CN111865157B - 一种永磁磁阻级联发电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种永磁磁阻级联发电机控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁磁阻级联发电机控制系统，包括同轴串联的PMG和SRG，还包括：整流电路，选用三相不可控整流电路，连接在PMG上，用以将PMG输出变为直流电，并输出给功率变换器；功率变换器，选用他励式不对称半桥结构，连接在SRG上，用以控制SRG工作，同时还能输出电能；DSP控制器，连接整流电路、功率变换器，用以采集相应电压、电流信号，通过驱动电路输出驱动信号控制功率变换器工作，本发明提高了系统整体的可靠性，提高了安全系数，控制方式简单，易于操作。

Description

一种永磁磁阻级联发电机控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别涉及一种永磁磁阻级联发电机。
背景技术
目前车用发电系统都以单个电机发电，发电机大多采用电励磁发电机，这使得发电机的励磁电压只能从蓄电池获得，无法保证蓄电池无电以及蓄电池损坏的情况下正常运行。电励磁发电机的磁场依靠绕组线圈通电产生，导致发电机效率低，功率密度有所下降。永磁发电机（PMG）效率高、功率密度大，但永磁体的固有特性，导致磁场强度不可调控，输出电压需通过相应的可控整流器调节。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁磁阻级联发电机控制系统及其控制方法，用于解决现有的车用发电控制系统低速发电性能差、蓄电池损坏无法启动、电励磁式效率低、永磁发电机励磁不可控的问题，提高车用发电机的宽转速范围发电性能。
本发明的目的是这样实现的：一种永磁磁阻级联发电机控制系统，包括同轴串联的所述PMG和SRG，还包括：
整流电路，选用三相不可控整流电路，连接在PMG上，用以将PMG输出变为直流电，并输出给功率变换器；
功率变换器，选用他励式不对称半桥结构，连接在SRG上，用以控制SRG工作，同时还能输出电能；
DSP控制器，连接所述整流电路、功率变换器，用以采集相应电压、电流信号，通过驱动电路输出驱动信号控制功率变换器工作，具体为：
在转速较低时，直流电经SRG绕组、功率变换器构成的BOOST电路升压输出电能；在转速较高时，直流电经SRG绕组、功率变换器构成的BUCK电路降压输出电能；在正常转速范围内，PMG首先作为SRG的励磁电机，SRG选用无位置传感器控制方法，通过控制功率变换器开关管的开断，实现PMG和SRG共同发电。
作为本发明的进一步限定，所述三相不可控整流电路和他励式不对称半桥结构级联形成主电路拓扑结构，他励式不对称半桥结构也为三相结构，其中，
A相结构包括两个开关管S1，S2，两个续流二极管D7，D8，开关管S1集电极接主电路的正极，开关管S1发射极接续流二极管D7的阴极以及SRG A相线圈一端，开关管S2集电极接SRG A相线圈的另一端以及续流二极管D8的阳极，开关管S2的发射极与续流二极管D7的阳极接主电路的负极；
B相结构包括两个开关管S3，S4，两个续流二极管D9，D10，开关管S3集电极接主电路的正极，开关管S3发射极接续流二极管D9的阴极以及SRG B相线圈一端，开关管S4集电极接SRG B相线圈的另一端以及续流二极管D10的阳极，开关管S4的发射极与续流二极管D9的阳极接主电路的负极；
C相结构包括两个开关管S5，S6，两个续流二极管D11，D12，开关管S5集电极接主电路的正极，开关管S5发射极接续流二极管D11的阴极以及SRG C相线圈一端，开关管S6集电极接SRG线圈的另一端以及续流二极管D12的阳极，开关管S6的发射极与续流二极管D11的阳极接主电路的负极；
续流二极管D8的阴极、续流二极管D10的阴极、续流二极管D12的阴极并联后作为输出端子。
作为本发明的进一步限定，所述主电路中还包括后置于他励式不对称半桥结构的滤波电路。
作为本发明的进一步限定，所述DSP控制器控制功率变换器工作的方法具体为：
对PMG的输出电压进行判定，若输出电压低于设定的第一阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BOOST电路提升输出电压，闭合开关管S1、S3、S5，控制器控制开关管S2、S4、S6的占空比，在闭环控制下，将输出电压升高；
若PMG输出电压高于设定的第一阈值电压且低于第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成不对称半桥电路实现PMG和SRG共同发电，闭合开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，PMG的输出电压给SRG励磁，SRG发电时，开关管S1、S3、S5保持闭合，只断开开关管S2、S4、S6，实时测量输出端子电压，通过闭环控制SRG在全导通控制下的电流斩波值大小，维持输出电压在充电电压；
若PMG输出电压高于设定的第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BUCK电路降低输出电压，闭合开关管S2、S4、S6，控制器控制开关管S1、S3、S5的占空比，在闭环控制下，将输出电压降低至第二阈值电压。
一种永磁磁阻级联发电机控制方法，采用上述永磁磁阻级联发电机控制系统，包括以下步骤：
步骤1）检测PMG的输出电压；
步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体为：
步骤2-1）若输出电压低于设定的第一阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BOOST电路提升输出电压，闭合开关管S1、S3、S5，控制器控制开关管S2、S4、S6的占空比，在闭环控制下，将输出电压升高；
步骤2-2）若PMG输出电压高于设定的第一阈值电压且低于第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成不对称半桥电路实现PMG和SRG共同发电，闭合开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，PMG的输出电压给SRG励磁，SRG发电时，开关管S1、S3、S5保持闭合，只断开开关管S2、S4、S6，实时测量输出端子电压，通过闭环控制SRG在全导通控制下的电流斩波值大小，维持输出电压在充电电压；
步骤2-3）若PMG输出电压高于设定的第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BUCK电路降低输出电压，闭合开关管S2、S4、S6，控制器控制开关管S1、S3、S5的占空比，在闭环控制下，将输出电压降低至第二阈值电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用永磁磁阻级联发电系统，SRG的励磁电压可以通过PMG发电机整流后得到，不再需要额外的蓄电池；即使蓄电池损坏，通过人工推车，仍可通过主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BOOST电路升压至充电电压给汽车打火；在发动机转速处于正常范围内，采用主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的不对称半桥电路，实现PMG和SRG共同发电；在发动机转速极快(PMG输出电压高)时，又可通过主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BUCK电路降压至充电电压给蓄电池充电；此外，本发明提高了系统整体的可靠性，提高了安全系数，控制方式简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明所用永磁磁阻级联发电机同轴串联结构图。
图2为本发明所用永磁磁阻级联发电机优化结构图。
图3为本发明所用永磁磁阻级联发电机功率变换器拓扑。
图4为本发明所用低速情况下主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BOOST电路输入/输出电压波形。
图5为本发明所用永磁磁阻级联发电机控制方法流程图。
图6为本发明所用永磁磁阻级联发电机样机试验平台。
图7为本发明所用SRG三相发电电流波形。
图8为本发明所用永磁磁阻级联发电机各速度阶段蓄电池恒压充电时电压波形。
图9为本发明所用主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BUCK电路输入/输出电压波形。
图10为本发明所用SRG相电流斩波波形（a斩波值2A，（b）斩波值4A，（c）斩波值6A。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示的一种永磁磁阻级联发电机控制系统，包括同轴串联的永磁发电机（永磁同步发电机或者无刷直流发电机，简称PMG）和开关磁阻发电机（SRG），为了减小电机体积，如图2所示，两发电机可去除联轴器，将两种发电机用一根轴加工在一个机壳内，PMG和SRG的转轴通过动态扭矩传感器与原动机相连，通过原动机进行动力输出模拟发动机给出的动力带动PMG和SRG工作，本实施例还包括：
整流电路，选用三相不可控整流电路，连接在PMG上，用以将PMG输出变为直流电，并输出给功率变换器；
功率变换器，选用他励式不对称半桥结构，连接在SRG上，用以控制SRG工作，同时还能输出电能给负载或蓄电池；
DSP控制器，连接整流电路、功率变换器，用以采集相应电压、电流信号，通过驱动电路输出驱动信号控制功率变换器工作，具体为：
在转速较低时，直流电经SRG绕组、功率变换器构成的BOOST电路升压输出电能给负载或蓄电池；在转速较高时，直流电经SRG绕组、功率变换器构成的BUCK电路降压输出电能给负载或蓄电池；在正常转速范围内，PMG首先作为SRG的励磁电机，SRG选用无位置传感器控制方法，通过控制功率变换器开关管的开断，实现PMG和SRG共同发电。
如图3所示，三相不可控整流电路、他励式不对称半桥结构级联以及后置于他励式不对称半桥结构的滤波电路形成主电路拓扑结构，后置低通滤波电路，可减少蓄电池充电时的电压纹波，他励式不对称半桥结构为三相结构，具体为：
A相结构包括两个开关管S1，S2，两个续流二极管D7，D8，开关管S1集电极接主电路的正极，开关管S1发射极接续流二极管D7的阴极以及SRG A相线圈一端，开关管S2集电极接SRG A相线圈的另一端以及续流二极管D8的阳极，开关管S2的发射极与续流二极管D7的阳极接主电路的负极；
B相结构包括两个开关管S3，S4，两个续流二极管D9，D10，开关管S3集电极接主电路的正极，开关管S3发射极接续流二极管D9的阴极以及SRG B相线圈一端，开关管S4集电极接SRG B相线圈的另一端以及续流二极管D10的阳极，开关管S4的发射极与续流二极管D9的阳极接主电路的负极；
C相结构包括两个开关管S5，S6，两个续流二极管D11，D12，开关管S5集电极接主电路的正极，开关管S5发射极接续流二极管D11的阴极以及SRG C相线圈一端，开关管S6集电极接SRG线圈的另一端以及续流二极管D12的阳极，开关管S6的发射极与续流二极管D11的阳极接主电路的负极；
续流二极管D8的阴极、续流二极管D10的阴极、续流二极管D12的阴极并联后作为输出端子。
为了直观体现出PMG+SRG发电及优化PMG+SRG发电的相关参数，实验采用了永磁磁阻电机分开联轴转动方案，这使得整套系统的空间增大。后续为了减小空间的浪费，扩大系统的优势，将PMG与SRG置于同一电机内，去除联轴器，将两种发电机用一根轴加工在一个机壳内。图2给出了永磁磁阻级联发电机优化结构示意图。
如图5所示的一种永磁磁阻级联发电机控制系统的控制方法：包括以下步骤：
步骤1）检测PMG的输出电压；
步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体为：
步骤2-1）若输出电压低于设定的第一阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BOOST电路提升输出电压，闭合开关管S1、S3、S5，控制器控制开关管S2、S4、S6的占空比，在闭环控制下，将输出电压升高；
步骤2-2）若PMG输出电压高于设定的第一阈值电压且低于充电电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成不对称半桥电路实现PMG和SRG共同发电，闭合开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，PMG的输出电压给SRG励磁，SRG发电时，开关管S1、S3、S5保持闭合，只断开开关管S2、S4、S6，实时测量蓄电池/负载两端电压，通过闭环控制SRG在全导通控制下的电流斩波值Iref大小，维持输出电压在充电电压；
步骤2-3）若PMG输出电压高于设定的充电电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BUCK电路降低输出电压，闭合开关管S2、S4、S6，控制器控制开关管S1、S3、S5的占空比，在闭环控制下，将输出电压降低至第二阈值电压。
图4为主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BOOST电路输入/输出电压波形。为了实现电机的连续运行，电机起动后先依据PMG的输出电压，判定系统状态，再对不同状态下的过程进行判定，具体流程如图5所示。
如图6所示，为了验证本说明所提控制方法的有效性，搭建了样机试验平台以及控制平台， PMG和SRG同轴串联而成。数字信号处理器选用DSP TMS320F28335，驱动电路以驱动光耦HCPL-3120为驱动芯片，滤波电路选用LCL滤波。
利用采样电路检测PMG发电机以及SRG的发电电压，同时通过LEM电流传感器检测三相开关磁阻发电机每相的发电电流，波形如图7所示。图8给出了永磁磁阻级联发电机各速度段给蓄电池恒压充电时的电压波形，由图可知，通过电压闭环控制，永磁发电机速度变化时，能有效的调节电流斩波限值，维持输出电压在充电电压。
由于发动机转速范围较宽，可以以较高转速运行，使得永磁式直流发电机的输出电压大于额定电压，此时，输出电压高于蓄电池充电电压以及车内蓄电池/负载的额定电压；为了保证蓄电池的正常充电以及车内蓄电池/负载的正常运行，以主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BUCK电路，通过闭环控制调节开关管的占空比，维持输出电压稳定在充电电压，图9为主电路中SRG绕组、功率开关管和二极管构成的BUCK电路输入/输出电压波形。图10则给出了SRG在不同电流斩波限值下的电流波形，由图可知，通过控制电流斩波限值，可以有效的控制SRG相电流的峰值电流，同时，在电流下降区，控制电流斩波限值可以有效的对相电流进行控制。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种永磁磁阻级联发电机控制系统，其特征在于，包括同轴串联的PMG和SRG，还包括：
整流电路，选用三相不可控整流电路，连接在PMG上，用以将PMG输出变为直流电，并输出给功率变换器；
功率变换器，选用他励式不对称半桥结构，连接在SRG上，用以控制SRG工作，同时还能输出电能；
DSP控制器，连接所述整流电路、功率变换器，用以采集相应电压、电流信号，通过驱动电路输出驱动信号控制功率变换器工作，具体为：
在转速较低时，直流电经SRG绕组、功率变换器构成的BOOST电路升压输出电能；在转速较高时，直流电经SRG绕组、功率变换器构成的BUCK电路降压输出电能；在正常转速范围内，PMG首先作为SRG的励磁电机，SRG选用无位置传感器控制方法，通过控制功率变换器开关管的开断，实现PMG和SRG共同发电。
2.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻级联发电机控制系统，其特征在于，所述三相不可控整流电路和他励式不对称半桥结构级联形成主电路拓扑结构，他励式不对称半桥结构也为三相结构，其中，
A相结构包括两个开关管S1，S2，两个续流二极管D7，D8，开关管S1集电极接主电路的正极，开关管S1发射极接续流二极管D7的阴极以及SRG A相线圈一端，开关管S2集电极接SRGA相线圈的另一端以及续流二极管D8的阳极，开关管S2的发射极与续流二极管D7的阳极接主电路的负极；
B相结构包括两个开关管S3，S4，两个续流二极管D9，D10，开关管S3集电极接主电路的正极，开关管S3发射极接续流二极管D9的阴极以及SRG B相线圈一端，开关管S4集电极接SRG B相线圈的另一端以及续流二极管D10的阳极，开关管S4的发射极与续流二极管D9的阳极接主电路的负极；
C相结构包括两个开关管S5，S6，两个续流二极管D11，D12，开关管S5集电极接主电路的正极，开关管S5发射极接续流二极管D11的阴极以及SRG C相线圈一端，开关管S6集电极接SRG线圈的另一端以及续流二极管D12的阳极，开关管S6的发射极与续流二极管D11的阳极接主电路的负极；
续流二极管D8的阴极、续流二极管D10的阴极、续流二极管D12的阴极并联后作为输出端子。
3.根据权利要求2所述的一种永磁磁阻级联发电机控制系统，其特征在于，所述主电路中还包括后置于他励式不对称半桥结构的滤波电路。
4.根据权利要求2所述的一种永磁磁阻级联发电机控制系统，其特征在于，所述DSP控制器控制功率变换器工作的方法具体为：
对PMG的输出电压进行判定，若输出电压低于设定的第一阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BOOST电路提升输出电压，闭合开关管S1、S3、S5，控制器控制开关管S2、S4、S6的占空比，在闭环控制下，将输出电压升高；
若PMG输出电压高于设定的第一阈值电压且低于第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成不对称半桥电路实现PMG和SRG共同发电，闭合开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，PMG的输出电压给SRG励磁，SRG发电时，开关管S1、S3、S5保持闭合，只断开开关管S2、S4、S6，实时测量输出端子电压，通过闭环控制SRG在全导通控制下的电流斩波值大小，维持输出电压在充电电压；
若PMG输出电压高于设定的第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BUCK电路降低输出电压，闭合开关管S2、S4、S6，控制器控制开关管S1、S3、S5的占空比，在闭环控制下，将输出电压降低至第二阈值电压。
5.一种永磁磁阻级联发电机控制方法，采用如权利要求1-3中任一项所述的永磁磁阻级联发电机控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）检测PMG的输出电压；
步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体为：
步骤2-1）若输出电压低于设定的第一阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BOOST电路提升输出电压，闭合开关管S1、S3、S5，控制器控制开关管S2、S4、S6的占空比，在闭环控制下，将输出电压升高；
步骤2-2）若PMG输出电压高于设定的第一阈值电压且低于第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成不对称半桥电路实现PMG和SRG共同发电，闭合开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，PMG的输出电压给SRG励磁，SRG发电时，开关管S1、S3、S5保持闭合，只断开开关管S2、S4、S6，实时测量输出端子电压，通过闭环控制SRG在全导通控制下的电流斩波值大小，维持输出电压在充电电压；
步骤2-3）若PMG输出电压高于设定的第二阈值电压，此时采用主电路中SRG绕组、功率变换器构成BUCK电路降低输出电压，闭合开关管S2、S4、S6，控制器控制开关管S1、S3、S5的占空比，在闭环控制下，将输出电压降低至第二阈值电压。
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