隨著全球環(huán)境污染和能源問題的日益嚴(yán)重，電動(dòng)車輛迎來了發(fā)展契機(jī)。但是，電動(dòng)車輛所遇到的最大問題是續(xù)航里程短。因此，如何有效地利用電池能量是發(fā)展電動(dòng)車輛所面臨的一個(gè)重要問題。

    本文以電動(dòng)車用直流無刷電機(jī)(BLDCM)[1]為研究對象，提出了一種簡單有效的方法，將剎車產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能然后再存儲(chǔ)到電池中，以此延長電動(dòng)車的續(xù)航里程。
1 能量回饋制動(dòng)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(dòng)勢。ia、ib、ic是對應(yīng)的相電流。圖2是BLDCM在電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的開關(guān)序列。其中，ea、eb、ec是電機(jī)的相反電動(dòng)勢，H1、H2、H3是霍爾信號；S1～S6是開關(guān)信號。在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，上橋臂開關(guān)管S1、S3、S5為PWM調(diào)制，下管S2、S4、S6為常開或常關(guān)。在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，上管全部關(guān)閉，下管為PWM調(diào)制。

1.1 電動(dòng)狀態(tài)
    從圖2可知，一個(gè)電周期內(nèi)有６個(gè)狀態(tài)，以狀態(tài)Ⅰ 作為研究對象。圖3給出了狀態(tài)Ⅰ的等效電路。在PWM信號為高電平時(shí)，功率管S1與S4飽和導(dǎo)通，電流經(jīng) S1→a、b相繞組→S4與電源閉合。如圖3中實(shí)線回路所示。a、b相繞組所加電壓為Vbatt，電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)。

    在PWM信號為低電平時(shí)，S1關(guān)閉，S4繼續(xù)飽和導(dǎo)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(jī)處于電動(dòng)續(xù)流狀態(tài)。
1.2 制動(dòng)狀態(tài)
    由于電機(jī)屬于感性器件，根據(jù)升壓斬波原理，可通過合理控制各橋臂功率管的通斷，實(shí)現(xiàn)回饋充電。根據(jù)上述原理，可將上橋臂S1、S3、S5全部關(guān)斷，下橋臂S2、S4、S6輪流進(jìn)行PWM調(diào)制以產(chǎn)生回饋電流。下橋臂功率管的調(diào)制順序由霍爾信號決定，能量回饋時(shí)霍爾信號與功率管開通情況如圖2所示。當(dāng)控制器接收到剎車信號時(shí)，電機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)切換至制動(dòng)狀態(tài)。下面以狀態(tài)Ⅰ為例分析電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的工作原理及過程。圖4所示為電機(jī)在制動(dòng)狀下階段Ⅰ的開關(guān)信號S2和對應(yīng)相電流的波形。

    設(shè)從t0至t2為S2的一個(gè)開關(guān)周期T，S2在t0時(shí)刻開通，t1時(shí)刻截止，電機(jī)a、b繞組中電流i的波形如圖4所示。

    在實(shí)際工作過程中，主控芯片STM32處理外部輸入信號(如轉(zhuǎn)把、剎車信號等)，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器所提供的信號，按照相應(yīng)的換相邏輯發(fā)出一定占空比的PWM信號。驅(qū)動(dòng)電路將接收到的PWM信號放大處理，用以驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率管以希望的開關(guān)頻率和占空比導(dǎo)通或關(guān)斷。從而使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)并輸出轉(zhuǎn)矩及功率。
2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    本控制系統(tǒng)的軟件部分主要內(nèi)容包括主程序和ADC中斷子程序等。ADC中斷子程序是程序設(shè)計(jì)的最主要部分，主要完成電機(jī)工作狀態(tài)判定、相電流采樣及軟件濾波、速度計(jì)算、電動(dòng)狀態(tài)的速度和電流雙閉環(huán)算法、制動(dòng)狀態(tài)的電流閉環(huán)算法等。ADC中斷子程序流程圖如圖7所示。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證本控制系統(tǒng)的可行性和可靠性，使用PSIM進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。PSIM用于仿真整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)及電動(dòng)和制動(dòng)工作狀態(tài)的運(yùn)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(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)下，霍爾信號H1、H2、H3以及電機(jī)相電流ia的PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖。而圖9(a)和圖9(b)分別為電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)下，霍爾信號H1、H2、H3以及電機(jī)相電流ia的PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果一致。驗(yàn)證了控制策略的正確性。
    當(dāng)控制器工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)把信號有效，剎車信號無效；當(dāng)控制器工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)把信號無效，剎車信號有效。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中先使電機(jī)工作在最大速度的電動(dòng)狀態(tài)，即Speed=426 r/min，然后調(diào)整剎車信號給定制動(dòng)電流，此時(shí)電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)的狀態(tài)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(dòng)電流為45 A。由圖10可知，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)直流母線電流為正，電池釋放能量；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，直流母線電流為負(fù)，電池吸收能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)時(shí)的能量回饋。

    本文提出了一種簡單有效的方法來實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的制動(dòng)與能量回饋。電動(dòng)狀態(tài)與制動(dòng)狀態(tài)的切換通過控制器內(nèi)部控制策略完成，無需做任何硬件變動(dòng)。通過PSIM仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法的可行性。
參考文獻(xiàn)
[1] 郭慶鼎，趙希梅.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2008.
[2] 孫立志.PWM與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)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(dòng)汽車永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速能量回饋制動(dòng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1995，10(3)：28-31.