永磁无刷直流电动机在电动汽车中的应用

摘 要：本文选用基于无刷直流电动机控制器MC33033的集成电路，通过PID调速和PWM调制的控制，结合永磁无刷直流电动机的工作原理、运行特性以及选用原则，来实现其在电动汽车中的应用。

关键词：MC33033控制器；PID调速；PWM调制

中图分类号：TM351 文献标识码：A

1 引言

燃油汽车要消耗大量的石油资源，排放大量的废气，严重污染环境和制造噪声，带来了无法回避的负面影响。为此，面对如此严峻的形势，电动汽车的研究与开发引起了世界各国的关注。

电机及其控制技术是电动汽车的关键部分，应具有调速范围宽、转速高、起动转矩大、体积小、质量轻、效率高、动态制动强和能量回馈等特点，以保证电动汽车良好的运行性能。

目前电动汽车多采用直流电机、感应电机、开关磁阻电机以及无刷直流电机等。其中，无刷直流电机作为驱动电机保留了直流电机良好的调速、控制和运行特性，克服了其机械换向的缺点，并具有效率高、功率密度高、免维护、高速运行等一系列优点，很好地满足了电动汽车对驱动电机的基本要求。

2 永磁无刷直流电动机的系统组成和原理

2.1 无刷直流电动机的特点

永磁无刷直流电动机是随着电子技术发展而出现的新型机电一体化电动机，是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。一方面，无刷直流电动机采用半导体功率开关器件和位置传感器代替直流伺服电动机的换向器和电刷，以电子换相代替机械换相，提高了电动机的可靠性。另一方面，永磁无刷直流电动机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行。无刷直流电动机具有以下特点：

① 经电子控制获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，较宽调速范围；

② 需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器；

③ 由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可高速工作，具有较高的可靠性，寿命长，无须经常维护，机械噪声小，无线电干扰小；

④ 功率因数高，转子无损耗和发热，有较高的效率；

⑤ 必须有电子控制部分，总成本比直流电动机高。与电子电路结合，使用更灵活。适用于数字控制，易与微处理器和微型计算机接口。

2.2 无刷直流电动机的结构及其原理

永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器、电子开关线路和控制器4个部分组成，如图1所示。

永磁无刷直流电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩，而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。综上所述，组成无刷直流电动机各主要部件的框图，如图2所示。

3 无刷直流电机的控制原理

3.1 PID调速原理

标准PID控制器的基本原理是根据设定值与实际值之间的偏差，按比例-积分-微分的线性组合关系构成控制量，利用控制器再对控制对象进行控制。由于其具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高和参数易整定等优点，已在工程实际中得到了广泛应用，其控制系统典型结构如图3所示。

3.2 PWM调制方式

永磁无刷直流电动机工作在由位置检测器控制逆变器开关通断的“自控式”变频方式下，逆变器的变频是自动完成的，并不需要控制系统加以干预及控制。要控制电机的转速就应控制电机的转矩，只要调节直流侧电压即可调节转速，通常采用PWM调节方式，通过改变PWM控制脉冲的占空比来调节输入永磁无刷直流电动机的平均直流电压，以达到调速的目的。永磁无刷直流电动机系统通常采用转速、电流双闭环控制，系统原理如图4所示。

其中，ASR和ACR分别为转速和电流调节器，通常采用PID算法实现。速度为外环，电流为内环，由Te=KTIa，电流环调节的实际上是电磁转矩。速度

给定信号n*与速度反馈信号n一起送给速度调节器（ASR），速度调节器的输出为电流参考值i*，与电流信号的反馈值i一起送至电流调节器（ACR），电流调节器的输出为电压参考值，与给定载波比较后，形成PWM调制波，控制逆变器的实际输出电压。逻辑控制单元的任务是根据位置检测器的输出信号及正反转信号决定导通相。被确定要导通的相并不总是在导通，它还要受PWM输出信号的控制，逻辑“与”单元的任务就是把换相信号和PWM信号结合起来，再送到逆变器的驱动电路。

4 无刷直流电机在电动汽车中的应用

4.1 无刷直流电动机控制器MC33033集成电路

MC33033是Motorola公司生产的一款高性能的无刷直流电动机单片控制集成电路。

表一是MC33033的引脚功能。

MC33033内部主要包括用于确定正确换相次序的转子位置译码器、能为传感器供电的带温度补偿的参考电压源、频率可调的锯齿波振荡器、误差放大器、脉宽调制比较器、3个集电极开路的上桥臂驱动器和3个适合驱动大功率MOSFET的大电流下桥臂驱动器。

4.2 永磁无刷直流电动机的选型

在下列情况下可选用无刷直流电动机：

⑴ 使用直流电源；

⑵ 要求有高可靠性、长寿命、少维护或甚至不能维护的场合；

⑶ 要求对周围电子仪器设备有低电磁干扰或低噪声的地方；

⑷ 高速工作的要求；

⑸ 在高真空、有害介质、液体介质中工作或在强冲击振动等恶劣条件环境下工作的情况；

⑹ 有防爆要求的场合。

4.3 无刷直流电机在电动汽车中的应用

电动汽车具有污染少、节约石油消耗、结构简单、维修容易、使用寿命长等优点，因而在能源、环保和节能方面显示出卓越的优越性；此外，电动汽车转矩响应迅速、加速过程短、车轮转速直接控制、易实现四轮独立驱动和四轮转向、制动安全性和可靠性较高等特点使其在车辆性能方面也呈现出显著优势和强大的市场竞争力。采用无刷直流电机驱动的电动汽车结构如图5所示。

5 结语

在电动汽车驱动用无刷直流电机的电磁设计中应以提高电机转速为主要设计目标，进而为电动汽车提供体积小、质量轻、功率和转矩密度高的驱动电机，满足运行需求。同时，无刷直流电机还可以应用在汽车的其他部件，例如，可以作为汽车空调的驱动电机。

参考文献：

[1] 唐任远.特种电机原理及应用[M].北京：北京机械工业出版社，2010.

[2] 王爱玲，王俊元.现代数控机床伺服及检测技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3] 李光有，王建民，孙雨平.控制电机[M].北京：机械工业出版社，2009.

（本文审稿 张丽）