CN104953898B - 一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统 - Google Patents

Abstract

一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统，由于电动车辆在实际道路行驶时会频繁的进行制动，因而采取回馈制动的方式能有效地节约这部分能量，然而通常情况下蓄电池有着最大充电电流的限制，传统的制动能量回收一般采用简单开环控制、单一的电压闭环控制或电机相电流闭环控制,无法最大可能的回收制动能量。本发明主要解决的技术问题是，通过制动能量回馈的方式，采用电机电枢电流与回送蓄电池电流双闭环控制,尽可能多地将车辆动能转化为电能回送给蓄电池，以最大限度地提高电动车辆的续航里程。

Description

一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体地说，涉及一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统。

背景技术

在交通拥堵，车辆日益增多的大中城市，汽车，摩托车等依靠化石燃料的交通正面临着全球石油资源紧缺和环境污染的问题，依靠化石燃料的车辆通常使用内燃机作为发动机，为车辆提供动力，但内燃机工作效率非常低，并且燃料不可再生，这也造成了传统车辆能源浪费的现状。

电动车辆，如电动汽车、电动摩托车、电动自行车等采用更为高效的电动机作为动力输出。其中永磁无刷直流电动机因其具有控制简单、功率密度大、效率高、启动转矩大、过载能力强、调速性能好、无碳刷免维护等优点，被广泛用于轻型电动车辆。

与内燃机所驱动的车辆不同，电动车辆通常采用蓄电池作为储能装置，由于蓄电池能量密度相对较低，导致电动车辆续航里程远低于燃油发动机车辆。

由于电动车辆在实际道路行驶时会频繁的进行制动，因而采取回馈制动的方式能有效地把车辆动能转化为电能存储进蓄电池，从而增加电动车辆的续航里程。然而已有的制动能量回收方法多采用较为简单的开环控制、单一电压闭环控制或电机相电流闭环控制，如专利201210435990.2和201420254918.4所述，然而这些方法无法最大限度地回收制动能量。主要原因在于蓄电池存在最大允许充电电流限制，上述方法不能直接有效控制回送到蓄电池的电流；为了避免损坏蓄电池电池及延长蓄电池寿命，上述方法不得不减小回馈电流，造成无法最大化获得回馈到电池的能量。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，通过制动能量回馈，最大化地将车辆动能转化为电能回送给蓄电池，以最大限度地提高电动车辆的续航里程。本发明采用电机电枢电流与回送蓄电池电流双闭环控制方法，并且只应用了单电流传感器。

本发明所采用的技术方案是：

一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统，包括：母线电流传感器，永磁无刷直流电机，蓄电池，母线电容，三相全桥逆变器；RC低通滤波器，直流母线电流调节器，直流母线过压保护模块，电枢电流调节器，PWM调制器。

永磁无刷直流电机的三相绕组与三相全桥逆变器的三个半桥臂相连；三相全桥逆变器与母线电容和蓄电池的正负母线并联在一起；母线电流传感器放置在正母线或负母线上，用于检测三相全桥逆变器流过的母线电流；直流母线过压保护模块的输入是母线电压信号U_DC，其输出到直流母线电流调节器；PWM调制器输出的PWM信号到三相全桥逆变器，其输入分别来自永磁无刷直流电机输出Hall信号及电枢电流调节器；母线电流传感器的输出信号同时输入给电枢电流调节器和RC低通滤波器；RC低通滤波器输出信号到直流母线电流调节器；来自外部的刹车给定信号输入到直流母线电流调节器；直流母线电流调节器输出信号到电枢电流调节器；电枢电流调节器输出信号至PWM调制器。

回馈制动过程为：三相全桥逆变器中两相下桥臂开关管根据永磁无刷直流电机的霍尔传感器位置信号分别导通和PWM斩波，对电机反电动势进行升压以回送电流到蓄电池。

电枢电流调节器对脉冲电流信号的峰值进行采样，获得永磁无刷直流电机的电枢电流；脉冲电流信号通过RC低通滤波器的滤波，获得直流分量，作为直流母线电流信号。

在制动回馈过程中，电枢电流调节器对永磁无刷直流电机电枢电流进行闭环控制，其反馈量为电机电枢电流，其给定量为直流母线电流调节器输出信号。

在制动回馈过程中，直流母线电流调节器对直流母线电流进行闭环控制，其反馈量为直流母线电流信号，其给定值根据所述蓄电池的充放电特性所决定。

在制动回馈过程中，电枢电流闭环作为内环，直流母线电流闭环作为外环，构成双闭环控制结构。

制动回馈过程中，母线电压信号超过三相全桥逆变器开关器件所能承受的限额电压时，清零外环的电流给定，即把刹车给定信号置零；母线电压信号低于设定下限时，恢复刹车给定信号；母线电压信号检测是实时的。

所述系统还可作为无刷直流电机的驱动器，蓄电池电压高于最低限值时，通过控制三相全桥逆变器的六个开关管通断，实现永磁无刷直流电机的电动运行。

本发明的好处在于：采用双闭环回馈过程控制，可以最大限度地保证回馈给蓄电池的能量，又能够有效控制电机的制动力矩，同时兼顾了驾驶体验和能量回馈效果；回馈过程控制仅需要单电流传感器，成本较低；电池电量较充足的情况下也不会完全失去制动能力，有效提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明的制动能量回馈系统结构；

图2为本发明的制动能量回馈系统母线电流传感器采样波形图；

图3为本发明的制动能量回馈系统母线电流传感器信号通过RC低通滤波后的波形图。

图中：1、RC低通滤波器，2、直流母线电流调节器，3、直流母线过压保护模块，4、电枢电流调节器，5、PWM调制器，6、母线电流传感器，7、永磁无刷直流电机，8、蓄电池，9、母线电容，10、三相全桥逆变器。

具体实施方式

如图1-3所示，一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统，该系统包括RC低通滤波器1、直流母线电流调节器2、直流母线过压保护模块3、电枢电流调节器4、PWM调制器5、母线电流传感器6、永磁无刷直流电机7、蓄电池8、母线电容9、三相全桥逆变器10。

永磁无刷直流电机7的三相绕组与三相全桥逆变器10的三个半桥臂相连；三相全桥逆变器10与母线电容9和蓄电池8的正负母线并联在一起；母线电流传感器6放置在正母线或负母线上，用于检测三相全桥逆变器10中流过的母线电流；直流母线过压保护模块3的输入是母线电压信号U_DC，其输出到直流母线电流调节器4；PWM调制器5输出的PWM信号到三相全桥逆变器10，其输入分别来自永磁无刷直流电机7输出Hall信号及电枢电流调节器4；母线电流传感器6的输出信号I_ph同时输入给电枢电流调节器4和RC低通滤波器1；RC低通滤波器1输出信号I_dc到直流母线电流调节器2；来自外部的刹车给定信号输入到直流母线电流调节器2；直流母线电流调节器2输出信号I_phref到电枢电流调节器4；电枢电流调节器4输出信号至PWM调制器5。

三相全桥逆变器10包含六个开关管V1-V6，每个开关管内各有一个二极管，本别为D1-D6。开关管V1、V3、V5的正极性端相连，并与母线电流传感器6连接；开关管V4、V6、V2的负极性端相连，并与母线电容9和蓄电池8的负母线连接；V1、V3、V5的负极性端分别与V2、V4、V6的正极性端连接，构成三个半桥。

本回馈制动系统，电枢电流调节器4对脉冲电流信号I_ph的峰值进行采样，获得永磁无刷直流电机7的电枢电流I_a；脉冲电流信号I_ph通过RC低通滤波器3的滤波，获得直流母线电流信号I_dc。

在制动回馈过程中，电枢电流调节器4对永磁无刷直流电机7电枢电流进行闭环控制，其反馈量为电枢电流I_a，其给定量为直流母线电流调节器2输出信号I_phref；同时，直流母线电流调节器4对直流母线电流进行闭环控制，其反馈量为直流母线电流信号I_dc，其给定值根据所述蓄电池8的充放电特性所决定；电枢电流闭环作为内环，直流母线电流闭环作为外环，构成双闭环控制结构。

另外，母线电压信号U_DC超过三相全桥逆变器10开关器件所能承受的限额电压时，清零外环的电流给定，即把刹车给定信号置零；母线电压信号U_DC低于设定下限时，恢复刹车给定信号；母线电压信号U_DC检测是实时的。

本系统还可作为无刷直流电机7的驱动器，蓄电池电压高于最低限值时，通过控制三相全桥逆变器10的六个开关管V1～V6通断，实现永磁无刷直流电机7的电动运行。

本发明对永磁无刷直流电机的能量回馈制动控制方式是基于升压斩波原理(Boost Converter)，因此可以通过调节PWM占空比可以调节向电感中储能的大小，从而决定母线上的电压增益。

进行能量回馈时，如果PWM占空比不受控将会出现很严重的问题，如车辆高速行驶时由于反电动势过大将导致过大的回馈电流，从而损坏整个三相全桥逆变器，并且由于过大的回馈电流还会引起过大的制动转矩，从而容易发生行车事故。因此在本发明中的制动能量回馈系统中设置了一套双闭环控制结构。

图2为获得断续的脉冲电流信号。脉冲电流信号需进行精确的采样才能获得真实的绕组电流波形，采样方法如下，脉冲电流波形为永磁无刷直流电机电感放电时回送到电池上的波形，因储能时电流传感器不在其通路所以电流传感器只能采集到断续的电流脉冲信号。采样时由PWM的负占空比区间一半的位置触发进行转换，此时获取的电流信号即为流过电机电枢电感真实平均电流值。

另外，母线电流传感器6所获得的脉冲电流波形基波分量为一直流成分，此直流成分与母线上的电流相等，因此可以通过低通滤波滤掉高频成分，得到如图3的低频直流分量。本发明中的RC低通滤波器1即为所述的低通滤波器，RC低通滤波器1的传递函数G(s)为：

该一阶低通滤波器的截止频率fc可设置为PWM斩波频率的1/100，计算公式为：

其中，R为RC低通滤波器中的电阻值，C为RC低通滤波器中的电容值。

由于在实际工况中，电机转速会发生较大的并且频繁的变换，另外，蓄电池端电压也会因为车辆行驶过程而发生变换，所以为了能够有效地控制住电机电枢电流，以及回送到蓄电池的电流，需要对两个电流值进行闭环控制。

回馈制动时，需要保证可靠性、舒适性和足够大的回送电流，但应有效控制回送电流小于蓄电池的最大允许充电电流。

在蓄电池电量较充足时,电池电压较高，此时如果进行回馈制动，电池将不能持续的接收回馈电流，直流母线过压保护模块3将起到母线过压保护的功能，此模块的响应条件是当回馈制动时，母线电压超过三相全桥逆变器10中功率开关管所能耐受电压的90％时切断PWM信号，待母线电压低于功率开关管所能耐受电压的85％时恢复PWM信号。

所述回馈制动系统也可以工作在电动模式。PWM调制器5接收永磁无刷直流电机7的转子位置Hall信号，之后确定输出的PWM信号序列，通过控制三相全桥逆变器10中6个开关管V1～V6按一定规律开通和关断，实现对永磁无刷直流电机7的电动控制。

所述回馈制动系统工作于制动模式时，PWM调制器5通过接收永磁无刷直流电机7的转子位置Hall信号判别PWM信号序列，但与电动模式时的PWM信号序列不同，所对应的是三相全桥逆变器10中两个下桥臂的开关管导通。

Claims (2)

1.一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统，其特征在于：该系统包括RC低通滤波器(1)、直流母线电流调节器(2)、直流母线过压保护模块(3)、电枢电流调节器(4)、PWM调制器(5)、母线电流传感器(6)、永磁无刷直流电机(7)、蓄电池(8)、母线电容(9)和三相全桥逆变器(10)；

永磁无刷直流电机(7)的三相绕组与三相全桥逆变器(10)的三个半桥臂相连；三相全桥逆变器(10)与母线电容(9)和蓄电池(8)的正负母线并联在一起；母线电流传感器(6)放置在正母线或负母线上，用于检测三相全桥逆变器(10)中流过的母线电流；直流母线过压保护模块(3)的输入是母线电压信号U_DC，其输出到直流母线电流调节器(4)；PWM调制器(5)输出的PWM信号到三相全桥逆变器(10)，其输入分别来自永磁无刷直流电机(7)输出转子位置Hall信号及电枢电流调节器(4)；母线电流传感器(6)的输出信号I_ph同时输入给电枢电流调节器(4)和RC低通滤波器(1)；RC低通滤波器(1)输出信号I_dc到直流母线电流调节器(2)；来自外部的刹车给定信号输入到直流母线电流调节器(2)；直流母线电流调节器(2)输出信号I_phref到电枢电流调节器(4)；电枢电流调节器(4)输出信号至PWM调制器(5)；

三相全桥逆变器(10)包含六个开关管V1-V6，每个开关管内各有一个二极管，分别为D1-D6；开关管V1、V3、V5的正极性端相连，并与母线电流传感器(6)连接；开关管V4、V6、V2的负极性端相连，并与母线电容(9)和蓄电池(8)的负母线连接；V1、V3、V5的负极性端分别与V2、V4、V6的正极性端连接，构成三个半桥；

回馈制动系统中，电枢电流调节器(4)对脉冲电流信号I_ph的峰值进行采样，获得永磁无刷直流电机(7)的电枢电流I_a；脉冲电流信号I_ph通过RC低通滤波器(1)的滤波，获得直流母线电流信号I_dc；

在制动回馈过程中，电枢电流调节器(4)对永磁无刷直流电机(7)电枢电流进行闭环控制，其反馈量为电枢电流I_a，其给定量为直流母线电流调节器(2)输出信号I_phref；同时，直流母线电流调节器(4)对直流母线电流进行闭环控制，其反馈量为直流母线电流信号I_dc，其给定值根据所述蓄电池(8)的充放电特性所决定；电枢电流闭环作为内环，直流母线电流闭环作为外环，构成双闭环控制结构；

另外，母线电压信号U_DC超过三相全桥逆变器(10)开关器件所能承受的限额电压时，清零外环的电流给定，即把刹车给定信号置零；母线电压信号U_DC低于设定下限时，恢复刹车给定信号；母线电压信号U_DC检测是实时的。

2.根据权利要求1所述的一种应用单电流传感器的无刷直流电机回馈制动系统，其特征在于：本系统或作为无刷直流电机(7)的驱动器，蓄电池电压高于最低限值时，通过控制三相全桥逆变器(10)的六个开关管V1～V6通断，实现永磁无刷直流电机(7)的电动运行。