CN102638214A - 基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法 - Google Patents

基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法 Download PDF

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CN102638214A CN2012101174355A CN201210117435A CN102638214A CN 102638214 A CN102638214 A CN 102638214A CN 2012101174355 A CN2012101174355 A CN 2012101174355A CN 201210117435 A CN201210117435 A CN 201210117435A CN 102638214 A CN102638214 A CN 102638214A
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潘月斗
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Abstract

本发明基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法根据母线电压和逆变器开关方式，求得三相相电流再经两相-三相变换装置变换后得到两相静止坐标系下电流再经旋转变换装置变换，之后滑模控制器根据将相关数据转化为
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
，再经旋转变换装置变换后得到
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
，再经两相-三相变换装置变换得到三相界面差，最好根据所得数据对电动机进行相应调整，本发明将滑模变结构的控制方法与矢量控制的控制方法结合改变原矢量控制中的滞环控制，即以给定转速与实际转速误差以及矢量变换来设计滑模变结构控制的滑模面，从而减少磁链和转矩脉动，从而使得电动汽车控制器在动、静态性能上都有明显提高。

Description

基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法
 
技术领域
本发明涉及电动汽车控制器领域，特别涉及基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法。
  
背景技术
矢量控制系统的运行工况是不断变化的, 永磁同步电动机又是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象, 这种基于经典控制理论的控制器, 在参数匹配良好的情况下可获得较好的性能, 但系统参数一旦发生变化, 或者负载转矩出现扰动, 将导致控制性能下降。而且，由于系统极点不能任意配置, 动态响应和抗扰能力不能得到很好的兼顾。
针对单一矢量控制存在的的缺陷，可采用滑模变结构的控制方法，滑模变结构控制的基本思想是通过对切换函数及其符号进行判别，通过不断的切换控制量来改变系统结构，使状态变量运动到事先设计好的空间切换面上，由于该控制方法对系统参数及扰动的变化反应迟钝，因此具有很强的鲁棒性，非常适合非线性系统，采用滑模变结构控制系统如果进入滑模状态后，系统参数扰动与外部干扰对系统无作用，系统的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其滑模面的参数，因此滑动模态是可以设计的，且与系统的参数变化及外部扰动无关，因此具有鲁棒性强、可靠性高的优点。
 
发明内容                        
针对以上问题，本发明将滑模变结构的控制方法与矢量控制的控制方法结合改变原矢量控制中的滞环控制，因为滞环控制本身就是一种有差的控制，不可避免的会产生较大的转矩脉动，而使用滑模变结构的控制算法来设计控制器，即以给定转速与实际转速误差以及矢量变换来设计滑模变结构控制的滑模面，从而减少磁链和转矩脉动，从而使得电动汽车控制器在动、静态性能上都有明显提高，为达此目的，本发明提供基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法，包括如下步骤：
1）根据母线电压和逆变器开关方式，求得三相相电流ia、ib、ic；
2）所求得三相相电流ia、ib、ic经两相-三相变换装置变换后得到两相静止坐标系下电流                                               
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE002
、；
3）所求得两相静止坐标系下电流
Figure 917612DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 409773DEST_PATH_IMAGE004
经旋转变换装置变换后得到
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE008
；
4）电动机经光码盘和速度计算装置得到电动机转子角速度ω；
5）滑模控制器将所得电动机转子角速度ω、给定角速度ω*、
Figure 776033DEST_PATH_IMAGE006
和转化为和
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE012
，所求得和
Figure 358956DEST_PATH_IMAGE012
经旋转变换装置变换后得到
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE016
，所求得
Figure 212511DEST_PATH_IMAGE014
和经两相-三相变换装置变换后得到三相界面差SA、SB和SC；
Figure 412472DEST_PATH_IMAGE010
和经旋转变换装置变换后得到
Figure 259391DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 204214DEST_PATH_IMAGE016
，具体运输如下:
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE018
                    （1），
之后运算过程中假设
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE020
，则静止两相坐标系下永磁同步电动机的数学模型可以重写如下：
     
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE022
      (2)，
定义式中
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE024
为两坐标系间的空间位置角即d 轴与α轴间夹角；
将反电势方程记为：
     
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE026
                             (3)，
将式(2)带入式(1)，从而式(1)可以简化为：
     
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE028
                  (4)，
用状态方程表示上式可得：
     
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE030
               (5)，
之后定义切换函数为：
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE032
，
式中  
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE034
                                               (6)，
定义静止坐标系下定子磁链状态方程为：
  
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE036
                                      (7)，
定义矩阵方程为：
     
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE038
                                                  (8)，
式中F,D—系数矩阵、U—控制律矩阵，其中：
    
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE040
                      (9)，
                       (10)，
式中控制律为：
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE044
                           (11)，
式中
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE052
为正常数；
再经过两相-三相变换装置变换后得到三相界面差SA、SB和SC，变化方程如下；
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE054
                                                （12），
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE056
                                                        （13）；
6）逆变器根据所得到三相界面差SA、SB和SC对电动机进行相应调整。
6）逆变器根据所得到三相界面差SA、SB和SC对电动机进行相应调整。
作为本发明一种改进，定义所述步骤5中开关函数
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE058
为：
,
上式中，i=1,2,为正常数,用连续函数代替常规滑模控制器中的开关函数，则可以有效地减小系统抖动。
本专利根据母线电压和逆变器开关方式，求得三相相电流再经两相-三相变换装置变换后得到两相静止坐标系下电流再经旋转变换装置变换，之后滑模控制器根据将相关数据转化为
Figure 52303DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 558633DEST_PATH_IMAGE012
，再经旋转变换装置变换后得到
Figure 58884DEST_PATH_IMAGE014
和，再经两相-三相变换装置变换得到三相界面差，最好根据所得数据对电动机进行相应调整，本专利通过将滑模变结构的控制方法与矢量控制的控制方法结合，从而既可弥补传统的电动车矢量控制控制对于不确定因素引起的误差不能及时控制的缺陷，又能减小其磁链和转矩的脉动，从而使得电动汽车控制器在动、静态性能上都有明显提高。
                                                    
附图说明
图1是本发明控制框图；
图2是本发明主程序框图；
图3是本发明SVPWM处理程序框图；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对发明做详细的说明：
本发明将滑模变结构的控制方法与矢量控制的控制方法结合改变原矢量控制中的滞环控制，因为滞环控制本身就是一种有差的控制，不可避免的会产生较大的转矩脉动，而使用滑模变结构的控制算法来设计控制器，即以给定转速与实际转速误差以及矢量变换来设计滑模变结构控制的滑模面，从而减少磁链和转矩脉动，从而使得电动汽车控制器在动、静态性能上都有明显提高。
作为本发明一种具体实施例，本专利基于滑模变结构的永磁同步电机矢量控制结构框图如图1所示，其具体工作步骤如下：
1）根据母线电压和逆变器开关方式，求得三相相电流ia、ib、ic；
2）所求得三相相电流ia、ib、ic经两相-三相变换装置变换后得到两相静止坐标系下电流
Figure 76705DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 190154DEST_PATH_IMAGE004
；
3）所求得两相静止坐标系下电流
Figure 676237DEST_PATH_IMAGE002
、经旋转变换装置变换后得到
Figure 86676DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 433344DEST_PATH_IMAGE008
；
4）电动机经光码盘和速度计算装置得到电动机转子角速度ω；
5）滑模控制器将所得电动机转子角速度ω、给定角速度ω*、所求得
Figure 409652DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 437651DEST_PATH_IMAGE008
转化为和，所求得
Figure 895680DEST_PATH_IMAGE010
和经旋转变换装置变换后得到和
Figure 753061DEST_PATH_IMAGE016
，所求得
Figure 202497DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 634616DEST_PATH_IMAGE016
经两相-三相变换装置变换后得到三相界面差SA、SB和SC；
和
Figure 886048DEST_PATH_IMAGE012
经旋转变换装置变换后得到
Figure 557200DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 793010DEST_PATH_IMAGE016
，具体运输如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
                    （1），
之后运算过程中假设
Figure 489177DEST_PATH_IMAGE020
，则静止两相坐标系下永磁同步电动机的数学模型可以重写如下：
     
Figure 519450DEST_PATH_IMAGE022
      (2)，
定义式中
Figure 615582DEST_PATH_IMAGE024
为两坐标系间的空间位置角即d 轴与α轴间夹角；
将反电势方程记为：
                                  (3)，
将式(2)带入式(1)，从而式(1)可以简化为：
     
Figure 818472DEST_PATH_IMAGE028
                  (4)，
用状态方程表示上式可得：
     
Figure 19647DEST_PATH_IMAGE030
               (5)，
由于滑模变结构控制系统的运行过程是通过对切换函数s 符号判别，其通过不断切换控制量可以改变系统结构，以使系统状态变量运动到事先设计好的空间切换面s = 0上，然后系统沿切换面运动，故定义如下切换函数：
Figure 665392DEST_PATH_IMAGE032
，
式中  
Figure 915107DEST_PATH_IMAGE034
                                               (6)，
定义静止坐标系下定子磁链状态方程为：
  
Figure 962698DEST_PATH_IMAGE036
                                      (7)，
定义矩阵方程为：
     
Figure 850886DEST_PATH_IMAGE038
                                                  (8)，
式中F,D—系数矩阵、U—控制律矩阵，其中：
    
Figure 983928DEST_PATH_IMAGE040
                      (9)，
Figure 99651DEST_PATH_IMAGE042
                       (10)，
式中控制律为：
Figure 939431DEST_PATH_IMAGE044
                           (11)，
式中
Figure 482408DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 338631DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 258045DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 14649DEST_PATH_IMAGE052
为正常数；
再经过两相-三相变换装置变换后得到三相界面差SA、SB和SC，变化方程如下；
                                                （12），
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
                                                        （13）；
其中(13)式中
Figure 414013DEST_PATH_IMAGE058
为开关函数，本专利滑模控制系统在正常运动阶段具有良好的动态品质，选取合适的指数趋近律来设计滑模控制器，即可获得电压控制律，其中
Figure 521646DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 480637DEST_PATH_IMAGE048
、、
Figure 179788DEST_PATH_IMAGE052
为正常数，若选择较大的和较小的
Figure 770356DEST_PATH_IMAGE048
，若系统在离切换面越远处趋近切换面时，选择
Figure 740367DEST_PATH_IMAGE046
使得
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE064
越大，则
Figure 2012101174355100002DEST_PATH_IMAGE066
趋近切换面的速度越快，从而能有效加快正常运动段的动态响应过程；若系统在离切换面越近处趋近切换面时，选择
Figure 186260DEST_PATH_IMAGE046
使得
Figure 940590DEST_PATH_IMAGE064
越小，则
Figure 241383DEST_PATH_IMAGE066
趋近切换面速度越慢，从而能有效减小滑模切换时引起的系统抖动。这样，用指数趋近律设计出的滑模控制器就能根据切换函数据切换面的距离远近自动调节趋近速度，从而有效地保证了系统正常运行段的动态品质，同时也能有效地减小滑模切换时的系统抖动。
本专利滑模变结构控制系统在运行过程中是通过此对切换函数s及符号的进行判别的，通过不断切换控制量来改变系统结构，以使系统状态变量运动到事先设计好的空间切换面s=0上，然后系统沿切换面运动。
所述开关函数
Figure 889402DEST_PATH_IMAGE058
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE060A
,
上式中，i=1,2,
Figure 942416DEST_PATH_IMAGE062
为正常数,
Figure 980779DEST_PATH_IMAGE062
为正常数，在实际控制中若
Figure 583798DEST_PATH_IMAGE062
选取过小，则对减小系统抖振不利；若
Figure 289586DEST_PATH_IMAGE062
选取过大，则影响系统正常段的运行品质，动态响应缓慢，所以实际操作中应该综合
Figure 188534DEST_PATH_IMAGE062
过大过小这两种情况选择，本专利通过用连续函数代替常规滑模控制器中的开关函数，则可以有效地减小系统抖动。
6）逆变器根据所得到三相界面差SA、SB和SC对电动机进行相应调整。
本发明控制器的主处理芯片可选用TI公司的DSP2812，用IPM智能功率模块驱动电机，具体主程序框图如图2，包括初始化阶段和循环等待中断阶段两个阶段。
工作开始后，先进行初始化阶段，在初始化阶段中首先封锁PWM输出，之后判断主电路是否工作正常，若否继续判断，若是则系统主电路开始定义功能引脚，初始化A/D，I/O口、PWM口、QEP口等，之后屏蔽DSP中断，对转子位置、各种参数、DSP寄存器进行初始化，初始化CPU中断、并对中断向量表、定时器1设置、定时器2设置、QEP设置，之后再初始化各种变量，各种计算模块、调节模块、坐标变换模块等，然后打开DSP中断和故障中断，进入循环等待中断阶段，判断主电路是否工作正常，如是继续正常工作，若否封锁PWM输出重新进行循环。
本专利主程序中初始化阶段可以看成是电机的启动过程，因此转速给定值不宜过大，待程序进入下一阶段后即可进行正常的调速、运行状态。
本专利主程序中循环等待中断阶段中定时器的中断服务程序是控制程序的核心部分，其作用是在每个周期内选择正确的空间电压矢量并转换为PWM开关信号控制逆变器的开关，实现本专利所要求的控制算法。
本专利主程序中循环等待中断阶段中故障中断是所有中断中优先级最高的，一旦发生故障，中断服务程序就会将封锁PWM的输出，进而停机。
本专利处理程序框图则如图3所示；
开始工作后，首先确定电压矢量所在的扇区，计算导通时间再计算矢量位置，再根据扇区设置定时器，再确定占空比，最后根据各相位置分配导通时间分配占空比，此时定时器会产生一定频率的三角波载波，通过在算法中更新比较单元的寄存器CMPM1、CMPR2 和CMPR3，产生相应的PWM输出电平，从而获得3相共6路互补的PWM波，并为PWM寄存器赋值。
本专利根据母线电压和逆变器开关方式，求得三相相电流再经两相-三相变换装置变换后得到两相静止坐标系下电流再经旋转变换装置变换，之后滑模控制器根据将相关数据转化和
Figure 618882DEST_PATH_IMAGE012
，再经旋转变换装置变换后得到
Figure 187266DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 958477DEST_PATH_IMAGE016
，再经两相-三相变换装置变换后得到三相界面差再对电动机进行相应调整，其通过将滑模变结构的控制方法与矢量控制的控制方法结合，从而既可弥补传统的电动车矢量控制控制对于不确定因素引起的误差不能及时控制的缺陷，又能减小其磁链和转矩的脉动，从而使得电动汽车控制器在动、静态性能上都有明显提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）根据母线电压和逆变器开关方式，求得三相相电流ia、ib、ic；
2）所求得三相相电流ia、ib、ic经两相-三相变换装置变换后得到两相静止坐标系下电流                                               、；
3）所求得两相静止坐标系下电流
Figure 11364DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 990821DEST_PATH_IMAGE004
经旋转变换装置变换后得到
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE008
；
4）电动机经光码盘和速度计算装置得到电动机转子角速度ω；
5）滑模控制器将所得电动机转子角速度ω、给定角速度ω*、
Figure 895192DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 854183DEST_PATH_IMAGE008
转化为
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE012
，所求得
Figure 855506DEST_PATH_IMAGE010
和经旋转变换装置变换后得到
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE016
，所求得和
Figure 891705DEST_PATH_IMAGE016
经两相-三相变换装置变换后得到三相界面差SA、SB和SC；
Figure 124366DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 180046DEST_PATH_IMAGE012
经旋转变换装置变换后得到
Figure 934376DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 733704DEST_PATH_IMAGE016
，具体运输如下:
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE018
                    （1），
之后运算过程中假设
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE020
，则静止两相坐标系下永磁同步电动机的数学模型可以重写如下：
           (2)，
定义式中
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE024
为两坐标系间的空间位置角即d 轴与α轴间夹角；
将反电势方程记为：
     
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE026
                             (3)，
将式(2)带入式(1)，从而式(1)可以简化为：
     
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE028
                  (4)，
用状态方程表示上式可得：
     
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE030
               (5)，
之后定义切换函数为：
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE032
，
式中  
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE034
                                               (6)，
定义静止坐标系下定子磁链状态方程为：
  
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE036
                                      (7)，
定义矩阵方程为：
     
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE038
                                                  (8)，
式中F,D—系数矩阵、U—控制律矩阵，其中：
    
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE040
                      (9)，
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE042
                       (10)，
式中控制律为：
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE044
                           (11)，
式中
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE046
、、、
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE052
为正常数；
再经过两相-三相变换装置变换后得到三相界面差SA、SB和SC，变化方程如下；
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE054
                                                （12），
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE056
                                                        （13）；
6）逆变器根据所得到三相界面差SA、SB和SC对电动机进行相应调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于滑模变结构模型算法大功率电动汽车控制器的加工方法，其特征在于，定义所述步骤5中开关函数为：
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE060
,
上式中，i=1,2,
Figure 2012101174355100001DEST_PATH_IMAGE062
为正常数。
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