电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法，所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统采用级联变换器结构，并且将电励磁双凸极电机的励磁绕组复用为前级DC

【技术实现步骤摘要】
电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法


[0001]本专利技术属于电机系统及控制领域，具体涉及一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法。

技术介绍

[0002]电动汽车产业近年来迅速发展，电动汽车的充电方式有三种：(1)车载充电方式，即利用的车载的充电器对蓄电池进行充电，且能在任何有插座的地方给蓄电池充电，便利性非常高，但是由于重量体积的限制，车载充电器一般功率等级较低，充电速度较慢，一般适用于夜间充电，降低了电动汽车的利用率；(2)充电桩充电，由于充电桩功率一般都在50kW以上，其重量体积均较大，且价格昂贵，需要特别的维护，随着电动汽车的增多，需要建设大量的充电站，存在基础设施投资过大等问题；(3)换电方式，即采取直接更换电池的方式，虽然该方式能够迅速补充电能，但是需要建设大量的换电站，并且目前电动汽车的电池国内目前尚不具备统一的标准，推广难度大，建设成本高。目前的车载充电方式一般采用额外的车载充电器，受限于其自身的成本和电动汽车本身有限的空间，使得现有车载充电器的容量受到限定，难以实现电动汽车的方便快速充电，影响到电动汽车使用的便利性。然而，电动汽车驱动电机用的功率变换器自身具有功率双向流动的能力，并且容量与蓄电池相匹配，若能利用驱动变换器结合电机绕组构成车载充电器给蓄电池充电，实现功率变换器的驱动功能和充电功能集成化，不仅能够充分利用电动汽车的电控部件，还可以有效降低成本，减少重量体积，使得电动汽车不依赖于充电桩，能够快速便利充电。因此，电动汽车驱动充电功能一体化成为新能源汽车行业发展中的一项较为关键的技术。
[0003]目前，电动汽车驱动电机一般分为永磁电机和无永磁体电机，其中中国和日本主要使用永磁电机，包括永磁同步电机(PMSM)和无刷直流电机(BLDC)，欧美车企使用较多的是感应电机(IM)和开关磁阻电机(SRM)。其中PMSM在启动性能、峰值效率、转矩脉动等方面均有着无可比拟的优势，但是其结构一般较复杂，设计难度较大。BLDC由于采用方波控制，其控制方式简单，并且其结构简单，拥有良好的高速性能，但是相比较PMSM存在明显的转矩波动问题。PMSM和BLDC均属于永磁电机，由于永磁体的存在，均存在着造价较高，高温振动环境下永磁体容易失磁的问题。IM特点是结构简单且价格便宜，但存在着损耗较大的问题，通常适合大功率的商用电动车。SRM结构更加简单且容错率高，但是由于转矩脉动和噪声问题，通常也都应用于大型商用电动汽车，并且由于功率密度相对较低，也一定程度限制了SRM的使用范围。
[0004]电励磁双凸极电机(DSEM)与开关磁阻电机结构类似，其定转子都是凸极式结构，但是同时具有励磁绕组和电枢绕组，采用直流绕组励磁大大降低电机的制造成本，并且励磁电流可控，非常容易实现弱磁升速，其高可靠性也是用于电动汽车驱动电机的一大优势。专利号为ZL20171445250.6的专利技术专利提出了基于分裂励磁绕组的电励磁双凸极电机的驱动充电一体化系统，采用级联变换器的形式将励磁绕组作为前级DCDC变换器的滤波电感，但是恒定励磁控制限制了输入功率，特别是在轻载条件下还会产生较大的铜损，并没有很
好地利用电励磁双凸极电机励磁电流灵活可控的优势。
[0005]同时具有励磁绕组和电枢绕组的电机系统还包括磁通切换电机、变磁阻电机、混合励磁电机等，这类电机灵活可控的励磁电流能够用来对电机系统驱动性能进行优化。比如通过励磁电流谐波注入来降低变磁阻电机输出转矩中的六次谐波分量，提高电机系统稳态性能；或针对变磁阻电机输出转矩中的多次谐波分量分别注入对应频率励磁电流谐波以实现更低的转矩脉动；也有学者提出不同转速下混合励磁电机的励磁电流和电枢电流的协同控制策略，实现了低速时的最大转矩电流比(MTPA)控制和高速时的弱磁控制。因此，考虑到电励磁双凸极电机励磁电流和电枢电流具有同样的灵活性，且与级联变换器相互耦合的功率密切相关，基于电励磁双凸极电机的驱动充电一体化系统在驱动模式下能够从电流协同控制的角度进一步优化电机性能和系统稳定性，具有很好的研究意义。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法，在系统动稳态时采用不同的电流协同控制策略，提高电机驱动模式下的动稳态性能。
[0007]技术方案：本专利技术提供一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法，具体包括以下步骤：
[0008](1)构建电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统；所述系统采用级联变换器结构，并且将电励磁双凸极电机的励磁绕组复用为前级DC
‑
DC变换器的滤波电感；
[0009](2)根据电励磁双凸极电机的定转子相对位置确定转子坐标系dq轴，建立电励磁双凸极电机数学模型，采用矢量控制方式通过后级逆变器驱动电励磁双凸极电机，获得电磁转矩的平均值；
[0010](3)根据电流协同控制策略给出励磁电流给定值和电枢交轴电流给定值，并结合母线电压环调节输出功率以实现动态模式下的直流母线电压控制。
[0011]进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
[0012]转子齿中心线与定子齿中心线重合的位置为电机的d轴，超前d轴机械角度(90/P
r
)
°
的位置为q轴，其中，P
r
为电机等效极对数；
[0013]根据建立的dq坐标系下的电励磁双凸极电机数学模型，获得其转矩方程为：
[0014][0015]其中，L
fd
为励磁绕组和电枢绕组之间的互感变换到转子坐标系直轴上的感值，i
f
为励磁电流，i
q
为电枢交轴电流，i
d
为电枢直轴电流，L
fq
为励磁绕组和电枢绕组之间的互感变换到转子坐标系直轴上的感值，θ
r
为电机机械角；
[0016]采用控制i
d
＝0控制方式下，电励磁双凸极电机励磁绕组和电枢绕组之间的互感主要存在5、7次谐波,所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式为：
[0017][0018]其中，M
f1
、M
f5
、M
f7
分别为自然坐标系下励磁绕组和电枢绕组间互感的基波、5次谐波、7次谐波所对应的转子旋转坐标系下的幅值，θ
e
为电机电角度，θ
m1
、θ
m5
、θ
m7
为励磁绕组和
电枢绕组间互感基波、5次谐波、7次谐波的初相角；
[0019]忽略电磁转矩中的交流分量后得到电磁转矩的平均值为：
[0020][0021]进一步地，步骤(3)所述的协同控制策略为根据系统运行状态分别给出励磁电流给定值和电枢交轴电流给定值，当系统中电励磁双凸极电机运行转速误差小于阈值n0时，判断系统运行于稳态模式，根据最小铜损控制策略得到励磁电流给定值和电枢交轴电流给定值；当转速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统；所述系统采用级联变换器结构，并且将电励磁双凸极电机的励磁绕组复用为前级DC
‑
DC变换器的滤波电感；(2)根据电励磁双凸极电机的定转子相对位置确定转子坐标系dq轴，建立电励磁双凸极电机数学模型，采用矢量控制方式通过后级逆变器驱动电励磁双凸极电机，获得电磁转矩的平均值；(3)根据电流协同控制策略给出励磁电流给定值和电枢交轴电流给定值，并结合母线电压环调节输出功率以实现动态模式下的直流母线电压控制。2.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：转子齿中心线与定子齿中心线重合的位置为电机的d轴，超前d轴机械角度(90/P
r
)
°
的位置为q轴，其中，P
r
为电机等效极对数；根据建立的dq坐标系下的电励磁双凸极电机数学模型，获得其转矩方程为：其中，L
fd
为励磁绕组和电枢绕组之间的互感变换到转子坐标系直轴上的感值，i
f
为励磁电流，i
q
为电枢交轴电流，i
d
为电枢直轴电流，L
fq
为励磁绕组和电枢绕组之间的互感变换到转子坐标系直轴上的感值，θ
r
为电机机械角；采用控制i
d
＝0控制方式下，电励磁双凸极电机励磁绕组和电枢绕组之间的互感主要存在5、7次谐波,所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式为：其中，M
f1
、M
f5
、M
f7
分别为自然坐标系下励磁绕组和电枢绕组间互感的基波、5次谐波、7次谐波所对应的转子旋转坐标系下的幅值，θ
e
为电机电角度，θ
m1
、θ
m5
、θ
m7
为励磁绕组和电枢绕组间互感基波、5次谐波、7次谐波的初相角；忽略电磁转矩中的交流分量后得到电磁转矩的平均值为：3.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的电流协同控制方法，其特征在于，步骤(3)所述的协同控制策略为根据系统运行状态分别给出励磁电流给定值和电枢交轴电流给定值，当系统中电励磁双凸极电机运行转速误差小于阈值n0时，判断系统运行于稳态模式，根据最小铜损控制策略得到励磁电流给定值和电枢交轴电流给定值；当转速误差大于阈值n0时判断为系统运行于动态模式，根据最大励磁控制策略得到励磁电流给定...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳丹，陈锦春，翟相煜，赵晓聪，周波，杨明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：