蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种蓄电池

【技术实现步骤摘要】
蓄电池
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超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法


[0001]本专利技术涉及了一种无刷直流电机控制方法，具体涉及一种蓄电池
‑
超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电机以其功率密度高、输出转矩大、结构简单等优点在工业控制、航空航天和电动车等领域得到广泛应用。特别是在电动车等需要频繁起动/制动领域，要求无刷直流电机四象限运行、能够在电动状态和制动状态之间频繁切换。
[0003]在许多应用场合中，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，而超级电容器作为一种新型的储能装置，具有功率密度高、充电速度快、寿命长等优点。为此，国内外学者利用超级电容与蓄电池性能互补的优势，设计了不同拓扑结构的蓄电池
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超级电容混合电源单元。常见的结构是通过添加DC
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DC变换器将超级电容或者蓄电池连接到逆变器的直流端，以独立控制超级电容或蓄电池能量的输入和输出。但由于这种混合电源单元需要大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成本和体积。
[0004]为了减小系统的体积，国内外学者利用电机自身电感、逆变器功率开关管构成的升降压电路，设计了无感的蓄电池
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超级电容混合电源单元。Y.F.Cao和T.N.Shi等人根据无感混合电源单元的工作模式和无刷直流电机电气制动方式，提出了兼顾制动转矩平稳控制和制动能量回馈的控制策略。H.T.Lu和T.N.Shi等人在设计无感混合电源单元的同时还考虑了无刷直流电机的换相转矩波动抑制问题，根据电机在加速、恒速、减速运行模式下的功率需求，分别设计了适用于不同运行模式的控制策略。然而，现有的无感混合电源单元要求超级电容电压须大于或者小于蓄电池电压，限制了超级电容电压的变化范围，降低了超级电容存储能量的利用率。此外，电机在加速、恒速和制动减速模式之间运行时需要频繁切换控制策略、加了算法的复杂性，缺乏统筹考虑电机不同运行模式的统一控制方案。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种蓄电池
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超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法。在此基础上，统筹考虑无刷直流电机在电动状态和制动状态下的运行特性，提供一种基于蓄电池
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超级电容混合电源的转矩控制与能量分配协同优化方案，使电机在加速、恒速、减速运行模式下均获得良好的控制性能，且不需要根据电机运行模式切换控制策略。此外，混合电源单元中超级电容具有较宽的电压变化范围，有效提高了超级电容存储能量的利用率。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]本专利技术蓄电池
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超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法包括如下步骤：
[0008]1)在蓄电池
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超级电容混合电源单元的各个工作模式下，设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的若干开关矢量。
[0009]2)建立无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，在无刷直流电机的每个控制周期内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在各个开关矢量下的转矩误差，基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值。
[0010]3)根据无刷直流电机功率需求和超级电容电压，制定蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，并基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值。
[0011]4)根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量，实现无刷直流电机的控制。综合优先级排序值的计算引入了目标权重系数，可以兼顾良好的转矩控制性能与能量分配的合理性。
[0012]所述的步骤1)中，蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的拓扑结构包括蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、功率MOS管和超级电容，蓄电池和电解电容C并联后与双向功率开关管串联连接构成支路1；功率MOS管和超级电容串联连接构成支路2，功率MOS管的源极连接到超级电容的正极；支路1和支路2并联连接，且双向功率开关管和功率MOS管的漏极之间引出作为蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的输出正极端，蓄电池的负极和超级电容的负极之间引出作为蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的输出负极端；蓄电池
‑
超级电容混合电源单元输出的正极端连接至三相桥式逆变电路的输入正极端，混合电源单元的输出负极端连接至三相桥式逆变电路的输入负极端，三相桥式逆变电路的输出端连接无刷直流电机的三相绕组。
[0013]所述的步骤1)中，蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的拓扑结构的各个工作模式包括蓄电池放电、超级电容放电、超级电容充电以及蓄电池和超级电容既不放电也不充电的四种工作模式，在四种工作模式下设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量，具体如下：
[0014]在蓄电池放电工作模式下，双向功率开关管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第一开关矢量V1。
[0015]在超级电容放电工作模式下，功率MOS管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第二开关矢量V2。
[0016]在超级电容充电工作模式下，功率MOS管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的下侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的上侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第三开关矢量V3。
[0017]在蓄电池和超级电容既不放电也不充电工作模式下，功率MOS管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第四开关矢量V4。
[0018]所述的步骤2)中，为了获得良好的转矩性能，期望每个控制周期内作用的开关矢量使输出转矩跟踪参考值。不同开关矢量作用下所得到的转矩预测值不同，为了评估不同矢量作用的优先程度，建立的无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，具
体如下：
[0019][0020]其中，f
m
表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差，m＝1，2，3，4；表示无刷直流电机的转矩参考值；表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第T时刻的转矩预测值，T＝(k+1)T
s
，k表示控制周期的序数，T
s
表示无刷直流电机的控制周期。
[0021]在无刷直流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓄电池
‑
超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：1)在蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的各个工作模式下，设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的若干开关矢量；2)建立无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，在无刷直流电机的每个控制周期内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在各个开关矢量下的转矩误差，基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值；3)制定蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，并基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值；4)根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量，实现无刷直流电机的控制。2.根据权利要求1所述的一种蓄电池
‑
超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的拓扑结构包括蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、功率MOS管和超级电容，蓄电池和电解电容C并联后与双向功率开关管串联连接构成支路1；功率MOS管和超级电容串联连接构成支路2，功率MOS管的源极连接到超级电容的正极；支路1和支路2并联连接，且双向功率开关管和功率MOS管的漏极之间引出作为蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的输出正极端，蓄电池的负极和超级电容的负极之间引出作为蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的输出负极端；蓄电池
‑
超级电容混合电源单元输出的正极端连接至三相桥式逆变电路的输入正极端，混合电源单元的输出负极端连接至三相桥式逆变电路的输入负极端，三相桥式逆变电路的输出端连接无刷直流电机的三相绕组。3.根据权利要求2所述的一种蓄电池
‑
超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，蓄电池
‑
超级电容混合电源单元的拓扑结构的各个工作模式包括蓄电池放电、超级电容放电、超级电容充电以及蓄电池和超级电容既不放电也不充电的四种工作模式，在四种工作模式下设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量，具体如下：在蓄电池放电工作模式下，双向功率开关管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第一开关矢量V1；在超级电容放电工作模式下，功率MOS管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第二开关矢量V2；在超级电容充电工作模式下，功率MOS管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的下侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的上侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第三开关矢量V3；在蓄电池和超级电容既不放电也不充电工作模式下，功率MOS管导通，且三相桥式逆变
电路中连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第四开关矢量V4。4.根据权利要求3所述的一种蓄电池
‑
超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中，建立的无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，具体如下：其中，f
m
表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差，m＝1，2，3，4；表示无刷直流电机的转矩参考值；表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第T时刻的转矩预测值，T＝(k+1)T
s
，k表示控制周期的序数，T
s
表示无刷直流电机的控制周期；在无刷直流电机的每个控制周期T
s
内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在第m个开关矢量V
m
下的转矩误差f
m
。5.根据权利要求4所述的一种蓄电池
‑
超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第T时刻的转矩预测值在无刷直流电机的正常导通期间时具体如下：其中，e
pn
(k)表示无刷直流电机第kT
s
时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势之间的差项，e
pn
(k)＝e
p
(k)
‑
e
n
(k)，e
p
(k)和e
n
(k)分别表示无刷直流电机第kT
s
时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势；L和R分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kT
s
时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kT
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压；i
p
(k)表示无刷直流电机第kT
s
时刻的正向导通相p相电流；T
e
(k)表示无刷直流电机第kT
s
时刻的转矩的反馈值；无刷直流电机第kT
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹彦飞，周稳，王宇涵，李晨，史婷娜，
申请(专利权)人：浙江大学先进电气装备创新中心，
类型：发明
国别省市：