当今世界，安全、环保和节能日益成为汽车产业高质量发展的主题，而电动汽车由于具有低排放甚至零排放、低噪声和节能等优点，成为当今汽车研究、开发和推广应用的热点之一。电动汽车的应用领域从电动叉车、场地车、观光车以及其他一些特种车辆等传统领域得以不断拓展。
同时，随着近些年来电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料、传感器技术与电机控制理论的加快速度进行发展，使得交流驱动技术逐渐成熟。相比于现有串励或者并励有刷直流电机驱动系统，永磁无刷电机拥有功率密度大、体积小、效率高、结构相对比较简单牢固、易于维护等优点，且采用永磁无刷电机作为驱动元件的电动汽车驱动系统运行和维护成本较低；采用全数字化和模块化结构设计，使得驱动器接口灵活，控制能力更强，操作更舒适；应用能量回馈制动技术，能够大大减少刹车片的磨损，同时又增加汽车续驶里程。
因此，基于电动汽车市场发展需要和技术现状，设计开发可靠、低成本、性能优良的全数字化电动汽车永磁无刷电机驱动系统，对于电动汽车产业的发展有着重要的现实意义。
本文首先通过比较分析永磁无刷电机的方波控制方式和正弦波控制方式的特点，选择了方波电流控制方式作为本电机驱动系统的驱动方案，然后详细分析了永磁无刷电机的四象限运行操控方法以及半桥式能量回馈制动方式，介绍了整个控制系统的硬件部分的设计，最后给出了相关仿真和实验结果说明控制系统性能。
传统的永磁无刷电机理论认为，永磁无刷电机根据反电势波形不同，可分为具有梯形波反电势的无刷直流电机（BLDC）和正弦波反电势的永磁同步电机（PMSM）。本节所讨论的内容则主要从控制策略出发，针对三相正弦波反电势的永磁无刷电机的方波电流控制方式和正弦波电流控制方式（矢量控制）进行比较分析，从而作为选定控制系统设计方案的依据。
永磁无刷电机控制系统硬件结构主要由永磁无刷电机、三相逆变器、驱动电路、微控制器、电流传感器、位置传感器以及相应的接口电路组成。对于方波电流控制方式，一般采用六拍换相， 两两导通和以及上管调制，下管恒通的全波控制方法，加上电流闭环以及能量回馈制动策略从而实现驱动系统四象限运行，除了电流传感器外，其还需要低成本的离散霍尔转子位置信号传感器来获得转子位置信号。
而对于正弦波电流控制方式，软件算法相比方波控制就要复杂一些，但能获得平滑的转矩输出性能，其需要利用矢量控制策略，通过空间矢量脉宽调制技术（SVPWM），直轴和交轴两个电流闭环控制，来实现根据永磁转子磁场位置定向和力矩电流的解耦控制，所以电机上必须要安装能反映连续且拥有较高分辨率的转子位置信号传感器。工业伺服上常用的位置传感器主要有绝对式和增量式光电编码器，旋转变压器，线性霍尔或者磁编码器。应用在电动汽车驱动上，要求位置传感器绝缘等级高，结构牢固，具有很强的环境适应能力和抗震能力，目前旋转变压器应用较多。
通过以上比较分析可知，永磁无刷电机方波电流控制方案和正弦波电流控制方案主要硬件差别在于位置传感器上，而软件算法上正弦波控制略为复杂，但力矩控制性能更好。根据目前国内电动汽车的市场状况和产业发展的技术现状，本文采用方波电流控制方式，以电流闭环和能量回馈制动的四象限运行控制为基础来对永磁无刷电机控制器进行设计。
用四象限来描述电机的运行状态一般是指以电机输出力矩为Y轴，运行方向为X轴，通过两个正交的坐标轴把平面分为四个象限来分别表示电机的四个运行状态：（1）正转电动运行；（2）反转能量回馈制动运行；（3）反转电动状态；（4）正转能量回馈制动运行。针对电动汽车驱动的特点，其主要运行于第一象限的前进驱动状态和第四象限的正转能量回馈制动运行状态。第四象限起到辅助制动和回收能量给动力蓄电池充电的作用，对于第三象限主要是指汽车倒车运行，一般设有倒车速度限制，所以第二象限反转能量回馈制动运行的作用较小。对于实现第一、三象限运行中，只需应用正向和反向的功率管导通驱动序列即可，所以本节的重点在于讨论电动车驱动电机位于第四象限正转能量回馈制动运行的技术细节。
无刷电流电机的能量回馈制动技术主要分为半桥斩波能量回馈制动和全桥斩波能量回馈制动两种方式。前者在功率管开通时，依靠电机反电势建立电流，在电机绕组中储存能量，当功率管关断时，电机绕组中电流即沿着续流二极管给动力蓄电池充电，而后者相当于直接对电机施加反向驱动序列，提供制动力矩，甚至反向驱动力矩，同时回馈能量。相对而言，后者制动效果更好，但会提供反向力矩，控制起来复杂。电动汽车中的能量回馈制动技术还需要满足一些约束条件，首先必须满足刹车系统的安全要求，通过机械刹车和电刹车的良好结合来确保安全；其次要确保能量回馈时电池充电安全的问题，因为动力电池拥有最大允许的充电电流限制；同时还要考虑电机的输出能力和特性。经综合考虑，本设计选择半桥斩波能量回馈制动方式，通过电流闭环控制制动力矩。
当永磁无刷电机工作在正向电动状态时，采用两两导通的控制方式，即任一时刻只有2个功率开关管导通，分别属于三相逆变器上半桥臂和下半桥。而当永磁无刷电机工作在半桥斩波回馈制动状态时，则只调制处于下桥臂的三个功率管，而上桥臂的三个功率管始终是截止的，半桥斩波能量回馈制动方式原理与升压斩波（BOOST）电路的工作原理类似。
以调制功率管为例来进行说明。当导通时，A、B相绕组蓄能，为续流状态，此时的电流走向如图1所示（为便于分析与计算，这里忽略了时的非换向区的三相导通现象）。当关断时，A、B相绕组释放能量，为充电状态，此时的电流走向如图2所示。
为了便于建立回馈制动系统数学模型，先进行如下简化处理：在一个PWM周期内，电机的反电动势以及各种电感系数可看成常数[4]。设为两相反电动势幅值之和，为两相绕组自感之和与互感之和的差值，为两相绕组内阻之和，为PWM占空比，为PWM周期，为电池电压，内阻。
(2)此时为开口向下的二次抛物曲线，具有最大值。可求得此最大值及对应的占空比为：
综上所述可知，永磁无刷电机半桥回馈制动时，当电枢电流断续，直流母线上的平均回馈电流为单调递增函数；当电枢电流连续，为二次抛物线函数。因此，永磁无刷电机半桥斩波回馈制动时存在着使平均回馈电流达到最大值的最佳占空比，且随着反电动势的增大，即转速的上升，该最佳占空比逐渐减小，最大平均回馈电流逐渐增大。同时，对于制动力矩来说，则随着占空比的增加线性增加。
永磁无刷电机控制系统的整体硬件结构如图3所示，控制系统硬件主要由控制板和驱动板两部分组成。驱动板上主要有电流和电压传感器、开关电源模块、驱动电路和由MOSFET组成的三相功率逆变器，电流传感器分别检测电机相电流和直流侧电流，反激式开关电源模块拥有多路电压输出，其为整个控制系统供电。
将电流和电压传感器上所得到信号连接到控制板的接口电路，然后输入主控芯片。主控芯片采用微芯公司16位DSP处理器DSPI15，其拥有30MIPS的处理能力，16路10位AD， UART和CAN通信接口，以及电机控制用的多路PWM输出等外设。前文所述相关软件算法都基于此平台设计开发，同时控制板上还拥有CAN通信网络接口和多路开关量和模拟量输入输出，用于与汽车上其他部件连接。
为验证所设计的驱动系统的性能，对系统控制原理进行了仿真研究，并对控制器进行试验测试，试验用永磁无刷电机参数为：额定功率7.5kw，额定电压72V，额定电流170A，额定转速3000rpm。控制器采用72V铅酸动力电池供电。同时，仿真模型基于MATLAB/SIMULINK平台搭建，参数与实际试验样机参数相同。为说明半桥式能量回馈制动方式的特点，通过仿线所示结果，分别为随着占空比的不断提高（0-100%）（a）制动转矩（b）回馈电流（实际波形为脉冲波形，此处经过滤波）（c）相电流波形。仿真结果有效验证了前文推理结论，即半桥斩波能量回馈制动方式中，制动力矩随着占空比增加而线性增加，而在平均回馈电流随着占空比变化呈现抛物线变化。
实验中，利用直流电机作为原动机拖动永磁无刷电机进行能量回馈制动试验，在100rpm转速下，图5所示为所获得的实验相电流波形。实际应用中，为保证驱动系统的绝对安全可靠，保证动力电池、电机以及控制系统的可靠运行，最终还是需要依靠机械刹车来制动，目前的能量回馈制动功能的最佳运行工况在于电动汽车下坡减速制动上。
针对全数字化电动汽车用永磁无刷电机驱动系统的设计，本文详细介绍了该系统相关的软硬件设计思想和具体设计方案。经过在电动观光车和微型电动汽车上近一年的试车运行，所设计的永磁无刷电机驱动系统性能稳定可靠，在同样车型上，同等条件下与有刷串励电机驱动系统比较，综合效率提高了近30%，续驶里程增加25%，具有良好的市场前景。
本文首先通过比较分析永磁无刷电机的方波控制方式和正弦波控制方式的特点，选择了方波电流控制方式作为本电机驱动系统的驱动方案，详细分析了永磁无刷电机的四象限运行控制方法和半桥式能量回馈制动方式，其次介绍了整个控制管理系统的硬件部分的设计，最后给出了相关仿真和实验结果说明控制管理系统性能。