CN103337997B - 一种电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统及方法，其对永磁同步电机速度环进行控制。通过采集期望速度与实际速度的速度差值e，将差值使用小波进行多分辨率分解，对分解得到的不同时域和频域范围内的e的值进行处理，得到电机速度控制输出u。所提出的基于永磁同步电机矢量控制系统的小波多分辨率的复合控制系统在速度控制中采用复合控制模块具有分辨率高，灵敏度高，调整范围广的特点。本发明具有结构简单、思想新颖和响应迅速等优点。

Description

一种电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统及方法

技术领域

本发明属于交流电机传动技术领域，涉及一种基于小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制的电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统及方法。

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。

永磁同步电机本身就是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此很难对这样一个复杂的系统进行精确的目标化控制。20世纪70年代初，德国学者F．Blaschke等人提出了矢量控制原理，针对交流电机这个强耦合的控制对象，采用参数重构的现代控制理论来解耦，进行矢量变换，仿照直流调速原理，使交流调速系统的动、静态性能达到直流调速的水平。对于表贴式的永磁同步电机一般采用直轴电流id=0的方法进一步对永磁同步电机进行线性化解耦。目前，永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统普遍采用速度和电流双闭环控制方法，对速度的控制大部分利用传统的PID控制器，传统PID控制虽然原理简单，鲁棒性、稳定性好，但是快速性和抗干扰的能力非常有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统及方法，能够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。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统，包括三相逆变器，所述三相逆变器的三路输出接入永磁同步电机，所述永磁同步电机连接有转速位置检测模块，所述转速位置检测模块连接有误差比较模块、Park逆变换模块和Park变换模块；所述误差比较模块的输出端连接有复合控制调节模块的输入端，所述复合控制调节模块的输出端连接有第一比较模块；所述第一比较模块输出端连接有第一PI调节模块；所述第二比较模块输出端连接有第二PI调节模块；所述第一PI调节模块和第二PI调节模块的输出端连接Park逆变换模块的输入端所述Park逆变换模块输出端连接有电压矢量脉宽调制模块；所述电压矢量脉宽调制模块的输出端连接有三相逆变器；；所述三相逆变器输出端连接有永磁同步电机；所述Clark变换模块的输入端与三相逆变器的输出端连接；所述Clark变换模块的输出端连接有Park变换模块；所述Park变换模块的输出端连接有第一比较模块和第二比较模块；所述复合控制调节模块一方面对来自误差比较模块的误差信号e进行小波多分辨率分解，对得到的各个不同频段的小波信号取最新值进行加权，然后求和得求和值，另一方面对所述误差信号e进行积分处理，然后把得到的积分值与求和值进行求和作为输出值对永磁同步电机速度环进行控制。

进一步，上述复合控制调节模块包括小波多分辨率分解模块、数学处理模块、第一求和模块、第二求和模块和积分模块；所述小波多分辨率分解模块的输出端连接多个并联的数学处理模块，各数学处理模块的输出端均连接至第一求和模块的输入端，第一求和模块的输出端连接至第二求和模块的输入端；所述积分模块的输出端连接至第二求和模块的输入端，积分模块的输入端与小波多分辨率分解模块的输入端均连接至所述误差比较模块。

进一步，上述数学处理模块包括死区模块、数字处理模块、加权模块；所述数学处理模块的输入端与小波多分辨率分解模块的输出端相连接；所述死区模块输出端连接有数字处理模块；所述数字处理模块的输出端连接有加权模块；所述各数学处理模块中的加权模块与第一求和模块输入端连接；对于经由小波多分辨率分解模块得到的各个不同频段的信号数组首先输入死区模块，然后在数字处理模块中按照控制要求取值，并对取得的值进行加权处理，然后输出给第一求和模块。

进一步，上述复合控制调节模块采用的主控芯片为TMS320LF28335数字处理芯片。

进一步，上述的Clark变换模块与三相逆变器的两相输出相连。

上述Park变换模块与所述Park逆变换模块相连，所述转速位置检测模块与Park变换模块、Park逆变换模块分别相连。

本发明还提出一种基于上述电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1）通过转速位置检测模块采集永磁同步电机的实时速度，输入至误差比较模块，误差比较模块将设定转速值与实时速度进行比较，得到转速差值e；

2）转速差值e的处理

（A）误差比较模块将转速差值e输入到复合控制调节模块中，通过复合控制调节模块设置好的小波函数种类、小波函数阶数，以及小波多分辨率分解的层数，利用小波函数对转速差值进行小波多分辨率分析,得到转速差值在不同频域和时域状态下的系数组e_i；对分解得到的不同频域和时域下的小波函数系数组e_i，分别进行加权处理，得到处理后的系数组e'_i，并将各组处理结果累加，得到Σe'_i，得到第一求和模块的输出；

（B）在进行（A）步的同时，积分模块对转速差值e进行积分处理，并与第一求和模块的输出相加，得到复合控制调节模块的输出值；

3）将复合控制调节模块的输出值输入至第一比较模块；Clark变换模块对三相逆变器的AB相电流值进行处理得到I_α、I_β将I_α、I_β输入至Park变换模块，经Park变换模块处理得到的输出值I_q、I_d，将I_q、I_d分别输入到第一比较模块和第二比较模块；第一比较模块将来自复合控制调节模块的输出值与来自于Park变换模块的输出值I_q相减，将这二者的差值作为第一比较模块的输出值；第二比较模块将程序设定值与由来自于Park变换模块的输出值I_d相减，将这二者的差值作为第二比较模块的输出值；

4）将第一比较模块的输出值输入至第一PI调节模块，将第二比较模块的输出值输入至第二PI调节模块；在第一和第二PI调节模块中，分别进行PI处理之后，将第一PI调节模块和第二PI调节模块的输出同时输入Park逆变换模块；

5）Park逆变换模块在得到第一和第二PI调节模块的输入，以及由转速位置检测模块提供的电压矢量位置角后，把得到数值的进行Park逆变换处理，然后将逆变换后得到的数值，作为输出值，输出至电压矢量脉宽调制模块；

6）电压矢量脉宽调制模块在得到Park逆变换模块的输出后，经过电压矢量脉宽调制算法，判断当前实时电压矢量所在扇区，计算基本电压矢量作用时间，生成6路PWM波，然后然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，使三相逆变器输出有规律的U_A、U_B、U_C,从而实现对永磁同步电机的控制；

7）Clark变换模块在得到三相逆变器输出的U_A、U_B后，将U_A、U_B电压信号作为输入值输入到Clark变换模块进行Clark变换处理，处理得到的数值作为输出，输入到Park变换模块中；

8）转速位置检测模块检测永磁同步电机的速度以及电压矢量位置角；并把电压矢量位置角提供给Park变换模块、Park逆变换模块，把实时速度提供给误差比较模块；

9）Park变换模块在得到由Clark变换模块输出的数值和由转速位置检测模块提供的电压矢量位置角后，经过Park变换处理，将处理后得到的I_q、I_d,将I_q、I_d分别输入到第一比较模块和第二比较模块。

本发明基于基于小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制的电动汽车用永磁同步电机矢量控制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永磁同步电机的矢量控制，采用了基于小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制。由于小波分析本身具有良好的信号降噪作用，在分析由于电机高速运转噪声、电机附近电磁场变化引起的噪声以及传感器检测引入系统的噪声时，可以充分利用小波滤波信号辨识，省略掉信号滤波环节，提高了辨识效率。

（2）控制方法思想新颖、手段直接，信号处理的物理概念明确。矢量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。

（3）本发明对电动汽车用永磁同步电机矢量控制中速度环中传统的整数阶PID控制进行控制方法的革新。传统整数阶PID控制只是对于速度误差信号进行时域分析。小波分析属于时域-频域联合分析。能够同时获得分析信号的时域分析和频域信息，能够很好的捕捉到信号的瞬间变化信息和持久发展趋势，有利于信号变动的识别。与整数阶PID控制器相比，小波多分辨率复合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。

附图说明

图1为本设计的原理框图；

图2为一般的小波多分辨率分解原理图；

图3为本发明速度环中小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制的内部模型图；

图4为本发明小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制中数学处理模块内部模型图。

具体实施方式

参见图1，本发明的电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统，包括三相逆变器，该三相逆变器的三路输出接入永磁同步电机，永磁同步电机连接有转速位置检测模块，转速位置检测模块连接有误差比较模块、Park逆变换模块和Park变换模块；误差比较模块的输出端连接有复合控制调节模块的输入端，复合控制调节模块的输出端连接有第一比较模块；第一比较模块输出端连接有第一PI调节模块；第二比较模块输出端连接有第二PI调节模块；第一PI调节模块和第二PI调节模块的输出端连接Park逆变换模块的输入端所述Park逆变换模块输出端连接有电压矢量脉宽调制模块；电压矢量脉宽调制模块的输出端连接有三相逆变器；；三相逆变器输出端连接有永磁同步电机；Clark变换模块的输入端与三相逆变器的输出端连接；Clark变换模块的输出端连接有Park变换模块；Park变换模块的输出端连接有第一比较模块和第二比较模块；复合控制调节模块一方面对来自误差比较模块的误差信号e进行小波多分辨率分解，对得到的各个不同频段的小波信号取最新值进行加权，然后求和得求和值，另一方面对所述误差信号e进行积分处理，然后把得到的积分值与求和值进行求和作为输出值对永磁同步电机速度环进行控制。

参见图3：所述复合控制调节模块包括小波多分辨率分解模块、数学处理模块、第一求和模块、第二求和模块和积分模块；小波多分辨率分解模块的输出端连接多个并联的数学处理模块，各数学处理模块的输出端均连接至第一求和模块的输入端，第一求和模块的输出端连接至第二求和模块的输入端；积分模块的输出端连接至第二求和模块的输入端，积分模块的输入端与小波多分辨率分解模块的输入端均连接至所述误差比较模块。所述的Clark变换模块与三相逆变器的两相输出相连。所述Park变换模块与所述Park逆变换模块相连，所述转速位置检测模块与Park变换模块、Park逆变换模块分别相连。

如图4：所述数学处理模块包括死区模块、数字处理模块、加权模块；数学处理模块的输入端与小波多分辨率分解模块的输出端相连接；所述死区模块输出端连接有数字处理模块；数字处理模块的输出端连接有加权模块；所述各数学处理模块中的加权模块与第一求和模块输入端连接；对于经由小波多分辨率分解模块得到的各个不同频段的信号数组首先输入死区模块，然后在数字处理模块中按照控制要求取值，并对取得的值进行加权处理，然后输出给第一求和模块。

在本发明的最佳实施例中，复合控制调节模块采用的主控芯片为TMS320LF28335数字处理芯片。

基于以上电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统的控制方法，本发明包括以下步骤：

1）通过转速位置检测模块采集永磁同步电机的实时速度，输入至误差比较模块，误差比较模块将设定转速值与实时速度进行比较，得到转速差值e；

2）转速差值e的处理

（A）误差比较模块将转速差值e输入到复合控制调节模块中，通过复合控制调节模块设置好的小波函数种类、小波函数阶数，以及小波多分辨率分解的层数，利用小波函数对转速差值进行小波多分辨率分析（如图2所示）,得到转速差值在不同频域和时域状态下的系数组e_i；对分解得到的不同频域和时域下的小波函数系数组e_i，分别进行加权处理，得到处理后的系数组e'_i，并将各组处理结果累加，得到Σe'_i，得到第一求和模块的输出；

（B）在进行（A）步的同时，积分模块对转速差值e进行积分处理，并与第一求和模块的输出相加，得到复合控制调节模块的输出值；

3）将复合控制调节模块的输出值输入至第一比较模块；Clark变换模块对三相逆变器的AB相电流值进行处理得到I_α、I_β将I_α、I_β输入至Park变换模块，经Park变换模块处理得到的输出值I_q、I_d,将I_q、I_d分别输入到第一比较模块和第二比较模块；第一比较模块将来自复合控制调节模块的输出值与来自于Park变换模块的输出值I_q相减，将这二者的差值作为第一比较模块的输出值；第二比较模块将程序设定值与由来自于Park变换模块的输出值I_d相减，将这二者的差值作为第二比较模块的输出值；

4）将第一比较模块的输出值输入至第一PI调节模块，将第二比较模块的输出值输入至第二PI调节模块；在第一和第二PI调节模块中，分别进行PI处理之后，将第一PI调节模块和第二PI调节模块的输出同时输入Park逆变换模块；

5）Park逆变换模块在得到第一和第二PI调节模块的输入，以及由转速位置检测模块提供的电压矢量位置角后，把得到数值的进行Park逆变换处理，然后将逆变换后得到的数值，作为输出值，输出至电压矢量脉宽调制模块；

6）电压矢量脉宽调制模块在得到Park逆变换模块的输出后，经过电压矢量脉宽调制算法，判断当前实时电压矢量所在扇区，计算基本电压矢量作用时间，生成6路PWM波，然后然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，使三相逆变器输出有规律的U_A、U_B、U_C,从而实现对永磁同步电机的控制；

7）Clark变换模块在得到三相逆变器输出的U_A、U_B后，将U_A、U_B电压信号作为输入值输入到Clark变换模块进行Clark变换处理，处理得到的数值作为输出，输入到Park变换模块中；

8）转速位置检测模块检测永磁同步电机的速度以及电压矢量位置角；并把电压矢量位置角提供给Park变换模块、Park逆变换模块，把实时速度提供给误差比较模块；

9）Park变换模块在得到由Clark变换模块输出的数值和由转速位置检测模块提供的电压矢量位置角后，经过Park变换处理，将处理后得到的I_q、I_d,将I_q、I_d分别输入到第一比较模块和第二比较模块。

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

如图1所示：本实例所描述的基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统的原理框图如图1所示。首先借助Clark变换模块、Park变换模块，使各物理量使静止坐标系（三相定子坐标系）转换到同步旋转坐标系（d、q坐标系）。本实例检测实际检测两相电流i_a、i_b。通过Clark变换模块得到i_α、i_β，再通过Park变换模块得到旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q，作为电流环的电流反馈量进项反馈比较，同时采用i_d=0的方法对永磁同步电机d、q轴上的数学模型进一步线性解耦，直轴和交轴电流通过反馈比较后分别通过PI调节后产生直轴和交轴的电压信号u_du_q，再进行Park逆变换得到两相坐标的电压u_αu_β，然后进行空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）产生六路PWM信号通过逆变电路对永磁同步电机进行控制。引用的空间电压矢量控制(SVPWM)技术实质上通过适当的组合基本空间矢量的开关状态所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用多变形来近似模拟圆形，从而使永磁同步电机的控制达到直流电机的控制效果。

综上，本发明利用永磁同步电机自带的转速位置检测模块即光电编码器可以测得、计算电机转子的位置和转速，电机转子的值置信号引入Park变换模块与Park逆变换模块之间参与电流环的矢量坐标变换，计算出的转速经过反馈与初始的参考转速进行比较，比较后的误差信号通过本发明提出的小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制模块进行调节，d、q轴电流的误差信号经由PI调节、Park逆变换后，通过SVPWM产生6路PWM波送至三相逆变器从而实现对永磁同步电机的正弦波控制，而把小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制方法引入到永磁同步电机电流、速度双闭环控制中的速度环，对速度环进行复合控制。

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 (5)

1.一种电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统，其特征在于，包括三相逆变器，所述三相逆变器的三路输出接入永磁同步电机，所述永磁同步电机连接有转速位置检测模块，所述转速位置检测模块连接有误差比较模块、Park逆变换模块和Park变换模块；所述误差比较模块的输出端连接有复合控制调节模块的输入端，所述复合控制调节模块的输出端连接有第一比较模块；所述第一比较模块输出端连接有第一PI调节模块；第二比较模块输出端连接有第二PI调节模块；所述第一PI调节模块和第二PI调节模块的输出端连接Park逆变换模块的输入端，Park逆变换模块输出端连接有电压矢量脉宽调制模块；所述电压矢量脉宽调制模块的输出端连接有三相逆变器；三相逆变器输出端连接有永磁同步电机；Clark变换模块的输入端与三相逆变器的输出端连接；Clark变换模块的输出端连接有Park变换模块；Park变换模块的输出端连接有第一比较模块和第二比较模块；所述复合控制调节模块一方面对来自误差比较模块的误差信号e进行小波多分辨率分解，对得到的各个不同频段的小波信号取最新值进行加权，然后求和得求和值，另一方面对所述误差信号e进行积分处理，然后把得到的积分值与求和值进行求和作为输出值对永磁同步电机速度环进行控制；所述复合控制调节模块包括小波多分辨率分解模块、数学处理模块、第一求和模块、第二求和模块和积分模块；所述小波多分辨率分解模块的输出端连接多个并联的数学处理模块，各数学处理模块的输出端均连接至第一求和模块的输入端，第一求和模块的输出端连接至第二求和模块的输入端；所述积分模块的输出端连接至第二求和模块的输入端，积分模块的输入端与小波多分辨率分解模块的输入端均连接至所述误差比较模块；所述数学处理模块包括死区模块、数字处理模块、加权模块；所述数学处理模块的输入端与小波多分辨率分解模块的输出端相连接；所述死区模块输出端连接有数字处理模块；所述数字处理模块的输出端连接有加权模块；所述各数学处理模块中的加权模块与第一求和模块输入端连接；对于经由小波多分辨率分解模块得到的各个不同频段的信号数组首先输入死区模块，然后在数字处理模块中按照控制要求取值，并对取得的值进行加权处理，然后输出给第一求和模块。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统，其特征在于，所述复合控制调节模块采用的主控芯片为TMS320LF28335数字处理芯片。

3.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统，其特征在于，所述的Clark变换模块与三相逆变器的两相输出相连。

4.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统，其特征在于，所述Park变换模块与所述Park逆变换模块相连，所述转速位置检测模块与Park变换模块、Park逆变换模块分别相连。

5.一种基于权利要求1所述电动汽车用永磁同步电机矢量控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过转速位置检测模块采集永磁同步电机的实时速度，输入至误差比较模块，误差比较模块将设定转速值与实时速度进行比较，得到转速差值e；

2)转速差值e的处理

(A)误差比较模块将转速差值e输入到复合控制调节模块中，通过复合控制调节模块设置好的小波函数种类、小波函数阶数，以及小波多分辨率分解的层数，利用小波函数对转速差值进行小波多分辨率分析,得到转速差值在不同频域和时域状态下的系数组e_i；对分解得到的不同频域和时域下的小波函数系数组e_i，分别进行加权处理，得到处理后的系数组e′_i，并将各组处理结果累加，得到Σe′_i，得到第一求和模块的输出；

(B)在进行(A)步的同时，积分模块对转速差值e进行积分处理，并与第一求和模块的输出相加，得到复合控制调节模块的输出值；

3)将复合控制调节模块的输出值输入至第一比较模块；Clark变换模块对三相逆变器的AB相电流值进行处理得到I_α、I_β,将I_α、I_β输入至Park变换模块，经Park变换模块处理得到的输出值I_q、I_d,将I_q、I_d分别输入到第一比较模块和第二比较模块；第一比较模块将来自复合控制调节模块的输出值与来自于Park变换模块的输出值I_q相减，将这二者的差值作为第一比较模块的输出值；第二比较模块将程序设定值与由来自于Park变换模块的输出值I_d相减，将这二者的差值作为第二比较模块的输出值；

4)将第一比较模块的输出值输入至第一PI调节模块，将第二比较模块的输出值输入至第二PI调节模块；在第一和第二PI调节模块中，分别进行PI处理之后，将第一PI调节模块和第二PI调节模块的输出同时输入Park逆变换模块；

5)Park逆变换模块在得到第一和第二PI调节模块的输入，以及由转速位置检测模块提供的电压矢量位置角后，把得到数值的进行Park逆变换处理，然后将逆变换后得到的数值，作为输出值，输出至电压矢量脉宽调制模块；

6)电压矢量脉宽调制模块在得到Park逆变换模块的输出后，经过电压矢量脉宽调制算法，判断当前实时电压矢量所在扇区，计算基本电压矢量作用时间，生成6路PWM波，然后然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，使三相逆变器输出有规律的U_A、U_B、U_C，从而实现对永磁同步电机的控制；

7)Clark变换模块在得到三相逆变器输出的U_A、U_B后，将U_A、U_B电压信号作为输入值输入到Clark变换模块进行Clark变换处理，处理得到的数值作为输出，输入到Park变换模块中；

8)转速位置检测模块检测永磁同步电机的速度以及电压矢量位置角；并把电压矢量位置角提供给Park变换模块、Park逆变换模块，把实时速度提供给误差比较模块；

9)Park变换模块在得到由Clark变换模块输出的数值和由转速位置检测模块提供的电压矢量位置角后，经过Park变换处理，将处理后得到的I_q、I_d,将I_q、I_d分别输入到第一比较模块和第二比较模块。