基于开关磁阻电机的汽车ISG控制系统研究

llp008008

来源：中国汽车电机网
摘要：本文将开关磁阻电机起动、助力、发电一体化应用于混合动力汽车ISG系统中，实现混合动力汽车ISG系统的起动、助力、发电等基本功能，同时设计了系统的整体控制策略，构造了基于TMS320F240和EPM7128S为核心的DSP＋CPLD型数字控制器，完成了六相12/10结构开关磁阻起动/发电机样机的起动和发电实验，给出了实验波形和分析结论，表明了本方案控制器和控制策略的可行性和有效性。
关键词：开关磁阻；启动/发电机;混合动力汽车ISG系统
混合动力汽车是以电机作为辅助动力单元，与内燃机组成双动力装置，驱动汽车运行的新型车型。混合动力汽车组合起动/发电机(Integrated Starter Generator简称ISG)技术融传统汽车的起动和发电两套机组功能于一身，不仅提供了发动机的即起即停功能，还可在需要的时候对发动机扭矩进行助力，并使再生制动成为可能。高效率的ISG系统迎合了未来对环保汽车标准的需要，具有深厚的发展潜力。开关磁阻电机(SRM)与其它各种调速电机相比所表现出的突出优点，尤其是在微计算机控制下允许能量双向流动，既可作电动机，又可以作发电机，在不改变硬件拓扑结构的情况下能自如地实现ISAD系统的起动、发电、助力等状态的切换,因此，开关磁阻电机成为ISG系统驱动电机的最佳选择之一。
1 ISG系统构成
本文设计的ISG系统由六相SR电机、原动机（发动机）、功率变换器、控制器、位置传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、电容器和高功率密度的蓄电池等组件构成，其组成框图如图1。控制器是ISAD（起动助力发电一体化系统）的控制核心，控制SR电机分时工作在电动状态和发电状态，并通过功率变换器，实现发动机机械能和蓄电池电能间的能量流的相互传递，完成ISG系统功能要求。蓄电池选用铅酸电池。图2为ISG系统主电路原理图。该主电路结构能实现电机各相的供电电压和换相电压独立控制，结构简单、容错能力较强。主开关管开通，蓄电池电压对相绕组励磁，为电能输入过程；主开关管关断，相电流经续流二极管续流，为电能回馈过程。
图1 ISG系统组成示意图
图2 ISG系统主电路原理图
2 ISG系统控制策略
在起动过程中，SR电机始终工作在有位置检测的自同步状态。在起动瞬间，转子转速为0，故旋转电动势为零，绕组电流仅由电阻和自感所限，其上升很快。若加额定电压直接起动，相电流将过大，由此产生的过大动态冲击转矩可能会损坏电机和传动机构，因此在这一阶段SR电机一般采用电流斩波控制方式限制起动电流的幅值，有效控制绕组电流的大小，便于调节起动转矩，不会在起动堵转时发生电流超调现象，且在起动过程中转矩较平稳。
在电动助力状态，ISG系统中的开关磁阻电机一般采用角度位置控制APC方式下恒功率区电动运行。图4为APC方式下SRM相电流仿真波形。从图中我们可以看出，由于运动电势的影响，在绕组开通时相电流上升受到抑制，电流上升很缓慢，影响电机的出力，因此，为了保证电机的出力，必须提前开通角，同时开通角在一定范围提前越多，相电流峰值越大，一个相电流周期的转换的机械能越多。关断角的改变不影响绕组相电流的峰值，但是随着关断角的增加，相电流的拖尾越来越长，进入电感下降区的电流越来越大，且呈上翘的趋势。运动电势影响不仅在电感上升沿抑制电流的上升，同样，在电感的下降沿阻碍相电流的减小，甚至导致产生负转矩，同样减低系统的出力，也使转矩脉动加大。
图4 APC方式下SRM相电流仿真波形
当SR电机转速高于某特定值时，若铅酸蓄电池剩余电量小于某一下限，则要求SR电机在发动机的拖动下工作在发电状态（SRG），同时作为铅酸蓄电池充电源和车用电器的负载电源。实际系统中，在SRG系统的输入转速范围宽及负载突变较剧烈，PWM（脉宽调制）控制方法的调节性和适应性不理想，因此它主要用于电动场合及小变速、变载的发电场合；CCC在确保变换器充分、可靠工作的同时，减小了相电流对开关管的冲击，可有效实现低脉动、恒电压发电；APC能有效改变相电流相对于相电感的工作位置，因此对相电流和输出电压的调节作用明显；目前SRG系统均采用CCC配合APC就可达到较好控制效果，该策略使用斩波阈值来控制励磁电流的大小，使得在优化的开通角至关断角范围内励磁电流不超过控制值。调节斩波阈值即可控制SRG输出电流和电压的大小。图5为发电阶段CCC配合APC控制方式相电流仿真波形。同时，铅酸蓄电池充电是一个复杂的非线性过程,在整个充电过程中电流是随着充电时间的增加而逐渐减小至零的。针对铅酸蓄电池充放电的特点，并由于车用SRG系统工作在铅酸蓄电池它励方式下，因此实际的铅酸蓄电池智能充电策略可简化为低压恒流和高压恒压二个充电模式。前一模式发生在铅酸蓄电池电压较低时，SRG需要恒流输出，此时电流较大（与铅酸蓄电池容量相关）；当铅酸蓄电池电压超过阀值（与铅酸蓄电池容量及环境温度相关）后，SRG需要恒压输出，进行小电流充电。
图5 CCC配合APC控制方式相电流仿真波形
图6 ISG控制器硬件结构原理图
3 DSP＋CPLD控制器设计
由于开关磁阻起动、助力、发电系统的实时参数采集源多、运算量大，要保证系统正常工作，就必须采用高速和高集成度的MPU器件，所以选择面向电机应用的TI公司的TMS320F240DSP芯片作为控制MPU；同时采用一片复杂可编程逻辑门阵列CPLD（Complex Programmable Logic Design）EPM7128S来完成组合逻辑及时序逻辑控制，提高系统响应的快速性，还可以简化DSP控制软件结构，减轻DSP的工作压力。
图6为控制器硬件结构原理图，DSP主要负责整体控制，工作状态的检测，控制策略的切换，控制算法的运算等；CPLD配合DSP工作，主要负责组合逻辑及时序逻辑控制，电流斩波滞环和角度位置控制信号的传输等任务。
4 实验结果
试验在3KW六相12/10结构SR电机样机模拟ISG系统试验环境上进行，功率变换器选用160A/80V MOSFET主开关管和75A/1200V超快恢复二极管，采用24V/300Ah动力铅酸蓄电池组供电充电，起动和助力时，SR电机由蓄电池供电，涡流测功机作为SR电机的负载阻力转矩，发电时，SR电机由蓄电池励磁，三相交流异步电机模拟发动机运行，拖动SR电机旋转，以前述ISG系统总体控制策略和DSP＋CPLD结构控制器进行控制。图7为控制器采用Δt型CCC方式（斩波上限Imax＝10A，固定关断时间Δt＝120us），轻载条件下，SR电机在800rpm转速时的相电流波形。从图中可看出，在低速运行时电机的运动电势对相电流影响较小，在关断时相电流下降很快，不会造成换相困难而降低系统效率，电机能可靠自起动，且通过优化设计可使得起动系统具有起动转矩大、起动电流小等特点；图8是SRM在2000rpm转速下电动助力相电流波形；转速的变化对相电流波形的影响较大。在一定的转速范围内，转速越高，越有利于相电流的上升，发电效率越高,则对应于相同条件的蓄电池充电能量需求，所需消耗的发动机机械能变少。
图7 起动相电流（800rpm）
图8 电动助力相电流波形(2000rpm)
5 结论
实验表明本文采用的DSP+CPLD数字控制器提高了系统的可靠性，给更加先进的控制算法提供了很好的平台。另外该混合动力系统目前还处于初步研究阶段,发展前景相当可观。
本文作者的创新点：完成了六相12/10结构开关磁阻起动/发电机样机的起动和发电实验，在三相6/4结构的基础上得到进一步的拓扑和完善，而且给出了最后的实验图形和结论，验证了方案的可行性。
参考文献：
[1]陈清泉等混合电动车辆基础[M] 北京 北京理工大学出版社2001.
[2]王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术[M] 北京 机械工业出版社1999.
[3]赵德安.一种新型车用开关磁阻启动/发电一体机系统[J]. 江苏大学学报（自然科学版），2006

ppl2007

谢谢 楼主啊

]

bmlq

    谢谢分享