辆制动能 量回馈工况中，要在保持制动安全和舒适度的基础上，寻求最优能量回馈效率， 要使电机发电效率、逆变器工作效率、动力电池组充电效率均处于高效区1 1 3 l 。 目前回馈制动效果较好的是低速能量回馈制动的电气制动方式。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本课题主要是完成基于d s p 芯片1 m s 3 2 0 u 砭4 0 7 a 为核心的电动车节能控 制系统的软硬件设计，研究直流无刷电机及其再生制动原理，采用双锂电池组 供电，制定合适的再生制动策略以最大限度回馈电动车制动回馈的能量。 研究内容： ( 1 ) 研究直流无刷电机的工作原理，分析其数学模型，讨论换相期间p w m 调制方式对转矩脉动的影响，并确定合适的p w m 调制方式。然后分析直流无刷 电机实现回馈制动的原理。 ( 2 ) 电池的荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 是描述电池电量状态的一个 重要参数，本论文的一个重要任务就是从实际应用角度出发，研究最适合电动 车用锂电池s o c 估算方法。在此基础上制定合适的能量回馈控制策略以最大限 度回馈电动车制动回馈的能量。在分析动力系统工作模式的基础上确定节能控 制系统的双闭环控制策略，研究再生制动过程中锂电池组的充电策略。 ( 3 ) 完成以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的直流无刷电机控制系统软 硬件设计。针对双锂电池组供电结构，为动态选择切换单元设计相应的无触点 切换电路。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题研究的背景和意义，从电动车用电池技术、电机及其 驱动技术、电机控制策略和能量回馈技术等方面分析了国内外在电动车节能控 制器领域的发展水平和研究现状。然后针对双锂电池电动车节能控制器的研究， 确定了本文的研究内容。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章能量回馈控制策略研究 区别于传统内燃机汽车，电动车采用新型汽车动力，核心是电力驱动及控 制系统，其由驱动电动机、电源和调速控制装置组成。电动车面临的关键问题 是如何提高车辆行驶的能量效率，从而延长车辆续驶里程。再生制动能量回馈 是解决该问题的主要技术措施之一。 在电动车运行过程中，利用电机的发电功能可实现再生制动能量回馈功能， 其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电机，电机以发 电方式工作，为动力电池充电，实现制动能量的再生利用。与此同时，产生的 电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动，产生制动力矩。可见，再 生制动利用了原本会被消耗于摩擦制动的能量，从而可降低电动汽车的能耗， 改善汽车的经济性能。因此，在目前的电动汽车技术研究中，回馈制动已成为 一种降低能耗、提高续驶里程的重要技术手段。 与传统汽车相比，在电动汽车中引入再生制动后，制动系统的设计和控制 有较大不同，其不仅要求电动汽车具有良好的制动性能，还要能够最大限度地 回馈制动能量。因此分析、研究制动系统的结构，并制定切实可行的能量回馈 制动控制策略，是非常重要的。目前还没有一致认可的再生制动控制策略。不 同生产厂家、不同车型结构，所采取的控制策略也不相刚1 4 1 。以下将介绍本文 所采取的动力系统方案。 2 1 动力系统方案 一般情况下，电池的充电都是在电池闲置时进行，即电池在一个较长的时 间内按照预定的模式用可控电源进行充电，可以说是一种“静态 充电。而课 题所需要研究的汽车回馈制动涉及对电池的频繁充放电，汽车的制动时间往往 很短，很频繁，而回馈制动时产生的充电电流和充电时间也是随时在变化的， 可以说是一种“动态 充电。电动车再生制动能量回馈控制要根据制动踏板状 态、加速踏板位置、车辆行驶速度和蓄电池状态等参数，兼顾整车制动舒适性、 7 武汉理工大学硕士学位论文 电池接收能力、电机最大制动功率及发电效率、能量回馈效率等因素，实现再 生制动和机械制动的合理耦合。本文设计的动力系统结构拓扑如图2 - 1 所示。 ( a ) 电动模式 l j ； ( b ) 制动模式 图2 1 双电池组供电模式结构图 由图可见，本文采取了双锂电池组供电策略，系统根据各锂电池组当前状 态决定其工作方式，通过动态切换单元实现对每组电池组独立放电和充电管理。 电池组1 和电池组2 可单独或同时作为动力源对外放电以驱动直流无刷电机， 当再生制动发生时，电池组1 和电池组2 也可单独或同时接入制动能量回馈充 电单元，此时电动车的动能通过再生制动装置转化为电能回馈到电池组中，即 对电池组进行充电。两电池组的充放电状态取决于它们的荷电状态s o c 。 目前双电源切换技术还未应用到电动车制动能量回馈方面。现有的电动车 普遍采用单电池供电结构，一般只有电动功能，少数能实现能量回馈的电动车 也都采用单电池供电结构。本文将双电源切换技术应用到电动车制动量回馈领 域，采用双电池组供电策略，一方面可使电动车续驶里程加倍，另一方面避免 单电池供电结构中电池组频繁充放电而影响电池寿命的缺点。动态选择切换单 元由无触点开关k 1 、k 2 构成。无触点开关是由电子器件和电力电子器件组成的 新型开关器件，具有无触点、快速、无火花接痕等特点。对于电动机这样的感 性负载，无触点开关要有抗击瞬间大电流频繁冲击的能力，晶闸管是切换系统 8 武汉理工大学硕士学位论文 中无触点开关的首选。 2 2 直流无刷电机及其回馈制动 常用于电动汽车的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机、永磁 直流无刷电机以及开关磁阻电机。永磁直流无刷电机同其它电机相比具有几个 明显优点： ( 1 ) 永磁直流无刷电机没有电刷，而是利用电子换相，故克服了任何由电刷 引起的问题； ( 2 ) 永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热 量更容易散发出去，结构简单，且节省了空间，使其磁场损失也得到了减少； ( 3 ) 永磁直流无刷电机的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震 荡等现象； ( 4 ) 永磁直流无刷电机的起动、调速特性类似于直流电机，控制简单，同时 也克服了同步机的缺点，又具有功率因数好的优点。 正是由于永磁直流无刷电动机具有以上优点，使永磁直流无刷电机使其在 电动车传动系统中备受青睐【1 5 1 。 2 2 1 永磁直流无刷电机工作原理 有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场，因而必须具有电刷和换向器 作为其滑动的接触机构。直流无刷电机则利用电子换向器取代机械电刷和机械 换向器，与有刷直流电机相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。其转子是由 永磁材料制成且具有一定磁极对数的永磁体【1 6 1 。直流无刷电机的定子上有电枢， 电枢绕组采取整距集中式绕组。绕组的相数有二、三、四、五相，其中应用得 最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电子开关电路相连。在电机内装 有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置，电子开关电路中 的开关管受转子位置传感器的信号控制。 综上所述，直流无刷电机由电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三 大部分组成，如图2 2 所示为其组成框图。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 直流无刷电机组成框图 电机本体的主要部件是转子和定子。 转子由永磁材料制成，产生励磁磁场。 定子是电机本体的静止部分，由导磁的定子铁心、导电的电枢绕组及固定 铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。定子绕组是电机本 体的一个最重要部件。当电机接上电源，电流流入定子绕组，产生的磁动势与 转子产生的励磁磁场相互作用，从而产生电磁转矩。 直流无刷电机的运行离不开转子位置的检测，准确检测转子位置并按照逻 辑组合准时切换功率器件是控制直流无刷电机的关键。 转子位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极位置的作用，是最为 直接、有效的检测方式，为电子换相电路提供稳定的换相信息，是实现无接触 换向的一个关键部件。转子位置传感器将转子磁钢磁极的位置信号转换成为电 信号，再去控制定子绕组换相。其主要技术指标包括：输出信号的幅度、精度、 抗干扰能力、体积、相应速度、安装的方便性及可靠性等。位置传感器的种类 很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。磁敏式位置传感器结构简单、体积小、 安装灵活方便、易于机电一体化等优点，得到广泛应用。位置传感器增加了电 机体积，需要多条信号线，也增加了电机制造的工艺要求和成本【1 7 l 。 为适应直流无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利 用电枢绕组的感应电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去 了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的 应用。但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，当电机在 静止或低速运行时，反电势为零或太小，因而无法利用，需设计专门的启动电 路，使电机以他控式变频方式同步拖动电机转子旋转，电机产生一定的初速度 和电动势后，再切换到无刷机自控状态，因而启动电路较为复杂，同时电机运 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 行状态的切换也必须满足一些条件。 电子换相线路起到类似于传统直流电机中换向器的作用。电子换相线路将 位置传感器的输出信号进行调解、预放大、功率放大后去触发功率开关管，使 电枢绕组按照一定的逻辑通电，从而保证电机可靠运行。功率开关管通常为功 率晶体管g t r 、功率场效应晶体管m o s f e t 、绝缘栅晶体管i g b t 、可关断晶 闸管g t o 以及m o s 栅控晶闸管、m c t 等功率电子器件。晶闸管适用于中大功 率电机、晶体管适用于中小功率电机i 埔】。各种晶体管由于容量、开关频率、价 格等不同应按电机的实际工作状况进行合理选取。 以下分析永磁直流无刷电机的工作原理。 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直 流电机旋转，需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两 个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电机不断旋转。 直流无刷电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒 定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流恒定，以产生恒定的转 矩。直流无刷电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体， 这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子 上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了 使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能 使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保 持9 0 。左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。 直流无刷电动机依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱 动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组 的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感 器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流 方向不变，因此，就可产生恒定的转矩使直流无刷电动机运转起来。 直流无刷电动机电枢绕组有三角形、y 型接法和多相星型接法，逆变器有桥 式和非桥式结构，两者的连接形式多种多样。因此，不同的选择会使电机产生 不同的性能并且成本也不同。以下作一个对比【1 9 1 。 ( 1 ) 绕组利用率 直流无刷电机的绕组是断续通电的，适当提高绕组通电利用率可使通电导 体数增加、电阻下降，从而提高效率。从这个角度看，三相比四相好，四相比 武汉理工大学硕士学位论文 五相好，全桥比半桥好。 ( 2 ) 转矩波动 一般相数越多，转矩波动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩波动小。 ( 3 ) 电路成本 相数越多，驱动电路所需开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动的 成本高一倍。 综合上述分析，以两相导通三相星形全桥驱动方式应用最为广泛。如图2 3 所示电路。 矿、 缀) i 勿煞 、- - t 一一，j 图2 3 两相导通三相星形全桥驱动电路 现以其为例说明工作原理。在一个控制周期( 3 6 0 o 电角度) 内，每一时间 有两个功率开关管导通，每隔1 6 周期换相一次，每个功率开关管导通1 2 0 度电 角度，导通顺序为v 6 v 1 、v 1 v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 ，可见在每一个 控制周期内存在六个开关状态，该导通方式也称为二二导通。整个系统工作过 程如下：控制电路对霍尔传感器检测得到的转子位置信号进行逻辑变化，产生 可控的6 路驱动信号，经过逆变器的功率开关管后，送入电机的三相绕组，进 而控制电机按照某一方向运转。 如图2 - 4 所示为永磁直流无刷电机换相原理图。当转子位于图( a ) 所示位置 时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路以及驱动电路处理后， 导通功率开关管t 1 、t 6 ，即绕组a 、b 通电，且电流方向为a 进b 出，电枢绕 组在空间的合成磁势为f a 。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。 电流流经路径为：电源正极一t 1 一a 相绕组一b 相绕组一t 6 一电源负极。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 f a a 0 x ( 1 ) a 固 图2 4 换相原理图 b 当转子转过6 0 9 电角度到达到图中所示位置时，转子位置传感器输出位 置信号改变，再经过控制电路及驱动电路处理后使t 6 截至，他导通，t 1 仍然 导通。则绕组a 、c 通电，且电流方向为a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场 如图m 。此时，定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流经 路径为电源正极一t 1 一a 相绕组一c 相绕组一亿一电源负极。依此类推，当转 子继续沿顺时针每转过6 0 。电角度时，逆变器中功率开关管的导通逻辑为t 3 t 2 1 r 3 t 4 一t 5 t 4 一t 5 t 6 一t 1 t 6 一，则转子磁场始终受定子合成磁场的作用并 沿顺时针方向连续转动刚。 定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式的磁场，每个 步进角是6 0 。电角度。每当转子转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就进行 一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机在3 6 0 。电角度内有6 个磁状态， 每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。电角 度，每个功率开关管的导通角为1 2 0 。电角度，故称之为1 2 0 。导通型。电机逆 时针旋转时的分析与顺时针相同，只是逆时针旋转的开关管导通逻辑与顺时针 时相反。两相导通星形六状态直流无刷电机的三相绕组通电与各开关管导通逻 辑如表2 1 所示。 表2 - 1 逆变器开关管导通逻辑 磁状态1 2 3 456 h 1 h 2 h 3 1 0 10 0 10 1 10 1 01 1 01 0 0 通电绕组 a ba cb cb ac a c b 顺时针t 6 t 1t 1 配 t 2 t 3t 3 t 4t 4 t 5t 5 t 6 逆时针 t 3 t 4t 4 t 5t 5 t 6t 6 t 1t 1 配t 2 1 陷 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 永磁直流无刷电机数学模型 直流无刷电动机转子采用弧形结构，以获得梯形波气隙磁场，因此直流无 刷电动机的反电动势为梯形波。定子绕组由逆变器供给方波电流，某一相气隙 磁场感应的反电动势与电流的关系如图2 5 所示。 e i 图2 5 直流无刷电机反电动势与电流的关系 e ! 】。【言吾墨】【i 三】+ 【主三芝笔 p 【i 三】+ 【圣】 ( 2 - 1 ， 式中： 、翻c 为三相定子电压5 c _ 、e s 、为三相定子反电动势。 工仙、l c 、k 、k 、屯、k 为三相定子间互感；p 为微分算子。 k l c k k 七一k - m ，m 为定子绕组间互感。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 e 三】。【专丢主】 | 三】+ 匿兰錾】p 差】+ 兰】 ( 2 - 2 ， 又因为存在+ k + i c 一0 ，上式可整理为： e 三 。f 言丢墨 【| 三 + 【lj _ 工 i 工互 p ；三 + 【圣】 c 2 - 3 ， v l 小sv 3 su 参 i l i 一 k懿crrv_、_-1-l一 a 。广义 k b r r r 、_ - 1 ， l ci c 嫩苫罴 w 一点 iv 6 j 卣iv 2 【 图2 - 6 直流无刷电机电路拓扑 电磁转矩方程为： r - ( o i + e 寥i 量+ e c i c ) q ( 2 4 ) 上式中q 为电机转子的角速度。因为理想情况下任何时刻定子绕组只有两 相导通，则电磁转矩可变化为： r - 砜，。q ( 2 5 ) 式( 2 - 5 ) 中：乜m 为定子绕组各相反电势的幅值； m 为定子绕组各相电流的幅值。 直流无刷电动机定子绕组各相反电动势的幅值为： e m - 卧y 肌旦6 0 纫一 ( 2 6 ) 又因为主磁通为： m - b f 兰型 ( 2 7 ) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 l 一訾哦一即味以 公式( 2 8 ) 中：k - n p 埔6 0 为电势系数，n 为绕组匝数， 万为电机转速。 因此电磁转矩表达式可转化为： r 2 e 。，m q k 西鹿l 6 0 ( 2 8 ) p 。为极对数， ( 2 9 ) 由上式可以看出直流无刷电动机感应电动势与转子速度成正比，电磁转矩 大小与磁通和电流幅值大小成正比，控制逆变器输出方波电流幅值可控制电机 转矩。 2 2 3 换相期间p w m 调制方式对转矩脉动的影响 直流无刷电机存在的主要问题是转矩脉动相对较大，这与它的工作原理有 关1 2 1 】。直流无刷电机的理想电流波形为方波，理论上转矩为恒定值，无脉动现 象。但是换相时电流不能突变，实际上只能是梯形波，通过气隙传到转子的电 磁功率也是梯形波，因此在电磁转矩的平均值上，每隔6 0 度电角度都会有一个 缺口，造成不可避免的转矩脉动。另外还有其它的可能原因造成转矩脉动，如 永磁体磁场不理想，定子绕组与励磁磁场空间分布匹配不当，定子齿槽的存在 等。研究表明，直流无刷电机的转矩脉动可能对于精确的伺服控制不利，但是 对于控制精度要求不高的电动车而言，还是可以接受的【翻。 直流无刷电机的转速调节是通过脉宽调制( p w m ) 技术实现，不同的p w m 调 制方式关系到截止相续流电流的产生与否，从而对电枢电流和电磁转矩的影响 也是不同的，为了使直流无刷电机表现出更好的性能，对直流无刷电机的p w m 调制方式进行研究和改进很有必要。 p w m 信号实现调压调速的调制方式有两种：半桥调制和全桥调制。对功率 逆变桥的所有开关元件q 1 q 6 进行脉宽调制，即“全桥调制 。在任意时刻，只 对功率逆变桥的上半桥q l 、0 3 、0 5 ( 或下半桥q 4 、q 2 、0 6 ) 进行脉宽调制，即 “半桥调制 。对于半桥调制，又分为“对称半桥调制一和“不对称半桥调制 。 对称半桥调制是指将每一个功率管的开关状态分为两个不同阶段，前6 0 。保持 全通( 或调制) ，后6 0 。保持调制( 或全通) ，即上下桥臂对称调制。不对称半桥调 制是指在1 2 0 。区间内，要么只对上半桥调制，要么只对下半桥调制。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 常见的p w m 调制方式有以下5 种【2 2 1 ：( a ) p w m _ o n ；( b ) o np w m ： ( c ) h _ p w mi ：0 n i ( d ) h _ o nl _ p w m ；( e ) h _ p w mlp w m 2 3 1 ，如图2 - 7 所示。 t l t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 t l t 4 ” t 6 t 5 t 2 6 1 ：1 - 2 ：2 - 3 ：3 - 4 ：4 - - 5 孓6 1 n 几n n 厂 ； ； i ；n n n h n 广 h 几n n n r _ 1 ： i n n n n ；, gr i n nr l n n n n n i i p，三n 。： 。一i j n 一， ( a ) p w m _ o n 6 - 11l - 22 33 4 4 - 55 1 n h r n h f l n h r 1 n n n n n n n