新型增磁电机控制系统特性分析

  邵桂欣，张承宁

(北京理工大学，北京100081)

    摘要：为了消除传统型直流电机驱动控制系统应用在电动公交车时存在的缺陷，依据弱磁调速的控制思想，研制出新型的续流增磁电机及其驱动控制系统。依据控制系统原理图和试验数据，分析了系统弱磁凋速原理和工作特性。与传统型串励直流电机相比，该系统在控制思想、控制结构和再生制动性能方面均具有极大的优越性。建立加速度控制系统传递函数并分析其稳定性。试验结果表明该系统抗干扰能力强、调节速度快、平稳性好。工作特性能很好地满足电动公交车的动力特性要求。

    关键词：电动公交大客车；续流增磁电机；弱磁调速；直流电动机

    中国分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)04—0046—03

0引言

  作为城市交通的新生力量，电动公交客车在各大城市交通中的作用日趋重要。电机驱动系统作为电动汽车的关键系统，其性能直接决定了电动汽车的运行性能。分析城市公交路况，电动公交车的驱动系统应具有宽的调速范围以保证高速行驶，足够大的起动转矩以保证好的加速性，高效率范围广和再生制动以保证高效利用能源等杼陛。但各种传统型直流电机驱动系统^[1,2]的磁场缺乏灵活的可控性，很难满足电动公交车行驶的城市复杂路面状况的要求。基于永磁加增磁复合励磁的机理，我们研制出一种具有自动弱磁调速功能的新型电机调速系

统一续流增磁直流电机驱动系统。该系统把增磁绕组接在电机续流回路中，产生了全新的自动弱磁调速理念。该系统很好地满足了电动汽车低速增磁增扭、高速弱磁增速的特性需求；而且能在双象限范围内运行，实现电动汽车再生制动；采用高频PWM斩波控制，运行时噪声低。

1续流增磁控制原理^[3]

    该增磁直流电机驱动控制系统弱磁调速原理图如图1所示。电机控制器的主要功能是接收驾驶员发出的加速踏板／制动踏板(ACCEL／BRAKE)信号和功率电路中电机电枢电流传感器的反馈信号，实现电动大客车调速时的驱动转矩和再生转矩的闭环控制。

式中：C_m为电机转矩常数；C_e为电机电动势常数；Φ_y，为永磁磁通；Φ_z为增磁磁通；r_a为电机电枢电阻；i_a为电机电枢电流；L_f为增磁续流绕组电感；i_f为增磁续流绕组电流;V_e为电机电枢反电动势；D为PWM信号占空比。

    当电动汽车起动、加速和高速行驶时，控制器锁定BRAKE信号使IGB他始终处于断开状态。控制器接收加速踏板的AccEL信号，并向功率电路中的IGBTl发出高频PWM信号，控制IGBTl工作在高频开关状态。PWM的导通角依据电机电枢电流的反馈值自动调节，确保电枢电流与加速信号AccEL的设定值对应。当IGBTl闭合时，工作回路为电池组-IGBTl-电机-电池组，续流绕组无电流通过，电机等效为永磁直流电机。当IGBTl断开时，工作回路为电机-续流绕组-1GBl2反向并联二极管一电机。续流绕组有电流通过，此时续流绕组不仅具有续流保护的作用，而且还有增强磁通调速的功能。

    当电动汽车制动时，控制器锁定ACCEI。信号使IGBTl始终处于断开状态。控制器接收制动踏板的BRAKE信号，并向功率电路中的IGB吧发出高频PWM信号，控制IGBT2工作在高频状态。增磁续流绕组通过一个反并联的二极管使得在整个制动过程中，增磁续流绕组中始终没有电流流过，不会产生增磁，电机产生的反电动势电压比较稳定。电机反电动势产生泵升超过电池组端电压给电池组充电，完成再生制动。

2续流增磁直流电动机稳态特性

    当电机工作在低转速区时，电机电枢的反电动势小，此时PWM的占空比很小，电枢电流即可达到AccEL的设定值。电流通过续流增磁绕组的时间长，增磁效果显著，电机具有很大转矩，对比传统电机，电动汽车加速性能得到提高。随着电机转速的增高，电机电枢反电动势逐渐增大，PWM占空比逐步增大才能满足AccEL信号所设定的电枢电流。电流通过续流增磁绕组的时间则相应减小，绕组增磁作用逐步减弱，实现了电机弱磁增速恒功率的特性，很好地满足电动汽车行驶对动力性的需求。整个弱磁过程中永磁部分的磁通始终保持恒定，与传统型直流电机比较，本系统在调速特性、转矩特