开关磁通起动发电机控制电路仿真及试验研究

樊登柱,崔敏超,周开俊

(1.南通职业大学,南通226007;2.西安交通大学,西安710049)

0 引 言

据公安部门统计,截至2016年3月底,我国汽车保有量达到1.79亿辆,并且还在保持着飞速增长趋势。然而,快速发展的汽车也带来了严重的环境和能源问题,混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,以下简称HEV)是目前解决这些问题的主要方法之一。

HEV的发展也并非一帆风顺,由于受到纯电动汽车(Electric Vehicle,以下简称EV)的影响,各大汽车厂商对HEV的研发投入均较保守,他们都希望能尽可能大限度地利用传统汽车的结构,降低HEV的成本。在这种需求的驱动下,有学者提出了在起动发电一体化技术(Integration Startor and Generator,以下简称ISG),它是在原有汽车起动机的位置上安装更为先进的起动发电一体机,使其既可以作为电动机起动和辅助汽车运行,又可以作为车载电源为整车电路和蓄电池提供电能[1-3]。

ISG技术的提出,使得传统汽车实现混合动力策略的成本直线下降,因此近年来吸引了大量学者和汽车厂商的研究兴趣。实现ISG所采用的起动发电一体机的拓扑结构是决定整个系统性能和控制特点的主要因素,文献[4]提出了一种磁通开关型拓扑结构的起动发电一体机(Flux Switching Integration Starter Generator,以下简称FSISG),并对其进行了电磁场有限元分析,论证了该型起动发电一体机实现电动和电源功能的可行性。但是,要将FSISG应用于实际车辆上,还需要一整套与之相适应的控制电路的配合,本文将基于FSISG的拓扑结构,设计其控制系统结构,并通过仿真和试验验证该系统的输出性能。

1 FSISG运行原理

从电机学的角度来看,FSISG是一种双凸极开关磁通电机,相关的电机学研究已经证明开关磁通电机具备优良的能量双向转换效率[4-7]。图1为FSISG的结构示意图。定子铁心、永磁体和集中绕组形成类似“三明治”的结构为能量的双向高效转换提供了可能,本文研究的控制系统也是基于这种拓扑结构的。

图1 FSISG结构示意图

图2 是FSISG的系统运行原理图。在汽车驱动运行时,FSISG是一种三相交流型起动发电一体机,使用车载蓄电池供电时,FSISG控制系统需要进行合理的DC-AC变换;而在倒拖发电时,能量经由传动系统传递到车载蓄电池,此时控制系统需要进行AC-DC变换,将产生的三相交变电流转换成恒压直流电供给整车电路和车载蓄电池。因此FSISG的控制系统需要经过专门的设计来完成上述功能,简单说来,FSISG的运行原理就是在电路控制系统的协调下,使得能量能够在汽车的传动系统和车载蓄电池之间双向传递。

图2 FSISG系统运行原理

2 FSISG的数学模型

2.1 在abc坐标系下的数学模型

FSISG的电角度和机械角度的满足如下关系:

对于各相对称的三相集中绕组,忽略铁心和永磁体损耗,则电压方程[8]:

式中:ω为电角速度;Ω为机械角速度;U为相电压向量,U=[uaubuc]T;R为绕组电阻矩阵,R=[rarbrc]T;I为相电流向量,I=[iaibic]T;ΨPM为永磁磁链向量;ΨL为电枢磁链向量;θ为转子位置角。

永磁磁链ΨPM只与转子位置角θ有关,可表示:

式中:k=a,b,c。

电枢磁链ΨL是电流I与转子位置θ的复合函数,若不考虑铁心磁路饱和,可表示:

式中:L是电感矩阵,且L是位置角θ的函数。

将式(4)代入式(2)可得以相电流为状态变量的电压方程:

FSISG的绕组采用三相Y型连接方式,则电流有如下关系:

机械方程:

式中:J为转动惯量;Kw为摩擦系数;TL为负载转矩。

用磁共能虚位移方法,可得到FSISG瞬时转矩方程:

FSISG的场能量:

式中:Wcoenergy为磁功能;WPM为永磁体内的场能量。

FSISG总磁链:

磁共能满足:

将式(12)代入式(9)得到:

式中:TPM为永磁体产生的转矩分量;Trm为电感变化引起的转矩波动分量;Tcogging为齿槽转矩分量。

由式(13)可知,电磁转矩包括永磁体产生的转矩分量、电感变换引起的波动转矩分量、齿槽转矩分量3部分。其中永磁体产生的转矩分量占主要部分,齿槽转矩对FSISG的运行不利会造成转矩波动。

2.2 在d-q坐标系下的数学模型

FSISG工作在电动模式下,是永磁电机的一种,矢量控制是目前在永磁电机驱动领域被广泛采用的一种控制方法,它具有效率高,精度高,调速范围广,动态性能好等优点。本文对FSISG在电动模式下进行矢量控制,给出了其在旋转的d-q坐标系下的数学模型。

在d-q坐标系下,电机的d轴,q轴电流Id,Iq,与静止坐标系下三相电流Ia,Ib,Ic的变换关系[9]:

式中:p为微分算子;p为转子极对数。

由式(20)可以看出,电机转矩是由永磁转矩和磁阻转矩(因d,q轴电感不同产生)组成的。

3 FSISG控制系统仿真研究

根据上述理论推导得到的FSISG数学模型,本文设计了在汽车上应用的全时控制系统,其结构如图3所示。整个系统模式继电器的控制下在电动和电源模式下切换,电动模式下根据前面的数学模型对FSISG应用矢量控制算法;电源模式下采用三相整流滤波和DC/DC变换对FSISG产生的电能进行处理使之可以为车载蓄电池充电。整车的直流电压采用48 V的新一代汽车电路标准[11]。

图3 FSISG全时控制系统

3.1 电源模式仿真

为了研究FSISG控制系统在电源模式下的输出响应和稳定性,本文在Simulink平台下建立了该模式下的仿真模型,如图4所示,其中DC/DC功能由CUK升降压模块实现。

图4 FSISG电源模式仿真模型

FSISG工作在电源模式时,汽车的动能被转换为电能,汽车速度逐渐降低,此时FSISG主机产生的电压也将逐渐降低。仿真过程的输入通过三相可控电压源来模拟,为了更真实地反映汽车实际运行时的回馈制动过程,输入电压的幅值设定为随时间逐渐减小,在这样的输入条件下得到的控制系统输出性能具有实际意义。

根据FSISG在abc坐标下的数学模型,给定系统参数,并分别设定输出电压为48 V和12 V(标准汽车电路系统输入电压)进行仿真,输出电压波形分别如图5和图6所示。仿真参数:步长0.000 01 s,求解器 ode23tb。

图5 设定电压为48 V时的输出电压

图6 设定电压为12 V时的输出电压

由图5知,当设定输出电压为48 V时,控制系统约在0.2 s达到稳定值,峰值电压为49 V,最大超调量约为2.1%,稳态误差为0;由图6知,当设定输出电压为12 V时,系统在约0.13 s达到输出稳定值,整个过程中无超调,稳态误差为0。在理想的仿真环境下,系统的动态特性和静态特性满足使用要求,并且在较宽范围内,可实现无级调压,为回馈制动时的电源采取多种充电控制策略提供了可能。

3.2 电动模式Ansoft联合仿真

Ansoft是一款功能强大的电磁场有限元分析软件,目前在电机设计和控制领域得到了广泛应用。本文利用Ansoft Maxwell平台提供的电磁场和电路模块对FSISG在电动模式下进行了联合仿真研究。根据图3的控制系统在Circuit模块中建立了相应的激励发生电路。同时根据文献[4]中的FSISG结构参数在电磁场模块中建立相应的物理模型,将Circuit模块输出的三相激励电流链接到物理模型上。

运行求解,得到一个电周期4个关键位置,对应转子角度 0°,7.5°,15°,22.5°的磁感应强度云图,如图7所示。

图7 不同转子位置磁通密度云图

图8 转矩-时间曲线仿真结果

从图中可知,除了定转子齿部磁通密度较大外,其余部分磁感应强度在1.5 T以下,表明电机驱动电路设计合理。图8是仿真得到的转矩-时间曲线,FSISG输出的电磁转矩在22 N·m上下小幅波动,而现在市场上同尺寸的汽车起动机输出转矩仅5～10 N·m,因此FSISG在电动模式下的仿真输出转矩较现有直流电机有显著提升。

4 试验研究

在数值模拟的基础上,设计了相应的驱动电路板,同时与起动发电一体机样机一起搭建了综合试验台,如图9所示。

图9 FSISG试验装置

通过模拟汽车实际运行时的工况,在电动模式下FSISG在控制电路的驱动下能够平稳拖动伺服电机(模拟汽车负载)倒拖运转;在电源模式下,FSISG的输出电压随转速变化关系如图10所示,在较宽的转速范围内,输出电压均稳定在48 V(设定值)左右。因此,所设计的控制电路可使FSISG作为车载电源回收汽车制动和减速过程的动能,在减轻制动系统负荷的同时为整车电路和蓄电池提供电能。

图10 电源模式下试验结果

5 结 语

1)介绍了FSISG的运行原理,并通过数学建模,得到了FSISG在abc和dq0坐标系下的数学模型,为该型起动发电机的矢量控制提供了参考。

2)提出并设计了FSISG的控制电路,并分别在Simulink和Ansoft Maxwell平台下对控制系统在电源模式和电动模式下的输出性能进行了仿真研究,结果表明设计的控制电路能够满足FSISG的功能要求。

3)试验研究中,在搭建的FSISG综合试验台上分别进行了电动和电源模式的模拟试验,结果表明在电动模式下FSISG能够拖动伺服电机倒拖运转;在电源模式下,输出电压在较宽的转速范围内稳定在设定值左右,能够达到整车电路和蓄电池输入要求。

[1]尹安东,李领领.车用ISG技术及其国内外发展现状[J].汽车科技,2011(5):1-6.

[2]李鹏,左建令.ISG型轻度混合动力汽车系统概述[J].农业装备与车辆工程,2007(1):3-6.

[3]路兴国.汽车发电/起动一体化技术[J].交通科技与经济,2006(1):74-76.

[4]樊登柱,郝静,吴朝阳,等.磁通开关型汽车起动发电一体机的设计与分析[J].微电机,2015,48(7):85-89.

[5]AMARA Y,HOANG E,GABSIM,et al.Design and comparison of different flux-switch synchronous machines for an aircraft oil breather application[J].European Transactionson Electrical Power,2005,15(6):497-511.

[6]HUA W,CHENG M.Optimal design of flux switching permanent magnetmachine based on FE analysis[C]//The 12th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation.Miami,USA,2006:333.

[7]HUA W,ZHU Z Q,HOWE D.Analysis and optimization of back emf waveform of a flux-switching permanentmagnet motor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(3):727-733.

[8]张志强.基于开关磁通永磁同步电机的控制器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[9]张少华.永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现[D].长沙:中南大学,2008.

[10]王正,常浩.永磁同步电机矢量控制系统研究[J].沈阳工业大学学报,2007(3):307-312.

[11]FAHIMI B.On the suitability of switched reluctance drives for starter/generator application[C]//IEEE Vehicular Technology Conference,Birmingham,England,2002(4):2070-2075.