CN112953346B - 应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法 - Google Patents
应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法，可以根据路况和电机自身特性，通过给定速度，选定最优控制模式，进行模式间的平滑切换，可以让电动汽车运行更加平稳，减小损耗，同时拥有更大的调速范围。同时通过状态机的思想，让电动汽车在不同控制模式之间平稳快速切换，更有利于适用更多情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法。
背景技术
相比于燃油汽车，电动汽车因具有零排放、低噪声和高效率等优良特点，正得到越来越多的人关注与发展，而作为电动汽车核心技术，电动汽车驱动***尤为重要。而开关磁阻电机作为电动汽车驱动行列中的一员，越来越多的受到人们的关注，但是其低转矩密度、高转矩脉动和噪音大等问题限制了其进一步广泛应用，为了解决这些问题，各种关于开关磁阻电机的分段式结构相继被提出，主要是分段式定子和分段式转子拓扑结构。除了采用模块化电机结构，双定子结构对各种类型的电机而言也是一种增强转矩和功率密度的有效方式。
然而，没有将分段定子与双定子结构相结合来改善电机性能的设计。通过优化转子结构降低转矩脉动以及不同绕组结构对性能的影响也没有人提出过。以往专利关于双定子开关磁阻电机的控制方法基本上只是建立在基本的开关磁阻电机控制方法上，这些基本方法包括PWM电压控制、电流斩波控制(CCC)、角度位置控制。基于这些控制方法提出的速度闭环控制、转矩闭环控制、模糊控制等，控制方式单一，控制范围有限。
发明内容
针对上述问题，本发明通过在将分段定子与双定子结构相结合来改善电机性能的分段式双定子开关磁阻电机设计的基础上，提出了一种应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法，可以根据路况和电机自身特性，通过给定速度，选定最优控制模式，进行模式间的平滑切换，可以让电动汽车运行更加平稳，减小损耗，同时拥有更大的调速范围。同时通过状态机的思想，让电动汽车在不同控制模式之间平稳快速切换，更有利于适用更多情况。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法，通过多模式控制策略对电动汽车双定子开关磁阻电机进行控制，其中，多模式控制策略具体为：
①双定子开关磁阻电机的总转矩未超过内定子额定转矩时采用内定子单独励磁模式，随双定子开关磁阻电机的转速提升或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩提高，若双定子开关磁阻电机的输出功率超出内定子的输出功率且双定子开关磁阻电机的总转矩未超过外定子额定转矩、或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩超过内定子额定转矩且双定子开关磁阻电机的总转矩未超过外定子额定转矩，则由内定子单独励磁模式转换为外定子单独励磁模式；
②双定子开关磁阻电机的总转矩超过内定子额定转矩、且未超过外定子额定转矩时采用外定子单独励磁模式，随双定子开关磁阻电机的转速提升或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩提高，若双定子开关磁阻电机的输出功率超出外定子的输出功率或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩超过外定子额定转矩，则由外定子单独励磁模式转换为双定子励磁模式。
③当电动汽车需要刹车时，双定子开关磁阻电机工作在发电机状态，电动汽车工作在双定子制动回馈模式。
进一步，双定子励磁模式下，若双定子开关磁阻电机的总转矩小于等于两倍的内定子额定转矩，则内外定子各提供总转矩的一半，否则内定子提供其额定转矩、外定子提供总转矩中除内定子额定转矩外剩余部分。。
进一步，多模式之间转换遵循以下原则：
1)第一模式切换为第二模式，按公式(1)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为0：
式中，t表示时间，t1、t2为模式转换的开始、结束时刻，Tiref’为模式转换之前内定子提供的转矩，Tiref为模式转换开始后内定子提供的转矩，Tref为模式转换开始后双定子开关磁阻电机的总转矩；
2)第一模式切换为第三模式，按公式(2)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为0.5：
式中，Toref为模式转换开始后外定子提供的转矩；
3)第一模式切换为第四模式，按公式(3)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为Tie(max)/Tref：
式中，Tie(max)为内定子额定转矩；
4)第二模式切换为第一模式，按公式(4)进行转换，扭矩分配系数Ki由0转换为1：
5)第二模式转换至第三模式时，按公式(5)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为0.5；
6)第二模式转换至第四模式时，按公式(3)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为Tie(max)/Tref；
7)第三模式转换至第一模式时，按公式(6)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为1：
8)第三模式转换至第二模式时，按公式(1)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为0；
9)第三模式转换至第四模式时，按公式(3)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为Tie(max)/Tref；
10)第四模式转换至第一模式时，按公式(6)进行转换，扭矩分配系数Ki由Tie(max)/Tref转换为1；
11)第四模式转换至第二模式时，按公式(7)进行转换，扭矩分配系数Ki由Tie(max)/Tref转换为0；
12)第四模式转换至第三模式时，按公式(2)进行转换扭矩分配系数Ki由Tie(max)/Tref转换为0.5；
其中，以内定子单独励磁模式为第一模式、外定子单独励磁模式为第二模式、内外定子各提供总转矩的一半的双定子励磁模式为第三模式以及内定子提供其额定转矩、外定子提供总转矩中除内定子额定转矩外剩余部分的双定子励磁模式为第四模式。
进一步，双定子制动回馈模式，内外定子各提供总制动转矩的一半。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过在将分段定子与双定子结构相结合来改善电机性能的分段式双定子开关磁阻电机设计的基础上，提出了基于路况的分段式双定子开关磁阻电机在电动汽车应用中的多模式运行控制方法，可以根据路况和电机自身特性，通过给定速度，选定最优控制模式，进行模式间的平滑切换，可以让电动汽车运行更加平稳，减小损耗，同时拥有更大的调速范围。同时通过状态机的思想，让电动汽车在不同控制模式之间平稳快速切换，更有利于适用更多情况。
附图说明
图1是分段式双定子电机拓扑；
图2是分段式双定子开关磁阻电机(SDS-SRM)驱动***控制框图；
图3是车辆路况；
图4是分段式双定子开关磁阻电机的转矩-转速曲线；
图5是SDS-SRM多模式运行示意图，(a)是定子内励磁，(b)是定子外励磁，(c)是双定子励磁，(d)是发电机模式；
图6是不同区域的运行模式；
图7是模式转换图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
分段式双定子电机拓扑如图1所示，展示了一个四相16/18/16极，分段式双定子开关磁阻电机内外定子对齐，而转子齿错开7.5°可以采用两套控制普通四相单定子电机不对称半桥拓扑进行联合控制。图1中内外定子各相都已标出，内定子分表为A、B、C、D相，与之相对应，并且结构上也对称的外定子为E、F、G、H相。各相绕组绕线方向也已标出。通过转子齿错开7.5°，采用双定子控制模式，内定子励磁产生的最大转矩出现位置在外定子励磁产生的最小转矩位置，而外定子励磁产生的最大转矩出现位置出现在内定子励磁产生的最小转矩位置，他们转矩互补。可以有效地降低电机的转矩脉动，提高电机的转矩密度。更适合于电动汽车驱动。
如图2所示的SDS-SRM驱动***控制框图，由给定的速度n*和提供的路况信息，根据动态仿真模型和实验测试得到的SDS-SRM的转矩-转速特性曲线可以查找出需要的Tref，Tref输入到多模式控制策略判断器，进行模式判断与切换。默认电动汽车初始状态为静止状态。根据判断得到的不同模式进行转矩分配。之后采用转矩、电流双闭环PI控制方式分别控制内外定子来提供所需的转矩和速度。其中电机恒转矩运行控制方式，采用传统的开关磁阻电机CCC控制，恒功率采用APC控制，制动回馈模式调整双定子电机的开通关断角、使其工作在发电状态。本发明中控制的分段式双定子开关磁阻电机共有五种不同的工作区域，通过控制内外定子以及对工作区域进行汇总，可以分为4种控制模式，即(1)定内子单独励磁(2)外定子单独励磁(3)双定子励磁(4)回馈制动模式。其中双定子励磁模式因内外定子额定转矩的不同，又可以划分为两种控制模式。
本发明中需要的车辆路况示意图、SDS-SRM的转矩-转速曲线如图3、4所示。根据车辆动力学：
Ft＝Fr+FW+Fg+Fa (1)
Ft、Fr、FW、Fg、Fa分别代表牵引力、滚动阻力、空气阻力、上坡阻力和加速阻力。在启动阶段，V较小，FW和Fg接近于零。为了以较大的加速速度增加车速V，Fa将会很大。在图3的正常行驶阶段，速度不高，所以FW较小。Fg和Fa也接近于零。因此，所需的牵引力Ft或扭矩Te较小。当车辆处于减速或爬坡阶段时，Fg和Fa都很大。SDS-SRM应该输出更大牵引力转矩Te克服两大阻力。在高速行驶阶段，虽然Fg和Fa接近于零，但速度很大，FW很大。以上所有路况，本专利的多模式运行方式均可使用，选择最优控制方式。表1总结了不同路况下的作业区域及其所对应的模式。
表1不同操作区域的多模式划分
表1中的模式划分是根据内外定子额定转矩Tie(max)、Toe(max)进行划分，Tie(max)、Toe(max)在不同转速区表现不同。Tref为电机内外定子的转矩之和，即电机总转矩。
在低转矩区域，单电机运行损耗小，效率高。由于内定子额定转矩低于外定子额定转矩，且内定子运行时损耗小于外定子，因此在区域I、III选择使用内定子单独励磁，而在大转矩负载下，总转矩将由双定子承担提供，以提高动态性能，同时依据所需转矩Tref是否大于2Tie(max)来区分模式3、4。在模式3时，内外定子同时励磁，产生相同的转矩，可以明显减小转矩脉动，改善传统电机转矩脉动大的缺点。在模式5时，内外定子同时励磁，产生相同的制动转矩，可以明显减小转矩脉动，改善传统电机转矩脉动大造成的电动汽车刹车波动大的缺点。表中Ki为扭矩分配系数，定义为：
Ki＝Tiref/Tref (2)
公式中，Tref为电机总牵引输出转矩，Tiref/为内定子励磁提供的转矩。由公式可知，在模式1时，所需牵引转矩完全由内定子励磁提供，因此Ki为1，能量流动如图5中的(a)所示。当工作在模式2时，所需牵引转矩完全由外定子励磁提供，因此Ki为0，能量流动如图5中的(b)所示。在模式3时，此时Tref<2Tie(max)，内外定子等转矩输出所需牵引转矩由内外定子励磁产生各提供一半转矩，因此Ki为0.5，能量流动如图5中的(c)所示。在模式4时，即Tref>2Tie(max)，内定子输出转矩达到额定转矩，转矩输出达到最大，需要继续提高外定子输出转矩来满足所需牵引转矩的需求，能量流动如图5中的(c)所示。当在模式5时，电动汽车工作在制动回馈模式时，则分段式双定子开关磁阻电机将工作在发电机状态，用于能量回收。能量流动如图5中的(d)所示，此时采用双定子励磁制动，制动过程较单定子制动更平稳。对于双定子工作模式中的转矩分配有好多种分配方法，这里选择内外定子励磁产生相同转矩分配方法，此方法更有利于减少转矩脉动。
在不同模式切换过程中，如果Ki保持不变，则会引起较大的转矩波动，甚至出现振荡。为了解决上述问题，在切换过程中会对Ki进行调整。所提出的针对不同操作区域的多模式连续切换操作如图6所示，图6为从模式1连续切换至模式4，其他模式间的切换图令述，其中t0、t1、t2、t3、t4、t5为不同工作模式间的切换瞬间。
当从模式1切换到模式2相互切换时，Ki按如下公式进行控制：
其中t为时间，t1、t2为开始转换和结束转换时刻，t1、t2决定了转换的快慢，Tiref’为转换之前的内定子转矩值，Tiref为转换开始后的内定子转矩值，Tref为内外定子给定转矩之和，具体数值范围参见表1
当从模式2切换到模式3相互切换时，Ki按如下公式进行控制：
其中Toref’为模式转换前的外定子转矩值，Toref为转换开始后的内定子转矩值。具体数值范围参见表1
在t5时刻,Tref进一步扩大，同样处于区域IV,Tiref达到最大值,所以Tiref设置为Tie(max),Toref等于Tref减去Tie(max),Ki＝Tie(max)/Tref。
对于其他转换过程也类似于以上转换过程。不同模式之间的转换状态图如下图7所示，S0、S1、S2、S3分别代表着模式I、II、II、IV，E0、E1、E2、E3分别代表新的输入事件，即图2中的Tref，A代表不同模式之间的切换动作，不同模式之间的切换过程不仅与新输入的Tref有关，还与当前所处的模式和下一模式有关，因此本专利的转换过程采用状态机进行转换，模式切换的状态图如上图6所示。比如在图6中，如果当前状态为S0，即当前模式为模式1，新输入的转矩为事件E1，即新输入的转矩Tref位于图4中的区域II，则执行切换动作A(0 1),即图5中t1-t2之间的转换过程。图6对应的状态转换如表2所示、动作函数参数如表3所示，4种状态和事件交叉共衍生出16种不同的动作。
表2状态转换表
表3动作函数参数表
| 序号 | 动作函数 | 转换公式 | 转换前Ki参数值 | 转换后Ki参数值 |
| 1 | A(0 0) | 公式(5) | Ki＝1 | Ki＝1 |
| 2 | A(0 1) | 公式(3) | Ki＝1 | Ki＝0 |
| 3 | A(0 2) | 公式(7) | Ki＝1 | Ki＝0.5 |
| 4 | A(0 3) | 公式(8) | Ki＝1 | ki＝Tie(max)/Tref |
| 5 | A(1 0) | 公式(9) | Ki＝0 | Ki＝1 |
| 6 | A(1 1) | 公式(6) | Ki＝0 | Ki＝0 |
| 7 | A(1 2) | 公式(4) | Ki＝0 | Ki＝0.5 |
| 8 | A(1 3) | 公式(8) | Ki＝0 | ki＝Tie(max)/Tref |
| 9 | A(2 0) | 公式(5) | Ki＝0.5 | Ki＝1 |
| 10 | A(2 1) | 公式(3) | Ki＝0.5 | Ki＝0 |
| 11 | A(2 2) | 公式(7) | Ki＝0.5 | Ki＝0.5 |
| 12 | A(2 3) | 公式(8) | Ki＝0.5 | ki＝Tie(max)/Tref |
| 13 | A(3 0) | 公式(5) | ki＝Tie(max)/Tref | Ki＝1 |
| 14 | A(3 1) | 公式(6) | ki＝Tie(max)/Tref | Ki＝0 |
| 15 | A(3 2) | 公式(7) | ki＝Tie(max)/Tref | Ki＝0.5 |
| 16 | A(3 3) | 公式(8) | ki＝Tie(max)/Tref | ki＝Tie(max)/Tref |
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法，其特征在于，通过多模式控制策略对电动汽车双定子开关磁阻电机进行控制，其中，多模式控制策略具体为：
①双定子开关磁阻电机的总转矩未超过内定子额定转矩时采用内定子单独励磁模式，随双定子开关磁阻电机的转速提升或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩提高，若双定子开关磁阻电机的输出功率超出内定子的输出功率且双定子开关磁阻电机的总转矩未超过外定子额定转矩、或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩超过内定子额定转矩且双定子开关磁阻电机的总转矩未超过外定子额定转矩，则由内定子单独励磁模式转换为外定子单独励磁模式；
②双定子开关磁阻电机的总转矩超过内定子额定转矩、且未超过外定子额定转矩时采用外定子单独励磁模式，随双定子开关磁阻电机的转速提升或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩提高，若双定子开关磁阻电机的输出功率超出外定子的输出功率或因路况因素造成所需双定子开关磁阻电机的总转矩超过外定子额定转矩，则由外定子单独励磁模式转换为双定子励磁模式；
③当电动汽车需要刹车时，双定子开关磁阻电机工作在发电机状态，电动汽车工作在双定子制动回馈模式；
双定子励磁模式下，若双定子开关磁阻电机的总转矩小于等于两倍的内定子额定转矩，则内外定子各提供总转矩的一半，否则内定子提供其额定转矩、外定子提供总转矩中除内定子额定转矩外剩余部分；
多模式之间转换遵循以下原则：
1)第一模式切换为第二模式，按公式(1)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为0：
式中，t表示时间，t1、t2为模式转换的开始、结束时刻，Tiref’为模式转换之前内定子提供的转矩，Tiref为模式转换开始后内定子提供的转矩，Tref为模式转换开始后双定子开关磁阻电机的总转矩；
2)第一模式切换为第三模式，按公式(2)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为0.5：
式中，Toref为模式转换开始后外定子提供的转矩；
3)第一模式切换为第四模式，按公式(3)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为Tie(max)/Tref：
式中，Tie(max)为内定子额定转矩；
4)第二模式切换为第一模式，按公式(4)进行转换，扭矩分配系数Ki由0转换为1：
5)第二模式转换至第三模式时，按公式(5)进行转换，扭矩分配系数Ki由1转换为0.5；
6)第二模式转换至第四模式时，按公式(3)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为Tie(max)/Tref；
7)第三模式转换至第一模式时，按公式(6)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为1：
8)第三模式转换至第二模式时，按公式(1)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为0；
9)第三模式转换至第四模式时，按公式(3)进行转换，扭矩分配系数Ki由0.5转换为Tie(max)/Tref；
10)第四模式转换至第一模式时，按公式(6)进行转换，扭矩分配系数Ki由Tie(max)/Tref转换为1；
11)第四模式转换至第二模式时，按公式(7)进行转换，扭矩分配系数Ki由Tie(max)/Tref转换为0；
12)第四模式转换至第三模式时，按公式(2)进行转换扭矩分配系数Ki由Tie(max)/Tref转换为0.5；
其中，以内定子单独励磁模式为第一模式、外定子单独励磁模式为第二模式、内外定子各提供总转矩的一半的双定子励磁模式为第三模式以及内定子提供其额定转矩、外定子提供总转矩中除内定子额定转矩外剩余部分的双定子励磁模式为第四模式。
2.根据权利要求1所述的应用于电动汽车双定子开关磁阻电机的多模式控制方法，其特征在于，双定子制动回馈模式，内外定子各提供总制动转矩的一半。
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