CN102427326B - 一种电动车异步电机的预估计控制方法 - Google Patents

一种电动车异步电机的预估计控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于异步电机控制技术，具体是一种电动车异步电机的预估计控制方法，控制器设定有电流参考值，然后根据存储在控制器里前一步的电机信息和控制器实时采样的信息实时估算出当前系统的控制参数，根据估算得到的控制参数估算出电机的下一步输入电压，从而使电机的电流值跟上设定的参考值；所述根据估算得到的系统参数和控制参数计算下一步输入是通过公式
Figure 788703DEST_PATH_IMAGE001
实现的；本发明考虑到异步电机在运行过程中随着温度等因素的变化导致系统参数变化的特性，采用根据电机系统的前一步信息实时计算系统参数，及时更新控制参数，调整输入，从而保证在电机的运行过程中控制器可以不断适应电机参数变化，提高对电机控制的精度使电机达到良好的运行性能。

Description

一种电动车异步电机的预估计控制方法
技术领域
本发明属于异步电机控制技术领域，更为具体的讲，涉及一种电动车异步电机的预估计控制方法。
背景技术
如今全球范围内石油供给紧张以及环境污染问题日益严重，低碳和零排放概念深入人心，这就促使了电动车在全球范围内得以快速的发展。电动车的生产和使用在车辆运输中比重不断增加。但是，电动车的发展依然受限于其核心技术以及关键零部件。而电机驱动控制器作为关键部件之一更是直接影响了整车的动力性和经济性。
交流异步电机作为电动车应用最广泛的三大电机之一有着不可替代的地位，因此对其控制精度以及可靠性提出了较高的要求。但是，由于其非线性和高耦合的特性，并且在运行过程中，由于电机温度的变化电机参数会发生变化。而传统的控制方式，其精度多依赖于电机参数的准确，因此随着电机参数的变化影响了控制的性能。
由此可知，对控制参数可变甚至未知的系统而言，如何可靠地估计未知参数，动态的计算系统参数，实时调整控制器本身参数，优化控制器的适应性，提高控制器在控制过程中的精度从而使异步电机达到良好的运行性能是当前电动车异步电机驱动控制迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动车异步电机的预估计控制方法，通过该方法对系统参数进行动态估计，实时调整控制器的控制参数，优化控制器的适应性，提高控制器在电机运行时的控制精度使电机达到良好的运行性能。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种电动车异步电机的预估计控制方法，其特征在于：控制器设定有电流参考值，然后根据存储在控制器里前一步的电机信息和控制器实时采样的信息实时估算出当前系统的系统参数和控制参数（这个参数表示系统的增益，或者系统的增益矩阵），根据估算得到的控制参数估算出电机的下一步输入电压，从而使电机的电流值跟上设定的参考值；所述根据估算得到的系统参数和控制参数计算下一步输入是通过公式                                                实现，其中，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE002
为下一步输入，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE003
为估算得到的当前的系统参数，b为系统的控制量增益，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE004
为系统的输出，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE005
为设定的参考值。
所述控制器根据电机的前一步信息估算出当前的系统参数
Figure 625805DEST_PATH_IMAGE003
，是通过公式
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE006
得到，其中，
Figure 480629DEST_PATH_IMAGE004
为系统的输出，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE007
是上一步控制器的输出，即电机的输入值，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE008
是上一步控制器的输入值，即电机的输出值。
所述控制器根据电机的当前信息估算出当前的控制参数b的步骤是，第一步得出电机系统的励磁环、转矩环和转速环的传递函数，第二步将所述电机系统的三个环的传递函数表示为
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE009
的形式，其中，Y（s）是电机系统的输出传递函数，U（s）为电机系统的输入传递函数；第三步根据电机的转速环、励磁环和转矩环的在第二步中的表达式确定为系统的控制量增益b。
所述第二步的传递函数
Figure 571950DEST_PATH_IMAGE009
中，励磁环、转矩环和转速环的各参数表示如下，
励磁环的参数：，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE012
； 
转矩环的参数：
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE015
； 
转速环的参数：
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE016
，，
Figure 219357DEST_PATH_IMAGE015
；
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为异步电机的转子电感, 
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE019
为异步电机的定子电感, 
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为异步电机的定子电感因数, 
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE021
为异步电机的转子电阻, 为异步电机的定子电阻, 
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE023
为电机的惯性系数, 
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为负载转矩。
所述控制器里存储的前一步的电机信息包括电机的电流、电压、转速；所述控制器实时采样的信息包括电机的电流和转速；所述设定的参考值为电机励磁环的励磁电流参考值、转矩环的转矩电流参考值或者转速环的期望转速值。
上述估算过程的具体步骤如下：
(1)、确定电机控制系统的表达式
基于空间电压矢量控制的异步电机，其内环（d环：励磁环，q环：转矩环）和外环(转速环)均为单输入单输出系统，所以可得系统的输入
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE025
和系统的输出
Figure DEST_PATH_IMAGE026
由下式表达：
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE027
    (1)
其中，a为系统参数；b为控制参数。
(2)、根据传递函数确定控制参数b
电机系统有其内环外环传递函数，其传递函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
      (2)
根据输入输出关系可以确定
Figure 2011104288090100002DEST_PATH_IMAGE029
为控制参数b。
(3)、确定系统参数a的估计值
根据步骤（1）确定的系统表达式来得到a的估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
       (3)
由于电机系统的启动初始输出和运行中的不确定干扰，可能导致
Figure DEST_PATH_IMAGE032
等于0。为了避免分母出现奇点，将对a估计法则进行如下修改：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
(4)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，并且是一个足够小的正实数。
(4)、确定系统输入
Figure DEST_PATH_IMAGE036
对于电机控制系统，控制目标是让系统输出跟上设定的参考值从而使系统能够稳定且高效运行。因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表达式定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
      (5)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为式(4)求得，为设定的系统参考值。
将(5)式代入(1)式可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
    (6)
那么，式(6)可以化简为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，即通过本控制方法实现了系统的输出值跟上设定值
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
本发明的有益效果如下：
本发明基于动态估计系统参数a，确定系统输入；考虑到异步电机在运行过程中随着温度等因素的变化导致系统参数变化的特性，该控制方法根据电机系统的前一步信息，实时计算系统参数，及时更新控制参数，调整输入，从而保证在电机的运行过程中控制器可以不断适应电机参数变化，提高对电机控制的精度使电机达到良好的运行性能。
附图说明
图1是本发明的程序流程图
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为控制算法的输入，系统的输出；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为控制算法的输出，系统的输入；记录控制算法的上一步输入值，系统的输出值；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
记录控制算法的上一步输出，系统的输入值；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为控制算法的控制参数；
Figure 683889DEST_PATH_IMAGE030
为控制算法估算的系统参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为控制算法中避免出现除零现象的死区范围。
图2是本发明用于异步电机的矢量控制系统图
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
是控制器中d环和q环的参考信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
是控制器的输入并且是电机系统的输出；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
是控制器的输出，同时也是电机系统的输入；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，是Park逆变换后两相静止坐标下的电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE059
是直流母线电压。
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，为三相电流。
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为Park变换后两相静止坐标下的电流；
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为磁链相角；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为观测器计算的磁链；
Figure DEST_PATH_IMAGE067
是外环的参考转速；为电机输出转速；
Figure DEST_PATH_IMAGE069
为期望转矩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
如图1所示，本发明按照该流程图实现整个预估计控制流程。
如图2所示，在本实施例中，利用具备本发明的控制器替代了传统的PI控制器，在异步电机矢量控制的外环（转速环）和内环（d环：转矩环，q环：励磁环）的PI控制器已经由本发明控制器替代。
1）、对d环分析，控制器的输入为：1、d环设定的电流参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE070
；2、d环的当前电流输出值
Figure DEST_PATH_IMAGE071
。控制器的输出为：电机系统d环的电压输入值。
首先，在控制器中，控制器根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
                  (7)
估算出当前电机系统参数
Figure DEST_PATH_IMAGE074
。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure DEST_PATH_IMAGE076
分别为上一步电机系统的d环电压输入和d环电流输出。
其次，根据d环的传递函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
                (8)
取得控制参数b=
Figure 390070DEST_PATH_IMAGE029
。
然后，根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
             (9)
计算出电机系统d环的输入电压
Figure 526654DEST_PATH_IMAGE072
。
最后，将
Figure 133216DEST_PATH_IMAGE072
作为控制器的输出进而输入给系统，达到对d环的控制目的。
2）、对q环分析，控制器的输入为：1、由磁链
Figure DEST_PATH_IMAGE079
和转速环输出的期望转矩
Figure DEST_PATH_IMAGE080
计算得出的q环设定的电流参考值
Figure 441094DEST_PATH_IMAGE052
；2、电机系统q环的当前电流输出值
Figure DEST_PATH_IMAGE081
。控制器的输出为：电机系统q环的电压输入值
Figure DEST_PATH_IMAGE082
。
首先，在控制器中，控制器根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
      (10)
估算出当前电机系统参数
Figure 70789DEST_PATH_IMAGE030
。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
和
Figure DEST_PATH_IMAGE085
分别为上一步电机系统的q环电压输入和q环电流输出。
其次，根据q环的传递函数：
                  (11)
取得控制参数b= 。
然后，根据公式：
       (12)
计算出电机系统q环的输入电压
Figure 7883DEST_PATH_IMAGE082
。
最后，将
Figure 375410DEST_PATH_IMAGE082
作为控制器的输出进而输入给系统，达到对q环的控制目的。
3）、对转速环分析，控制器的输入为：1、设定的转速参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE088
；2、电机系统转速环的当前转速输出值
Figure DEST_PATH_IMAGE089
。控制器的输出为：电机系统的期望转矩
Figure DEST_PATH_IMAGE090
。
首先，在控制器中，控制器根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE091
               (13)
估算出当前电机系统参数
Figure 866304DEST_PATH_IMAGE074
。其中，和分别为上一步电机系统的期望转矩输入和转速输出。
其次，根据转速环的传递函数：
                  (14)
取得控制参数b=
Figure 393624DEST_PATH_IMAGE029
。
然后，根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE095
  (15)
计算出电机系统的期望转矩
Figure DEST_PATH_IMAGE096
。
最后，将
Figure 912461DEST_PATH_IMAGE096
作为控制器的输出进而输入给系统，达到对转速环的控制目的。

Claims (4)

1.一种电动车异步电机的预估计控制方法，其特征在于：控制器设定有电流参考值，然后根据存储在控制器里前一步的电机信息和控制器实时采样的信息实时估算出当前系统的系统参数和控制参数，根据估算得到的控制参数估算出电机的下一步输入电压，从而使电机的电流值跟上设定的参考值；所述根据估算得到的系统参数和控制参数计算下一步输入是通过公式
Figure FDA0000400848450000011
实现，其中，u(k)为下一步输入，
Figure FDA0000400848450000012
为估算得到的当前的系统参数，b为系统的控制量增益，x(k)为系统的输出，x*(k+1)为设定的参考值。
2.根据权利要求1所述的预估计控制方法，其特征在于：所述控制器根据电机的前一步信息估算出当前的系统参数
Figure FDA0000400848450000013
是通过公式得到，其中，x(k)为系统的输出，u(k-1)是上一步控制器的输出，即电机的输入值，x(k-1)是上一步控制器的输入值，即电机的输出值。
3.根据权利要求1或2所述的预估计控制方法，其特征在于：所述控制器根据电机的当前信息估算出当前的控制参数b的步骤是：第一步得出电机系统的励磁环、转矩环和转速环的传递函数；第二步将所述电机系统的三个环的传递函数表示为
Figure FDA0000400848450000015
的形式，其中，Y（s）是电机系统的输出传递函数，U（s）为电机系统的输入传递函数；第三步根据电机的转速环、励磁环和转矩环的在第二步中的表达式确定b0为系统的控制量增益b；
所述第二步的传递函数
Figure FDA0000400848450000016
中，励磁环、转矩环和转速环的各参数表示如下，
励磁环的参数： b 0 = 1 δ * L s , a 0 = R s * R r L s * L r * δ , a 1 = 1 ;
转矩环的参数： b 0 = 1 δ * L s , a 0 = R s L s * δ + ( 1 - δ ) * R r δ * L r , a 1 = 1 ;
转速环的参数： b 0 = 1 J , a 0 = T L J , a 1 = 1 ;
其中：Lr为异步电机的转子电感,Ls为异步电机的定子电感,δ为异步电机的定子电感因数,Rr为异步电机的转子电阻,Rs为异步电机的定子电阻,J为电机的惯性系数,TL为负载转矩。
4.根据权利要求3所述的预估计控制方法，其特征在于：所述控制器里存储的前一步的电机信息包括电机的电流、电压、转速；所述控制器实时采样的信息包括电机的电流和转速；所述设定的参考值为电机励磁环的励磁电流参考值、转矩环的转矩电流参考值或者转速环的期望转速值。
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