SRM驱动型电动自行车再生制动控制策略研究

１前言从目前来看，作为ＥＢ储能系统的蓄电池仍然是限制ＥＢ发展的瓶颈。

这主要还是因为其能量密度低，充电时间长，一次充电行驶里程短等问题仍然未得到很好解决的缘故。

因此对ＥＢ而言，若其具有一个很好的能量反馈系统，则可以充分发挥其优点，将制动时的部分动能转化为电能反充给蓄电池，从而更有效地利用电池电能，进而提高电池的续驶里程。

从ＳＲＭ的再生制动运行特点以及城市典型循环工况制动能量分布出发，提出了一套适用于ＥＢ制动控制的方案。

实践表明，该控制方案达到了较为理想的效果。

２电动自行车再生制动系统结构方案所述ＥＢ系统采用了纯电气驱动方案，主要包括ＳＲＭ（功率为３５０Ｗ，采用４８／３２外转子结构）、整车控制器（功率变换器、ｄｓＰＩＣ控制单元、保护模块、辅助电源）、蓄电池等几大部分。

图１所示不对称半桥功率变换器中，开关管采用ＭＯＳＦＥＴ，电源所用铅酸蓄电池为４８Ｖ／２４Ａ・ｈ。

由ＶＫ１，ＶＫ２，ＶＤ１，ＶＤ２组成电机一相功率回路，当ＶＫ１，ＶＫ２同时导通时，交流整流后的直流电源电压Ｕ对Ａ相绕组供电；当ＶＫ１或ＶＫ２关断时，Ａ相绕组电流ｉＡ通过ＶＤ２或ＶＤ１自然续流，保持相电流相对平滑；当ＶＫ１，ＶＫ２同时关断时，Ａ相绕组的残余电流通过ＶＤ１，ＶＤ２，并迅速向电容Ｃ回馈，完成Ａ相的一个工作周期。

整车控制器中的ＭＣＵ采用ｄｓＰＩＣ系列单片机，通过微机系统可实现ＥＢ不同运行模式的自动转换，同时在运行过程中，可自动调整和优化电机控制参数，实现对ＳＲＭ起动、电动、巡航及制动运行的控制。

图１功率变换器３ＳＲＭ再生制动性能仿真分析再生制动又称再生回馈制动，其原理是在制动时将电动车行驶的惯性能量传递给电机，电机以发电方式工作，给电池充电，实现制动能量的再生利用。

同时，产生的电机制动力矩又可对驱动轮施加制动，产生制动力。

由于再生制动利用了原本被消耗于摩擦制动的能量，因此可降低ＥＢ的能耗，改善目前由于蓄电池能量密度低带来的续驶里程短的瓶颈。

ＳＲＭ驱动型电动自行车再生制动控制策略研究卢铭，刘闯（南京航空航天大学，江苏南京２１００１６）摘要：从开关磁阻电机（ＳＲＭ）的再生制动运行特点及城市典型工况的制动能量分布出发，针对当前铅酸蓄电池能量密度较低的情况，提出了一套适用于电动自行车（ＥＢ）能量回馈的制动控制方案。

在此基础上开发了整套ＥＢ系统，并解决了低速外转子ＳＲＭ优化控制的关键问题。

理论和实践表明，在角度位置控制和ＰＷＭ控制的基础上，该外转子ＳＲＭ达到了预期的指标，具有优良的再生制动性能，这对开拓ＳＲＭ的应用领域，早日进入国内电动车市场具有重要的意义。

关键词：再生制动／开关磁阻电机；电动自行车中图分类号：ＴＭ４６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０２－００８１－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＢｒａｋｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＢｉｃｙｃｌｅｂａｓｅｄｏｎＳｗｉｔｃｈｅｄＲｅｌｕｃｔａｎｃｅＭｏｔｏｒＬＵＭｉｎｇ，ＬＩＵＣｈｕａｎｇ（ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｏｆｓｗｉｔｃｈｅｄｒｅｌｕｃｔａｎｃｅｍｏｔｏｒ（ＳＲＭ）ａｎｄｔｈｅｂｒａｋｉｎｇｅｎｅｒｇｙｏｆｃｉｔｙｔｙｐｉｃａｌｄｒｉｖｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｃａｓｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｌｅａｄ－ａｃｉｄｃｅｌｌ，ａｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅ（ＥＢ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｉｔ，ａｓｙｓｔｅｍｏｆＥＢｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎｔｈｅｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌｏｗ－ｓｐｅｅｄｅｘｔｅｒｎａｌｒｏｔｏｒＳＲＭｗａｓｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅａｐ－ｐｌｉｃａｔｉｏｎｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｂａｓｅｄｏｎＰｕｌａｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ａｎｄＡｎｇｌｅＰｌａｃｅＣｏｎｔｒｏｌ（ＡＰＣ）ｔｈｅＳＲＭｗｉｔｈｅｘｔｅｒ－ｎａｌｒｏｔｏｒｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｐｏｓｓｅｓｓｅｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇ．ＴｈｉｓｉｓｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｏｂｒｏａｄｅｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｏｆＳＲＭａｎｄｉｔｉｓｏｆｂｅｎｅｆｉｔｔｏＳＲＭｅｎｔｅｒｉｎｇｉｎｔｏｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌＥＢｍａｒｋｅｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇ／ｓｗｉｔｃｈｅｄｒｅｌｕｃｔａｎｃｅｍｏｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅ定稿日期：２００７－０９－０３作者简介：卢铭（１９８２－），男，江苏溧阳人，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

８１ＳＲＭ的再生制动运行控制主要通过调节励磁电流大小来实现。

所述系统采用调节角度和调节ＰＷＭ占空比来控制励磁电流的方式［２－３］。

３．１ＳＲＭ再生制动原理在线性化模型的基础上可得到图２所示相绕组电感Ｌ、相电流ｉ随定转子相对位置!的变化规律。

图２再生制动相电流解析忽略开关管和续流二极管的压降，忽略不计相绕组电阻，化简得到ＳＲＭ的相绕组电压平衡方程和电磁转矩表达式为：±ｕｓ＝ｄ"ｄｔ＝Ｌｄｉｄｔ＋ｉ#ｄＬｄ!（１）Ｔｍ＝１２ｉ２ｄＬｄ!（２）由式（２）和图２可知，控制开通角!１和关断角!２，使相电流主要出现在电感下降阶段，即可将输出转矩控制为负，实现再生制动。

ＳＲＭ通电期间（!１，!２）及断电后（!２，２!２－!１）的磁链方程［１］分别为："（!）＝ｕｓ#（!－!１）；"（!）＝ｕｓ#（２!２－!１－!）（３）可以看出，当速度#很低时，ｕｓ不变，将出现过大的磁链，继而引起过大的冲击电流而损坏电机及变换器，必须调节占空比Ｄ加以限制。

３．２角度位置的影响图３示出三相外转子ＳＲＭ采用角度位置制动控制策略时的制动转矩特性。

图３ａ中平均制动转矩Ｔａｖ随开通角!１的推后而减小，为了确保其续流电流不进入相电感上升区，在额定转速ｎ＝５１０ｒ／ｍｉｎ时，推后!１或加大导通宽度!，会增加相电感下降区内的相电感及其峰值，导致Ｔａｖ增加。

由图３ｂ可见，同一角度下，随着ＳＲＭ转速降低，其运动电势减小，供电阶段的相电流增大，ＳＲＭ磁场储能增加，使换相、续流阶段的相电流增大，Ｔａｖ亦随之增加。

图４示出采用该控制策略时的最大相电流特性Ｉｍａｘ，由于未对其进行ＰＷＭ调制，在同等角度位置控制下，低速３５０ｒ／ｍｉｎ时的ＩＡｍａｘ远超出高速时，考虑到器件的承受能力以及实际工作时有ＰＷＭ占空比的调节，图４ｂ中未标出低于３５０ｒ／ｍｉｎ的相电流。

图４最大相电流特性３．３占空比的影响该样机采用ＰＷＭ制动控制策略。

在一定转速下，减小ＰＷＭ信号的占空比，即减小相绕组供电电压，可减小相电感下降区内的相电流ｉＡ及其峰值ＩＡｍａｘ，合理优化Ｄ便可在低速情况下保证一定制动转矩Ｔｍｂ的同时有效抑制过大的ｉＡ。

４再生制动控制策略采用再生制动技术，一方面要满足制动效能、制动效能恒定性及制动稳定性等基本要求，另一方面要最大限度地提高制动能量的回收程度。

为满足这些性能要求，需要合理地进行再生制动控制策略的设计，并综合考虑再生制动技术应用的成本和性能。

４．１电机再生制动对车辆制动性能的影响根据ＥＢ的整车结构，采用了再生制动方式。

设Ｔｍｂ为电机的制动转矩，ｒ#为驱动轮半径，则作用于驱动轮上的电磁制动力为：Ｆｒｂ＝Ｔｍｂ／ｒ#（４）ＥＢ的再生制动效能以制动强度来衡量：Ｚｒ＝Ｆｒｂ／ｍｇ（５）式中：ｍ为整车质量；ｇ为重力加速度。

将上节中的ＳＲＭ制动仿真得到的相关条件下的Ｔａｖ代入式（４）和式（５），取ｍ＝１２０ｋｇ，车轮半径ｒ＝０．２１ｍ，ｇ＝９．８ｍ／ｓ２，可以得出对应不同车速下电机所能达到的制动强度Ｚｒ关系曲线。

由于采用单独的电机再生制动获得的Ｚｒ较低，无法满足制动效能及恒定性的要求。

因此，必要时采用再生制动与摩擦制动同时工作的复合制动方式，以解决电机制动力不足的问题，并保持制动效能的恒定性。

４．２控制策略在制动强度较低时，优先采用再生制动，由电机单独提供制动力，摩擦制动不工作；当制动强度增加，采用复合制动方式，制动力矩由摩擦制动和再生制动共同承担；在制动强度较高，再生制动力出现饱和后，将由摩擦制动满足进一步增加制动强度的要求［４］。

根据之前对ＳＲＭ制动性能的仿真可以得出，最大制动强度在０．０６附近。

因此，从可靠性角度来看，!为!１￣!２之间的宽度图３制动转矩控制特性８２ｆＨ＝ｆ０１２Ｑ＋１＋１２Ｑ!"２#$%＝１．０６ｆ０（９）该滤波器通带为［４７Ｈｚ，５３Ｈｚ］。

滤波器参数达到预定设计指标。

５．２带通滤波器试验对设计的滤波器在ＥＡＳＴ极向场大功率整流电源上进行实验，图４示出实测波形。

图４测试波形图４ａ，ｂ示出滤波器的实测波形。

由图４ｂ可见，整流器工作所产生的谐波对整流变压器次级电压波形干扰极大，次级电压畸变严重。

所设计的滤波器输出波形是理想的正弦波，完全满足要求，而且在基波频率下有标准的１８０°相移，同步信号处理中的相位问题已得到解决。

此外，还需考察滤波后过零点附近的波形状况。

从图４ｃ，ｄ过零点处测试波形看，滤波后过零点附近没有干扰，达到了预期目标。

６总结对交流同步电压的滤波处理进行了详细理论分析和实验验证，实现了强谐波和强磁场干扰下的同步信号高质量滤波，提高了晶闸管整流器触发同步的相位精度，对提高大功率晶闸管整流器控制精度具有重要意义。

参考文献［１］王兆安，黄俊．电力电子技术（第４版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社．［２］华成英，童诗白．模拟电子技术基础（第３版）［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００２．［３］李素芝，万建伟．时域离散信号处理［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社，２０００．［４］杜锡钰，肖扬，裘正定．多维数字滤波器（第１版）［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９５．［５］陆明达．开关电容滤波器的原理与设计［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８６．［６］ＭａｘｉＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｒｏｄｕｃｔｓ．ＭＡＸＩＰｉｎＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＵｎｉｖｅｒ－ｓａｌａｎｄｅＢａｎｄｐａｓｓＦｉｌｔｅｒｓ［Ｍ］．［Ｓ．ｌ］：［ｓｎ］，１９９８．图５实验波形&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（上接第１５页）ＳＲＭ驱动型电动自行车再生制动控制策略研究认为ＳＲＭ本身可提供０≤Ｚｒ≤０．０５５时的制动力矩。