CN103346710A - 一种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

本发明公开了一种电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法，该方法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，速度环采用的是小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制，计算出的磁链和转矩，分别与给定磁链和经复合控制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，速度环中采用的小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制控制具有控制范围宽、精度高、响应快等优点。

Description

一种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直接转矩控制系统及方法，其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实现的：

这种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、复合控制调节器、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复合控制调节器的输入端；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；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；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。

上述复合控制调节器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第一运算单元。

上述数学处理模块包括死区模块、数字处理模块、加权模块；所述各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。

本发明还提出一种基于上所述电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统的控制方法，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，该转矩差值经基于小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（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。

（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

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示：本发明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、复合控制调节器、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复合控制调节器（即小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制调节器）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单元的输入端；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。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。

参见图3：所述复合控制调节器，即小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制调节器，其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第一运算单元。

参见图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；所述各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。

下面对本发明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：

本发明基于小波多分辨率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）通过转速检测单元检测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小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制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来选定。

参见图2，转速差值e的处理具体为：

A）误差比较模块将转速差值e输入到复合控制调节器中，通过复合控制调节器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，并将各组处理结果相加，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，得到复合控制调节器的输出值；

（4）开关状态信号选择单元根据输入的磁链误差、转矩误差、零矢量选择单元，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。

本发明小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制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，通过小波多分辨率MRPID控制与积分结构复合控制得到计算转矩，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。

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 (4)

1.一种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、复合控制调节器、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复合控制调节器的输入端；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；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单元的输入端；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；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。

2.根据权利要求1所述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，所述复合控制调节器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第一运算单元。

3.根据权利要求2所述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，所述数学处理模块包括死区模块、数字处理模块、加权模块；所述各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。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统的控制方法，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，该转矩差值经复合控制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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