CN101783563A - 电动汽车用多相容错多电机及其解耦控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动汽车用多相容错多电机及其解耦控制方法，将多个分别设置于电动汽车的轮子内的多相容错电机分别连接由光电编码器、DSP控制器、逆变器和车体信号传感器组成的多相独立控制器，形成电动汽车运动控制系统，运用支持向量基逆控制器的改进直接横摆力矩控制方法，通过电动汽车质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx之间的解耦，对多相容错电机直接进行转矩分配。电机分别独立控制，某一相的缺失对系统连续运行影响较小，带故障运行性能良好，实现电动汽车的横、纵向集成运动控制，进一步提高电动汽车的操作稳定性；对电机系统的参数、结构变化有较强鲁棒性。

Description

电动汽车用多相容错多电机及其解耦控制方法
技术领域
本发明涉及电工、电机、电动汽车技术领域，特指一种永磁电机及其控制方法，适用于电动汽车、船舶推进器等直接驱动领域。
背景技术
近年来，多轮毂独立驱动技术在电动汽车领域出现并迅速发展，即将多个电机分别安装在电动车的每个轮子内，单独控制每台电机，从而直接驱动轮毂旋转。这种多轮毂独立驱动不仅省掉了传统的离合器、变速箱、主减速器及差速器等部件，而且可以智能控制电动轮的电子差速，大大简化了整车结构，具有提高传动效率、节约空间、控制灵活等优点，成为未来电动汽车的发展方向。
就电机本体结构而言，感应电机和开关磁阻电机等电励磁电机由于技术成熟，容易应用到电动汽车驱动领域。随着钕铁硼等新型永磁材料的不断进步，越来越多地采用永磁电机作为电动汽车的驱动电机，但是，永磁电机由于电机内永磁磁场的存在，电机绕组短路电流故障成为不可忽视的问题，且电机的相间互感较大，某一相绕组的故障会引起整个电机失效。而作为一个多电机驱动系统，电动汽车中某一个电机的停止运行将影响电动车的正常运行，如原地打转等，严重时会直接威胁到乘驾人员的生命安全。
为提高永磁电机的带故障运行能力，采用了容错式结构的永磁型电机，将永磁体贴于转子表面，定子齿采用每槽一套绕组的新型绕组结构，这种结构在确保温度场物理隔离的同时，将电机的相与相之间的互感降到最低，一相的故障不会影响其它非故障的正常工作，确保了电机的带故障运行。
目前，一般采用直接横摆力矩控制(DYC)多电机电动汽车，即以汽车动力学方程为出发点，引入横摆角速度γ等运动参量，通过适当的转矩分配实现对电动汽车的运动控制。在运动控制过程中，由于电动汽车质心侧偏角β和横摆角速度γ的系数含有纵向速度vx，所以常将纵向速度vx作为常数，便忽略了电动汽车的纵向运动控制且简化横向运动模型为线性时变系统；而实际情况是：汽车的纵向速度vx是时变的，因此，为进一步提高电动汽车的操作稳定性，需对质心侧偏角、横摆角速度γ和纵向速度vx同时进行控制，实现电动汽车的横、纵向集成运动控制，而电动汽车的这种集成运动模型是一个高非线性、强耦合的系统，对这种高非线性、强耦合的系统采用常规的控制方法无法获得好的控制效果。
发明内容
本发明的目的是为进一步提高电动汽车多轮毂独立驱动系统的容错能力而提供一种驱动效率高的驱动用外转子结构的多相容错多电机。
本发明的另一目的是提供一种控制效果好的电动汽车用多相容错多电机的解耦控制方法，基于支持向量机逆控制器的改进直接横摆力矩控制(DYC)，实现电动汽车的横、纵向集成运动控制及故障状态下的容错运行。
本发明的多相容错多电机采用的技术方案是：多个多相容错电机分别设置于电动汽车的轮子内，每个多相容错电机包括转子、定子、内嵌于转子内部的永磁体以及置于定子槽内的电枢绕组；定子上的绕组采用分数槽结构，每隔一个定子齿绕有一套电枢绕组，每槽内只有一套电枢绕组，无电枢绕组的定子齿作为容错齿。
本发明的多相容错多电机的解耦控制方法采用的技术方案是：将多个所述多相容错电机分别连接由光电编码器、DSP控制器、逆变器和车体信号传感器组成的多相独立控制器，形成电动汽车运动控制系统，运用支持向量基逆控制器的改进直接横摆力矩控制方法，通过电动汽车质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx之间的解耦，对多相容错电机直接进行转矩分配。
本发明的有益效果是：
1、电机采用分数槽绕组结构，每个定子槽内只有一套绕组，没有绕组的定子齿作为容错齿，用以实现相间物理隔离、增强磁路独立性，电机的一相故障不会影响其它非故障相的正常工作，电机带故障运行性能良好。
2、采用永磁体内嵌式结构，电机具有较好的弱磁，适合于电动汽车等应用领域对调速性能的要求。
3、电机采用多相(相数大于3)结构，具有转矩脉动小的优点，克服了内嵌式电机转子漏磁系数大的不足，电机某一相的缺失对系统的连续运行的影响较小。
4、电机采用外转子式结构，置于每个电动汽车的轮内，分别独立控制，具有灵活性高、实时性好的特点。
5、由于每个多相容错电机均采用独立控制，省掉了齿轮箱等传动机构，节约传动损耗10％左右，宜于安置更多电池，具有效率高、节约空间等优点，可以更有效地采用防抱死制动系统和牵引控制系统。
6、由于对电动汽车的质心侧偏角、横摆角速度γ和纵向速度vx同时进行控制，改进的DYC方法可实现电动汽车的横、纵向集成运动控制，进一步提高电动汽车的操作稳定性。
7、改进的DYC方法对多电机直接进行转矩分配，避免了复杂的转矩分配环节，简化了控制结构，实现简单。
8、在系统中的某台电机的某一相发生故障时，通过重新分配转矩，改进的DYC方法可实现多电机系统的容错控制，对电机系统的参数、结构变化有较强鲁棒性。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是多相容错电机6结构放大示意图。
图2是多相容错多电机6独立驱动系统连接示意图。
图3是电动汽车运动控制系统10的结构图。
图4是基于支持向量机逆控制器8的改进DYC方法的控制框图。
图5是支持向量机逆11与电动汽车运动控制系统10复合构成的伪线性系统13的示意图及其等效图。
图6是基于支持向量机逆控制器8的改进DYC方法对电动汽车运动控制系统10进行控制的完整原理框图。
图7是以DSP为控制器的实现本发明的系统软件框图。
图中：1.定子；2.转子；3.永磁体；4.电枢绕组；5.容错齿；6.多相容错电机；7.多相独立控制器；8.支持向量机逆控制器；9.参考模型；10.电动汽车运动控制系统；11.支持向量机逆；12.支持向量机；13.伪线性系统；14.质心侧偏角的一阶伪线性子系统；15.横摆角速度的一阶伪线性子系统；16.纵向速度的一阶伪线性子系统；17.线性闭环控制器；18.质心侧偏角控制器；19.横摆角速度控制器；20.纵向速度控制器；22.车体信号传感器；23.光电编码器；24.逆变器。
具体实施方式
本发明多相容错多电机包括了多个多相容错电机6，每个多相容错电机6的截面图如附图1所示，多相容错电机6为一种多相、电机外转子式结构。由转子2、定子1以及内嵌于转子2内部的永磁体3、置于定子1的槽内的电枢绕组4，以及定子铁芯和转子铁芯所组成。定子1上的绕组采用分数槽结构，每隔一个定子齿绕有一套电枢绕组4，没有电枢绕组4的定子齿作为容错齿5，起到相间物理隔离、增强磁路独立性的作用，同时，保证每槽内只有一套绕组，使得多相容错电机6从根本上避免了相间短路故障。本发明的定子铁芯和转子铁芯均采用足够的冲片叠压成，导磁铁芯部分都采用了国内常用的D23材料冲片压叠而成。
如图2所示，将多个多相容错电机6分别置于电动汽车的轮子内，将多个多相容错电机6分别连接电动汽车上的多相独立控制器7，使各多相容错电机6采用独立驱动，组成高可靠性的多电机独立驱动系统。
如图3所示，由多相独立控制器7和多相容错电机6形成电动汽车运动控制系统10，其中，多相独立控制器7由光电编码器23、DSP控制器21、逆变器24和车体信号传感器22组成，通过光电编码器23检测多相容错电机6的速度，通过车体信号传感器22经CAN总线检测质心侧偏角和横摆角速度，并通过PWM控制逆变器24实现电动汽车运动控制系统10的闭环控制。
如图4，对于被控对象电动汽车运动控制系统10，采种基于支持向量机逆控制器8的改进直接横摆力矩控制方法：运用支持向量基逆控制器8，通过质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx之间的解耦，对多相容错电机6直接进行转矩分配。本发明以其中的一个车轮驱动和该车轮转向所采用的2台电机为例，具体实施分以下6步：
1、采用改进直接横摆力矩控制方法，电动汽车车轮转向角和纵向速度的给定值分别为δf *和vx *，通过参考模型9得到质心侧偏角和横摆角速度的给定值β*和γ*。电动汽车运动控制系统10以车轮转向角δf、一个多相容错电机6的转矩Tem1和另一个多相容错电机6的转矩Tem2为输入，质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx为输出。
2、对纵向、侧向及横向的汽车运动方程及左、右车轮的旋转运动方程进行分析可知：其数学模型为三阶微分方程，三个输出分别为质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx，其相对阶数均为一阶，整个系统对应的逆系统存在，并可确定其逆系统的输入变量为质心侧偏角β的一阶导数横摆角速度γ的一阶导数
Figure GSA00000049311000042
及纵向速度vx的一阶导数输出变量为被控对象电动汽车控制系统10的输入δf、Tem1和Tem2。
3、如图5，采用离线训练好的支持向量机12加三个积分器构成支持向量基逆11，其中，第一个积分器的输入与逆系统的第一个输入变量
Figure GSA00000049311000044
相连，其输出与支持向量机12的第二个输入相连；第二个积分器的输入与逆系统的第二个输入变量相连，其输出与支持向量机12的第四个输入相连；第三个积分器的输入与逆系统的第三个输入变量
Figure GSA00000049311000046
相连，其输出与支持向量机12的第六个输入相连。支持向量机12选择高斯核函数作为核函数，设定正归化参数＝200，核宽度＝0.6，并离线调整支持向量机12的向量系数和阀值。
4、支持向量基逆11与被控对象电动汽车控制系统10串接复合成伪线性系统13，形成质心侧偏角的一阶伪线性子系统14、横摆角速度的一阶伪线性子系统15和纵向速度的一阶伪线性子系统16，实现了将复杂非线性耦合系统控制转化为简单的三个线性子系统控制。
5、如图6所示，对得到的三个上述的一阶伪线性子系统分别进行线性闭环控制器17设计。依据线性系统的设计方法对三个上述的一阶伪线性系统分别作出质心侧偏角控制器18、横摆角速度控制器19和纵向速度控制器20，这三个速度控制器选用二次型指标最优方法进行设计。
6、将支持向量基逆11和线性闭环控制器17共同组成支持向量机逆控制器8。
支持向量机逆11、线性闭环控制器17由数字信号处理器即DSP控制器21通过软件来实现，系统程序框图如图7所示，主程序主要是系统的诊断、显示和故障的报警，中断服务程序通过定时检测系统的相关信号，进行现场保护、信号的采集和数据的处理，实现支持向量机逆的解耦控制。
本发明当多电机中的一台电机的某一相出现故障时，由于该种电机的相与相之间独立性高，故并不影响非故障相的工作；而当对此故障相进行故障移除后，该相输出转矩为零，电机转矩脉动变大，造成电动汽车系统不稳定，因此需考虑电机的容错控制。经分析，将故障相的故障移除后，系统模型不存在结构性失配，可逆性不变，其相对阶也不发生变化，动态逆系统结构不变，不影响改进DYC方法的应用。并通过改进DYC方法，对多相容错电机6的的转矩重新进行分配，通过增加故障电机的转矩来调整该电机的非故障相电流，实现容错控制。

Claims (6)

1.一种电动汽车用多相容错多电机，包括多个多相容错电机(6)，其特征是：多个多相容错电机(6)分别设置于电动汽车的轮子内，每个多相容错电机(6)包括转子(2)、定子(1)、内嵌于转子(2)内部的永磁体(3)以及置于定子槽内的电枢绕组(4)；定子(2)上的绕组采用分数槽结构，每隔一个定子齿绕有一套电枢绕组(4)，每槽内只有一套电枢绕组(4)，无电枢绕组(4)的定子齿作为容错齿(5)。
2.一种电动汽车用多相容错多电机的解耦控制方法，其特征是：将多个所述多相容错电机(6)分别连接由光电编码器(23)、DSP控制器(21)、逆变器(24)和车体信号传感器(22)组成的多相独立控制器(7)，形成电动汽车运动控制系统(10)，运用支持向量基逆控制器(8)的改进直接横摆力矩控制方法，通过电动汽车质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx之间的解耦，对多相容错电机(6)直接进行转矩分配。
3.根据权利要求2所述的电动汽车用多相容错多电机的解耦控制方法，其特征是：所述改进直接横摆力矩控制方法为：将电动汽车车轮转向角给定值δf *和纵向速度给定值vx *通过参考模型(9)得到质心侧偏角给定值β*和横摆角速度给定值γ*；电动汽车运动控制系统(10)以车轮转向角δf、一个多相容错电机(6)转矩Tem1和另一个多相容错电机(6)转矩Tem2为输入，以质心侧偏角β、横摆角速度γ和纵向速度vx为输出。
4.根据权利要求2所述的电动汽车用多相容错多电机的解耦控制方法，其特征是：所述支持向量基逆控制器(8)的构成采用如下步骤：
1)确定逆系统的输入变量为质心侧偏角β的一阶导数横摆角速度γ的一阶导数
Figure FSA00000049310900012
及纵向速度vx的一阶导数
Figure FSA00000049310900013
输出变量为电动汽车控制系统(10)的输入δf、Tem1和Tem2；
2)采用离线训练好的支持向量机(12)加三个积分器构成支持向量基逆(11)，第一个积分器的输入与逆系统的第一个输入变量
Figure FSA00000049310900014
相连，其输出与支持向量机(12)的第二个输入相连；第二个积分器的输入与逆系统的第二个输入变量
Figure FSA00000049310900015
相连，其输出与支持向量机(12)的第四个输入相连；第三个积分器的输入与逆系统的第三个输入变量相连，其输出与支持向量机(12)的第六个输入相连；
3)将支持向量基逆(11)与电动汽车控制系统(10)串接复合成伪线性系统(13)，形成质心侧偏角的一阶伪线性子系统(14)、横摆角速度的一阶伪线性子系统(15)和纵向速度的一阶伪线性子系统(16)；
4)对得到的三个所述一阶伪线性子系统分别进行线性闭环控制器(17)设计并分别作出质心侧偏角控制器(18)、横摆角速度控制器(19)和纵向速度控制器(20)，将支持向量基逆(11)和线性闭环控制器(17)共同组成支持向量机逆控制器(8)。
5.根据权利要求4所述的电动汽车用多相容错多电机的解耦控制方法，其特征是：支持向量机逆(11)、线性闭环控制器(17)由DSP控制器(21)通过软件控制。
6.根据权利要求4所述的电动汽车用多相容错多电机的解耦控制方法，其特征是：所述支持向量机(12)选择高斯核函数作为核函数，设定正归化参数为200，核宽度为0.6，离线调整支持向量机(12)的向量系数和阀值。
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