新型增磁電機控制系統特性分析

  邵桂欣，張承寧

(北京理工大學，北京100081)

    摘要：為了消除傳統型直流電機驅動控制系統應用在電動公交車時存在的缺陷，依據弱磁調速的控制思想，研制出新型的續流增磁電機及其驅動控制系統。依據控制系統原理圖和試驗數據，分析了系統弱磁凋速原理和工作特性。與傳統型串勵直流電機相比，該系統在控制思想、控制結構和再生制動性能方面均具有極大的優越性。建立加速度控制系統傳遞函數并分析其穩定性。試驗結果表明該系統抗干擾能力強、調節速度快、平穩性好。工作特性能很好地滿足電動公交車的動力特性要求。

    關鍵詞：電動公交大客車；續流增磁電機；弱磁調速；直流電動機

    中國分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1004-7018(2008)04—0046—03

0引言

  作為城市交通的新生力量，電動公交客車在各大城市交通中的作用日趨重要。電機驅動系統作為電動汽車的關鍵系統，其性能直接決定了電動汽車的運行性能。分析城市公交路況，電動公交車的驅動系統應具有寬的調速范圍以保證高速行駛，足夠大的起動轉矩以保證好的加速性，高效率范圍廣和再生制動以保證高效利用能源等杼陛。但各種傳統型直流電機驅動系統^[1,2]的磁場缺乏靈活的可控性，很難滿足電動公交車行駛的城市復雜路面狀況的要求。基于永磁加增磁復合勵磁的機理，我們研制出一種具有自動弱磁調速功能的新型電機調速系

統一續流增磁直流電機驅動系統。該系統把增磁繞組接在電機續流回路中，產生了全新的自動弱磁調速理念。該系統很好地滿足了電動汽車低速增磁增扭、高速弱磁增速的特性需求；而且能在雙象限范圍內運行，實現電動汽車再生制動；采用高頻PWM斬波控制，運行時噪聲低。

1續流增磁控制原理^[3]

    該增磁直流電機驅動控制系統弱磁調速原理圖如圖1所示。電機控制器的主要功能是接收駕駛員發出的加速踏板／制動踏板(ACCEL／BRAKE)信號和功率電路中電機電樞電流傳感器的反饋信號，實現電動大客車調速時的驅動轉矩和再生轉矩的閉環控制。

式中：C_m為電機轉矩常數；C_e為電機電動勢常數；Φ_y，為永磁磁通；Φ_z為增磁磁通；r_a為電機電樞電阻；i_a為電機電樞電流；L_f為增磁續流繞組電感；i_f為增磁續流繞組電流;V_e為電機電樞反電動勢；D為PWM信號占空比。

    當電動汽車起動、加速和高速行駛時，控制器鎖定BRAKE信號使IGB他始終處于斷開狀態。控制器接收加速踏板的AccEL信號，并向功率電路中的IGBTl發出高頻PWM信號，控制IGBTl工作在高頻開關狀態。PWM的導通角依據電機電樞電流的反饋值自動調節，確保電樞電流與加速信號AccEL的設定值對應。當IGBTl閉合時，工作回路為電池組-IGBTl-電機-電池組，續流繞組無電流通過，電機等效為永磁直流電機。當IGBTl斷開時，工作回路為電機-續流繞組-1GBl2反向并聯二極管一電機。續流繞組有電流通過，此時續流繞組不僅具有續流保護的作用，而且還有增強磁通調速的功能。

    當電動汽車制動時，控制器鎖定ACCEI。信號使IGBTl始終處于斷開狀態。控制器接收制動踏板的BRAKE信號，并向功率電路中的IGB吧發出高頻PWM信號，控制IGBT2工作在高頻狀態。增磁續流繞組通過一個反并聯的二極管使得在整個制動過程中，增磁續流繞組中始終沒有電流流過，不會產生增磁，電機產生的反電動勢電壓比較穩定。電機反電動勢產生泵升超過電池組端電壓給電池組充電，完成再生制動。

2續流增磁直流電動機穩態特性

    當電機工作在低轉速區時，電機電樞的反電動勢小，此時PWM的占空比很小，電樞電流即可達到AccEL的設定值。電流通過續流增磁繞組的時間長，增磁效果顯著，電機具有很大轉矩，對比傳統電機，電動汽車加速性能得到提高。隨著電機轉速的增高，電機電樞反電動勢逐漸增大，PWM占空比逐步增大才能滿足AccEL信號所設定的電樞電流。電流通過續流增磁繞組的時間則相應減小，繞組增磁作用逐步減弱，實現了電機弱磁增速恒功率的特性，很好地滿足電動汽車行駛對動力性的需求。整個弱磁過程中永磁部分的磁通始終保持恒定，與傳統型直流電機比較，本系統在調速特性、轉矩特