第31卷 第1期2007年2月
武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy
(T ran spo rtati on Science &Engineering )
V o l .31 N o.1Feb .2007
收稿日期:20061012
揭贵生：男,30岁，博士生，主要研究领域为电力电子与电气传动 3高等学校优秀青年教师科研奖励计划项目资助(批准号:2001183)
揭贵生 马伟明
(海军工程大学电力电子技术应用研究所 武汉 430033)
摘要：以基于SV P WM 控制的电动汽车永磁同步电机驱动系统的制动工况为研究对象，重点对电机的两种制动方式(基于电机损耗控制的制动和再生制动)、两种制动方式在系统中的综合运用进行了分析，并提出了一种新的基于电机损耗控制的制动方法，它综合考虑了电机的铜耗和铁耗.通过仿真对比分析，指出再生制动性能最好，新的制动方式比只考虑铜耗的制动方式性能好，因而更适合在不能采用再生制动的场合运用.总结了新的制动方式的控制电流与电机制动转矩、转速及电机定子电阻和铁耗等效电阻的关系. 关键词：电动汽车；永磁同步电机；铜耗；铁耗；再生制动中图法分类号:TM 33
稀土永磁同步电机以其体积小、重量轻、效率高的优点在电动汽车中正在获得广泛应用[122].在汽车运行过程中，经常需要减速制动，本文以基于SV PWM 控制的电动汽车永磁同步电机驱动系
统的制动工况为研究对象，重点对电机的两种制动方式、两种制动方式在系统中的综合运用进行研究，提出一种基于PM S M 铜耗和铁耗的新的制动控制方法，在此基础上进行了仿真对比分析.
1 永磁同步电机的两种制动方式
1.1 简化的基于电机损耗控制的制动方法
通常能耗制动指的是在变频器直流侧加一个由功率开关器件控制的制动电阻，制动时由控制系统根据
直流侧电压大小控制制动电阻的接入与否.文献[3]首先提出了一种简化的基于永磁同步电机损耗控制的制动方法，它根据无凸极性永磁同步电机制动电磁转矩及电机铜耗与定子电流的关系，通过控制电机电流，在产生所需制动电磁转矩的前提下，使制动动能完全转化为电机铜耗，因而就不需要外加制动电阻，简化了功率电路结构，其控制公式如下
P brake = T ebrake Ξr = Ωf i q p n Ξr = Ωf i q Ξe
(1)
P Cu =R s i 2
s =R s (i 2
d +i 2
q )
(2)i q =
T ebrake
p n Ωf
(3)P brake =P Cu ]i d =±
i q Ξe Ωf
R s
-i 2
q
(4)
式中:P brake ,P Cu 分别为电机制动功率和铜耗;
T ebrake 为电机制动电磁转矩;Ξr ,Ξe 分别为电机的机械角速度和电角速度;p n ,Ωf ,R s 分别为电机极对数、永磁磁链和定子电阻;i d ,i q 分别为电机定子电流的d ,q 轴分量;i s 为电机定子电流，为避免制动时电机的不可逆退磁,d 轴电流可取正值.1.2 新的基于电机损耗控制的制动方法
文献[3]的局限是没有考虑电机的凸极性和电机铁耗，对于高速工作电机，这种理想处理不能满足实
际控制需要[425]，而永磁同步电机的工作转速一般都较高.因此，本文在此基础上，基于考虑电机铁损的等效电路模型[6]，将电机在一定转速和功率范围内的铁耗用一个固定等效电阻R c 来表示，得到的电机d ,q 轴等效电路模型分别如图1所示.
a )d
轴等效电路
b )q 轴等效电路
图1 考虑铁耗的P M S M 简化等效电路模型
考虑到在通常情况下R s νR c ，因此R c 上的压
降近似为电源电压，而流过的电流可忽略，从而电机制动时的电磁转矩、铁耗可近似表示为
T ebrake ≈ p n Ωf i q +p n (L d -L q )i d i q
(5)
P Fe =
u 2
e
R c ≈u 2
d +u 2
q
R c
= Ξ2e [(Ωf +L d i d )2
+(L q i q )2]R c
(6)
式中:L d ,L q 分别为定子绕组的d ,q 轴电感;u d ,u q 分别为定子电压的d ,q 轴分量;u c 为R c 上的压
降.由式(2)、
(5)、(6)，并忽略变频器损耗和系统摩擦及风阻，根据能耗制动时P brake =P Cu +P Fe 的
关系，在给定制动转矩和转速条件下，得到电机
d ,q 轴电流的控制关系式如下
a 4 i 4
d +a 3i 3
d +a 2i 2
d +a 1i d =a 0=0i q =
T ′
ebrake
Ωf +(L d -L q )i d T ′
ebrake =T ebrake p n
(7)
式中:
a 0=R c R s T ′2ebrake +L 2q Ξ2e T ′2ebrake +Ξ2e Ω3f -B R c Ω2
f a 1=2Ξ2
e Ω3
f L
d
+2Ξ2e Ω2f L -2B R c Ωf L a 2=R c R s Ω3f +Ω2
f Ξ2
e L
2
d
+4L d Ξ2e Ω2f L +Ωf Ξ2e L
2
- B R c L 2
a 3=2R c R s Ωf L +2Ωf L 2d Ξ2e L +2Ωf L d Ξ2e L 2
a 4=R c R s L 2
+Ξ2
e L 2
d L 2
,L =L
d
-L q ,B =
T ′
ebrake Ξe
由上式可见，电机的控制电流是关于以电机参数和制动转矩、转速为系数的4次多项式的根.图2a ),b )中实线、虚线、点线分别绘出了在制动转矩分别为-0.5,-1,-2时的电机d ,q 轴电流与电机转速的关系曲线(图中各量均用标幺值表示)；图2c ),d )中实线、虚线、点线分别绘出了在定子电阻分别为0.078,0.234,0.039时的电机d ,
q 轴电流与电机转速的关系曲线；图2e ),f )中实
线、虚线、点线分别绘出了在铁耗等效电阻分别为27.34,13.67,82.02时的电机d ,q 轴电流与电机转速
的关系曲线，其中各量均用标幺值表示.由图可见，电机d 轴电流为正，而q 轴电流为负；并且在其他量恒定的条件下,d 轴电流随制动转矩和转速的增大而减小，而q 轴电流的绝对值则反之；同时，在其他量恒定的条件下,
d 轴电流和q 轴电流的绝对值随定子电阻的增大而减小，随铁耗等效电阻的增大而增大，这均与理论一致.由于这种控制方法实时求解较为困难，具体实现时只能通过查表求得；对于表面型永磁同步电机，由于L d =
L q ，则电流只是2次多项式的根，求解得到简化.值得指出的是，在制动负载很大时，要想将制动动
能完全转化成电机损耗，所需控制电流会很大而超过电机或变频器的额定容量.为安全起见，这时只有采用机械摩擦制动或牺牲系统速度响应而暂时将制动转矩降为0，由于电机控制电流仍存在，因而直流侧电压会迅速降低而进入安全区，此后又可以进行全额能耗制动控制.
图2 新制动方式控制电流与相关电量的关系曲线
1.3 再生制动
当速度给定小于实际转速时，电机工作于发电制动状态，对于采用P I 控制的速度调节器，速度调节器输出的转矩指令值为负的制动转矩.电机的控制电流可根据不同控制方式时对应的转矩2电流关系求得，然后经过电流调节器及坐标变换得到变频器的PWM 控制电压矢量，使电机工作于再生制动状态，让回馈的电能为直流侧电池和
・431・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2007年 第31卷
电容充电.由于转矩指令值为负，此时电机电流矢量由原来的超前于转子磁链矢量变为滞后于转子磁链矢量，但电流相序并未改变.特别地，对于采用磁场定向控制(即i d =0控制)的永磁同步电机，转矩指令值与电流指令值的幅值成比例，由于转矩指令值为负，因而此时电机电流矢量滞后转子磁链矢量90°电角度[7]，控制更为简单.因此，只要使驱动控制系统中转速指令值小于电机实际转速，并按一定的电机转矩2电流关系来控制变频器即可使系统工作于再生制动状态.
2 两种制动方式的仿真对比分析
本文对采用两种制动方式的基于SV PWM
控制的永磁同步电机驱动系统，在同样的控制参数并且认为直流侧电源为理想供电电源的情况下进行了仿真对比分析.
在0.06s 当电机起动加速到200rad s (机械角速度)后，速度指令变为75rad s 进行制动，仿真波形如图3所示，由于0.06s 前的控制方式一样，因此，为便于观察,0.06s 前的各响应均用实
线表示.其中，图3a )中实线、
虚线、点线分别绘出了再生制动时U 相、V 相、W 相电流曲线，由0.06s 前后电流响应可见，制动时电流相序并未改变，只是电流产生滞后，与分析一致；图3b ),c ),d )中实线和虚线分别依次为再生制
动方式和新的基于电机损耗制动控制方式的电机d
轴电
图3 驱动系统各种制动方式的对比仿真曲线
流、q 轴电流和机械转速曲线，对比可见，再生制动方式制动时速度响应快，超调量小，并且制动时所需的峰值电流较后者小；图3e )、f )中实线和虚线分别依次为新的基于电机损耗制动控制方式和基于电机铜耗制动控制方式的电机d 轴电流、q 轴电流曲线，其电流有效值分别为9.04A 和9.45A 对比可见，制动时后者的d 轴电流很大，而前者虽然其q 轴电流略大，定子电流值减小了.故综上所述，再生制动方式性能最好，新的基于电机损耗制动控制方式由于更符合电机损耗的实际情况，因而其控制电流较简化的基于电机铜耗制动控制方式小.
3 两种制动方式在驱动系统中的综
合运用
对于采用蓄电池供电的电动汽车驱动系统，由于电池能量有限，故在汽车减速时能向电源回馈电能的再生制动方式成为首选.但是，对于储能有限的蓄电池，当汽车减速幅度过大或当电池未充分放电时，采用再生制动方式会使电池电压大幅上升，影响电池使用安全和寿命，并危及变频器功率开关器件的安全.因此也需要采用基于电机损耗的制动方式，导致系统效率不可避免地降低，并且由于电机损耗是
有限的，过多依赖这种制动会使电机过热，使永磁体性能退化，故应根据电池的充电状态选择合适的制动方式，将两者结合起来，以再生制动为主，基于电机损耗的制动作为其补充.
由于电池充电状态(SOC )的实时估计比较复杂，因此本系统直接用变频器直流侧电压来大致指示其SOC ，以此作为依据选择在系统制动运行时控制两种制动方式的切换，其基于SV PWM 控制的切换流程如图4所示.事先根据电池组充满电后的开路电压来合理设置电池组SOC
指示值
图4 驱动系统中两种制动方式的切换流程
・
531・ 第1期
揭贵生，等：电动汽车永磁同步电机驱动系统的制动研究
U li m ，制动时，当直流侧电压小于U li m 时，系统进入再生制动模式，向电池组充电；反之则进入基于电机损耗的制动模式，来保护电池组和变频器功率开关器件的安全.要指出的是，控制系统基于SV PWM 控制，再生制动和基于电机损耗制动的区别只是由制动转矩得到电流指令值的方法不同而已.
4 结 论
本文对电动汽车永磁同步电机驱动系统的两种制动方式、两种制动方式在系统中的综合运用进行了较为深入的分析，提出了一种基于PM S M 铜耗和铁耗的新的制动控制方法，经过仿真对比分析，结果表明:
1)再生制动性能最好，新的基于电机损耗制动控制方式由于更符合电机损耗的实际情况，因而控制电流较传统的基于电机铜耗制动控制方式好；制动时应根据电池的充电状态选择合适的制动方式，将两者结合起来，以再生制动为主，基于电机损耗的制动作为其补充.
2)制动时，在其他量恒定的条件下,d 轴电流随制动转矩和转速的增大而减小，而q 轴电流的绝对值则反之；同时，在其他量恒定的条件下,
d 轴电流和q 轴电流的绝对值随定子电阻的增大
而减小，随铁耗等效电阻的增大而增大.
参考文献
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业出版社,1996
R esearch on the B rak ing of the Perm anen t
M agnet Synch ronou s M o to r D rives fo r E lectric V eh icle
J ie Gu isheng M a W e i m i ng
(N ava l U n iversity of E ng ineering ,W uhan 430033)
Abstract
T he research ob ject of th is p ap er is the b rak ing op erati on of the PM S M drives fo r EV con tro lled by SV PWM algo rithm ,the em phasis is pu t on the analysis of the tw o b rak ing m ethods (the b rak ing m ethod based on m o to r lo ss con tro l and the regenerative b rak ing m ethod )and how to u se the tw o b rak ing m ethods syn thetically in the driving system .A t the sam e ti m e a new b rak ing m ethod based on the m o to r lo ss con tro l w h ich takes in to con siderati on of bo th the m o to r copper lo ss and the iron lo ss is p u t fo r w ard .T h rough con trastab le si m u lati on s ,it show s that the regenerative b rak ing has the best overall perfo r m ance and the perfo r m ance of the new b rak ing m ethod is better than that of the b rak ing m ethod tak ing on ly the m o to r copp e
r lo ss in to accoun t ,so it is p referred in such conditi on s as the re 2generative b rak ing m ethod can’t be adop ted .T he relati on s betw een the con tro lling cu rren ts of the new con tro l m ethod and the m o to r b rak ing to rque and speed w hen w ith differen t stato r resisto r and iron lo ss are also summ arized th rough analysis and si m u lati on s .
Key words :electric veh icle (EV );per m anen t m agnet synch ronou s m o to r (PM S M );copper lo ss ;iron
lo ss ;regenerative b rak ing
・631・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2007年 第31卷
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