適用於電動汽車驅動用的新型調速系統及電流分配方法
2023-05-09 00:49:06 2
專利名稱：適用於電動汽車驅動用的新型調速系統及電流分配方法
技術領域：
本發明屬於電機控制領域，具體地說是涉及一種適用於電動汽車驅動用的HESM 調速系統，並在該調速系統中對電流如何分配提出了方法。
背景技術：
由於傳統汽車帶來能源緊缺、ニ氧化碳過度排放、空氣汙染等當代人類社會資源環境問題，因此，國內外很多汽車產品生產企業尋覓低碳化發展道路。新能源汽車應運而生，成為低碳經濟催生出的新產業增長點。在新能源汽車的發展戰略中，世界大多數國家的未來戰略目標基本鎖定混合動力、純電動和氫燃料電池三種新能源汽車。而這三種新能源汽車都是用電池作為動力，由於電池容量有限，因此對純電動汽車來說，其續航能力就成為制約電動汽車發展的一個關鍵因素，提高電動汽車的續航能力，不僅要從新的大容量電池研發著手，同時電動汽車驅動用電機結構性能的改善和電機調速系統性能的優化，對電動汽車節能和續航能力的提升，都有非常重要的作用。因此，電動汽車對驅動用的電機及控制系統，不同於普通的エ業和民用環境，一般有以下幾個方面的要求1、基速以下大轉矩以適應快速啟動、爬坡、加速、頻繁啟動等要求，基速以上小轉矩、恆功率、寬範圍以適應高速行駛和超車要求。2、整個調速範圍內的效率最優化，以謀求電池一次充電後的續航距離儘可能長。3、電機及電機控制裝置結構堅固、體積小、重量輕、免維護或少維護、抗顛簸震動。4、汽車要適應各種路面，而路面狀況複雜多變，平路表現為恆轉矩負載，路面凹凸不平時則為不規則擾動，上下坡又表現為勢能負載，因此，要求驅動控制系統適應能力特別強。目前，電動汽車上所採用的電機主要是永磁同步電機和無刷直流電機，這2類電機都可以較好地滿足了電動汽車對效率、功率密度等眾多指標的要求。但是在這2類電機中，產生氣隙磁場的永磁體對外加磁勢的磁阻很大，電機氣隙磁場難以調節致使其調速範圍受限。HESM是在永磁同步電機和電勵磁同步電機的基礎上發展起來的，內部包含永磁體磁勢和電勵磁磁勢兩個磁勢源。永磁體產生的磁勢為主磁勢，勵磁繞組產生的磁勢為輔助磁勢。因此這種電機既具有永磁同步電機效率高、轉矩/質量比大的特點，同時又具有電勵磁同步電機調磁方便、調磁容量大的優點，使電機具備很寬的調速範圍，非常適用於電動汽車驅動。近年來，國內外學者、專家對HESM的理論研究及本體設計做了大量研究工作，取得了很多有意義的成果。國內已經有不少關於HESM的專利。如專利號為200510040938. 7 的專利「混合勵磁無刷爪極電動機」、專利號為200510112091. 9的專利「雙饋電混合勵磁軸向磁場永磁電機」、專利號為「200510112090. 4」的專利「旁路式混合勵磁電機」等，這些專利介紹不同混合勵磁電機結構、功能及調磁特性。但是，對該類電機的驅動系統研究相對較少也不太深入。目前已有的文獻大多是從控制理論，動態仿真的角度來進行研究，尚未見對一般HESM給出完整的基於矢量控制的總銅耗最小的最優效率控制方案。
發明內容
本發明要解決的技術問題是為電動汽車提供ー種低速大轉矩及寬調速範圍的新型調速系統，該調速系統在整個調速範圍應用電樞和勵磁繞組總銅耗最小的電流優化控制算法，所設計的電機調速系統，不僅滿足了電動汽車低速大轉矩與寬調速範圍的要求，而且有效降低電機功耗，實現電機效率的最優化。為實現上述目的，本發明的新型調速系統，採用了如下技術方案一種適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，它從HESM電機主電路中採集相電流iA，iB和勵磁電流if，從HESM電機上採集實時轉速η,，將採集到的相電流變換後得到d_q 軸電流id與レd-q軸電流id、iq分別與電流分配器中得到d軸參考電流idMf、q軸參考電流比較並做PID運算後，經過反派克變換及空間矢量電壓脈寬調製後，輸出脈衝信號控制電樞驅動模塊相應功率管的導通與關斷，勵磁電流if與勵磁參考電流ifref經過勵磁驅動信號產生模塊輸出控制勵磁驅動模塊相應功率管的導通與關斷，所述的HESM電機為雙定子結構，電樞繞組設置在外定子上，內定子安裝勵磁繞組；電機轉子為爪極形式，爪極上永磁磁鋼與導磁鐵芯交錯放置，且永磁磁鋼與導磁鐵芯的面積之比為2 1。所述的相電流iA，iB依次在Clarke模塊和Park模塊中進行Clarke變換和Park 變換，得到兩相旋轉直角坐標系下的d軸電流id和q軸電流i,；將實測轉速與給定轉速 nref進行比較，比較值在速度控制器中進行PID運算，得到電磁轉矩參考值TCTef ；將電磁轉矩參考值、直流母線電壓實時檢測值Ud。、實測轉速送入電流分配器中，電流分配器對電樞電流和勵磁電流進行最優分配，輸出d軸參考電流idref、q軸參考電流和勵磁參考電
イノI し Ifref ；其中，d軸參考電流idref和q軸參考電流分別與d軸電流id和q軸電流i,進行比較，並將比較值分別送入d軸電流控制器和q軸電流控制器中進行PID運算，得到d軸電壓Ud和q軸電壓Uq，d軸電壓Ud和q軸電壓Uq在Ipark模塊中經過Ipark變換，得到靜止兩相坐標系下的電壓信號，該電壓信號傳遞到SVPWM模塊中經過空間電壓矢量變換後， 輸出控制脈衝信號來控制電樞驅動模塊中相應功率管的導通與關斷；勵磁參考電流與實測的勵磁電流if傳遞到勵磁電流驅動信號產生模塊，勵磁電流驅動信號產生模塊輸出脈衝信號到勵磁驅動模塊中，來控制勵磁驅動模塊中相應功率管的導通與關斷。電樞驅動模塊的3個輸出端分別連接到HESM的3相繞組上，控制HESM電機的電樞電流；勵磁驅動模塊的2個輸出端分別連接到HESM電機的勵磁繞組兩端，控制勵磁繞組電流，使HESM做增磁或弱磁運行。在從HESM電機上採集的實測轉速nr之前，確定HESM電機轉子的初始位置光電編碼器與HESM電機的轉子同軸安裝，隨轉子轉動時輸出兩組六路脈衝信號；其中一組脈衝信號是相位相差60電角度的U，V，W信號，各脈衝寬度為180電角度，這組信號在電機啟動時用於轉子磁極粗略定位，該組信號輸入到信號處理單元，信號處理單元根據捕捉到的UVW 值，控制電機啟動，電機開始運行後，在轉過小於或等於一周的時間內，會捕捉到光電編碼器輸出的復位脈衝信號，根據所述的復位脈衝信號得到電機轉子的初始位置；光電編碼器輸出的另ー組脈衝信號包含1路復位信號和2路正交編碼脈衝信號，這ー組信號也輸入到信號處理單元中，信號處理單元對2路正交編碼脈衝信號進行計數並計算處理，實時算出電機轉子的準確位置即轉子轉過的電角度theta和實時轉速η,。一種電流分配器的電流分配方法，它根據HESM電機所處的速度區域，分別採用不同的控制策略，使HESM電機在各區域均能保持效率最優的運行狀態(1)中低速區控制當電機轉速小於或等於弱磁基速吋，HESM處於中低速運行區域，該區域採用的控制算法是在基於轉子磁場定向的矢量控制基礎上，採用電機電樞與勵磁繞組總銅耗最小的電流最優控制；(2)高速區控制當電機轉速高於弱磁基速吋，HESM處於高速運行區域，在該區域採用的控制算法是在給定的反電勢基值も_下，且在保持電機反電勢基本恆定的基礎上， 實施d軸電流與勵磁電流共同弱磁調速並確保d軸電流與勵磁電流總銅耗最小的電流最優控制。採用上述技術方案的本發明，適用於電動汽車驅動的HESM為並聯磁路結構電機， 這種HESM的特點是轉子磁極分割，電機內永磁體與勵磁繞組產生的氣隙磁通是並聯關係， 勵磁繞組產生的磁通大部分不通過永磁體而是通過與永磁體並聯的鐵芯進入氣隙，這樣就降低了調磁迴路的磁阻，提升了勵磁電流調節氣隙磁場的能力；此外這類結構電機另ー優點是，無論勵磁繞組通電流後產生的磁通對氣隙磁通起增強或是減弱的作用，電機轉子磁鋼均不存在永久去磁的風險。除上述優點，結合d軸電樞電流進行弱磁調速吋，由於所產生的磁通路徑與勵磁繞組電流產生的磁通相同，同樣具有很好的氣隙磁場調節能力及不會導致永磁體發生永久去磁風險。本發明的新型調速系統，根據電機特性，將調速區域劃分為兩個區域中低速運行區實施增磁或無勵磁控制方式，電機在不過流的情況下獲得較大電磁轉矩，電樞電流和勵磁電流的分配採用總銅耗最小的電流優化控制方式進行；高速運行區在基於保持電機反電勢基本恆定的情況下，採用銅耗最小的弱磁控制方法對勵磁電流和d軸電流進行協調控制，可擴展恆功率區和提升電機的最高轉速，使電機獲得遠高於額定轉速的高速運行能力。
圖1為本發明中HESM電機的徑向剖視圖。圖2為本發明中HESM電機的轉子立體圖。圖3為本發明的原理圖。圖4為本發明中電流分配器的原理圖。圖5為本發明HESM電機啟動過程實驗電流波形。圖6為本發明HESM弱磁運行穩態電流實驗波形圖。圖7為本發明HESM電機在不同轉速下的最大輸出轉矩圖。圖8為本發明HESM電機在不同轉速下最大輸出功率的波形圖。
具體實施例方式如圖1、圖2所示，一種適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，它從HESM電機主電路中採集相電流iA，iB和勵磁電流if JAHESM電機上採集實時轉速も，將採集到的相電流變換後得到d_q軸電流id與i,，id、iq分別與電流分配器中得到d軸參考電流idMf、q軸參考電流比較並做PID運算後，經過反派克變換及空間矢量電壓脈寬調製後，輸出脈衝信號控制電樞驅動模塊相應功率管的導通與關斷，勵磁電流if與勵磁參考電流ifref經過勵磁驅動信號產生模塊輸出控制勵磁驅動模塊相應功率管的導通與關斷。在本發明中，HESM 電機1為雙定子結構，設置在外殼104內，外殼104兩端設置端蓋106。上述的雙定子結構是指電機定子由外定子和內定子構成，外定子包括定子鐵芯103和電樞繞組109，內定子由勵磁繞組支架110和勵磁繞組108構成；設置在軸107上的電機轉子105為爪極形式，爪極上永磁磁鋼101與導磁鐵芯102交錯放置，且永磁磁鋼101與導磁鐵芯102的面積之比為
2 し調速系統的工作原理如圖2所示，帶磁極定位信號増量式光電編碼器2與HESM電機1的轉子同軸安裝，隨轉子轉動時輸出2組6路脈衝信號，其中1組脈衝信號是相位相差60電角度的U，V，W信號，各脈衝寬度為180電角度，這組信號在電機啟動時用於轉子磁極粗略定位，該信號輸入到信號處理單元17，信號處理單元17根據捕捉到的UVW值，採用類似無刷直流電機一次導通兩相的步進運行方式，控制電機啟動，電機開始運行後，在轉過小於或等於一周的時間內，會捕捉到光電編碼器輸出的復位脈衝信號，捕捉到復位脈衝之後，電機轉子的初始位置也就確定了，電機的運行狀態就從步進運行方式跳出，進入矢量控制運行模式。光電編碼器輸出的另ー組脈衝信號包含1路復位信號和2路正交編碼脈衝信號，這ー組信號也輸入到信號處理單元17中，信號處理單元17對2路正交編碼脈衝信號進行計數並計算處理，實時算出電機轉子的準確位置即轉子轉過的電角度theta和實時轉速 nr，光電編碼器的復位信號有2個作用，其一如上所述用於電機啟動時控制模式切換，其ニ 用於對計數器清零，電機每轉ー圈發出ー個脈衝，通過中斷程序清零計數器，避免電機運行過程中累積誤差。3個霍爾電流傳感器18對HESM的相電流和勵磁電流進行測量，得到A相和B相電流iA和iB及勵磁電流if，相電流iA和iB連接到Clarke模塊16的輸入端，經過三相靜止坐標繫到兩相靜止坐標系的克拉克變換後，得到電流ia和ie，ia和ie傳遞到Park模塊 15，根據轉子磁場定向進行旋轉坐標變換，得到d軸電流id和q軸電流、。從信號處理模塊17得到的實時計算轉速，與給定參考轉速相減，比較值送入到速度控制器13中進行PID運算，得到電磁轉矩參考值TCTef，TCTef與給定參考轉速n,ef、實測轉速r^、直流母線電壓實時檢測值Ud。、勵磁電流if和d軸電流id送入電流分配器12中，電流分配器12對電樞電流和勵磁電流進行最優分配，輸出電樞與勵磁電流參考值iftrf、idref及 Iqref0 iqref和idref分別與、和id相減，所得結果分別傳遞到d軸電流控制器10和q軸電流控制器中進行PID運算，得到d、q軸電壓Ud和Uq，Ud和Uq送入Ipark模塊9，經過Ipark模塊9做反派克變換後，將兩相旋轉坐標系下的電壓值變換到靜止直角坐標系下的電壓Ua， u0,ua,U0傳遞到SVPWM模塊7，經過電壓空間矢量脈寬調製後，輸出控制脈衝信號PWMl 6，這6路脈衝信號控制電樞驅動模塊(4)相應功率管的導通與關斷。勵磁電流參考值ifref 與實測值if傳遞到If Driver PWM模塊8，由該模塊得到4路脈衝信號PWM7 10，該4路脈衝信號輸入到勵磁驅動模塊5中，控制勵磁驅動模塊對應的4個功率管的導通與關斷。電樞驅動模塊4的3個輸出端分別連接到HESM的3相繞組上，控制HESM的電樞電流；勵磁驅
7動模塊5的2個輸出端分別連接到HESM的勵磁繞組兩端，控制勵磁繞組電流，使HESM做增 磁或弱磁運行。如圖3所示，電流分配器12是本發明所述的新型調速系統的ー個核心功能模塊， 該模塊在基於磁場定向與分區控制基礎上，根據電機所處的速度區域，分別採用不同的控 制算法，使電機在各速度區域都能保持電樞與勵磁繞組總銅耗最小的電流分配最優化控制 模式。具體控制策略類似於普通永磁同步電機控制系統，可以把HESM的調速範圍分為2個 區域來進行分區控制，區域I ( ^ nBdec)為弱磁基速以下中低速運行區域，實施增磁或無勵 磁控制方式，電機可以在不過流的情況下獲得較大電磁轉矩，電樞電流和勵磁電流的控制 採用總銅耗最小的電流最優分配模式進行；區域ΙΙ「>ηΒ( 為弱磁基速以上的高速運行 區，該區域在基於保持電機反電勢基本恆定的情況下，採用銅耗最小的弱磁控制方法對勵 磁電流和d軸電流進行協調控制，可擴展恆功率區和提升電機的最高轉速，使電機獲得遠 高於額定轉速的高速運行能力。下面進ー步分析電機的分區控制原理，不失一般性，對於普通的HESM，根據矢量控 制原理，採用d-q軸坐標系，可得到HESM的幾個基本方程。電路方程
權利要求
1.一種適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，它從HESM電機主電路中採集相電流 iA，iB和勵磁電流if，從HESM電機上採集實時轉速η,，將採集到的相電流變換後得到d_q軸電流id與i,，d-q軸電流id、iq分別與電流分配器中得到d軸參考電流idMf、q軸參考電流 iqref比較並做PID運算後，經過反派克變換及空間矢量電壓脈寬調製後，輸出脈衝信號控制電樞驅動模塊相應功率管的導通與關斷，勵磁電流「與勵磁參考電流ifref經過勵磁驅動信號產生模塊輸出控制勵磁驅動模塊相應功率管的導通與關斷，其特徵在於所述的HESM電機(1)為雙定子結構，電樞繞組(109)設置在外定子上，內定子安裝勵磁繞組(108)；電機轉子(105)為爪極形式，爪極上永磁磁鋼(101)與導磁鐵芯(102)交錯放置，且永磁磁鋼 (101)與導磁鐵芯(102)的面積之比為2 1。
2.根據權利要求1所述的適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，其特徵在於所述的相電流iA，iB依次在Clarke模塊和Park模塊中進行Clarke變換和Park變換，得到兩相旋轉直角坐標系下的d軸電流id和q軸電流i,；將實測轉速r^與給定轉速nMf進行比較， 比較值在速度控制器中進行PID運算，得到電磁轉矩參考值；將電磁轉矩參考值TCTrf、 直流母線電壓實時檢測值Ud。、實測轉速送入電流分配器中，電流分配器對電樞電流和勵磁電流進行最優分配，輸出d軸參考電流idMf、q軸參考電流和勵磁參考電流；其中，d軸參考電流idref和q軸參考電流分別與d軸電流id和q軸電流i,進行比較，並將比較值分別送入d軸電流控制器和q軸電流控制器中進行PID運算，得到d軸電壓Ud和q軸電壓Uq，d軸電壓Ud和q軸電壓Uq在Ipark模塊中經過Ipark變換，得到靜止兩相坐標系下的電壓信號，該電壓信號傳遞到SVPWM模塊中經過空間電壓矢量變換後，輸出控制脈衝信號來控制電樞驅動模塊中相應功率管的導通與關斷；勵磁參考電流ifref與實測的勵磁電流if傳遞到勵磁電流驅動信號產生模塊，勵磁電流驅動信號產生模塊輸出脈衝信號到勵磁驅動模塊中，來控制勵磁驅動模塊中相應功率管的導通與關斷。
3.根據權利要求2所述的適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，其特徵在於電樞驅動模塊的3個輸出端分別連接到HESM的3相繞組上，控制HESM電機的電樞電流；勵磁驅動模塊的2個輸出端分別連接到HESM電機的勵磁繞組兩端，控制勵磁繞組電流，使HESM做增磁或弱磁運行。
4.根據權利要求1所述的適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，其特徵在於在從 HESM電機上採集的實測轉速η,之前，確定HESM電機轉子的初始位置光電編碼器與HESM 電機的轉子同軸安裝，隨轉子轉動時輸出兩組六路脈衝信號；其中一組脈衝信號是相位相差60電角度的U，V，W信號，各脈衝寬度為180電角度，這組信號在電機啟動時用於轉子磁極粗略定位，該組信號輸入到信號處理單元，信號處理單元根據捕捉到的UVW值，控制電機啟動，電機開始運行後，在轉過小於或等於一周的時間內，會捕捉到光電編碼器輸出的復位脈衝信號，根據所述的復位脈衝信號得到電機轉子的初始位置；光電編碼器輸出的另一組脈衝信號包含1路復位信號和2路正交編碼脈衝信號，這一組信號也輸入到信號處理單元中，信號處理單元對2路正交編碼脈衝信號進行計數並計算處理，實時算出電機轉子的準確位置即轉子轉過的電角度theta和實時轉速η,。
5.一種如權利要求1中電流分配器的電流分配方法，其特徵在於它根據HESM電機所處的速度區域，分別採用不同的控制策略，使HESM電機在各區域均能保持效率最優的運行狀態(1)中低速區控制當電機轉速小於或等於弱磁基速吋，HESM處於中低速運行區域，該區域採用的控制算法是在基於轉子磁場定向的矢量控制基礎上，採用電機電樞與勵磁繞組總銅耗最小的電流最優控制；(2)高速區控制當電機轉速高於弱磁基速吋，HESM處於高速運行區域，在該區域採用的控制算法是在給定的反電勢基值下，且在保持電機反電勢基本恆定的基礎上，實施d軸電流與勵磁電流共同弱磁調速並確保d軸電流與勵磁電流總銅耗最小的電流最優控制。
全文摘要
一種適用於電動汽車驅動用的新型調速系統，它從HESM電機主電路中採集相電流iA，iB和勵磁電流if，從HESM電機上採集實時轉速nr，將採集到的相電流變換後得到d-q軸電流id與iq，d-q軸電流id、iq分別與電流分配器中得到d軸參考電流idref、q軸參考電流iqref比較並做PID運算後，經過反派克變換及空間矢量電壓脈寬調製後，輸出脈衝信號控制電樞驅動模塊相應功率管的導通與關斷，勵磁電流if與勵磁參考電流ifref經過勵磁驅動信號產生模塊輸出控制勵磁驅動模塊相應功率管的導通與關斷，所述的HESM電機為雙定子結構，電樞繞組設置在外定子上，內定子安裝勵磁繞組；電機轉子為爪極形式，爪極上永磁磁鋼與導磁鐵芯交錯放置，且永磁磁鋼與導磁鐵芯的面積之比為2∶1。
文檔編號H02P21/14GK102545766SQ20121001273
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者周成虎, 徐其興, 李娜, 李小魁, 王剛, 駱繼明, 黃明明 申請人:河南工程學院