电动汽车增程器无刷直流发电系统的制作方法

本发明涉及电机控制
技术领域：
，尤其涉及一种电动汽车增程器无刷直流发电系统。
背景技术：
：随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，目前世界各国都在大力发展电动汽车。为了实现从燃油汽车向电动汽车的顺利过渡，汽车制造厂商研制并生产了加装增程器的电动汽车。增程器实际是电动汽车的辅助发电系统，其工作原理是：当电动汽车车载蓄电池电量充足时，由蓄电池提供整车功率需求，带动主驱动电机旋转；当蓄电池电量不足时，由增程器发电，提供整车功率需求，带动主驱动电机旋转，使电动汽车继续保持强劲的动力行驶。电动汽车増程器可以有效延长电动汽车的续行里程，解决当前及今后较长一段时间内充电桩数量不足、电池充电时间长等制约电动汽车发展的瓶颈问题，实现汽车行业由燃油模式向电动模式的顺利过渡。增程器的核心部件之一是发电机。无刷直流电机由于具有体积小、功率密度高、效率高、机械特性硬、控制简单等优点，使其成为电动汽车増程器发电机的重要选择。针对无刷电机电动运行的研究与应用已较为成熟，但增程器中无刷直流电机主要作为发电运行，尽管电机都具有可逆运行能力，理论上既可以运行在电动状态，又可以运行在发电状态，但在不增加系统硬件复杂度的情况下，无刷直流电机电动和发电运行控制还是存在很大区别，目前无刷直流电机发电运行方面的研究报道并不多见。在已有的相关文献中，研究了根据电机的转矩需求调节功率电路pwm(脉冲宽度调制)占空比的方法，通过占空比的控制来调节输出电压，还有文献根据对电机电流的pid控制实现对输出电压的控制。但是作为电动汽车辅助发电系统的增程器，要求根据路况变化迅速调整发电机输出功率，保证输出电压的稳定，因此有必要研究通过控制无刷直流电机机电能量转换最关键的物理量—电磁转矩，来提高增程器中无刷直流发电系统的性能，使之更好地满足电动汽车辅助发电系统动静态特性方面的高要求。技术实现要素：针对以上问题，本发明提出一种电动汽车增程器无刷直流发电系统，以提高增程器所发电能的质量，满足电动汽车蓄电池电量不足时，增程器对电动汽车的供电要求。为实现本发明的目的，提供一种电动汽车增程器无刷直流发电系统，包括发动机、无刷直流电机、三相全桥逆变器、直流母线滤波电容、电机相电流检测电路、直流母线电压检测电路、数字信号处理器dsp和霍尔位置传感器；发动机连接无刷直流电机的转轴，三相全桥逆变器将无刷直流电机输出的三相交流电变换为直流电，直流母线滤波电容滤除直流电的交流成分；电机相电流检测电路检测无刷直流电机的a相电流和b相电流，将a相电流和b相电流送入数字信号处理器dsp；直流母线电压检测电路检测直流母线电压，将直流母线电压送入数字信号处理器dsp；霍尔位置传感器检测无刷直流电机的转子位置信号，将无刷直流电机的转子位置信号送入数字信号处理器dsp；数字信号处理器dsp处理a相电流、b相电流、直流母线电压和转子位置信号，发出三相全桥逆变器的脉宽调制pwm信号，依据脉宽调制pwm信号控制三相全桥变换器功率开关的通断。在一个实施例中，数字信号处理器dsp根据三相电流和转子位置信号计算无刷直流电机的瞬时电磁转矩te，te的计算公式为：te＝ke(fia(θ)ia+fib(θ)ib+fic(θ)ic)式中，ke反电势系数，fix(θ)(x＝a,b,c)为三相电流形状函数，ix(x＝a,b,c)为三相电流。在一个实施例中，数字信号处理器dsp根据直流母线电压udc与给定电压udc*之间的偏差，采用pi调节的方法求得电磁转矩给定值te*，电磁转矩给定值te*的表达式为：te*＝kp(udc*-udc)+ki∫(udc*-udc)dt式中，kp为电压偏差的比例调节系数，ki为电压偏差的积分调节系数。在一个实施例中，根据瞬时电磁转矩te和转矩给定值te*之间的转矩偏差，设置转矩控制标志τ，若te<te*，τ为1，表示需要增加te，若te>te*，τ为0，表示需要减小te；根据转矩控制标志τ及转子位置信号对应的扇区，选择无刷直流发电机的电压矢量，根据所选电压矢量发出三相全桥逆变器的脉宽调制pwm信号，进而控制电机的瞬时转矩，使无刷直流发电机所发电压得到控制。本发明的有益效果在于：通过控制无刷直流电机机电能量转换最关键的物理量—瞬时电磁转矩，使系统可以根据路况变化迅速调整发电机输出功率，来快速保持发电系统输出电压的稳定，满足电动汽车在蓄电池电量不足时的电功率需求。本发明的无刷直流发电系统，控制结构简单，动、静态性能优良。附图说明图1是一个实施例的电动汽车增程器无刷直流发电系统结构示意图；图2是一个实施例的无刷直流发电系统的组成图；图3是一个实施例的定、转子磁链矢量图；图4是一个实施例的无刷直流发电系统中的电压和电流相位关系示意图；图5为一个实施例的导通相电压矢量和定、转子磁链矢量图；图6为一个实施例中导通相电压矢量交轴分量随转子位置θr变化曲线示意图；图7为一个实施例中发v2(001001)矢量时的电流通路示意图；图8为一个实施例中从v2(001001)改发v0(000000)矢量的电流通路示意图；图9为一个实施例中无刷直流发电系统满载稳态时母线输出电压波形图；图10为一个实施例中无刷直流发电系统突加负载时母线电压波形图；图11为一个实施例中无刷直流发电系统突卸负载时母线电压波形图；图1所示的符号含义包括：1-发动机，2-无刷直流电机，3-三相全桥逆变器，4-直流母线滤波电容，5-电机相电流检测电路，6-直流母线电压检测电路，7-数字信号处理器dsp，8-霍尔位置传感器。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。参考图1所示，图1为一个实施例的电动汽车增程器无刷直流发电系统结构示意图，包括发动机1、无刷直流电机2、三相全桥逆变器3、直流母线滤波电容4、电机相电流检测电路5、直流母线电压检测电路6、数字信号处理器dsp7和霍尔位置传感器8；发动机1连接无刷直流电机2的转轴，三相全桥逆变器3将无刷直流电机2输出的三相交流电变换为直流电，直流母线滤波电容4滤除直流电的交流成分；电机相电流检测电路5检测无刷直流电机2的a相电流和b相电流，将a相电流和b相电流送入数字信号处理器dsp7；直流母线电压检测电路6检测直流母线电压，将直流母线电压送入数字信号处理器dsp7；霍尔位置传感器8检测无刷直流电机2的转子位置信号，将无刷直流电机2的转子位置信号送入数字信号处理器dsp7；数字信号处理器dsp7处理a相电流、b相电流、直流母线电压和转子位置信号，发出三相全桥逆变器3的脉宽调制pwm信号，依据脉宽调制pwm信号控制三相全桥变换器功率开关的通断。具体地，在实际工作过程中，发动机1和无刷直流电机2的转轴直接相连接，三相全桥逆变器3用于将无刷直流电机2所发的三相交流电变换为直流电，直流母线滤波电容4用于滤除直流电的交流成分，电机相电流检测电路5用于检测电机的a相电流和b相电流，直流母线电压检测电路6用于检测直流母线电压，霍尔位置传感器8用于检测无刷直流电机转子位置。霍尔位置传感器8测得的无刷直流电机转子位置信号、电机相电流检测电路测得的a相和b相电流信号、直流母线电压检测电路测得的母线电压信号送入数字信号处理器dsp7，经过dsp处理后，发出三相全桥逆变器3的脉宽调制pwm信号，就是pwm信号，控制三相全桥变换器功率开关的通断。上述电动汽车增程器无刷直流发电系统对应的控制方法包括：根据路况变化迅速调节无刷直流发电机的瞬时电磁转矩，使增程器无刷直流发电机输出功率迅速变化，以保证输出电压的稳定。在一个实施例中，数字信号处理器dsp根据直流母线电压udc与给定电压udc*之间的偏差，采用pi调节的方法求得电磁转矩给定值te*，电磁转矩给定值te*的表达式为：te＝ke(fia(θ)ia+fib(θ)ib+fic(θ)ic)式中，ke反电势系数，fix(θ)(x＝a,b,c)为三相电流形状函数，ix(x＝a,b,c)为三相电流。具体地，相电流形状函数由霍尔位置信号计算得到，计算公式为：式中，为三个在空间呈120°分布的霍尔位置传感器输出的电平信号及其逻辑“非”；数字信号处理器dsp根据直流母线电压udc与给定电压udc*之间的偏差，采用pi调节的方法求得电磁转矩给定值te*，te*表达式为：te*＝kp(udc*-udc)+ki∫(udc*-udc)dt式中，kp和ki为电压偏差的比例和积分调节系数；根据瞬时电磁转矩te和转矩给定值te*之间的转矩偏差，设置转矩控制标志τ，若te<te*，τ为1，表示需要增加te，若te>te*，τ为0，表示需要减小te。根据转矩控制标志τ及转子位置信号对应的扇区，选择无刷直流发电机的电压矢量，根据所选电压矢量发出三相全桥逆变器的脉宽调制pwm信号，进而控制电机的瞬时转矩，使无刷直流发电机所发电压得到控制。在一个实施例中，数字信号处理器dsp根据直流母线电压udc与给定电压udc*之间的偏差，采用pi调节的方法求得电磁转矩给定值te*，电磁转矩给定值te*的表达式为：te*＝kp(udc*-udc)+ki∫(udc*-udc)dt式中，kp为电压偏差的比例调节系数，ki为电压偏差的积分调节系数。在一个实施例中，根据瞬时电磁转矩te和转矩给定值te*之间的转矩偏差，设置转矩控制标志τ，若te<te*，τ为1，表示需要增加te，若te>te*，τ为0，表示需要减小te；根据转矩控制标志τ及转子位置信号对应的扇区，选择无刷直流发电机的电压矢量，根据所选电压矢量发出三相全桥逆变器的脉宽调制pwm信号，进而控制电机的瞬时转矩，使无刷直流发电机所发电压得到控制。上述电动汽车增程器无刷直流发电系统，通过控制无刷直流电机机电能量转换最关键的物理量—瞬时电磁转矩，使系统可以根据路况变化迅速调整发电机输出功率，来快速保持发电系统输出电压的稳定，满足电动汽车在蓄电池电量不足时的电功率需求。本发明的无刷直流发电系统，控制结构简单，动、静态性能优良。在一个实施例中，上述电动汽车增程器无刷直流发电系统采用瞬时转矩控制方法使输出电压快速稳定的理论依据推导如下：电动汽车无刷直流发电系统组成如图2所示，由发动机带动无刷直流电机旋转发电，电机发出的三相交流电经三相变换器，变换为直流电，再供给蓄电池等直流负载。为了分析方便，图2中无刷电机的电压和电流参考方向是按照电动机惯例来标注的，在此参考方向下，发电时电流幅值为负，电磁转矩也为负。若忽略电机和变换器的损耗，则无刷直流电机发出的电磁功率将全部输给负载，因此电机瞬时电磁功率与负载消耗的功率相平衡，设无刷直流电机的电磁功率为pe，负载消耗功率为pl，则有：pe＝-(eaia+ebib+ecic)＝-teω(1)p1＝udcidc(2)udcidc＝-teω(3)式中，ex、ix(x＝a、b、c)分别为电机定子三相绕组的反电势和电流；te为电磁转矩；ω为电机转速，是机械变量，其大小取决于发动机，由于机械系统时间常数远大于电磁过程的时间常数，因此在电磁分析时，ω可以视为常量；udc与idc为变换器直流母线的电压与电流。对于发电系统，输出电流idc必然随负载的变化而变化，输出电压udc的变化情况是考察发电系统性能的重要指标。对式(3)进行变换，得：要使输出电压在不同负载时保持稳定，则dudc/dt＝0，由式(4)可得：式(5)表明：电磁转矩幅值随时间的变化，即dte/dt应该与didc/dt成正比关系变化，因此要使无刷直流发电系统输出电压在不同负载时保持稳定，即具有较好的动、静态特性，必须使电磁转矩得到快速的控制，使转矩迅速跟上负载电流的变化，以此来稳定输出电压，因此在对电动汽车增程器这类需要快速出力的场合，采用瞬时转矩控制策略非常合适。下面分析无刷直流发电系统瞬时转矩控制方法：无刷直流电机属于隐极式交流永磁同步电机类型，其电磁转矩te的表达式为：式中p为电机极对数，ls为定子绕组电感，ψs是定子磁链矢量，ψf为转子永磁体磁链，δ为定子磁链矢量ψs和转子永磁体磁链ψf之间的夹角，称为负载角，定义当ψs逆时针方向超前ψf时，负载角δ为正。无刷直流发电系统中，电机定、转子磁链矢量关系如图3所示，图中αoβ为两相静止坐标系，doq为以转子磁链定向的两相同步旋转坐标系，xoy为以定子磁链定向的两相同步旋转坐标系，转子磁链ψf超前于定子磁链ψs角度为δ，即ψs滞后于ψf角度为δ，因此电磁转矩为负。θr为转子磁链ψf超前于α轴的角度，θs为定子磁链ψs超前于α轴的角度。由于转子永磁体磁链ψf幅值基本恒定，从式(6)可见，电磁转矩te取决于定子磁链幅值和负载角δ两个变量，在图3所示的doq坐标系中将定子磁链分解成直轴分量和交轴分量，有：因此，式(6)可以写为：对式(8)进行求导，得：无刷直流电机的数学模型为：式中，us、is分别为定子电压矢量与电流矢量，rs为定子绕组电阻，忽略rs，us分解到d、q轴上的分量为：根据式(9)和(11)，可得：从式(12)可知，无刷直流发电系统电磁转矩变化率与定子电压矢量的交轴分量usq有关，而电压矢量是由三相变换器的开关状态决定的，因此通过对变换器开关状态的控制，选择交轴分量最大的电压矢量作用于电机，就可迅速改变电磁转矩te。直接转矩控制实现的关键是电压矢量的选择，因此首先分析无刷直流发电系统电压矢量的特点，在此基础上推导出电压矢量的选择方法。三相六拍无刷直流发电系统中电压和电流的相位关系如图4所示。忽略磁路饱和、铁耗和齿槽影响，无刷直流发电机三相定子绕组电压、电流与转矩方程为：ia+ib+ic＝0(14)式中，ux(x＝a、b、c)分别为电机定子三相绕组相电压，l为每相绕组自感，m为互感。电压矢量与变换器开关状态及电机绕组的连接方式密切相关，60°换相两两导通方式的无刷直流电机，其电压矢量必定不同于常规三相变换器控制的电机。根据空间电压矢量理论，电压矢量表示为：式中，α为旋转因子，α＝ej2π/3。由图4和式(15)可知，只有相电流与相反电动势平顶保持对应时，电机才能获得高转矩/电流比，实现转矩的恒定输出。从图4还可知，电机在两相导通模式下每60°电角度换相一次，将两次换相区间设定为扇区，则360°电角度可以划分为六个扇区，将扇区i定义为a相关断、b相电流流出、c相电流流入的区域。先以扇区i为例，计算电压空间电压矢量us。扇区i中a相关断，ia≡0，dia/dt＝0，将其代入式(13)得：ua＝ea。此时ub＝udc/2，uc＝-udc/2，将三相相电压合成电压矢量可得：式(17)中电压矢量包括固定项和变化项2ea/3，固定项由导通的b相和c相电压引起，变化项2ea/3由关断相a相反电势引起，其大小随电机旋转而变化，因此电压矢量的幅值与方向随时在变化。但由于关断相电流为0，该相反电势变化导致的电压矢量变化项对电磁转矩没有影响，只有导通相合成的电压矢量才对转矩起作用。若用数字量表示六个开关管的开关状态，0表示关断，1表示导通，则两相导通的变换器共有六个通电状态和一个全关断状态000000。计算出六个通电状态下的导通相电压矢量，如表1所示。表1导通相电压矢量六个导通相电压矢量在空间分布如图5所示。以六个导通相电压矢量为边界，将空间电压矢量平面划分为i～ⅵ六个扇区。从图4看出，矢量v2是在扇区i发出的，设电机为逆时针方向旋转，则将滞后于矢量v260°～120°的区域定义为扇区i。设导通相的相电压合成矢量幅值为1v，则根据表1和图5可得各个导通相电压矢量在q轴的交轴分量为：由式(18)可知各个导通相电压矢量交轴分量随转子位置θr的变化如图6所示。由图6知，每个扇区都有一个导通相电压矢量交轴分量的正最大值和一个负最大值。由式(12)可知，转矩变化率与电压矢量交轴分量成正比，因此可选择最优导通相电压矢量控制当前转矩的变化。例如，转子磁链位于扇区i，v2的交轴分量v2q正最大，发v2作为正矢量使转矩变化率正最大，即增大转矩，但发电系统中，由于转矩为负，因此电磁转矩的幅值实际在减小；v5的交轴分量v5q负最小，发v5作为反矢量使转矩变化率负最大，即减小转矩，也即电磁转矩的幅值实际在增加。可依此类推出转子在其他扇区应发的最优导通相电压矢量。无刷电机以两两导通方式工作时，选择的开关管工作状态通常是表1中第1列的六个状态，保证有两相导通，另外为了抑制电流，还会使用到全关断电压矢量v0(000000)。扇区i中发v2(001001)矢量时电流的流通路径如图7所示，从v2(001001)转发全关断电流矢量v0(000000)时的续流路径如图8所示，此时由于二极管的续流，开关状态并不是全关断，而是从v3、v6导通变为由v4、v5的二极管续流，这样使得ub从0.5udc变为-0.5udc，uc从-0.5udc变为0.5udc，电压矢量实际变为v5(000110)，即变为v2(001001)的反矢量，而并不是幅值为0的零电压矢量。从图5可知，反矢量可使转矩迅速减小。经计算在从其他两相导通状态变为全关断状态时，都获得与之相对应的反矢量，因此全关断电压矢量v0(000000)可以称为公共反矢量，选择它可使转矩迅速减小，省去了选择各个导通相电压矢量真正反矢量的麻烦。综上所述，无刷直流发电系统可以通过选择电压矢量来迅速控制电磁转矩，从而保持直流母线输出电压的稳定，导通相电压矢量选择如表2所示。表中τ为电磁转矩控制标志，当τ＝1时，表示需要增加电磁转矩，发电时电磁转矩为负，其幅值实际需降低，此时选择和电机转向一致的正矢量；当τ＝0时，表示需要减小电磁转矩，电磁转矩幅值实际需增加，此时可以选择公共反矢量v0。表2无刷直流发电系统dtc电压矢量选择表图1所示采用瞬时转矩控制的无刷直流发电系统中，通过检测电机两相电流和转子位置信号计算无刷直流电机的瞬时电磁转矩te，te的计算公式为：te＝ke(fia(θ)ia+fib(θ)ib+fic(θ)ic)(19)式中，ke反电势系数，fix(θ)(x＝a,b,c)为三相电流形状函数，ix(x＝a,b,c)为三相电流。ic＝-(ia+ib)。相电流形状函数由霍尔位置信号计算得到，计算公式为：式中，为三个在空间呈120°分布的霍尔位置传感器输出的电平信号及其逻辑“非”；数字信号处理器dsp根据直流母线电压udc与给定电压udc*之间的偏差，采用pi调节的方法求得电磁转矩给定值te*，te*表达式为：te*＝kp(udc*-udc)+ki∫(udc*-udc)dt(21)式中，kp和ki为电压偏差的比例和积分调节系数；根据瞬时电磁转矩te和转矩给定值te*之间的转矩偏差，设置转矩控制标志τ，若te<te*，τ为1，表示需要增加te，若te>te*，τ为0，表示需要减小te。按照表2，采用滞环比较方法进行电压矢量优选控制，在每个控制周期中从六个导通相电压矢量和一个全关断电压矢量中选择一个最合适的电压矢量作用于下一个周期，使输出电磁转矩在给定值te*附近允许偏差范围内变化，实现对转矩的直接控制，从而获得稳定的直流母线输出电压udc。对采用瞬时转矩的无刷直流发电系统进行了实验测试，实验电机的参数如表3所示。表3永磁无刷直流电机参数参数数值额定电压(v)24额定电流(a)2.5极对数4相电阻(ω)0.5相电感(mh)0.9额定转速(转/分)400无刷直流发电系统的满载稳态输出电压波形如图9所示，可以看出发电系统输出电压保持在24v，波动范围在±0.5v之内。给发电系统突加60w负载，输出电压变化如图10所示，此时输出电压下降了3v后在20ms内恢复到给定值24v。对发电系统突卸60w负载，输出电压变化如图11所示，突卸负载时输出电压上升了3.5v后在20ms内恢复到给定值。实验结果表明：采用瞬时转矩控制的永磁无刷直流电机发电系统动、静态性能优良。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12