CN110481339B - 一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开汽车驱动控制领域中的一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器，由优化控制器、线性控制器、能量控制器、自校正控制器和转矩PI模块组成，毂电机系统的输入是电压u，输出的是实际转角和实际电流；优化控制器以实际转角、实际电流、参考电流和参考转角为输入，以电压u1为输出；自校正控制器以实际转角和参考转角为输入，以电压u2为输出，转矩PI模块输出转矩g，能量控制器以实际转角、实际电流和转矩g为输入，以节能电压为输出；线性控制器以实际转角、实际电流、节能电压、转矩g为输入，以电压u3为输出，电压u＝u1+u2+u3；优化控制器在较短时间内达到角度和电流设定值，自校正控制器实现参数的最优化，线性控制器与能量控制器联合作用，提高控制精度。

Description

一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器
技术领域
本发明属于汽车驱动控制领域，特别涉及一种用于电动汽车的轮毂电机控制器。
背景技术
轮毂电机将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内，省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传动部件，动力控制由硬连接改为软连接，通过电控技术，实现了电动轮的无级变速，传动效率大大提高，实现多种复杂驱动方式，灵活应对恶劣路面条件，底盘结构极大简化，整车总布置和车身造型涉及自由度增加，同时能够轻松实现制动能量回收，不同于传统内燃机汽车和单电机集中驱动的电动汽车。
汽车的车轮由于经常需要处在大负荷低速爬长坡的工况下，电机又放在狭小的车轮内，容易出现冷却不足导致电机过热，另外制动也会导致电机过热而退磁。在不影响电机使用效率的情况下，采用水冷的方法进行散热，将硅钢片放置在刹车盘内进行防护，使得制动产生的热量层层隔离，温度达不到电极材料退磁温度。然而轮毂电机对汽车存在极大的先天性弊端即增大了簧下质量，同时也增加了轮毂的转动惯量，车辆的操控性能很不好。如果簧上质量和簧下质量按同比例增长时，整车性能就会受到影响。
永磁同步电动机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，相对于直流电机来讲，它没有换向器和电刷，所以更便于维护；相对于异步电机而言，结构比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测，控制性能好，所以永磁同步电机是轮毂电机的不错选择。
发明内容
本发明的目的是针对电动汽车轮毂电机技术当前存在的电机过热导致退磁影响整车性能、簧下质量增加以及控制效果不好的缺陷，提供了一种能有效改进轮毂电机各项性能指标的智能复合控制器，使车轮驱动对整车行驶各项控制性能指标在最佳范围之内，能够实现更快的动态响应速度、更高的稳态追踪精度。
本发明一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器采用的技术方案是：其由优化控制器、线性控制器、能量控制器、自校正控制器和转矩PI模块组成，串接在轮毂电机系统的输入端和输出端之间，轮毂电机系统的输入是控制电压u，输出的是实际转角θ和实际电流id、iq；所述的优化控制器以实际转角θ、实际电流id、iq、参考电流
Figure BDA0002144461440000011
和参考转角θ*为输入，以控制电压u1为输出；所述的自校正控制器以实际转角θ和参考转角θ*为输入，以控制电压u2为输出；采用转矩检测模块检测轮毂电机系统的实际转矩F，参考转矩F*和实际转矩F相比较得到转矩误差eF，转矩误差eF输入到所述的的转矩PI模块中，转矩PI模块输出转矩g：所述的能量控制器以实际转角θ、实际电流id、iq和转矩g为输入，以节能电压z为输出；所述的线性控制器以实际转角θ、实际电流id、iq、节能电压z、转矩g为输入，以控制电压u3为输出；所述的控制电压u＝u1+u2+u3。
所述的控制电压
Figure BDA0002144461440000021
ud2、uq2为控制电压u2在d-q坐标系下的分量，K为最优增益矩阵，x为轮毂电机系统的状态变量，x＝[id iq θ]T，T为矩阵转置。
所述的自校正控制器由积分型PI控制模块、决策树权值模块和饱和优化模块组成，参考转角θ*与实际角度θ相比较得到的角度误差值eθ，角度误差值eθ作为积分型PI控制模块的输入，积分型PI控制模块输出所述的控制电压u2，对角度误差值eθ分别求其积分和求导得到∫eθ(τ)dτ和
Figure BDA0002144461440000022
对参考转角θ*求一阶导数得到
Figure BDA0002144461440000023
组成决策树权值模块的训练样本集
Figure BDA0002144461440000024
训练决策树得到优化电压
Figure BDA0002144461440000025
优化电压
Figure BDA0002144461440000026
与实际控制电压ud2、uq2相比较得到电压误差eud、euq，电压误差eud、euq作为过饱和优化模块的输入，经饱和优化模块求得所述的最优增益矩阵K。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的优化控制器能够有效改善轮毂电机的瞬态响应特性，在较短时间内达到角度和电流的设定值，提升了轮毂电机在加速爬坡等工况下的响应速度；自校正控制器实现了参数的最优化，保证了控制精度；线性控制器接收能量控制器发出的节能信号，以最小的功耗实现精确的转矩追踪。由于轮毂电机大幅度地增加了簧下质量，同时也增加了轮毂的转动惯量，对于车辆的操控性能很不利，本发明能在一定程度上克服以上存在的缺陷，设计方式简单，鲁棒抗干扰能力得以提升。
2、在轮毂电机运行的复杂工况下，线性控制器与能量控制器联合作用，有效提高了智能控制器的控制精度，实现更快的动态响应速度、更高的稳态追踪精度，同时降低了能耗，弥补了簧下质量、转动惯量过大，对于车辆的操控性能所造成得不利影响。
3、输入给本发明控制器的信号在工程中易于测得，控制中的其他信号只需模块化软件编程实现，不必增加额外的测量硬件设备，降低成本的同时提高了控制质量。
附图说明
图1是本发明一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器的结构框图；
图2是图1中轮毂电机系统1的等效框图；
图3是图1中自校正控制器26的控制原理框图；
图中：1.轮毂电机系统；2.智能复合控制器；11.电压坐标变化模块；12.脉宽调制模块；13.逆变器；14.轮毂电机；15.电流坐标变换模块；21.角度给定模块；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.自校正控制器；27.转矩给定模块；28.转矩检测模块；29.转矩PI模块；31.积分型PI控制模块；41.决策树权值模块；51.饱和优化模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的智能复合控制器2由优化控制器23、线性控制器24、能量控制器25、自校正控制器26和转矩PI模块29组成，转矩PI模块29分别连接线性控制器24与能量控制器25的输入端，线性控制器24与能量控制器25串联，优化控制器23、自校正控制器26、线性控制器24相并联。
本发明所述的智能复合控制器2串接在轮毂电机系统1的输入端和输出端之间，智能复合控制器2输出的是控制电压u，
Figure BDA0002144461440000031
ud、uq分别是控制电压u在d-q坐标系下的分量。轮毂电机系统1的输入是控制电压u，输出的是实际转角θ和实际电流id、iq。
轮毂电机系统1输出的实际转角θ和实际电流id、iq输入到优化控制器23中。电流给定模块22给定参考电流
Figure BDA0002144461440000032
参考电流
Figure BDA0002144461440000033
输入到优化控制器23中。角度给定模块21给定参考转角θ*，参考转角θ*分别输入到优化控制器23和自校正控制器26中。这样，优化控制器23以实际转角θ、实际电流id、iq、参考电流
Figure BDA0002144461440000034
和参考转角θ*为输入，以控制电压u1为输出：
Figure BDA0002144461440000035
式中，ud1、uq1是控制电压u1在d-q坐标系下的分量，Rs为电机定子电阻，p为电机磁极对数，Ld、Lq为电机定子在d-q坐标系下的电感，Φ为电机转子的磁链。
轮毂电机系统1输出的实际转角θ输入至自校正控制器26，这样，自校正控制器26以实际转角θ和参考转角θ*为输入，以控制电压u2为输出：
Figure BDA0002144461440000041
式中，ud2、uq2为控制电压u2在d-q坐标系下的分量，K为2×3的自校正控制器26的最优增益矩阵，其值与系统的响应特性有关；x为轮毂电机系统1的状态变量，x＝[id iq θ]T，T为矩阵转置。
转矩给定模块27给定参考转矩F*，采用转矩检测模块28检测到轮毂电机系统1的实际转矩F，将参考转矩F*和实际转矩F相比较得到的转矩误差eF，将转矩误差eF输入到转矩PI模块29，经转矩PI模块29调节得到转矩g：
Figure BDA0002144461440000042
式中，
Figure BDA0002144461440000043
是F的一阶导数，μ为转矩系数。
转矩g分别输入到线性控制器24和能量控制器25中。
轮毂电机系统1输出的实际转角θ和实际电流id、iq输入到能量控制器25，这样，能量控制器25以实际转角θ、实际电流id、iq和转矩g为输入，以节能电压z为输出：
Figure BDA0002144461440000044
jTz＝0，
式中，j为线性化系数矩阵，
Figure BDA0002144461440000045
λ(i,θ)为线性化函数，
Figure BDA0002144461440000046
a,b,c,d,e与电机参数有关，a＝262、b＝-0.006、c＝-0.0039、d＝-6320000、e＝0.00975。
轮毂电机系统1输出的实际转角θ和实际电流id、iq输入到线性控制器24中，这样，线性控制器24以实际转角θ、实际电流id、iq、节能电压z、转矩g为输入，以控制电压u3为输出：
Figure BDA0002144461440000051
式中，ud3、uq3为u3在d-q坐标系下的分量，j为线性化系数矩阵，λ(i,θ)为线性化函数。
优化控制器23、自校正控制器26和线性控制器24三者并联，得到智能复合控制器2输出的控制电压u，
Figure BDA0002144461440000052
u＝u1+u2+u3，
其中：u1、u2、u3分别是优化控制器23、自校正控制器26、线性控制器24输出的控制电压。
因此，智能复合控制器2以参考转角θ*、参考电流
Figure BDA0002144461440000053
转矩误差eF、实际转角θ、实际电流id、iq为输入，以控制电压ud、uq为输出来控制轮毂电机系统1。
如图2所示，轮毂电机系统1由电压坐标变化模块11、脉宽调制模块12、逆变器13、电流坐标变换模块15和轮毂电机14组成。电压坐标变换模块11、脉宽调制模块12和逆变器13依次串联后连接在轮毂电机14前面，逆变器13的输出端连接电流坐标变换模块15。电压坐标变换模块11以智能复合控制器2输出的控制电压u为输入，输出为静止坐标系下的定子电压ua、ub、uc，定子电压ua、ub、uc作为脉宽调制模块12的输入，脉宽调制模块12输出为开关脉冲信号U，0和1(分别代表关断和开通)，逆变器13的输出端为驱动轮毂电机14的可变频变压三相交流电流ia、ib、ic，轮毂电机14输出为实际转角θ。电流坐标变换模块15的输入为三相交流电流ia、ib、ic，输出为实际电流id、iq。
轮毂电机系统1的数学模型方程依据其各项参数，通过分析、等效和推导，考虑参数变化和外部扰动而得出，具体如下：
Figure BDA0002144461440000054
式中，x＝[id iq θ]T，u＝[ud uq Tl]T，分别为轮毂电机系统1的状态变量和输入变量，将系统的三个输入θ、id、iq作为系统的状态变量，将系统的两个输入ud、uq和负载转矩Tl作为系统的输入变量，A为系统系数矩阵，L为电感矩阵，B为输入系数矩阵，M为求导系数矩阵，p为电机磁极对数，T为矩阵转置。A、B、L由轮毂电机14的参数决定：
Figure BDA0002144461440000061
Figure BDA0002144461440000062
如图3所示，自校正控制器26由积分型PI控制模块31、决策树权值模块41和饱和优化模块51组成，采利决策树权值模块41训练来选取最优增益矩阵K。
角度给定模块21输出的参考转角θ*与实际角度θ相比较得到的角度误差值eθ，角度误差值eθ作为积分型PI控制模块31的输入，积分型PI控制模块31输出控制电压
Figure BDA0002144461440000063
对角度误差值eθ分别求其积分和求导，得到∫eθ(τ)dτ和
Figure BDA0002144461440000064
对参考转角θ*求一阶导数，得到
Figure BDA0002144461440000065
并对信号做规范化处理，组成决策树权值模块41的训练样本集
Figure BDA0002144461440000066
Figure BDA0002144461440000067
最后训练决策树，得到优化电压
Figure BDA0002144461440000068
将优化电压
Figure BDA0002144461440000069
与实际控制电压ud2、uq2相比较，得到电压误差eud、euq，电压误差eud、euq作为过饱和优化模块51的输入，经过饱和优化模块51求得最优增益矩阵K，
Figure BDA00021444614400000610
从而得到控制电压
Figure BDA00021444614400000611
饱和模块51的输出电压信号如下：
Figure BDA00021444614400000612
其中：u(k)为ud2、uq2离散形式，e(k)为电压误差ed2、eq2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，Kp、Ki和Kd为比例系数、积分系数和微分系数，其值为0.5、0.001和0.05。
本发明在工作时，线性控制器24与能量控制器25联合作用，有效提高智能复合控制器2的控制精度，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，降低了能耗，但对电机转矩的产生会造成影响，而转矩PI模块29输出的转矩g信号消除了节能电压z的影响，因此能实现更快的动态响应速度、更高的稳态追踪精度，弥补了簧下质量、转动惯量过大，对于车辆的操控性能所造成的不利影响。从而实现对汽车轮毂电机驱动操纵稳定的高性能鲁棒控制。

Claims (2)

1.一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器，其特征是：由优化控制器(23)、线性控制器(24)、能量控制器(25)、自校正控制器(26)和转矩PI模块(29)组成，串接在轮毂电机系统(1)的输入端和输出端之间，轮毂电机系统(1)的输入是控制电压u，输出的是实际转角θ和实际电流id、iq；所述的优化控制器(23)以实际转角θ、实际电流id、iq、参考电流
Figure FDA0003814070280000011
和参考转角θ*为输入，以控制电压u1为输出；所述的自校正控制器(26)以实际转角θ和参考转角θ*为输入，以控制电压u2为输出；采用转矩检测模块(28)检测轮毂电机系统(1)的实际转矩F，参考转矩F*和实际转矩F相比较得到转矩误差eF，转矩误差eF输入到所述的转矩PI模块(29)中，转矩PI模块(29)输出转矩g：所述的能量控制器(25)以实际转角θ、实际电流id、iq和转矩g为输入，以节能电压z为输出；所述的线性控制器(24)以实际转角θ、实际电流id、iq、节能电压z、转矩g为输入，以控制电压u3为输出；所述的控制电压u＝u1+u2+u3；
所述的自校正控制器(26)由积分型PI控制模块(31)、决策树权值模块(41)和饱和优化模块(51)组成，参考转角θ*与实际角度θ相比较得到的角度误差值eθ，角度误差值eθ作为积分型PI控制模块(31)的输入，积分型PI控制模块(31)输出所述的控制电压u2，对角度误差值eθ分别求其积分和求导得到∫eθ(τ)dτ和
Figure FDA0003814070280000012
参考转角θ*求一阶导数得到
Figure FDA0003814070280000013
组成决策树权值模块(41)的训练样本集
Figure FDA0003814070280000014
训练决策树得到优化电压u'd2、u'q2，优化电压u'd2、u'q2与实际控制电压ud2、uq2相比较得到电压误差eud、euq，电压误差eud、euq作为过饱和优化模块(51)的输入，经饱和优化模块(51)求得最优增益矩阵K；
所述的控制电压
Figure FDA0003814070280000015
ud2、uq2为控制电压u2在d-q坐标系下的分量，x为轮毂电机系统(1)的状态变量，x＝[id iq θ]T，T为矩阵转置；
所述的控制电压
Figure FDA0003814070280000016
ud1、uq1是u1在d-q坐标系下的分量，Rs为电机定子电阻，p为电机磁极对数，Ld、Lq为电机定子在d-q坐标系下的电感，Φ为电机转子的磁链；
所述的控制电压
Figure FDA0003814070280000021
ud3、uq3为u3在d-q坐标系下的分量，j为线性化系数矩阵，λ(i,θ)为线性化函数；
所述的转矩
Figure FDA0003814070280000022
所述的节能电压
Figure FDA0003814070280000023
jTz＝0，
Figure FDA0003814070280000024
是F的一阶导数，μ为转矩系数，j为线性化系数矩阵，λ(i,θ)为线性化函数。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车轮毂电机智能复合控制器，其特征是：所述的轮毂电机系统(1)由电压坐标变换模块(11)、脉宽调制模块(12)、逆变器(13)、电流坐标变换模块(15)和轮毂电机(14)组成，电压坐标变换模块(11)、脉宽调制模块(12)和逆变器(13)依次串联后连接在轮毂电机(14)之前，逆变器(13)的输出端连接电流坐标变换模块(15)，电压坐标变换模块(11)以所述的控制电压u为输入，轮毂电机(14)的输出为所述的实际转角θ，电流坐标变换模块(15)的输出为所述的实际电流id、iq。
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