本發(fā)明涉及一種電動汽車輪轂用盤式無鐵心永磁同步電機的控制系統(tǒng)。特別是涉及一種基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器及方法。

背景技術：
電能作為一種新型清潔能源，將成為未來能源發(fā)展的必然趨勢，電動汽車也將必然取代傳統(tǒng)的燃油汽車成為新時代的交通方式。目前電動汽車領域的相關技術是研究和開發(fā)的熱門，而汽車輪轂電機也是近期研究的重點。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)作為整車動力總成系統(tǒng)的一個核心組成部分，必須保證其高效性、快速響應性。目前普通電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)多采用集中驅(qū)動，電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動力經(jīng)過齒輪組等傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，在這個過程中必然會有一部分的能量損耗，采用輪轂電機可以直接驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，從而使能量損耗降到最低。盤式無鐵心永磁同步電機，沒有齒槽轉(zhuǎn)矩、過載能力極強、軸向尺寸短、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，特別適合用于電動汽車的輪轂電機。但是由于電機本身沒有鐵心，定子繞組電感很小，使得基于電壓型的控制器驅(qū)動此類電機時，定子繞組電流不能連續(xù)，導致電機會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，所以傳統(tǒng)的電機控制方法不能滿足盤式無鐵心永磁同步電機的控制要求。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種將盤式無鐵心電機應用于電動汽車輪轂驅(qū)動系統(tǒng)，適用于盤式無鐵心永磁同步電機的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器及方法。本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器，包括有控制電路和用于驅(qū)動盤式無鐵心電機的三相逆變電路，所述三相逆變電路的信號輸入端連接控制電路的信號輸出端，還設置有降壓斬波電路，所述降壓斬波電路的控制信號輸入端連接控制電路的信號輸出端，降壓斬波電路的電流輸出端通過電感L連接三相逆變電路的電流輸入端，所述的盤式無鐵心電機的輸出軸通過一個角度傳感器連接控制電路的信號輸入端，所述三相逆變電路的三相電流輸出分別通過電流傳感器連接控制電路的信號輸入端。所述的降壓斬波電路包括有直流電源U，第一開關管VS1和連接在第一開關管VS1的集電極和發(fā)射極之間的第一續(xù)流二極管VSD1，以及第二開關管VS2和連接在第二開關管VS2的集電極和發(fā)射極之間的第二續(xù)流二極管VSD2，其中，所述的第一開關管VS1的集電極連接直流電源U的正極，柵極連接控制電路的信號輸出端，所述第二開關管VS2的發(fā)射極連接直流電源U的負極，柵極連接控制電路的信號輸出端，第二開關管VS2的集電極和第一開關管VS1的發(fā)射極作為輸出端共同連接電感L的電流輸入端，電感L的電流輸出端連接三相逆變電路。所述的三相逆變電路U相輸出端還連接一電容C1的一端，V相輸出端還連接一電容C2的一端，W相輸出端還連接一電容C3的一端，所述電容C1的另一端、電容C2的另一端和電容C3的另一端相互連接。所述的角度傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器或磁電編碼器。一種基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器的控制方法，控制電路采用雙閉環(huán)控制方法，外環(huán)為速度環(huán)，給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差輸入到速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩的給定值；內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)，轉(zhuǎn)矩的給定值和所測得的實際轉(zhuǎn)矩之差作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出為電流參考矢量iref，具體包括：（1）控制器通過角度傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置信號，所測得的轉(zhuǎn)子位置角度參與控制算法中的坐標變換，并且用于電機轉(zhuǎn)速的計算；（2）根據(jù)電流傳感器測得電機定子三相電流ia、ib、ic，對三相電流ia、ib、ic進行坐標變換后得出兩相平面直角坐標系下的電流分量iα、iβ，和旋轉(zhuǎn)坐標系下的d、q軸電流分量id、iq；（3）根據(jù)兩相坐標系下的電流分量iα、iβ來判斷參考電流矢量iref所在的扇區(qū)，根據(jù)參考電流矢量所在的扇區(qū)，參考電流矢量可以通過相鄰的兩個非零矢量合成得出。（4）定義變量A、B、C，若i1>0，則A=1，否則A=0；若i2>0，則B=1，否則B=0；若i3>0，則C=1，否則C=0；令N=4×C+2×B+A，則可以計算參考電流矢量iref所在的扇區(qū)；（5）根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子磁鏈、極對數(shù)，估算出電機的實際轉(zhuǎn)矩，作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩反饋值；（6）定義電流調(diào)制比M為：iinp=M·idc式中iinp—定子電流峰值idc—直流母線電流。所述的估算出電機的實際轉(zhuǎn)矩是采用如下盤式無鐵心永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩方程進行估算：Td=pm(ψdiq-ψqid)=pm[ψriq+(Ld-Lq)idiq]又Ld=Lq，上式可寫成：Td=pmψriq式中Td—轉(zhuǎn)矩值pm—電機極對數(shù)ψr—電機轉(zhuǎn)子磁鏈iq—交軸電流分量。當電流調(diào)制比M<1時，第一開關管VS1的PWM占空比小于1，母線電壓小于直流電源的電壓；當電流調(diào)制比M>1時，第一開關管VS1的PWM占空比為1，母線電壓高于直流電源電壓，使得定子繞組端電壓高于額定電壓，從而提高電機轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器及方法，實現(xiàn)了對盤式無鐵心永磁同步電機的調(diào)速控制。當電機需要工作在大于額定轉(zhuǎn)速的高速狀態(tài)時，可以通過升壓斬波電路來提高母線電壓，從而提高電機的最高轉(zhuǎn)速。此控制系統(tǒng)具有電流脈動小、正弦性好和便于能量回饋等特點。附圖說明圖1是本發(fā)明的電路原理圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器及方法做出詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器，包括有控制電路1和用于驅(qū)動盤式無鐵心電機M的三相逆變電路2，所述三相逆變電路2的信號輸入端連接控制電路1的信號輸出端，還設置有降壓斬波電路3，所述降壓斬波電路3的控制信號輸入端連接控制電路1的信號輸出端，降壓斬波電路3的電流輸出端通過電感L連接三相逆變電路2的電流輸入端，所述的盤式無鐵心電機M的輸出軸通過一個角度傳感器4連接控制電路1的信號輸入端，所述三相逆變電路2的三相電流輸出分別通過電流傳感器5連接控制電路1的信號輸入端。所述的角度傳感器4采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器或磁電編碼器。所述的降壓斬波電路3包括有直流電源U，第一開關管VS1和連接在第一開關管VS1的集電極和發(fā)射極之間的第一續(xù)流二極管VSD1，以及第二開關管VS2和連接在第二開關管VS2的集電極和發(fā)射極之間的第二續(xù)流二極管VSD2，其中，所述的第一開關管VS1的集電極連接直流電源U的正極，柵極連接控制電路1的信號輸出端，所述第二開關管VS2的發(fā)射極連接直流電源U的負極，柵極連接控制電路1的信號輸出端，第二開關管VS2的集電極和第一開關管VS1的發(fā)射極作為輸出端共同連接電感L的電流輸入端，電感L的電流輸出端連接三相逆變電路2。所述的三相逆變電路2的U相輸出端還連接一電容C1的一端，V相輸出端還連接一電容C2的一端，W相輸出端還連接一電容C3的一端，所述電容C1的另一端、電容C2的另一端和電容C3的另一端相互連接。本發(fā)明的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器，輸入直流電壓源，母線上電感使得流入逆變器的電流為以恒定值，從逆變器的輸入端來看，前級電路可近似看成為恒流源。第一開關管VS1和第一續(xù)流二極管VSD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向盤式電機供電，在該模式下，第二開關管VS2關斷，第一開關管VS1在恒定開關頻率的PWM方式下工作，通過調(diào)節(jié)第一開關管VS1的占空比，來調(diào)節(jié)母線電壓。當電機轉(zhuǎn)速達到額定值后，由于電機反電勢接近于母線電壓，電源無法為電機供電，電機轉(zhuǎn)速無法再提高。這時，第二開關管VS2和第二續(xù)流二極管VSD2構(gòu)成升壓斬波電路，可以將母線電壓提高，從而能提高電機的轉(zhuǎn)速。所述逆變橋電路，通過PWM調(diào)制，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，給盤式無鐵心電機供電。逆變電路的每個開關管均串聯(lián)一個二極管，保證電流的正向流動，同時也保護了開關管的反向耐壓能力。電機的三相輸入斷并聯(lián)里三個濾波電容，用于吸收電流換相時定子繞組電感中的能量，使定子電流連續(xù)。本發(fā)明的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器的控制方法，控制電路采用雙閉環(huán)控制方法，外環(huán)為速度環(huán)，給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差輸入到速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩的給定值；內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)，轉(zhuǎn)矩的給定值和所測得的實際轉(zhuǎn)矩之差作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出為電流參考矢量iref，具體包括：（1）控制電路通過角度傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置信號，所測得的轉(zhuǎn)子位置角度參與控制算法中的坐標變換，并且用于電機轉(zhuǎn)速的計算；（2）根據(jù)電流傳感器測得電機定子三相電流ia、ib、ic，對三相電流ia、ib、ic進行坐標變換后得出兩相平面直角坐標系下的電流分量iα、iβ，和旋轉(zhuǎn)坐標系下的d、q軸電流分量id、iq；（3）根據(jù)兩相坐標系下的電流分量iα、iβ來判斷參考電流矢量iref所在的扇區(qū)：（4）定義變量A、B、C，若i1>0，則A=1，否則A=0；若i2>0，則B=1，否則B=0；若i3>0，則C=1，否則C=0；令N=4×C+2×B+A，則可以通過下表計算參考電流矢量iref所在的扇區(qū)。N315462扇區(qū)號ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ根據(jù)參考電流矢量所在的扇區(qū)，參考電流矢量可以通過相鄰的兩個非零矢量合成得出。通過以上分析，通過控制參考電流矢量的輸出，即可達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。（5）根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子磁鏈、極對數(shù)，估算出電機的實際轉(zhuǎn)矩，作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩反饋值；所述的估算出電機的實際轉(zhuǎn)矩是采用如下盤式無鐵心永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩方程進行估算：Td=pm(ψdiq-ψqid)=pm[ψriq+(Ld-Lq)idiq]（2）又Ld=Lq，上式可寫成：Td=pmψriq（3）式中Td—轉(zhuǎn)矩值pm—電機極對數(shù)ψr—電機轉(zhuǎn)子磁鏈iq—交軸電流分量。（6）定義電流調(diào)制比M為：iinp=M·idc（4）式中iinp—定子電流峰值idc—直流母線電流。當電流調(diào)制比M<1時，第一開關管VS1的PWM占空比小于1，母線電壓小于直流電源的電壓；當電流調(diào)制比M>1時，第一開關管VS1的PWM占空比為1，母線電壓高于直流電源電壓。且三相逆變電路2的橋臂的上下兩個開關管在某些時刻處于同時導通的狀態(tài)，直流電源、第一開關管VS1、母線上的電感L、三相逆變電路2的某一個橋臂構(gòu)成一個升壓斬波電路，提高母線電壓。由以上分析可以得出，當電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速之后，可以通過改變控制系統(tǒng)的調(diào)制比M來提高母線電壓，從而提高電機的轉(zhuǎn)速。由于電機的擴速策略是提高了母線電壓使得轉(zhuǎn)速得以提高，而不是進行弱磁擴速，所以電機在提高轉(zhuǎn)速的同時，電磁轉(zhuǎn)矩并不會下降，這也是與傳統(tǒng)的弱磁擴速方法的區(qū)別所在。本發(fā)明的基于電流型逆變器盤式無鐵心永磁同步電機控制器及方法：1.采用電流型逆變器來取代電壓型逆變器給盤式無鐵心電機供電，直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源，使逆變器輸出的電流波形更加平滑，從而減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動。2.逆變器由可控器件IGBT與二極管串聯(lián)組成，保證了電流的單向流動，并提高器件的反向耐壓能力。3.交流側(cè)電容的作用是吸收電機定子換流時繞組電感中存儲的能量。4.相對于傳統(tǒng)的電流型逆變器，本發(fā)明提出的硬件拓撲結(jié)構(gòu)在電感的前端加入了斬波電路，此電路具有雙向升壓的功能，可以通過PWM來調(diào)節(jié)母線電壓。由于盤式無鐵心電機電樞反應很小，所以弱磁控制比較困難。結(jié)合本發(fā)明提出的控制策略，在寬調(diào)速的應用場合下，當電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后，可以通過前級升壓斬波電路來提高母線電壓，從而提高電機的轉(zhuǎn)速。5.采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，使控制電路能得到準確的轉(zhuǎn)子位置。6.電機作再生制動運行時，電流型逆變器將再生制動的能量反饋到電源上。7.控制算法采用空間電流矢量控制策略，根據(jù)電機轉(zhuǎn)子的當前位置，來選擇需要施加的電流矢量。盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。