驱动与反馈电流不对称的电机驱动电路设计

毛乾宁　黄杰　周雅夫

摘 要：一种新型驱动与反馈电流不对称的电机驱动电路，包括驱动电路和制动能量回收反馈电路。其中驱动电路为多个功率器件组成的桥式拓扑电路，具有逆变的功能，在控制电路的控制下，可将直流电电能转换成驱动电机需要的电能。驱动电路的输入端与电源连接，输出端与电机连接。制动能量回收反馈电路为一个带有控制的桥式整流电路，具有单向导通的功能，可将电机制动产生的电能回收到储能元件或其它可消耗电能的装置。能量回收反馈电路输入端与电机连接，输出端与储能元件或其它可消耗电能的装置连接。该新型驱动电路能够应用于各种电机驱动系统，整流电路可以使用成本较低的功率器件，降低车辆成本。

关键词：电机驱动电路；反馈电路

一、电路结构

驱动与反馈电流不对称的电机驱动电路分为两部分，分别是驱动电路和制动能量回收反馈电路。

（一）驱动电路方案

驱动电路为多个功率器件组成的桥式拓扑电路，具有逆变的功能，其输入端与电源连接，输出端与电机连接。在控制电路的控制下，驱动电路通过控制电路控制功率器件的开关状态，实现逆变，将直流电电能转换成驱动电机需要的电能。驱动电路中包含的功率器件有绝缘栅双极型晶体管、MOSFET、碳化硅、锗化硅。

当直流电源输入，控制六个开关管的驱动脉冲，则从U、V、W三端（或其中两端）得到交流电压，成为逆变电路。驱动电路包括具有单向导通功能的二极管和单向可控硅，通过控制电路控制各个功率器件的开关状态，从而实现逆变功能。

（二）制动能量回收反馈电路方案

在电动汽车上采用制动能量回收的技术，是提高电动汽车能量利用率与续驶里程的有效方法。制动能量回收反馈电路的输入端与电机连接，输出端与电源连接，所述的制动能量回收反馈电路为多个单向可控硅构成的桥式拓扑电路。单向可控硅具有单向导通的功能，可以实现电源驱动电机时电流不经过制动能量回收反馈电路，而控制电路控制每个单向可控硅的导通角，把电机制动时产生的电能回收到电源。

二、电路设计

这种新型驱动与反馈电流不对称的电机驱动电路，可应用于各种电机驱动系统。

电机驱动电路包括一个动力蓄电池组B（15）、一个三相单绕组电机M1（16）、一个驱动电路A和一个制动能量回收反馈电路A。

所述的驱动电路A为总电路中绝缘栅双极型晶体管（8）和六个绝缘栅双极型晶体管（9～14）构成的桥式拓扑电路。总电路中绝缘栅双极型晶体管（8）控制驱动与反馈的状态；通过控制电路控制桥式拓扑电路中各个IGBT的开关状态，实现逆变的功能，把动力蓄电池组B（15）产生的直流电电能转换成驱动三相单绕组电机M1（16）需要的电能。

当三相单绕组电机M1（16）处于驱动状态时，所述的驱动电路A导通、制动能量回收反馈电路A不导通。控制电路利用脉宽调制技术控制驱动电路A中桥式拓扑电路的六个绝缘栅双极型晶体管的开关状态，使动力蓄电池组B（15）产生的直流电流通过驱动电路A转换成三相单绕组电机M1（16）所需的三相交流电 ，此时的电流比较小，所需的绝缘栅双极型晶体管的容量比较小，因此所需的绝缘栅双极型晶体管的成本比较低。

当三相单绕组电机M1（16）处于制动能量回收状态时，所述的制动能量回收反馈电路A、驱动电路A均导通。控制电路控制制动能量回收反馈电路A中六个单向可控硅与驱动电路各个IGBT的开关状态，使三相单绕组电机M1（16）产生的三相交流电大部分通过制动能量回收反馈电路A、较少一部分电流经过驱动电路A转换成动力蓄电池组B（15）充电所需的直流电流。

三、电路仿真及结果分析

（一）永磁同步电机矢量控制模型原理

本文建模采用永磁同步电机为驱动电机，利用simulink建立模型，验证驱动电路与反馈电路电流不对称。

系统算法描述如下：

1.测量三相定子电流，可分别获得ia 、ib 和ic 。同时测量转子速度。

2.将三相电流变换至d、q轴系统。Clark变换将三相相电流测量值ia 、ib 和ic 变换为变量iα 和iβ 。

3. iα 和iβ 变量经过Park变换可获得Id 和Iq 变量。Id 和Iq 变量为变换到旋转坐标系下的正交电流。

4.通过将实际的Id、Iq 与给定值Idref 、Iqref 进行比较获得各自的误差信号。Id 给定值用以控制转子磁通。Iq 给定值则用以控制电机的转矩输出。误差信号作为PI控制器的输入。PI控制器的输出为Udref 、Uqref ，这两个变量是施加到电机上的电压矢量在d、q轴上的两个分量。

5.通过使用Park逆变换可将PI控制器的输出变量Udref、 Uqref 变换至静止参考坐标系。该计算将产生正交电压值Uα 、Uβ 。

6. Uα 、Uβ 值该三相电压值用来计算新的PWM占空比以生成所期望的电压矢量。

（二）仿真结果分析

当车辆电机处于制动能量回收状态时，在0-0.2s，电路中流过小电流，经过驱动电路的电流约为2A，经过反馈电路的电流约为5A，经过总电路的电流约为7A；在0.2s-0.3s，电路中流过大电流，经过驱动电路的电流约为100A，经过反馈电路的电流约为260A，总电路中电流约为360A。有仿真结果得出：反馈电路中的电流大于驱动电路中的电流，较大一部分电流是经过反馈电路对电池充电。

即上文所设计的电路可以满足：当车辆电机处于制动能量回收状态时，可以使所产生的大电流较少一部分经过驱动电路的功率器件，而大部分电流经过反馈电路，使能量回收到储能元件，从而降低逆变器功率器件的成本。

四、结束语

本文设计的驱动与反馈电流不对称的电机驱动电路能够应用于车辆的驱动系统中，在车辆的驱动系统中可以使用容量较小的功率器件，当车辆电机处于制动能量回收状态时，可以使所产生的大电流不经过驱动电机的功率器件，而是经过整流电路的功率器件，使能量回收到储能元件或其它可消耗电能的电路及装置连接，而整流电路可以使用成本相对较低的功率器件，从而降低车辆成本。

参考文献：

[1]张瑞琪.汽车能量回收系统设计[J].内燃机与配件，2018（01）：45-47.

[2]邱浩，董铸荣，贺萍.一种新型电动汽车复合电源电路设计[J].电源技术，2015，39（08）：1726-1728+1779.

作者简介：

1.毛乾宁（1996-），女，籍贯山西临汾，汉族，大连理工大学运载工程与力学学部本科在读，专业为车辆工程。

2.黄杰（1995-），男，籍贯广西桂林，瑶族，大连理工大学运载工程与力学学部本科在讀，专业为车辆工程。

3.周雅夫（1962-），男，辽宁大连人，汉族，大连理工大学教授，博士生导师，主要从事汽车电子、新能源汽车控制技术研究。

基金项目：“大学生创新创业训练”国家级项目，项目编号为2016101411053，项目名称为《电动汽车驱动电机参数在线辨识与控制方法自寻优》.