一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法。构建混合储能单元，混合储能单元输出接至三相逆变器输入，三相逆变器输出接无刷直流电机三相绕组；处于制动，根据混合储能单元和三相逆变器构建两种制动矢量，通过两种矢量作用实现制动转矩控制时将制动能量回馈至超级电容；处于电动，根据混合储能单元和三相逆变器构建四种电动矢量，电机加速通过不同矢量作用实现蓄电池和超级电容的功率分担控制，电机恒速通过不同矢量作用实现换相阶段的转矩波动抑制。本发明专利技术在无刷直流电机制动减速运行、加速运行及恒速运行模式下均获得良好的控制性能，并且使用超级电容作为能量缓冲装置可以很好地缓解频繁充放电对蓄电池使用寿命的影响。

A control method of BLDCM system based on hybrid energy storage unit

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法
本专利技术涉及一种无刷直流电机系统控制方法，特别是涉及了一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法。
技术介绍
无刷直流电机以其功率密度高、结构简单等优势被广泛应用于电动汽车、工业控制及航空航天等领域。在无刷直流电机的许多应用场合中，常以高能量密度的蓄电池作为主要的供电电源，但是蓄电池存在功率密度有限、充放电循环次数少等不足。例如在电动汽车应用场合，电机频繁的加减速会使电池进行大功率充放电，从而对蓄电池寿命产生不利影响。近几年来，国内外学者提出应用超级电容/蓄电池混合储能单元的方法，相比于蓄电池，超级电容功率密度更高，并且频繁的充放电对其寿命几乎不产生影响。因此超级电容/蓄电池混合储能单元存在以下优势：在制动过程中电机可以将机械能转化为电能回馈至超级电容，提高能量利用率，并避免频繁充电对蓄电池造成的不利影响；在加速过程等电机需要输出高功率的场合，可以利用超级电容辅助蓄电池为电机供电，有效地缓解蓄电池因输出功率过高引起的寿命缩短问题。E.Chemali和M.Peindl等人介绍了超级电容与蓄电池的发展现状，并对常见的混合储能单元结构进行了说明(IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectron.,vol.4,no.3,pp.1117-1134,2016年9月)。被动式结构直接将超级电容与蓄电池并联连接至负载，是一种相对简单可靠的结构，超级电容与蓄电池的输出功率分别取决于各自内阻大小，但该结构由于蓄电池电压的钳位作用，超级电容电压利用范围有限。为了提升超级电容的电压利用范围，常用的方法是将超级电容通过双向DC-DC变换器连接至负载、蓄电池直接连接至负载，构成半主动式混合储能单元。还有学者提出将蓄电池与超级电容分别用两个DC-DC变换器连接至负载的主动式结构。上述添加DC-DC变换器的混合储能单元可以有效提升超级电容的电压利用范围，由于这种混合储能单元需要电感实现峰值功率传输，因此在电路设计中特别需要权衡系统的体积。在以无刷直流电机作为动力元件的驱动系统中，由于电机的转矩性能是衡量驱动系统性能的关键指标，因此在设计混合储能单元的同时兼顾电机的转矩性能具有重要意义，目前已有学者展开了相关的研究(IEEETrans.Veh.Technol.,vol.66,no.5,pp.3724-3738,2017年5月；IEEETrans.Veh.Technol.,vol.60,no.1,pp.89-97,2011年1月)。但是鲜有方法在设计混合储能单元的同时考虑无刷直流电机的换相转矩波动问题，无刷直流电机在运行过程中存在的换相转矩波动将会导致产生较大的噪声和振动，降低电机运行的平稳性。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的上述不足，设计一种结构简单的超级电容/蓄电池混合储能单元，并提出基于混合储能单元的无刷直流电机运行控制策略，有效抑制换相转矩波动，使无刷直流电流电机在制动减速、加速、恒速运行模式下均获得良好的控制性能。为了实现以上目的，如图1所示，本专利技术采用以下技术方案：1)如图1所示，系统包括混合储能单元、逆变器和无刷直流电机，采用蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、第一功率MOS管、第二功率MOS管、超级电容SC设计构建了一个混合储能单元，第一功率MOS管和第二功率MOS管串联后和电解电容C一起并联到蓄电池的两端，第一功率MOS管的漏极连接到蓄电池的正极，第二功率MOS管的源极连接到蓄电池的负极，双向功率开关管和超级电容SC串联后并联到第一功率MOS管的两端，第一功率MOS管的源极连接到超级电容的负极；第二功率MOS管和蓄电池的负极之间引出作为混合储能单元输出的负极端，双向功率开关管和超级电容SC的正极之间引出作为混合储能单元输出的正极端，混合储能单元输出的负极端和混合储能单元输出的正极端构成了混合储能单元输出的两端，混合储能单元输出的两端连接至三相逆变器(VSI)的输入两端，三相逆变器的输出端连接无刷直流电机(BLDCM)的三相绕组；具体实施中，蓄电池和电解电容并联连接，蓄电池的正极与第一功率MOS管的漏极连接，蓄电池的负极与第二功率MOS管的源极连接，第一功率MOS管的源极和第二功率MOS管的漏极连接至超级电容的负极，双向功率开关管的一端连接蓄电池的正极，双向功率开关管的另一端连接超级电容的正极。所述的混合储能单元输出的正极端连接至三相逆变器直流母线的正端，混合储能单元输出的负极端连接至三相逆变器直流母线的负端。所述的双向功率开关管是由两个MOS管反向串联构成。所述的三相逆变器包括三路并联的MOS管组，每组MOS管组是由两个同向串联的MOS管，每组MOS管组的两个MOS管之间引出连接到无刷直流电机的一相，第一组MOS管组是由MOS管SaH和MOS管SaL同向串联构成，第二组MOS管组是由MOS管SbH和MOS管SbL同向串联构成，第三组MOS管组是由MOS管ScH和MOS管ScL同向串联构成。2)当电机处于制动状态时，根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对无刷直流电机输入线电压的作用构建两种制动矢量，通过两种制动矢量的共同作用，实现制动转矩控制的同时将制动能量回馈至超级电容SC；3)当电机处于电动状态时：根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用构建四种电动矢量：当电机处于电动加速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现蓄电池和超级电容功率分担控制，当电机处于电动恒速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现换相阶段的转矩波动抑制。所述步骤2)具体为：2.1)构建两种类型矢量是：当混合储能单元中的双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的下桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的上桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第一矢量Vz,b1；无刷直流电机采用两两导通的方波电流驱动方式时，将与正向反电势同相的电流激励绕组定义为正向导通相，将与正向反电势反相的电流激励绕组定义为负向导通相；上桥臂功率管为与混合储能单元输出正极端连接的功率管，下桥臂功率管为与混合储能单元输出负极端连接的功率管。当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第二矢量Vz,c0；2.2)两种矢量的共同作用满足如下关系：dz,b1ub+(dz,b1-1)usc＝2RsI-2E其中，dz,b1为制动第一矢量Vz,b1作用的占空比，ub为蓄电池电压，且蓄电池电压的大小等于无刷直流电机额定电压uN，usc为超级电容电压，Rs和E分别为无刷直流电机的相电阻和相反电势，I为无刷直流电机的相电流幅值。由于制动第二矢量Vz,c0的占空比在公式中被0约去，故未在公式中体现出，下同。所述步骤3)具体为：3.1)构建四种类型矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：/n1)采用蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、第一功率MOS管、第二功率MOS管、超级电容SC设计构建了一个混合储能单元，第一功率MOS管和第二功率MOS管串联后和电解电容C一起并联到蓄电池的两端，第一功率MOS管的漏极连接到蓄电池的正极，双向功率开关管和超级电容SC串联后并联到第一功率MOS管的两端；第二功率MOS管和蓄电池的负极之间引出作为混合储能单元输出的负极端，双向功率开关管和超级电容SC的正极之间引出作为混合储能单元输出的正极端，混合储能单元输出的两端连接至三相逆变器的输入两端，三相逆变器的输出端连接无刷直流电机的三相绕组；/n2)当电机处于制动状态时，/n根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对无刷直流电机输入线电压的作用构建两种制动矢量，通过两种制动矢量的共同作用，实现制动转矩控制的同时将制动能量回馈至超级电容SC；/n3)当电机处于电动状态时，/n根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用构建四种电动矢量：/n当电机处于电动加速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现蓄电池和超级电容功率分担控制，/n当电机处于电动恒速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现换相阶段的转矩波动抑制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：
1)采用蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、第一功率MOS管、第二功率MOS管、超级电容SC设计构建了一个混合储能单元，第一功率MOS管和第二功率MOS管串联后和电解电容C一起并联到蓄电池的两端，第一功率MOS管的漏极连接到蓄电池的正极，双向功率开关管和超级电容SC串联后并联到第一功率MOS管的两端；第二功率MOS管和蓄电池的负极之间引出作为混合储能单元输出的负极端，双向功率开关管和超级电容SC的正极之间引出作为混合储能单元输出的正极端，混合储能单元输出的两端连接至三相逆变器的输入两端，三相逆变器的输出端连接无刷直流电机的三相绕组；
2)当电机处于制动状态时，
根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对无刷直流电机输入线电压的作用构建两种制动矢量，通过两种制动矢量的共同作用，实现制动转矩控制的同时将制动能量回馈至超级电容SC；
3)当电机处于电动状态时，
根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用构建四种电动矢量：
当电机处于电动加速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现蓄电池和超级电容功率分担控制，
当电机处于电动恒速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现换相阶段的转矩波动抑制。


2.根据权利要求1所述的一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：
2.1)构建两种类型矢量是：当混合储能单元中的双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的下桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的上桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第一矢量Vz,b1；当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第二矢量Vz,c0；
2.2)两种矢量的共同作用满足如下关系：
dz,b1ub+(dz,b1-1)usc＝2RsI-2E
其中，dz,b1为制动第一矢量Vz,b1作用的占空比，ub为蓄电池电压，且蓄电池电压的大小等于无刷直流电机额定电压uN，usc为超级电容电压，Rs和E分别为无刷直流电机的相电阻和相反电势，I为无刷直流电机的相电流幅值。


3.根据权利要求1所述的一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：
3.1)构建四种类型矢量是：
当混合储能单元中双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，其余功率管关断时，形成的电压矢量作为电动第一矢量Vm,b1；
当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹彦飞，陆海天，宋鹏，李新旻，史婷娜，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33