一種適用於混合動力汽車的電勵磁雙凸極電機的控制方法與流程

2023-10-17 07:43:59

本發明涉及一種適用於混合動力汽車的電勵磁雙凸極電機的控制策略，屬於電機控制技術領域。

背景技術：

電勵磁雙凸極電機是在永磁雙凸極電機的基礎上發展而來的。該電機用勵磁繞組替代永磁雙凸極電機定子磁鋼，容易實現電動過程中的弱磁控制。這種電機結構簡單、成本低、可靠性高、容錯性好，在混合動力汽車、航空等領域具有廣闊的應用前景。但與開關磁阻電機和永磁雙凸極電機類似，電勵磁雙凸極電機在運行時也存在較明顯的轉矩脈動，造成電機轉動噪音大、振動劇烈、轉速波動大等問題，在一定程度上限制了其應用範圍。

目前電勵磁雙凸極電機的主流控制策略有：三相三拍標準角控制策略、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。三相三拍標準角控制策略實現簡單，但效果不好，電機輸出功率低，且轉矩脈動大；三相三拍提前角控制策略，使電機性能有所提高，但死區時間的加入，仍然有較大的轉矩脈動；三相六拍控制策略，使電機性能進一步提升，且轉矩脈動也相應減小，但未能充分電感的有效區間，難以充分發揮轉矩輸出能力；三相九拍控制策略，充分利用電感變化的有效區域，使電勵磁雙凸極電機獲得了更高的輸出轉矩，但仍然要加入死區時間，所以轉矩脈動抑制不明顯。

本發明以電勵磁雙凸極電機電動運行時的電感特性為基礎，針對功率變換器主開關器件的開通與關閉提出了三相十二拍控制策略。在確保電機運行可靠的前提下，抑制了轉矩脈動，提高了輸出轉矩。

技術實現要素：

解決的問題

一種適用於混合動力汽車的電勵磁雙凸極電機的控制方法：

將電勵磁雙凸極電機的一個電周期360°劃分為12個階段，每個階段對應一種功率開關管的導通模態；所述功率開關管的導通模態分別為：階段1的導通模態為Q5Q6導通，其餘不導通；階段2的導通模態為Q5Q6Q1導通，其餘不導通；階段3的導通模態為Q6Q1導通，其餘不導通；階段4的導通模態為Q6Q1Q2導通，其餘不導通；階段5的導通模態為Q1Q2導通，其餘不導通；階段6的導通模態為Q1Q2Q3導通，其餘不導通；階段7的導通模態為Q2Q3導通，其餘不導通；階段8的導通模態為Q2Q3Q4導通，其餘不導通；階段9的導通模態為Q3Q4導通，其餘不導通；階段10的導通模態為Q3Q4Q5導通，其餘不導通；階段11的導通模態為Q4Q5導通，其餘不導通；階段12的導通模態為Q4Q5Q6導通，其餘不導通；各階段對應通入的相電流依次為：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「+」號表示正嚮導通，「－」號表示負嚮導通；

其中，所述電勵磁雙凸極電機中的功率變換器主電路包括6個開關管，即Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6；Q1、Q3、Q5為上開關管，Q2、Q4、Q6為下開關管；Q1控制A相正電流的流入，Q4控制A相負電流的流入，Q3控制B相正電流的流入，Q6控制B相負電流的流入，Q5控制C相正電流的流入，Q2控制C相負電流的流入。

進一步，還包括設置12個階段的導通區間，具體如下：

在主電路一個下開關管的開通提前一個角度α的基礎上，將主電路的一個上開關管的開通提前另一個角度β，在此基礎上將主電路另一上開關管的開通提前一個角度γ；各個階段的導通區間依次為：階段1的導通區間為0°～120°－α－β－γ；階段2的導通區間為120°－α－β－γ～120°－α－β；階段3的導通區間為120°－α－β～120°－α；階段4的導通區間為120°－α～120°；階段5的導通區間為120°～240°－α－β－γ；階段6的導通區間為240°－α－β－γ～240°－α－β；階段7的導通區間為240°－α－β～240°－α；階段8的導通區間為240°－α～240°；階段9的導通區間為240°～360°－α－β－γ；階段10的導通區間為360°－α－β－γ～360°－α－β；階段11的導通區間為360°－α－β～360°－α；階段12的導通區間為360°－α～360°。

進一步，所述方法的具體實現如下：

1、當0°≤θ<120°－α－β－γ時，B相和C相導通，A相關斷，Q5Q6同時導通，C相電流為正，B相電流為負；

2、當120°－α－β－γ≤θ<120°－α－β時，B相、C相和A相導通，Q5Q6Q1同時導通，C相電流為正，B相電流為負，A相電流為正；

3、當120°－α－β≤θ<120°－α時，B相和A相導通，C相關斷，Q6Q1同時導通，B相為負電流，A相為正電流；

4、當120°－α≤θ<120°時，B相、A相和C相導通，Q6Q1Q2同時導通，B相為負電流，A相為正電流，C相為負電流；

5、當120°≤θ<240°－α－β－γ時，A相和C相導通，B相關斷，Q1Q2同時導通，A相為正電流，C相為負電流；

6、當240°－α－β－γ≤θ<240°－α－β時，A相、C相和B相導通，Q1Q2Q3同時導通，A相為正電流，C相為負電流，B相為正電流；

7、當240°－α－β≤θ<240°－α時，C相和B相導通，A相關斷，Q2Q3同時導通，C相為負電流，B相為正電流；

8、當240°－α≤θ<240°時，C相、B相和A相導通，Q2Q3Q4同時導通，C相為負電流，B相為正電流，A相為負電流；

9、當240°≤θ<360°－α－β－γ時，B相和A相導通，C相關斷，Q3Q4同時導通，B相為正電流，A相為負電流；

10、當360°－α－β－γ≤θ<360°－α－β時，B相、A相和C相導通，Q3Q4Q5同時導通，B相為正電流，A相為負電流，C相為正電流；

11、當360°－α－β≤θ<360°－α時，A相和C相開通，Q4Q5同時開通，A相為負電流，C相為正電流；

12、當360°－α≤θ<360°時，A相、C相和B相開通，Q4Q5Q6同時開通，A為負電流、C為正電流，B為負電流。

進一步，所述電勵磁雙凸極電機的定子、轉子均採用矽鋼片疊成；所述電勵磁雙凸極電機的勵磁繞組和相繞組均置於定子槽中，轉子無永磁體也無繞組，電機相繞組相序順時針依次為A、B、C。

進一步，所述電機相繞組的通電模式設為：在電感上升區通入正電流，在電感下降區通入負電流，在電感不變區不通入電流。

進一步，所述電勵磁雙凸極電機在每次換相時，只有一個開關管變化，或為導通或為關閉。

本發明的有益效果：

1、針對轉矩脈動較高問題，每次換相時，只有一個開關管變化(開通或關閉)，這樣開關管不會出現直通現象，避免了死區時間，也就是避免了相繞組中電流瞬間降到0，導致電機輸出轉矩瞬時為0而產生較大的轉矩脈動。同時每次換相時，只有一個開關管變化，會使三相繞組在換相時只有一相電流變化，減小了換相引起的轉矩脈動。

2、針對輸出轉矩低問題，三相十二拍控制策略充分利用了電感的有效區間，對每相通入相應方向的電流，提高了轉矩的輸出。具體來說，相比於三相六拍控制策略，三相十二拍控制策略利用了其未利用的電感有效區間，即在階段6，A相通入正電流；在階段12，A相通入負電流；在階段4，B相通入負電流；在階段10，B相通入正電流；在階段2，C相通入正電流；在階段8，C相通入負電流。

3、電機相繞組的通電模式設為「在電感上升區通入正電流，在電感下降區通入負電流，在電感不變區不通入電流」的原則，這樣保證電機輸出正轉矩。

附圖說明

圖1為18/12極電勵磁雙凸極電機結構示意圖；

圖2為18/12極電勵磁雙凸極電機功率變換器主電路圖；

圖3為三相十二拍控制策略圖。

具體實施方式

本發明的目的在於提供一種適用於混合動力汽車的電勵磁雙凸極電機的控制方法，該方法以電勵磁雙凸極電機電動運行時的電感特性為基礎，針對功率變換器主開關管的開通與關閉提出了三相十二拍的控制策略。在確保電機運行可靠的前提下，為了抑制轉矩脈動，提高輸出轉矩，本發明將一個電周期劃分為12個階段，每個階段對應一種開關管的導通模態，控制相應方向的電流流入每相，使得該電機在一個電周期內形成12種工作狀態。本發明不僅避免了由於在換相時刻加入死區時間(即上下開關管同時關閉)引起的轉矩脈動，而且能充分利用電感的有效區間，通入相應方向的電流，這從一定程度上提高了輸出轉矩。

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

如圖1所示，本發明實例所用電機為一臺功率為20KW的三相18/12極電勵磁雙凸極電機。該電勵磁雙凸極電機具有定子、轉子、勵磁繞組和相繞組。其中，電勵磁雙凸極電機定子、轉子均採用矽鋼片疊成，其勵磁繞組和相繞組均置於定子槽中，轉子無永磁體也無繞組，電機相繞組相序順時針依次為A、B、C。

如圖2所示，為功率變換器主電路。通過開關管的開通與關閉，來控制電機運行。其中，有6個開關管，即Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，其中Q1、Q3、Q5為上開關管，Q2、Q4、Q6為下開關管。Q1控制A相正電流的流入，Q4控制A相負電流的流入，Q3控制B相正電流的流入，Q6控制B相負電流的流入，Q5控制C相正電流的流入，Q2控制C相負電流的流入。電勵磁雙凸極電機功率變換器主電路為三相全橋逆變器，其中，三相繞組採用星形連接。

圖3為本發明的三相十二拍控制策略圖。其中互感波形、自感波形、電流波形均為理想簡化模型，Laf、Lbf、Lcf分別為A、B、C三相繞組與勵磁繞組的互感，La、Lb、Lc分別為三相繞組的自感，ia、ib、ic分別為三相繞組電樞電流。根據本發明的三相十二拍控制策略，將一個電周期360°劃分為12個階段，每個階段對應一種功率開關管的導通模態。這十二種功率開關管導通模態分別為：階段1的導通模態為Q5Q6導通其餘不導通、階段2的導通模態為Q5Q6Q1導通其餘不導通、階段3的導通模態為Q6Q1導通其餘不導通、階段4的導通模態為Q6Q1Q2導通其餘不導通、階段5的導通模態為Q1Q2導通其餘不導通、階段6的導通模態為Q1Q2Q3導通其餘不導通、階段7的導通模態為Q2Q3導通其餘不導通、階段8的導通模態為Q2Q3Q4導通其餘不導通、階段9的導通模態為Q3Q4導通其餘不導通、階段10的導通模態為Q3Q4Q5導通其餘不導通、階段11的導通模態為Q4Q5導通其餘不導通、階段12的導通模態為Q4Q5Q6導通其餘不導通，各階段對應通入的相電流依次為：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「+」號表示正嚮導通，「－」號表示負嚮導通。定義電機轉子極與B相定子極對正為初始位置，電角度為0°，轉子逆時針旋轉。

具體實施步驟如下：

1、當0°≤θ<120°－α－β－γ時，B相和C相導通，A相關斷，Q5Q6同時導通，C相電流為正，B相電流為負。

2、當120°－α－β－γ≤θ<120°－α－β時，B相、C相和A相導通，Q5Q6Q1同時導通，C相電流為正，B相電流為負，A相電流為正。

3、當120°－α－β≤θ<120°－α時，B相和A相導通，C相關斷，Q6Q1同時導通，B相為負電流，A相為正電流。

4、當120°－α≤θ<120°時，B相、A相和C相導通，Q6Q1Q2同時導通，B相為負電流，A相為正電流，C相為負電流。

5、當120°≤θ<240°－α－β－γ時，A相和C相導通，B相關斷，Q1Q2同時導通，A相為正電流，C相為負電流。

6、當240°－α－β－γ≤θ<240°－α－β時，A相、C相和B相導通，Q1Q2Q3同時導通，A相為正電流，C相為負電流，B相為正電流。

7、當240°－α－β≤θ<240°－α時，C相和B相導通，A相關斷，Q2Q3同時導通，C相為負電流，B相為正電流。

8、當240°－α≤θ<240°時，C相、B相和A相導通，Q2Q3Q4同時導通，C相為負電流，B相為正電流，A相為負電流。

9、當240°≤θ<360°－α－β－γ時，B相和A相導通，C相關斷，Q3Q4同時導通，B相為正電流，A相為負電流。

10、當360°－α－β－γ≤θ<360°－α－β時，B相、A相和C相導通，Q3Q4Q5同時導通，B相為正電流，A相為負電流，C相為正電流。

11、當360°－α－β≤θ<360°－α時，A相和C相開通，Q4Q5同時開通，A相為負電流，C相為正電流。

12、當360°－α≤θ<360°時，A相、C相和B相開通，Q4Q5Q6同時開通，A為負電流、C為正電流，B為負電流。

本發明所述控制策略一個周期導通邏輯及各相電流方向如表1所示。

表1

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們並非用以限制本發明的保護範圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護範圍之內。