CN107422636B - 一种车辆及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及分数阶比例谐振控制器。一种闭环系统可包括设备(需要控制的电机)和分数阶比例谐振控制器。分数阶比例谐振控制器可具有大于零且小于或等于一的阶数。分数阶比例谐振控制器的阶数可被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率。频率响应可使得与电机的转速相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比且小于预定阈值。分数阶比例谐振控制器的阶数可以是0.9。

Description

一种车辆及控制系统
技术领域
本公开涉及用于正弦参考量的分数阶(fractional-order)比例谐振控制器。
背景技术
各种类型的电动车辆或电力系统从电池组或直流源(例如，光伏电池、燃料电池、电容器)汲取电力。来自电池的直流电流被馈送到逆变器内，以产生交流电流，所述交流电流被电机或电网接收。在需求(参考)与输出之间可能会形成误差(通常被称作稳态误差)。控制器可被用于确保输出跟随着参考使得稳态误差尽可能地接近于零。已经实施了多种策略来减小稳态误差，但是这些策略通常都具有缺点。缺点可能与对信号进行控制所需要的处理量或用于适当地调整控制系统传递函数的有限的自由度有关。
发明内容
一种闭环系统可包括设备(plant)(例如，需要控制的电机)和分数阶比例谐振控制器。分数阶比例谐振控制器可具有大于零且小于或等于一的阶数。分数阶比例谐振控制器的阶数可被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率。这样的频率响应可使得与电机的转速相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。分数阶比例谐振控制器的阶数可以是0.9。分数阶比例谐振控制器的固有频率或谐振频率附近的带宽可以是一弧度每秒。分数阶比例谐振控制器的固有频率可以是120πHz。分数阶比例谐振控制器的比例增益可以是4。分数阶比例谐振控制器的积分增益可以是300。分数阶比例谐振控制器可以在60Hz处具有至少50dB的增益。
一种车辆可包括用于电机的逆变器和分数阶比例谐振控制器。分数阶比例谐振控制器可具有至少三个自由度以及大于零且小于或等于一的阶数，其中，所述阶数被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率，使得与电机的输出信号相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。分数阶比例谐振控制器的阶数可以是0.9。固有频率附近的带宽可以是1。系统的固有频率可以是120πHz。比例增益可以是4。积分增益可以是300。分数阶比例谐振控制器可以在60Hz处具有至少50dB的增益。
根据本发明，提供一种车辆，所述车辆包括：逆变器，用于电机；分数阶比例谐振控制器，具有至少三个自由度以及大于零且小于或等于一的阶数，其中，所述阶数被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率，使得与电机的转速相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。
根据本发明的一个实施例，分数阶比例谐振控制器的增益比具有相同系数的比例谐振控制器的增益大22dB。
根据本发明的一个实施例，所述阶数为0.9。
根据本发明的一个实施例，分数阶比例谐振控制器的固有频率为120πHz。
根据本发明的一个实施例，比例增益为4。
根据本发明的一个实施例，积分增益为300。
根据本发明的一个实施例，分数阶比例谐振控制器在60Hz处具有至少 50dB的增益。
根据本发明的一个实施例，分数阶比例谐振控制器的固有频率被调节以符合频率需求。
根据本发明，提供一种控制系统，所述控制系统包括：逆变器，连接到电网；分数阶控制器，具有包括大于零且小于或等于一的阶数的控制器常数以及包含静止参考系的输入，其中，所述控制器常数被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率，使得与电网的频率相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。
根据本发明的一个实施例，分数阶比例谐振控制器的增益比具有相同系数的比例谐振控制器的增益大22dB。
根据本发明的一个实施例，所述阶数为0.9。
根据本发明的一个实施例，分数阶比例谐振控制器的固有频率为120πHz。
附图说明
图1描绘了电动车辆或设备。
图2描绘了用于电动车辆或三相逆变器的分数阶比例谐振控制器。
图3A和图3B描绘了120π固有频率下的系统响应。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
控制器被用于实现来自特定设备或系统的目标输出。控制器可被实现为由具有指定功能的部件构成的互连系统。一些控制系统被用于使稳态误差最小化并确保适当的系统响应。通常，这些系统采用反馈回路来创建闭环系统，从而减小稳态误差。谐振系统由于其持续振荡的输出而向控制器提出了特别的挑战。
闭环比例积分(PI)控制器可被实现以减小谐振系统的稳态误差。闭环 PI控制器包括比例增益和积分增益。通常，比例积分控制器具有与下面的等式(1)类似的传递函数。
Figure BDA0001299132230000031
其中，KP是比例增益，KI是积分增益。PI控制器可被用于通过利用帕克变换(Park‘stransformation)或直正交零变换(direct-quadrature-zero transformation)对输入信号的谐振分量进行变换的控制器谐振系统。PI控制器还需要额外的前馈回路以控制谐振系统。
闭环比例谐振(PR)控制器可被实现以减小谐振系统的稳态误差。PR 控制器还包括比例增益和积分增益。通常，二阶PR控制器具有与下面的等式(2)类似的传递函数。
Figure BDA0001299132230000032
其中，KP是比例增益，KI是积分增益，ωn是固有频率。上面的PR控制器是理想的PR控制器。控制器被称作具有“二阶”，这是因为拉普拉斯算子 s被升高到二次幂。理想的PR控制器具有无限增益，但是可能由于实现信号处理系统的实际限制而导致稳定性问题。
由于这些原因，改为使用非理想的PR传递函数。实际的、非理想的二阶PR控制器的传递函数如下面的等式(3)所示。
Figure BDA0001299132230000041
其中，KP是比例增益，KI是积分增益，ωn是固有频率。谐振频率可被调整以适当地加宽控制器的带宽。控制器带宽的加宽可减小控制器的最大增益。二阶PR控制器被称作具有三个自由度，这是因为控制器可使用KP、KI和ωc被调谐。比例谐振控制器可对从克拉克变换(Clarke transformation)得到的静止参考系信号进行操作。比例谐振控制器不需要前馈。
可使用分数阶积分器和微分器来实现分数阶或任意阶控制器，以增强工程师调谐控制器的能力。分数阶PID控制器被称作能将具有三个自由度的PID 控制器的自由度增加到五个自由度。如等式(4)所描绘的，分数阶PID控制器包括五个自由度(即，KP、KI、α、KD、β)。
Figure BDA0001299132230000042
其中，KP是比例增益，KI是积分增益，α是积分分量的分数阶数，KD是微分增益，β是微分分量的分数阶数。
如以上所论述的，PI控制器不利于控制谐振系统，并且PR控制器缺乏足够的自由度来提供控制器的微调。分数阶比例谐振(FO-PR)控制器可提供额外的自由度并且避免与在谐振系统上实现PI控制器有关的缺点。一种这样的FO-PR控制器在等式(5)中被描述。
Figure BDA0001299132230000043
其中，KP是比例增益，KI是积分增益，α是积分分量的分数阶数，ωn是频率(2πf)下的固有频率。如等式(6)所示，控制器可针对不同的频率被调整，并且使用如在图2中所公开的类似的参考和反馈系统被并行相加。
Figure BDA0001299132230000044
并行相加所有频率允许FO-PR控制器控制在设计用于特定设备的控制器时预期的所有频率。例如，车辆可能针对给定状况需求各种频率。FO-PR 控制器可在那些频率需求中的每个下提供对谐振信号的准确控制，并且比其它控制器具有更小的稳态误差和更高的增益。可针对每个频率独立地调整等式(6)的FO-PR控制器的系数，其中，KPj是比例增益，KIj是积分增益，αj是积分分量的分数阶数，ωnj是频率(2πf)下的固有频率。这种调谐为单独的控制器提供新的参数集合，所述参数集合随后被并行处理，以处理所需的每个频率。
PI控制器通常限于在旋转dq参考系上进行操作。大多数电机和公用电网所需要的三相参考信号通过帕克变换被转换为旋转dq参考系。PR控制器能够控制α-β或x-y平面上的静止参考系。通常使用三相参考信号的克拉克变换来得到静止参考系。
具有电机的示例车辆在图1中被描绘并且通常被称作车辆16。应该注意的是，车辆的电机和逆变器只是可由分数阶比例谐振控制器控制的设备的一个示例。例如，通用电源也可以是使用类似方法控制的设备。此外，车辆16 包括传动装置12并且由至少一个电机18推进，并且可具有来自内燃发动机 (未示出)的选择性辅助。电机18可以是图1中被描绘为“马达”18的交流(AC)电动马达。电机18接收电力并且提供用于车辆推进的扭矩。电机 18还用作用于通过再生制动将机械能转换成电能的发电机。
车辆16包括能量储存装置，诸如，用于储存电能的牵引电池52。电池 52是能够输出电力以操作电机18的高电压电池。当电机18和第二电机(未示出)作为发电机进行操作时，电池52还从电机18和第二电机接收电力。电池52是由多个电池模块(未示出)组成的电池组，其中，每个电池模块包括多个电池单元(未示出)。车辆16的其它实施例考虑不同类型的能量储存装置(诸如，补充或替代电池52的电容器或燃料电池(未示出))。高电压总线将电池52电连接至电机18和第二电机。
车辆包括用于控制电池52的电池能量控制模块(BECM)54。BECM 54 接收指示车辆状况和电池状况(诸如，电池温度、电压和电流)的输入。BECM 54计算和估计电池参数(诸如，电池荷电状态和电池功率容量)。BECM 54 将指示电池荷电状态(BSOC)和电池功率容量(Pcap)的输出(BSOC、Pcap) 提供给其它车辆系统和控制器。
车辆16包括DC-DC转换器或可变电压转换器(VVC)10和逆变器56。 VVC 10和逆变器56电连接在牵引电池52和电机18之间。VVC 10“提升”或增大由电池52提供的电功率的电压电势。根据一个或更多个实施例，VVC 10还“降低”或减小提供给电池52的电功率的电压电势。逆变器56将由主电池52(通过VVC 10)提供的DC电力逆变为用于操作电机18的AC电力。逆变器56还将由电机18提供的AC电力整流成用于给牵引电池52充电的 DC电力。传动装置12的其它实施例包括多个逆变器(未示出)(诸如，与每个电机18关联的一个逆变器)。VVC10包括电感器组件14。
传动装置12包括用于控制电机18、VVC 10和逆变器56的传动装置控制模块(TCM)58。TCM 58被配置为监测除了其它事项外的电机18的位置、转速和功率消耗。TCM 58还监测VVC 10和逆变器56内的各个位置处的电参数(例如，电压和电流)。TCM 58将与该信息对应的输出信号提供给其它车辆系统。
车辆16包括车辆系统控制器(VSC)60，车辆系统控制器60与其它车辆系统和控制器进行通信以用于协调它们的功能。尽管VSC 60被示出为单个控制器，但是VSC 60可包括多个控制器，所述多个控制器可被用于根据总体车辆控制逻辑或软件来控制多个车辆系统。
车辆控制器(包括VSC 60和TCM 58)通常包括任意数量的微处理器、 ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM) 和软件代码，以彼此协作来执行一系列操作。控制器还包括预定数据或“查找表”，其中，所述预定数据或“查找表”是基于计算和测试数据的并且被存储在存储器中。VSC 60利用通用总线协议(例如，CAN和LIN)通过一个或更多个有线车辆连接或无线车辆连接与其它车辆系统和控制器(例如， BECM 54和TCM 58)进行通信。VSC 60接收表示传动装置12的当前位置 (例如，驻车挡、倒车挡、空挡或前进挡)的输入(PRND)。VSC 60还接收表示加速踏板位置的输入(APP)。VSC 60向TCM 58提供表示期望的车轮扭矩、期望的发动机转速和发电机制动器命令的输出，并且向BECM 54提供接触器控制。
如果车辆16是插电式电动车辆，则电池52可经由充电端口66从外部电源或电网周期性地接收AC电能。车辆16还包括车载充电器68，车载充电器 68从充电端口66接收AC电能。充电器68是AC/DC转换器，所述AC/DC 转换器将接收到的AC电能转换成适合于给电池52充电的DC电能。进而，充电器68在再充电期间将DC电能供应给电池52。应理解的是，电机18可在其它类型的电动车辆(诸如，混合动力电动车辆或全电动车辆)上被实施。
现在参照图2，示出了分数阶比例谐振控制器100。控制器100包括从ixd *、 ix 110和ix *136的求和120得到的静止参考系x分量电流输入。从具有旋转参考系d的idd *102和空间向量框104得到输入ixd *，空间向量框104合并了反馈相移角118。从锁相环(PLL)控制器116和电压信号114得到反馈相移角 118。输入ix 110是来自逆变器的输出(未示出)的三相反馈电流信号i 106 的静止参考系x分量。ix *136是来自电网电流或其它参考电流i*135的静止参考系信号。类似地，控制器100包括从iy 112和iy *138的求和122得到的y 分量电流输入。iy 112是来自逆变器的输出(未示出)的反馈电流信号的y分量。iy *138是来自电网电流或其它参考电流i*135的参考信号。
求和框120和122分别被馈送到相应的FO-PR传递函数中。例如，通过比例增益KP124和具有可调节常数KI、α和ω的分数阶谐振传递函数126来调节信号ix。比例分量和积分分量在求和框128处结合，求和框128具有为电压Ux *140的输出。类似地，通过比例增益KP130和具有可调节常数KI、α和ω的分数阶谐振传递函数132来调节信号iy。比例分量和积分分量在求和框134处结合，求和框134具有为电压Uy *142的输出。输出Ux *140和Uy *142 被馈送到空间向量调制框(SVM)144。SVM 144允许在不首先将来自控制器的空间向量输出Ux *140和Uy *142转换成三相值的情况下生成脉冲宽度调制信号。
参照图3A和图3B，描绘了FO-PR控制器的数值结果。图3A公开了 FO-OR控制器的增益，在FO-PR控制器中，固有频率为120πHz，比例增益为4，积分增益为300，α(分数阶数)为0.9。如图所示，减小的带宽的PR 控制器202具有大小为0.4的减小的带宽ωC，其中，ωC＝(-1.196ζ+1.85)ωn。其中，ζ是阻尼比，ωn是固有频率。如图所示，1.0带宽的PR控制器204比减小的带宽的控制器具有更宽的带宽，但是具有更小的增益。FO-PR控制器 206比任一PR控制器202和204具有显著更高的超过70dB的增益，并且提供更宽的带宽。图3B描绘了每个控制器的相移响应。减小的带宽的PR控制器202在60Hz的谐振频率附近比1.0带宽的PR控制器204具有更大的相移。如图所示，FO-PR控制器206具有最佳相移响应。
说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
电机；
分数阶比例谐振控制器，具有大于零且小于或等于一的阶数，其中，所述阶数被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率，使得与电机转速相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，分数阶比例谐振控制器的增益比具有相同系数的比例谐振控制器的增益大22dB。
3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述阶数为0.9。
4.如权利要求3所述的车辆，其中，分数阶比例谐振控制器的固有频率为120πHz。
5.如权利要求4所述的车辆，其中，比例增益为4。
6.如权利要求5所述的车辆，其中，积分增益为300。
7.如权利要求1所述的车辆，其中，分数阶比例谐振控制器在60Hz处具有至少50dB的增益。
8.一种车辆，包括：
逆变器，用于电机；
分数阶比例谐振控制器，具有至少三个自由度以及大于零且小于或等于一的阶数，其中，所述阶数被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率，使得与电机的转速相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。
9.如权利要求8所述的车辆，其中，分数阶比例谐振控制器的增益比具有相同系数的比例谐振控制器的增益大22dB。
10.一种控制系统，包括：
逆变器，连接到电网；
分数阶控制器，具有包括大于零且小于或等于一的阶数的控制器常数以及包含静止参考系的输入，其中，所述控制器常数被选择以产生频率响应的目标幅值和目标斜率，使得与电网的频率相关联的稳态误差与所述目标幅值成反比并且小于预定阈值。
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