CN110429895A - 混合动力车用开关磁阻bsg优化线性控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，由转矩分配电压控制模块、Adaboost权值模块和极值限定模块构成自适应控制器，自适应控制器以参考转速和实际转速为输入，输出控制电压v₂，构造以实际转速和电流为输入，以扰动估计值为输出的扰动观测器，构造以参考转速、参考电流、扰动估计值为输入，以控制电压v₁为输出的优化控制器，转矩误差经转矩PI模块调节得到转矩g，先构造以转矩g和实际转速、电流为输入，以节能电压为输出的能量控制器，再构造以转矩g、节能电压、实际转速、电流为输入，以控制电压v₃为输出的线性控制器，优化线性控制器输出控制电压v＝v₁+v₂+v₃；提高了快速瞬态响应，鲁棒性强，鲁棒抗干扰能力提升。

Description

混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法

技术领域

本发明属于新能源车辆混合动力领域，特别涉及一种混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法。

背景技术

配置了BSG系统的汽车属于弱混合动力电动汽车，相比于强混合汽车，这种车辆结构改动小、控制简单、成本低，容易实现产业化。目前，弱混合动力汽车采用混合励磁爪极电机作为起动发电机BSG，采用了永磁励磁和电励磁相结合的励磁方式，兼有永磁发电机和电励磁发电机的优点，实现电机气隙磁场的连续调节，提高了功率输出能力，但是两者的缺点也集中在了混合励磁爪极电机，调速能力较差、很难实现精准控制，发动机的高温对永磁体是一个很大的考验，可能会出现退磁的问题，导致稳定性变差。开关磁阻电机电气及机械结构简单且坚固，制造工艺简单,可与感应电机媲美，制作成本低，经济性好调速范围宽，无惧高温恶劣环境，可以作为BSG的研究方向。

当前开关磁阻电机多用于工业领域采用的控制方式大多数是角度位置控制、电流斩波控制、电压PWM控制。这些方法很难适用于开关磁阻BSG系统，由于车辆行驶过程的复杂性会给开关磁阻BSG系统带来参数时变、负载波动、齿轮皮带轮之间摩擦等各种随机扰动的干扰。因此，为了根本上解决开关磁阻BSG控制方法控制效果不良的难题，与此同时保证被控系统各项控制性能指标达到最佳状态，如动态响应快慢、稳态误差大小、抵抗扰动能力等，需应运用新的控制方法。中国专利申请号为201610551691.3、名称为“混合动力车用开关磁阻BSG系统智能控制器的构造方法”中，局限于提高混合动力汽车开关磁阻BSG的动静态特性和抗干扰鲁棒控制性能，扰动检测不精准，无法对能量消耗进行准确控制。

发明内容

本发明的目的是针对混合动力系统一体化中BSG存在的控制缺陷，提供给了一种混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，能有效改进混合动力车用BSG电机系统各项性能指标，特别是对扰动和能量消耗进行准确控制。

本发明混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法采用的技术方案是具有以下步骤：

步骤1)构造以控制电压v_A、v_B为输入，以实际转速ω和电流i_A、i_B为输出的开关磁阻BSG系统；

步骤2)由转矩分配电压控制模块、Adaboost权值模块和极值限定模块构成自适应控制器，自适应控制器以参考转速ω^*和实际转速ω为输入，输出控制电压v_A2、v_B2为自适应控制器输出的A相、B相绕组的控制电压，K为优增益矩阵，x＝[i_A i_B ω]^T，是开关磁阻BSG系统的状态变量；

步骤3)先构造以实际转速ω和电流i_A、i_B为输入，以扰动估计值f为输出的扰动观测器，再构造以参考转速ω^*、参考电流扰动估计值f为输入，以控制电压v₁为输出的优化控制器；

步骤4)将参考转矩F^*和实际转矩F相比较得到的转矩误差e_F，转矩误差e_F经转矩PI模块29调节得到转矩g，先构造以转矩g和实际转速ω、电流i_A、i_B作为输入，以节能电压z为输出的能量控制器，再构造以转矩g、节能电压z、实际转速ω、电流i_A、i_B为输入，以控制电压v₃为输出的线性控制器；

步骤5)将优化控制器、自适应控制器、线性控制器三者相并联，得到优化线性控制器输出的控制电压v＝v₁+v₂+v₃。

进一步地，将参考转速ω^*与实际转速ω相比较得到转速误差值e_ω，对转速误差值e_ω分别求其积分和求导得到∫e_ω(τ)dτ和对参考转速ω^*求一阶导数得到组成Adaboost权值模块41的样本集离线训练样本集得到优化电压v'_A2、v'_B2，将优化电压v'_A2、v'_B2与控制电压v_A2、v_B2相比较，得到误差e_vA、e_vB，误差e_vA、e_vB经极值限定模块(51)求得最优增益矩阵K。

本发明的有益效果是：

1、所构建的优化控制器提高了快速瞬态响应，让电机转速和电流在短时间内达到参考值，参数不确定性和外部干扰对优化控制器影响不大。构建的扰动观测器精准地得到外部扰动，良好地跟踪速度和电流，鲁棒性强。自适应控制器实现了参数的最优化，保证了控制精度。优化线性控制器控制效果良好，鲁棒抗干扰能力得以提升。

2、Adaboost权值模块获得自适应控制器的全局最优参数，实现最少人工调参工作量，提升优化线性控制器的整体效果。

3、结合混合动力汽车的具体行驶工况，本发明采用新型能量控制器对开关磁阻BSG系统进行能量管理，在不影响正常工作的情况下，实现能量最优控制，节省能量消耗。

附图说明

图1是由电压控制器模块11、逆变器模块12、开关磁阻电机13、电流检测模块14、电流转换模块15和速度检测模块41构成的开关磁阻BSG系统1的等效框图；

图2是自适应控制器26的构造原理框图；

图3是本发明混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造框图；

图中：1.开关磁阻BSG系统；3.扰动观测器；11.电压控制器模块；12.逆变器模块；13.开关磁阻电机；14.电流检测模块；15.电流转换模块；16.速度检测模块；

21.速度给定模块；22.电流给定模块；23.优化控制器；24.线性控制器；25.能量控制器；26.自适应控制器；27.转矩给定模块；28.转矩检测模块；29.转矩PI模块；

31转矩分配电压控制模块；41.Adaboost权值模块；51极值限定模块。

具体实施方式

如图1所示，构造开关磁阻BSG系统1。将电压控制器模块11、逆变器模块12、开关磁阻电机13、电流检测模块14、电流转换模块15和速度检测模块16构成开关磁阻BSG系统1。此开关磁阻BSG系统1以控制电压v_A、v_B为输入，以实际转速ω和电流i_A、i_B为输出。电压控制器模块11、逆变器模块12、开关磁阻电机13和速度检测模块16依次串接，逆变器模块12的输出端还分别连接电流检测模块14和电流转换模块15的输入端，电流检测模块14的输出端连接电压控制器模块11。电压控制器模块11以电压v_A、v_B为输入，输出为开关信号U，开关信号U输入逆变器模块12，逆变器模块12输出电流i，用于驱动开关磁阻电机13，同时，电流检测模块14将电流i反馈到电压控制器模块11中，并采用速度检测模块16检测开关磁阻电机13的转子的转速ω，电流i经过电流转换模块15的转换后输出A相、B相电流i_A、i_B，最终得到开关磁阻BSG系统1输出的实际转速ω和A相、B相电流i_A、i_B。

依据开关磁阻BSG系统1的各项参数，通过分析、等效和推导，考虑参数变化和外部扰动，建立开关磁阻BSG系统1的数学模型方程为：

式中，x＝[i_A i_B ω]^T，u＝[v_A v_B T_e]^T，分别为开关磁阻BSG系统1的状态变量和输入变量，将系统的三个输入ω、i_A、i_B作为系统的状态变量，将两个输入v_A、v_B和电磁转矩T_e作为系统的输入变量，A为系统系数矩阵，B为输入系数矩阵，C为电磁转矩系数矩阵，T为矩阵转置。A、B由电机参数决定：

如图2所示，构造自适应控制器26。由转矩分配电压控制模块31、Adaboost权值模块41和极值限定模块51构成自适应控制器26。由速度给定模块21给定参考转速ω^*，自适应控制器26以参考转速ω^*和实际转速ω为输入，输出为控制电压v₂：

式中，v_A2、v_B2为自适应控制器26输出的A相、B相绕组的控制电压，K为2×3的自适应控制器26的最优增益矩阵，其值与系统的响应特性有关。x＝[i_A i_B ω]^T，是开关磁阻BSG系统1的状态变量。

将参考转速ω^*与实际转速ω相比较得到转速误差值e_ω，转速误差值e_ω作为转矩分配电压控制模块31的输入，转矩分配电压控制模块31输出A、B相绕组的控制电压

本发明采用基于Adaboost权值模块41和极值限定模块51来选取最优增益矩阵K。对转速误差值e_ω分别求其积分和求导，得到∫e_ω(τ)dτ和对参考转速ω^*求一阶导数，得到并对信号做规范化处理，组成Adaboost权值模块41的样本集 最后离线训练样本集，得到Adaboost权值模块41的优化电压v'_A2、v'_B2，将优化电压v'_A2、v'_B2与转矩分配电压控制模块31输出控制电压v_A2、v_B2相比较，得到误差e_vA、e_vB，误差e_vA、e_vB经过极值限定模块51求得最优增益矩阵K，本发明中从而得到控制电压极值限定模块51的输出电压信号为：

其中v(k)为v_A2、v_B2离散形式，e(k)为电压误差e_A2、e_B2离散形式，ε为根据实际电机参数得出的误差极限，当误差大于极限时，β＝1，从而减小超调；当误差小于极限时，β＝0，从而保证系统稳态精度，K_p、K_i和K_d分别为比例系数、积分系数和微分系数，其值为0.01、0.05和0.1。

如图3所示，构造本发明开关磁阻BSG系统1的优化线性控制器2。具体是：

构造扰动观测器3。开关磁阻BSG系统1输出端连接扰动观测器3的输入端，扰动观测器3以开关磁阻BSG系统1输出的实际转速ω和电流i_A、i_B为输入，其输出为扰动估计值f：

式中，f_A、f_B为时变参数和外部负载转矩造成的A相、B相扰动估计值，R_A、R_B为电机A相、B相绕组的电阻，L_A、L_B为A相、B相绕组的电感，ψ_B为B相磁链。

构造优化控制器23。扰动观测器3的输出端连接优化控制器23的输入端，扰动估计值f输入至优化控制器23中。由电流给定模块22给定参考电流由速度给定模块21给定参考转速ω^*。优化控制器23以参考转速ω^*、参考电流扰动观测器3输出的扰动估计值f为输入，输出为控制电压v₁：

式中，v_A1、v_B1是优化控制器23输出的A相、B相绕组的控制电压，R_A、R_B为电机A相、B相绕组电阻,L_A L_B为A相、B相绕组电感，ψ_B为B相磁链，f_A、f_B为时变参数和外部负载转矩造成的扰动估计值，经扰动观测器3得出。

构造结合电机实际工作情况的能量控制器25。转矩给定模块27给定参考转矩F^*，开关磁阻BSG系统1输出的实际转速ω和电流i_A、i_B输入到转矩检测模块28中，经转矩检测模块28检测得到实际转矩F。将参考转矩F^*和实际转矩F相比较得到的转矩误差e_F，转矩误差e_F经转矩PI模块29调节得到转矩g电信号：

式中：是F的一阶导数，μ为转矩系数。

能量控制器25以转矩g和实际转速ω、电流i_A、i_B作为输入，输出节能电压z：

j^Tz＝0，

式中，j为线性化系数矩阵，λ(i,ω)为线性化函数，a,b,c,d,e与电机参数有关，a＝26、b＝-0.00725、c＝-0.0053、d＝-4920000、e＝0.00145。

构造线性控制器24。线性控制器24以转矩g、节能电压z、实际转速ω、电流i_A、i_B作为输入，输出控制电压v₃：

式中，v_A3、v_B3为线性控制器24输出的A相、B相绕组的控制电压，j为线性化系数矩阵，λ(i,ω)为线性化函数。

构造优化线性控制器2。将扰动观测器3和优化控制器23串联，线性控制器24与能量控制器25串联，转矩PI模块29分别连接在线性控制器24与能量控制器25的输入端，将优化控制器23、自适应控制器26、线性控制器24三者相并联，得到优化线性控制器2输出的控制电压为：v＝v₁+v₂+v₃，v₁、v₂、v₃分别是优化控制器23、自适应控制器26、线性控制器24输出的控制电压。该优化线性控制器2以参考转速ω^*、参考电流 转矩误差e_F和实际转速ω、实际电流i_A、i_B作为输入，以控制电压为输出。

本发明工作时，线性控制器24与能量控制器25联合作用，能量控制器25输出的节能电压z信号减小了因绕组铜损而造成的功率损耗，保证了最小的能量消耗，但同时对电机转矩的产生造成影响，转矩PI模块29输出的转矩g信号消除了节能电压z信号的影响，实现转矩的精确追踪，开关磁阻BSG系统1的抗干扰能力可以明显提高，保证了汽车怠速启动的平稳性，从而实现混合动力车用开关磁阻BSG系统1的高性能鲁棒控制。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，其特征是具有以下步骤：

步骤1)构造以控制电压v_A、v_B为输入，以实际转速ω和电流i_A、i_B为输出的开关磁阻BSG系统(1)；

步骤2)由转矩分配电压控制模块(31)、Adaboost权值模块(41)和极值限定模块(51)构成自适应控制器(26)，自适应控制器(26)以参考转速ω^*和实际转速ω为输入，输出控制电压v_A2、v_B2为自适应控制器(26)输出的A相、B相绕组的控制电压，K为优增益矩阵，x＝[i_A i_B ω]^T，是开关磁阻BSG系统(1)的状态变量；

步骤3)先构造以实际转速ω和电流i_A、i_B为输入，以扰动估计值f为输出的扰动观测器(3)，再构造以参考转速ω^*、参考电流扰动估计值f为输入，以控制电压v₁为输出的优化控制器(23)；

步骤4)将参考转矩F^*和实际转矩F相比较得到的转矩误差e_F，转矩误差e_F经转矩PI模块29调节得到转矩g，先构造以转矩g和实际转速ω、电流i_A、i_B作为输入，以节能电压z为输出的能量控制器(25)，再构造以转矩g、节能电压z、实际转速ω、电流i_A、i_B为输入，以控制电压v₃为输出的线性控制器(24)；

步骤5)将优化控制器(23)、自适应控制器(26)、线性控制器(24)三者相并联，得到优化线性控制器(2)输出的控制电压v＝v₁+v₂+v₃。

2.根据权利要求1所述的混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，其特征是：步骤1)中，由电压控制器模块(11)、逆变器模块(12)、开关磁阻电机(13)、电流检测模块(14)、电流转换模块(15)和速度检测模块(16)构成开关磁阻BSG系统(1)，电压控制器模块(11)以电压v_A、v_B为输入，输出为开关信号U，开关信号U输入逆变器模块(12)，逆变器模块(12)输出电流i，电流检测模块(14)将电流i反馈到电压控制器模块(11)中，速度检测模块(16)检测出转速ω，电流i经过电流转换模块(15)的转换后输出电流i_A、i_B。

3.根据权利要求1所述的混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，其特征是：步骤2)中，将参考转速ω^*与实际转速ω相比较得到转速误差值e_ω，对转速误差值e_ω分别求其积分和求导得到∫e_ω(τ)dτ和对参考转速ω^*求一阶导数得到组成Adaboost权值模块41的样本集离线训练样本集得到优化电压v'_A2、v'_B2，将优化电压v'_A2、v'_B2与控制电压v_A2、v_B2相比较，得到误差e_vA、e_vB，误差e_vA、e_vB经极值限定模块(51)求得最优增益矩阵K。

4.根据权利要求1所述的混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，其特征是：步骤3)中，所述的扰动估计值所述的控制电压f_A、f_B为时变参数和外部负载转矩造成的A相、B相扰动估计值，R_A、R_B为电机A相、B相绕组的电阻，L_A、L_B为A相、B相绕组的电感，ψ_B为B相磁链，v_A1、v_B1是优化控制器(23)输出的A相、B相绕组的控制电压。

5.根据权利要求1所述的混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，其特征是：步骤4)中，所述的转矩所述的节能电压j^Tz＝0，是F的一阶导数，μ为转矩系数，j为线性化系数矩阵，λ(i,ω)为线性化函数。

6.根据权利要求5所述的混合动力车用开关磁阻BSG优化线性控制器的构造方法，其特征是：控制电压v_A3、v_B3为线性控制器(24)输出的A相、B相绕组的控制电压。