宋小庆，郑幕桥，臧克茂

(北京理工大学，北京100072)

摘要：再生制动是电动车辆最常见的制动方式。然而，在没有大容量蓄电池吸收能量的情况下，再生制动将产生很高的泵升电压，给系统工作带来不利。文中通过对再生制动过程的分析，提出了通过控制占空比的办法来抑制泵升电压。该方法通过数字控制实现，无需改动硬件，控制简便。计算机仿真和样机实验结果表明，该方法可迅速抑制泵升电压，并具有很好的制动效果。

关键词：电动装甲车；无刷直流电动机；再生制动

1 引言

目前，电动车辆电气制动方式有能耗制动、反接制动和再生制动。能耗制动和反接制动均需在电枢回路中串接耗能电阻，因此要改动硬件。从电机电磁制动机械特性看，反接制动效果最好，但易产生较大的制动电流，对系统工作不利。因此，电动车辆一般采用再生制动。再生制动根据逆变器开关的不同动作，有不同的制动方式，如低速能量回馈制动［1］；按照逆变器中上下桥臂轮流导通60°电角度的再生制动［2］以及再生发电制动方式［3］等，其中，再生发电制动方式制动速度最快。由于装甲车车体重，速度快，所以再生制动时容易产生很高回馈能量和泵升电压。在目前还没有经济实用的高密度蓄电池的情况下，单靠直流侧电容吸收能量显然是不可靠的。为了避免过高的泵升电压对系统带来危害，本文以再生发电制动方式为例，提出了一种数字控制方案，实现对泵升电压的抑制，该方案不需改动任何硬件，这种控制方法对于其它的再生制动同样适用。

2 调速系统构成

如图1所示，本文研究的调速系统由主回路和控制回路构成。其中，主回路包括三相交流电源、整流桥、逆变器和无刷直流电机等，控制回路由DSP实现的速度环和电流环双环构成。当外界作用引起电机转速变化时，转速环的输出将发生变化，这种变化作用于电流环，对PWM波进行调制，从而改变占空比，控制电枢电流的平均值，最终控制平均转矩。

图2是逆变器和无刷直流电机系统结构图。本文的无刷直流电机转子采用瓦型磁钢，进行了特殊磁路设计。电枢绕组反电势为平顶近似120°电角度的梯形波，由逆变器供给方波电流。电枢各相绕组结构相同，空间位置对称，永磁体采用面向气隙式，忽略凸极效应。因此，在各相绕组方波反电势最大的120°电角度内，通入同向电流，可获得与电流大小成正比的电动电磁转矩；通入反向电流，则产生制动电磁转矩。

3 再生发电制动运行分析

再生发电制动的工作原理是，把电动运行时同一桥臂的上下两个功率管导通时刻互换，即在发电制动时，将电动运行时的VT1导通、VT4关断状态换成VT4导通，VT1关断状态，同时，其它各桥臂也作相应调整，从而实现电枢电流反向，产生制动转矩。

通过对VT3、VT4管脉宽调制时，一个周期T(［t0，t1］为T内VT3、VT4的导通段，［t1，t2］为关断段)内能量关系的分析，对这种制动方式产生的泵升电压进行分析研究。由于可控元件VT1～VT6和二极管VD1～VD6在正向导通时的内阻很小，对能量分析的结构影响很小，可忽略不计，所以，以下的分析均假设可控元件VT1～VT6和二极管VD1～VD6都具有理想的开关特性，且不考虑阻容保护电路的影响。

图3a为再生发电制动时，VT3、VT4导通时等效电路图，图3b为VT3、VT4关断时等效电路图。

式中uAB——VT3、VT4导通时直流侧电容C上的电压(显然，uAB≥ud)

eA，eB——A、B相电势

R——A、B相电阻

L——A、B相电感

M——A、B相互感

i——A、B相电流

uL——A、B相电感上电压

设VT3、VT4导通前时刻，A、B相电流为i0(i0≥0)，由式(1)可求得电流大小为：

在t=t1时刻(此时A相电流i=i1)，将VT3、VT4关断，电机电枢电流将通过VD1、VD6向电容C充电，其等效电路如图3b所示。回路电压方程式为：

同理，在［t1，t2］段，电容吸收的能量WC为：

设稳态运行时，电感在［t0，t1］段吸收的能量和在［t1，t2］段释放的能量相等，且忽略电流的脉动，根据WL=W′L，则有：

比；由于通常电枢电阻阻值较小，在转速较高的情况下(即制动开始段)，电流的影响较小，可忽略不计。

电压不断下降。

可见，泵升电压大小以及电压的上升(下降)趋势和占空比α的大小有直接的关系。由上面推导的结论，不难作出以下分析；根据图1所示的结构图，设定电机以给定的转速ng0稳定运行，突然要求制动时，转速给定ng0突然下降，而电机转速来不及变化。因此，转速环迅速进入负饱和状态，从而使得电流环的给定为最小恒定负值，即系统以最大的反向电流进行电磁制动，这时α应为最大，电容电压上升迅速。当电机转速下降到一定值时，转速环开始退出饱和，α值开始减小。当α减小到一定值，电容电压又开始下降。

4 泵升电压抑制方案

通过分析可知，在发电再生制动过程中，占空比α是由大到小变化的，而最大泵升电压主要在α较大的开始段产生。因此，要想抑制泵升电压，可以通过抑制制动开始段的占空比α来实现。为此，本文提出在速度调节器中加入调节函数f(n)：

式中，k1、k2为可调节的比例因子，其值的大小由系统对最高泵升电压的限制决定。

图4为该控制方案的结构框图，当系统在电动运行时，速度调节器的输出信号直接加在电流环的输入端。当系统发出制动信号时，速度调节器的输出值与调节函数f(n)的值相乘，其乘积作为电流环的输入值。由式(13)可知，当制动开始时，n=ng0，f(n)=0；随着转速的下降，f(n)的值不断上升，当电机转速降为0时，f(n)=1。因此，由于函数f(n)的作用，在制动的开始段能有效地抑制占空比α的增加，从而抑制了泵升电压的上升速度。随着转速的降低，抑制效果逐步降低，当转速下降到0时，该函数的抑制效果为0。

5 仿真和试验验证

为了验证该控制方案的可行性，本文对方波无刷直流电机调速系统进行了计算机仿真试验和台架试验，对不同制动方案时泵升电压和制动时间进行比较。试验参数如下：

电机：Ud=420V，R=0.097Ω，L-M=2.04mH，ng0=180r/min，J=1040kg/m2，电势系数ke=1V/r/min。

负载转矩TL=1400Nm，k1=2，k2=2。

图5、图6分别为两种控制方案的仿真图，通过对它们的对比分析可知，方案改进前，制动时间约3.2s，最高泵升电压达730V；改进后，制动时间需3.75s，最高泵升电压为506V。可见，方案改进后，制动时间稍有增加，但泵升电压得到明显的抑制。

为了进一步验证该方案的制动效果，对几种制动方案的制动时间进行了对照实验，结果见表1。

由表1的实验结果可以看出，本文提出的控制方案的制动效果明显优于低速能量回馈制动和自由停车方式。

6 结语

(1)在当前还没有经济实用的高密度蓄电池的情况下，本文提出的控制方案既能有效地抑制泵升电压，保障系统工作的可靠性，又具有较好的制动效果。

(2)该方法通过数字控制实现，简单易行。

(3)该方法适用于其它的再生制动方式。

参考文献：

［1］黄斐梨.电动汽车永磁无刷直流电机驱动系统低速能量回馈制动的研究［J］.电工技术学报，1995，(3).

［2］孙立志.永磁同步电动机再生制动状态的分析与研究［J］.微特电机，1997，(6).

［3］李志民，张遇杰.同步电动机调速系统［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［4］Braun D H，Gilmore T P，Maslowski W A.Regenerative Converter for PWM AC Drives［J］.IEEE Trans.on Ind.Appl.，1994，30(5):1176-1184.

作者简介：

宋小庆(1971—)，女，讲师，博士生，主要研究装甲车电传动。