[发明专利]基于无感混合储能系统的无刷直流电机制动转矩控制方法

说明书

本发明公开了一种基于无感混合储能系统的无刷直流电机制动转矩控制方法。设计一种无感混合储能系统，构建添加无感混合储能拓扑结构的无刷直流电机驱动系统；根据无刷直流电机在恒速模式、加速模式及制动模式下的运行特点，设计无感混合储能系统的能量传输路径；制动模式下，根据无感混合储能系统中功率管和逆变桥中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用构建四种类型开关矢量，并且根据不同开关矢量对制动转矩控制和制动能量回馈的影响选择最优开关矢量来控制功率管的开关状态，进而实现无刷直流电机制动转矩控制。本发明方法在整个制动过程中实现了制动转矩平稳控制和制动能量有效回馈的同时兼顾，不需要根据转速范围切换控制方式。

技术领域

本发明涉及一种制动转矩控制方法。特别是涉及一种用于无刷直流电机的制动转矩控制方法。

背景技术

无刷直流电机以其功率密度高、输出转矩大、结构简单等优点在工业控制、航空航天和电动汽车等领域得到广泛应用。相比于电动状态，制动状态是电机运行的另一个重要状态。然而，在制动状态下，无刷直流电机不仅存在换相转矩波动问题，还存在制动转矩可控性及制动能量回馈等问题。

近年来，学者们提出利用电机自身电感、逆变桥功率开关管构成升压电路，并采用H-OFF_L-PWM和PWM-OFF调制方式实现电气制动的同时将能量回馈到蓄电池。这些方法虽然实现了回馈制动，然而在整个制动过程中，随着电机转速的降低，输出转矩会出现偏离设定值的情况，从而无法保证制动转矩的可控性。为此，X.X.Zhou和J.C.Fang提出当电机运行在高速区时，采用实现能耗制动的调制方式，在低速区时采用实现反接制动的调制方式，从而保证输出转矩在整个制动过程中维持在设定值附近(IEEE Trans.Power Electron.,vol.28,no.11,pp.5380-5390,2013年11月)。为了实现制动转矩平稳控制，在保证输出转矩大小可控的前提下，还应有效地抑制换相转矩波动，Y.F.Cao和T.N.Shi等人分析了八种调制方式下制动转矩可控且换相转矩波动得以抑制的转速范围，在整个制动过程中根据不同转速范围选取不同的调制方式来获得平滑的制动转矩(IEEE Trans.Energy Convers.,vol.33,no.3,pp.1443-1452,2018年9月)。

上述电气制动控制方法采用蓄电池储能系统。由于蓄电池功率密度有限，为了避免频繁大电流充放电对电池使用寿命的影响，学者们提出了蓄电池-超级电容混合储能系统。该系统利用超级电容高功率密度的特点快速回收制动能量，同时在加速时提供峰值功率输出，实现电池与超级电容优势互补。在众多能量存储系统结构中，根据是否使用变换器，可以将存储系统分为两类：无源型和有源型。无源能量存储系统将电池和超级电容直接并联，不需要任何变换器，该系统虽然结构简单，但是无法独立控制超级电容的能量输入和输出。有源能量存储系统通过添加DC-DC变换器来控制超级电容的能量输入和输出，由于这种混合储能系统需要大电感实现峰值功率传输，因此在电路设计中特别需要权衡系统的成本和体积。

现有的基于蓄电池储能系统的制动转矩控制方法通常在整个制动过程需要根据转速范围切换控制方式，并且蓄电池存在功率密度低，充放电循环次数有限等不足；现有的关于蓄电池-超级电容混合储能系统的研究通常对电机侧作了简化，没有具体结合无刷直流电机的换相转矩波动以及制动转矩可控性问题进行分析，并且用于峰值功率传输的大电感会增加系统的成本和体积。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种能够实现制动转矩平稳控制和制动能量有效回馈，降低系统体积的无刷直流电机控制方法。

为了实现以上目的，如图1所示，本发明采用以下技术方案：

1)设计一种基于蓄电池和超级电容的无感混合储能系统，构建添加无感混合储能拓扑结构的无刷直流电机驱动系统；

2)根据无刷直流电机在恒速模式、加速模式及制动模式下的运行特点，设计无感混合储能系统分别在恒速模式、加速模式及制动模式下的能量传输路径；