CN103391034B - 电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器作方法，包括有控制电路和与控制电路的信号输出端相连用于驱动盘式无铁心电机的三相逆变电路，还设置有DC-DC变换电路，所述DC-DC变换电路的控制信号输入端连接控制电路的信号输出端，所述DC-DC变换电路的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路的电流输入端，所述的盘式无铁心电机的输出轴通过一个角度传感器连接控制电路的信号输入端，所述三相逆变电路的三相输出分别通过电流传感器连接控制电路的信号输入端。本发明简单可靠，控制***响应快，实现对电机电磁转矩的控制，为控制算法提供了准确的转子位置信号，本发明减小了由于换相引起的转矩脉动。<!-- 2 -->

Description

电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种盘式无铁心永磁同步电机。特别是涉及一种基于直流无刷控制模式的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法。

背景技术

电能作为一种新型清洁能源，将成为未来能源发展的必然趋势，电动汽车也将必然取代传统的燃油汽车成为新时代的交通方式。目前电动汽车领域的相关技术是研究和开发的热门，而汽车轮毂电机也是近期研究的重点。电机驱动控制***作为整车动力总成***的一个核心组成部分，必须保证其高效性、快速响应性。目前普通电动汽车的驱动***多采用集中驱动，电机产生的旋转动力经过齿轮组等传动***驱动车轮旋转，在这个过程中必然会有一部分的能量损耗，采用轮毂电机可以直接驱动车轮旋转，从而使能量损耗降到最低。

盘式无铁心永磁同步电机，没有齿槽转矩、过载能力极强、轴向尺寸短、重量轻、结构紧凑，特别适合用于电动汽车的轮毂电机。但是由于电机本身没有铁心，定子绕组电感很小，使得基于电压型的控制器驱动此类电机时，定子绕组电流不能连续，导致电机会产生转矩波动，所以传统的电机控制方法不能满足盘式无铁心永磁同步电机的控制要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种将盘式无铁心电机应用于电动汽车轮毂驱动***的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器，包括有控制电路和与控制电路的信号输出端相连用于驱动盘式无铁心电机的三相逆变电路，还设置有DC-DC变换电路，所述DC-DC变换电路的控制信号输入端连接控制电路的信号输出端，所述DC-DC变换电路的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路的电流输入端，所述的盘式无铁心电机的输出轴通过一个角度传感器连接控制电路的信号输入端，所述三相逆变电路的三相输出分别通过电流传感器连接控制电路的信号输入端。

所述DC-DC变换电路包括有直流电源Us，并联在直流电源Us两端的吸收电容C，第一开关管VS1和连接在第一开关管VS1的集电极和发射极之间的第一反并联续流二极管VSD1，以及第二开关管VS2和连接在第二开关管VS2的集电极和发射极之间的第二反并联续流二极管VSD2，其中，所述的第一开关管VS1的集电极连接直流电源Us的正极，栅极连接控制电路的信号输出端，所述第二开关管VS2的发射极连接直流电源Us的负极，栅极连接控制电路的信号输出端，第二开关管VS2的集电极与第一开关管VS1的发射极作为输出端共同连接电感L的一端。

所述角度传感器采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。

一种电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，控制部分的控制模式采用定子电流120度导通方式，定子绕组同时只有两相导通，每隔60度换相一次；三相逆变电路采用恒通方式，即每一个状态区间内处于开通的两个开关管不进行PWM调制，三相逆变电路只起换相作用；控制部分采用双闭环控制方式，外环为速度环，内环为转矩环，控制部分根据转矩调节器的输出值算出斩波电路开关管的占空比，从而调节定子电流大小。

控制电路根据角度传感器反馈的信号计算出转子的位置角，估算出盘式无铁心电机的电磁转矩，从而实现了电机的转矩闭环控制。

控制电路根据角度传感器反馈的转子的位置角，对盘式无铁心电机的换相角度进行调整，从而减小盘式无铁心电机的换相转矩脉动。

控制电路中速度调节器的输出和转矩之差作为转矩调节器的输入。

所述的控制电路根据转矩调节器的输出值算出斩波电路开关管的占空比；控制电路实时检测盘式无铁心电机的三相电流i_a、i_b、i_c，通过坐标变换将三相电流变换成d、q轴坐标系下电流i_d、i_q，再根据盘式无铁心电机的本身的电感和磁链、极对数，按照盘式无铁心电机的转矩方程算出盘式无铁心电机的实际转矩值，算出来的转矩值即作为转矩调节器的转矩反馈值；盘式无铁心电机的转矩方程为：

$T_d=p_m({\mathrm{\&psi;}}_d^s{i}_q^s-{\mathrm{\&psi;}}_q^s{i}_d^s)=p_m[{\mathrm{\&psi;}}^r{i}_q^s+(L_d-L_q)i_d^s{i}_q^s]$

由于盘式无铁心永磁同步电机的交、直电感相等，即L_d=L_q，电磁转矩可表示为：

$T_d=p_m{\mathrm{\&psi;}}^r{i}_q^s$

式中

T_d—转矩值

p_m—电机极对数

ψ^r—电机转子磁链，可通过有限元软件仿真得出。

—电机交轴电流分量。

本发明的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法，具有如下有益效果：

1）采用斩波电路来调节电机定子绕组中的电流，从而实现对电机电磁转矩的控制。2）逆变桥不进行PWM调速，减小了***的开关损耗。

3）采用旋转变压器作为电机转子位置检测装置，为控制算法提供了准确的转子位置信号。

4）将直接转矩控制算法与直流无刷控制模式相结合，实现了对无铁心永磁同步电机的控制。

5）根据电机转子位置来调节定子电流换相角度，减小了由于换相引起的转矩脉动。

6）采用定子电流120度导通方式对电机进行控制，控制算法简单可靠，控制***响应快。

附图说明

图1是本发明电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法，包括有控制电路1和与控制电路1的信号输出端相连用于驱动盘式无铁心电机M的三相逆变电路2，还设置有DC-DC变换电路3，所述DC-DC变换电路3的控制信号输入端连接控制电路1的信号输出端，所述DC-DC变换电路3的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路2的电流输入端，所述的盘式无铁心电机M的输出轴通过一个角度传感器4连接控制电路1的信号输入端，所述三相逆变电路2的三相输出分别通过电流传感器5连接控制电路1的信号输入端。所述角度传感器4采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。

所述DC-DC变换电路3包括有直流电源Us，并联在直流电源Us两端的吸收电容C，第一开关管VS1和连接在第一开关管VS1的集电极和发射极之间的第一反并联续流二极管VSD1，以及第二开关管VS2和连接在第二开关管VS2的集电极和发射极之间的第二反并联续流二极管VSD2，其中，所述的第一开关管VS1的集电极连接直流电源Us的正极，基极连接控制电路1的信号输出端，所述第二开关管VS2的发射极连接直流电源Us的负极，基极连接控制电路1的信号输出端，第二开关管VS2的集电极与第一开关管VS1的发射极作为输出端共同连接电感L的一端。

当盘式无铁心电机控制***在盘式无铁心电机工作模式下，第二开关三极管VS2一直处于关闭状态。当第一开关管VS1导通，电源向负载供电，电流流过电感和处于导通状态的两相绕组，由于电感的作用，电流会慢慢增大；当第一开关管VS1关断，定子绕组电流经二极管续流，负载电流下降，至一个开关周期结束，再驱动第一开关管VS1导通，重复上一周期过程。为了使电流连续且脉动较小，主回路上的电感L值应较大。

第二开关管VS2和第二反并联续流二极管VSD2构成升压斩波电路，当盘式无铁心电机处于制动状态时，把盘式无铁心电机的动能转变成电能反馈到电源，给电池充电，在该模式下，作为功率开关的第一开关管VS1关断，第二开关管VS2工作在PWM方式下，盘式无铁心电机作再生制动运行。

所述三相逆变电路2，采用恒通方式，即每一个状态区间内处于开通的两个开关管不进行PWM调制，逆变桥只起换相作用，根据转子位置角度，每60度换相一次，使电机工作在120度导通模式。

控制电路通过作为角度传感器的旋转变压器来检测转子位置信号和电机的实际转速，电机转子的位置信号引入***坐标变换之间，参与电流的矢量变换。控制器根据电机的实际运行状态选择定子电流的换相角度，减小电机的转矩脉动。

本发明的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法是，控制部分的控制模式采用定子电流120度导通方式，定子绕组同时只有两相导通，每隔60度换相一次，即，根据电机转子位置来调节定子电流的换相角度，减小换相转矩脉动。三相逆变电路采用恒通方式，即每一个状态区间内处于开通的两个开关管不进行PWM调制，三相逆变电路只起换相作用，以达到电机调速控制的目的；控制部分采用双闭环控制方式，外环为速度环，内环为转矩环，控制部分根据转矩调节器的输出值算出斩波电路开关管的占空比，从而调节定子电流大小。

所述的控制部分根据转矩调节器的输出值算出斩波电路开关管的占空比；控制电路实时检测盘式无铁心电机的三相电流i_a、i_b、i_c，通过坐标变换将三相电流变换成d、q轴坐标系下电流i_d、i_q，再根据盘式无铁心电机的本身的电感和磁链、极对数，按照盘式无铁心电机的转矩方程算出盘式无铁心电机的实际转矩值，算出来的转矩值即作为转矩调节器的转矩反馈值；盘式无铁心电机的转矩方程为：

$T_d=p_m({\mathrm{\&psi;}}_d^s{i}_q^s-{\mathrm{\&psi;}}_q^s{i}_d^s)=p_m[{\mathrm{\&psi;}}^r{i}_q^s+(L_d-L_q)i_d^s{i}_q^s]$

由于盘式无铁心永磁同步电机的交、直电感相等，即L_d=L_q，电磁转矩可表示为：

$T_d=p_m{\mathrm{\&psi;}}^r{i}_q^s$

式中

T_d—转矩值

p_m—电机极对数

ψ^r—电机转子磁链，可通过有限元软件仿真得出。

—电机交轴电流分量。

控制电路根据角度传感器反馈的转子的位置角，估算出盘式无铁心电机的电磁转矩，从而实现了电机的转矩闭环控制。即控制部分根据电机的运行工况和转速，对定子电流的换相角度做出相应的调整，例如提前换相或滞后换相。换相角度调整的依据为当前电机转子的位置角度。

控制部分根据角度传感器反馈的转子的位置角，对盘式无铁心电机的换相角度进行调整，从而减小盘式无铁心电机的换相转矩脉动。控制部分中速度调节器的输出和实际转矩之差作为转矩调节器的输入。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器，包括有控制电路(1)和与控制电路(1)的信号输出端相连用于驱动盘式无铁心电机(M)的三相逆变电路(2)，其特征在于，还设置有DC-DC变换电路(3)，所述DC-DC变换电路(3)的控制信号输入端连接控制电路(1)的信号输出端，所述DC-DC变换电路(3)的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路(2)的电流输入端，所述的盘式无铁心电机(M)的输出轴通过一个角度传感器(4)连接控制电路(1)的信号输入端，所述三相逆变电路(2)的三相输出分别通过电流传感器(5)连接控制电路(1)的信号输入端，所述DC-DC变换电路(3)包括有直流电源Us，并联在直流电源Us两端的吸收电容C，第一开关管VS1和连接在第一开关管VS1的集电极和发射极之间的第一反并联续流二极管VSD1，以及第二开关管VS2和连接在第二开关管VS2的集电极和发射极之间的第二反并联续流二极管VSD2，其中，所述的第一开关管VS1的集电极连接直流电源Us的正极，栅极连接控制电路(1)的信号输出端，所述第二开关管VS2的发射极连接直流电源Us的负极，栅极连接控制电路(1)的信号输出端，第二开关管VS2的集电极与第一开关管VS1的发射极作为输出端共同连接电感L的一端；其特征在于，控制部分的控制模式采用定子电流120度导通方式，定子绕组同时只有两相导通，每隔60度换相一次；三相逆变电路采用恒通方式，即每一个状态区间内处于开通的两个开关管不进行PWM调制，三相逆变电路只起换相作用；控制部分采用双闭环控制方式，外环为速度环，内环为转矩环，控制部分根据转矩调节器的输出值算出斩波电路开关管的占空比，从而调节定子电流大小，所述的控制电路根据转矩调节器的输出值算出斩波电路开关管的占空比；控制电路实时检测盘式无铁心电机的三相电流i_a、i_b、i_c，通过坐标变换将三相电流变换成d、q轴坐标系下电流i_d、i_q，再根据盘式无铁心电机的本身的电感和磁链、极对数，按照盘式无铁心电机的转矩方程算出盘式无铁心电机的实际转矩值，算出来的转矩值即作为转矩调节器的转矩反馈值；盘式无铁心电机的转矩方程为：

$T_d=p_m({\mathrm{\&psi;}}_d^s{i}_q^s-{\mathrm{\&psi;}}_q^s{i}_d^s)=p_m\&lsqb;{\mathrm{\&psi;}}^r{i}_q^s+(L_d-L_q)i_d^s{i}_q^s\&rsqb;$

式中

为电子电流d轴分量

为电机转子磁链的d轴分量

为电机转子磁链的q轴分量

由于盘式无铁心永磁同步电机的交、直电感相等，即L_d＝L_q，电磁转矩可表示为：

$T_d=p_m{\mathrm{\&psi;}}^r{i}_q^s$

式中

T_d—转矩值

p_m—电机极对数

ψ^r—电机转子磁链，可通过有限元软件仿真得出

—电机交轴电流分量。

2.根据权利要求1所述的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，其特征在于，控制电路根据角度传感器反馈的信号计算出转子的位置角，估算出盘式无铁心电机的电磁转矩，从而实现了电机的转矩闭环控制。

3.根据权利要求1所述的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，其特征在于，控制电路根据角度传感器反馈的转子的位置角，对盘式无铁心电机的换相角度进行调整，从而减小盘式无铁心电机的换相转矩脉动。

4.根据权利要求1所述的电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，其特征在于，控制电路中速度调节器的输出和转矩之差作为转矩调节器的输入。