1.本发明涉及一种用于电动汽车的复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统拓扑结构及其控制方法，属于电机系统及控制领域。
背景技术：2.电动汽车中的驱动电机，目前主流应用的是无刷直流电机和永磁同步电机等永磁电机以及感应电机和开关磁阻电机等无永磁体电机。无刷直流电机成本低且结构和控制简单，但是方波电流的控制方式导致其相对于永磁同步电机具有明显的转矩脉动问题。永磁同步电机具有较高的功率密度和较低的转矩脉动，且各转速下均保持较高的效率，尤其适用于电动汽车频繁启停和加减速的应用工况，因此成为市场上大部分厂商的首选方案。但是由于永磁体的存在，弱磁高速以及高温振动运行时可能引起磁钢性能退化，同时永磁材料较高的价格使得电机系统成本难以降低，永磁电机性能的优势并不能完全占据电动汽车消费市场。感应电机作为应用最多的无永磁体电机，其结构简单、成本低，能够在恶劣工况下稳定运行，并且在成熟的矢量控制技术下具有优异的调速性能，已在多款商用电动汽车领域获得了应用，其缺点主要在于低速时效率较低以及转子绕组上感应电流导致损耗较大。开关磁阻电机具有简单可靠的结构和最低的成本，同时宽调速范围和强散热能力使其能够适应商用电动汽车的各类复杂工况，但是开关磁阻电机只能在电感上升区出力，使其铁芯利用率较低，并且其固有的转矩脉动和噪声也限制了开关磁阻电机在家用电动汽车领域的推广。
3.除了以上传统电机类型外，双凸极电机作为一种新型电机同样适用于电动汽车领域应用。双凸极电机与开关磁阻电机在定转子结构上十分相似，均为凸极式结构，且转子侧无绕组，根据定子侧按励磁源不同分为永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机。双凸极电机在电感上升区和下降区均能出力，提高了铁芯利用率和功率密度。电励磁双凸极电机在定子侧采用低成本的直流绕组励磁，励磁可控使其调磁调速控制简单方便，降低了对控制器的要求。与永磁双凸极电机相比，无永磁体使得成本降低40％左右，虽然增设的励磁绕组不可避免的增加了损耗，但是在大功率商用电动汽车、叉车等应用工况下，该损耗占比十分有限。因此，低成本、高可靠性并且调速性能优异的电励磁双凸极电机在电动汽车驱动电机应用领域具有巨大的潜力。
4.目前国内外主流驱动/充电集成化系统的电能变换器为dc/dc变换器级联dc/ac变换器构成的两级式联变换器，前后级耦合关系、系统运行的稳定性要求等使得级联变换器的应用存在较大限制，且多级式的结构需要额外的功率器件，增加成本的同时使得控制方式更加繁杂，不利于其广泛应用。科技的发展推动了电流源型变换器的兴起，电流源型变换器以其自身作为逆变器时的升压特性和作为整流器时的降压特性，在中大功率应用中占据比重逐渐增大，例如光伏并网、船舶重工等。电动汽车驱动时蓄电池侧至电机侧的升压要求和充电时电网侧至蓄电池侧的降压要求与电流源型变换器特性完美契合，将电流源型变换器应用于驱动/充电集成化系统中具有非常高的适配性。
技术实现要素：5.为解决上述问题，本发明提出了一种复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统拓扑结构及其控制方法，能够实现电动汽车的驱动和充电一体化控制。
6.一种双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统，包括蓄电池、充放电双向变换器、电流源型变换器、电励磁双凸极电机、交流滤波电容、切换开关k1、k2、k3和检测控制电路；所述蓄电池连接充放电双向变换器的输入端，电流源型变换器上输入端依次通过切换开关k2和电励磁双凸极电机的励磁绕组接入充放电双向变换器的桥臂中点，下输入端直接接入充放电双向变换器的桥臂中点，其中，励磁绕组分裂为两段绕组f1和f2，绕组f2串联切换开关k1；电流源型变换器的桥臂中点依次通过电励磁双凸极电机的电枢绕组和切换开关k3接入交流电网，且在交流电网之间依次并联交流滤波电容；
7.其中，双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统还包括采样信号控制系统，所述采样信号控制系统通过电流传感器对双凸极电机的励磁电流信号、电枢电流信号进行采样，并进行包括模式切换在内的各类控制；驱动运行模式下，通过切换开关的控制，励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感，结合驱动控制策略，实现蓄电池通过电流源型变换器驱动双凸极电机；充电运行模式下，通过切换开关的控制，电枢绕组复用为交流侧滤波电感，交流电网通过双凸极电机电枢绕组、电流源型变换器、励磁绕组和充放电双向变换器，结合充电控制策略给蓄电池充电。
8.作为优选，充放电双向变换器包括三条串联支路，每条串联支路分别包括依次连接的二极管vd1和开关管s1，开关管s2和二极管vd2，开关管s3和二极管vd3，并联三条支路以构成三条桥臂支路；其中，电流源型变换器上输入端通过切换开关k2连接励磁绕组f2，f2通过切换开关k1连接s3与vd3的桥臂中点，励磁绕组f1连接s2与vd2的桥臂中点，所述电流源型变换器下输入端连接s1与vd1的桥臂中点。
9.作为优选，将电励磁双凸极电机的励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感，通过切换所述切换开关k1、k2至a、b处，实现励磁绕组f1、f2的串联或并联控制，具体为：在驱动运行模式下，切换开关k1、k2均拨至a处，使励磁绕组f1、f2并联后与电流源型变换器的直流侧相连；在充电运行模式下，切换开关k1、k2均拨至b处，使励磁绕组f1、f2反向串联后与电流源型变换器直流侧相连。
10.本发明还公开了一种双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统的控制方法，
11.当复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统运行于驱动模式时，具体控制策略如下：
12.步骤1，控制切换开关k1、k2闭合于a点，两段励磁绕组并联，两段励磁电流共同为电流源型变换器提供直流电流，切换开关k3自然闭合，使得电机三相电枢绕组末端，即靠近切换开关k3的一端短路，构成星型绕组连接方式。
13.步骤2，分别对两段励磁电流进行采样，充放电双向变换器中开关管s1恒通，s2、s3处于pwm状态，实现对励磁绕组f1、f2的电流i
f1
、i
f2
分别恒定控制，使得i
f1
、i
f2
大小相等。蓄电池输出经由开关管s2、s3，励磁绕组f1、f2和电流源型变换器为双凸极电机供电。
14.步骤3，对双凸极电机进行位置信号检测和电枢绕组电流检测，基于采集到的位置信号和电枢电流信号，控制电流源型变换器工作于逆变器工作模式，结合转速和电流双闭环的控制方式，控制逆变器输出电流，实现双凸极电机的驱动运行。
15.作为优选，当电动汽车减速制动时，电机驱动系统的控制策略需要进行调整。制动模式是驱动模式的另一种情况，此时电机因电动汽车减速制动，做发电机运行产生电枢电流，该部分电流能量即制动能量，通过能量回馈进行制动能量的回收，具体制动控制策略如下：
16.步骤3.1，通过电流传感器对励磁电流和电枢电流进行采样，为保证因纹波导致错误的进入制动模式，设置合适的上下阈值，设置电流源型变换器的直流侧电流i
dc
和电机交流侧的交轴电流iq的滞环判断环节，将二者判断后的输出信号相或，由或门输出信号判断系统是否处于制动模式。步骤3.2，确定系统进入制动模式后，控制开关管s1关断，制动能量通过vd1流动，通过开关管s2、s3通断实现对i
f1
、i
f2
的恒定控制，根据励磁电流的大小切换励磁绕组模态：当励磁电流小时切换为励磁绕组充能模态：开关管s2、s3导通，制动能量经由vd1和s2、s3向励磁绕组f1、f2充能使得i
f1
、i
f2
升高；当励磁电流大时为励磁绕组馈能模态：开关管s2、s3关断，制动能量经由vd1回馈至蓄电池侧，后通过vd2、vd3流经励磁绕组f1、f2形成闭合回路，该模态下蓄电池作为励磁馈能吸收源，使得励磁绕组中电流i
f1
、i
f2
减小。步骤3.3，根据电机电枢电流和转子位置采样值，按照制动指令控制电流源型逆变器输出反向电流，实现电机制动功能。
17.作为优选，为减小并联励磁绕组电流i
f1
和i
f2
产生的纹波，使得电流源型变换器获得高品质直流输入电流，采用双沿调制策略对s2、s3进行控制，具体为：1)同时产生频率相同的上升锯齿波和下降锯齿波，分别作为i
f1
和i
f2
控制信号产生的载波；2)将上升的锯齿波载波与开关管s2的占空比d2比较，d2大于上升的锯齿波载波时s2导通，否则s2关断；3)将下降的锯齿波载波与开关管s3的占空比d3比较，d3大于下降的锯齿波载波时s3导通，否则s3关断。双沿调制方法不仅可以应用于正常的驱动模式，而且可以应用于制动模式。
18.当复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统运行于充电模式时，具体控制策略如下：
19.1)切换开关k1、k2闭合于b点，两段励磁绕组反向串联，对应励磁电流i
f1
和i
f2
大小相等、方向相反，实现充电模式下双凸极电机的消磁功能，切换开关k3打开，将双凸极电机三相电枢绕组与交流电网相连，此时双凸极电机的三相电枢绕组复用为网侧的lc滤波器的滤波电感。2)充放电双向变换器中开关管s1、s2、s3关断，电流源型变换器工作于整流模式，输送电能经过vd1、vd2、vd3对蓄电池进行充电。3)通过后级的电流传感器对电机三相电流进行采样，并结合交流电网电压的锁相环确定网侧交流电角度，采用输出侧直流电流和交流侧电流双闭环的控制策略，使电流源型变换器工作于整流器状态，按照充电指令对蓄电池进行充电。
20.有益效果
21.与传统驱动/充电集成化系统相比，复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统具有两个巨大优势：一方面将励磁绕组复用为直流侧储能电感，省去电流源型变换器所需额外的直流侧电感，省去传统电励磁电机励磁所需直流电源，功率损耗方面可等效为减少励磁绕组损耗；另一方面电动汽车驱动时蓄电池侧至电机侧的升压要求和充电时电网侧至蓄电池侧的降压要求与电流源型变换器用作逆变器时的升压特性和用作整流器时的降压特性完美契合，将电流源型变换器应用于驱动/充电集成化系统中具有非常高的适配性，该系统无需额外的dc/dc变换器，消除了级联系统存在的稳定性隐患和额外
成本问题，虽然需要在电池侧增加充放电双向变换器，但是所需器件少，控制方法简单可靠，具有较大的实际应用价值。
附图说明
22.图1为复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统拓扑结构框图；
23.图2为驱动模式下电机转速仿真波形图；
24.图3为驱动模式下电机电枢电流ia仿真波形图；
25.图4为驱动模式下电机励磁电流i
f1
仿真波形图；
26.图5为驱动模式下电机励磁电流i
f2
的仿真波形细节图；
27.图6为驱动模式下电流源型逆变器直流侧输入电流的仿真波形图；
28.图7为制动模式下电机转速仿真波形图；
29.图8为制动模式下电机转矩仿真波形图；
30.图9为制动模式下电机电枢电流ia仿真波形图；
31.图10为制动模式下电机励磁电流i
f1
仿真波形细节图；
32.图11为蓄电池侧电流仿真波形图；
33.图12为蓄电池侧能量回馈电流仿真波形细节图；
34.图13为充电模式下蓄电池充电电流仿真波形图；
35.图14为充电模式下励磁电流i
f1
仿真波形图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明公开一种双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及控制方法，包括蓄电池、充放电双向变换器、电流源型变换器、电励磁双凸极电机、交流滤波电容和切换开关。将双凸极电机两段分裂式励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感，驱动运行模式下，通过开关切换双凸极电机电枢绕组末端完全短路，并将两段励磁同向并联，蓄电池通过充放电双向变换器和电流源型变换器驱动双凸极电机，通过对充放电双向变换器的控制，在电机转速较低时为直流侧提供恒定电流，实现电励磁双凸极电机的四象限运行及制动过程中的能量回馈。充电运行模式下，通过开关切换，将交流电网接入双凸极电机电枢绕组，经电源型变换器和充放电双向变换器给蓄电池充电，其中双凸极电机两段励磁绕组串联实现去磁效应，消除充电过程产生的转矩。该系统适用于电动汽车的驱动和充电一体化系统，具有开关器件少、结构简单、可靠性高等优点，还能够节省了电动汽车的空间和成本，降低系统损耗。
38.实施例一：
39.本发明提出复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统拓扑结构如图1所示，系统包括蓄电池、充放电双向变换器、电流源型变换器、电励磁双凸极电机、
交流滤波电容、切换开关k1、k2、k3和检测控制电路。蓄电池与充放电双向变换器输入端相连，电流源型变换器上输入端依次通过切换开关k2和电励磁双凸极电机的励磁绕组接入充放电双向变换器的桥臂中点，下输入端直接接入充放电双向变换器的桥臂中点，其中，励磁绕组分裂为两段绕组f1和f2，绕组f2串联切换开关k1；电流源型变换器的桥臂中点依次通过电励磁双凸极电机的电枢绕组和切换开关k3接入交流电网，且在交流电网之间依次并联交流滤波电容。通过对k3的控制可实现电枢绕组另一端与交流电网连接或完全短路构成星型绕组连接。
40.充放电双向变换器包括三条串联支路，每条串联支路分别包括依次连接的二极管vd1和开关管s1，开关管s2和二极管vd2，开关管s3和二极管vd3，并联三条支路以构成三条桥臂支路。其中，电流源型变换器上输入端通过切换开关k2连接励磁绕组f2，f2通过切换开关k1连接s3与vd3的桥臂中点，励磁绕组f1连接s2与vd2的桥臂中点，电流源型变换器下输入端连接s1与vd1的桥臂中点。
41.电励磁双凸极电机的励磁绕组分裂为两段绕组f1和f2，f1和f2一端分别与充放电双向变换器中开关管s2、s3和二极管vd2、vd3构成的桥臂相连，另一端连接切换开关k1、k2，将电励磁双凸极电机的励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感，通过对k1、k2的控制可实现两段分裂式励磁绕组的同向并联连接或反向串联连接。绕组f1、f2在用作励磁绕组为电机提供励磁磁场的同时，作为直流侧电感在变换器中发挥储能作用，无论k1、k2至a处还是b处励磁绕组均具有复用功能。
42.电流源型变换器包括开关管s4、s5、s6、s7、s8、s9以及与其分别串联的二极管vd4、vd5、vd6、vd7、vd8、vd9，其中，s4、vd4、s5、vd5依次串联，s6、vd6、s7、vd7依次串联，s8、vd8、s9、vd9依次串联，构成三条串联支路，并联三条串联支路以构成电流源型变换器的三条桥臂，三条桥臂中点分别通过电枢绕组a、b、c接入交流电网。
43.控制器通过各类传感器对双凸极电机的两段励磁电流、三相电枢电流、转子位置和三相网侧电压等数据进行采集，根据采集数据和控制策略驱动充放电双向变换器和电流源型变换器，以实现电机在不同工况下按照指令运行。
44.实施例二：
45.本实例在实施例一的基础上，实施电动汽车处于驱动模式下的控制策略。
46.1.控制切换开关k1、k2闭合于a点，两段励磁绕组并联，两段励磁电流共同为电流源型变换器提供直流电流，电流源型变换器处于逆变器状态，切换开关k3自然闭合，使得电机三相电枢绕组末端，即靠近切换开关k3的一端短路，构成星型绕组连接方式。
47.2.充放电双向变换器中开关管s1恒通，分别对两段励磁电流进行采样，参考值和采样值之差通过pi调节器得到s2、s3的占空比驱动s2、s3，实现对励磁绕组f1、f2的电流i
f1
、i
f2
分别恒定控制，使得i
f1
、i
f2
大小相等。蓄电池输出经由开关管s2、s3，励磁绕组f1和f2和电流源型变换器为双凸极电机供电。
48.3.根据电机电枢绕组电流传感器和位置传感器获得的信号，控制电流源型变换器于逆变器工作模式，结合转速和电流双闭环的控制方式，控制电流源型逆变器中开关管按照传统控制方式的通断逻辑开通关断，电流源型逆变器输出电流，实现双凸极电机的驱动运行。
49.实施例三：
50.本实例在实施例一的基础上，实施电动汽车处于制动模式下的控制策略。
51.1.通过电流传感器对励磁电流和电枢电流进行采样，设置合适的上下阈值，设置电流源型变换器的直流侧电流i
dc
和电机交流侧的交轴电流iq的滞环判断环节，将二者判断后的输出信号相或，由或门输出信号判断系统是否处于制动模式。
52.2.确定系统进入制动模式后，控制开关管s1关断，制动能量通过vd1流动，通过开关管s2、s3通断实现对i
f1
、i
f2
的恒定控制，s2、s3的控制信号由以励磁电流为控制对象的pi调节器输出。根据励磁电流的大小实现励磁绕组充能模态和励磁绕组馈能模态的切换。
53.励磁电流小时切换至励磁绕组充能模态：开关管s2、s3导通，制动能量经由vd1和s2、s3向励磁绕组f1、f2充能使得i
f1
、i
f2
升高；
54.励磁电流大时切换至励磁绕组馈能模态：开关管s2、s3关断，制动能量经由vd1回馈至蓄电池侧，后通过vd2、vd3流经励磁绕组f1、f2形成闭合回路，该模态下蓄电池作为励磁馈能吸收源，使得励磁绕组中电流i
f1
、i
f2
减小。
55.3.根据电机电枢电流和转子位置采样值，按照制动指令控制电流源型逆变器输出反向电流，实现电机电磁制动功能。
56.实施例四：
57.本实例在实施例一的基础上，为提高电流源型变换器直流输入电流品质，采用双沿调制策略对s2、s3进行控制，具体为：
58.1.同时产生频率相同的上升锯齿波和下降锯齿波，分别作为i
f1
和i
f2
控制信号产生的载波；
59.2.将上升的锯齿波载波与开关管s2的占空比d2比较，d2大于上升的锯齿波载波时s2导通，否则s2关断；
60.3.将下降的锯齿波载波与开关管s3的占空比d3比较，d3大于下降的锯齿波载波时s3导通，否则s3关断。
61.实施例五：
62.本实例在实施例一的基础上，实施电动汽车处于充电模式下的控制策略。
63.1.切换开关k1、k2闭合于b点，两段励磁绕组反向串联，对应励磁电流i
f1
和i
f2
大小相等、方向相反，实现充电模式下双凸极电机的消磁功能，切换开关k3打开，将双凸极电机三相电枢绕组与交流电网相连，此时双凸极电机的三相电枢绕组复用为网侧的lc滤波器的滤波电感。
64.2.充放电双向变换器中开关管s1、s2、s3关断，电流源型变换器工作于整流模式，输送电能经过vd1、vd2、vd3对蓄电池进行充电。
65.3.通过后级的电流传感器对电机三相电流进行采样，并结合交流电网电压的锁相环确定网侧交流电角度，采用输出侧直流电流和交流侧电流双闭环的控制策略，使电流源型变换器工作于整流器状态，按照充电指令对蓄电池进行充电。
66.测试实例一：
67.按照实例一、实例二和实例四所述复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及其驱动控制策略，对集成化系统的驱动运行进行仿真，具体仿真工况如下：蓄电池供电电压为100v，设置励磁电流参考值为10a，即电流源型逆变器直流侧输入电流为20a，电励磁双凸极电机为12/10极结构，电枢绕组电阻、电感值分别为0.1ω、5.6mh，励磁绕
组电阻、电感值分别为0.4ω、13mh，励磁绕组和电枢绕组间互感为幅值6.78mh且随转子电角度变化的正弦波，电机转动惯量为0.074kg
·
m2，负载转矩设为5n
·
m，控制指令为转速从0上升至400rpm并维持恒定。
68.图2为仿真中电机转速波形图，由图可知电机在0秒时电机逐渐升速至400rpm后维持转速恒定；图3为电机电枢电流ia波形图，三相电流对称且正弦度较好；图4为励磁电流i
f1
波形图，图5为励磁电流i
f2
的波形细节图，在整个驱动运行过程中两段励磁电流恒定，大小相等、方向相同，且电流纹波均小于0.08a；图6为电流源型逆变器直流侧输入电流的波形图，该电流为两段励磁电流之和，大小恒定在20a且纹波小于0.14a，能够为电流源型逆变器提供高品质的输入电流。由仿真结果可知，在上述仿真工况下，电机能够实现正常起动及稳态运行，励磁电流和直流侧电流纹波小、品质高，说明所述复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统能够实现正常驱动功能且具有较好的运行特性。
69.测试实例二：
70.按照实例一、实例三和实例四所述复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及其制动控制策略，对集成化系统的制动运行进行仿真，具体仿真工况如下：蓄电池供电电压为100v，设置励磁电流参考值为10a，即电流源型逆变器直流侧输入电流为20a，电励磁双凸极电机为12/10极结构，电枢绕组电阻、电感值分别为0.1ω、5.6mh，励磁绕组电阻、电感值分别为0.4ω、13mh，励磁绕组和电枢绕组间互感为幅值6.78mh且随转子电角度变化的正弦波，电机转动惯量为0.074kg
·
m2，负载转矩设为5n
·
m，控制指令为转速从500rpm降速至100rpm。
71.图7、图8为仿真中电机转速、转矩波形图，由图可知电机在1秒时电机转速由500rpm降速至100rpm后维持转速恒定，转矩在在1秒时按照控制指令反向，使得转速降低，1.22秒后逐渐升高使得转速稳定至100rpm而不会出现转速超调现象；图9为电枢电流ia形图，三相电流对称且正弦度较好，在1秒时输出电流反向以输出负转矩，电机进入制动模式，1.22秒后逐渐恢复正向电流，电机退出制动模式；图10为励磁电流i
f1
波形细节图，可见在整个驱动运行过程中励磁电流能够保证恒定，在1秒和1.22秒时由于驱动模式和制动模式的切换使得励磁电流出现尖峰，但是尖峰小于0.2a，在允许范围内；图11、图12为蓄电池侧电流波形及其能量回馈电流的波形细节图，负向电流即蓄电池充电电流，由于开关管为斩波控制，馈电电流呈脉冲状，其最大值由励磁电流的给定值决定。由仿真结果可知，在上述仿真工况下，电机能够在维持励磁电流不变的基础上实现制动过程中的能量回馈，虽然在驱动和制动模式的切换过程中存在尖峰，但是尖峰较小，在允许范围内，不影响系统的正常运行。
72.测试实例三：
73.按照实例一和实例五所述复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及其充电控制策略，对集成化系统的充电运行进行仿真，具体仿真工况如下：电励磁双凸极电机为12/10极结构，电枢绕组电阻、电感值为0.1ω、5.6mh，励磁绕组电阻、电感值为0.4ω、13mh，励磁绕组和电枢绕组间互感为幅值6.78mh且随转子电角度变化的正弦波，电机转动惯量为0.074kg
·
m2，电网侧为相电压220v、频率50hz的三相交流电，控制指令为实现充电电流为6a的恒流充电。
74.图13为蓄电池侧充电电流波形图，充电电流即励磁电流i
f2
，电流大小恒定为6a且
纹波在0.1a之内；图14为励磁电流i
f1
波形图，两段励磁绕组反向串联因此i
f1
电流为负，与i
f1
大小相等、方向相反，消除输出转矩；而由于仿真结果较为理想，充电过程中转矩输出为0，此处不再放转矩波形。由仿真结果可知，该系统能够实现恒流充电过程中的无转矩输出，满足集成化系统的充电要求。
75.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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：1.一种双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统，其特征在于，包括蓄电池、充放电双向变换器、电流源型变换器、电励磁双凸极电机、交流滤波电容、切换开关k1、k2、k3和检测控制电路；所述蓄电池连接充放电双向变换器的输入端，电流源型变换器上输入端依次通过切换开关k2和电励磁双凸极电机的励磁绕组接入充放电双向变换器的桥臂中点，下输入端直接接入充放电双向变换器的桥臂中点，其中，励磁绕组分裂为两段绕组f1和f2，绕组f2串联切换开关k1；电流源型变换器的桥臂中点依次通过电励磁双凸极电机的电枢绕组和切换开关k3接入交流电网，且在交流电网之间依次并联交流滤波电容；其中，双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统还包括采样信号控制系统，所述采样信号控制系统通过电流传感器对双凸极电机的励磁电流信号、电枢电流信号进行采样，并进行包括驱动运行模式和充电运行模式切换在内的各类控制；驱动运行模式下，通过切换开关的控制，励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感，结合驱动控制策略，实现蓄电池通过电流源型变换器驱动双凸极电机；充电运行模式下，通过切换开关的控制，电枢绕组复用为交流侧滤波电感，交流电网通过双凸极电机电枢绕组、电流源型变换器、励磁绕组和充放电双向变换器，结合充电控制策略给蓄电池充电。2.根据权利要求1所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统，其特征在于，所述充放电双向变换器包括三条串联支路，每条串联支路分别包括依次连接的二极管vd1和开关管s1，开关管s2和二极管vd2，开关管s3和二极管vd3，并联三条支路以构成三条桥臂支路；其中，电流源型变换器上输入端通过切换开关k2连接励磁绕组f2，f2通过切换开关k1连接s3与vd3的桥臂中点，励磁绕组f1连接s2与vd2的桥臂中点，所述电流源型变换器下输入端连接s1与vd1的桥臂中点。3.根据权利要求2所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统，其特征在于，将电励磁双凸极电机的励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感，通过切换所述切换开关k1、k2至a、b处，实现励磁绕组f1、f2的串联或并联控制，具体为：在驱动运行模式下，切换开关k1、k2均拨至a处，使励磁绕组f1、f2并联后与电流源型变换器的直流侧相连；在充电运行模式下，切换开关k1、k2均拨至b处，使励磁绕组f1、f2反向串联后与电流源型变换器直流侧相连。4.根据权利要求2或3所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统的控制方法，其特征在于，当系统运行于驱动模式时，包括以下步骤：步骤1，控制切换开关k1、k2闭合于a点，两段励磁绕组并联，两段励磁电流共同为电流源型变换器提供直流电流，电流源型变换器处于逆变器状态，切换开关k3自然闭合，电机三相电枢绕组末端短路，构成星型绕组连接方式；步骤2，分别对两段励磁绕组f1、f2的电流进行采样，充放电双向变换器中开关管s1恒通，s2、s3处于pwm状态，实现对励磁绕组f1、f2的电流i
f1
、i
f2
分别恒定控制，使i
f1
＝i
f2
；蓄电池输出经由开关管s2、s3，励磁绕组f1、f2和电流源型变换器双凸极电机供电；步骤3，对双凸极电机进行位置信号检测和电枢绕组电流检测，基于采集到的位置信号和电枢电流信号，控制电流源型变换器工作于逆变器工作模式，结合转速和电流双闭环的控制方式，控制逆变器输出电流，实现双凸极电机的驱动模式运行和制动模式运行。5.根据权利要求4所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统的控制方法，其特征在于，为减小并联励磁绕组电流i
f1
和i
f2
产生的纹波，使得电流源型变换器获得高品质
直流输入电流，采用双沿调制策略对s2、s3进行控制，具体为：步骤2.1，同时产生频率相同的上升锯齿波和下降锯齿波，分别作为i
f1
和i
f2
控制信号产生的载波；步骤2.2，将上升的锯齿波载波与开关管s2的占空比d2比较，d2大于上升的锯齿波载波时s2导通，否则s2关断；步骤2.3，将下降的锯齿波载波与开关管s3的占空比d3比较，d3大于下降的锯齿波载波时s3导通，否则s3关断。6.根据权利要求5所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中实现双凸极电机的制动模式运行具体为：步骤3.1，通过电流传感器对励磁电流和电枢电流进行采样，设置上下阈值，设置电流源型变换器的直流侧电流i
dc
和电机交流侧的交轴电流i
q
的滞环判断环节，将二者判断后的输出信号输入逻辑或门，由或门的输出信号判断系统是否处于制动模式，若判断为是则进入步骤3.2，否则继续在驱动模式下运行；步骤3.2，判断系统进入制动模式后，控制开关管s1关断，制动能量通过vd1流动，通过开关管s2、s3通断实现对i
f1
、i
f2
的恒定控制，根据励磁电流的大小判断励磁绕组充能模态和励磁绕组馈能模态以进行模态切换；步骤3.3，根据电机转子位置和电枢电流采样值，按照制动指令控制电流源型逆变器输出反向电流，实现电机制动功能。7.根据权利要求6所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统的控制方法，其特征在于，所述励磁绕组充能模态的控制方法为：开关管s2、s3导通，制动能量经由vd1和s2、s3向励磁绕组f1、f2充能使得i
f1
、i
f2
升高；所述励磁绕组馈能模态的控制方法为：开关管s2、s3关断，制动能量经由vd1回馈至蓄电池侧，后通过vd2、vd3流经励磁绕组f1、f2形成闭合回路，该模态下蓄电池作为励磁馈能吸收源，使得励磁绕组中电流i
f1
、i
f2
减小。8.如权利要求2或3所述的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统的控制方法，其特征在于，当系统运行于充电模式时，包括以下步骤，步骤a，切换开关k1、k2闭合于b点，两段励磁绕组f1、f2反向串联，对应励磁电流i
f1
和i
f2
大小相等、方向相反即i
f1
＝-i
f2
，实现充电模式下双凸极电机的消磁功能，切换开关k3打开，将双凸极电机三相电枢绕组与交流电网相连，此时双凸极电机的三相电枢绕组复用为网侧的lc滤波器的滤波电感；步骤b，充放电双向变换器中开关管s1、s2、s3关断，电流源型变换器工作于整流模式，输送电能经过vd1、vd2、vd3对蓄电池进行充电；步骤c，通过后级的电流传感器对电机三相电流进行采样，并结合交流电网电压的锁相环确定网侧交流电角度，采用输出侧直流电流和交流侧电流双闭环的控制策略，使电流源型变换器工作于整流器状态，按照充电指令对蓄电池进行充电。
技术总结本发明公开一种双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及控制方法，包括蓄电池、充放电双向变换器、电流源型变换器、电励磁双凸极电机和切换开关，其中双凸极电机两段分裂式励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感。驱动运行模式下，两段励磁绕组同向并联，通过对充放电变换器的控制能够在电机转速较低时为直流侧提供恒定电流，并且实现电机的四象限运行及制动过程中的能量回馈。充电运行模式下，两段励磁绕组反向串联实现去磁效应，在实现零转矩输出的同时向蓄电池充电。该系统适用于电动汽车的驱动和充电一体化系统，具有开关器件少、可靠性高等优点，并且节省空间和成本，降低系统损耗。降低系统损耗。降低系统损耗。
技术研发人员：魏佳丹 翟相煜 刘航宇 赵晓聪 周波 杨明
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/7/5
