回馈制动的原理
第二章回馈制动的原理
在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。
2.1无刷直流电机工作原理
常用于电动汽车的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机以及开关磁阻电机。永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个明显优点.
(1)永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起的问题;
(2)永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去，结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少;
(3)永磁无刷直流电动机的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象;
(4)它的起动、调速特性类似于直流电机，控制简单，同时也克服了同步机的缺点，又具有功率因数好的优点。
正是由于永磁无刷直流电动机具有以上优点，使永磁无刷直流电机使其在电动车传动系统中备受青睐。
图2-1无刷直流电动机的结构原理图
以无刷直流电动机为例，结构原理如图2-1所示。它主要由电动机本体、位置传感
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器和电子开关电路及其控制器二部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相(二相、四相、五相等)，转子由永磁钢按一定极对数(2p=2, 4,?)组成，二相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接。在图2-1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管((VT1,VT4),(VT3, VT6),(VTS, VT2)相接，转子位置传感器检测转子位置，并将位置信号传给控制电路。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号输入控制器，控制器控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通。定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的换相原理。由十电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用。
因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁同步电动机以及位置传感器二者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-2所示。
图2-2 无刷直流电机的原理框图
由无刷直流电机的工作原理知道，只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就可以改变电机输出转矩的方向达到制动效果，改变电枢电流的方向的方法有。
(1)改变电源的极性从而改变电枢电流的方向，也就是我们所说的反接制动，但是反接制动易产生较大的制动电流，且电路硬件实现相对复杂;
(2)改变三相逆变器的导通功率管的导通规律从而改变电枢电流的方向。从前面介绍的无刷直流电机的四种工作状态可知，正向和反向制动与相应的电动状态相比，只是改变了功率开关管的导通顺序，而通过改变功率开关管的导通顺序就可以改变同一磁极下电枢电流的方向，从而改变电机输出转矩的方向，产生反向制动力矩，达到效果。就是本论文介绍到的回馈制动。
2.2两种斩波方式下回馈制动的比较
永磁无刷电机回馈制动时功率开关管调制方式，有半桥调制方式和全桥调制方式。在实际应用中，应根据具体情况选择不同的制动方式。下面对两种制动方式作一下比较。
首先，同电动状态一样，半桥斩波回馈制动具有非导通期间第二相续流电流，这种现象导致电机相电流出现非对称，加剧了转矩脉动相比较而言，全桥斩波引起的转矩脉
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动较小。
其次，半桥斩波只对下桥臂进行斩波操作，因此它引起的功率器件的开关损耗相对全桥斩波要小得多。再次，从制动效果石‘采用半桥斩波的方式进行回馈制动时，整个PWM周期内，蓄电池均没有功率输出，续流阶段的电流上升主要靠电机旋转引起的反电势，因此充电电压提升较小，在电机转速降低时，制动转矩下降非常明显。而全桥斩波方式下，续流阶段使蓄电池也串入续流回路，致使回路电流上升很快，制动扭矩输出大，制动效果明显。
最后，电机与蓄电池之间的能量流动:在半桥斩波和全桥斩波方式下，都能够对蓄电池进行回馈充电并目‘充电时的电路状态也是一致的。但在制动过程中，半桥斩波方式下不能使蓄电池输出电能，而全桥斩波下，蓄电池在续流阶段有能量输出。这样，全桥斩波方式就存在一个临界转速，当电机转速低十临界转速时，全桥斩波回馈制动时蓄电池输出能量大十电机回馈能量，就不能实现制动，这时可用其他方式实现制动停机，比如采用机械制动或能耗制动的方式。虽然全桥制动时转矩脉动较小，但由于全桥制动下开关管的开关损耗较大，目制动过程中存在临界转速，这限制了它的应用。本文中的回馈制动采用半桥斩波回馈制动。
制动时的能量回馈是电动汽车的核心技术之一。电动汽车作为一个惯性比较大的负载，快速运行时具有很大的动能，采用回馈制动的方式加以回收，对十提高电动车辆的效率，延长电动车辆的一次充电行驶里程以及节能都具有重大意义。
2.3回馈制动时蓄电池充电的控制
铅蓄电池的充电电流应根据其荷电状态(SOC ，State of Charge的缩写)确定。荷电状态即蓄电池剩余电量与最大可充电量的比值，通常在一定温度下，电池充电到不能再吸收能量的状态，定义SOC为1；而将电池不能再放出能量的状态，定义SOC为0。如果充电电流远小十蓄电池可接受的电流，蓄电池充电时间就很长，同时极板深处的活性物质不参加反应，从而使电池容量减小，影响寿命。反之，如果充电电流远远超过蓄电池可接受的电流，将产生析气反应(电解水的反应)。蓄电池内将产生大量气泡，这些气泡猛烈撞击极板，可使活性物质脱落，严重影响蓄电池寿命。实验测得蓄电池可接受充电电流曲线如图2-3。
图2-3蓄电池可接受的充电电流曲线
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图中人为蓄电池实际充电电流线，I、为蓄电池内产生气泡的电流。I二为蓄电池可接受的充电电流曲这是一条自然接受特征曲线，超过这一曲线的任何充电电流，不仅不能提高充电速率，而且‘会增加电池的析气反应。SOC较小时，蓄电池可接受的充电电流较大，此时电池的端电压较低:SOC较大时，蓄电池可接受的充电电流较小，此时电池的端电压较高蓄电池的荷电状态的确定较为复杂，本设计采用了一种近似估计的方法，既由蓄电池的端电压近似估计荷电状态。这种方法虽然不精确，但却简便易行。 为了在回馈充电时确定此时蓄电池的最大可充电电流，在硬件和软件上都作了相应的设计。
硬件上，通过双限流斩波电路来限制回馈制动时电机的相电流，达到对蓄电池充电电流上限值的限制，避免出现回馈充电电流大十蓄电池可接受的充电电流的情况。本设计的回馈制动采用半桥斩波方式，从以上的分析可知，半桥斩波过程中有两种电路状态，即由开关管导通时的续流状态和没有开关管导通时的回馈充电状态。容易理解，在充电电流过大时双限流斩波电路关断开关管，正是减短了续流状态的时间，延长了回馈充电状态的时间，从而达到降低充电电流的目的。从这个意义上说，也可以通过调节PWM波占空比来达到控制充电电流大小的目的，但本设计没有采用此方法。
在软件上，在回馈制动下，对转速和电流均实行开环控制。根据电池的规格参数和蓄电池可接受的充电电流曲线，制作了电池端电压一一最大回馈充电电流表(见表2-4)。该表中的最大可冲电电流、电流斩波上限值和电流斩波下限值均指直流侧的充电电流。实验中却是对相电流进行斩波，但由十半桥斩波回馈制动过程中，续流时间和充电时间很难确定目‘存在非导通相的续流，很难用相电流定量计算直流侧充电电流的大小，所以在确定每个直流侧电流斩波上下限值对应的相电流斩波上下限值时采用了实验的方法，虽然不够精确，却简便易行。
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