CN105827175A - 电动汽车矢量控制系统非线性补偿方法及系统 - Google Patents

电动汽车矢量控制系统非线性补偿方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车矢量控制系统非线性补偿方法及系统，解决了现有逆变器的非线性特性导致相电压和相电流畸变的问题，其特征在于在两相静止坐标系下，根据电流空间矢量所在的不同扇区，将逆变器功率器件导通压降带来的电压偏差反馈给指令电压来进行补偿，保证了并网电压空间矢量仍为圆形轨迹，提高了相电压和相电流的正弦度。本发明简单有效，能够有效减小非线性误差造成的电压电流畸变现象，提高了系统运行性能；结构简单可靠、易于实现，解决了电动汽车低速行驶带来的动态稳定性差的问题，改善了电动汽车加速性能，抗干扰性强，检测精度高。

Description

电动汽车矢量控制系统非线性补偿方法及系统
技术领域
本申请涉及一种电动汽车控制方法及系统，特别涉及一种电动汽车交流驱动电机矢量控制系统精度补偿方法及系统。
背景技术
随着电动汽车技术的发展，驾驶员对汽车的操作性、稳定性、安全性要求越来越高。
逆变器作为电动汽车交流驱动系统的关键部件，其性能好坏直接影响汽车的稳定性。逆变器的数学模型呈非线性特性，其输出波形为存在一定失真的正弦波：原因一是为了防止逆变器功率器件上下桥臂直通，通常在功率器件驱动信号中加入死区时间，在保证了功率器件安全工作的同时，也带来了电压电流波形畸变、零电流箝位等死区效应；原因二是逆变器功率器件不是理想的开关器件，存在导通压降影响了输出相电压、相电流的正弦度。
如果按照低速转向时轻便性为设计目标，则高速行驶时转向力过小导致路感差，影响操纵性。为了保证汽车在停车状况下转动方向盘时能够轻松自如而在高速行驶时又不会感到不稳，因而如何提高逆变器效率，提高矢量控制系统的精度，对电动汽车控制系统都有着及其重要的意义。常规的控制策略是采用近似线性化控制方法，这种方案虽然采用了线性控制理论进行控制器设计，但是这样的近似本身就给系统的控制带来了不确定性。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的不足提供电动汽车矢量控制系统非线性补偿方法，针对逆变器的功率器件为非理想器件，其管压降较大程度地影响了逆变器输出的相电压和相电流的问题，来抵消给逆变器带来的失真特性。
本发明的第二目的在于提供一种实施上述方法的电动汽车矢量控制系统非线性补偿系统。
本发明所述的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、电机主电路采用三相桥式电压源型逆变器供电，电源为直流电源。
步骤二、PC机设定转速信号，驱动电动汽车电机转动后，转速传感器采样得到实际转速信号，电压传感器采样得到电压信号，电流传感器采样得到电流信号。
步骤三、采集的三相电流ia、ib、ic经3s/2s坐标变换为两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ，此两相静止坐标系下的电流合成为电流空间矢量is，即is=iα+jiβ。
步骤四、判断电流空间矢量is所在的扇区，结合逆变器功率器件的开关状态，输出补偿后的电压值uαcom和uβcom。
根据iα=0，iα=1.732iβ，iα=－1.732iβ三条直线，将电流空间矢量is所在平面分为六个区域。设定：
则电流空间矢量is所在扇区sec(is)由下式（1）确定：
sec(is)=4X+2Y+Z式（1）
其中，X、Y、Z代表命题的真假；iα、iβ为电流空间矢量is两相静止坐标系下的电流分量。
定义门槛电压为uth，定义A相门槛电压采用uthsign(ia)表示。因此利用电压空间矢量概念可以定义：
uth=uthsign(ia)+authsign(ib)+a2uthsign(ic)式(2)
式(2)中：uth为逆变器非线性带来的门槛电压空间矢量，uth是矢量，存在实部与虚部；uth为门槛电压，这里是数值；a=exp(j*2π/3)=cos(2π/3)+jsin(2π/3)。
针对不同的扇区中电流空间矢量is对逆变器输出电压的影响，补偿后的电压值如表1所示：
表1中：uα、uβ分别为补偿前的电压空间矢量us在两项静止坐标系下的分量，uαcom、uβcom分别为补偿后的电压空间矢量u*在两项静止坐标系下的分量。
步骤五、将给定电压u* α和u* β结合补偿电压uαcom和uβcom输入到空间矢量脉宽调制模块，得到六路脉冲信号，从而控制功率器件的开通关断，得到三相输出电压来驱动电机的运行。
步骤六、周期性判断电流空间矢量is所在的扇区来补偿逆变器非线性的电压偏差，使得逆变器输出电压呈圆形轨迹，保证驱动电机运行更加平滑，提高输出电流的正弦度。
一种实施上述方法的电动汽车矢量控制系统非线性补偿系统包括PC机、直流电源、三相桥式电压源型逆变器、驱动电机、控制系统、电压传感器、电流传感器和转速传感器，直流电源通过三相桥式电压源型逆变器与驱动电机连接，在直流电源与三相桥式电压源型逆变器间有电压传感器，电压传感器与控制系统输入端连接；在三相桥式电压源型逆变器与驱动电机之间的电源线上连接有电流传感器，驱动电机通过转速传感器将转速信号传送给控制系统；其特征在于还包括非线性补偿装置，非线性补偿装置的输入端连接电流传感器，非线性补偿装置的输出端连接控制系统；控制系统综合给定转速、给定电压、给定电流信号与反馈转速、反馈电压、反馈电流信号输入到空间矢量脉宽调制模块，计算出空间矢量调制的占空比，通过光电转换器输出脉冲驱动信号到脉冲驱动装置，脉冲驱动装置与三相桥式电压源型逆变器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明研究了一种非线性补偿方法，该方法利用电流空间矢量所在扇区，并结合逆变器功率器件的开关状态用以补偿逆变器非线性带来的电压偏差，使得逆变器并网电压呈圆形轨迹，同时提高了输出电流的正弦度；
采用新型的非线性补偿装置来抵消并网逆变器带来的失真，避免了传统方式中近似线性化控制方法带来的不确定性，具有更好的动态性能；
结构简单可靠、易于实现，解决了电动汽车低速行驶带来的动态稳定性差的问题，改善了电动汽车加速性能，抗干扰性强，检测精度高且不需要额外的硬件开支。
附图说明
图1是本发明中功率器件的正向特性图。
图1中，uce、导通压降，ice、导通电流，uth、门槛电压，IGBT、绝缘栅双极型晶体管，Diode、二极管。
图2是本发明的电流空间矢量is所在扇区图。
图2中，A、B、C轴为互差120°的三相静止坐标轴，α、β轴为两相静止坐标轴，u0（000）、u1（001）、u2（010）、u3（011）、u4（100）、u5（101）、u6（110）、u7（111）为电压空间矢量us所在的开关状态，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为电流空间矢量is所在平面的六个区域。
图3是功率器件的开关状态对逆变器压降影响的原理图。
图3中，Re、矢量的实部，jIm、矢量的虚部，ia、ib、ic为采集的三相电流，Vdc、直流电源的电压，ea、eb、ec为主电路的等效电压。
图4是本发明的主电路结构框图。
图4中，U1、三相桥式电压源型逆变器；U2、驱动电机；U3、非线性补偿装置；U4、控制系统；U5、PC机；U6、脉冲驱动装置；U7、电压传感器；U8、电流传感器；U9、转速传感器；U10、直流电源；U11、空间矢量脉宽调制模块；U12、编码器。
图5是功率器件的开关状态对输出电压影响的原理图。
图5中，us、补偿前的电压空间矢量；u*、补偿后的电压空间矢量；uth、门槛电压空间矢量。
具体实施方式
本发明方法的具体步骤：
步骤一、电动汽车驱动电机主电路一般采用三相桥式电压源型逆变器U1供电，电源为直流电源U10。由于逆变器的功率器件不是一个理想的开关器件，其管压降对逆变器非线性输出相电压和相电流有较大的影响。图1所示为EUPEC公司功率器件BSM50GB120DN2的特性曲线以及二极管的饱和压降曲线。线性化处理后如图1中的虚线所示，即功率器件的导通压降uce近似看成固定门槛电压uth与其阻抗压降的合成。
步骤二、PC机U5设定转速信号，通过改变设定的转速大小驱动电动汽车电机转动的快慢。转速传感器U9经过编码器U12采样得到实际转速信号，电压传感器U7，如LEM公司的LV28-P电压传感器，经电平处理电路、A/D采样后，送给控制系统U4得到电压信号，电流传感器U8，如LEM公司的LA28-NP电流传感器，经电平处理电路、A/D采样后，送给控制系统U4得到电流信号。
步骤三、采集的三相电流ia、ib、ic经3s/2s坐标变换为两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ，此两相静止坐标系下的电流合成为电流空间矢量is，即is=iα+jiβ。
步骤四、判断电流空间矢量is所在的扇区，输出补偿后的电压值uαcom和uβcom。
图2所示为本发明的电流空间矢量is所在扇区位置，其中A、B、C轴为互差120°的三相静止坐标轴，α、β轴为两相静止坐标轴。与电压空间矢量类似，通过iα=0，iα=1.732iβ，iα=－1.732iβ三条直线，将电流空间矢量平面分为六个区域。
设定：
则电流空间矢量is所在扇区sec(is)由下式(1)确定：
sec(is)=4X+2Y+Z式(1)
其中，X、Y、Z代表命题的真假；iα、iβ为电流空间矢量is两相静止坐标系下的电流分量。
图3所示为功率器件的开关状态对逆变器的影响。电压空间矢量第一扇区内功率器件的开关状态存在三种情况，即100-110-111三种开关状态，规定电流方向由逆变器流入电网为正方向，并规定A相电流ia始终为正、B、C两相电流ib、ic始终为负，根据逆变器的开关状态，三相电流ia、ib、ic要么通过功率器件IGBT流通，要么通过反并联二极管流通。图3中逆变器的开关状态分别为100-110-111三种开关状态。由于一个扇区内功率器件的开通时间最大仅为基波周期的1/6，因此三相电流的方向在此扇区期间并未改变，即三相桥式电压源型逆变器开关状态虽改变，但功率器件导通状态对输出电压的影响并没有改变。因此可见，逆变器导通压降uce的影响便可由三相电流的方向决定。其余扇区同理分析，可得出一条结论：同一扇区内不同的开关状态，功率器件的非线性特性对三相桥式电压源型逆变器的影响只跟三相电流的流向有关，即只跟电流空间矢量is所在扇区有关。定义门槛电压为uth，由于门槛电压在某一桥臂的影响也由该相电流方向决定，可以定义A相门槛电压采用uthsign(ia)表示。因此利用电压空间矢量概念可以定义：
uth=uthsign(ia)+authsign(ib)+a2uthsign(ic)式(2)
式(2)中：uth为逆变器非线性带来的门槛电压空间矢量，uth是矢量，存在实部与虚部；uth为门槛电压，这里是数值；a=exp(j*2π/3)=cos(2π/3)+jsin(2π/3)。比如，当电流空间矢量is处于扇区VI（110）时，uth=uth[sign(ia)+asign(ib)+a2sign(ic)]=uth(1+a-a2)=2uthexp(j*0)。
结合上述分析，针对不同的扇区中电流空间矢量is对逆变器输出电压的影响，本发明补偿方法如表1所示：
表1补偿后的电压值
表1中：uα、uβ分别为补偿前的电压空间矢量us在两项静止坐标系下的分量，uαcom、uβcom分别为补偿后的电压空间矢量u*在两项静止坐标系下的分量。
图5所示为逆变器功率器件的开关状态对电压空间矢量us的影响。其中，us为补偿前的电压空间矢量，由于功率器件开关状态的影响，在扇区切换时us轨迹不连续并且发生畸变，存在如下关系us=u*-uth-rdis。式中：u*为补偿后的电压空间矢量，呈圆形轨迹；rd为逆变器的等效通态电阻；uth为门槛电压空间矢量。从图5中可以看出逆变器的非线性使得补偿前后的电压空间矢量存在矢量差，采用非线性补偿后，u*畸变率大大降低，有效削弱了逆变器非线性特性带来的影响。
步骤五、将给定电压u* α和u* β和补偿后的电压uαcom和uβcom输入到空间矢量脉宽调制模块U11，得到六路脉冲信号，输入到脉冲驱动装置U6，从而控制三相桥式电压源型逆变器U1中功率器件的开通关断，得到三相输出电压来驱动电机U1的运行。
步骤六、周期性判断电流空间矢量is所在扇区来补偿逆变器非线性的电压偏差，使得逆变器输出电压呈圆形轨迹，保证驱动电机U1运行更加平滑，提高了输出电流的正弦度。
如图4所示，本发明所述的电动汽车矢量控制系统非线性补偿系统包括PC机U5、直流电源U10、三相桥式电压源型逆变器U1、驱动电机U2、控制系统U4、脉冲驱动装置U6、电压传感器U7、电流传感器U8和转速传感器U9，直流电源U10通过三相桥式电压源型逆变器U1与驱动电机U2连接，在直流电源U10与三相桥式电压源型逆变器U1间有电压传感器U7，电压传感器U7与控制系统U4输入端连接；在三相桥式电压源型逆变器U1与驱动电机U2之间的电源线上连接有电流传感器U8，驱动电机U2通过编码器U12、转速传感器U9将转速信号传送给控制系统U4；；其特征在于还包括非线性补偿装置U3，非线性补偿装置U3的输入端连接电流传感器U8，非线性补偿装置U3的输出端连接控制系统U4；控制系统U4综合给定转速、给定电压、给定电流信号与反馈转速、反馈电压、反馈电流信号输入到空间矢量脉宽调制模块U11，计算出空间矢量调制的占空比，通过脉冲驱动装置U6与三相桥式电压源型逆变器U1连接。
工作原理：
电流传感器U8采集三相电流ia、ib、ic，经3s/2s坐标变换为两相静止坐标系下的电流信号iα、iβ，此两相静止坐标系下的电流合成为电流空间矢量is，即is=iα+jiβ；
非线性补偿装置U3采用可编程逻辑单元，通过并行运算处理算法并结合公式(1)能在一个采样周期Ts内快速地判断出电流空间矢量is所在的扇区，然后根据表1来输出需补偿的电压值uαcom和uβcom；
控制系统U4将补偿后的电压uαcom和uβcom输入到空间矢量脉宽调制模块U11，得到六路脉冲信号，输入到脉冲驱动装置U6，从而控制三相桥式电压源型逆变器U1中功率器件的开通关断，使得逆变器并网电压呈圆形轨迹，有效降低电压畸变率，同时提高了输出电流的正弦度，削弱了逆变器非线性特性带来的影响，保证了驱动电机U1的稳定运行。

Claims (2)

1.一种电动汽车矢量控制系统非线性补偿方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、电机主电路采用三相桥式电压源型逆变器供电，电源为直流电源；
步骤二、PC机设定转速信号，驱动电动汽车电机转动后，转速传感器采样得到实际转速信号，电压传感器采样得到电压信号，电流传感器采样得到电流信号；
步骤三、采集的三相电流ia、ib、ic经3s/2s坐标变换为两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ，此两相静止坐标系下的电流合成为电流空间矢量is，即is=iα+jiβ；
步骤四、判断电流空间矢量is所在的扇区，结合逆变器功率器件的开关状态，输出补偿后的电压值uαcom和uβcom；
根据iα=0，iα=1.732iβ，iα=－1.732iβ三条直线，将电流空间矢量is所在平面分为六个区域；设定：
则电流空间矢量is所在扇区sec(is)由下式（1）确定：
sec(is)=4X+2Y+Z式（1）
其中，X、Y、Z代表命题的真假；iα、iβ为电流空间矢量is两相静止坐标系下的电流分量；
定义门槛电压为uth，定义A相门槛电压采用uthsign(ia)表示；利用电压空间矢量概念定义：
uth=uthsign(ia)+authsign(ib)+a2uthsign(ic)式(2)
式(2)中：uth为逆变器非线性带来的门槛电压空间矢量，uth是矢量，存在实部与虚部；uth为门槛电压，这里是数值；a=exp(j*2π/3)=cos(2π/3)+jsin(2π/3)；
补偿后的电压值如表1所示：
表1中：uα、uβ分别为补偿前的电压空间矢量us在两项静止坐标系下的分量，uαcom、uβcom分别为补偿后的电压空间矢量u*在两项静止坐标系下的分量；
步骤五、将给定电压u* α和u* β结合补偿电压uαcom和uβcom输入到空间矢量脉宽调制模块，得到六路脉冲信号，从而控制功率器件的开通关断，得到三相输出电压来驱动电机的运行；
步骤六、周期性判断电流空间矢量is所在的扇区来补偿逆变器非线性的电压偏差，使得逆变器输出电压呈圆形轨迹，保证驱动电机运行更加平滑，提高输出电流的正弦度。
2.一种实施权利要求1所述方法的电动汽车矢量控制系统非线性补偿系统包括PC机、直流电源、三相桥式电压源型逆变器、驱动电机、控制系统、电压传感器、电流传感器和转速传感器，直流电源通过三相桥式电压源型逆变器与驱动电机连接，在直流电源与三相桥式电压源型逆变器间有电压传感器，电压传感器与控制系统输入端连接；在三相桥式电压源型逆变器与驱动电机之间的电源线上连接有电流传感器，驱动电机通过转速传感器将转速信号传送给控制系统；其特征在于还包括非线性补偿装置U3，非线性补偿装置U3的输入端连接电流传感器U8，非线性补偿装置U3的输出端连接控制系统U4；控制系统U4综合给定转速、给定电压、给定电流信号与反馈转速、反馈电压、反馈电流信号输入到空间矢量脉宽调制模块U11，计算出空间矢量调制的占空比，通过脉冲驱动装置U6与三相桥式电压源型逆变器U1连接。
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