蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法

1.本发明涉及了一种无刷直流电机控制方法，具体涉及一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法。


背景技术：

2.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、航空航天和电动车等领域得到广泛应用。特别是在电动车等需要频繁起动/制动领域，要求无刷直流电机四象限运行、能够在电动状态和制动状态之间频繁切换。
3.在许多应用场合中，常以高能量密度的蓄电池作为主要的供电电源，但是蓄电池存在功率密度有限、充放电循环次数少等不足，而超级电容器作为一种新型的储能装置，具有功率密度高、充电速度快、寿命长等优点。为此，国内外学者利用超级电容与蓄电池性能互补的优势，设计了不同拓扑结构的蓄电池-超级电容混合电源单元。常见的结构是通过添加dc-dc变换器将超级电容或者蓄电池连接到逆变器的直流端，以独立控制超级电容或蓄电池能量的输入和输出。但由于这种混合电源单元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。
4.为了减小系统的体积，国内外学者利用电机自身电感、逆变器功率开关管构成的升降压电路，设计了无感的蓄电池-超级电容混合电源单元。y.f.cao和t.n.shi等人根据无感混合电源单元的工作模式和无刷直流电机电气制动方式，提出了兼顾制动转矩平稳控制和制动能量回馈的控制策略。h.t.lu和t.n.shi等人在设计无感混合电源单元的同时还考虑了无刷直流电机的换相转矩波动抑制问题，根据电机在加速、恒速、减速运行模式下的功率需求，分别设计了适用于不同运行模式的控制策略。然而，现有的无感混合电源单元要求超级电容电压须大于或者小于蓄电池电压，限制了超级电容电压的变化范围，降低了超级电容存储能量的利用率。此外，电机在加速、恒速和制动减速模式之间运行时需要频繁切换控制策略、加了算法的复杂性，缺乏统筹考虑电机不同运行模式的统一控制方案。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法。在此基础上，统筹考虑无刷直流电机在电动状态和制动状态下的运行特性，提供一种基于蓄电池-超级电容混合电源的转矩控制与能量分配协同优化方案，使电机在加速、恒速、减速运行模式下均获得良好的控制性能，且不需要根据电机运行模式切换控制策略。此外，混合电源单元中超级电容具有较宽的电压变化范围，有效提高了超级电容存储能量的利用率。
6.本发明采用的技术方案是：
7.本发明蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法包括如下步骤：
8.1)在蓄电池-超级电容混合电源单元的各个工作模式下，设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的若干开关矢量。
9.2)建立无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，在无刷直流电机的每个控制周期内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在各个开关矢量下的转矩误差，基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值。
10.3)根据无刷直流电机功率需求和超级电容电压，制定蓄电池-超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，并基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值。
11.4)根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量，实现无刷直流电机的控制。综合优先级排序值的计算引入了目标权重系数，可以兼顾良好的转矩控制性能与能量分配的合理性。
12.所述的步骤1)中，蓄电池-超级电容混合电源单元的拓扑结构包括蓄电池、电解电容c、双向功率开关管、功率mos管和超级电容，蓄电池和电解电容c并联后与双向功率开关管串联连接构成支路1；功率mos管和超级电容串联连接构成支路2，功率mos管的源极连接到超级电容的正极；支路1和支路2并联连接，且双向功率开关管和功率mos管的漏极之间引出作为蓄电池-超级电容混合电源单元的输出正极端，蓄电池的负极和超级电容的负极之间引出作为蓄电池-超级电容混合电源单元的输出负极端；蓄电池-超级电容混合电源单元输出的正极端连接至三相桥式逆变电路的输入正极端，混合电源单元的输出负极端连接至三相桥式逆变电路的输入负极端，三相桥式逆变电路的输出端连接无刷直流电机的三相绕组。
13.所述的步骤1)中，蓄电池-超级电容混合电源单元的拓扑结构的各个工作模式包括蓄电池放电、超级电容放电、超级电容充电以及蓄电池和超级电容既不放电也不充电的四种工作模式，在四种工作模式下设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量，具体如下：
14.在蓄电池放电工作模式下，双向功率开关管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第一开关矢量v1。
15.在超级电容放电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第二开关矢量v2。
16.在超级电容充电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的下侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的上侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第三开关矢量v3。
17.在蓄电池和超级电容既不放电也不充电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第四开关矢量v4。
18.所述的步骤2)中，为了获得良好的转矩性能，期望每个控制周期内作用的开关矢量使输出转矩跟踪参考值。不同开关矢量作用下所得到的转矩预测值不同，为了评估不同矢量作用的优先程度，建立的无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，具
体如下：
[0019][0020]
其中，fm表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差，m＝1，2，3，4；表示无刷直流电机的转矩参考值；表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值，t＝(k+1)ts，k表示控制周期的序数，ts表示无刷直流电机的控制周期。
[0021]
在无刷直流电机的每个控制周期ts内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在第m个开关矢量vm下的转矩误差fm。
[0022]
根据无刷直流电机的功率需求，将其运行分为三个模式，即恒速、加速和减速模式，其中恒速和加速模式下，电机运行于电动状态，而减速模式下，电机运行于制动状态。不论电机运行在电动状态还是制动状态，首先，根据不同开关矢量下实际转矩与参考转矩之间的误差大小，对各矢量作用的优先级进行排序；然后，根据蓄电池电压和超级电容电压，从能量优化分配的角度对各矢量作用的优先级进行排序；最后，构建基于转矩性能和能量分配协同优化的矢量选择机制。
[0023]
在基于转矩误差的矢量优先级排序中，当无刷直流电机采用两两导通的方波电流驱动方式时，通常希望在每个区间内，只有两相绕组导通，第三相绕组电流为零。实际上，由于绕组电感的存在，在换相过程中，电流不能瞬时变化，从而导致三相绕组均有电流。为此，将两相绕组导通阶段称为正常导通期间，将三相绕组导通阶段称为换相期间。
[0024]
所述的无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值在无刷直流电机的正常导通期间时具体如下：
[0025][0026]
其中，e
pn
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势之间的差项，e
pn
(k)＝e
p
(k)-en(k)，e
p
(k)和en(k)分别表示无刷直流电机第kts时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势；l和r分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kts时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压；i
p
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的正向导通相p相电流；te(k)表示无刷直流电机第kts时刻的转矩的反馈值；
[0027]
te(k+1)受导通相绕组的端电压影响，而绕组的端电压由功率管的开关状态决定。正常导通期间不同开关矢量下，无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压具体如下：
[0028][0029]
其中，ub表示蓄电池电压，uc表示超级电容电压。
[0030]
在正常导通期间，导通相绕组的端电压方程具体如下：
[0031][0032]
其中，in表示无刷直流电机的负向导通相n相电流；un表示无刷直流电机的中性点电压。
[0033]
电磁转矩te具体如下：
[0034][0035]
其中，eo和io分别表示无刷直流电机的o相相反电势和相电流；ω表示无刷直流电机的机械角速度。
[0036]
由于i
p
＝-in，可知电机中性点电压un具体如下：
[0037][0038]
正向导通相的电流变化率具体如下：
[0039][0040]
对上式进行离散化可得：
[0041][0042]
由于控制周期较短，认为反电势和转速在一个控制周期内基本不变，可得转矩在第t时刻的预测值te(k+1)。
[0043]
所述的无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值在无刷直流电机的换相期间具体如下：
[0044][0045]
式中，e
xz
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的关断相x相反电势和非换相相z相反电势之间的差项，e
xz
(k)＝e
x
(k)-ez(k)，e
x
(k)和ez(k)分别表示无刷直流电机第kts时刻的关断相x相反电势和非换相相z相反电势；e
yz
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的开通相y相反电势和非换相相z相反电势之间的差项，ey(k)表示无刷直流电机第kts时刻的开通相y相反电势；l和r分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kts时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压、开通相y相端电压
和非换相相z相端电压；i
x
(k)和iy(k)分别表示无刷直流电机第kts时刻的关断相x相电流和开通相y相电流；te(k)表示无刷直流电机第kts时刻的转矩的反馈值。
[0046]
te(k+1)受三相绕组端电压的影响，而绕组的端电压由功率管的开关状态决定。以负向电流换相为例，由于换相结束后，关断相x相成为非激励相o相，开通相y相成为负向导通相n相，非换相相z相成为正向导通相p相，即存在对应关系x＝o，y＝n，z＝p。因此，不同开关矢量作用下均存在uy＝un，uz＝u
p
。此外，由于关断相电流i
x
在负向电流换相期间通过上桥臂二极管d
xh
进行续流，此时端电压u
x
为逆变桥的输入电压，无刷直流电机在负向电流换相期间在不同开关矢量作用下，无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压开通相y相端电压和非换相相z相端电压具体如下：
[0047][0048]
其中，ub表示蓄电池电压，uc表示超级电容电压。
[0049]
无刷直流电机在正向电流换相期间在不同开关矢量作用下，无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压开通相y相端电压和非换相相z相端电压具体如下：
[0050][0051]
换相期间，三相绕组均有电流通过，根据换相前后绕组的导通状态，三相绕组还可被定义为：关断相x相、开通相y相及非换相相z相(x,y,z∈{a,b,c})。电动状态下，在i、iii、v区间的起始阶段，正向电流换相；在ii、iv、vi区间的起始阶段，负向电流换相。制动状态下，在i、iii、v区间的起始阶段，负向电流换相；在ii、iv、vi区间的起始阶段，正向电流换相。
[0052]
换相期间三相绕组的端电压方程具体如下：
[0053][0054]
电磁转矩te具体如下：
[0055][0056]
由于i
x
+iy+iz＝0，可知电机中性点电压un具体如下：
[0057][0058]
关断相和开通相电流的变化率具体如下：
[0059][0060]
对上式的第1式进行离散化处理：
[0061][0062]
其中，h
x
(k)＝2e
x
(k)
–ey
(k)-ez(k)。
[0063]
对上式的第2式进行离散化处理：
[0064][0065]
其中，hy(k)＝2ey(k)
–ex
(k)-ez(k)。
[0066]
根据第kts时刻转矩的反馈值te(k)，可以分别得到在负向电流换相期间和正向电流换相期间，不同开关矢量作用下的转矩预测值te(k+1)。
[0067]
所述的基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值，具体如下：
[0068][0069]
其中，表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第一优先级排序值。
[0070]
无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差fm越小，第一优先级排序值越低，第m个开关矢量作用的优先级越高；第一优先级排序值由低到高依次为1、2、3和4。
[0071]
所述的步骤3)中，制定蓄电池-超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，具体为基于优先利用超级电容充放电、超级电容提供或吸收短时大功率以及蓄电池提供平均功率的原则，在无刷直流电机工作于加速或恒速模式以及制动减速模式下，制定系统能量分配规则，具体如下：
[0072]
a)当无刷直流电机工作于加速或恒速模式，需求功率大于零，系统能量分配规则如下：
[0073]
规则1：当超级电容电压大于等于上限电压(uc≥u
c_upper
)时，则利用超级电容存储的能量，无刷直流电机的需求功率pd由超级电容提供；上限电压值小于蓄电池电压(u
c_upper
《ub)。
[0074]
规则2：当超级电容电压小于上限电压且大于下限电压(u
c_lower
《uc《u
c_upper
)时，若无刷直流电机的需求功率大于蓄电池提供的平均功率(pd》p
avg
)，则无刷直流电机的需求功率由超级电容和蓄电池共同提供，且优先利用超级电容存储的能量。
[0075]
规则3：当超级电容电压小于上限电压且大于下限电压(u
c_lower
《uc《u
c_upper
)时，若无刷直流电机的需求功率小于蓄电池提供的平均功率(pd《p
avg
)，则利用蓄电池存储的能量，无刷直流电机的需求功率由蓄电池提供。
[0076]
规则4：当超级电容电压小于等于下限电压(uc≤u
c_lower
)时，则利用蓄电池存储的
能量，无刷直流电机的需求功率由蓄电池提供，同时蓄电池能够给超级电容充电。
[0077]
在电机工作于加速或恒速模式下，若蓄电池电压小于终止电压，则进入停止工作状态。
[0078]
b)当无刷直流电机工作于制动减速模式，需求功率小于零，系统能量分配规则如下：
[0079]
规则5：当超级电容电压小于等于安全电压(uc《u
c_max
)时，则无刷直流电机在电磁制动过程中的能量全部回馈至超级电容，当超级电容电压大于安全电压时，则无刷直流电机启用能耗制动或机械制动模式。
[0080]
在不同电压矢量v1、v2、v3、v4作用下，蓄电池和超级电容能量的流动情况不同。从蓄电池和超级电容能量优化分配的角度，对不同矢量作用的优先级进行排序，可以实现系统能量有效利用。
[0081]
所述的步骤3)中，基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值，具体为根据系统能量分配规则以及不同开关矢量对混合电源单元能量流动的影响，获得无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值m＝1，2，3，4，具体如下表所示：
[0082][0083]
无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值越低，第m个开关矢量作用的优先级越高。
[0084]
根据不同开关矢量对混合电源单元能量的影响，定义基于能量分配的矢量优先级(m＝1，2，3，4)，开关矢量v1作用时对应排序值矢量v2、v3、v4分别对应排序值为表示不同矢量作用的优先程度，与定义相同，排序值越低，则代表矢量作用的优先程度则越高。根据制定的系统能量分配规则，定义不同开关矢量的排序值。以规则1为例，希望利用超级电容存储的能量，电机需求功率由超级电容提供，因此矢量v2的优先程序最高，其次是矢量v4，然后依次是矢量v3和v1。
[0085]
所述的步骤4)中，根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，具体如下：
[0086][0087]
其中，表示综合优先级排序值；δ表示转矩控制的目标权重系数；表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第一优先级排序值；表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值；能量分配的目标权重系数为1-δ。
[0088]
选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量。
[0089]
选择排序值较小的矢量有利于实现转矩平稳控制，而选择排序值较小的矢量能量分配更合理，为了兼顾转矩控制性能与能量分配合理性，引入权重系数，令转矩平稳控制权重系数为δ，能量分配权重系数为1-δ。通过计算各矢量对应的综合排序值选择综合排序值最小的开关矢量作为最优矢量u
opt
。
[0090]
本发明的有益效果是：
[0091]
(1)本发明所设计的混合电源单元由蓄电池、超级电容、一个双向功率开关管和一个功率mos管构成，不需要添加额外的电感及其他功率器件，有利于减小驱动系统的成本和体积。
[0092]
(2)本发明在所设计的混合电源单元中，超级电容电压既可以大于蓄电池电压，又可以小于蓄电池电压，具有较宽的端电压变化范围，从而可以有效提高超级电容存储能量的利用率。
[0093]
(3)本发明采用统一的控制方案实现系统转矩控制与能量分配的协同优化，使电机在加速、恒速、减速运行模式下均获得良好的控制性能，且不需要根据电机运行模式切换控制策略。
[0094]
(4)本发明优先利用超级电容充放电、超级电容提供或吸收短时大功率、蓄电池提供平均功率的能量分配原则，可以降低电机加速模式或制动减速模式下频繁大电流充放电对蓄电池使用寿命的影响。
[0095]
总之，本发明提供的一种基于蓄电池-超级电容混合电源的转矩控制与能量分配协同优化的方案，保证无刷直流电机在加速、恒速和制动减速模式下获得良好的转矩控制性能，同时实现蓄电池和超级电容之间的能量合理分配。
附图说明
[0096]
图1为本发明控制方法框图；
[0097]
图2为混合电源单元驱动的无刷直流电机系统示意图；
[0098]
图3的(a)为蓄电池单独供电时系统能量传输路径的示意图；
[0099]
图3的(b)为超级电容单独供电时系统能量传输路径的示意图；
[0100]
图3的(c)为制动能量回馈至超级电容的传输路径示意图；
[0101]
图4的(a)为电动状态下无刷直流电机相反电势、相电流对应关系图；
[0102]
图4的(b)为制动状态下无刷直流电机相反电势、相电流对应关系图；
[0103]
图5的(a)为开关矢量v1作用下系统的等效电路示意图；
[0104]
图5的(b)为开关矢量v2作用下系统的等效电路示意图；
[0105]
图5(c)为开关矢量v3作用下系统的等效电路示意图；
[0106]
图5(d)为开关矢量v4作用下系统的等效电路示意图。
具体实施方式
[0107]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0108]
本发明蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法包括如下步骤：
[0109]
1)在蓄电池-超级电容混合电源单元的各个工作模式下，设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的若干开关矢量。
[0110]
步骤1)中，蓄电池-超级电容混合电源单元的拓扑结构包括蓄电池、电解电容c、双向功率开关管、功率mos管和超级电容，蓄电池和电解电容c并联后与双向功率开关管串联连接构成支路1；功率mos管和超级电容串联连接构成支路2，功率mos管的源极连接到超级电容的正极；支路1和支路2并联连接，且双向功率开关管和功率mos管的漏极之间引出作为蓄电池-超级电容混合电源单元的输出正极端，蓄电池的负极和超级电容的负极之间引出作为蓄电池-超级电容混合电源单元的输出负极端；蓄电池-超级电容混合电源单元输出的正极端连接至三相桥式逆变电路的输入正极端，混合电源单元的输出负极端连接至三相桥式逆变电路的输入负极端，三相桥式逆变电路的输出端连接无刷直流电机的三相绕组。
[0111]
如图2所示，为蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机系统等效电路图，包括混合电源单元、三相桥式逆变电路和无刷直流电机三部分。其中所设计的混合电源单元由蓄电池(storage battery，sb)、超级电容(super-capacitor，sc)以及功率管s1和mos管s2构成，其中s1代表双向开关器件，这里用两个mos管反向串联实现；蓄电池模型等效成电压源与电阻串联的结构，r表示蓄电池等效内阻，ub代表蓄电池电压，uc代表超级电容电压，d2代表mos管s2的体二极管，u
in
代表三相桥式逆变电路的输入电压；电解电容c并联在蓄电池两端用于辅助蓄电池提供脉冲宽度调制时电机所需的能量。s
ah
、s
al
、s
bh
、s
bl
、s
ch
、s
cl
分别为逆变桥三相桥臂上、下侧的功率mos管。假设无刷直流电机三相绕组对称，每相绕组可以等效为电阻、电感和反电动势串联。r与l为电机的等效相电阻和相电感，ek、ik、uk(k＝a，b，c)分别为三相绕组的相反电势、相电流和端电压，其中端电压的参考零电平为o点，n点为电机的中性点，i
dc
代表三相桥式逆变电路的输入电流，d
kh
、d
kl
代表分别代表mos管s
kh
、s
kl
的体二极管。
[0112]
当无刷直流电机工作于加速或恒速模式时，系统输出能量，采用所设计的混合电源单元，可以实现蓄电池和超级电容单独供电。当超级电容电压大于蓄电池电压，即uc》ub时，优先利用超级电容存储的能量，此时功率管s1关断、s2导通，则超级电容单独为电机供电。当超级电容电压小于蓄电池电压，即uc《ub时，若功率管s1导通、s2关断，则蓄电池单独为电机供电；若功率管s1关断、s2导通，则超级电容单独为电机供电。由此可以看到，当系统输出能量时，超级电容电压既可以大于蓄电池电压，又可以小于蓄电池电压，具有较宽的端电压变化范围，从而可以有效提高超级电容存储能量的利用率。图3的(a)和图3的(b)分别给出蓄电池和超级电容单独供电时能量传输的示意图。
[0113]
当无刷直流电机工作于制动减速模式时，系统回馈能量，采用所设计的混合电源单元，能量可以回馈至蓄电池，也可回馈至超级电容。为了充分发挥超级电容充电速度快，功率密度高、寿命长等优点，制动能量由超级电容优先回收。如图3的(c)所示，在制动减速模式下，将功率管s1关断、s2导通，则能量回馈至超级电容。
[0114]
无刷直流电机通常采用两两导通-三相六步换相的方波电流驱动方式，即根据转子位置信号，按照一定顺序依次激励其中两相定子绕组，且每隔60
°
电角度，定子绕组电流换相一次。当无刷直流电机工作于加速或恒速模式，即电动状态运行时，相反电势和相电流的对应关系如图4的(a)所示。图中，ha代表a相的霍尔信号，hb代表b相的霍尔信号，hc代表c相的霍尔信号。根据三相的霍尔信号可以将一个电周期分为6个区间，分别用i～vi表示。由图4的(a)可知，在每个区间，导通相相电流与相反电势的乘积均为正值，在这种状态下将产生正向的电磁转矩，即驱动转矩。当无刷直流电机工作于制动减速模式时，即制动状态运行
时，相反电势和相电流的对应关系如图4的(b)所示。此时每个区间内导通相相电流与相反电势的乘积均为负值，在这种状态下将产生反向的电磁转矩，即制动转矩。对比图4的(a)和图4的(b)可知，每个区间内，电动状态和制动状态下绕组的导通模式正好相反。比如当转子位于区间i时，电动状态下绕组的导通模式为a
+
b-(即电流从a相流入，b相流出)，而制动状态下绕组的导通模式为b
+
a-(即电流从b相流入，a相流出)。
[0115]
步骤1)中，蓄电池-超级电容混合电源单元的拓扑结构的各个工作模式包括蓄电池放电、超级电容放电、超级电容充电以及蓄电池和超级电容既不放电也不充电的四种工作模式，在四种工作模式下设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量，具体如下：
[0116]
在蓄电池放电工作模式下，双向功率开关管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第一开关矢量v1。
[0117]
在超级电容放电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第二开关矢量v2。
[0118]
在超级电容充电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的下侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的上侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第三开关矢量v3。
[0119]
在蓄电池和超级电容既不放电也不充电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第四开关矢量v4。
[0120]
在不同区间内，绕组的导通模式不同。根据导通相绕组的电流方向，三相绕组可被定义为：正向导通相p相、负向导通相n相及非激励相o相(p,n,o∈{a,b,c})，此时每个区间内的导通模式可表示为p
+
n-。统筹考虑电机在电动状态和制动状态下的运行特点，根据混合电源单元以及三相桥式逆变电路中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用，设计四种开关矢量，表示为vm(s1,s2,s
ph
,s
pl
,s
nh
,s
nl
)，其中m＝1，2，3，4；变量s1，s2，s
ph
，s
pl
，s
nh
，s
nl
分别表示功率管s1，s2，s
ph
，s
pl
，s
nh
，s
nl
的开关状态，“1”代表功率管开通，“0”代表功率管关断。各开关矢量具体如表1所示，需要说明的是每个区间内非激励相对应的功率管s
oh
和s
ol
均关断，在此未列出其开关状态。
[0121]
表1四种开关矢量
[0122][0123]
首先分析当超级电容电压小于蓄电池电压，即uc《ub时，不同开关矢量作用下的等效电路。为便于分析，忽略功率mos管和二极管的导通压降。
[0124]
如图5的(a)所示，在矢量v1(101001)作用下，s1、s
ph
和s
nl
导通，其余功率管均关断。此时，蓄电池电压ub通过功率管s1向负载侧供电，导通两相线电压u
pn
＝ub。如图5的(b)所示，
在矢量v2(011001)作用下，s2、s
ph
和s
nl
导通，其余功率管均关断。此时，电容电压uc通过功率管s2向负载侧供电，导通两相线电压u
pn
＝uc。如图5的(c)所示，在矢量v3(010110)作用下，s2、s
pl
和s
nh
导通，其余功率管均关断。此时，在反电势和电感电压激励下，电流通过功率管s2向超级电容充电，导通两相线电压u
pn
＝-uc。如图5的(d)所示，在矢量v4(010001)作用下，s2和s
nl
开通，其余功率管均关断。此时，电流流经s
nl
和d
pl
形成续流通道，混合电源单元既不充电、也不放电，导通两相线电压u
pn
＝0。当超级电容电压大于蓄电池电压，即uc》ub时，为了避免蓄电池和超级电容并联时大电流充电对蓄电池使用寿命的影响，在这种情况下不使用矢量v1，其他矢量v2、v3、v4正常作用，其等效电路如同图5的(b)、图5的(c)和图5的(d)所示。
[0125]
2)建立无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，在无刷直流电机的每个控制周期内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在各个开关矢量下的转矩误差，基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值。
[0126]
步骤2)中，为了获得良好的转矩性能，期望每个控制周期内作用的开关矢量使输出转矩跟踪参考值。不同开关矢量作用下所得到的转矩预测值不同，为了评估不同矢量作用的优先程度，建立的无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，具体如下：
[0127][0128]
其中，fm表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差，m＝1，2，3，4；表示无刷直流电机的转矩参考值；表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值，t＝(k+1)ts，k表示控制周期的序数，ts表示无刷直流电机的控制周期。
[0129]
在无刷直流电机的每个控制周期ts内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在第m个开关矢量vm下的转矩误差fm。
[0130]
根据无刷直流电机的功率需求，将其运行分为三个模式，即恒速、加速和减速模式，其中恒速和加速模式下，电机运行于电动状态，而减速模式下，电机运行于制动状态。不论电机运行在电动状态还是制动状态，首先，根据不同开关矢量下实际转矩与参考转矩之间的误差大小，对各矢量作用的优先级进行排序；然后，根据蓄电池电压和超级电容电压，从能量优化分配的角度对各矢量作用的优先级进行排序；最后，构建基于转矩性能和能量分配协同优化的矢量选择机制。
[0131]
在基于转矩误差的矢量优先级排序中，当无刷直流电机采用两两导通的方波电流驱动方式时，通常希望在每个区间内，只有两相绕组导通，第三相绕组电流为零。实际上，由于绕组电感的存在，在换相过程中，电流不能瞬时变化，从而导致三相绕组均有电流。为此，将两相绕组导通阶段称为正常导通期间，将三相绕组导通阶段称为换相期间。
[0132]
无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值在无刷直流电机的正常导通期间时具体如下：
[0133][0134]
其中，e
pn
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n
相反电势之间的差项，e
pn
(k)＝e
p
(k)-en(k)，e
p
(k)和en(k)分别表示无刷直流电机第kts时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势；l和r分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kts时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压；i
p
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的正向导通相p相电流；te(k)表示无刷直流电机第kts时刻的转矩的反馈值；
[0135]
te(k+1)受导通相绕组的端电压影响，而绕组的端电压由功率管的开关状态决定。正常导通期间不同开关矢量下，无刷直流电机在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压具体如下：
[0136][0137]
其中，ub表示蓄电池电压，uc表示超级电容电压。
[0138]
在正常导通期间，导通相绕组的端电压方程具体如下：
[0139][0140]
其中，in表示无刷直流电机的负向导通相n相电流；un表示无刷直流电机的中性点电压。
[0141]
电磁转矩te具体如下：
[0142][0143]
其中，eo和io分别表示无刷直流电机的o相相反电势和相电流；ω表示无刷直流电机的机械角速度。
[0144]
由于i
p
＝-in，可知电机中性点电压un具体如下：
[0145][0146]
正向导通相的电流变化率具体如下：
[0147][0148]
对上式进行离散化可得：
[0149][0150]
由于控制周期较短，认为反电势和转速在一个控制周期内基本不变，可得转矩在第t时刻的预测值te(k+1)。
[0151]
无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值在无
刷直流电机的换相期间具体如下：
[0152][0153]
式中，e
xz
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的关断相x相反电势和非换相相z相反电势之间的差项，e
xz
(k)＝e
x
(k)-ez(k)，e
x
(k)和ez(k)分别表示无刷直流电机第kts时刻的关断相x相反电势和非换相相z相反电势；e
yz
(k)表示无刷直流电机第kts时刻的开通相y相反电势和非换相相z相反电势之间的差项，e
yz
(k)＝ey(k)-ez(k)，ey(k)表示无刷直流电机第kts时刻的开通相y相反电势；l和r分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kts时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压、开通相y相端电压和非换相相z相端电压；i
x
(k)和iy(k)分别表示无刷直流电机第kts时刻的关断相x相电流和开通相y相电流；te(k)表示无刷直流电机第kts时刻的转矩的反馈值；
[0154]
te(k+1)受三相绕组端电压的影响，而绕组的端电压由功率管的开关状态决定。以负向电流换相为例，由于换相结束后，关断相x相成为非激励相o相，开通相y相成为负向导通相n相，非换相相z相成为正向导通相p相，即存在对应关系x＝o，y＝n，z＝p。因此，不同开关矢量作用下均存在uy＝un，uz＝u
p
。此外，由于关断相电流i
x
在负向电流换相期间通过上桥臂二极管d
xh
进行续流，此时端电压u
x
为逆变桥的输入电压，无刷直流电机在负向电流换相期间在不同开关矢量作用下，无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压开通相y相端电压和非换相相z相端电压具体如下：
[0155][0156]
其中，ub表示蓄电池电压，uc表示超级电容电压。
[0157]
无刷直流电机在正向电流换相期间在不同开关矢量作用下，无刷直流电机第kts时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压开通相y相端电压和非换相相z相端电压具体如下：
[0158][0159]
换相期间，三相绕组均有电流通过，根据换相前后绕组的导通状态，三相绕组还可被定义为：关断相x相、开通相y相及非换相相z相(x,y,z∈{a,b,c})。电动状态下，在i、iii、v区间的起始阶段，正向电流换相；在ii、iv、vi区间的起始阶段，负向电流换相。制动状态下，在i、iii、v区间的起始阶段，负向电流换相；在ii、iv、vi区间的起始阶段，正向电流换
相。
[0160]
换相期间三相绕组的端电压方程具体如下：
[0161][0162]
电磁转矩te具体如下：
[0163][0164]
由于i
x
+iy+iz＝0，可知电机中性点电压un具体如下：
[0165][0166]
关断相和开通相电流的变化率具体如下：
[0167][0168]
对上式的第1式进行离散化处理：
[0169][0170]
其中，h
x
(k)＝2e
x
(k)
–ey
(k)-ez(k)。
[0171]
对上式的第2式进行离散化处理：
[0172][0173]
其中，hy(k)＝2ey(k)
–ex
(k)-ez(k)。
[0174]
根据第kts时刻转矩的反馈值te(k)，可以分别得到在负向电流换相期间和正向电流换相期间，不同开关矢量作用下的转矩预测值te(k+1)。
[0175]
基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值，具体如下：
[0176][0177]
其中，表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第一优先级排序值。
[0178]
无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差fm越小，第一优先级排序值越低，第m个开关矢量作用的优先级越高；第一优先级排序值由低到高依次为1、2、3和4。
[0179]
3)根据无刷直流电机功率需求和超级电容电压，制定蓄电池-超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，并基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值。
[0180]
步骤3)中，制定蓄电池-超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，具体为基于
优先利用超级电容充放电、超级电容提供或吸收短时大功率以及蓄电池提供平均功率的原则，在无刷直流电机工作于加速或恒速模式以及制动减速模式下，制定系统能量分配规则，具体如下：
[0181]
a)当无刷直流电机工作于加速或恒速模式，需求功率大于零，系统能量分配规则如下：
[0182]
规则1：当超级电容电压大于等于上限电压(uc≥u
c_upper
)时，则利用超级电容存储的能量，无刷直流电机的需求功率pd由超级电容提供；上限电压值小于蓄电池电压(u
c_upper
《ub)。
[0183]
规则2：当超级电容电压小于上限电压且大于下限电压(u
c_lower
《uc《u
c_upper
)时，若无刷直流电机的需求功率大于蓄电池提供的平均功率(pd》p
avg
)，则无刷直流电机的需求功率由超级电容和蓄电池共同提供，且优先利用超级电容存储的能量。
[0184]
规则3：当超级电容电压小于上限电压且大于下限电压(u
c_lower
《uc《u
c_upper
)时，若无刷直流电机的需求功率小于蓄电池提供的平均功率(pd《p
avg
)，则利用蓄电池存储的能量，无刷直流电机的需求功率由蓄电池提供。
[0185]
规则4：当超级电容电压小于等于下限电压(uc≤u
c_lower
)时，则利用蓄电池存储的能量，无刷直流电机的需求功率由蓄电池提供，同时蓄电池能够给超级电容充电。
[0186]
在电机工作于加速或恒速模式下，若蓄电池电压小于终止电压，则进入停止工作状态。
[0187]
b)当无刷直流电机工作于制动减速模式，需求功率小于零，系统能量分配规则如下：
[0188]
规则5：当超级电容电压小于等于安全电压(uc《u
c_max
)时，则无刷直流电机在电磁制动过程中的能量全部回馈至超级电容，当超级电容电压大于安全电压时，则无刷直流电机启用能耗制动或机械制动模式。
[0189]
在不同电压矢量v1、v2、v3、v4作用下，蓄电池和超级电容能量的流动情况不同。从蓄电池和超级电容能量优化分配的角度，对不同矢量作用的优先级进行排序，可以实现系统能量有效利用。
[0190]
步骤3)中，基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值，具体为根据系统能量分配规则以及不同开关矢量对混合电源单元能量流动的影响，获得无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值m＝1，2，3，4，具体如下表所示：
[0191][0192]
无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值越低，第m个开关矢量作用的优先级越高。
[0193]
根据不同开关矢量对混合电源单元能量的影响，定义基于能量分配的矢量优先级(m＝1，2，3，4)，开关矢量v1作用时对应排序值矢量v2、v3、v4分别对应排序值为表示不同矢量作用的优先程度，与定义相同，排序值越低，则代表矢量作用的优先程度则越高。根据制定的系统能量分配规则，定义不同开关矢量的排序值。以规则1为例，希望利用超级电容存储的能量，电机需求功率由超级电容提供，因此矢量v2的优先程序最高，其次是矢量v4，然后依次是矢量v3和v1。
[0194]
4)根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量，实现无刷直流电机的控制。综合优先级排序值的计算引入了目标权重系数，可以兼顾良好的转矩控制性能与能量分配的合理性。
[0195]
步骤4)中，根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，具体如下：
[0196][0197]
其中，表示综合优先级排序值；δ表示转矩控制的目标权重系数；表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第一优先级排序值；表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值；能量分配的目标权重系数为1-δ；
[0198]
选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量。
[0199]
选择排序值较小的矢量有利于实现转矩平稳控制，而选择排序值较小的矢量能量分配更合理，为了兼顾转矩控制性能与能量分配合理性，引入权重系数，令转矩平稳控制权重系数为δ，能量分配权重系数为1-δ。通过计算各矢量对应的综合排序值选择综合排序值最小的开关矢量作为最优矢量u
opt
。
[0200]
本发明提出的控制策略的具体实施过程如下：首先根据转子位置信息判断转子位置所在的区间，并由第k个周期的电流采样值计算转矩te(k)。当检测到区间发生变化时，意味着换相开始，设置换相阶段标志位com_flag＝1，直到检测到关断相电流为0时换相结束，设置换相阶段标志位com_flag＝0。换相期间和正常导通期间，预测不同开关矢量作用下的转矩预测值te(k+1)。然后评估各矢量作用下转矩预测值和参考值之间误差的大小关系，从而为不同矢量作用的优先程度进行等级排序。同时，测量超级电容电压、直流母线电流等电气量，根据能量分配规则，为各矢量作用的优先程度确定排序值。最后根据权重系数综合计算矢量的排序值，基于等级排序准则在每个控制周期直接选择最优的开关矢量u
opt
。
[0201]
本发明可以在无刷直流电机电动状态和制动状态运行下实现转矩平稳控制与能量合理分配，从而提升无刷直流电机系统的控制性能，满足不同应用场合的需要。
[0202]
本发明利用蓄电池、超级电容、一个双向功率开关管、一个功率mos管设计了一种混合电源单元的拓扑结构，不需要添加额外的电感及其他功率器件；根据混合电源单元的工作模式，构建了满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量；根据不同开关矢量作用下转矩参考值与转矩预测值之间的误差大小关系，对四种开关矢量作用的优先级进行排序；结合无刷直流电机电动状态下加速运行、恒速运行以及制动状态下减
速运行的特性，制定系统能量分配规则，根据能量分配规则对四种开关矢量作用的优先级进行排序；根据基于转矩误差的开关矢量优先级排序值和基于能量分配规则的开关矢量优先级排序值，计算四种开关矢量对应的综合排序值，选择综合排序值最小的开关矢量作为每个控制周期内作用的最优矢量。本发明提供了一种基于蓄电池-超级电容混合电源的转矩控制与能量分配协同优化方案，使电机在加速、恒速、减速运行模式下均获得良好的控制性能，且不需要根据电机运行模式切换控制策略。此外，混合电源单元中超级电容具有较宽的电压变化范围，有效提高了超级电容存储能量的利用率。
[0203]
本发明对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选的示意图。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：1)在蓄电池-超级电容混合电源单元的各个工作模式下，设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的若干开关矢量；2)建立无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，在无刷直流电机的每个控制周期内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在各个开关矢量下的转矩误差，基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值；3)制定蓄电池-超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，并基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值；4)根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量，实现无刷直流电机的控制。2.根据权利要求1所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，蓄电池-超级电容混合电源单元的拓扑结构包括蓄电池、电解电容c、双向功率开关管、功率mos管和超级电容，蓄电池和电解电容c并联后与双向功率开关管串联连接构成支路1；功率mos管和超级电容串联连接构成支路2，功率mos管的源极连接到超级电容的正极；支路1和支路2并联连接，且双向功率开关管和功率mos管的漏极之间引出作为蓄电池-超级电容混合电源单元的输出正极端，蓄电池的负极和超级电容的负极之间引出作为蓄电池-超级电容混合电源单元的输出负极端；蓄电池-超级电容混合电源单元输出的正极端连接至三相桥式逆变电路的输入正极端，混合电源单元的输出负极端连接至三相桥式逆变电路的输入负极端，三相桥式逆变电路的输出端连接无刷直流电机的三相绕组。3.根据权利要求2所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，蓄电池-超级电容混合电源单元的拓扑结构的各个工作模式包括蓄电池放电、超级电容放电、超级电容充电以及蓄电池和超级电容既不放电也不充电的四种工作模式，在四种工作模式下设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量，具体如下：在蓄电池放电工作模式下，双向功率开关管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第一开关矢量v1；在超级电容放电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的上侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第二开关矢量v2；在超级电容充电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变电路中连接无刷直流电机正向导通相桥臂的下侧功率管和连接无刷直流电机负向导通相桥臂的上侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第三开关矢量v3；在蓄电池和超级电容既不放电也不充电工作模式下，功率mos管导通，且三相桥式逆变
电路中连接无刷直流电机负向导通相桥臂的下侧功率管导通，其余功率管均关断，获得第四开关矢量v4。4.根据权利要求3所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中，建立的无刷直流电机正常导通期间和换相期间的转矩预测模型，具体如下：其中，f
m
表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差，m＝1，2，3，4；表示无刷直流电机的转矩参考值；表示无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值，t＝(k+1)t
s
，k表示控制周期的序数，t
s
表示无刷直流电机的控制周期；在无刷直流电机的每个控制周期t
s
内将无刷直流电机的转矩参考值输入转矩预测模型中，转矩预测模型输出无刷直流电机在第m个开关矢量v
m
下的转矩误差f
m
。5.根据权利要求4所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值在无刷直流电机的正常导通期间时具体如下：其中，e
pn
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势之间的差项，e
pn
(k)＝e
p
(k)-e
n
(k)，e
p
(k)和e
n
(k)分别表示无刷直流电机第kt
s
时刻的正向导通相p相反电势和负向导通相n相反电势；l和r分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kt
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压；i
p
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的正向导通相p相电流；t
e
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的转矩的反馈值；无刷直流电机第kt
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的正向导通相p相端电压和负向导通相n相端电压具体如下：其中，u
b
表示蓄电池电压，u
c
表示超级电容电压。6.根据权利要求4所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩在第t时刻的转矩预测值在无刷直流电机的换相期间具体如下：
式中，e
xz
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的关断相x相反电势和非换相相z相反电势之间的差项，e
xz
(k)＝e
x
(k)-e
z
(k)，e
x
(k)和e
z
(k)分别表示无刷直流电机第kt
s
时刻的关断相x相反电势和非换相相z相反电势；e
yz
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的开通相y相反电势和非换相相z相反电势之间的差项，e
yz
(k)＝e
y
(k)-e
z
(k)，e
y
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的开通相y相反电势；l和r分别表示为无刷直流电机的等效相电感和等效相电阻；ω(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的机械角速度；和分别表示无刷直流电机第kt
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压、开通相y相端电压和非换相相z相端电压；i
x
(k)和i
y
(k)分别表示无刷直流电机第kt
s
时刻的关断相x相电流和开通相y相电流；t
e
(k)表示无刷直流电机第kt
s
时刻的转矩的反馈值；无刷直流电机在负向电流换相期间在不同开关矢量作用下，无刷直流电机第kt
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压开通相y相端电压和非换相相z相端电压具体如下：其中，u
b
表示蓄电池电压，u
c
表示超级电容电压；无刷直流电机在正向电流换相期间在不同开关矢量作用下，无刷直流电机第kt
s
时刻在第m个开关矢量下的导通相绕组的关断相x相端电压开通相y相端电压和非换相相z相端电压具体如下：(正向电流换相)。7.根据权利要求4所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的基于各个转矩误差对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第一优先级排序值，具体如下：其中，表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第一优先级排序值；无刷直流电机在第m个开关矢量下的转矩误差f
m
越小，第一优先级排序值越低，第m个开关矢量作用的优先级越高；第一优先级排序值由低到高依次为1、2、3和4。8.根据权利要求4所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方
法，其特征在于：所述的步骤3)中，制定蓄电池-超级电容混合电源单元的系统能量分配规则，具体为基于优先利用超级电容充放电、超级电容提供或吸收短时大功率以及蓄电池提供平均功率的原则，在无刷直流电机工作于加速或恒速模式以及制动减速模式下，制定系统能量分配规则，具体如下：a)当无刷直流电机工作于加速或恒速模式，需求功率大于零，系统能量分配规则如下：规则1：当超级电容电压大于等于上限电压时，则利用超级电容存储的能量，无刷直流电机的需求功率由超级电容提供；上限电压值小于蓄电池电压；规则2：当超级电容电压小于上限电压且大于下限电压时，若无刷直流电机的需求功率大于蓄电池提供的平均功率，则无刷直流电机的需求功率由超级电容和蓄电池共同提供，且优先利用超级电容存储的能量；规则3：当超级电容电压小于上限电压且大于下限电压时，若无刷直流电机的需求功率小于蓄电池提供的平均功率，则利用蓄电池存储的能量，无刷直流电机的需求功率由蓄电池提供；规则4：当超级电容电压小于等于下限电压时，则利用蓄电池存储的能量，无刷直流电机的需求功率由蓄电池提供，同时蓄电池给超级电容充电；b)当无刷直流电机工作于制动减速模式，需求功率小于零，系统能量分配规则如下：规则5：当超级电容电压小于等于安全电压时，则无刷直流电机在电磁制动过程中的能量全部回馈至超级电容，当超级电容电压大于安全电压时，则无刷直流电机启用能耗制动或机械制动模式。9.根据权利要求8所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中，基于系统能量分配规则对各个开关矢量作用的优先级进行排序获得各个开关矢量的第二优先级排序值，具体为根据系统能量分配规则获得无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值m＝1，2，3，4，具体如下表所示：无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值越低，第m个开关矢量作用的优先级越高。10.根据权利要求1所述的一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤4)中，根据各个开关矢量的第一优先级排序值和第二优先级排序值计算获得各个开关矢量的综合优先级排序值，具体如下：其中，表示综合优先级排序值；δ表示目标权重系数；表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第一优先级排序值；表示无刷直流电机的第m个开关矢量的第二优先级排序值；
选取综合优先级排序值最小的一个开关矢量作为无刷直流电机在每个控制周期内作用的最优矢量。

技术总结
本发明公开了一种蓄电池-超级电容混合电源驱动的无刷直流电机控制方法。方法包括：设计满足无刷直流电机电动状态运行和制动状态运行的四种开关矢量；建立转矩预测模型，根据不同开关矢量下转矩参考值与实际值之间的误差大小关系，排序获得各开关矢量的第一优先级排序值；制定系统能量分配规则，排序获得各开关矢量的第二优先级排序值；获得开关矢量的综合优先级排序值，选取综合优先级排序值最小的作为最优矢量，实现无刷直流电机运行控制。本发明方法能够保证无刷直流电机在加速、恒速和制动减速模式下获得良好的转矩控制性能，同时实现蓄电池和超级电容之间的能量合理分配。实现蓄电池和超级电容之间的能量合理分配。实现蓄电池和超级电容之间的能量合理分配。


技术研发人员：曹彦飞 周稳 王宇涵 李晨 史婷娜
受保护的技术使用者：浙江大学先进电气装备创新中心
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/18