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：Cm为电机转矩常数；Ce为电机电动势常数；Φy，为永磁磁通；Φz为增磁磁通；ra为电机电枢电阻；ia为电机电枢电流；Lf为增磁续流绕组电感；if为增磁续流绕组电流;Ve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、转矩特性、峰值功率和系统效率等方面具有很大的优越性。
2．1电机续流回路中有无增磁绕组性能比较[4]
当续流回路不接有增磁绕组时，该电机等效为传统永磁直流电机。
图2显示两种情况下不同电枢电流时电机转矩与转速关系对比结果(同一曲线上电枢电流恒定)。增磁绕组接在电机续流回路中时，电机低速转矩显著增大，极大地提高了汽车的加速性能；随着电机转速的增高，增磁绕组增磁作用减弱，电机转矩平滑减小。系统稳定性原理表明，当等
时，系统机械特性稳定，图2显示该系统具有大范围的稳定调速区。在整个弱磁调速过程中，永磁部分的磁通保持恒定，系统在高速时仍能保持与负载相平衡的转矩，系统具有大范围的高功率区。
借鉴发动机的外特性图，两种状况下的峰值转矩和峰值功率外特性对比情况在图3和表l中显示。续流回路中接有增磁绕组时，电机外特性类似于发动机的外特性，且具有更广泛的稳定调速区域，能满足电动汽车对转矩和功率的需求规律；转速相同时，续流增磁电机具有更大的转矩和更高的效率。
3加速度控制系统结构图及传递函数
由弱磁调速原理可知，控制器依据加速信号AccEL与电枢电流的反馈值两者差值调节PwM。其中单片机选用积分控制，k0为比例系数；电机绕组的ra和la构成电磁惯性。为改善系统动态特性， 增加输出ia的微分负反馈,取比例系数为T,据此加速度控制系统结构图如图4所示。
T1为保护电路及滤波器的时间常数O．02 s，电流传感器输入单片机电压为5 V，电机电枢电流****值为300 A，故kc=0．016 7。
由劳斯判据推出，若系统稳定，必须满足(384.6+359267t)x56．69-35926>O，即T>0．006 629。
t分别取0．02，0．03，O．04，O．05获得系统阶跃响应如图5所示。
由图5可知，随着t取值增大，加速度控制系统阶跃响应超调量逐步减小并在较短时间内收敛于期望值，可获得满意的控制结果。
4结语
永磁加增磁绕组复合励磁的新型直流牵引电动机一续流增磁电机及其驱动控制系统避免了传统直流电机驱动系统的缺陷，具有结构简洁，稳定调速范围广和效率高等优点。
与传统等效永磁电机系统相比，该系统在转矩、功率特性和系统效率都有很大的优势；与传统串励直流电机系统相比，控制器结构简洁，可靠性高，解决了传统串励直流电机需要牺牲转矩来增速的缺陷；再生制动时无需增加额外的辅助控制电路。
从加速度控制系统性能分析结果看，该电机控制系统可获得满意的控制效果。
试验结果和装车试验表明，该电机弱磁调速系统抗干扰能力强、调节特性快速、平稳，低速增磁增扭和高速弱磁增速的特性很好地满足电动公交大客车的动力特性要求。
