一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制系統(tǒng)及控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制系統(tǒng)及控制方法，轉(zhuǎn)速/位置檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速值ω及位置角θ；電流傳感器，第一坐標(biāo)變換模塊，第二坐標(biāo)變換模塊，PI速度環(huán)控制器，用于將轉(zhuǎn)速/位置檢測(cè)模塊得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速值ω與給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速值ωr經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算得到q軸電流參考值電流環(huán)預(yù)測(cè)控制模塊，滑模擾動(dòng)觀測(cè)模塊，第三坐標(biāo)變換模塊空間矢量脈寬調(diào)制模塊，用于將uα和uβ計(jì)算得到六路PWM信號(hào)輸出，并由PWM信號(hào)控制逆變器，由此得到三相輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。采用先進(jìn)的連續(xù)時(shí)間廣義預(yù)測(cè)控制方法用于電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的電流跟蹤控制中，具有計(jì)算量小，控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制系統(tǒng)及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)（PMSM)電流跟蹤控制方法，尤其涉及一種 基于廣義預(yù)測(cè)控制（GPC)和滑模擾動(dòng)觀測(cè)器的具有強(qiáng)跟蹤性和魯棒性的電動(dòng)汽車(chē)用PMSM 電流控制系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，電動(dòng)汽車(chē)成為21世紀(jì)汽車(chē)工業(yè)的主要發(fā) 展方向。永磁同步電機(jī)因具有效率高、比功率大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)等，在電 動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域已被認(rèn)為具有與異步電動(dòng)機(jī)相競(jìng)爭(zhēng)的巨大潛力。雖然PMSM具有上述優(yōu) 點(diǎn)，但電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)路況復(fù)雜，工作環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的性能要求極為苛 亥IJ，再加上電機(jī)本身具有的非線(xiàn)性，多變量，強(qiáng)耦合等特性，傳統(tǒng)的基于PI的矢量控制方法 已不能滿(mǎn)足對(duì)電機(jī)高性能的要求。因此，一些先進(jìn)的控制理論，如：反饋線(xiàn)性化控制，滑?？?制，自適應(yīng)控制，反步控制等方法，被應(yīng)用到這一領(lǐng)域并取得了許多研究成果，但這些方法 對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性強(qiáng)，針對(duì)電機(jī)的參數(shù)變化，負(fù)載擾動(dòng)等，設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器的方法廣泛應(yīng) 用于電機(jī)控制中，通過(guò)估計(jì)擾動(dòng)值，并用于控制器的補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，抑制參數(shù)變化，負(fù)載擾動(dòng) 等造成的電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。近年來(lái)，模型預(yù)測(cè)控制作為一種新的控制策略，因其具有 控制效果好、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型精確性要求不高等優(yōu)化，得到越來(lái)越多的重視。模型預(yù)測(cè)控 制利用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的輸出，再通過(guò)優(yōu)化含有輸出變量和參考軌跡的 成本函數(shù)，得到預(yù)測(cè)控制律，并已應(yīng)用在機(jī)器人，電機(jī)，功率變換器等控制領(lǐng)域。同樣，模型 預(yù)測(cè)控制方法在PMSM控制中也證明了其有效性，但目前針對(duì)永磁同步電機(jī)的控制，大多是 采用基于系統(tǒng)離散時(shí)間模型的預(yù)測(cè)控制，并考慮系統(tǒng)約束條件，通過(guò)求解二次規(guī)劃問(wèn)題實(shí) 現(xiàn)在線(xiàn)優(yōu)化，雖然提高了 PMSM控制性能，同時(shí)存在計(jì)算量大的問(wèn)題，對(duì)控制系統(tǒng)的配置要 求較高，限制了其在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等高動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性系統(tǒng)中的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開(kāi)了一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控 制系統(tǒng)及控制方法，該方法基于連續(xù)時(shí)間廣義預(yù)測(cè)控制和滑模擾動(dòng)觀測(cè)器的電動(dòng)汽車(chē)用永 磁同步電機(jī)電流控制方法，實(shí)現(xiàn)電流的快速穩(wěn)定跟蹤，是一種運(yùn)用先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流 控制的新方法。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0005] -種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一：利用轉(zhuǎn)速/位置檢測(cè)模塊得到永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω和位置角Θ，將位 置角Θ值輸入到第二坐標(biāo)變換模塊及第三坐標(biāo)變換模塊中，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω值與給定的 電機(jī)轉(zhuǎn)速值輸入到ΡΙ控制模塊中，經(jīng)過(guò)ΡΙ運(yùn)算得到q軸電流參考值

【權(quán)利要求】
1. 一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一：利用轉(zhuǎn)速/位置檢測(cè)模塊得到永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速《和位置角e，將位置角 e值輸入到第二坐標(biāo)變換模塊及第三坐標(biāo)變換模塊中，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速《值與給定的電機(jī) 轉(zhuǎn)速值輸入到pi控制模塊中，經(jīng)過(guò)pi運(yùn)算得到q軸電流參考值 步驟二：利用電流傳感器采集到永磁同步電機(jī)的兩相輸出電流込和ib并將輸出電流ia和ib輸入到第一坐標(biāo)變換模塊中，首先根據(jù)電機(jī)輸出三相電流之和等于零的原理，求得第 三相電流i。，然后利用電機(jī)三相電流ia，ib和i。，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，得到在兩相靜止坐標(biāo)系下的 電流1和％，最后將第一坐標(biāo)變換模塊中求得的ia，ie以及位置角9輸入到第二坐標(biāo)變 換模塊得到id和iq。步驟三：將步驟一中經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算得到q軸電流參考值<、給定的d軸 電流參考值'以及第二坐標(biāo)變換模塊得到的id，iq輸入到電流預(yù)測(cè)控制模塊得到輸出電壓 值，將id，iq以及永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速值《輸入到滑模擾動(dòng)觀測(cè)器模塊，經(jīng)過(guò)滑模擾動(dòng)觀測(cè)器 模塊得到永磁同步電機(jī)擾動(dòng)的估計(jì)值&和^ ; 步驟四：將步驟三得到的輸出電壓值減去永磁同步電機(jī)擾動(dòng)的估計(jì)值和^得到控制 電壓信號(hào)ud，uq，將ud，uq以及0輸入到第三坐標(biāo)變換模塊得到u a和ue ; 步驟五：將ua和ue輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊，得到六路PWM信號(hào)輸出，并由PWM 信號(hào)控制逆變器，由逆變器得到的三相輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，其特征是，所述 永磁同步電機(jī)在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表示為：
式中，Ld和Lq為d_q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電感，id，i q，ud，uq分別為d_q坐標(biāo)系下 的定子電流和電壓，Rs為定子電阻，np為極對(duì)數(shù)，《為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，〇為永磁體產(chǎn)生的 磁鏈，fd，4為由參數(shù)變化引起的擾動(dòng)量。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，其特征是，所述 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示成非線(xiàn)性系統(tǒng)，令x= [Ldid [ud [fd T, y = h(x) = [id iJT,得到非線(xiàn)性系統(tǒng)：
4. 如權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，其特征是，所述 步驟三中，針對(duì)不考慮擾動(dòng)d的標(biāo)稱(chēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出id，iq對(duì)輸入的相對(duì)階為P = 1，取系 統(tǒng)輸入的控制階r = 0,并將輸出夕(/)對(duì)時(shí)間的0到P次求導(dǎo)，將預(yù)測(cè)輸出+ T)在t時(shí)刻 按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，直到第P+r次得
然后將上式（3)表示成>(/ +幻=「(1)1?(/)的形式，同理，參考輸出由泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)得
為使成本函數(shù)達(dá)到最小，由此得標(biāo)稱(chēng)系統(tǒng)的電流預(yù)測(cè)控制律： w = -G...1 -九）(4) 其中，

為參考電流，gn和gl2為 gl(x)的列向 量，K e R2X2是由f |p7.的前兩行組成的矩陣，且
其中，
5. 如權(quán)利要求4所述的一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，其特 征是，所述步驟三中，在考慮實(shí)際擾動(dòng)d的情況下，系統(tǒng)的廣義預(yù)測(cè)控制律表示為
6. 如權(quán)利要求5所述的一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法，其特征是，所述 復(fù)合擾動(dòng)觀測(cè)值的求取具體過(guò)程為： 首先構(gòu)造滑模擾動(dòng)觀測(cè)器
式中，
由式（6)得
取滑模擾動(dòng)觀測(cè)器的Lyapunov函數(shù)
叨
選取明.>1《丨*則0,由此得f < 0，所以滑模擾動(dòng)觀測(cè)值i = -(V + /) --
7.如權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)電流控制方法的控制系統(tǒng)，其特 征是，包括： 轉(zhuǎn)速/位置檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速值《及位置角0 ; 電流傳感器，用于采集永磁同步電機(jī)兩相輸出電流13和ib并輸入到第一坐標(biāo)變換模 塊； 第一坐標(biāo)變換模塊，用于將兩相輸出電流13和ib經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到在兩相靜止坐標(biāo)系 下的電流i a和i e ; 第二坐標(biāo)變換模塊，用于將ia，ie以及位置角0經(jīng)過(guò)兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變 換得到id和iq ; PI速度環(huán)控制器，用于將轉(zhuǎn)速/位置檢測(cè)模塊得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速值《與給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速 值&經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算得到q軸電流參考值& 電流環(huán)預(yù)測(cè)控制模塊，用于將q軸電流參考值 <、給定的d軸電流參考值/I以及第二坐 標(biāo)變換模塊得到的id，iq進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)算得到輸出電壓值； 滑模擾動(dòng)觀測(cè)模塊，用于將將id，iq以及電機(jī)轉(zhuǎn)速值《作為輸入，經(jīng)過(guò)觀測(cè)器得到永磁 同步電機(jī)擾動(dòng)的估計(jì)值.元和.之； 第三坐標(biāo)變換模塊，用于將電流環(huán)預(yù)測(cè)控制模塊得到的輸出電壓值分別減去擾動(dòng)的估 計(jì)值尤和/,，得到控制電壓信號(hào)ud，Uq，將Ud，Uq以及0經(jīng)過(guò)兩相旋轉(zhuǎn)到兩相靜止的坐標(biāo)變 換得到Ua和ue ; 空間矢量脈寬調(diào)制模塊，用于將11。和110計(jì)算得到六路PWM信號(hào)輸出，并由PWM信號(hào)控 制逆變器，由此得到三相輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。
【文檔編號(hào)】H02P21/13GK104283478SQ201410588607
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】張承慧, 李珂, 劉旭東 申請(qǐng)人:山東大學(xué)