一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法
【专利摘要】一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车蓄电池充电后供电给汽车负载，本发明的有益效果为：1、解决了现有技术中永磁同步发电机整流器控制需要高精度绝对式位置编码器以及其他装置来检测转子磁级的位置的复杂性，提高了系统的抗干扰性和降低系统的成本；2、设计合理、实用性强、操作简单；3、通过闭环控制实现发电机高速时的弱磁控制，实现高速时直流侧电压稳定；4、通过采用变频滤波器代替纯积分器有效抑制纯积分器带来的直流漂移。
【专利说明】
-种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种汽车技术领域，尤其是一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方 法。
【背景技术】
[0002] 现有的一些汽车发电机普遍采用爪极同步发电机系统，采用二极管全桥整流器可 获得14v直流电源，W对12v铅酸蓄电池充电，并给电负载供电，14v爪极同步发电机系统的 效率偏低(约为50%)，其功率一般小于2kW，近年来，随着现代汽车通风和空调、制动防抱死 系统、电子点火装置、加热、汽车安全及故障诊断系统、汽车信息系统、汽车舒适娱乐产品的 广泛使用，汽车用电量快速增长。若采用14v爪极同步发电机系统，W电负荷3KW为例，发动 机需要为发电机提供6KW的机械功率，运就显著地增加发动机及其传动轴系的负担。如何提 高汽车发电机的输出功率和效率，W节约汽车燃料，减少尾气排放量，已成为该领域备受关 注的一个重要问题；
[0003] 永磁发电机体积小、重量轻、效率高、寿命长W及性价比高等优点不久将可能代替 电励磁发电机，成为汽车用发电机的首选。为增大输出功率，选择42v电压等级，既满足汽车 用电要求，又符合节能环保的发展方向。对于永磁同步发电机可控整流控制系统，通常采发 电机转子磁场定向控制，需要获取转子的准确位置信息，传统的检测电机转子磁极位置和 转速方法多W采用速度或位置传感器(如光电编码器、旋转编码器和磁编码器等）为主，然 而高精度、高分辨率的位置传感器价格昂贵，不仅增加了系统的成本，还降低了系统的可靠 性，W及限制了驱动装置在恶劣环境下的应用。且传统控制算法设及复杂的坐标旋转变换 和Ξ角函数计算降低了程序的执行效率。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法， 解决现有技术中永磁同步发电机整流系统控制需要高精度绝对式编码器来检测永磁体的 位置、且设及复杂的坐标旋转变换降低了程序的执行效率的问题。
[0005] 本发明的技术方案为:一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽 车原动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给 汽车蓄电池充电后供电给汽车负载，其特征在于，包括W下步骤：
[0006] 1)、通过信号采集模块采集同步发电机Ξ相定子电流133山6山。，同步发电机的转 速ω m，整流器直流侧电容电压Udc ;
[0007] 2)、通过直流侧参考电压记。和整流器直流侧电容电压Ud。做差后经PI调节器输出 得到有功电流指令C,
[000引 3)、根据S相调制电压lWf、Ubref、Ucref计算得到；相调制电压的幅值Utref，计算公 式为：
[0009]
[0010] 根据整流器直流侧电容电压Ud。的稳压值得到允许同步发电机发出的最大电压幅 值Umax,通过同步发电机发出的最大电压幅值Umax和Ξ相调制电压的幅值Utref做差后经过PI 调节器得到无功电流指令4,比较Ξ相调制电压的幅值Utref和同步发电机发出的最大电压 幅值山lax的大小，如果litre广Umax《0，则无功电流指令4 =()，进行单位功率因数运行；如果 U付ef-Umax>0，则进行闭环弱磁控制；
[OCm] 4)、根据整流器直流侧电容电压Udc与整流器的控制占空比信号da、db、dc，计算得到 同步发电机机端Ξ相电压山3、山6、山。，其计算公式如下：
[0012]
[OOU] 5)、通过同步发电机机端S相电压Usa、Usb、Usc与同步发电机Ξ相定子电流isa、isb、 isc得到定子磁链4sa、^b、恥。，其计算公式如下：
[0014]
[001引其中，Rs为定子电阻；
[0016] 6)、根据定子磁链恥3、托6、恥。与同步发电机；相定子电流133、136、13。计算得到转子 磁链恥3、恥b、恥G，其计算公式如下：
[0017]
[001引其中，Ls为定子电感；
[0019] 7)、根据转子磁链恥3、恥b、恥C得到转子磁链的幅值恥，其计算式为：
[0020]
[0021] 定义转子磁链方向为同步发电机定子电流无功功率的方向，得到同步发电机定子 电流Ξ相单位无功分量Φ 3、Φ b、Φ。，其计算式分别为：
[0022]
[0025] 其中，ε取值为0.00001;
[0026] 8)、根据同步发电机定子电流Ξ相单位无功分量Φ3、(Κ、Φ。，构造得到同步发电 机定子电流Ξ相单位有功分量Va、Vb、Vc，其计算式分别为：
[0030] 9)、根据同步发电机定子电流Ξ相单位有功分量Va、Vb、V。与有功电流指令4、.同步 发电机定子电流Ξ相单位无功分量Φ 3、Φ b、Φ C与无功电流指令得到Ξ相电流指令 4、4、4,其计算式分别为：
[0031]
[0032] 10)、将同步发电机S相定子电流133山6山。与；相电流指令4、4、玄做差后经 过内环变频准比谐振调节器对同步发电机Ξ相定子电流133、136、13。无静差跟踪，通过电流 调节器输出得到调制电压化巧:、化巧:、11。巧:，所述内环变频准比谐振调节器的传递函数为：
[0033]
[0034] 其中，S为拉普拉斯算子，Kr为比例调节器的比例系数，ω。为调节器等效带宽，com 为同步发电机的转速；
[00对 11)、电流调节器输出的调制电压113地、1^6:、11。巧:经8?￥1波调制得到整流器开关管 驱动的占空比信号da、db、dc，从而实现整流器的控制。
[0036] 上述技术方案中，步骤2)中直流侧参考电压l4为42V。
[0037] 上述技术方案中，步骤3)中整流器直流侧电容电压Udc的稳压值为42V。
[0038] 上述技术方案中，步骤5)中需要引入一个纯积分环节，为避免纯积分环节受积分 初始值和积分漂移影响，因此，用变频滤波器代替纯积分环节，变频滤波器的传递函数为：
[0039]
[0040] 其中，k取值为0.2。
[0041] 本发明的有益效果为：1、解决了现有技术中永磁同步发电机整流器控制需要高精 度绝对式位置编码器w及其他装置来检测转子磁级的位置的复杂性，提高了系统的抗干扰 性和降低系统的成本;2、设计合理、实用性强、操作简单;3、通过闭环控制实现发电机高速 时的弱磁控制，实现高速时直流侧电压稳定;4、通过采用变频滤波器代替纯积分器有效抑 制纯积分器带来的直流漂移。
【附图说明】
[0042] 图1为本发明的流程图；
[0043] 图2为本发明的永磁同步发电机及整流器的系统控制框图；
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明：
[0045] 如图1和图2所示，一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原 动机带动永磁同步发电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车 蓄电池充电后供电给汽车负载，其特征在于，包括W下步骤：
[0046] 1)、通过信号采集模块采集同步发电机Ξ相定子电流133、136、13。，同步发电机的转 速ω m，整流器直流侧电容电压Udc ;
[0047] 2)、通过直流侧参考电压和整流器直流侧电容电压Ud。做差后经PI调节器输出 得到有功电流指令C.
[004引 3)、根据S相调制电压Uaref、Ubref、Ucref计算得到；相调制电压的幅值Utref，计算公 式为：
[0049]
[0050] 根据整流器直流侧电容电压Ud。的稳压值得到允许同步发电机发出的最大电压幅 值Umax,通过同步发电机发出的最大电压幅值Umax和Ξ相调制电压的幅值Utref做差后经过PI 调节器得到无功电流指令^，比较Ξ相调制电压的幅值Utref和同步发电机发出的最大电压 幅值Umax的大小，如果litre广Umax《〇，则无功电流指令C =()，进行单位功率因数运行；如果 U付ef-Umax>0，则进行闭环弱磁控制；
[0051] 4)、根据整流器直流侧电容电压Udc与整流器的控制占空比信号da、db、dc，计算得到 同步发电机机端；相电压山3、山6、山。，其计算公式如下：
[0化2]
[0化引 5)、通过同步发电机机端S相电压Usa、Usb、Usc与同步发电机S相定子电流isa、isb、 isc得到定子磁链4sa、4sb、恥。，其计算公式如下：
[0化4]
[0055] 其中，Rs为定子电阻；
[0化6] 6)、根据定子磁链恥a、4sb、恥C与同步发电机S相定子电流isa、isb、isc计算得到转子 磁链恥3、恥b、恥G，其计算公式如下：
[0化7]
[0化引其中，Ls为定子电感；
[0059] 7)、根据转子磁链恥3、恥b、恥。得到转子磁链的幅值恥，其计算式为：
[0060]
[0061]定义转子磁链方向为同步发电机定子电流无功功率的方向，得到同步发电机定子 电流Ξ相单位无功分量Φ3、Φ?)、Φ。，其计算式分别为：
[00化]其中，e取值为0.00001;
[0066] 8)、根据同步发电机定子电流Ξ相单位无功分量Φ3、(Κ、Φ。，构造得到同步发电 机定子电流Ξ相单位有功分量巾3、巾6、巾。，其计算式分别为：
[0070] 9)、根据同步发电机定子电流Ξ相单位有功分量Va、Vb、Vc与有功电流指令.V、祠步 发电机定子电流Ξ相单位无功分量Φ 3、Φ6、Φ。与无功电流指令4得到Ξ相电流指令 4、4、C，其计算式分别为：
[0071]
[0072] 10)、将同步发电机Ξ相定子电流isa、isb、is^S相电流指令c、4、c做差后经 过内环变频准比谐振调节器对同步发电机Ξ相定子电流133、136、13。无静差跟踪，通过电流 调节器输出得到调制电压Uaref、Ubref、Ucref，所述内环变频准比谐振调节器的传递函数为：
[0073]
[0074] 其中，S为拉普拉斯算子，Kr为比例调节器的比例系数，ω。为调节器等效带宽，com 为同步发电机的转速；
[00对 11)、电流调节器输出的调制电压lWf、Ubref、Ucref经SPWM波调制得到整流器开关管 驱动的占空比信号da、db、dc，从而实现整流器的控制。
[0076] 上述技术方案中，步骤2)中直流侧参考电压<。为42V。
[0077] 上述技术方案中，步骤3)中整流器直流侧电容电压Udc的稳压值为42V。
[0078] 上述技术方案中，步骤5)中需要引入一个纯积分环节，为避免纯积分环节受积分 初始植和积分漂移影响，因此，用变频滤波器代替纯积分环节，变频滤波器的传递函数为：
[0079]
[0080] 其中，k取值为0.2。
[0081] 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本 发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，运些变化和改进都落入要求保 护的本发明范围内。
【主权项】
1. 一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，通过利用汽车原动机带动永磁同步发 电机发电，并经过PWM整流器后稳定输出42V的直流电压，通过给汽车蓄电池充电后供电给 汽车负载，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、通过信号采集模块采集同步发电机三相定子电流isa、isb、is。，同步发电机的转速 ω m，整流器直流侧电容电压udc; 2) 、通过直流侧参考电压u!。和整流器直流侧电容电压udc做差后经PI调节器输出得到有 功电流指令'. ? 3 )、根据三相调制电压Uaref、Ubref、Ucref计算得到三相调制电压的幅值Utref，计算公式为：根据整流器直流侧电容电压Ud。的稳压值得到允许同步发电机发出的最大电压幅值 Umax，通过同步发电机发出的最大电压幅值Umax和三相调制电压的幅值Utref做差后经过PI调 节器得到无功电流指令ζ，比较三相调制电压的幅值U tref和同步发电机发出的最大电压幅 值Umax的大小，如果Utrrf-Umax<0，则无功电流指令= *5，进行单位功率因数运行;如果Utrrf-Umax>0，则进行闭环弱磁控制； 4) 、根据整流器直流侧电容电压Udc与整流器的控制占空比信号心、4、(1。，计算得到同步 发电机机端三相电压usa、u sb、us。，其计算公式如下：5) 、通过同步发电机机端三相电压usa、usb、usc与同步发电机三相定子电流i sa、isb、isc得 至1J定子磁链队3、1]^、11^，其计算公式如下：其中，Rs为定子电阻； 6) 、根据定子磁链Hbl。与同步发电机三相定子电流isa、isb、is。计算得到转子磁链 fcjfbjfc，其计算公式如下：其中，Ls为定子电感； 7) 、根据转子磁链得到转子磁链的幅值如，其计算式为：定义转子磁链方向为同步发电机定子电流无功功率的方向，得到同步发电机定子电流 三相单位无功分量<i>a、<i>b、Φ。，其计算式分别为：其中，ε取值为0.00001; 8) 、根据同步发电机定子电流三相单位无功分量<^、<^、巾。，构造得到同步发电机定 子电流三相单位有功分量v a、Vb、V。，其计算式分别为：9) 、根据同步发电机定子电流三相单位有功分量￥3、￥1)、￥。与有功电流指令《、同步发电 机定子电流三相单位无功分量Φ a、Φ b、Φ C与无功电流指令Cj得到三相电流指令 4、4、4,其计算式分别为：10) 、将同步发电机三相定子电流isa、isb、isc与三相电流指令ζ、€做差后经过内 环变频准比谐振调节器对同步发电机三相定子电流isa、isb、is。无静差跟踪，通过电流调节 器输出得到调制电压U aref、Ubref、Ucref，所述内环变频准比谐振调节器的传递函数为：其中，s为拉普拉斯算子，KR为比例调节器的比例系数，ω。为调节器等效带宽，ωη为同 步发电机的转速； 11) 、电流调节器输出的调制电压iwf、ubref、iwf经SPWM波调制得到整流器开关管驱动 的占空比信号丄、4、山，从而实现整流器的控制。2.根据权利要求1所述的一种用于汽车的永磁同步发电机的控制方法，其特征在于:步 骤5)中需要引入一个纯积分环节，为避免纯积分环节受积分初始值和积分漂移影响，因此， 用变频滤波器代替纯积分环节，变频滤波器的传递函数为：其中，k取值为0.2。
【文档编号】H02P21/14GK106059420SQ201610533856
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】卢子广, 张文元, 林靖宇, 胡立坤, 张力, 林远
【申请人】广西大学