吳松，莫岳平，周斌欣，2，謝莉，蔣偉

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；2.揚(yáng)州大得機(jī)電科技有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

直流串勵(lì)電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、調(diào)速性能良好、控制技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。直流串勵(lì)電機(jī)傳統(tǒng)的換向方法采用電磁換向接觸器改變旋轉(zhuǎn)方向，不能實(shí)現(xiàn)快速與高頻率換向。同時(shí)，在傳統(tǒng)控制方式中電樞與勵(lì)磁串聯(lián)繞組兩端反向電動(dòng)勢(shì)低于供電電壓，電機(jī)原則上只能工作在第1 或第3 象限。而電機(jī)若要在第2、第4 象限運(yùn)行，就必須要有應(yīng)對(duì)能量再生的策略，通常的處理策略采用電磁制動(dòng)方式，其中能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)又無法達(dá)到機(jī)械動(dòng)能重復(fù)利用的目的。因此，設(shè)計(jì)更好的替代方法顯得非常必要［1-3］。

本文以直流串勵(lì)電機(jī)為控制對(duì)象，研究了由4個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件組成的全橋電路控制電機(jī)電樞繞組的電流回路和方向，控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的通斷和占空比便可實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)電子換向、變速與4象限運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的控制方法能很好地控制直流串勵(lì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)換向與制動(dòng)，以及機(jī)械動(dòng)能的回收，達(dá)到了預(yù)期效果［4］。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，由4 個(gè)體內(nèi)含有反向二極管的開關(guān)管組成橋式電路，電樞繞組La兩端分別接于點(diǎn)Q3，Q4之間，勵(lì)磁繞組Lf與二極管D 并聯(lián)，二極管D 陽極與點(diǎn)Q2相連，陰極和電池正極相連；電池負(fù)極與點(diǎn)Q5相連。通過控制4個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，改變電樞繞組La、勵(lì)磁繞組Lf的電流方向和回路，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)電子換向與4象限工作［5］。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the main circuit

2 電機(jī)4象限運(yùn)行工作過程

2.1 電機(jī)運(yùn)行的4象限簡介

如圖2所示，橫軸X表示電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向，縱軸Y表示電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，建立直角坐標(biāo)系XOY，電機(jī)運(yùn)行的4種狀態(tài)的機(jī)械特性曲線分別在直角坐標(biāo)系的4個(gè)象限［6］。由圖2可知，第1象限為正轉(zhuǎn)電動(dòng)，此象限電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相同，車輛處于正向行駛模式；第2象限為正轉(zhuǎn)制動(dòng)，即電機(jī)處于正轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，車輛處于正向制動(dòng)模式；第3象限為反轉(zhuǎn)電動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相同，車輛處于倒行模式。第4象限為反轉(zhuǎn)制動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，車輛處于倒行制動(dòng)模式［7］。

圖2 電機(jī)4象限運(yùn)行機(jī)械特性曲線Fig.2 Motor mechanical characteristic curves in four-quadrant operation

2.2 電機(jī)4象限運(yùn)行分析

在圖1 中，當(dāng)選擇A1-A4作為供電開關(guān)對(duì)時(shí)，A1，A4導(dǎo)通，勵(lì)磁與電樞電流方向如圖3所示。假設(shè)此時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?，則電機(jī)工作在第1象限［8］。

圖3 A1，A4導(dǎo)通電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流Fig.3 Motor current when A1，A4 switch on

當(dāng)A1-A4供電開關(guān)對(duì)中A1導(dǎo)通，A4關(guān)斷或A1關(guān)斷，A4導(dǎo)通時(shí)，電樞電流在機(jī)械能維持的反向電動(dòng)勢(shì)的激勵(lì)下增加，勵(lì)磁電流經(jīng)D續(xù)流幾乎維持不變［9］。兩繞組中電流方向分別如圖4、圖5所示。無論是A1還是A4關(guān)斷，電樞與勵(lì)磁電流方向皆保持不變，即電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向保持不變，電機(jī)工作在第1 象限。若依照交錯(cuò)方式選擇A1，A4的通斷，便可以讓開關(guān)的發(fā)熱均勻地出現(xiàn)在A1，A4上，減少其溫度脈動(dòng)，增強(qiáng)短時(shí)過載能力。也可固定A1導(dǎo)通，只是通斷A4，這樣A1的開關(guān)損耗最小，則A1可以用較小規(guī)格的器件實(shí)現(xiàn)同樣的電流要求。

圖4 A1導(dǎo)通，A4關(guān)斷電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流Fig.4 Motor current when A1 on and A4 off

圖5 A1關(guān)斷，A4導(dǎo)通電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流Fig.5 Motor current when A1 off and A4 on

當(dāng)A1、A4都關(guān)斷時(shí)，電樞繞組切割磁場(chǎng)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，電樞電流經(jīng)二極管D 向電池充電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸上的機(jī)械能向電池持續(xù)饋電，電樞與勵(lì)磁繞組電流方向如圖6 所示。通過控制一個(gè)PWM 周期內(nèi)與電樞電流方向一致的供電開關(guān)對(duì)中2 個(gè)開關(guān)都關(guān)斷的百分比來控制饋電電流的大小。

圖6 A1，A4關(guān)斷電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流Fig.6 Motor current when A1 and A4 switch off

當(dāng)電機(jī)由A1-A4開關(guān)對(duì)供電切換至由A2-A3開關(guān)對(duì)供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?qū)е碌碾姌蟹聪螂妱?dòng)勢(shì)是由Q3指向Q4，由于A1-A4都關(guān)斷，此時(shí)勵(lì)磁電流經(jīng)二極管D續(xù)流，由Q3指向Q4的電樞電流經(jīng)A2的二極管，電樞繞組La，A3的二極管，二極管D和母線續(xù)流，迅速下降為零，并從此由A2-A3開關(guān)對(duì)供電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁力矩方向的改變。A2，A3通斷時(shí)電樞與勵(lì)磁繞組電流回路及方向與開關(guān)管A1，A4動(dòng)作時(shí)情況類似，此處不再贅述。

3 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)原理框圖如圖7 所示，以微處理器STM8S208R6作為電路控制核心，通過人機(jī)界面配置和調(diào)整車輛控制參數(shù)，單片機(jī)接收到調(diào)速信號(hào)后結(jié)合系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行計(jì)算，輸出一組PWM控制脈沖，控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路和功率變換電路轉(zhuǎn)換后，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)將電機(jī)的電氣信號(hào)反饋給單片機(jī)，由系統(tǒng)軟件對(duì)控制系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、速度等變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖7 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.7 Block diagram of the control system

3.2 STM8S208R6單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

主程序中完成部分引腳、定時(shí)器、ADC 和一些重要參數(shù)等的初始化，檢測(cè)硬件電路工作是否安全，在中斷中根據(jù)速度、方向和電子剎車要求選取象限和調(diào)節(jié)A1到A4的占空比大小，實(shí)現(xiàn)電子換向等電路工作狀態(tài)的切換和控制，完成溫度檢測(cè)，進(jìn)行電池電壓和放電電流的采樣，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow chart of main program

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

直流串勵(lì)電機(jī)控制系統(tǒng)與電機(jī)接線如圖9所示。圖9中，Q1～Q5接線柱對(duì)應(yīng)拓?fù)鋱D中各點(diǎn)，指示燈通過閃爍次數(shù)和快慢顯示控制器工作狀態(tài)?？刂破鳒y(cè)試用直流串勵(lì)電機(jī)參數(shù)為：額定功率P=5 kW，額定電壓U=45 V，額定電流I=139 A，額定轉(zhuǎn)速N=1 500 r/min。電機(jī)饋電電流大小與車輛速度、電磁制動(dòng)力度等因素有關(guān)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的饋電電流為車輛正常運(yùn)行時(shí)電池母線電流的70%左右。

圖9 系統(tǒng)接線圖Fig.9 Wiring of system

圖10 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)電源供電電流及Q2點(diǎn)電壓Fig.10 The power supply current and Q2 voltage when motor forward rotation

圖10 為電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)Q2點(diǎn)電壓和電源供電電流波形，電機(jī)先加速再減速，此時(shí)電機(jī)工作在第1象限。

圖11 為電機(jī)正向制動(dòng)時(shí)Q2點(diǎn)電壓和電源反充電電流波形。啟動(dòng)電子剎車后，Q2點(diǎn)電壓絕對(duì)值變大，電機(jī)電樞繞組反向電動(dòng)勢(shì)高于供電電壓，向電池反充電，反充電電流隨著電機(jī)速度減小而減小，電機(jī)工作在第2象限。

圖12 為電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)電源供電電流和Q4點(diǎn)電壓波形。圖13 為電機(jī)反向制動(dòng)時(shí)電源反充電電流和Q4點(diǎn)電壓波形。

圖12 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)電源供電電流及Q4點(diǎn)電壓Fig.12 The power supply current when and Q4 voltage motor reverse rotation

圖13 電機(jī)反轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)電源饋電電流及Q4點(diǎn)電壓Fig.13 The power feedback current when and Q4 voltage motor reverse brake

圖12 中，電機(jī)先加速再減速，開關(guān)管A4通斷控制Q4點(diǎn)電壓分別對(duì)應(yīng)電機(jī)電樞電壓和A4管管壓降，電機(jī)工作在第3象限。

圖13中，啟動(dòng)電子剎車后電機(jī)電樞繞組反向電動(dòng)勢(shì)高于供電電壓，向電池充電，電機(jī)工作在第4象限。

從電機(jī)分別在4 個(gè)象限運(yùn)行時(shí)電源電流和Q2，Q4點(diǎn)電壓可以看出，本文設(shè)計(jì)的直流串勵(lì)電機(jī)控制方法實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制功能。

5 結(jié)論

本文研究了實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)電子換向和4象限運(yùn)行的新型控制方法，根據(jù)提出的勵(lì)磁與電樞繞組的接線方式連接電機(jī)，通過4 開關(guān)橋式電路控制電機(jī)，控制4 個(gè)供電開關(guān)的通斷便可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流串勵(lì)電機(jī)運(yùn)行象限的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的控制方法能很好地控制電機(jī)換向與電機(jī)能量回收。

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