采用无刷直流电动机驱动系统的回馈制动方法

1.单相回馈制动的基本原理

电动车用无刷直流电动机的回馈制动分为两种情况：一种是电动机转速超过基速，通过驱动器直接向蓄电池回馈电能，同时提供制动的电磁转矩，比如下坡时可能出现此种情况；另一种是出现在车速没有超过基速时的减速过程中。在此过程中，电动机处于发电状态，将电动车减速过程中的部分动能回馈到蓄电池。驱动电动机进入发电工作状态，其发电电压必须高于蓄电池电压才能输出电功率，所以需要对制动过程进行有效控制。基本控制原理为升压斩波（Boost Chopper）。

Boost转换器的主电路结构如图14-16所示，通过对功率管V1的PWM开关控制，达到控制输出电压的目的，又称作升压斩波转换器。通过分析一个PWM周期的工作状态，来分析其工作原理。

图14-16　Boost转换器的主电路结构

在V1导通期间，电源通过V1向电感L充电，电流逐渐升高，直到V1关断时刻达到最大值，V1关断后直至该周期结束，电源与电感共同向负载供电，电流逐渐减小。在V1开通的时间周期内是电源E向电感存储能量的过程，而后一阶段电感处于释放能量的状态。把同一周期内的V1导通区间与关断区间的电流变化量进行比较，可以得到下式：

根据上面的结论，可见看到通过调节V1的控制信号的PWM占空比α可以调节输出电压。由于α＜1，由上式可得输出电压Uo＞E蓄电池电压，即输出电压高于电源电压，因此称此种结构的电路为升压斩波电路。电感上的储能作用是产生泵升电压的主要原因。

有两种方法将这一原理在无刷直流电动机能量回馈控制中应用：一种是在全桥驱动器和蓄电池之间加上升压（Boost）转换器；另一种是利用驱动器本身的PWM调制产生类似Boost转换器的功能。第二种方法利用驱动器本身的三个负半桥IGBT达到这一目的，无须外加电路，因此电动汽车中多利用第二种方式。

2.三相能量回馈控制工作基本原理

在回馈控制阶段，将上桥臂的功率管关断。根据位置传感器信号对下桥臂的功率管的通断进行有规律的PWM控制，可以起到与Boost转换器相同的效果。与Boost转换器的工作过程类似，在一个PWM开关周期内，无刷直流电动机的能量回馈控制过程也可以分为两个阶段。

1）续流阶段

在续流阶段，无刷直流电动机的电流流向如图14-17所示。V2导通为电流提供续流通道。在此阶段，电能将存储于三相绕组的电感之上。

图14-17　续流阶段电流流向示意图

2）回馈阶段

在V2关断期间，在反电动势与三相绕组寄生电感的共同作用下，之前存储于三相绕组之内的能量与反电动势一起向蓄电池共同回馈能量。在此阶段的电流流向如图14-18所示，V2关断，电流经D1回馈至蓄电池，同样存在通过D4和D6流向B相和C相的电流通路。

图14-18　回馈阶段电流流向示意图

忽略了电动机相电阻的影响，充电过程中产生的泵升电压随着PWM控制的占空比的增大而增大。

电动车用无刷直流电动机驱动系统的能量回馈过程要受到车辆运行状态的限制。能量回馈的过程还要受到制动安全和蓄电池充电安全等条件的限制，包括蓄电池SOC、电动机的回馈能力和当前转速等。回馈制动控制策略需要与整车制动要求紧密结合。在实际应用中，回馈制动应满足一定的约束条件，并采取相应的控制策略。在回馈制动过程中，相应的主要约束条件如下：

（1）满足制动安全的要求。在回馈制动过程中，制动安全是第一位的。因而根据整车的制动要求，回馈制动系统应保持一定的制动转矩，以保证整车的制动性能如制动减速度、制动距离等。在一般的减速过程中，回馈制动可以满足要求。当制动力矩需求大于系统回馈制动能力时，还需要采用传统的机械制动。此外，当转速低至回馈制动无法实现时，也需要采取其他制动方式辅助制动运行。

（2）电机系统的回馈能力。回馈制动系统在工作过程中，应考虑电机系统在发电过程中的工作特性和输出能力。因此需要对回馈过程中的电流大小进行限制，以保证电机系统的安全运行。

（3）电池组的充电安全。电动汽车常用的能源多为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池等。充电时，应避免充电电流过大，损坏蓄电池。因此，回馈制动系统的容量除了要考虑电机系统的回馈能力，还应包含蓄电池的充电承受能力。由于回馈制动过程时间有限，因此主要约束条件为充电电流的大小。

回馈制动过程中在转速一定条件下回馈能量、回馈效率与控制占空比的关系。在回馈制动过程中，通常可采用的控制策略有最大回馈功率控制、最大回馈效率控制、恒转矩控制等控制策略。在恒转矩控制策略下，可以使整车保持制动需求的减速度完成制动过程，使制动过程满足制动力矩需求。在回馈制动状态下，制动转矩由电动机的电磁转矩提供。对于永磁无刷直流电动机，电动机的电磁转矩正比于电动机的电流，因此可以通过控制回馈电流的大小来控制制动转矩的大小，实现对制动过程的控制。

回馈制动的控制周期包含了续流阶段和能量回馈两个阶段。在低速回馈状态下，根据位置传感器信号对功率管的通断进行有规律的PWM控制，可以起到与Boost转换器相同的效果。当产生的电压高于蓄电池时，可以将电流回馈至蓄电池，达到能量回馈的目的。在此过程中，也需要进行换相控制。采用单侧斩波的控制方式，即在回馈制动过程中，封锁上桥臂，只对功率桥的下桥臂进行PWM控制。在每一个控制周期内，只对其中的一个功率管进行PWM控制。保持对反电动势最大的相所对应桥臂的功率管进行PWM控制。回馈制动过程的功率管控制相序表见表14-3。

表14-3　回馈制动过程的功率管控制相序表

对于6个功率管，只有处于下桥臂的功率管进行了PWM控制，每个功率管持续120°电角度。在控制过程中，需要根据位置传感器的信号进行换相控制。在回馈制动原理阐述过程中已经将第一个控制区间的控制过程做了详细推导，其他控制区间可以得到类似的结论。通过控制PWM的占空比，可以对回馈电流进行调节，从而控制制动转矩的大小，实现对回馈制动过程的控制。