CN106059420B - 一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车蓄电池充电后供电给汽车负载，本发明的有益效果为：1、解决了现有技术中永磁同步发电机整流器控制需要高精度绝对式位置编码器以及其他装置来检测转子磁级的位置的复杂性，提高了系统的抗干扰性和降低系统的成本；2、设计合理、实用性强、操作简单；3、通过闭环控制实现发电机高速时的弱磁控制，实现高速时直流侧电压稳定；4、通过采用变频滤波器代替纯积分器有效抑制纯积分器带来的直流漂移。

Description

一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车技术领域，尤其是一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法。

背景技术

现有的一些汽车发电机普遍采用爪极同步发电机系统，采用二极管全桥整流器可获得14v直流电源，以对12v铅酸蓄电池充电，并给电负载供电，14v爪极同步发电机系统的效率偏低(约为50％)，其功率一般小于2kW，近年来，随着现代汽车通风和空调、制动防抱死系统、电子点火装置、加热、汽车安全及故障诊断系统、汽车信息系统、汽车舒适娱乐产品的广泛使用，汽车用电量快速增长。若采用14v爪极同步发电机系统，以电负荷3KW为例，发动机需要为发电机提供6KW的机械功率，这就显著地增加发动机及其传动轴系的负担。如何提高汽车发电机的输出功率和效率，以节约汽车燃料，减少尾气排放量，已成为该领域备受关注的一个重要问题；

永磁发电机体积小、重量轻、效率高、寿命长以及性价比高等优点不久将可能代替电励磁发电机，成为汽车用发电机的首选。为增大输出功率，选择42v电压等级，既满足汽车用电要求，又符合节能环保的发展方向。对于永磁同步发电机可控整流控制系统，通常采发电机转子磁场定向控制，需要获取转子的准确位置信息，传统的检测电机转子磁极位置和转速方法多以采用速度或位置传感器(如光电编码器、旋转编码器和磁编码器等)为主，然而高精度、高分辨率的位置传感器价格昂贵，不仅增加了系统的成本，还降低了系统的可靠性，以及限制了驱动装置在恶劣环境下的应用。且传统控制算法涉及复杂的坐标旋转变换和三角函数计算降低了程序的执行效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，解决现有技术中永磁同步发电机整流系统控制需要高精度绝对式编码器来检测永磁体的位置、且涉及复杂的坐标旋转变换降低了程序的执行效率的问题。

本发明的技术方案为：一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车蓄电池充电后供电给汽车负载，其特征在于，包括以下步骤：

1)、通过信号采集模块采集同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，同步发电机的转速ω_m，整流器直流侧电容电压u_dc；

2)、通过直流侧参考电压和整流器直流侧电容电压u_dc做差后经PI调节器输出得到有功电流指令

3)、根据三相调制电压u_aref、u_bref、u_cref计算得到三相调制电压的幅值u_tref，计算公式为：

根据整流器直流侧电容电压u_dc的稳压值得到允许同步发电机发出的最大电压幅值u_max，通过同步发电机发出的最大电压幅值u_max和三相调制电压的幅值u_tref做差后经过PI调节器得到无功电流指令比较三相调制电压的幅值u_tref和同步发电机发出的最大电压幅值u_max的大小，如果u_tref-u_max≤0，则无功电流指令进行单位功率因数运行；如果u_tref-u_max＞0，则进行闭环弱磁控制；

4)、根据整流器直流侧电容电压u_dc与整流器的控制占空比信号d_a、d_b、d_c，计算得到同步发电机机端三相电压u_sa、u_sb、u_sc，其计算公式如下：

5)、通过同步发电机机端三相电压u_sa、u_sb、u_sc与同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc得到定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc，其计算公式如下：

其中，R_s为定子电阻；

6)、根据定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc与同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc计算得到转子磁链ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc，其计算公式如下：

其中，L_s为定子电感；

7)、根据转子磁链ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc得到转子磁链的幅值ψ_f，其计算式为：

定义转子磁链方向为同步发电机定子电流无功功率的方向，得到同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c，其计算式分别为：

其中，ε取值为0.00001；

8)、根据同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c，构造得到同步发电机定子电流三相单位有功分量v_a、v_b、v_c，其计算式分别为：

9)、根据同步发电机定子电流三相单位有功分量v_a、v_b、v_c与有功电流指令同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c与无功电流指令得到三相电流指令其计算式分别为：

10)、将同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc与三相电流指令做差后经过内环变频准比谐振调节器对同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc无静差跟踪，通过电流调节器输出得到调制电压u_aref、u_bref、u_cref，所述内环变频准比谐振调节器的传递函数为：

其中，s为拉普拉斯算子，K_R为比例调节器的比例系数，ω_o为调节器等效带宽，ω_m为同步发电机的转速；

11)、电流调节器输出的调制电压u_aref、u_bref、u_cref经SPWM波调制得到整流器开关管驱动的占空比信号d_a、d_b、d_c，从而实现整流器的控制。

上述技术方案中，步骤2)中直流侧参考电压为42V。

上述技术方案中，步骤3)中整流器直流侧电容电压u_dc的稳压值为42V。

上述技术方案中，步骤5)中需要引入一个纯积分环节，为避免纯积分环节受积分初始值和积分漂移影响，因此，用变频滤波器代替纯积分环节，变频滤波器的传递函数为:

其中，k取值为0.2。

本发明的有益效果为：1、解决了现有技术中永磁同步发电机整流器控制需要高精度绝对式位置编码器以及其他装置来检测转子磁级的位置的复杂性，提高了系统的抗干扰性和降低系统的成本；2、设计合理、实用性强、操作简单；3、通过闭环控制实现发电机高速时的弱磁控制，实现高速时直流侧电压稳定；4、通过采用变频滤波器代替纯积分器有效抑制纯积分器带来的直流漂移。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的永磁同步发电机及整流器的系统控制框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1和图2所示，一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车蓄电池充电后供电给汽车负载，其特征在于，包括以下步骤：

1)、通过信号采集模块采集同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，同步发电机的转速ω_m，整流器直流侧电容电压u_dc；

2)、通过直流侧参考电压和整流器直流侧电容电压u_dc做差后经PI调节器输出得到有功电流指令

3)、根据三相调制电压u_aref、u_bref、u_cref计算得到三相调制电压的幅值u_tref，计算公式为：

根据整流器直流侧电容电压u_dc的稳压值得到允许同步发电机发出的最大电压幅值u_max，通过同步发电机发出的最大电压幅值u_max和三相调制电压的幅值u_tref做差后经过PI调节器得到无功电流指令比较三相调制电压的幅值u_tref和同步发电机发出的最大电压幅值u_max的大小，如果u_tref-u_max≤0，则无功电流指令进行单位功率因数运行；如果u_tref-u_max＞0，则进行闭环弱磁控制；

4)、根据整流器直流侧电容电压u_dc与整流器的控制占空比信号d_a、d_b、d_c，计算得到同步发电机机端三相电压u_sa、u_sb、u_sc，其计算公式如下：

5)、通过同步发电机机端三相电压u_sa、u_sb、u_sc与同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc得到定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc，其计算公式如下：

其中，R_s为定子电阻；

6)、根据定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc与同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc计算得到转子磁链ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc，其计算公式如下：

其中，L_s为定子电感；

7)、根据转子磁链ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc得到转子磁链的幅值ψ_f，其计算式为：

定义转子磁链方向为同步发电机定子电流无功功率的方向，得到同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c，其计算式分别为：

其中，ε取值为0.00001；

8)、根据同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c，构造得到同步发电机定子电流三相单位有功分量v_a、v_b、v_c，其计算式分别为：

9)、根据同步发电机定子电流三相单位有功分量v_a、v_b、v_c与有功电流指令同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c与无功电流指令得到三相电流指令其计算式分别为：

10)、将同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc与三相电流指令做差后经过内环变频准比谐振调节器对同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc无静差跟踪，通过电流调节器输出得到调制电压u_aref、u_bref、u_cref，所述内环变频准比谐振调节器的传递函数为：

其中，s为拉普拉斯算子，K_R为比例调节器的比例系数，ω_o为调节器等效带宽，ω_m为同步发电机的转速；

11)、电流调节器输出的调制电压u_aref、u_bref、u_cref经SPWM波调制得到整流器开关管驱动的占空比信号d_a、d_b、d_c，从而实现整流器的控制。

上述技术方案中，步骤2)中直流侧参考电压为42V。

上述技术方案中，步骤3)中整流器直流侧电容电压u_dc的稳压值为42V。

上述技术方案中，步骤5)中需要引入一个纯积分环节，为避免纯积分环节受积分初始植和积分漂移影响，因此，用变频滤波器代替纯积分环节，变频滤波器的传递函数为:

其中，k取值为0.2。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车蓄电池充电后供电给汽车负载，其特征在于，包括以下步骤：

1)、通过信号采集模块采集同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，同步发电机的转速ω_m，整流器直流侧电容电压u_dc；

2)、通过直流侧参考电压和整流器直流侧电容电压u_dc做差后经PI调节器输出得到有功电流指令

3)、根据三相调制电压u_aref、u_bref、u_cref计算得到三相调制电压的幅值u_tref，计算公式为：

根据整流器直流侧电容电压u_dc的稳压值得到允许同步发电机发出的最大电压幅值u_max，通过同步发电机发出的最大电压幅值u_max和三相调制电压的幅值u_tref做差后经过PI调节器得到无功电流指令比较三相调制电压的幅值u_tref和同步发电机发出的最大电压幅值u_max的大小，如果u_tref-u_max≤0，则无功电流指令进行单位功率因数运行；如果u_tref-u_max＞0，则进行闭环弱磁控制；

4)、根据整流器直流侧电容电压u_dc与整流器的控制占空比信号d_a、d_b、d_c，计算得到同步发电机机端三相电压u_sa、u_sb、u_sc，其计算公式如下：

5)、通过同步发电机机端三相电压u_sa、u_sb、u_sc与同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc得到定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc，其计算公式如下：

其中，R_s为定子电阻；

6)、根据定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc与同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc计算得到转子磁链ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc，其计算公式如下：

其中，L_s为定子电感；

7)、根据转子磁链ψ_fa、ψ_fb、ψ_fc得到转子磁链的幅值ψ_f，其计算式为：

定义转子磁链方向为同步发电机定子电流无功功率的方向，得到同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c，其计算式分别为：

其中，ε取值为0.00001；

8)、根据同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c，构造得到同步发电机定子电流三相单位有功分量v_a、v_b、v_c，其计算式分别为：

9)、根据同步发电机定子电流三相单位有功分量v_a、v_b、v_c与有功电流指令同步发电机定子电流三相单位无功分量φ_a、φ_b、φ_c与无功电流指令得到三相电流指令其计算式分别为：

10)、将同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc与三相电流指令做差后经过内环变频准比谐振调节器对同步发电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc无静差跟踪，通过电流调节器输出得到调制电压u_aref、u_bref、u_cref，所述内环变频准比谐振调节器的传递函数为：

其中，s为拉普拉斯算子，K_R为比例调节器的比例系数，ω_o为调节器等效带宽，ω_m为同步发电机的转速；

11)、电流调节器输出的调制电压u_aref、u_bref、u_cref经SPWM波调制得到整流器开关管驱动的占空比信号d_a、d_b、d_c，从而实现整流器的控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，其特征在于：步骤5)中需要引入一个纯积分环节，为避免纯积分环节受积分初始值和积分漂移影响，因此，用变频滤波器代替纯积分环节，变频滤波器的传递函数为:

其中，k取值为0.2。