基于九开关变换器的非对称六相电机集成车载驱动系统研究.pdf

第 卷 年第 期 月.基于九开关变换器的非对称六相电机集成车载驱动系统研究刘陵顺 李永恒 闫红广(.海军航空大学 航空基础学院 山东 烟台 .部队 海南 三亚)摘 要:在电动汽车充电、驱动一体化系统上进行改进 提出一种基于九开关变换器的 算法 该算法给出了九开关变换器 种电压矢量及其在矢量图中对应位置 为了最大程度的提高电压利用率 将矢量图划分为 个扇区 并且选择距离参考矢量最近的四个不同层电压矢量 每个扇区九个开关管共通断八次 尤其降低了中间开关管的通断频率 且有些功率管一直处于导通状态 无需定时器控制 有利于数字化实现 仿真表明 该算法能够有效的应用于双 移 永磁同步电机关键词:电动汽车 双 移 永磁同步电机 九开关变换器 算法中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()中国博士后科学基金()作者简介:刘陵顺()男 博士生导师 教授 研究方向为电机控制与电磁兼容通讯作者:李永恒()男 博士生 研究方向为电机控制与电磁兼容闫红广()男 博士生 研究方向为电机控制与电磁兼容 引 言在倡导节能减排、发展新能源和促进可持续发展背景下 新能源汽车被提上日程 与化石能源作为动力的燃油汽车相比 电动汽车具有噪声低、无(低)污染物排放、能效高、运行及维修成本低等优点 使之成为减缓气候变化和能源紧缺最有效的途径之一众所周知 当电动汽车驱动系统和充电系统一方工作时 另一方则是闲置的 因此将驱动装置和充电装置集成一体化的想法应运而生 一体化的实现将会大大降低汽车的生产成本、重量和体积 文献提出了能实现充电驱动一体化的方案 但在充电过程中电流流过电机绕组时 在电机内部会产 卷生电磁转矩 因此在充电过程中必须要对电机进行人为的机械锁定 增加了电机的磨损和噪声 同时降低了充电效率 文献提出了解决上述问题的方法 允许电机在充电过程中不必机械锁定 但其仍依靠充电速度十分缓慢的单相充电为了能够实现快速充电与驱动之间的统一 三相电源是一个不错的选择 并得到了广泛的应用同样多相电机相比于三相电机具有效率高、容错性能强以及电磁转矩脉动低等优点 在电动汽车中得到了很好的应用 文献将非对称六相电机集成到三相快速车载充电驱动一体化系统当中 将六相电机与传统十二开关变换器相连 随后 文献提出将对称六相电机与九开关变换器相连 较之于传统十二开关变换器 节省三个开关元件 进一步降低了生产成本、重量和体积 但其并没有对九开关变换器驱动策略进行研究目前 国外学者对九开关变换器驱动策略作了较深入的研究 国内尚处于起步阶段 文献首次将九开关变换器应用于双电机驱动系统 提出一种新的空间矢量调制方法 该方法相较于传统调制指数小于或者等于 的方法来说 提高了约 的调制指数 文献提出一种基于连续载波的脉冲宽度调制技术 克服了采样周期调制信号引起的九开关逆变器输出电压畸变 仿真结果表明 在变频和恒频模式下 均具有良好的动态和稳态性能 文献提出一种可以应用于任何多电平逆变器的快速、广义的脉冲宽度调制方法 给出了系统的转换状态、任务周期和切换序列 因此不需要查表 提高了系统的快速性 文献对在 和 模式下运行的九开关转换器失真问题进行研究 并给出具体调制方法 文献提出一种用于控制九开关逆变器双负载的相移空间矢量调制技术 在恒定频率和可变频率模式下 均具有良好的稳态性能国外文献关于九开关变换器驱动策略主要采用 算法 较少涉及(空间矢量脉冲宽度调制)算法 与 相比 具有较高的电压利用率 本文在双 移 永磁同步电机电压矢量基础上 提出一种九开关变换器 算法通过将 子空间划分为 个扇区 选取距离扇区最近的四个电压矢量 用以对一个四维参考矢量的合成 减少了开关管的通断频率 且有些功率管一直处于导通状态 无需定时器控制 易于数字化实现 九开关变换器调制原理本文所提的充电、驱动一体化系统拓扑结构如图 所示 在充电过程中 开关、打开 将电网接入系统对蓄电池进行充电 需要注意的是 在充电过程中电机应保持静止状态 而在驱动过程中 开关、关闭 将电网从系统中隔离开来 蓄电池为电机供电 使电机旋转以驱动汽车行驶图 一体化系统拓扑结构图本文仅对系统驱动过程进行分析和推导 如图九开关变换器可分为三组桥臂 每组桥臂由三个 开关器件串联而成 通过对中间三个开关、复用 实现减少开关 减轻控制系统体积、重量的目的九开关变换器每一桥臂有 种开关方式 由于中间开关信号是由上下开关信号逻辑异或运算产生的 在直流母线不能短路的情况下 其有效开关状态只有三种 如表 所示表 九开关变换器 桥臂开关状态状态 四矢量 算法九开关变换器一共有 种开关状态 由于九开关变换器固有的逻辑特性 每一种开关状态可用桥臂上、下开关通断来表示 通过九开关变换器驱动电机所产生的电压矢量用两个八进制数表示 与八进制数相对应的二进制数代表变换器的开关状态(例如 )从高位到低位依次为、其中“”代表开关管导通“”代表开关管关断双 移 永磁同步电机矢量空间解耦变换表达式为 期刘陵顺等:基于九开关变换器的非对称六相电机集成车载驱动系统研究()式中、为电机相电压、为 子空间电压、为 子空间电压、为 子空间电压通过矢量空间解耦变换 将 个电压矢量映射到、组成的 个相互正交的子空间中其中 将与机电能量转换相关的基波和 (、)次谐波映射到 子空间 将与机电能量转换无关的 (、)次谐波映射到 子空间根据式()可得电压矢量在 子空间和 子空间的位置如图 所示图 电压矢量图 个电压矢量分布于()子空间的 个位置 分别由若干大矢量、中矢量和短矢量组成 其中 子空间外层空间矢量长度为()/中间层矢量长度为/内层空间矢量长度为()/从图 可以看出 子空间外层空间矢量对应于 子空间内层空间矢量、子空间中间空间矢量对应于 子空间外层空间矢量、子空间内层空间矢量对应于 子空间中间空间矢 量、子空间零矢量对应于 子空间零矢量、双 移 永磁同步电机电压矢量映射到两个子空间上 本质上是四维的 需要至少四个矢量才能完成对一个四维参考矢量的合成 为提高电压利用率 选用 子空间距离参考矢量最近的四个幅值最大电压矢量合成 值得注意的是 选择电压矢量时 通常不选用 子空间中间电压矢量、原因有两点:一、电压矢量、在子空间幅值最大 而 子空间的阻抗很小 较小的外部干扰都会产生一定的电流 增加定子损耗二、四矢量作用时间无法确定 以电压矢量 为例进行说明 在 子空间选择幅值最大的四个电压矢量过程中 如果选择两个外层矢量、以及一个中间矢量 为了在 子空间合成矢量为零另一个电压矢量只能选择 或者 而这两组电压矢量无法求出相应的作用时间 其它两个中间矢量以此类推本文将 子空间分割为 个扇区 如图 所示 其中、扇区夹角为 其余夹角为 图 扇区划分对于如图 所示的扇区 选用电压矢量如表 所示表 扇区与电压矢量对应关系扇区电压矢量 不同于传统的扇区判断和电压矢量选择方法本文将 子空间 、分别分割为两个夹角为 的扇区 原因有两 卷点:一、尽可能的提高电压利用率 二、经过计算对于以上三个夹角为 的扇区 无法用三个外层矢量以及一个内层矢量或者两个外层矢量以及两个内层矢量 对一个四维参考矢量进行合成根据各基本矢量和参考电压矢量在四个轴上的投影 列写出以各矢量作用时间为未知数的四元一次方程组 通过求解该方程组可以得到各扇区电压矢量作用时间:()式中 代表扇区、为逆时针方向选取 距离参考矢量最近的四个电压矢量作用时间为采样周期、分别为电压矢量在 子空间上的投影 式()的计算十分复杂 为了提升系统速度 最大程度的离线计算必不可少 从图 所示的电压矢量图可以看出 子空间每一个外层电压矢量 相当于由相邻的两个内层电压矢量合成而来 故在计算电压矢量作用时间时 可先求出扇区邻近四个内层电压矢量作用时间 进一步推导出外层电压矢量作用时间 减小离线计算的复杂程度求得电压矢量的作用时间如表 所示表 电压矢量作用时间扇区 其中/()/()/功率管开关次序九开关变换器 算法由于开关信号逻辑的特殊性 如果四矢量全部从 子空间最内层 个电压矢量中选择 在满足 波形中心对称前提下 采样周期内各个扇区上开关管通断三次 中间开关管通断五次 下开关管通断两次 九个开关管共通断十次 但缺点在于电压利用率不高 且中间开关管通断频繁 会导致故障率升高 本文提出的 算法 在满足 波形中心对称的前提下 每个扇区内九个开关管共通断八次 有效降低开关管通断频率 扇区代表夹角 的扇区 扇区代表夹角 的扇区 以这两个扇区为例进行说明 如图 所示 期刘陵顺等:基于九开关变换器的非对称六相电机集成车载驱动系统研究图 算法开关管导通次序从图 可以看出 扇区和 扇区 波形中心对称 扇区开关管、一直处于导通状态开关管、通断一次 开关管通断两次 扇区开关管、一直处于导通状态 开关管 处于关断状态 开关管、通断一次 开关管、通断两次 其余扇区通断情况以此类推从以上分析可知 本文提出的 算法有效降低了桥臂开关管的通断次数 尤其是中间开关管 且有些开关管一直处于导通状态 无需定时器控制 易于数字化实现 仿真分析基于九开关变换器的电机驱动模型如图 所示其中 双 移 永磁同步电机参数:定子电阻 、轴电感 转子磁链 转动惯量 粘滞摩擦系数 极对数 负载转矩 直流侧母线电压 图 基于九开关变换器的电机驱动结构图根据图 搭建基于九开关变换器电机驱动模型其中 图 为电机六相电流波形 图、图 分别为电机电磁转矩波形和转速波形 图 为电机定子磁链矢量轨迹图 六相电流波形图 电磁转矩波形图 转速波形图 定子磁链矢量轨迹从图 可看出 电机启动后 六相电流迅速增大 随着电机转速趋于稳定 电流周期随之缩短稳定后 电机每三相电流相差 根据图、图 电磁转矩、转速波形符合电机正常运转时的情形并且稳定后 电磁转矩谐波趋于平稳 根据图 定子磁链矢量轨迹保持圆形 且采样周期 越小磁链轨迹越接近圆形 结 语本文在电动汽车充电、驱动一体化系统上进行 卷改进 提出一种基于九开关变换器的 算法该算法可以最大程度的提高电压利用率 并且 波形在满足中心对称的同时 每个扇区九个开关管共通断八次 尤其降低了中间开关管的通断频率且有些功率管一直处于导通状态 无需定时器控制有利于数字化实现参考文献 .:.涂志文 蒋成明 涂群章 等.电动车用永磁同步电机无传感器控制技术综述.微电机 ():.胡泽春 宋永华 徐智威 等.电动汽车接入电网的影响与利用.中国电机工程学报():.():.:.():.():.():.:.():.:.:.():.:.:.李岩 李坤洲 吴迪.九开关型航空电源系统的电压矢量控制研究.微电机 ():.():.():.(上接第 页).():.():.():.():.():.():.:.:.():.():.