CN102611368A - 基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法，实现对永磁同步电机的直接转矩控制系统的速度环进行有效调节。首先检测逆变器输出的三相电流、电压和逆变器直流母线电压，经过转矩、磁链和θ计算单元，得到当前状态下的电磁转矩、定子磁链和定子磁链所处扇区θ，速度环采用的是分数阶PI^λD^μ控制，计算出的磁链和转矩，分别与给定磁链和经分数阶调节器输出给定转矩信号进行比较，输出当前磁链转矩误差状态，并与磁链所在扇区共同决定所要选择的电压矢量，进而确定逆变器的开关状态，控制永磁同步电机运行。本发明具有结构简单、思想新颖和响应迅速等特点，速度环中采用的分数阶PI^λD^μ控制具有控制范围宽、精度高、响应快等优点。

Description

基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法

技术领域

本发明属于交流电机传动技术领域，涉及一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法。

背景技术

能源环境问题和汽车工业面临的金融危机，使得电动汽车的研究得到了各国的广泛关注。电动汽车除了在能源环保和节能方面显示出优越性和强大的竞争力外，在车辆性能方面也显示出巨大的优势。电动汽车的转矩响应迅速、加速快、比燃油汽车高出2个数量级，电机可分散配置，通过线传电子控制技术直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向；电动汽车将成为汽车发展的一种趋势和必然。

电动机和驱动控制系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽，转速高，启动转矩大，体积小，质量小，效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。永磁同步电机系统具有绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器，具有较高的能量密度和效率，体积小，惯性低，响应快，非常适用于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。同时，我国拥有丰富的稀土资源，国内的永磁材料的成本有望降低，从而永磁同步电机相比于其他类电机在价格方面也将占有绝对的优势。

永磁同步电机的直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一种高性能控制技术。它摒弃了矢量控制的解耦思想，直接对电机的定子磁链和转矩进行控制，具有结构简单，控制直接，动态响应快的特点。但是作为一种新兴的控制方式，直接转矩控制存在磁链和转矩脉动严重，低速性能差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法，实现永磁同步电机控制器的强的鲁棒性、高的稳定性和稳态精度的同时，达到控制电机运转时的快速性和强的抗负载扰动能力。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统，包括转矩磁链观测器、扇区判断单元、开关状态信号选择单元、转速检测单元、分数阶调节器、磁链滞环控制器、转矩滞环控制器、零矢量选择单元、逆变器，以及第一、第二和第三运算单元；其中，所述转矩磁链观测器通过坐标转换单元连接在永磁同步电机的输出端，所述转速检测单元连接在永磁同步电机的输出端，所述转速检测单元的输出端通过第一运算单元连接在分数阶调节器的输入端；所述转矩磁链观测器的输出端连接在所述扇区判断单元的输入端，所述扇区判断单元的输出端连接所述开关状态信号选择单元；所述转矩磁链观测器的输出端同时连接在第二运算单元和第三运算单元的输入端，其中，所述第二运算单元的输出端连接在磁链滞环控制器的输入端，所述第三运算单元的输出端分别连接在转矩滞环控制器的输入端和零矢量选择单元的输入端；所述磁链滞环控制器的输出端、转矩滞环控制器的输出端以及零矢量选择单元的输出端分别连接在开关状态信号选择的输入端；所述开关状态信号选择单元的输出端通过逆变器与所述永磁同步电机的输入端相连。

作为本发明的优选实施例，所述分数阶调节器的传递函数为：G_fc(s)＝K_P+K_is^-λ+K_ds^μ，其中，0＜λ≤1，0＜μ≤1，K_P为比例增益，K_i为积分系数，K_D为微分系数，λ为积分阶次，μ为微分阶次；

一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，首先将永磁同步电机的电流和电压信号转为电机的转矩和磁链信号，接着，通过磁链信号确定其所在扇区；同时，永磁同步电机的转速经与设定转速比较后通过分数阶调节器转为转矩；接着，所述分数阶调节器输出的转矩与电机的实际转矩经比较后得到转矩环，所述电机的磁链与设定的磁链比较后得到磁链环，最后通过磁链环、转矩环、磁链所在扇区，以及零矢量选择单元对永磁同步电机进行控制。

作为本发明的优选实施例，所述永磁同步电机的电流和电压信号转为电机的转矩和磁链信号前，首先将电流和电压信号由三相静止坐标系转到二相静止坐标系；

作为本发明的优选实施例，通过磁链信号确定其所在扇区时，是通过磁链信号在二相静止坐标系下的两个分量进行确定的；

作为本发明的优选实施例，对永磁同步电机进行控制的具体方法为：首先通过磁链环、转矩环、磁链所在扇区，以及零矢量选择单元在开关状态选择单元内生成6路PWM波，然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，从而实现对永磁同步电机的控制。

一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

(1)永磁同步电机定子的电流和电压信号经坐标转换单元由三相静止坐标系转到二相静止坐标系，然后，该二相静止坐标系内的电流和电压信号经计算转化为电机的转矩和磁链，该磁链和转矩被转矩磁链观测器观测到，接着，电机的磁链在二相静止坐标系下的两个分量经扇区判断单元确定其所在扇区；

(2)转矩磁链观测器得到的电机磁链经与设定的磁链进行比较后，得到二者的磁链差值，该磁链差值经磁链滞环控制器调节至允许的误差范围内；

(3)永磁同步电机转子的转速信号经转速检测单元检测到后，与设定的转速进行比较，得到二者的转矩差值，该转矩差值经分数阶调节器得到计算转矩，然后，该计算转矩与步骤(1)转矩磁链观测器中得到的电机转矩进行比较，得到转矩差值，接着，该转矩差值通过转矩滞环控制器将其调节至允许的误差范围，同时，该转矩差值输出到与其连接的零矢量选择单元；

(4)步骤(1)确定的电机磁链的两个分量所在的扇区、步骤(2)得到的磁链误差信号、步骤(3)得到的转矩误差信号，以及零矢量选择单元同时通过开关选择信号选择单元生成6路PWM波，然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，从而实现对永磁同步电机电流、电压和转速的控制。

本发明基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统至少具有以下优点：

(1)本发明对电动汽车用永磁同步电机采用直接转矩控制方法，该方法摒弃了空间矢量控制中的解耦思想，直接对电机的磁链和转矩进行控制，并用定子磁链定向代替转子磁链定向，减小了对电机参数的依赖。永磁同步电机的直接转矩控制方法思想新颖、结构简单、手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制系统转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速技术。

(2)本发明对电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制中速度环中传统的整数阶PID控制进行控制方法的改善，传统整数阶PID控制是分数阶PI^λD^μ，控制时λ＝1和μ＝1的特例，分数阶PI^λD^μ控制则为一般形式。与整数阶PID控制器相比，分数阶PI^λD^μ控制器在系统中具备较好的动、静态性能，并且具有较强的鲁棒性；其时域性能明显优于后者，它的响应速度快，超调量小，调节时间短，而且当控制系统参数发生变换时，前者已经不稳定，而后者仍能保持较好的稳定性。

(3)本发明对永磁同步电机控制系统的数学模型的精确性要求不高，对系统的参数的不确定性或变化、外界因素的扰动不敏感并且具有自适应性、灵活的结构和较强的鲁棒性，在对永磁同步电机等效直流控制过程中得到更优的动、静态特性。

附图说明

图1为本发明基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统的原理框图；

图2为本发明速度环中分数阶PI^λD^μ控制的内部模型图；

图3为整数阶PID控制器的控制范围图；

图4为分数阶PI^λD^μ控制器的控制范围图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法做详细描述：

如图1所示：本发明基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统包括转矩磁链观测器、扇区判断单元、开关状态信号选择单元、转速检测单元、分数阶调节器、磁链滞环控制器、转矩滞环控制器、零矢量选择单元、逆变器，以及第一、第二和第三运算单元。其中，所述转矩磁链观测器通过坐标转换单元连接在永磁同步电机的输出端，以对永磁同步电机的电流和电压进行检测，所述转速检测单元连接在永磁同步电机的输出端，以对永磁同步电机的转速进行检测，所述转速检测单元的输出端通过第一运算单元连接在分数阶调节器的输入端；所述转矩磁链观测器的输出端连接所述扇区判断单元，所述扇区判断单元的输出端连接所述开关状态信号选择单元；所述转矩磁链观测器的输出端同时还连接在第二运算单元和第三运算单元的输入端，其中，所述第二运算单元的输出端连接在磁链滞环控制器的输入端，所述第三运算单元的输出端分别连接在转矩滞环控制器的输入端和零矢量选择单元的输入端；所述磁链滞环控制器的输出端、转矩滞环控制器的输出端以及零矢量选择单元的输出端分别连接在开关状态信号选择的输入端；所述开关状态信号选择单元的输出端连接在所述逆变器的输入端；所述逆变器的输出端与所述永磁同步电机的输入端相连用以控制永磁同步电机的电流和电压。

下面对本发明基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法进行详细描述：

一种基于分数阶PI^λD^μ的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

(1)永磁同步电机定子的电流和电压在坐标转换单元内从三相静止坐标系(即a-b-c坐标系)转换到两相静止坐标系(即α-β坐标系)，然后输出端到转矩磁链观测器内，通过转矩和磁链观测器得到电机的转矩和磁链(电机的转矩和磁链可以通过定子的电流和电压计算得到)，接着，电机的磁链在两相静止坐标系下的两个分量ψ_Sα，ψ_Sβ被输入到扇区判断单元内，以判断出磁链所在扇区θ，然后，将该磁链所在扇区θ输出到开关状态信号选择单元中；

(2)通过转矩磁链观测器得到的磁链被输出到第二运算单元中，并与给定的磁链进行比较，得到二者的磁链差值，然后，将该磁链差值输入到磁链滞环控制器内，判断该差值是否在允许的误差范围之内，如果是，则直接将该差值输出到开关状态信号选择单元内，如果不是，则对该差值进行调节直至该差值为允许的范围，然后再将调节后的误差输出到开关状态信号选择单元内；

(3)通过转速检测单元得到永磁同步电机转子的转速，然后将该转速输入到第一运算单元中，第一运算单元将该转速与设定的转速进行比较后得到转速的实际误差，接着，该转速的实际误差经过分数阶调节器得到计算转矩，接着，该计算转矩在第三运算单元内与从转矩磁链观测器中得到的实际转矩进行比较后，得到转矩误差，该转矩误差同时输入到转矩滞环控制器和零矢量选择单元内，其中，转矩滞环控制判断输入的转矩误差是否在其允许的范围之内，如果是，则直接将该误差输出到开关状态信号选择单元内，如果不是，则对该误差进行调节直至该误差为允许的范围，然后再将调节后的误差输出到开关状态信号选择单元内；所述零矢量选择单元根据该转矩误差得到零电压矢量作用时间(做什么？请补充目的是为了发挥零电压矢量对减少转矩脉动的调节作用)；

(4)开关状态信号选择单元根据输入的磁链误差、转矩误差、零电压矢量作用时间，以及电机磁链所在扇区生成6路PWM波，接着，该PWM波被输入到逆变器内，以控制逆变器开关的导通，从而实现对永磁同步电机电流、电压和转速的控制。

本发明分数阶PI^λD^μ控制主要实现从速度到转矩之间的变化，利用永磁同步电机自带的光电编码器可以计算出电机转子的转速，通过分数阶PI^λD^μ得到计算转矩，与经转矩和磁链观测器求得的转矩进行比较，通过转矩滞环控制器得到转矩误差信号T_Q，给定的磁链与经转矩和磁链观测器求得的磁链通过磁链滞环控制器得到磁链误差信号ψ_Q，误差信号、零矢量选择单元及扇区信号θ通过开关状态信号选择产生6路PWM波控制逆变器开关的导通从而实现对永磁同步电机的正弦波控制。

本发明把分数阶PI^λD^μ引入到电动汽车用永磁同步电机的直接转矩控制的闭环控制中的速度环，通过选择适当的参数λ、μ(λ(积分阶次)、μ(微分阶次)的物理含义)，可以获得理想的控制效果。通过仿真和实验可以得出以下结论：

(1)在μ值不变时，随着λ值的增大，电机控制性能得到提高，超调量明显减小，调节时间变短，静差变小。但如果λ过大，会引起系统震荡。

(2)在λ值不变时，增大μ值，能改善系统的动态品质，调节时间缩断，超调量减小，但μ值过大会引起系统的不稳定。若μ值过小或过大，都会导致系统振荡。通过反复实验调试，从而得到λ、μ的合适取值。

图2为本发明按微积分阶次分的控制器内部结构。与整数阶PID控制器相似，分数阶PI^λD^μ控制器的传递函数为：

G_fc(s)＝K_P+K_is^-λ+K_ds^μ    0＜λ≤1      0＜μ≤1

其中，K_P-比例增益，K_i-积分系数，K_D-微分系数，λ-积分阶次，μ-微分阶次。

由式(1)可知：当λ＝0、μ＝0时，G_fc(s)＝K_P为整数阶P控制器；当λ＝0、μ＝1时，G_fc(s)＝K_P+K_ds为整数阶PD控制器；当λ＝1、μ＝0时，G_fc(s)＝K_P+K_is^-1为整数阶PI控制器；当λ＝1、μ＝1时，G_fc(s)＝K_P+K_is^-1+K_ds为整数阶PID控制器。分数阶PI^λD^μ控制器比传统整数阶PID控制器多出了2个任意实数的参量λ、μ。假设0＜λ≤1，0＜μ≤1，则控制器的阶次λ和μ可以在图3中的阴影区域内任意取值，分数阶PI^λD^μ控制器分布扩展为面域，从而控制器的调节范围更广，适应性更好。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在于：包括转矩磁链观测器、扇区判断单元、开关状态信号选择单元、转速检测单元、分数阶调节器、磁链滞环控制器、转矩滞环控制器、零矢量选择单元、逆变器，以及第一、第二和第三运算单元；其中，所述转矩磁链观测器通过坐标转换单元连接在永磁同步电机的输出端，所述转速检测单元连接在永磁同步电机的输出端，所述转速检测单元的输出端通过第一运算单元连接在分数阶调节器的输入端；所述转矩磁链观测器的输出端连接在所述扇区判断单元的输入端，所述扇区判断单元的输出端连接所述开关状态信号选择单元；所述转矩磁链观测器的输出端同时连接在第二运算单元和第三运算单元的输入端，其中，所述第二运算单元的输出端连接在磁链滞环控制器的输入端，所述第三运算单元的输出端分别连接在转矩滞环控制器的输入端和零矢量选择单元的输入端；所述磁链滞环控制器的输出端、转矩滞环控制器的输出端以及零矢量选择单元的输出端分别连接在开关状态信号选择的输入端；所述开关状态信号选择单元的输出端通过逆变器与所述永磁同步电机的输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述分数阶调节器的传递函数为：G_fc(s)＝K_P+K_is^-λ+K_ds^μ，其中，0＜λ≤1，0＜μ≤1，K_P为比例增益，K_i为积分系数，K_D为微分系数，λ为积分阶次，μ为微分阶次。

3.一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：首先将永磁同步电机的电流和电压信号转为电机的转矩和磁链信号，接着，通过磁链信号确定其所在扇区；同时，永磁同步电机的转速经与设定转速比较后通过分数阶调节器转为转矩；接着，所述分数阶调节器输出的转矩与电机的实际转矩经比较后得到转矩环，所述电机的磁链与设定的磁链比较后得到磁链环，最后通过磁链环、转矩环、磁链所在扇区，以及零矢量选择单元对永磁同步电机进行控制。

4.如权利要求3所述的一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述永磁同步电机的电流和电压信号转为电机的转矩和磁链信号前，首先将电流和电压信号由三相静止坐标系转到二相静止坐标系。

5.如权利要求4所述的一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述通过磁链信号确定其所在扇区时，是通过磁链信号在二相静止坐标系下的两个分量进行确定的。

6.如权利要求3所述的一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：对永磁同步电机进行控制的具体方法为：首先通过磁链环、转矩环、磁链所在扇区，以及零矢量选择单元在开关状态选择单元内生成6路PWM波，然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，从而实现对永磁同步电机的控制。

7.一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)永磁同步电机定子的电流和电压信号经坐标转换单元由三相静止坐标系转到二相静止坐标系，然后，该二相静止坐标系内的电流和电压信号经计算转化为电机的转矩和磁链，该磁链和转矩被转矩磁链观测器观测到，接着，电机的磁链在二相静止坐标系下的两个分量经扇区判断单元确定其所在扇区；

(2)转矩磁链观测器得到的电机磁链经与设定的磁链进行比较后，得到二者的磁链差值，该磁链差值经磁链滞环控制器调节至允许的误差范围内；

(3)永磁同步电机转子的转速信号经转速检测单元检测到后，与设定的转速进行比较，得到二者的转矩差值，该转矩差值经分数阶调节器得到计算转矩，然后，该计算转矩与步骤(1)转矩磁链观测器中得到的电机转矩进行比较，得到转矩差值，接着，该转矩差值通过转矩滞环控制器将其调节至允许的误差范围，同时，该转矩差值输出到与其连接的零矢量选择单元；

(4)步骤(1)确定的电机磁链的两个分量所在的扇区、步骤(2)得到的磁链误差信号、步骤(3)得到的转矩误差信号，以及零矢量选择单元同时通过开关选择信号选择单元生成6路PWM波，然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，从而实现对永磁同步电机电流、电压和转速的控制。

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