电动汽车用永磁无刷直流电机的控制与驱动
一、引 言在电动汽车或者混合动力电动汽车的研究与开发中 ,有很多问题需要解决 ,驱动系统即是其中之一。目前 ,电动汽车使用的驱动系统有电刷式直流电机、感应电机、永磁电机和磁阻电机等 ,其中永磁同步方波电机构成的驱动系统效率高、体积小、重量轻、结构简单、出力大 ,如果能很好地解决其控制和驱动问题 ,将使永磁式电机在电动汽车中的使用具有广阔的前景。二、永磁同步方波电机电动汽车对驱动系统中电机的要求是 :结构简单、外形尺寸小、重量轻、高速操作性能好、免维护或少维护、容易控制、输出扭矩大。资料表明 ,现有的永磁式电机普遍具有正弦气隙磁通密度和正弦定子电流。在电动汽车驱动系统中 ,使用具有方波电势的永磁式电机具有更大的优越性。理想情况下顶宽为 1 80°电角度 ,实际电机中接近于梯形波 ,顶宽不小于 1 2 0°电角度。方波电机与 1 2 0°导通型三相变换器结合 ,具有如下优点 :1)电机及其控制驱动电路结构简单。在电机中产生平顶波的磁场分布和感应电势 ,比产生正弦波分布的磁场和正弦变化的感应电势简单 ;同样 ,产生方波电压、方波电流的变换器比产生正弦波电压、正弦波电流的变换器简单的多。(2)工作可靠。方波电机逆变器采用1 2 0°导通型 PWM控制技术 ,逆变桥同一桥臂不可能出现直通现象 ,因此 ,尤其适用于高速电机。(3)转矩脉动小 ,三相对称。波顶宽度不小于 1 2 0°电角度的平顶波电势和电流 ,当二者相位相同时 ,转矩无脉动 ,汽车的低速性能好。(4)材料的利用率高 ,出力大。在相同的材料下 ,电机输出功率较正弦波电机大10.2%,同一逆变器向电机供电时 ,方波电机较正弦波电机的输出容量可增加15%。(5)控制方法简单。磁场定向控制转化为磁极位置控制 ,电压频率协调控制简化为调压控制。(6)方波电机的电势波顶平直 ,与蓄电池结合时 ,整流和滤波简单。三、功率变换器的设计1 .控制规律现有的永磁式电机控制较难 ,限制了它的应用 ,采用方波电机以后 ,电机的控制与驱动较为容易。但是 ,考虑到电动汽车经常处于前进、制动、上坡和下坡之中 ,电机也经常工作于电动和制动两个状态 ,这就要求其控制与驱动器的设计不同于普通调速系统。车辆前进时 ,电机作电动机使用 ,蓄电池提供电能 ;当车辆下坡或者需要制动时 ,电机工作于发电状态 ,蓄电池充电。电机的控制与驱动器根据汽车能量管理系统的指令 ,决定蓄电池充电电流的大小 ,并保证该电流不超过蓄电池可接收值。电机在电动和发电两个状态及其切换均通过电机控制及驱动器来完成。随着电力电子技术的发展 ,控制及驱动器的性能也越来越高 ,在电动汽车中最理想的变换器是 AC/DC双向功率变换器。图 2是由 AC/ DC双向变换器、电机转轴位置检测器和永磁方波电机构成的驱动系统原理图 ,其中桥式变换器提供双向电流通路 ,电流的大小由电流闭环和 PWM控制电路决定 ,开关管的导通规律由位置检测器和逻辑变换电路给出。在电动状态下 ,任一时刻只有2只开关管导通 ,分别属于上桥臂和下桥臂 ,而且只有下桥臂开关管工作于 PWM状态。发电状态下，6只管子轮流导通 ,每周期各工作60°电角度。2.电路实现本文选用 POWER MOSFET管组成主电路 ,控制电路主要由电流闭环控制和PWM信号的产生电路、逻辑综合电路和开关管驱动电路等 3部分组成 ,主要采用了UC3 62 5、EPROM2 71 6和 IR2 1 1 0等 3个芯片。四、结 论本文选用高集成度的芯片组成了高性能的控制电路 ,实现了双向控制规律 ,完成了小容量永磁同步电机的控制与驱动。实验情况证明永磁无刷方波直流电机构成的驱动系统能够满足电动汽车的要求。研究大容量的永磁式电机及无位置检测技术等 ,将使该系统的应用具有实际价值。
