CN105099307B - 绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，首先，获取电枢绕组电流转矩分量的期望值；其次，根据蓄电池电压和外部能量分配指令确定蓄电池期望输出电流；将蓄电池期望输出电流与蓄电池输出电流的差值经过比例积分调节器后，得到每相电枢绕组电流调功分量的期望幅值；然后，计算电枢绕组电流的期望值：最后，比较电枢绕组电流的期望值与实际测得的电枢绕组电流，得到开关状态，控制绕组开路式永磁电机发电***的三相桥式逆变器。本发明能量分配方法在绕组开路式永磁电机电枢绕组电流中注入调功分量，实现蓄电池能量和内燃机能量的有效控制，同时不增加励磁绕组和励磁功率变换器，保证了***的高效率，高集成度和低成本。

Description

绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法。

背景技术

混合动力汽车是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为目前汽车研究与开发的一个重点。混合动力汽车优点如下：(1)采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。(2)因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。(3)在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现"零"排放。(4)有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。(5)可以利用现有的加油站加油，不必再投资。(6)可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。(7)动力性优于同排量的传统内燃机汽车，尤其是在车辆起步加速时，电动机可以有效地弥补内燃机低转速扭矩力不足的弱点，而且有效的减少了汽车内部的机械的噪音。

作为混合动力汽车的关键***，起动发电***应具有能量密度高、转速范围宽、混合动力能量分配易于调节的特点。其发电机的拓扑结构和控制方法对***性能影响很大。异步电机、开关磁阻电机、电励磁同步电机、电励磁双凸极电机、电励磁磁通切换电机具有良好的磁场调节能力和电压调节能力，可以作为发电机来使用。然而在效率和能量密度等指标上，以上电机要逊色于永磁电机。专利《绕组开路型永磁电机车载起动发电***及控制方法(201010500053.1)》和《一种故障容错性永磁发电***及其控制方法(201210074758.0)》公布了一种绕组开路型永磁电机车载起动发电***及控制方法，所述***由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成。所述方法绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧，通过切换开关实现起动、发电运行状态切换，起动控制采用单电流闭环矢量控制，发电运行采用整流侧直流电压、电机相电流双闭环控制，实现输出电压稳定和发电机高效率运行控制。

然而，专利《绕组开路型永磁电机车载起动发电***及控制方法(201010500053.1)》和《一种故障容错性永磁发电***及其控制方法(201210074758.0)》公布的***存在着蓄电池能量不可控的不足。文献《一种新型绕组开路型永磁电机起动/发电***，中国电机工程学报，2011，Vol.31(36):86-94》指出发电机高速运行而发电***轻载时，蓄电池一直处于充电状态，且充电能量不可控；而发电机低速运行而发电***重载时，蓄电池一直处于放电状态，且放电能量不可控。

文献CN103427742A提出了一种绕组开路式混合励磁电机发电***及其能量分配方法,该能量分配方法对蓄电池输出电流和蓄电池期望输出电流的差值作比例积分调节，再与励磁绕组电流比较，产生励磁电流控制变换器的开关状态，控制励磁电流，实现蓄电池能量和内燃机能量的有效控制。然而，与专利《绕组开路型永磁电机车载起动发电***及控制方法(201010500053.1)》相比，文献CN103427742A提出的***增加了励磁绕组和励磁绕组变换器，增加了***的体积和成本，励磁绕组的铜耗降低了发电机和***的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，在不增加励磁绕组和变换器地前提下,解决了现有技术中永磁电机能量不能够的到有效调节的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，包括如下步骤：

步骤1、预先设定期望输出电压，测量实际输出电压数值，将期望输出电压与实际输出电压相减的差值经过比例积分调节器后，得到电枢绕组电流转矩分量的期望幅值，每相电枢绕组电流转矩分量的相位与每相电枢绕组空载反电势的相位相同，根据每相电枢绕组电流转矩分量的相位和电枢绕组电流转矩分量的期望幅值得到电枢绕组电流转矩分量的期望值；

步骤2、根据蓄电池电压和外部能量分配指令确定蓄电池期望输出电流；

步骤3、蓄电池期望输出电流与蓄电池输出电流的差值经过比例积分调节器后，得到绕组开路式永磁电机每相电枢绕组电流调功分量的期望幅值，该绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的相位超前每相电枢绕组空载反电势相位90度；

步骤4、根据电枢绕组电流转矩分量的期望值和电枢绕组电流调功分量的期望值计算电枢绕组电流的期望值：

步骤5、比较电枢绕组电流的期望值与实际测得的电枢绕组电流，得到开关状态，控制绕组开路式永磁电机发电***的三相桥式逆变器。

所述步骤4的计算公式如下：

电枢绕组电流的期望值＝电枢绕组电流转矩分量的期望值+电枢绕组电流调功分量的期望值。

所述绕组开路式永磁电机发电***，包括三相桥式逆变器，所述三相桥式逆变器包括a、b、c三相，其中，a相包括第一、第二开关管，b相包括第三、第四开关管，c相包括第五、第六开关管，所述步骤5的具体过程如下：

计算a、b、c三相电枢绕组电流的期望值与实际测得的电枢绕组电流的差值DI_a、DI_b、DI_c，

当ΔI_a≥0时，三相全桥逆变器第一开关管开关状态为1，三相全桥逆变器第二开关管开关状态为0，

当ΔI_b≥0时，三相全桥逆变器第三开关管开关状态为1，三相全桥逆变器第四开关管开关状态为0，

当ΔI_c≥0时，三相全桥逆变器第五开关管开关状态为1，三相全桥逆变器第六开关管开关状态为0，

当ΔI_a＜0时，三相全桥逆变器第一开关管开关状态为0，三相全桥逆变器第二开关管开关状态为1，

当ΔI_b＜0时，三相全桥逆变器第三开关管开关状态为0，三相全桥逆变器第四开关管开关状态为1，

当ΔI_c＜0时，三相全桥逆变器第五开关管开关状态为0，三相全桥逆变器第六开关管开关状态为1。

所述三相电枢绕组电流的期望值采用如下公式计算：

其中，q为绕组开路式永磁电机空载反电势综合矢量与绕组开路式永磁电机两相静止αβ坐标系中α轴的夹角，为绕组开路式永磁电机电枢绕组电流转矩分量的期望幅值，为绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的期望幅值。

所述绕组开路式永磁电机发电***，包括绕组开路式永磁电机、三相二极管不控整流桥、三相桥式逆变器、第一滤波电容、第二滤波电容、蓄电池、输出电压传感器、电枢电流传感器、转子位置传感器；

所述绕组开路式永磁电机的三相电枢绕组设置电枢电流传感器，所述蓄电池的输出端设置蓄电池电流传感器；

所述绕组开路式永磁电机三相电枢绕组的一端与三相二极管不控整流桥的输入端连接，三相二极管不控整流桥的输出端分别与第一滤波电容、负载和输出电压传感器连接，绕组开路式永磁电机三相电枢绕组的另一端与三相桥式逆变器的输出端连接，三相桥式逆变器的输入端分别与第二滤波电容和蓄电池连接，每相电枢绕组串联一个电枢电流传感器，绕组开路式永磁电机的转子通过发动机的转轴与转子位置传感器连接，每相电枢绕组空载反电势的相位由转子位置传感器测得。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能量分配方法在绕组开路式永磁电机电枢绕组电流中注入调功分量，实现蓄电池能量和内燃机能量分配的有效控制，扩大了混合动力汽车高效率区域运行范围，同时不增加励磁绕组和励磁功率变换器，保证了***的高效率，高集成度和低成本。

附图说明

图1是本发明***结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，包括如下步骤：

步骤1、预先设定期望输出电压，测量实际输出电压数值，将期望输出电压与实际输出电压相减的差值经过比例积分调节器后，得到电枢绕组电流转矩分量的期望幅值，每相电枢绕组电流转矩分量的相位与每相电枢绕组空载反电势的相位相同，根据每相电枢绕组电流转矩分量的相位和电枢绕组电流转矩分量的期望幅值得到电枢绕组电流转矩分量的期望值；

步骤2、根据蓄电池电压和外部能量分配指令确定蓄电池期望输出电流；

步骤3、蓄电池期望输出电流与蓄电池输出电流的差值经过比例积分调节器后，得到绕组开路式永磁电机每相电枢绕组电流调功分量的期望幅值，该绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的相位超前每相电枢绕组空载反电势相位90度；

步骤4、根据电枢绕组电流转矩分量的期望值和电枢绕组电流调功分量的期望值计算电枢绕组电流的期望值：

步骤5、比较电枢绕组电流的期望值与实际测得的电枢绕组电流，得到开关状态，控制绕组开路式永磁电机发电***的三相桥式逆变器。

如图1所示，蓄电池的两个输出端并联上第二滤波电容C₂，第二滤波电容C₂的两端再并联在三相全桥逆变器的母线上，三相全桥逆变器的三个桥臂中点分别与绕组开路式永磁电机三相电枢绕组一端连接；三相电枢绕组的另一端分别与三相二极管不控整流电路的三个桥臂中点相连，三相二极管不控整流电路的母线两端并联第一滤波电容C₁，第一滤波电容C₁两端分别与发电***的负载和输出电压传感器并联；利用输出电压传感器获得输出电压的数值，将期望输出电压与输出电压相减，所得差值依次经过比例环节、积分环节、限幅环节，得到绕组开路式永磁电机电枢绕组电流转矩分量的期望幅值

为控制蓄电池向负载提供的能量，利用蓄电池电流传感器s1获得蓄电池电流实际值I_cell，蓄电池电流期望值与蓄电池电流实际值I_cell作差，所得差值依次经过比例环节、积分环节、限幅环节，得到绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的期望幅值蓄电池电流期望值的确定方法如下：

1)若需要蓄电池向负载提供能量为P₁(P₁为正值)，则定义蓄电池电流期望值U_cell为蓄电池电压；

2)若需要蓄电池只为三相全桥逆变器提供母线电压，不吸收能量，也不输出能量，则定义蓄电池电流期望值

3)若需要蓄电池从电机吸收能量为P₁(P₁为正值)，则定义蓄电池电流期望值U_cell为蓄电池电压；

绕组开路式永磁电机三相电枢绕组电流的期望值如式(1)所示：

式(1)中，θ为绕组开路式永磁电机空载反电势综合矢量与绕组开路式永磁电机两相静止αβ坐标系中α轴的夹角，θ的数值由绕组开路式永磁电机转子位置传感器获得。

三相电枢电流传感器分别为s3,s4,s5，由三相电枢电流传感器分别得到绕组开路式永磁电机三相电枢绕组电流的实际值I_a，I_b，I_c，将绕组开路式永磁电机三相电枢绕组电流的期望值与绕组开路式永磁电机三相电枢绕组电流的实际值I_a，I_b，I_c做差，所得差值如下：

当ΔI_a≥0时，三相全桥逆变器第一开关管g1开关状态为1，三相全桥逆变器第二开关管g2开关状态为0，

当ΔI_b≥0时，三相全桥逆变器第三开关管g3开关状态为1，三相全桥逆变器第四开关管g4开关状态为0，

当ΔI_c≥0时，三相全桥逆变器第五开关管g5开关状态为1，三相全桥逆变器第六开关管g6开关状态为0，

当ΔI_a＜0时，三相全桥逆变器第一开关管g1开关状态为0，三相全桥逆变器第二开关管g2开关状态为1，

当ΔI_b＜0时，三相全桥逆变器第三开关管g3开关状态为0，三相全桥逆变器第四开关管g4开关状态为1，

当ΔI_c＜0时，三相全桥逆变器第五开关管g5开关状态为0，三相全桥逆变器第六开关管g6开关状态为1。

上述开关状态可根据判断结果组合控制三相逆变器，获取不同的工作方式。

本发明在绕组开路型永磁电机发电***的基础上，在保证发电机***功率因数高的优点，不增加***功率变换器和开关器件数量的前提下，提出绕组开路式永磁电机发电***的能量分配方法，蓄电池电流比例积分环节的输出为绕组开路式永磁电机绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的期望幅值，通过在绕组开路式永磁电机电枢绕组电流中注入调功分量的控制来实现蓄电池(燃料电池、太阳能电池)能量和内燃机能量分配的有效调节和控制，将会扩大混合动力汽车高效率区域运行范围。在实现***有功能量分配控制的同时，不增加任何硬件成本，保证了***的高集成度。

Claims (5)

1.绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤1、预先设定期望输出电压，测量实际输出电压数值，将期望输出电压与实际输出电压相减的差值经过比例积分调节器后，得到电枢绕组电流转矩分量的期望幅值，每相电枢绕组电流转矩分量的相位与每相电枢绕组空载反电势的相位相同，根据每相电枢绕组电流转矩分量的相位和电枢绕组电流转矩分量的期望幅值得到电枢绕组电流转矩分量的期望值；

步骤2、根据蓄电池电压和外部能量分配指令确定蓄电池期望输出电流；

步骤3、蓄电池期望输出电流与蓄电池输出电流的差值经过比例积分调节器后，得到绕组开路式永磁电机每相电枢绕组电流调功分量的期望幅值，该绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的相位超前每相电枢绕组空载反电势相位90度；

步骤4、根据电枢绕组电流转矩分量的期望值和电枢绕组电流调功分量的期望值计算电枢绕组电流的期望值：

步骤5、比较电枢绕组电流的期望值与实际测得的电枢绕组电流，得到开关状态，控制绕组开路式永磁电机发电***的三相桥式逆变器。

2.根据权利要求1所述的绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，其特征在于：所述步骤4的计算公式如下：

电枢绕组电流的期望值＝电枢绕组电流转矩分量的期望值+电枢绕组电流调功分量的期望值。

3.根据权利要求1所述的绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，所述绕组开路式永磁电机发电***，包括三相桥式逆变器，所述三相桥式逆变器包括a、b、c三相，其中，a相包括第一、第二开关管，b相包括第三、第四开关管，c相包括第五、第六开关管，其特征在于：所述步骤5的具体过程如下：

计算a、b、c三相电枢绕组电流的期望值与实际测得的电枢绕组电流的差值ΔI_a、ΔI_b、ΔI_c，

当ΔI_a≥0时，三相全桥逆变器第一开关管开关状态为1，三相全桥逆变器第二开关管开关状态为0，

当ΔI_b≥0时，三相全桥逆变器第三开关管开关状态为1，三相全桥逆变器第四开关管开关状态为0，

当ΔI_c≥0时，三相全桥逆变器第五开关管开关状态为1，三相全桥逆变器第六开关管开关状态为0，

当ΔI_a＜0时，三相全桥逆变器第一开关管开关状态为0，三相全桥逆变器第二开关管开关状态为1，

当ΔI_b＜0时，三相全桥逆变器第三开关管开关状态为0，三相全桥逆变器第四开关管开关状态为1，

当ΔI_c＜0时，三相全桥逆变器第五开关管开关状态为0，三相全桥逆变器第六开关管开关状态为1。

4.根据权利要求1所述的绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，其特征在于：所述三相电枢绕组电流的期望值采用如下公式计算：

其中，θ为绕组开路式永磁电机空载反电势综合矢量与绕组开路式永磁电机两相静止αβ坐标系中α轴的夹角，为绕组开路式永磁电机电枢绕组电流转矩分量的期望幅值，为绕组开路式永磁电机电枢绕组电流调功分量的期望幅值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的绕组开路式永磁电机发电***的能量分配控制方法，其特征在于：所述绕组开路式永磁电机发电***，包括绕组开路式永磁电机、三相二极管不控整流桥、三相桥式逆变器、第一滤波电容、第二滤波电容、蓄电池、输出电压传感器、电枢电流传感器、转子位置传感器；

所述绕组开路式永磁电机的三相电枢绕组设置电枢电流传感器，所述蓄电池的输出端设置蓄电池电流传感器；

所述绕组开路式永磁电机三相电枢绕组的一端与三相二极管不控整流桥的输入端连接，三相二极管不控整流桥的输出端分别与第一滤波电容、负载和输出电压传感器连接，绕组开路式永磁电机三相电枢绕组的另一端与三相桥式逆变器的输出端连接，三相桥式逆变器的输入端分别与第二滤波电容和蓄电池连接，每相电枢绕组串联一个电枢电流传感器，绕组开路式永磁电机的转子通过发动机的转轴与转子位置传感器连接，每相电枢绕组空载反电势的相位由转子位置传感器测得。