便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7221便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略分析案例 1295271.1引言 1322921.2便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋過(guò)程分析 1124341.3基于SVPWM的便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋理論分析 5182351.4下降過(guò)程雙向DC/DC變換器工作模式 6269751.5便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略 7153551.6便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略仿真 111.1引言便攜式電動(dòng)升降機(jī)的制動(dòng)過(guò)程與電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程不同，電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程是通過(guò)改變q軸電流的反向從而產(chǎn)生與汽車(chē)速度相反的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動(dòng)，而便攜式電動(dòng)升降機(jī)則是通過(guò)改變電機(jī)的速度反向使電機(jī)速度方向與電磁轉(zhuǎn)矩方向相反進(jìn)行制動(dòng)的，本章通過(guò)對(duì)便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋過(guò)程進(jìn)行分析，得到了當(dāng)電機(jī)速度較低時(shí)電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)速度較高時(shí)電機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)的結(jié)論?；赟VPWM控制原理，研究了電機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)在各矢量作用下的能量流動(dòng)。結(jié)合雙向DC/DC變換器和鋰電池的最大充電電流，提出了便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略。1.2便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋過(guò)程分析 在表貼式永磁同步電機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流控制，通過(guò)控制d軸電流id=0來(lái)實(shí)現(xiàn)。便攜式電動(dòng)升降機(jī)用盤(pán)式永磁同步電機(jī)中無(wú)弱磁控制時(shí)，忽略d軸鐵耗電流，可由式（2.16）~式（2.20）推得穩(wěn)態(tài)條件下盤(pán)式永磁同步電機(jī)輸入功率和電磁功率如下[【【67】.鮑海翔,馮恩信.電池驅(qū)動(dòng)id=0控制下永磁同步電機(jī)能量回收的研究[J].微電機(jī),2011,44(011):22-26.P 永磁同步電機(jī)制動(dòng)控制采用磁場(chǎng)定向控制方法可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流控制，對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)速度相同實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制，通過(guò)控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，通過(guò)控制q軸電流產(chǎn)生與電動(dòng)汽車(chē)相同的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制，通過(guò)控制q軸電流反向產(chǎn)生相反的電磁轉(zhuǎn)矩即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，但對(duì)于便攜式電動(dòng)升降機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是在上升過(guò)程還是在下降過(guò)程電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終是與負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向相反，上升過(guò)程通過(guò)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)使電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與升降機(jī)的速度方向相同實(shí)現(xiàn)電動(dòng)，下降過(guò)程通過(guò)控制電機(jī)速度反轉(zhuǎn)使電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與升降機(jī)的速度方向相反即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制。圖5-1給出了便攜式電動(dòng)升降機(jī)FOC控制下盤(pán)式永磁同步電機(jī)的相量圖。圖5-1（a）、圖5-1（b）、圖5-1（c）分別對(duì)應(yīng)便攜式電動(dòng)升降機(jī)用盤(pán)式永磁同步電機(jī)上升過(guò)程電動(dòng)模式、下降過(guò)程回饋制動(dòng)模式、下降過(guò)程能耗制動(dòng)模式[【68】.盧東斌,歐陽(yáng)明高,谷靖,等.電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)最優(yōu)制動(dòng)能量回饋控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013(03):13+108-116.]。電機(jī)電磁功率Pem和電機(jī)輸入功率可表示為（1.2），Pem>0對(duì)應(yīng)電動(dòng)模式，【68】.盧東斌,歐陽(yáng)明高,谷靖,等.電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)最優(yōu)制動(dòng)能量回饋控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013(03):13+108-116.P式（1.2）中，Xq表示q軸電抗，E表示反電動(dòng)勢(shì)，U表示定子電壓，θ表示負(fù)載角，φ(a)上升過(guò)程電動(dòng)模式（b）下降過(guò)程回饋制動(dòng)模式（c）下降過(guò)程能耗制動(dòng)模式圖5-1便攜式電動(dòng)升降機(jī)中FOC控制下永磁同步電機(jī)相量圖便攜式電動(dòng)升降機(jī)上升過(guò)程電動(dòng)模式在便攜式電動(dòng)升降機(jī)上升電動(dòng)模式下，U領(lǐng)先E相角θ，負(fù)載角θ與相位角φ相等。這種工作模式可以由式（1.3）描述。電機(jī)從鋰電池中吸收能量，大部分功率轉(zhuǎn)化為電磁功率，部分轉(zhuǎn)化為損耗（主要是定子繞組中的銅耗）。0<θ<便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程回饋制動(dòng)圖5-1（b）為回饋制動(dòng)時(shí)的相量圖。E由于電機(jī)反轉(zhuǎn)與上升階段電動(dòng)模式方向相反，iq與上升過(guò)程方向相同，此時(shí)電機(jī)下降的速度較快導(dǎo)致uq與上升過(guò)程方向相反。因此U落后E相角θ，相位角此時(shí)大于π2。這種工作模式可由式（1.?便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程能耗制動(dòng)圖5-1（c）為能耗制動(dòng)時(shí)的相量圖，E由于電機(jī)反轉(zhuǎn)與上升階段電動(dòng)模式方向相反，iq與上升過(guò)程方向相同，此時(shí)電機(jī)下降的速度較慢導(dǎo)致uq與上升過(guò)程方向相同。因此U落后E相角θ，相位角此時(shí)小于π2?π<θ<?忽略機(jī)械損耗，機(jī)械制動(dòng)功率等于電磁功率，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于便攜式電動(dòng)升降機(jī)來(lái)說(shuō)，盤(pán)式永磁同步電機(jī)的負(fù)載為位能性負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在整個(gè)下降過(guò)程不會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)盤(pán)式永磁同步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，由式（2.20）可知iq與Te成正比，因此iq不變。由式（1.1）可知，在給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，制動(dòng)功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，電機(jī)輸入功率與電機(jī)電角速度成一次函數(shù)[【69】.JingGU,OuyangM,JianqiuLI,etal.DrivingandBrakingControlofPMSynchronousMotorBasedonLow-resolutionHallSensorforBatteryElectricVehicle[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering(EnglishEdition),2013(01):1-10.圖5-2電機(jī)輸入功率、電磁功率與電機(jī)電角速度關(guān)系圖 由圖5-2可知，在給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，隨著電機(jī)反轉(zhuǎn)速度的增大，相位角φ不斷增大，只要φ>π2，就有Pin<0，這意味著電機(jī)從吸收功率變?yōu)榘l(fā)出功率。為了保持在回饋制動(dòng)模式下，uq上升到零時(shí)ωω 當(dāng)便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程速度ωmin<ω<0時(shí)，全部動(dòng)能在定子繞組中轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)不回收動(dòng)能。當(dāng)便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程速度1.3基于SVPWM的便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋理論分析本文電機(jī)控制采用的是SVPWM控制策略，下面詳細(xì)分析電機(jī)制動(dòng)回饋過(guò)程中能量的流動(dòng)[【70】.梁文毅.永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué),2006.]。假設(shè)便攜式電動(dòng)升降機(jī)處于回饋制動(dòng)模式，定子電流ia<0,ib>0,ic>0【70】.梁文毅.永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué),2006.（a）加零矢量u0（b）加電壓矢量u4（c）加電壓矢量u6（d）加零矢量u7圖5-3不同電壓矢量逆變器工作狀態(tài) 如圖5-3（a）所示，當(dāng)加u0（000）時(shí)，S4導(dǎo)通，與S2 如圖5-3（b）所示，當(dāng)加u4（100）時(shí)，S4關(guān)斷，S1導(dǎo)通，與S 如圖5-3（c）所示，當(dāng)加u6（101）時(shí)，S4、S6關(guān)斷，S1、 如圖5-3（d）所示，當(dāng)加u7（111）時(shí)，S1、S31.4下降過(guò)程雙向DC/DC變換器工作模式便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程，當(dāng)升降機(jī)下降速度較低時(shí)，盤(pán)式永磁同步電機(jī)工作在能耗制動(dòng)模式，此時(shí)電機(jī)需要從鋰電池中吸收能量，雙向DC/DC變換器工作在Buck模式，該模式的具體分析與3.3小節(jié)相同。當(dāng)升降機(jī)下降速度較快時(shí)，盤(pán)式永磁同步電機(jī)工作在回饋制動(dòng)模式，此時(shí)電機(jī)回饋能量到鋰電池中，雙向DC/DC變換器工作在Boost模式，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管Q2當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，則Q1關(guān)斷，從t=0到Ton=D2Ts期間，開(kāi)關(guān)管L? 當(dāng)t=Ton=DTs時(shí)，iL達(dá)到最大值ILmax?圖5-4Boost模式下，開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，Q 在t=T2on到Ts的T2off期間，開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷，則Q1導(dǎo)通，等效電路如圖5-5所示。這時(shí)直流母線電壓Udc和iL向鋰電池供電，iL減小，LL? 經(jīng)歷T2off=Ts?Ton時(shí)期后，iL達(dá)到最小值?圖5-5Boost模式下，開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷，Q在t≥Ts時(shí)，開(kāi)關(guān)管又由于?將（1.9）和（1.10）代入（1.11），得：U其中，D21.5便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略1.1.1鋰電池二階RC等效電路模型為了描述和模擬鋰電池工作充放電狀態(tài)變化，建立二階RC等效電路模型，如圖5-6所示[【71】.鄒愷睿.電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)能量回饋控制方法研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2020.]。VOC為鋰電池開(kāi)路電壓；RB為鋰電池內(nèi)阻；Cp、Rp模擬電池快速響應(yīng)特性；R1、C1用于模擬電池慢速響應(yīng)特性；Cp、Rp的環(huán)電壓為Vp；【71】.鄒愷睿.電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)能量回饋控制方法研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2020.圖5-6鋰電池RC二階模型 描述電池荷電狀態(tài)公式為：SOC= 式中：Qc未使用的容量；QN總?cè)萘?；QI 根據(jù)基爾霍夫定律可得：V1.1.2鋰電池最大充電電流對(duì)于多串多并鋰電池組來(lái)講，一般都采用功率型單體電芯，放電電流和充電電流一般需要按鋰電池組容量來(lái)分：a.30Ah以下的鋰電池包：最大放電電流4C，正常放電1.5C~2C，最大充電電流為1C，電壓不定；b.30Ah以上的鋰電池包：最大放電電流2C，正常放電電流1.5C~2C，最大充電電流1C，電壓不定。 電池的最大充電電流要比最大放電電流小很多，電池的充電電流過(guò)大，會(huì)損壞電池，降低電池的使用壽命。電池的充電電流在1C之內(nèi)是安全的，電池的充電電流越小，對(duì)電池的損傷就越小，但充電所需的時(shí)間就越長(zhǎng)[【72】.【72】.李琳.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的充電方法的研究[D].華北電力大學(xué),2013.1.1.3制動(dòng)回饋控制策略對(duì)于使用盤(pán)式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的便攜式電動(dòng)升降機(jī)，采用如圖5-7所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，鋰電池經(jīng)過(guò)雙向DC/DC變換器與三相電壓型逆變器和電機(jī)相連。圖5-7便攜式電動(dòng)升降機(jī)用盤(pán)式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在下降過(guò)程中，盤(pán)式永磁同步電機(jī)和雙向DC/DC變換器是分開(kāi)控制的，盤(pán)式永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。雙向DC/DC變換器的控制策略與上升過(guò)程相同，采用直流母線電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)的控制策略。 便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程中，下降速度越快，回饋到鋰電池中的電流就越大，但鋰電池的最大充電電流在每個(gè)時(shí)刻是不斷變化的，因此必須在原來(lái)的盤(pán)式永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上通過(guò)鋰電池的最大可充電電流對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行限幅。本文所采用的鋰電池的容量C=10A?，則最大充電電流Imax=10A，因此在便攜式消防升降機(jī)下降過(guò)程中必須保證鋰電池的回饋電流I≤10A。鋰電池的電壓范圍為P忽略逆變器和雙向DC/DC變換器中的開(kāi)關(guān)損耗以及機(jī)械損耗，由功率守恒可得P 將式（1.15）和式（1.1）代入式（1.16）中可得? 當(dāng)盤(pán)式永磁同步電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，有T 將電機(jī)的電角速度ω（rad/s）轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)速n（rpm），有n= 將式（1.18）和式（1.19）代入式（1.17），可得n= 為保證鋰電池的最大充電電流低于10A，取I=10A，Vbat=30V，將表2-2中的電機(jī)參數(shù)中的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)通過(guò)MATLAB/Simulink折算成電機(jī)磁通得到ψf=0.0061749Vs，將表2-2中的其他電機(jī)參數(shù)代入式（n式（1.21）計(jì)算出來(lái)的電機(jī)最大下降速度ndrop_max不能大于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速4500rpm，因此電機(jī)下降的最大轉(zhuǎn)速nn根據(jù)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值TL，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出盤(pán)式永磁同步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速ndrop_MAX，根據(jù)此最大轉(zhuǎn)速n利用此最大轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)的給定速度進(jìn)行限幅，這樣既保證了回饋到鋰電池中的電流不會(huì)超過(guò)該時(shí)刻的最大可充電電流，又使電機(jī)中的動(dòng)能盡可能多地回饋到鋰電池中。將式（1.6）中的電機(jī)的電角速度ωdrop_min（rad/s）轉(zhuǎn)化電機(jī)的轉(zhuǎn)速nn根據(jù)電機(jī)工作在回饋制動(dòng)模式下的最低轉(zhuǎn)速ndrop_min、實(shí)際轉(zhuǎn)速nMode= 根據(jù)以上的控制策略，可得到便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制框圖如圖5-8所示。圖5-8便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制框圖1.6便攜式電動(dòng)升降機(jī)制動(dòng)回饋控制策略仿真盤(pán)式永磁同步電機(jī)參數(shù)與表2-2一致，鋰電池的參數(shù)與表2-5一致，，根據(jù)3.4小節(jié)設(shè)計(jì)的DC/DC電氣參數(shù)，在MATLAB/Simulink中搭建便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程能量回饋控制中雙向DC/DC仿真模型如圖5-9所示。圖5-9下降過(guò)程能量回饋控制中雙向DC/DC變換器仿真模型根據(jù)圖5-8，在MATLAB/Simulink中搭建便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程能量回饋控制的整體仿真模型如圖5-10所示：圖5-10便攜式電動(dòng)升降機(jī)下降過(guò)程能量回饋控制仿真模型給定電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1.6Nm，電機(jī)勻加速時(shí)間為1s，仿真時(shí)間為2s，對(duì)比下降過(guò)程中不同給定轉(zhuǎn)速下的鋰電池電流、盤(pán)式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速、鋰電池SOC波形，得到的仿真結(jié)果如下圖5-11~圖5-14所示。（a）速度波形（b）鋰電池電流波形（c）鋰電池SOC波形圖5-11給定速度-200rpm（a）速度波形（c）鋰電池電流波形（c）鋰電池SOC波形圖5-12給定速度-1000rpm（a）速度波形（b）鋰電池電流（c）鋰電池SOC波形圖5-13給定速度-2000rpm（a）速度波形（b）鋰電池電流波形（c）鋰電池SOC波形圖5-14給定速度-4000rpm由圖5-11（a）可知，當(dāng)電機(jī)的給定速度為-200rpm時(shí)，電機(jī)的實(shí)際速度能夠很好地跟隨給定速度運(yùn)行。由圖5-11（b）和圖5-11（c）可知，鋰電池的電流為正，鋰電池的SOC逐漸減小，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)是吸收能量的，這是因?yàn)樵谶@種工況下，電機(jī)進(jìn)行回饋制動(dòng)的最小速度為?544rpm。?200<?544，此