电动公交大客车用新型电机驱动控制系统特性分析

设永磁磁场恒定；④ 增磁绕组中的励磁电流以矩形
波方式脉动，所使用的电流指电流的平均值，计算
得到的电枢感应电动势和电磁转矩也为平均值。 4.2 增磁电机在控制系统下的感应电动势和电磁 转矩分析
电机增磁绕组中的电流是一个矩形波，所以产
生的磁通就不恒定。根据表 2 中实测得到的数据， 电机增磁绕组产生的磁通和永磁绕组产生的磁通的
关键词：电动公交大客车；增磁电机；根轨迹设计；控制特 性
1 概述
电动公交大客车的研制是在国家“863”计划 和北京“2008”绿色奥运的倡导和支持下进行的。 由于目前还没有一种非常适合于电动公交大客车使 用的电机，为此特研制了一种新型的永磁它励加增 磁绕组复合励磁的直流电机，也叫增磁电机。在这 种电机中，使用了一个增磁绕组，并把它连接到电 机的续流回路中，在车辆处于起动、爬坡等低速运 行状态下，由于驱动电机的转速低，电机电枢回路 中的反电动势小，因此在控制器限制驱动电机最大 电流的条件下，用于给动力电池组电源电压斩波器 提供电机电枢电压的功率半导体器件的导通比小， 这样电机电枢中的电流在大部分时间内通过续流回 路，使增磁绕组中产生足够大的励磁电流来增大励 磁磁场，这样驱动电机就能产生足够大的输出转矩 来满足车辆起动和爬坡的需要；而当车辆在起动过 程中，随着车速的提高，电机电枢的反电动势也增 大，功率半导体开关的导通比逐渐增大，使得电枢 电流通过续流回路的时间逐渐缩短，增磁绕组中的 磁场逐渐减弱，满足了车辆由低速到高速过程中的 弱磁过程。整个过程是在随着车速的变化而逐渐完 成的，所以具有很好的调节特性，系统的可靠性也 得到改善。当电机处在高速运行时，功率半导体的
KEY WORDS: Electric transit bus; Enhanced magnetism motor; Root locus design; Control characteristic
摘要：针对一种适合于电动公交大客车上使用的新型直流牵 引电机，研制了电动公交大客车的驱动控制系统，从理论上 建立了新型电机在控制系统下的感应电动势、电磁转矩和转 速的数学模型，并用试验数据验证了该数学模型的正确性。 由于这种新型的电机具有大的起动转矩，所以可以提供较大 的加速度；建立了新型电机的加速度控制系统，并使用根轨 迹法来分析这种新型电机加速度的微分负反馈控制系统；仿 真结果表明，这种新型电机的驱动控制系统具有非常好的 响应特性和调节特性；装车实验结果表明，
IGBT2
U2 C4 D5
D4 D6
D3 R2
C3 ia
M L1 A
L2
图 1 控制系统原理图
Fig.1 Sche matic of the control system
如果 ia 大于 ACCE 的给定值，则减小 IGBT1 的脉冲 宽度，使 ua 下降和 ia 减小，电机 M 减速。在这一 过程中，IGBT2 始终关断。当电机（车辆）制动时， 加速度信号 ACCE 为零，并且 IGBT1 关断，控制单 元接受 BRAKE 制动信号，并向 IGBT2 发出相应的 脉冲调宽信号，IGBT2 导通，电机 M 的反电势通过 IGBT2 和 D6 导通或者通过 D2 及电池 B 导通构成回 路，从而实现车辆的再生制动。
第 23 卷 第 8 期 2003 年 8 月
文章编号：0258-8013（2003）08-0110-05
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
中图分类号：U469.72 文献标识码：A
Vol.23 No.8 Aug. 2003 ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng.
=
300 − ia n
⋅ Ra
=
300 − 200× 0.03835 1830
≈ 0.152
(1)
式中 Ce 为电动势常数，由电机结构而定； φ y 为 电机永磁励磁磁通；ia 为电机电枢电流； Ra 为电 机电枢电阻； n 为电机转速。
所以电机在永磁励磁作用下的电机感应电动
势就为
Eay = Ceφ yn = 0.152n
励磁比为
K = M z = M − M y = 685 − 379 ≈ 0.8074 (5)
表 2 增磁电机在额定电流时的输出转矩测定 Tab.2 Experimental data of output torque under rating current
电枢电流 ia /A
268 268
增磁电流 If /A
0 268
电磁转矩 M /(N·m)
379 685
4 增磁电机在控制系统驱动下的工作特性 分析
板的加速度信号 ACCE 和来自电流传感器 U3 的电 枢电流 ia，如果 ia 小于 ACCE 给定值，则增加 IGBT1 的高频脉冲宽度，使加在电枢两端的电压 ua 上升和 ia 增加，电机 M 加速；反之，
U0
C2
R1 D2 D1
U3
+ _
IGBT1
U1
K
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第8期
张承宁等： 电动公交大客车用新型电机驱动控制系统特性分析
111
导通时间长，续流电流较小，电机的励磁主要由永 磁提供，因此电机的运行效率很高。在车辆制动时， 由于增磁绕组通过一个反并联的二极管使得增磁绕 组中没有电流流过，所以不会产生增磁，电机产生 的反电势电压就比较稳定，该电压在功率半导体器 件的 PWM 调节下使电压产生泵升，从而给电池充 电，完成再生制动。
2 增磁电机驱动控制系统组成
电动公交大客车驱动电机控制系统简化原理 图如图 1 所示。图中电池组 B 是 384V，为驱动系 统提供动力。直流电机 M 为公交车的驱动电机，它 是带有永磁加增磁绕组复合励磁方式的新型牵引电
机。本电机包括电枢绕组 A、增磁励磁绕组 L1、永 磁励磁绕组 L2[1]。U1 为以 IGBT1 为主体的功率智能 模块，D1、C2、R1 组成其浪涌电压吸收保护电路， D2 为装在模块内的反向保护二极管，IGBT1 工作在 高频脉冲调宽状态，其斩波电压控制驱动电机转速 n。U2 为以 IGBT2 为主体的功率智能控制模块，D3、 C3、R2 组成其浪涌电压吸收保护电路，D4 为装在智 能模块内的反向保护二极管，调节 IGBT2 的导通脉 冲宽度，可以改变再生电流，以控制驱动电机（车 辆）制动。U0 为电流传感器，用于功率模块过流保 护；电流传感器 U3 用于测量驱动电机电枢电流 ia。 D6 为再生制动通路二极管模块，R3、C4、D5 组成其 浪涌电压吸收保护电路。ACCE 为来自加速度踏板 的电机加速信号，BRAKE 是来自制动踏板的制动 信号，CONTROL 是以单片机为核心的控制单元。 工作时，接通电源开关，控制单元检测来自加速踏
表 1 Ua=300V 和 If =0A，ia、n、M、η 之间对应关系 Tab.1 Relationship of ia、n、M、η when Ua=300V and If =0A
电枢电流 ia /A
转速 n/(r·min-1)
电机转矩 M /(N·m)
效率 η/%
电枢电阻 Ω
100
1855
141
ZHANG Cheng-ning, LI Hong-lin, SUN Feng-chun, YUAN Xue, ZHANG Wang （School of Mechanism and Vehicle Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China）
ABSTRACT: The drive control system of the permanent magnetic direct current (PMDC) motor with the enhanced magnetism windings used in the electric transit bus is developed. The mathematics model of inductive electromotive force, electromagnetism torque and speed applied by control system is established from the theories and proved it’s correctness by the experimental data. Because of it’s big starting torque, the newly drive motor can supply a greater acceleration. The acceleration control system is set up and Root Locus Design is applied to analyze and design the acceleration differential feedback control system. The result of simulation show that the newly drive motor control system has extraordi-nary response characteristic and adjustable performance. Experiments of vehicle running show that the drive control system’s antijamming ability is strong and the adjustable performance is fast and smooth, it can meet the demand of power characteristic very well.
3 增磁电机的固有特性分析
增磁电机的固有特性和普通的并激电机相似，
在满足各项技术指标的情况下，它的优越特性主要
体现在驱动控制系统的控制下，也就是车辆的动态
运行过程中。表 1 是电机电压在额定电压 Ua=300V 和增磁绕组不通电时，试验得出驱动电机电枢电流
ia、电机转速 n、电磁转矩 M、效率η之间的对应关 系。
学科分类号：470·4024
电动公交大客车用新型 电机驱动控制系统特性分析
张承宁，李红林，孙逢春，袁 学，张 旺
（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081）
ANALYSIS OF A NEWLY MOTOR DRIVE CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC TRANSIT BUS
78.4
200
1830
283
87.3
0.03835
300
1806
424
89.4
400
1782
566
89.8
增磁电机在只有永磁作用和额定电压下工作
时相当于普通的并激直流电机，所以可以按照永磁
直流电机满足的方程来计算电机的感应电动势和电
磁转矩，根据表 1 中的数据，电机在永磁作用下的
电动势系数为
Ceφ y
(2)
表 2 是电机在额定电流下接通和断开增磁绕组时电
机的电磁转矩测定数据，由数据可知电机的电磁转
矩系数为
CMφ y
=
My ia
=
379 268
(3)
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中国电机工程学报
第 23 卷
所以永磁作用下的电磁转矩可由下式确定
M
y
=
CMφ yia
=
379 268
ia
(4)
式中 My 为电机电磁转矩，CM 为转矩常数，由电 机结构确定。
4.1 概述
增磁电机的优越性能主要表现在电机启动时
具有较大的转矩，有利于车辆的起步和爬坡。下面
分析增磁电机在控制系统下的工作特性，建立增磁
电机在控制系统下的数学模型。假设：① 由于图 1
中 IGBT1 工作在高频开关状态下，可以假设电枢电
流中没有纹波；② 电机控制电路对电池组的压降很
小可以忽略不计；③ 电机工作时温升很小，可以假
基金项目：国家 863 高技术基金项目（2002AA501821）。 The National High Technology Research and Development of China （863 Programme）（2002AA501821）．
该驱动控制系统的抗干扰能力强、调节特性快速、平稳，能 很好地满足电动公交大客车的动力特性要求。