CN111193444B - 混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开发电机控制应用技术领域中的一种混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，由电池电流给定模块、PWM控制信号计算模块以及所需直流母线电压计算模块共同构成以电池电流ib和直流母线电压Vc为输入、以开关信号db为输出的基于稳压的储能无源控制器；由转矩‑电流查表模块、电流PWM控制信号计算模块、所需直流母线电压计算模块、实现MPPT运行的最优转速计算模块以及实时电感变化率计算模块共同构成以位置角θ、速度ω、相电流ij和直流母线电压Vc为输入、以开关信号dj为输出的基于MTTP的自适应无源控制模块；由所述的基于稳压的储能无源控制器以及基于MPPT的自适应无源控制模块构成无源控制器，减少直流电压波动并提高其稳定性，提高发电机效率。

Description

混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法
技术领域
本发明涉及混合动力汽车用开关磁阻发电机，具体是其无源控制器的构造方法，属于车用发电机控制应用技术领域。
背景技术
根据混合动力汽车驱动联结方式，一般将混合动力汽车分为三类：串联式、并联式和混联式，除并联式外，串联式和混联式都是由发动机、发电机、驱动电机三大动力总成组成，发电机连接发动机，驱动电机和电池组，对于其稳定高效的控制尤为重要。
目前车用发电机多为感应电机和永磁电机。然而对于感应电机，其调速性能较差，不易进行精准控制，对电机的控制***要求较高；对于永磁电机，由于存在永磁材料，所以在高温和高磁场环境下的稳定性难以保证。开关磁阻电机以其不需要稀土永磁，成本低，可靠性高和输出直流电压的优点，成为车用发电机的优选。由于车用负载需要直流输入，基于直流的体系结构为集成大多数新的分布式电源和能量存储设备提供了更多的选择，然而，分布式电源和负载的动态相互作用易导致直流微电网失稳。针对这一问题，传统方法是利用比例积分控制和能量存储***来控制直流微电网，然而，在这种方法中，负载的非线性动态特性对输出电压稳定性的相互作用被忽略，因此，针对这种非线性***，可以采用无源控制来解决这一困难，同时，无源控制作为鲁棒控制方法的一种，其抗干扰能力也很突出。
发明内容
本发明的目的是针对车用开关磁阻发电机形成的直流微电网因为分布式电源和负载的动态相互作用易失稳的缺陷，提供一种混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，所构造的无源控制器能有效提高电压稳定性、降低电压波动以及实现最大功率点跟踪(MPPT)运行，鲁棒性增加，在各种复杂恶劣的运行环境下具有较好的抗干扰性和稳定性。
本发明采用的技术方案是包括如下步骤：
步骤A：将速度计算模块、驱动桥、发动机、开关磁阻发电机、位置检测模块、电流检测模块、功率变换器模块、驱动电机、第一PWM控制器、双向DC/DC变换器、第二PWM控制器、电池组和电压检测模块作为一个整体构成以开关信号dj和db为输入，以位置角θ、速度ω、相电流ij、直流母线电压Vc和电池电流ib为输出的开关磁阻发电机直流微电网***；
步骤B：由电池电流给定模块、PWM控制信号计算模块以及所需直流母线电压计算模块共同构成以电池电流ib和直流母线电压Vc为输入、以开关信号db为输出的基于稳压的储能无源控制器；电池电流给定模块输出电池组的给定电流ib *，给定电流ib *分别作为PWM控制信号计算模块和所需直流母线电压计算模块的第一个输入，电池电流ib和给定电流ib *的差值作为PWM控制信号计算模块的第二个输入，PWM控制信号计算模块输出开关信号db，所需直流母线电压计算模块的输出是直流母线电压Vcb *，直流母线电压Vcb *作为PWM控制信号计算模块的第三个输入，所需直流母线电压计算模块的第二个输入是直流母线电压Vc和直流母线电压Vcb *的差值、第三个输入是开关信号db；
步骤C：由转矩-电流查表模块、电流PWM控制信号计算模块、所需直流母线电压计算模块、实现MPPT运行的最优转速计算模块以及实时电感变化率计算模块共同构成以位置角θ、速度ω、相电流ij和直流母线电压Vc为输入、以开关信号dj为输出的的基于MTTP的自适应无源控制模块；所述的参考相电流ij *分别作为电流PWM控制信号计算模块、所需直流母线电压计算模块以及实现MPPT运行的最优转速计算模块的第一个输入，电流PWM控制信号计算模块的第二个输入是相电流ij与参考相电流ij *的差值，第三个输入是发电机电压值Vcj *，第四个输入是发电机转速ω*，电流PWM控制信号计算模块输出开关信号dj；所需直流母线电压计算模块的第二个输入是直流母线电压Vc和发电机电压值Vcj *的差值，第三个输入是开关信号dj，所需直流母线电压计算模块输出发电机电压值Vcj *，实现MPPT运行的最优转速计算模块的第二个输入是速度ω与发电机转速ω*的差值，第三个输入是相电流ij，第四个输入是实时电感变化率Kj(θ)；实时电感变化率计算模块的第一个输入是相电流ij，第二个输入是直流母线电压Vc，第三个输入是位置角θ，第四个输入是发电机转速ω*，实时电感变化率计算模块输出的是实时电感变化率Kj(θ)；
步骤D：由所述的基于稳压的储能无源控制器以及基于MPPT的自适应无源控制模块构成混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器。
本发明的有益之处在于：
1、本发明通过构造基于稳定电压的储能无源控制器，解决了驱动电机的存在增加了的非线性特点，实现了在复杂的机电***中的稳当电压的目的，有效地减少了直流电压波动并提高其稳定性。
2、考虑到开关磁阻发电机的效率，构造了一种基于最大功率点跟踪的自适应无源控制模块。对发电机的电压及转速进行控制，使其在稳定电压的同时，实现MPPT运行，提高了发电机的效率。
3、本发明所构造的无源控制器，分为两个无源子***，不易受外部变化的影响，鲁棒性好。
4、本发明只需要可测、易测的输入和输出变量，因此不需要增加额外的检测设备。
附图说明
图1是开关磁阻发电机直流微电网***10的等效图；
图2是图1中的开关磁阻发电机的绕组在功率变换器中的拓扑结构；
图3是基于稳定电压的储能无源控制器30的等效图；
图4是基于MPPT的自适应无源控制模块40的等效图；
图5是由基于稳定电压的储能无源控制器30和基于MPPT的自适应无源控制模块40构造的混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器与开关磁阻发电机直流微电网***10的连接框图。
图中：08.速度计算模块；09.驱动桥；10.开关磁阻发电机直流微电网***；11.发动机；12.开关磁阻发电机；13.位置检测模块；14.电流检测模块；15.功率变换器模块；16.驱动电机；17.第一PWM控制器；18.双向DC/DC变换器；19.第二PWM控制器；20.电池组；30.基于稳定电压的储能无源控制器；31.电池电流给定模块；32.PWM控制信号计算模块；33.所需直流母线电压计算模块；40.基于MPPT的自适应无源控制模块；41.转矩-电流查表模块；42.电流PWM控制信号计算模块；43.所需直流母线电压计算模块；44.实现MPPT运行的最优转速计算模块；45.实时电感变化率计算模块。
具体实施方式
本发明具体的实施分以下5步：
1、建立发动机驱动开关磁阻发电机(SRG)的动力模型。利用基本的机电微分方程建立了SRG的动力学模型。发动机输出的机械转矩为Tm，SRG的动态模型可以表示为：
Figure BDA0002372254700000041
其中，u为相电压，i为相电流，r为相电阻，θ为位置角，Te为电磁转矩，J为转动惯量，下标j＝1、2、3、…、n为电机各相，ω为发电机转速，
Figure BDA0002372254700000042
为ω的一阶求导，Lj(θ)为相电感函数，通常可以通过查值表获得,Kj(θ)为相电感函数对位置角θ的导数，即相电感在不同位置时的变化率，Tej(θ,ij)为各相电磁转矩。
2、如图1所示，构造开关磁阻发电机直流微电网***10。将速度计算模块08、驱动桥09、发动机11、开关磁阻发电机12、位置检测模块13、电流检测模块14、功率变换器模块15、驱动电机16、第一PWM控制器17、双向DC/DC变换器18、第二PWM控制器19、电池组20和电压检测模块作为一个整体构成开关磁阻发电机直流微电网***10。该开关磁阻发电机直流微电网***10以输入至第一PWM控制器17的开关信号dj和输入至第二PWM控制器19的开关信号db为输入，以位置角θ、速度ω、相电流ij、直流母线电压Vc和电池电流ib为输出。其中，发动机11的输出端分别连接驱动桥09和开关磁阻发电机12，发动机11利用原有的内燃机***输出机械转矩Tm和机械转矩T1，其中机械转矩Tm输入至开关磁阻发电机12中，用来驱动开关磁阻发电机12。开关磁阻发电机12由功率变换器模块15控制，开关磁阻发电机12在功率变换器模块15的控制下把机械能转换为电能；机械转矩T1输入至驱动桥09中，直接用来驱动驱动桥09。开关磁阻发电机12通过绕组与功率变换器模块15相连，它们之间的拓扑结构如图2所示；以四相电机为例，其中S1～S8为MOS管，D1～D8为二极管，利用该结构，再加上对MOS管S1～S8的控制，就可以将开关磁阻发电机12受到的机械转矩Tm转换为电能，并以电压U的形式输入至双向DC/DC变换器18中。电压检测模块检测该电压，获得直流母线电压Vc并输出。
位置检测模块13检测开关磁阻发电机12的位置角θ信号，电流检测模块14检测功率变换器模块15控制开关磁阻发电机12的相电流ij信号并输出。位置角θ和相电流ij均输入到第一PWM控制器17中。第一PWM控制器17利用位置角θ、相电流ij以及开关信号dj输出驱动信号Sj，该驱动信号Sj输入至功率变换器模块15中，即驱动MOS管S1～S8的驱动信号。
第二PWM控制器19利用开关信号db输出驱动信号Sb，该驱动信号Sb输入至双向DC/DC变换器18中，来控制双向DC/DC变换器18的MOS管，实现电能的分配和转换，双向DC/DC变换器18输出调理好的电能Pd和电能Pb，其中，电能Pd输入至驱动电机16中，电能Pb输入到电池组20中。同时，通过相应的检测模块检测到电池电流ib并输出。
驱动电机16输出转矩T2，该转矩T2输入至驱动桥09中，使转矩T2和机械转矩T1共同驱动驱动桥09内部的齿轮，使得汽车运动，形成了混合动力驱动。
位置检测模块13的输出端连接电流检测模块14，电流检测模块14利用位置检测模块13输出的相电流ij计算出速度ω并输出。
使用双向DC/DC变换器18的原因是在为驱动电机16提供功率时，直流母线电压波动较大，电池充放电波纹较大，因此，双向DC/DC变换器18的使用将有助于通过反馈控制回路来减少这些波动。
3、如图3所示，构造基于稳定电压的储能无源控制器30。由电池电流给定模块31、PWM控制信号计算模块32以及所需直流母线电压计算模块33共同构成基于稳压的储能无源控制器30，基于稳定电压的储能无源控制器30以开关磁阻发电机直流微电网***10输出的电池电流ib和直流母线电压Vc为输入，输出开关信号db。电池电流给定模块31输出电池组20的给定电流ib *，该给定电流ib *分别输入至PWM控制信号计算模块32和所需直流母线电压计算模块33中，作为这两个模块的第一个输入。电池组20实际的电池电流ib和给定电流ib *的差值输入至PWM控制信号计算模块32中，作为其第二个输入。PWM控制信号计算模块32输出开关信号db。所需直流母线电压计算模块33的输出是直流母线电压Vcb *，该直流母线电压Vcb *输入至PWM控制信号计算模块32中作为其第三个输入，所需直流母线电压计算模块33的输入有三个，第一个是给定电流ib *，第二个直流母线电压Vc和直流母线电压Vcb *的差值，第三个是开关信号db。
为了在复杂的机电***中稳当电压，需要考虑了SRG的所有相关动态和能量存储。考虑到驱动电机16的存在进一步增加了双向变换器***的非线性，从而增加了控制的难度。在这种情况下，通过线性方法设计的控制器是不够的。因此，提出于基于稳定电压的储能无源控制器30，将所有的***动力学考虑在一个统一的控制设计算法中，以减少直流电压波动并提高其稳定性，使得SRG和双向DC/DC变换器18的控制有足够的稳定裕度来保证大信号意义下的稳定性。通过欧拉-拉格朗日***从SRG的动力学模型的角度对基于SRG的直流微电网进行***级建模，得到开关信号db计算公式为：
Figure BDA0002372254700000061
其中，Vb为电池组20的电压值，ib，ib *分别为电池组20实际和给定电流值，Rb为电池组20电阻，Ri2为阻尼系数，取5，Vcb *是为了使电压稳定的一个所需的直流母线电压，Vcb *的值可以由动态方程(3)计算得到：
Figure BDA0002372254700000062
其中，Cdc为直流母线电容，Ri3为阻尼系数，取0.1；Pcpl为提供给驱动电机的功率，t为时间，利用式(2)便可以构造出PWM控制信号计算模块32，利用式(3)便可以构造出所需直流母线电压计算模块33。
4、如图4所示，构造基于MPPT(最大功率点跟踪)的自适应无源控制模块40。由转矩-电流查表模块41、电流PWM控制信号计算模块42、所需直流母线电压计算模块43、实现MPPT运行的最优转速计算模块44以及实时电感变化率计算模块45共同构成基于MTTP的自适应无源控制模块40。基于MTTP的自适应无源控制模块40以开关磁阻发电机直流微电网***10输出的位置角θ、速度ω、相电流ij和直流母线电压Vc为输入，输出开关信号dj。其中，转矩-电流查表模块41输出参考相电流ij *。
所述的参考相电流ij *分别作为电流PWM控制信号计算模块42、所需直流母线电压计算模块43以及实现MPPT运行的最优转速计算模块44的第一个输入。
电流PWM控制信号计算模块42的第二个输入是相电流ij与参考相电流ij *的差值，第三个输入所需直流母线电压计算模块43输出的发电机电压值Vcj *，第四个输入是实现MPPT运行的最优转速计算模块44输出的发电机转速ω*。电流PWM控制信号计算模块42输出开关信号dj。
所需直流母线电压计算模块43的第二个输入是直流母线电压Vc和发电机电压值Vcj *的差值，第三个输入是开关信号dj。所需直流母线电压计算模块43输出的是发电机电压值Vcj *。
实现MPPT运行的最优转速计算模块44的第二个输入是速度ω与发电机转速ω*的差值，第三个输入是相电流ij，第四个输入是实时电感变化率计算模块45输出的实时电感变化率Kj(θ)。实现MPPT运行的最优转速计算模块44输出发电机转速ω*。
实时电感变化率计算模块45的第一个输入是相电流ij，第二个输入是直流母线电压Vc，第三个输入是位置角θ，第四个输入是发电机转速ω*，实时电感变化率计算模块45输出的是实时电感变化率Kj(θ)。
首先，跟踪发电机的电压，使其达到所要求的电压值Vcj *。同时，为了实现MPPT，需要对发电机的转速ω*进行控制，使其为实现MPPT运行的最优值。相应的参考相电流ij *由转矩-电流查表模块41得到。开关信号dj计算公式为：
Figure BDA0002372254700000071
其中，Vcj *是为发电机电压值，所需的直流母线电压值，ω*为实现MTTP所需的发电机转速，Ri1为阻尼系数，取5。利用式(4)便可以构造出电流PWM控制信号计算模块42。其中，Vcj *，ω*和Kj(θ)的值分别可以由以下相应的动态方程(5)、(6)、(7)计算得到：。
Figure BDA0002372254700000072
Figure BDA0002372254700000073
Figure BDA0002372254700000074
其中，Ri4为阻尼系数，取10。t为时间，利用式(5)便可以构造出所需直流母线电压计算模块43；利用式(6)便可以构造出实现MPPT运行的最优转速计算模块(44)；利用式(7)便可以构造出实时电感变化率计算模块45。
5、构造混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器，如图5所示，该无源控制器由所述的基于稳压的储能无源控制器30以及基于MPPT的自适应无源控制模块40构成。基于稳压的储能无源控制器30和基于MPPT的自适应无源控制模块40的输出端均连接开关磁阻发电机直流微电网***10，基于稳压的储能无源控制器30输出的开关信号db输入到开关磁阻发电机直流微电网***10中，基于MPPT的自适应无源控制模块40输出的开关信号dj也输入到开关磁阻发电机直流微电网***10中。开关磁阻发电机直流微电网***10的输出端分别连接基于稳压的储能无源控制器30和基于MPPT的自适应无源控制模块40，开关磁阻发电机直流微电网***10将位置角θ、速度ω、相电流ij、直流母线电压Vc输入至基于MPPT的自适应无源控制模块40中。开关磁阻发电机直流微电网***10将直流母线电压Vc和电池电流ib输入至基于稳压的储能无源控制器30中，如此构成混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器。该无源控制器是在驱动电机、能量存储和以最大功率点跟踪运行的情况下输出稳定电压的闭环无源控制器，考虑驱动电机存在而导致的非线性特点，通过***级建模，实现了提高电压稳定性、降低电压波动以及MPPT运行的目的。该无源控制器和被控对象都看作能量传输设备，其总能量不变，为无源控制。开关磁阻发电机直流微电网***10本质上是一个耦合动态模型的非线性***，其工作点在微电网应用中经常发生变化。引入无源控制器是为了通过能量调整和阻尼注入来实现稳定性。基于稳压的储能无源控制器30以减少直流电压波动并提高其稳定性为目的，利用***级建模得到使电压稳定的一个所需的直流母线电压Vcb *，进而输出具有稳定电压作用的开关信号db。基于MPPT的自适应无源控制模块40在跟踪发电机电压的同时，通过计算得到实现MPPT运行的最优转速值。从而得到为功率变换器模块15电压所需的直流母线电压值Vcj *和为实现MTTP所需的发电机转速ω*，进而输出具有稳定电压和实现MPPT运行作用的开关信号dj。基于稳压的储能无源控制器30和基于MPPT的自适应无源控制模块40作为两个无源子***，通过输出的开关信号db和dj，对开关磁阻发电机直流微电网***10进行控制，使其实现稳定电压和以最大功率点跟踪运行。最后，开关磁阻发电机直流微电网***10、基于稳压的储能无源控制器30和基于MPPT的自适应无源控制模块40一起组成了闭环无源控制器，使得该闭环无源控制器不易受外部变化的影响，鲁棒性好。

Claims (5)

1.一种混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，其特征是包括以下步骤：
步骤A：将速度计算模块(08)、驱动桥(09)、发动机(11)、开关磁阻发电机(12)、位置检测模块(13)、电流检测模块(14)、功率变换器模块(15)、驱动电机(16)、第一个PWM控制器(17)、双向DC/DC变换器(18)、第二PWM控制器(19)、电池组(20)和电压检测模块作为一个整体构成以开关信号dj和db为输入，以位置角θ、速度ω、相电流ij、直流母线电压Vc和电池电流ib为输出的开关磁阻发电机直流微电网***(10)；第一个PWM控制器(17)的输入是开关信号dj，第二个PWM控制器(19)的输入是开关信号db，发动机(11)的输出端分别连接驱动桥(09)和开关磁阻发电机(12)，发动机(11)输出机械转矩Tm和机械转矩T1，机械转矩Tm输入至开关磁阻发电机(12)，机械转矩T1输入至驱动桥(09)中，开关磁阻发电机(12)通过绕组与功率变换器模块(15)相连，功率变换器模块(15)输出电压U至双向DC/DC变换器(18)中，电压检测模块获得直流母线电压Vc并输出，位置检测模块(13)检测开关磁阻发电机(12)的位置角θ信号，电流检测模块(14)检测的相电流ij信号并输出，位置角θ和相电流ij均输入到第一个PWM控制器(17)中，第一个PWM控制器(17)输出驱动信号Sj至功率变换器模块(15)中，第二个PWM控制器(19)输出驱动信号Sb至双向DC/DC变换器(18)中，双向DC/DC变换器(18)输出电能Pd和电能Pb，电能Pd输入至驱动电机(16)中，电能Pb输入到电池组(20)中，驱动电机(16)输出转矩T2至驱动桥(09)中；
步骤B：由电池电流给定模块(31)、PWM控制信号计算模块(32)以及所需第一个直流母线电压计算模块(33)共同构成以电池电流ib和直流母线电压Vc为输入、以开关信号db为输出的基于稳压的储能无源控制器(30)；电池电流给定模块(31)输出电池组(20)的给定电流ib *，给定电流ib *分别作为PWM控制信号计算模块(32)和所需第一个直流母线电压计算模块(33)的第一个输入，电池电流ib和给定电流ib *的差值作为PWM控制信号计算模块(32)的第二个输入，PWM控制信号计算模块(32)输出开关信号db，所需第一个直流母线电压计算模块(33)的输出是直流母线电压Vcb *，直流母线电压Vcb *作为PWM控制信号计算模块(32)的第三个输入，所需第一个直流母线电压计算模块(33)的第二个输入是直流母线电压Vc和直流母线电压Vcb *的差值、第三个输入是开关信号db；
步骤C：由转矩-电流查表模块(41)、电流PWM控制信号计算模块(42)、所需第二个直流母线电压计算模块(43)、实现MPPT运行的最优转速计算模块(44)以及实时电感变化率计算模块(45)共同构成以位置角θ、速度ω、相电流ij和直流母线电压Vc为输入、以开关信号dj为输出的的基于MTTP的自适应无源控制模块(40)；参考相电流ij *分别作为电流PWM控制信号计算模块(42)、所需第二个直流母线电压计算模块(43)以及实现MPPT运行的最优转速计算模块(44)的第一个输入，电流PWM控制信号计算模块(42)的第二个输入是相电流ij与参考相电流ij *的差值，第三个输入是发电机电压值Vcj *，第四个输入是发电机转速ω*，电流PWM控制信号计算模块(42)输出开关信号dj；所需第二个直流母线电压计算模块(43)的第二个输入是直流母线电压Vc和发电机电压值Vcj *的差值，第三个输入是开关信号dj，所需第二个直流母线电压计算模块(43)输出发电机电压值Vcj *，实现MPPT运行的最优转速计算模块(44)的第二个输入是速度ω与发电机转速ω*的差值，第三个输入是相电流ij，第四个输入是实时电感变化率Kj(θ)；实时电感变化率计算模块(45)的第一个输入是相电流ij，第二个输入是直流母线电压Vc，第三个输入是位置角θ，第四个输入是发电机转速ω*，实时电感变化率计算模块(45)输出的是实时电感变化率Kj(θ)；
步骤D：由所述的基于稳压的储能无源控制器(30)以及基于MPPT的自适应无源控制模块(40)构成混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器。
2.根据权利要求1所述的混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，其特征是：步骤C中，所述的开关信号所述的开关信号
Ri1为阻尼系数，Vb为电池组的电压值，ib，ib *分别为电池组实际和给定电流值，Rb为电池组电阻，Ri2为阻尼系数，Vcb *是使电压稳定的一个所需的直流母线电压。
3.根据权利要求2所述的混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，其特征是：所需的直流母线电压 Cdc为直流母线电容，Ri3为阻尼系数，Pcpl为提供给驱动电机的功率，t为时间，Ri4为阻尼系数。
4.根据权利要求2所述的混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，其特征是：发电机电压值Cdc为直流母线电容，Ri3为阻尼系数，Pcpl为提供给驱动电机的功率，t为时间。
5.根据权利要求2所述的混合动力汽车用开关磁阻发电机无源控制器的构造方法，其特征是：实时电感变化率r为相电阻，t为时间。
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