來源：新能源汽車
當今世界，安全、環保和節能日益成為汽車產業發展的主題，而電動汽車由於具有低排放甚至零排放、低噪聲和節能等優點，成為當今汽車研究、開發和推廣應用的熱點之一。電動汽車的應用領域從電動叉車、場地車、觀光車以及其他一些特種車輛等傳統領域得以不斷拓展。
同時，隨著近些年來電力電子技術、微電子技術、微型計算機技術、稀土永磁材料、傳感器技術與電機控制理論的快速發展，使得交流驅動技術逐漸成熟。相比於現有串勵或者並勵有刷直流電機驅動系統，永磁無刷電機擁有功率密度大、體積小、效率高、結構簡單牢固、易於維護等優點，且採用永磁無刷電機作為驅動元件的電動汽車驅動系統運行和維護成本較低；採用全數位化和模塊化結構設計，使得驅動器接口靈活，控制能力更強，操作更加舒適；應用能量回饋制動技術，可以減少剎車片的磨損，同時又增加汽車續駛裡程。
因此，基於電動汽車市場發展需要和技術現狀，設計開發可靠、低成本、性能優良的全數位化電動汽車永磁無刷電機驅動系統，對於電動汽車產業的發展有著重要的現實意義。
本文首先通過比較分析永磁無刷電機的方波控制方式和正弦波控制方式的特點，選擇了方波電流控制方式作為本電機驅動系統的驅動方案，然後詳細分析了永磁無刷電機的四象限運行控制方法以及半橋式能量回饋制動方式，介紹了整個控制系統的硬體部分的設計，最後給出了相關仿真和實驗結果說明控制系統性能。
永磁無刷電機方波電流控制方案更符合國情
傳統的永磁無刷電機理論認為，永磁無刷電機根據反電勢波形不同，可分為具有梯形波反電勢的無刷直流電機（BLDC）和正弦波反電勢的永磁同步電機（PMSM）。本節所討論的內容則主要從控制策略出發，針對三相正弦波反電勢的永磁無刷電機的方波電流控制方式和正弦波電流控制方式（矢量控制）進行比較分析，從而作為選定控制系統設計方案的依據。
永磁無刷電機控制系統硬體結構主要由永磁無刷電機、三相逆變器、驅動電路、微控制器、電流傳感器、位置傳感器以及相應的接口電路組成。對於方波電流控制方式，一般採用"六拍換相"， 兩兩導通和以及上管調製，下管恆通的全波控制方法，加上電流閉環以及能量回饋制動策略從而實現驅動系統四象限運行，除了電流傳感器外，其還需要低成本的離散霍爾轉子位置信號傳感器來獲得轉子位置信號。
而對於正弦波電流控制方式，軟體算法相比方波控制就要複雜一些，但能獲得平滑的轉矩輸出性能，其需要利用矢量控制策略，通過空間矢量脈寬調製技術（SVPWM），直軸和交軸兩個電流閉環控制，來實現根據永磁轉子磁場位置定向和力矩電流的解耦控制，所以電機上必須要安裝能反映連續且擁有較高解析度的轉子位置信號傳感器。工業伺服上常用的位置傳感器主要有絕對式和增量式光電編碼器，旋轉變壓器，線性霍爾或者磁編碼器。應用在電動汽車驅動上，要求位置傳感器絕緣等級高，結構牢固，具有很強的環境適應能力和抗震能力，目前旋轉變壓器應用較多。
通過以上比較分析可知，永磁無刷電機方波電流控制方案和正弦波電流控制方案主要硬體差別在於位置傳感器上，而軟體算法上正弦波控制略為複雜，但力矩控制性能更好。根據目前國內電動汽車的市場狀況和產業發展的技術現狀，本文採用方波電流控制方式，以電流閉環和能量回饋制動的四象限運行控制為基礎來對永磁無刷電機控制器進行設計。
電機在第四象限運行的細枝末節
用四象限來描述電機的運行狀態一般是指以電機輸出力矩為Y軸，運行方向為X軸，通過兩個正交的坐標軸把平面分為四個象限來分別表示電機的四個運行狀態：（1）正轉電動運行；（2）反轉能量回饋制動運行；（3）反轉電動狀態；（4）正轉能量回饋制動運行。針對電動汽車驅動的特點，其主要運行於第一象限的前進驅動狀態和第四象限的正轉能量回饋制動運行狀態。第四象限起到輔助制動和回收能量給動力蓄電池充電的作用，對於第三象限主要是指汽車倒車運行，一般設有倒車速度限制，所以第二象限反轉能量回饋制動運行的作用較小。對於實現第一、三象限運行中，只需應用正向和反向的功率管導通驅動序列即可，所以本節的重點在於討論電動車驅動電機位於第四象限正轉能量回饋制動運行的技術細節。
無刷電流電機的能量回饋制動技術主要分為半橋斬波能量回饋制動和全橋斬波能量回饋制動兩種方式。前者在功率管開通時，依靠電機反電勢建立電流，在電機繞組中儲存能量，當功率管關斷時，電機繞組中電流即沿著續流二極體給動力蓄電池充電，而後者相當於直接對電機施加反向驅動序列，提供制動力矩，甚至反向驅動力矩，同時回饋能量。相對而言，後者制動效果更好，但會提供反向力矩，控制起來複雜。電動汽車中的能量回饋制動技術還需要滿足一些約束條件，首先必須滿足剎車系統的安全要求，通過機械剎車和電剎車的良好結合來確保安全；其次要確保能量回饋時電池充電安全的問題，因為動力電池擁有最大允許的充電電流限制；同時還要考慮電機的輸出能力和特性。經綜合考慮，本設計選擇半橋斬波能量回饋制動方式，通過電流閉環控制制動力矩。
當永磁無刷電機工作在正向電動狀態時，採用兩兩導通的控制方式，即任一時刻只有2個功率開關管導通，分別屬於三相逆變器上半橋臂和下半橋。而當永磁無刷電機工作在半橋斬波回饋制動狀態時，則只調製處於下橋臂的三個功率管，而上橋臂的三個功率管始終是截止的，半橋斬波能量回饋制動方式原理與升壓斬波（BOOST）電路的工作原理類似。
以調製功率管為例來進行說明。當導通時，A、B相繞組蓄能，為續流狀態，此時的電流走向如圖1所示（為便於分析與計算，這裡忽略了時的非換向區的三相導通現象）。當關斷時，A、B相繞組釋放能量，為充電狀態，此時的電流走向如圖2所示。
為了便於建立回饋制動系統數學模型，先進行如下簡化處理：在一個PWM周期內，電機的反電動勢以及各種電感係數可看成常數[4]。設為兩相反電動勢幅值之和，為兩相繞組自感之和與互感之和的差值，為兩相繞組內阻之和，為PWM佔空比，為PWM周期，為電池電壓，內阻。
由該電流斷續條件可得：
(1)直流母線上的平均回饋電流為
(2)此時為開口向下的二次拋物曲線，具有最大值。可求得此最大值及對應的佔空比為：
綜上所述可知，永磁無刷電機半橋回饋制動時，當電樞電流斷續，直流母線上的平均回饋電流為單調遞增函數；當電樞電流連續，為二次拋物線函數。因此，永磁無刷電機半橋斬波回饋制動時存在著使平均回饋電流達到最大值的最佳佔空比，且隨著反電動勢的增大，即轉速的上升，該最佳佔空比逐漸減小，最大平均回饋電流逐漸增大。同時，對於制動力矩來說，則隨著佔空比的增加線性增加。
驅動板是控制系統硬體的 重要組成
永磁無刷電機控制系統的整體硬體結構如圖3所示，控制系統硬體主要由控制板和驅動板兩部分組成。驅動板上主要有電流和電壓傳感器、開關電源模塊、驅動電路和由MOSFET組成的三相功率逆變器，電流傳感器分別檢測電機相電流和直流側電流，反激式開關電源模塊擁有多路電壓輸出，其為整個控制系統供電。
將電流和電壓傳感器上所得到信號連接到控制板的接口電路，然後輸入主控晶片。主控晶片採用微芯公司16位DSP處理器DSPIC30F5015，其擁有30MIPS的處理能力，16路10位AD， UART和CAN通信接口，以及電機控制用的多路PWM輸出等外設。前文所述相關軟體算法都基於此平臺設計開發，同時控制板上還擁有CAN通信網絡接口和多路開關量和模擬量輸入輸出，用於與汽車上其他部件連接。
仿真結果得到有效驗證
為驗證所設計的驅動系統的性能，對系統控制原理進行了仿真研究，並對控制器進行試驗測試，試驗用永磁無刷電機參數為：額定功率7.5kw，額定電壓72V，額定電流170A，額定轉速3000rpm。控制器採用72V鉛酸動力電池供電。同時，仿真模型基於MATLAB/SIMULINK平臺搭建，參數與實際試驗樣機參數相同。為說明半橋式能量回饋制動方式的特點，通過仿真得到圖4所示結果，分別為隨著佔空比的不斷提高（0-100%）（a）制動轉矩（b）回饋電流（實際波形為脈衝波形，此處經過濾波）（c）相電流波形。仿真結果有效驗證了前文推理結論，即半橋斬波能量回饋制動方式中，制動力矩隨著佔空比增加而線性增加，而在平均回饋電流隨著佔空比變化呈現拋物線變化。
實驗中，利用直流電機作為原動機拖動永磁無刷電機進行能量回饋制動試驗，在100rpm轉速下，圖5所示為所獲得的實驗相電流波形。實際應用中，為保證驅動系統的絕對安全可靠，保證動力電池、電機以及控制系統的可靠運行，最終還是需要依靠機械剎車來制動，目前的能量回饋制動功能的最佳運行工況在於電動汽車下坡減速制動上。
針對全數位化電動汽車用永磁無刷電機驅動系統的設計，本文詳細介紹了該系統相關的軟硬體設計思想和具體設計方案。經過在電動觀光車和微型電動汽車上近一年的試車運行，所設計的永磁無刷電機驅動系統性能穩定可靠，在同樣車型上，同等條件下與有刷串勵電機驅動系統比較，綜合效率提高了近30%，續駛裡程增加25%，具有良好的市場前景。
本文首先通過比較分析永磁無刷電機的方波控制方式和正弦波控制方式的特點，選擇了方波電流控制方式作為本電機驅動系統的驅動方案，詳細分析了永磁無刷電機的四象限運行控制方法以及半橋式能量回饋制動方式，其次介紹了整個控制系統的硬體部分的設計，最後給出了相關仿真和實驗結果說明控制系統性能。
(責任編輯：寧利濤)