如何使电机具备符合需求的特性:无刷电机的节能控制——PWM
EV技研
关键词
电动汽车、电机

作者 1578560454155.jpg 内山  英和

日产汽车综合研究所 试制技术科 电子技术开发组 负责大学生方程式大赛支持讲座 EV 级别赛电路制作实习篇的教材制作和讲师 工作。日产汽车修理学校毕业,分配到了 汽车工厂生产线,后经数次调动转至研究 所工作。主要负责的工作由实验用内燃机、 悬架等零部件的机械设计、分析、测量转 变为如今的电子电路设计、制作。

爱好:分解研究身边的机械和电子设备,并对它们进行修理、 保养和改造。

与很多其他电子产品略有不同,用于 EV 比赛 的电机,一般不会使用厂商提供的现成产品(有时 也使用现成产品),而是根据需要的特性、规格进 行开发和制作。尽管如此,如果只是说“我要的电机必须是转 速为 x r/min、转矩为 yN 的”,这样是造不出想要的 电机的。因为,我们不仅要知道我们想要的电机的 最大转速和转矩,还要了解我们想要的电机的 T -N 特性曲线是怎样的。也需要考虑电机工作时的电压 是多少伏,电流是多少安,能有多大的效率等。这里想让大家了解的是,如何根据电机的这些 参数,使制作的电机具备与之对应的特性。电机特性的发挥是通过电力信号(电压与电流) 来体现的。那么,首先我们会介绍决定电力信号的 方法。这里面也会涉及提高电机的能量效率的相关 技巧。 

直流电机实际上是用交流电驱动的

电机是在电力(电压 × 电流)的作用下旋转的。这里,我们来关注通过电机的电流。电机可以分为 交流电机和直流电机,二者的区别就在于电源是交 流电,还是直流电。而在电机线圈中,电流的方向 是高速切换的,那么就是交流。我们来看直流电机,有刷电机是通过电刷和换 向器(整流子)改变流过线圈的电流方向的。建议 大家去拆一台用在模型上的电机(照片 1)看看。

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照片1

 到时大家一定会惊叹:电机中将直流变成交流(换 流)的结构,居然是那么简单却又合理。无刷(直流) 电机的换流是通过由半导体开关器件组成的电子电 路实现的(照片 2)。

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照片2

交流电机也是用交流电驱动的 

那么,在交流电机中又是怎样的呢?例如,在 感应电机中,控制器对电机线圈施加交流电压,线 圈中就流过交流电流。在一些家电上使用的电机, 很多都是直接用市电来工作的。总之,无论是有刷电机还是无刷电机,一般在 电机内部流过的都是交流电流(图 1)。前面这些知识都清楚了的话,接下来就要进入 电机控制部分的内容了。

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图1

不控制输出功率时的开关控制

用于小型有刷电机的驱动

用于模型的小型(小功率)有刷电机,几乎都 是用开关控制的。汽车上使用的辅助电机(如雨刷 器等),大多也采用这种方式。我们来看看T -N 特性图(图 2)。

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图2

开关从关断(原 点)状态变为开通,电机从最大转矩点(转速为 0 处) 启动,直到与负载转矩相平衡的位置(工作点)。很多情况下,小型电机可以在开关开通的极短时间 内达到工作点。这是因为它的转矩余量特别大。不 需要调整输出功率和转速,利用简单的开关控制就 完全能够满足使用需求。采用开关控制方式的电机, 实际使用的转矩只有电机最大转矩的一半左右。当然,很多大、中型有刷电机也会采用开关控制。例如,电动工具等使用的电机采用的就是这种控制 方式。

可以调整输出功率的 PWM 控制

根据负载进行功率控制:电压控制

 当我们需要的输出功率比用于模型的电机可以 提供的输出功率略大时,会使用加速踏板或调节旋 钮(电位器)来调整功率和转速。也就是我们必须 改变电机的输入功率(电压 × 电流)。令人遗憾的 是,因为我们不能直接控制电流,所以只好通过控 制电压来调整输入功率。为了直接改变输入到电机的电压,可以增设与 电机相串联的电阻,并通过控制电阻值来调节电压。但是,电阻会消耗功率,这会显著降低电机的效率(发 热量与电流的平方 × 电阻值成正比)。对于功率较 大的电机,因为通过的电流很大,所以还必须考虑 应对串联电阻发热的冷却方法。增加串联电阻来控 制电机,其实不是一个好方法。 

提高效率的 PWM 控制

现 在, 我 们 经 常 使 用 的 PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)方式,也被认为是开关 控制的升级版。其原理是,通过高速切换电机的输 入电压(外加电压),改变开通时间和关断时间的 比例,模拟改变输入电机的平均电压(驱动电压)。顾名思义,PWM 是用改变脉冲宽度的方式调整(调 制)电机功率。通过电子电路和控制器 MCU,可以对(PWM) 脉冲宽度进行非常精细的控制。太阳能车和大部分 节能行驶比赛用车都是采用的这种控制方式。在电 机的应用领域中,PWM 是最常见的控制方式。特别 是,近来因为效率高而引人瞩目的无刷直流电机(简 称为无刷电机),因可以简单地实现 PWM 控制而被 广泛应用。PWM 控制的 T -N 特性如图 3 所示,其特性曲 线是平行移动的。

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图3

负载转矩和电机转矩相平衡之处 就是工作点。

逆变器与 PWM 

逆变器也叫做“交流电发生器”(电子电路), 这项技术不仅用于电机控制,也用于控制荧光灯的 发光。它不仅能够从直流电源生成任意频率的交流 电,还能够从交流电源生成任意频率的交流电。如今使用逆变器的家用电器屡见不鲜,如空调、 冰箱、洗衣机、电风扇等。“逆变器”作为节能技 术的一个关键词而受到广泛关注。这里说到的逆变器控制,不仅用于 PWM 方式, 也用于 PAM(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅 度调制)方式。PWM 通过改变开通时间的比例,模 拟平均电压的改变;而 PAM 是让脉冲频率恒定,通 过改变脉冲振幅(电压)实现控制的方法。除了家电产品,在电车中也使用逆变器。电车上使用的电机大多是感应电机。这里的逆变器并不 仅仅是 PWM 控制,还使用了被称为 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency,可变电压、可变频率) 的控制方式。 

保持电流恒定的“电源电流控制”

EV 比赛用的电机最好采用电流控制来管理 

 电流消耗?下面介绍两个应用了 PWM有高技术含量的实例。第一个是电源电流控制的实例。在太阳能车等 EV 比赛中,根据规定时间内行驶距离的长短计算比 赛成绩。因此,比赛成绩就取决于所用电池的容量(电 量)。在规定时间内,如何高效、毫无保留地用尽电 池电量至关重要。而应对“用尽电量”这一命题, 既简单又有效的控制方法就是电源电流控制。笔者所在的团队正在开发的太阳能车采用的就 是这种电机控制方式,并通过程序设定为默认(基础) 方式(根据不同的比赛可以切换为 PWM 控制方式)。

在电源电流恒定的情况下,如果负载增加,  电机会怎样?

在实际比赛中,驾驶员通过加速踏板(电位器) 发出电流消费指令,如“以 10A 电流行驶!”。这 与电池驱动(电压恒定)“按 120W 行驶!”是相同的。这就是恒功率控制。控制器(逆变器)不断监视电 源电流的同时,通过运行相关软件调整 PWM 的占空 比,让电源的电流输出达到要求值。这种控制方式的特点是,控制对象是电源电流。因此,负载变动等原因导致电机转速下降时,电机 的转矩就会增大。有人会说:消耗的功率相同,转 速下降时转矩就会增大?这太不可思议了。那么, 就请回忆一下电机的 T -N 特性图。 

如果忽略效率,输出功率就会不变 

再说明一下。所谓电源电流控制,就是使来自 电源(电池)的输入功率保持恒定的控制方式。即 使负载变化引起电机转速变化,也依然使电机的输 入功率保持不变。在忽略损耗的情况下,电机输入功率不变,就 意味着电机的输出功率也不变。在转速为 0 的状态 下,输出功率和效率都为 0。也就是说,电机的输 出功率特性是经过原点的向上突起的曲线。就是这个道理(图 4)。

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图4

我们曾经介绍过,电机的输出功率也可以用转 速和转矩的乘积来表示。也就是说,输出功率恒定 相当于,如果转速下降,则电机的转矩就会增大。在负载增加引起转速下降时转矩增大,这对 EV 控 制来说,是“正合我意”的特性,并且消耗的功率 也几乎不变。

 再论占空比

负载增加,电机转矩增大,消耗的电流却不变。或许有人觉得有些不可思议。那我们通过电压、电 流两方面对上述现象进行说明。正如前文所叙述的 那样,电机的

·转速与电压成正比

 ·转矩与电流成正比 因此,负载增加引起

 ·转速下降 电机(线圈)工作点朝着 

·驱动电压下降 

也就是占空比下降的方向移动。但是,输出功率恒 定的话,电压下降会引起 ·驱动电流增加 但是,电机输入功率是恒定的,电源电压(蓄 电池电压)又是不变的,所以电源电流当然也是恒 定值。

相电流与电源电流不同 

我想大家已经注意到,PWM 控制的占空比是变 化的,所以必须注意:·电源电流(电源→电机控制器) ·电机驱动电流(电机控制器→电机)这两个电流是不同的。PWM 控制会把电机的驱 动电流分为 3 相(U 相、V 相、W 相)输入。无刷 电机的极数(线圈数)基本上是 3 的倍数,3、6、 9…18、21 等,可以分别分配给 3 相中的某一相。也就是说,给每相(线圈)输入相同的波形。因此,PWM 控制的电机驱动电流就叫做“相电流”。在无刷电机 PWM 控制中, 虽然叫做相电流,但并不是向 U 相、V 相、W 相分 别输入电流。因为在 PWM 控制中,3 相中的 2 相是 串联连接的,通过相同的电流(电流方向不同), 另一个相因为没连接所以不通电流。那么,为什么电源电流≠相电流呢?图 5 表示的是无刷电机 + 逆变器(PWM 控制器) 的模式图。

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图5

看看这个图,流过最多电流的线是哪一 条呢?我们会发现,符合描述的线有两种类型,共 计 5 条。我们进一步分析一下这些线的电压和电流。

·连接直流电源和逆变器的 2 条线 (直流:电源电流)

 ·连接逆变器和电机的 3 条线 (PWM,也就是交流:相电流) 

到这里,应该理解电源电流≠相电流了吧。问 题是,通过电机的电流(相电流)是多少呢?假设电源电压 V S 为 24V、电源电流 I S 为 5A, PWM 占空比为 25%,则电机电压(有效值)=24V×0.25=6V, 电机电流(有效值)=24V×5A÷6V=20A 因为使用了 PWM,电机输入电压比电源电压低。然而,如果通过电机的电流并不比电源电流大,能 量就会不平衡。而在实际中,当电机驱动的占空比 降低时,应该使通过电机的电流大于电源电流。这 一点经常被忽略,必须要注意。假设因为负载变大,PWM 占空比从 100% 变为 50%,于是相电流就增大到原来的 2 倍,转矩也变 成原来的 2 倍。如果电源电压和线圈部分的输入电压(相电压)相同,相电流就会成为电源电流的 2 倍。如果 PWM 占空比是 30%,电压变成 1/3,则电 流变成 3 倍,转矩也增大至约 3 倍。像这样,在电源电流控制中做出电流恒定的指 令(EV 中通过加速踏板或电位器设定),电机的特 性为转速降低,转矩变大,相电流增大。 

由于电流增大,行驶时出故障了!

 在 EV 节能比赛中,屡屡发生因相电流增大而 造成的意外。(其实早预料到了!)前面我们做了 假设,控制器输入功率 = 输出功率(效率 100%)。实际上,输入功率 > 输出功率。差值的大部分是因 发热造成的损耗。当这个损耗变大的时候,就会导 致大问题。首先,因为与电机相电流的平方成正比,线圈 的发热量变大。而且,虽然可以进行电源电流的测量, 但相电流是测量不到的。实际上,控制器的保险丝熔断或电机线圈烧坏这些故障,往往不是在电机高 速旋转的时候发生的,而是发生在低速旋转的时候。如果安装了相电流仪表,可以随时监测相电流。在 EV 行驶过程中,我们应该在非高速行驶时关注相电 流仪表的变化。其次,流过控制器的功率器件(如 MOSFET) 的电流也增加了。我们也必须关注这些器件的通态 电阻值。所谓通态电阻值,就是 MOSFET 在开通状 态时(流过大电流的时候)的电阻值(不同型号的 MOSFET,通态电阻特性有相当大的差异)。发热(焦 耳热)与电流的平方和通态电阻值的乘积成正比。所以,必须采用相应措施,保证 MOSFET 不会因为 发热而损坏。所谓的相应措施,就是对通过电机的 最大电流进行限制的对策和散热对策。

 通过软件设置相电流的限值 

通过 PWM 占空比调节流过电机的最大电流, 是可以通过生成 PWM 波形的软件来完成。当行驶阻力增大时,转矩增大。在限定行驶时 间的 EV 节能比赛中,这是利于能量管理的有效控 制方式。正如前文所述,这是从电机的线圈发热和 保护控制器功率器件的立场出发的,也是通常情况 下较少使用的控制方式。此外,这种控制方式在控制器功率器件负荷留 有余地的情况下,起动加速可以变得更好。

调节转矩的相电流控制

在使用大功率电机时控制相电流

前一节提到过,必须注意:即使电源电流一定, 相电流也是变化的。因此,即使不使用电源电流控 制的时候,也必须注意相电流的变动。特别是使用 驱动电感量低的大功率电机时,更应该注意。这是 因为,就算是单纯的 PWM 控制的大功率电机,在操 作加速踏板或电位器的时候,相电流会发生很大的 变化。相电流的巨大变化,会引起电机的转矩变化。在 EV 行驶时,对加速踏板发出的指令是很敏感的, 电机转矩也会大幅度波动,EV 就会变成一台行驶不 稳定的车。还有,相电流突然变大,也容易损坏控 制器中的功率器件(MOSFET 等)。为了保护器件,也为了让电机的转矩稳定,可 以考虑把控制对象从电源电流变为相电流。因为相 电流与转矩成正比,所以也把相电流控制称为转矩控制。T-N 特性的变化如图 6 所示。

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图6

 市售 EV 的控制  

实际 EV 中,为了发挥电机的特性,采用了更 复杂的控制。电机的特性必须在电机特性曲线范围 内,才能得到发挥。但是,如果改变电机的参数, 特性曲线本身也会发生变化。如果在各个特性曲线 重叠的区域内,可以任意发挥电机特性,那么,即 使称为相电流控制,其实也运用了很多控制方式(矢 量控制、PWM 控制……)。例如,图 7 是从日产聆风的相关资料中引用的。 

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图7

通过这个图可以知道,实际 EV 中使用的电机的 T-N 特性在哪个区域,从哪个区域着手设计电机可以获 得更高的效率。

[修改于 1 年前 - 2021-02-16 22:45:55]

来自:工业技术 / 电动汽车
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