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[摘 要]本文主要介绍了脉宽调速系统PWM与永磁无刷直流电动机组成的电机驱动系统在微型电动汽车上的应用。该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。
[关键词]脉宽调速系统PWM、永磁无刷直流电动机
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0203-01
引言
现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。目前电动汽车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。
1 驱动电机的选择
1.1 电动汽车对电动机的基本要求
电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高。电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。
1.2 鉴于电动汽车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机
1.2.1 永磁无刷直流电动机的基本性能。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。
1.2.2 永磁无刷直流电动机的控制系统。典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。
2 驱动控制电路及原理
2.1 对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种
2.1.1 一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。
2.1.2 另一种脉宽调制型：脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION——PWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。
3 PWM控制实例
3.1 稀土永磁无刷直流电动机的基本工作原理：无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启動、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速。
无刷直流电动机的原理简图如图3-1所示：
3.2 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频调制波的对称交变矩形波。
永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
3.3 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。
电动机的转矩正比于绕组平均电流：
Tm=KtIav （N·m）
电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：
ELL=Keω （V）
所以电动机绕组中的平均电流为：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）
其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。
当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。
4 结束语
电动汽车是世界汽车产业发展的大势所趋，作为电动汽车主要核心技术电机驱动控制正在逐步受到重视。文中主要介绍了脉宽调速系统PWM与永磁无刷直流电动机组成的电机驱动系统，该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点，不仅在电动汽车广泛使用，而且在以后的发展中也可以在电动拖拉机中使用。
[关键词]脉宽调速系统PWM、永磁无刷直流电动机
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0203-01
引言
现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。目前电动汽车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。
1 驱动电机的选择
1.1 电动汽车对电动机的基本要求
电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高。电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。
1.2 鉴于电动汽车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机
1.2.1 永磁无刷直流电动机的基本性能。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。
1.2.2 永磁无刷直流电动机的控制系统。典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。
2 驱动控制电路及原理
2.1 对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种
2.1.1 一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。
2.1.2 另一种脉宽调制型：脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION——PWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。
3 PWM控制实例
3.1 稀土永磁无刷直流电动机的基本工作原理：无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启動、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速。
无刷直流电动机的原理简图如图3-1所示：
3.2 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频调制波的对称交变矩形波。
永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
3.3 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。
电动机的转矩正比于绕组平均电流：
Tm=KtIav （N·m）
电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：
ELL=Keω （V）
所以电动机绕组中的平均电流为：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）
其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。
当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。
4 结束语
电动汽车是世界汽车产业发展的大势所趋，作为电动汽车主要核心技术电机驱动控制正在逐步受到重视。文中主要介绍了脉宽调速系统PWM与永磁无刷直流电动机组成的电机驱动系统，该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点，不仅在电动汽车广泛使用，而且在以后的发展中也可以在电动拖拉机中使用。