半橋調(diào)制下無(wú)刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)的研究

1、半橋調(diào)制下無(wú)刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)的研究孫佃升1 賈榮叢1 白連平2（1.濱州學(xué)院 自動(dòng)化系，濱州，256601）（2.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化系 北京 100085）摘要 本文對(duì)采用三相全橋逆變電路控制的無(wú)刷直流電機(jī)在半橋調(diào)制方式下由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入回饋制動(dòng)的過(guò)程作了深入分析研究，并對(duì)采用三相全橋逆變電路的無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)與回饋制動(dòng)控制系統(tǒng)做了仿真和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三相全橋逆變電路控制的無(wú)刷直流電機(jī)在半橋調(diào)制方式下可很好地實(shí)現(xiàn)從電動(dòng)狀態(tài)到回饋制動(dòng)狀態(tài)的過(guò)渡。該控制方法硬件電路簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī) 半橋調(diào)制 回饋制動(dòng)Study on Half Bridg

2、e Modulation Control of Regenerative Break for BLDCMSUN Dian-sheng 1 JIA Rong-cong 1 BAI Lian-ping 2(1. Department of Automatization, Binzhou College, Binzhou，256601,China)(2.Department of Automatization, Beijing Information Science&Technology University, Beijing,100085,China)ABSTRACT: This pape

3、r study on the process of the working state of the BLDCM which turns drive state to the regenerative break state. This control system bases on three phase full bridge and using the half bridge modulation control method. The experiments show that the control method can control BLDCM working from the

4、drive state to the regenerative brake state well. The hardware of this system is not complex and controlled easily ,so the control system can be used widely.Keywords: BLDCM, half bridge modulation, regenerative brake1 引言無(wú)刷直流電機(jī)具有控制方便、效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用1。尤其在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，無(wú)刷直流電機(jī)已經(jīng)成為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)

5、動(dòng)的首選電機(jī)。蓄電池供電的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較其它類(lèi)型的電機(jī)控制系統(tǒng)可方便的實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。研究無(wú)刷直流電機(jī)的回饋制動(dòng)對(duì)于延長(zhǎng)蓄電池單次充電用時(shí)、節(jié)約電能都具有很大意義。采用三相全橋逆變電路的無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)與回饋制動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行中電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)到回饋制動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程的研究很有必要。2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 系統(tǒng)主要由蓄電池及逆變電路、無(wú)刷直流電機(jī)、系統(tǒng)控制單元等幾部分組成。圖1為蓄電池、功率逆變電路以及無(wú)刷直流電機(jī)的電路連接圖。圖1 蓄電池、電機(jī)與功率逆變電路的電路連接圖3 電動(dòng)運(yùn)行時(shí)半橋調(diào)制控制電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，相電流的導(dǎo)通方式采用120° 導(dǎo)通

6、方式，即每個(gè)功率管導(dǎo)通時(shí)間均為120° 電角度。調(diào)速采用的PWM調(diào)制方式為半橋調(diào)制，即PWM只對(duì)導(dǎo)通周期內(nèi)一對(duì)元件中的一個(gè)起作用2。功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)取決于位置傳感器提供的HALL信號(hào)。表1所示為測(cè)試得出的電機(jī)正向和反向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，霍爾位置傳感器的HALL狀態(tài)與開(kāi)通功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2所示為本文規(guī)定的相電流與反電勢(shì)的正方向以及電動(dòng)運(yùn)行時(shí)二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以和導(dǎo)通的60° 電角度的時(shí)間段為例，這時(shí)、的波形見(jiàn)圖2(b)的段。表1 正轉(zhuǎn)時(shí)HALL狀態(tài)與開(kāi)通功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系HALL狀態(tài)011001101100110010正向電動(dòng)時(shí)導(dǎo)通功率管圖2 半橋調(diào)制時(shí)相電流與反電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)為

7、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，則電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，在時(shí)間段內(nèi)，、從變到。上橋臂開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)間內(nèi)接受PWM調(diào)制信號(hào)，而下橋臂開(kāi)關(guān)管僅接受相通斷信號(hào)。在時(shí)間段內(nèi)，和的相通斷信號(hào)均為導(dǎo)通，當(dāng)接受PWM開(kāi)通信號(hào)的時(shí)，電路中電流流向如圖3（a）所示。若規(guī)定電源負(fù)極電位為參考零電位，可知O點(diǎn)電位為，B相繞組出線端電位變化范圍為從到，由于，所以續(xù)流二極管始終截止3。因此圖3（a）為半橋調(diào)制下PWM為開(kāi)通信號(hào)時(shí)的電路電流情況。回路的等效電路圖見(jiàn)圖4，回路電壓方程如下： (1)式中、分別為、相電勢(shì)；、為相電阻，且=；、為相電感，且=；、為兩相互感，且；為蓄電池電壓；、分別為、相電流。（1）式可改寫(xiě)為： （2）圖3 半橋調(diào)制時(shí)的繞

8、組電流圖4 和導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖在時(shí)間段內(nèi)，和的相通斷信號(hào)均為導(dǎo)通，當(dāng)接受PWM關(guān)斷信號(hào)的時(shí)，開(kāi)關(guān)管接受的是開(kāi)通信號(hào)。同樣以電源負(fù)極電位為參考零電位，可知O點(diǎn)電位為零，B相繞組出線端電位變化范圍為從到，所以在時(shí)間斷內(nèi)，B相繞組出線端電位為，續(xù)流二極管導(dǎo)通；而在時(shí)間斷內(nèi)，B相繞組出線端電位為，續(xù)流二極管截止。因此，在PWM關(guān)斷情況下，存在第3相（非相通斷開(kāi)通相）續(xù)流的情況4。圖3（b）所示為半橋調(diào)制下PWM為關(guān)斷信號(hào)時(shí)，三相繞組均參與續(xù)流時(shí)的情況。4 半橋調(diào)制控制方式下由電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入回饋制動(dòng)在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)兩相繞組串聯(lián)后的線電勢(shì)的最大幅值2低于蓄電池電壓。但電機(jī)繞組屬感性器件，根據(jù)

9、升壓斬波原理，可合理控制三相逆變器的各橋臂的開(kāi)關(guān)管的通斷，構(gòu)成不同的繞組回路，在一定時(shí)間段內(nèi)使繞組回路電流上升，電感儲(chǔ)能，然后切斷續(xù)流回路，使繞組產(chǎn)生很高的自感電勢(shì)，此時(shí)電機(jī)兩相繞組串聯(lián)后的感應(yīng)電勢(shì)與反電勢(shì)之和可高于蓄電池電壓，從而能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行回饋充電。半橋斬波回饋制動(dòng)方式中，逆變器只有處于下橋臂的三個(gè)功率管（、 、 ）有PWM開(kāi)關(guān)動(dòng)作，而上橋臂的三個(gè)功率管（ 、 、）始終是截止的，、 、 各導(dǎo)通120°，且正向制動(dòng)時(shí)，、 、 的導(dǎo)通時(shí)刻為正向電動(dòng)時(shí)各自上橋臂的導(dǎo)通時(shí)刻。表2給出了半橋斬波正向回饋制動(dòng)時(shí)HALL狀態(tài)與開(kāi)通功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2 正向制動(dòng)半橋斬波時(shí)HALL狀態(tài)與開(kāi)通

10、功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系HALL狀態(tài)011001101100110010正向制動(dòng)時(shí)導(dǎo)通功率管下達(dá)回饋制動(dòng)指令時(shí)，電機(jī)正電動(dòng)運(yùn)行，可能的狀態(tài)有三種，仍以圖2（b）中時(shí)間段內(nèi)為例分析，三種狀態(tài)分別為：、導(dǎo)通的蓄電池供電狀態(tài)；、導(dǎo)通的繞組續(xù)流狀態(tài)；、導(dǎo)通的繞組續(xù)流狀態(tài)。以、導(dǎo)通的蓄電池供電狀態(tài)下下達(dá)回饋制動(dòng)指令后的狀況為例進(jìn)行分析，其它兩種情況下的狀況類(lèi)似。此時(shí)，、相通斷信號(hào)變?yōu)殛P(guān)斷，相通斷信號(hào)變?yōu)殚_(kāi)通。由于回饋制動(dòng)初瞬，兩相繞組中的電流方向不能突變，、繞組產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)，、導(dǎo)通，此時(shí)兩相繞組串聯(lián)后的感應(yīng)電勢(shì)與反電勢(shì)之和可高于蓄電池電壓，從而對(duì)蓄電池進(jìn)行回饋充電（如果繞組電流小，則只能給直流側(cè)電容充電）

11、。上述過(guò)程非常短暫，電流很快衰減，直到、截止。此狀態(tài)見(jiàn)圖5。此過(guò)程的等效電路圖如圖6所示，下達(dá)回饋制動(dòng)指令，相當(dāng)于同時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，合上開(kāi)關(guān)，直至回路電流衰減到零。圖5 半橋調(diào)制下進(jìn)入回饋制動(dòng)續(xù)流階段前的繞組電流情況圖6 半橋調(diào)制下進(jìn)入回饋制動(dòng)續(xù)流階段前的繞組電流衰減此后由于相通斷信號(hào)為開(kāi)通，在接受的PWM信號(hào)也為開(kāi)通時(shí)，導(dǎo)通，進(jìn)入回饋制動(dòng)繞組續(xù)流階段。此階段、，、導(dǎo)通，繞組電流反向，此為回饋制動(dòng)繞組續(xù)流階段，圖7為回饋制動(dòng)兩相續(xù)流階段電流情況（由于從變到，在相繞組出線端電壓小于零時(shí)，也導(dǎo)通，相也參與續(xù)流，此為三相續(xù)流階段）。圖7 半橋調(diào)制回饋制動(dòng)兩相續(xù)流階段的繞組電流當(dāng)接受的PWM信號(hào)也為關(guān)斷時(shí)

12、，截止，進(jìn)入回饋制動(dòng)充電階段。兩相繞組串聯(lián)后的感應(yīng)電勢(shì)與反電勢(shì)之和可高于蓄電池電壓，、導(dǎo)通，從而對(duì)蓄電池進(jìn)行回饋充電（在相繞組出線端電壓小于零時(shí)，也導(dǎo)通），圖8為回饋制動(dòng)充電階段的電流流向。在回饋制動(dòng)中，通過(guò)控制PWM波的占空比，可控制充電電流的大小，也就控制了回饋制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩的大小。圖9為回饋制動(dòng)充電階段的等效電路。圖8 半橋調(diào)制回饋制動(dòng)充電階段的繞組電流回路的電壓方程： （3）圖9 半橋調(diào)制回饋制動(dòng)截止充電階段的等效電路5 計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)一臺(tái)永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，。圖10所示為PSPICE仿真出的有電動(dòng)狀態(tài)下在有PWM動(dòng)作的開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)下突然下達(dá)回饋制動(dòng)指令，回

13、路電流衰減波形，可見(jiàn)電流迅速衰減到零，此后進(jìn)入回饋制動(dòng)續(xù)流階段。圖10 半橋調(diào)制下進(jìn)入回饋制動(dòng)續(xù)流階段前的繞組電流衰減圖11和圖12分別是數(shù)字示波器記錄的電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)和回饋制動(dòng)狀態(tài)下的一相的電流和位置信號(hào)波形，負(fù)載大小為。對(duì)照電機(jī)該相位置信號(hào)和對(duì)應(yīng)的電流波形，可見(jiàn)圖12所示為電機(jī)工作于正向回饋制動(dòng)狀態(tài)下的情況。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為800，PWM斬波頻率為8KHz。圖11 半橋斬波電動(dòng)時(shí)的A相的位置信號(hào)和電流波形圖12 回饋制動(dòng)時(shí)A相的位置信號(hào)和電流波形6 結(jié)論本文對(duì)采用三相全橋逆變電路控制的無(wú)刷直流電機(jī)在半橋控制方式下由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入回饋制動(dòng)的過(guò)程作了深入分析研究。并研制了三相全橋逆變電路的無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)與回饋制動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)做了仿真和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行情況較好，具有應(yīng)用價(jià)值。作者簡(jiǎn)介：孫佃升（1980）男，漢，山東省昌邑市人，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)，碩士。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。賈榮叢（1981）女，漢，山東省沾化市人，畢業(yè)于山東大學(xué)，碩士。研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。白連平（1956）男，滿(mǎn)，黑龍江省