CN106612092B - 一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,该方法以电励磁双凸极电机电动运行时的电感特性为基础,针对功率变换器主开关管的开通与关闭提出了三相十二拍的控制策略。在确保电机运行可靠的前提下,为了抑制转矩脉动,提高输出转矩,本发明将一个电周期划分为12个阶段,每个阶段对应一种开关管的导通模态,控制相应方向的电流流入每相,使得该电机在一个电周期内形成12种工作状态。本发明不仅避免了由于在换相时刻加入死区时间(即上下开关管同时关闭)引起的转矩脉动,而且能充分利用电感的有效区间,通入相应方向的电流,这从一定程度上提高了输出转矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制策略,属于电机控制技术领域。
背景技术
电励磁双凸极电机是在永磁双凸极电机的基础上发展而来的。该电机用励磁绕组替代永磁双凸极电机定子磁钢,容易实现电动过程中的弱磁控制。这种电机结构简单、成本低、可靠性高、容错性好,在混合动力汽车、航空等领域具有广阔的应用前景。但与开关磁阻电机和永磁双凸极电机类似,电励磁双凸极电机在运行时也存在较明显的转矩脉动,造成电机转动噪音大、振动剧烈、转速波动大等问题,在一定程度上限制了其应用范围。
目前电励磁双凸极电机的主流控制策略有:三相三拍标准角控制策略、三相三拍提前角控制策略、三相六拍控制策略和三相九拍控制策略。三相三拍标准角控制策略实现简单,但效果不好,电机输出功率低,且转矩脉动大;三相三拍提前角控制策略,使电机性能有所提高,但死区时间的加入,仍然有较大的转矩脉动;三相六拍控制策略,使电机性能进一步提升,且转矩脉动也相应减小,但未能充分电感的有效区间,难以充分发挥转矩输出能力;三相九拍控制策略,充分利用电感变化的有效区域,使电励磁双凸极电机获得了更高的输出转矩,但仍然要加入死区时间,所以转矩脉动抑制不明显。
本发明以电励磁双凸极电机电动运行时的电感特性为基础,针对功率变换器主开关器件的开通与关闭提出了三相十二拍控制策略。在确保电机运行可靠的前提下,抑制了转矩脉动,提高了输出转矩。
发明内容
解决的问题
一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法:
将电励磁双凸极电机的一个电周期360°划分为12个阶段,每个阶段对应一种功率开关管的导通模态;所述功率开关管的导通模态分别为:阶段1的导通模态为Q5Q6导通,其余不导通;阶段2的导通模态为Q5Q6Q1导通,其余不导通;阶段3的导通模态为Q6Q1导通,其余不导通;阶段4的导通模态为Q6Q1Q2导通,其余不导通;阶段5的导通模态为Q1Q2导通,其余不导通;阶段6的导通模态为Q1Q2Q3导通,其余不导通;阶段7的导通模态为Q2Q3导通,其余不导通;阶段8的导通模态为Q2Q3Q4导通,其余不导通;阶段9的导通模态为Q3Q4导通,其余不导通;阶段10的导通模态为Q3Q4Q5导通,其余不导通;阶段11的导通模态为Q4Q5导通,其余不导通;阶段12的导通模态为Q4Q5Q6导通,其余不导通;各阶段对应通入的相电流依次为:C+B-、C+B-A+、B-A+、B-A+C-、A+C-、A+C-B+、C-B+、C-B+A-、B+A-、B+A-C+、A-C+、A-C+B-,其中“+”号表示正向导通,“-”号表示负向导通;
其中,所述电励磁双凸极电机中的功率变换器主电路包括6个开关管,即Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6;Q1、Q3、Q5为上开关管,Q2、Q4、Q6为下开关管;Q1控制A相正电流的流入,Q4控制A相负电流的流入,Q3控制B相正电流的流入,Q6控制B相负电流的流入,Q5控制C相正电流的流入,Q2控制C相负电流的流入。
进一步,还包括设置12个阶段的导通区间,具体如下:
在主电路一个下开关管的开通提前一个角度α的基础上,将主电路的一个上开关管的开通提前另一个角度β,在此基础上将主电路另一上开关管的开通提前一个角度γ;各个阶段的导通区间依次为:阶段1的导通区间为0°~120°-α-β-γ;阶段2的导通区间为120°-α-β-γ~120°-α-β;阶段3的导通区间为120°-α-β~120°-α;阶段4的导通区间为120°-α~120°;阶段5的导通区间为120°~240°-α-β-γ;阶段6的导通区间为240°-α-β-γ~240°-α-β;阶段7的导通区间为240°-α-β~240°-α;阶段8的导通区间为240°-α~240°;阶段9的导通区间为240°~360°-α-β-γ;阶段10的导通区间为360°-α-β-γ~360°-α-β;阶段11的导通区间为360°-α-β~360°-α;阶段12的导通区间为360°-α~360°。
进一步,所述方法的具体实现如下:
1、当0°≤θ<120°-α-β-γ时,B相和C相导通,A相关断,Q5Q6同时导通,C相电流为正,B相电流为负;
2、当120°-α-β-γ≤θ<120°-α-β时,B相、C相和A相导通,Q5Q6Q1同时导通,C相电流为正,B相电流为负,A相电流为正;
3、当120°-α-β≤θ<120°-α时,B相和A相导通,C相关断,Q6Q1同时导通,B相为负电流,A相为正电流;
4、当120°-α≤θ<120°时,B相、A相和C相导通,Q6Q1Q2同时导通,B相为负电流,A相为正电流,C相为负电流;
5、当120°≤θ<240°-α-β-γ时,A相和C相导通,B相关断,Q1Q2同时导通,A相为正电流,C相为负电流;
6、当240°-α-β-γ≤θ<240°-α-β时,A相、C相和B相导通,Q1Q2Q3同时导通,A相为正电流,C相为负电流,B相为正电流;
7、当240°-α-β≤θ<240°-α时,C相和B相导通,A相关断,Q2Q3同时导通,C相为负电流,B相为正电流;
8、当240°-α≤θ<240°时,C相、B相和A相导通,Q2Q3Q4同时导通,C相为负电流,B相为正电流,A相为负电流;
9、当240°≤θ<360°-α-β-γ时,B相和A相导通,C相关断,Q3Q4同时导通,B相为正电流,A相为负电流;
10、当360°-α-β-γ≤θ<360°-α-β时,B相、A相和C相导通,Q3Q4Q5同时导通,B相为正电流,A相为负电流,C相为正电流;
11、当360°-α-β≤θ<360°-α时,A相和C相开通,Q4Q5同时开通,A相为负电流,C相为正电流;
12、当360°-α≤θ<360°时,A相、C相和B相开通,Q4Q5Q6同时开通,A为负电流、C为正电流,B为负电流。
进一步,所述电励磁双凸极电机的定子、转子均采用硅钢片叠成;所述电励磁双凸极电机的励磁绕组和相绕组均置于定子槽中,转子无永磁体也无绕组,电机相绕组相序顺时针依次为A、B、C。
进一步,所述电机相绕组的通电模式设为:在电感上升区通入正电流,在电感下降区通入负电流,在电感不变区不通入电流。
进一步,所述电励磁双凸极电机在每次换相时,只有一个开关管变化,或为导通或为关闭。
本发明的有益效果:
1、针对转矩脉动较高问题,每次换相时,只有一个开关管变化(开通或关闭),这样开关管不会出现直通现象,避免了死区时间,也就是避免了相绕组中电流瞬间降到0,导致电机输出转矩瞬时为0而产生较大的转矩脉动。同时每次换相时,只有一个开关管变化,会使三相绕组在换相时只有一相电流变化,减小了换相引起的转矩脉动。
2、针对输出转矩低问题,三相十二拍控制策略充分利用了电感的有效区间,对每相通入相应方向的电流,提高了转矩的输出。具体来说,相比于三相六拍控制策略,三相十二拍控制策略利用了其未利用的电感有效区间,即在阶段6,A相通入正电流;在阶段12,A相通入负电流;在阶段4,B相通入负电流;在阶段10,B相通入正电流;在阶段2,C相通入正电流;在阶段8,C相通入负电流。
3、电机相绕组的通电模式设为“在电感上升区通入正电流,在电感下降区通入负电流,在电感不变区不通入电流”的原则,这样保证电机输出正转矩。
附图说明
图1为18/12极电励磁双凸极电机结构示意图;
图2为18/12极电励磁双凸极电机功率变换器主电路图;
图3为三相十二拍控制策略图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,该方法以电励磁双凸极电机电动运行时的电感特性为基础,针对功率变换器主开关管的开通与关闭提出了三相十二拍的控制策略。在确保电机运行可靠的前提下,为了抑制转矩脉动,提高输出转矩,本发明将一个电周期划分为12个阶段,每个阶段对应一种开关管的导通模态,控制相应方向的电流流入每相,使得该电机在一个电周期内形成12种工作状态。本发明不仅避免了由于在换相时刻加入死区时间(即上下开关管同时关闭)引起的转矩脉动,而且能充分利用电感的有效区间,通入相应方向的电流,这从一定程度上提高了输出转矩。
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示,本发明实例所用电机为一台功率为20KW的三相18/12极电励磁双凸极电机。该电励磁双凸极电机具有定子、转子、励磁绕组和相绕组。其中,电励磁双凸极电机定子、转子均采用硅钢片叠成,其励磁绕组和相绕组均置于定子槽中,转子无永磁体也无绕组,电机相绕组相序顺时针依次为A、B、C。
如图2所示,为功率变换器主电路。通过开关管的开通与关闭,来控制电机运行。其中,有6个开关管,即Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6,其中Q1、Q3、Q5为上开关管,Q2、Q4、Q6为下开关管。Q1控制A相正电流的流入,Q4控制A相负电流的流入,Q3控制B相正电流的流入,Q6控制B相负电流的流入,Q5控制C相正电流的流入,Q2控制C相负电流的流入。电励磁双凸极电机功率变换器主电路为三相全桥逆变器,其中,三相绕组采用星形连接。
图3为本发明的三相十二拍控制策略图。其中互感波形、自感波形、电流波形均为理想简化模型,Laf、Lbf、Lcf分别为A、B、C三相绕组与励磁绕组的互感,La、Lb、Lc分别为三相绕组的自感,ia、ib、ic分别为三相绕组电枢电流。根据本发明的三相十二拍控制策略,将一个电周期360°划分为12个阶段,每个阶段对应一种功率开关管的导通模态。这十二种功率开关管导通模态分别为:阶段1的导通模态为Q5Q6导通其余不导通、阶段2的导通模态为Q5Q6Q1导通其余不导通、阶段3的导通模态为Q6Q1导通其余不导通、阶段4的导通模态为Q6Q1Q2导通其余不导通、阶段5的导通模态为Q1Q2导通其余不导通、阶段6的导通模态为Q1Q2Q3导通其余不导通、阶段7的导通模态为Q2Q3导通其余不导通、阶段8的导通模态为Q2Q3Q4导通其余不导通、阶段9的导通模态为Q3Q4导通其余不导通、阶段10的导通模态为Q3Q4Q5导通其余不导通、阶段11的导通模态为Q4Q5导通其余不导通、阶段12的导通模态为Q4Q5Q6导通其余不导通,各阶段对应通入的相电流依次为:C+B-、C+B-A+、B-A+、B-A+C-、A+C-、A+C-B+、C-B+、C-B+A-、B+A-、B+A-C+、A-C+、A-C+B-,其中“+”号表示正向导通,“-”号表示负向导通。定义电机转子极与B相定子极对正为初始位置,电角度为0°,转子逆时针旋转。
具体实施步骤如下:
1、当0°≤θ<120°-α-β-γ时,B相和C相导通,A相关断,Q5Q6同时导通,C相电流为正,B相电流为负。
2、当120°-α-β-γ≤θ<120°-α-β时,B相、C相和A相导通,Q5Q6Q1同时导通,C相电流为正,B相电流为负,A相电流为正。
3、当120°-α-β≤θ<120°-α时,B相和A相导通,C相关断,Q6Q1同时导通,B相为负电流,A相为正电流。
4、当120°-α≤θ<120°时,B相、A相和C相导通,Q6Q1Q2同时导通,B相为负电流,A相为正电流,C相为负电流。
5、当120°≤θ<240°-α-β-γ时,A相和C相导通,B相关断,Q1Q2同时导通,A相为正电流,C相为负电流。
6、当240°-α-β-γ≤θ<240°-α-β时,A相、C相和B相导通,Q1Q2Q3同时导通,A相为正电流,C相为负电流,B相为正电流。
7、当240°-α-β≤θ<240°-α时,C相和B相导通,A相关断,Q2Q3同时导通,C相为负电流,B相为正电流。
8、当240°-α≤θ<240°时,C相、B相和A相导通,Q2Q3Q4同时导通,C相为负电流,B相为正电流,A相为负电流。
9、当240°≤θ<360°-α-β-γ时,B相和A相导通,C相关断,Q3Q4同时导通,B相为正电流,A相为负电流。
10、当360°-α-β-γ≤θ<360°-α-β时,B相、A相和C相导通,Q3Q4Q5同时导通,B相为正电流,A相为负电流,C相为正电流。
11、当360°-α-β≤θ<360°-α时,A相和C相开通,Q4Q5同时开通,A相为负电流,C相为正电流。
12、当360°-α≤θ<360°时,A相、C相和B相开通,Q4Q5Q6同时开通,A为负电流、C为正电流,B为负电流。
本发明所述控制策略一个周期导通逻辑及各相电流方向如表1所示。
表1
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,其特征在于,
将电励磁双凸极电机的一个电周期360°划分为12个阶段,每个阶段对应一种功率开关管的导通模态;所述功率开关管的导通模态分别为:阶段1的导通模态为Q5Q6导通,其余不导通;阶段2的导通模态为Q5Q6Q1导通,其余不导通;阶段3的导通模态为Q6Q1导通,其余不导通;阶段4的导通模态为Q6Q1Q2导通,其余不导通;阶段5的导通模态为Q1Q2导通,其余不导通;阶段6的导通模态为Q1Q2Q3导通,其余不导通;阶段7的导通模态为Q2Q3导通,其余不导通;阶段8的导通模态为Q2Q3Q4导通,其余不导通;阶段9的导通模态为Q3Q4导通,其余不导通;阶段10的导通模态为Q3Q4Q5导通,其余不导通;阶段11的导通模态为Q4Q5导通,其余不导通;阶段12的导通模态为Q4Q5Q6导通,其余不导通;各阶段对应通入的相电流依次为:C+B-、C+B-A+、B-A+、B-A+C-、A+C-、A+C-B+、C-B+、C-B+A-、B+A-、B+A-C+、A-C+、A-C+B-,其中“+”号表示正向导通,“-”号表示负向导通;
其中,所述电励磁双凸极电机中的功率变换器主电路包括6个开关管,即Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6;Q1、Q3、Q5为上开关管,Q2、Q4、Q6为下开关管;Q1控制A相正电流的流入,Q4控制A相负电流的流入,Q3控制B相正电流的流入,Q6控制B相负电流的流入,Q5控制C相正电流的流入,Q2控制C相负电流的流入;
还包括设置12个阶段的导通区间,具体如下:
在主电路一个下开关管的开通提前一个角度α的基础上,将主电路的一个上开关管的开通提前另一个角度β,在此基础上将主电路另一上开关管的开通提前一个角度γ;各个阶段的导通区间依次为:阶段1的导通区间为0°~120°-α-β-γ;阶段2的导通区间为120°-α-β-γ~120°-α-β;阶段3的导通区间为120°-α-β~120°-α;阶段4的导通区间为120°-α~120°;阶段5的导通区间为120°~240°-α-β-γ;阶段6的导通区间为240°-α-β-γ~240°-α-β;阶段7的导通区间为240°-α-β~240°-α;阶段8的导通区间为240°-α~240°;阶段9的导通区间为240°~360°-α-β-γ;阶段10的导通区间为360°-α-β-γ~360°-α-β;阶段11的导通区间为360°-α-β~360°-α;阶段12的导通区间为360°-α~360°。
2.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,其特征在于,所述方法的具体实现如下:
1、当0°≤θ<120°-α-β-γ时,B相和C相导通,A相关断,Q5Q6同时导通,C相电流为正,B相电流为负;
2、当120°-α-β-γ≤θ<120°-α-β时,B相、C相和A相导通,Q5Q6Q1同时导通,C相电流为正,B相电流为负,A相电流为正;
3、当120°-α-β≤θ<120°-α时,B相和A相导通,C相关断,Q6Q1同时导通,B相为负电流,A相为正电流;
4、当120°-α≤θ<120°时,B相、A相和C相导通,Q6Q1Q2同时导通,B相为负电流,A相为正电流,C相为负电流;
5、当120°≤θ<240°-α-β-γ时,A相和C相导通,B相关断,Q1Q2同时导通,A相为正电流,C相为负电流;
6、当240°-α-β-γ≤θ<240°-α-β时,A相、C相和B相导通,Q1Q2Q3同时导通,A相为正电流,C相为负电流,B相为正电流;
7、当240°-α-β≤θ<240°-α时,C相和B相导通,A相关断,Q2Q3同时导通,C相为负电流,B相为正电流;
8、当240°-α≤θ<240°时,C相、B相和A相导通,Q2Q3Q4同时导通,C相为负电流,B相为正电流,A相为负电流;
9、当240°≤θ<360°-α-β-γ时,B相和A相导通,C相关断,Q3Q4同时导通,B相为正电流,A相为负电流;
10、当360°-α-β-γ≤θ<360°-α-β时,B相、A相和C相导通,Q3Q4Q5同时导通,B相为正电流,A相为负电流,C相为正电流;
11、当360°-α-β≤θ<360°-α时,A相和C相开通,Q4Q5同时开通,A相为负电流,C相为正电流;
12、当360°-α≤θ<360°时,A相、C相和B相开通,Q4Q5Q6同时开通,A为负电流、C为正电流,B为负电流。
3.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,其特征在于,所述电励磁双凸极电机的定子、转子均采用硅钢片叠成;所述电励磁双凸极电机的励磁绕组和相绕组均置于定子槽中,转子无永磁体也无绕组,电机相绕组相序顺时针依次为A、B、C。
4.根据权利要求3所述的一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,其特征在于,所述电机相绕组的通电模式设为:在电感上升区通入正电流,在电感下降区通入负电流,在电感不变区不通入电流。
5.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的电励磁双凸极电机的控制方法,其特征在于,所述电励磁双凸极电机在每次换相时,只有一个开关管变化,或为导通或为关闭。
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