CN114928277A - 利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，具体包括如下步骤：S1、准备；S2、升压；S3、调磁；S4、复原；S5、终止。本发明有效地提高了母线电压，解决了调磁电压需求不足的问题，提升了调磁电流上限和调磁能力；合理使用了常见的电动汽车驱动系统结构，无需增加额外的Boost电路，避免对电机驱动电路做大改动，同时还提高了设备利用率，具有较好的成本效益。解决了现有技术中变磁通记忆电机在高速下调磁电压需求高，致使驱动系统调磁能力不足的问题。

Description

利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法
技术领域
本发明属于变磁通记忆电机领域，具体涉及一种利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法。
背景技术
变磁通记忆电机(variable flux memory machine，VFMM)是一种利用低矫顽力永磁体磁化状态易改变的特点，利用一定的电流脉冲改变永磁体磁链的永磁电机。传统永磁电机的永磁体磁化状态和磁链固定，无法改变，在高速运行时需要引入持续的弱磁电流，避免反电动势过大以至于端电压超出直流电源和变换器的电压输出范围。弱磁电流的存在导致电机损耗上升，整体效率下降，同时对电机散热提出了更高的要求。而变磁通记忆电机中包含了低矫顽力永磁体，这种永磁体的磁化状态易改变，通过一定峰值的电流脉冲产生磁场可以对其实现充磁或去磁操作，从而达到永磁磁链调节的目的。灵活的调磁操作使得变磁通记忆电机对弱磁的需求更低，高速时效率更高，调速范围也更宽广。调磁操作可以通过在与永磁体同步旋转的转子绕组上施加电流实现，也可以在定子绕组中施加直轴脉冲电流。
一般而言，在低速度范围内电机采取高磁化状态以获得大转矩，在高速度范围内采取低磁化状态以获得宽速域。因为永磁电机反电动势的大小与电机转速呈现正相关关系，在高速下电机变换器最大电压输出能力与电机反电势间的可用裕度较小，限制了电流调节能力。当变磁通电机处于高速运行的状态下，电机由于电压供给限制可能无法实现足够大的调磁电流，这对调磁的及时性带来了影响。特别地，当在电机高速运行并处于减速制动过程时，需要在适当的时刻施加充磁电流时以及时调节至高磁化状态来获得大转矩，此时电压供给不足的问题更为严重。
在专利文献1(CN101803176)中记载了一种利用Boost升压电路解决高转速下调磁电压需求高问题的方法。在这种方法中Boost电路只在高转速下调磁母线电压不足时进行升压，在其他状态下保持恒压输出。虽然这种方法可以有效解决调磁电压需求高的问题，但是该Boost电路增加了系统的复杂度和成本，也增加了故障率和损耗。
泵升电压是指电机驱动系统中电机处于发电机状态时，若回馈到直流端的能量无法被消耗时累积在母线电容上，导致直流母线电压上升的现象。这种现象容易造成较大的过电压，严重时会损害器件，一直被作为电机驱动系统的缺陷进行分析，因此对其研究集中在避免和抑制的方法上。
电动汽车启动时，若上电之前直流母线电容处于零状态，那么在电路闭合瞬间相当于直接短路，产生的大电流会对设备造成损害。因此电动汽车的动力系统一般会在启动时投入由预充电电阻和继电器组成的预充电电路以减小冲击电流，直到检测到直流母线侧电压和电池电压相差足够小时再切除预充电电流，以起到保护系统的作用。
针对上述问题，现提出一种利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，解决了现有技术中变磁通记忆电机在高速下调磁电压需求高，致使驱动系统调磁能力不足的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，适用于一种变磁通记忆电机驱动系统，其中变磁通记忆电机驱动系统包括：直流电源、电源开关、预充电电阻、预充电开关、母线电容、变换器和变磁通记忆电机。
所述直流电源可以接收回馈电流，能够为逆变器的直流侧供电，直流电源的实际形式为动力电池，在形成通路的情况下可以接受变磁通记忆电机的回馈电流。
逆变器直流侧母线电容和由电源开关以及预充电电阻和预充电开关组成对电容的预充电电路。
所述变换器为PWM逆变器。
利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，具体包括如下步骤：
S1、准备
控制系统发出调磁指令后，迅速控制直流侧母线电流的有效值至零或保证电源开关可以安全断开的电流值，预充电开关保持断开；
S2、升压
断开电源开关，从而阻止能量回馈到直流电源，此时母线电容上的母线电压与直流电源解耦，然后通过控制逆变器和电机在母线电容上的回馈功率，实现母线电压泵升，直到母线电压升至预设目标值；
S3、调磁
母线电压升压完成后，控制逆变器使电机电流按预设波形实现充磁、去磁操作，预设波形的形状通常为梯形波或正弦半波，其峰值为充去磁操作所需的电流值，在该调磁过程中，同时控制逆变器和电机的回馈功率，以确保调磁过程中的母线电压高于电源电压；
S4、复原
调磁过程结束后，通过预充电开关的闭合投入预充电电路电阻，利用预充电电阻和电机驱动系统的损耗消耗母线电容上的能量，实现母线电压下降；
S5、终止
当母线电压和电源电压之差小于预设阈值时，进行电源开关的安全闭合，并断开预充电开关以切除预充电电阻，在线调磁完成，电机回归到常态转矩输出状态，按照既定的驱动策略控制电机运行。
进一步的，所述S2中控制逆变器和电机在母线电容上的回馈功率的具体方法是：通过控制电机输出足够大的制动转矩，使电机动能转化为电能回馈到母线端实现电容升压。
进一步的，所述S3中通过控制直轴电流大小以实现充去磁，控制交轴电流以实现控制电机回馈功率流动方向。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，有效地提高了母线电压，解决了调磁电压需求不足的问题，提升了调磁电流上限和调磁能力；
2、本发明提出的利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，合理使用了常见的电动汽车驱动系统结构，无需增加额外的Boost电路，避免对电机驱动电路做大改动，同时还提高了设备利用率，具有较好的成本效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的变磁通记忆电机驱动系统结构示意图；
图2是本发明实施例的整体流程示意图；
图3是本发明实施例的时序状态示意图；
图4是本发明实施例的未实施本发明的仿真结果图；
图5是本发明实施例的实施本发明的仿真结果图；
图6是本发明实施例的电机驱动系统中典型的具有吸收泵升电压效果的并联支路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法适用于一种变磁通记忆电机驱动系统，其中变磁通记忆电机驱动系统包括：直流电源101、电源开关102、预充电电阻103、预充电开关104、母线电容105、变换器106和变磁通记忆电机107。
所述直流电源101可以接收回馈电流，能够为逆变器的直流侧供电，直流电源101的实际形式为动力电池，在形成通路的情况下可以接受变磁通记忆电机107的回馈电流；
逆变器直流侧母线电容105和由电源开关102以及预充电电阻103和预充电开关104组成对电容的预充电电路；
所述变换器106为PWM逆变器。
如图2所示，一种利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，具体包括如下步骤：
S1、准备201
控制系统发出调磁指令后，迅速控制直流侧母线电流109的有效值至零或保证电源开关可以安全断开的电流值，预充电开关104保持断开；
S2、升压202
断开电源开关102，从而阻止能量回馈到直流电源，此时母线电容105上的母线电压108与直流电源101解耦，然后通过控制逆变器和电机在母线电容上的回馈功率，实现母线电压泵升，直到母线电压升至预设目标值，该目标值低于电气系统可允许的最大值；
S3、调磁203
母线电压升压完成后，控制逆变器使电机电流按预设波形实现充磁、去磁操作，预设波形的形状通常为梯形波、正弦半波或带偏置的正弦波，其峰值为充去磁操作所需的电流值，在该调磁过程中，同时控制逆变器和电机的回馈功率，以确保调磁过程中的母线电压高于电源电压；
S4、复原204
调磁过程结束后，通过预充电开关104的闭合投入预充电电路电阻103，利用预充电电阻和电机驱动系统的损耗消耗母线电容105上的能量，实现母线电压下降；
S5、终止205
当母线电压和电源电压之差小于预设阈值206时，进行电源开关102的安全闭合，并断开预充电开关104以切除预充电电阻，在线调磁完成，电机回归到常态转矩输出状态，按照既定的驱动策略控制电机运行。
在调磁指令发出前，电源开关保持闭合，预充电电阻103切除，电机正常运行，母线电压和直流电源电压一致，设定调磁前都处于减速制动状态。一般认为，电机的机械变化远远慢于电气变化，且调磁过程耗时很短，所以前后的工作状态不变，即调磁后也处于减速制动状态。
S2中，控制逆变器和电机在母线电容上的回馈功率的具体方法是：通过控制电机输出足够大的制动转矩，使电机动能转化为电能回馈到母线端实现电容升压。
S3中，通过控制直轴电流大小以实现充去磁，控制交轴电流以实现控制电机回馈功率流动方向。
本实施例中：
S1、准备201
在时刻t1，控制系统发出调磁指令；在时间段t1到t2内，迅速控制电机母线流通电流Idc109的有效值至零电流或保证电源开关可以安全断开的电流值，预充电开关104保持断开；
S2、升压202
在时刻t2，电源开关断开，阻止能量回馈到直流电源。此时母线电压与电源电压解耦，使得电压泵升成为可能，随后，控制变换器106及变磁通记忆电机107在母线电容105上的回馈功率，实现母线电压泵升，直到母线电压升至预设目标值，该目标值应低于电气系统可允许的最大值；
S3、调磁203
在时刻t3，母线电压达到目标值，升压完成，控制逆变器使电机直轴电流按预设波形实现充磁操作，预设波形的形状为带偏置的正弦波，其峰值为充去磁操作所需的电流值；
在该调磁过程中，同时控制逆变器和电机的回馈功率维持调磁所需的母线电压，通过控制电机输出足够大的制动转矩，使电机动能转化为电能回馈到母线端实现电容升压；
更具体地，通过控制直轴电流大小以实现充去磁，控制交轴电流以实现控制电机回馈功率流动方向，若母线电压下降过低，需要通过控制交轴电流以获得回馈功率，保证电压最小值相比比初始值足够高。需要指出的是，此阶段的母线电压波动情况受到具体的电流环实现方式影响，因此仅仅是一个示意图，表明此阶段的母线电压保持比初始电压高的状态；
S4、复原204
在时刻t4，调磁过程结束，投入预充电电路的预充电开关104，控制变换器106及变磁通记忆电机107损耗消耗在母线电容105能量，实现母线电压下降，直到母线电压和电源电压之差小于预设阈值206；
S5、终止205
在时刻t5，当母线电压和电源电压之差小于预设阈值时，进行电源开关102的安全闭合，并断开预充电开关104以切除预充电电阻，此时电机回归到常态转矩输出状态，按照既定的驱动策略控制电机运行。
至此，整个在线调磁过程完成，电机进入到新的磁化状态下的常态运行。整个过程在短时间内完成，能够基本保证电机机械扭矩输出的连续性。
如图3所示，分别表示直流母线电压值Udc108、电源开关102导通情况，和预充电开关104导通情况在整个在线调磁过程中变化情况。
图4和图5分别为未利用泵升电压现象的调磁过程和利用泵升电压现象后的调磁过程的仿真结果图。两者之间除此之外的其他条件保持一致。从上至下分别为直轴电流跟踪情况，交轴电流跟踪情况，直流母线电压变化情况，电源开关导通情况，预充电开关变化情况和电机永磁磁链变化情况。
具体地，两者电源电压都为150V，电机转速1200rpm，调磁指令发出都在0.05s时刻。图4为未利用泵升电压现象的调磁过程中的情况，由于电源开关保持闭合，母线电压固定在150V，当施加目标峰值为+20A的正弦波直轴调磁电流参考值时，由于母线电压不足，实际直轴电流峰值仅有不到13A，电流跟随效果较差，远远未能达到目标，调磁失败；图5为利用了泵升电压现象的调磁过程中的情况，升压目标值为250V，从图中可以看出，当采用本发明的升压控制策略，实际直轴电流可以较好地跟踪调磁电流参考值，最终峰值电流19.6A，误差很小，可以认定完成了调磁目标。仿真结果验证了本发明策略的有效性。
图6是具有吸收泵升电压效果的并联支路的示意图。其中(a)为最常见的制动电阻电路，由制动电阻和功率开关管组成，通过开通功率开关管消耗电能以降低母线电压；(b)为电网回馈电路，通过有源逆变器将能量回馈到电网；(c)为超级电容储能电路，通过DCDC变换器控制与母线间的能量流动。当驱动系统具备这些并联电路时，在S1、S2、S3和S5中，不启用并联电路吸收母线能量，避免影响母线电压；在S4中，启用并吸收母线能量以进一步加快电压恢复过程。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，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 (4)

1.利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，其特征在于，适用于一种变磁通记忆电机驱动系统，其中变磁通记忆电机驱动系统包括：直流电源(101)、电源开关(102)、预充电电阻(103)、预充电开关(104)、母线电容(105)、变换器(106)和变磁通记忆电机(107)；
所述直流电源(101)可以接收回馈电流，能够为逆变器的直流侧供电，直流电源(101)的实际形式为动力电池，在形成通路的情况下可以接受变磁通记忆电机(107)的回馈电流；
逆变器直流侧母线电容(105)和由电源开关(102)以及预充电电阻(103)和预充电开关(104)组成对电容的预充电电路；
所述变换器(106)为PWM逆变器。
2.根据权利要求1所述的利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、准备
控制系统发出调磁指令后，迅速控制直流侧母线电流(109)的有效值至零或保证电源开关可以安全断开的电流值，预充电开关(104)保持断开；
S2、升压
断开电源开关(102)，从而阻止能量回馈到直流电源，此时母线电容(105)上的母线电压(108)与直流电源(101)解耦，然后通过控制逆变器和电机在母线电容上的回馈功率，实现母线电压泵升，直到母线电压升至预设目标值；
S3、调磁
母线电压升压完成后，控制逆变器使电机电流按预设波形实现充磁、去磁操作，预设波形的形状通常为梯形波、正弦半波或带偏置的正弦波，其峰值为充去磁操作所需的电流值，在该调磁过程中，同时控制逆变器和电机的回馈功率，以确保调磁过程中的母线电压高于电源电压；
S4、复原
调磁过程结束后，通过预充电开关(104)的闭合投入预充电电路电阻(103)，利用预充电电阻和电机驱动系统的损耗消耗母线电容(105)上的能量，实现母线电压下降；
S5、终止
当母线电压和电源电压之差小于预设阈值时，进行电源开关(102)的安全闭合，并断开预充电开关(104)以切除预充电电阻，在线调磁完成，电机回归到常态转矩输出状态，按照既定的驱动策略控制电机运行。
3.根据权利要求2所述的利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，其特征在于，所述S2中控制逆变器和电机在母线电容上的回馈功率的具体方法是：通过控制电机输出足够大的制动转矩，使电机动能转化为电能回馈到母线端实现电容升压。
4.根据权利要求2所述的利用泵升电压现象提高变磁通记忆电机在线调磁能力方法，其特征在于，所述S3中通过控制直轴电流大小以实现充去磁，控制交轴电流以实现控制电机回馈功率流动方向。
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