CN111446901A - 一种基于混合能源的电机驱动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合能源的电机驱动控制系统及其控制方法，本发明从设计混合能源拓扑结构入手，将混合能源驱动系统分解成若干子系统(桥式电路)，针对这些子系统分别设计控制器使这些子系统互相联系起来组成复合控制系统，从而合理地分配超级电容的电流与锂电池的电流，在电机系统启动、加速时由超级电容提供能量；在电机系统制动时超级电容吸收制动能量存储起来；将混合能源的控制与电机系统的伺服控制结合起来，将电机抗外界扰动时需要的额外功率分配给超级电容提供，增加了系统的抗干扰能力。

Description

一种基于混合能源的电机驱动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动系统，具体涉及一种基于混合能源(锂电池与超级电容混合)的电机驱动控制系统及其控制方法。

背景技术

通常移动式电机驱动系统由锂电池组驱动，但锂电池很难吸收电机制动时的能量，因为锂电池充电较慢，所以只能靠加装制动器进行制动，无法节省能量，且加装额外的制动装置会使系统结构更加复杂。

超级电容由于其能够快速充放电的特点，近年来越来越多地被用来与锂电池组成新的混合能源驱动系统，这种新的驱动系统不仅可以吸收电机及其负载系统制动时的能量，达到节省能量的目的，同时还可以在电机系统启动及加速时提供额外的功率帮助系统启动及加速。基于超级电容与锂电池的混合能源系统被广泛地应用在电动汽车、地铁、电梯等装置中，对超级电容-锂电池混合能源管理系统的研究也越来越多，但其中将混合能源系统的控制与电机系统控制融合起来以增加电机系统抗干扰能力的研究很少，而这一研究对提高电机系统的抗干扰性能十分必要。另外，由于混合能源系统较为复杂，传统的能源管理算法较为复杂，多为智能控制算法，结构复杂、参数多、不易编程实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，为了达到合理地分配超级电容及锂电池电流的目的，提供一种基于混合能源的电机驱动控制系统及其控制方法，本发明能够合理地分配超级电容的电流与锂电池的电流，增加了系统的抗干扰能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于混合能源的电机驱动控制系统，包括复合控制单元、锂电池、超级电容、锂电池降压供电电路、超级电容充放电电路以及用于驱动电机的三相变换器S_mo，所述三相变换器S_mo的交流侧与电机相连、直流侧连接至正、负极母线，所述锂电池通过锂电池降压供电电路与正、负极母线相连，所述超级电容通过超级电容充放电电路与正、负极母线相连，所述锂电池降压供电电路、超级电容充放电电路的控制端分别与复合控制单元的控制输出端相连，所述锂电池降压供电电路包括由降压桥式电路S_b，所述超级电容充放电电路包括串联布置的第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c，所述三相变换器S_mo、降压桥式电路S_b、第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c的控制端分别通过PWM发生器与复合控制单元的输出端相连，所述复合控制单元包括用于独立控制降压桥式电路S_b的第一模式切换控制器和第一PID控制器、用于独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的第二模式切换控制器和第二PID控制器以及用于独立控制第二升/降压桥式电路S_c的自抗扰控制器。

可选地，所述锂电池降压供电电路还包括电感L_b，降压桥式电路S_b及电感L_b串联连接。

可选地，所述超级电容充放电电路还包括电感L_ch和电感L_c，所述电感L_ch、第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c、电感L_c串联组成的升降压电路，且当超级电容供电时电感L_ch和第一升/降压桥式电路S_ch组成的升压电路、第二升/降压桥式电路S_c和电感L_c组成的降压电路，当超级电容充电时第二升/降压桥式电路S_c和电感L_c组成升压电路、电感L_ch和第一升/降压桥式电路S_ch组成降压电路。

可选地，所述第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c之间并联有电容器。

可选地，所述正、负极母线之间并联有电容器C_L。

此外，本发明还提供一种前述基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，第一模式切换控制器和第一PID控制器独立控制降压桥式电路S_b的步骤包括：所述第一模式切换控制器在电机速度v_b、指定参考速度v_g之间的差值小于预设阈值ε_s成立时激活第一PID控制器，所述第一PID控制器被激活后将超级电容的电流i_cap的平均值作为参考值控制降压桥式电路S_b的工作状态使得流过降压桥式电路S_b的电流被控制着平滑地达到参考值。

可选地，所述超级电容的电流i_cap的平均值为将超级电容的电流i_cap通过第一跟踪微分器TD1进行滤波得到。

可选地，第二模式切换控制器和第二PID控制器独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的步骤包括：所述第二模式切换控制器在超级电容的剩余能量和无法利用的能量之间的第一差值小于等于电机能达到的最大动能和电机当前动能之间的第二差值成立时激活第二PID控制器，并通过所述第二PID控制器被激活后将参考充电电流值i_{ch_given}通过第二跟踪微分器TD2滤波后得到的i_{ch_temp}作为参考值，控制第一升/降压桥式电路S_ch的工作状态，使得流过第一升/降压桥式电路S_ch的充电电流被控制着平滑地上升至参考值。

可选地，自抗扰控制器独立控制第二升/降压桥式电路S_c的步骤包括：将电机速度v_b、指定参考速度v_g作为自抗扰控制器的输入，通过自抗扰控制器控制第二升/降压桥式电路S_c的状态。

可选地，所述自抗扰控制器为一阶自抗扰控制器。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明从设计混合能源拓扑结构入手，将混合能源驱动系统分解成若干子系统(桥式电路)，针对这些子系统分别设计控制器使这些子系统互相联系起来组成复合控制系统，从而合理地分配超级电容的电流与锂电池的电流，在电机系统启动、加速时由超级电容提供能量；在电机系统制动时超级电容吸收制动能量存储起来；将混合能源的控制与电机系统的伺服控制结合起来，将电机抗外界扰动时需要的额外功率分配给超级电容提供，使尖峰电流、纹波电流等尽可能地由超级电容提供，平稳的主要电流由锂电池提供，这是因为超级电容使用寿命较长，而锂电池寿命较短，合理的电流分配能够保护锂电池使之寿命延长，且超级电容能够提供瞬间大功率的特性也使得它能够抵抗外界扰动，增加了系统的抗干扰能力。

2、现有的锂电池-超级电容混合能源系统只考虑能量的简单分配，并未涉及将混合能源的控制与电机驱动系统结合起来以增强电机系统的抗干扰能力，而如果要想增强电机系统的抗干扰能力，则需要对电机控制系统设计扰动观测器，扰动补偿部分所需要的能量由超级电容直接提供，电机正常运行所需要的平稳能量由锂电池提供。这个过程需要锂电池输出电流独立可控，超级电容输出电流独立可控，且需要准确估计出超级电容需要输出电流大小及锂电池需要输出的电流大小，且外界对电机控制系统的扰动量直接反馈到超级电容电流控制器，进而改变超级电容输出电流大小，以提高电机抗扰动能力。

3、本发明的复合控制单元包括用于独立控制降压桥式电路S_b的第一模式切换控制器和第一PID控制器、用于独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的第二模式切换控制器和第二PID控制器以及用于独立控制第二升/降压桥式电路S_c的自抗扰控制器，复合控制器相对于传统智能控制算法结构简单，参数少，易编程实现，适合在机器人系统这种复杂系统中使用，且利于工业推广。

4、本发明基于混合能源的电机驱动控制系统与电机系统控制紧密结合，外界对电机速度的扰动量直接反馈到超级电容电流控制器，大大增加了电机系统的鲁棒性；合理的电流分配策略，在控制电机的过程中使尖峰、纹波电流由超级电容提供，平稳的电流由锂电池提供；超级电容瞬间大功率特性被完全利用来抵抗外界扰动；基于混合能源的电机驱动控制系统设计的模式切换控制器能够很好的将这些子系统的控制器联系起来。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

图2为本发明实施例控制方法的控制原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于混合能源的电机驱动控制系统包括复合控制单元1、锂电池2、超级电容3、锂电池降压供电电路、超级电容充放电电路以及用于驱动电机的三相变换器S_mo，三相变换器S_mo的交流侧与电机相连、直流侧连接至正、负极母线，锂电池2通过锂电池降压供电电路与正、负极母线相连，超级电容3通过超级电容充放电电路与正、负极母线相连，锂电池降压供电电路、超级电容充放电电路的控制端分别与复合控制单元1的控制输出端相连，锂电池降压供电电路包括由降压桥式电路S_b，超级电容充放电电路包括串联布置的第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c，三相变换器S_mo、降压桥式电路S_b、第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c的控制端分别通过PWM发生器与复合控制单元1的输出端相连，复合控制单元1包括用于独立控制降压桥式电路S_b的第一模式切换控制器11和第一PID控制器12、用于独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的第二模式切换控制器13和第二PID控制器14以及用于独立控制第二升/降压桥式电路S_c的自抗扰控制器15(可增加电机系统的抗干扰能力)。参见图1可知，本实施例中混合能源拓扑结构使锂电池电流和超级电容电流分别独立可控，便于分布式控制方法的设计。图1中，m_mo、m_c、m_b及m_ch为控制器计算出的调制信号，调制信号送入到PWM发生器中进一步输出标准的PWM信号，v_b为测量得到的电机速度，用于电机控制，三相变换器S_mo、第二升/降压桥式电路S_c、降压桥式电路S_b、第一升/降压桥式电路S_ch分别为由调制信号m_mo、m_c、m_b及m_ch所控制。本实施例中，降压桥式电路S_b为降压桥式电路，作用为对锂电池电压进行降压处理，以驱动电机。第一升/降压桥式电路S_ch为具有升/降压功能的半桥电路，第二升/降压桥式电路S_c为具有升/降压功能的半桥电路，当超级电容3供电时第二升/降压桥式电路S_c为降压桥式电路，第一升/降压桥式电路S_ch为升压桥式电路，当超级电容3充电时第二升/降压桥式电路S_c为升压桥式电路，第一升/降压桥式电路S_ch为降压桥式电路。三相变换器S_mo为驱动电机的三相桥式电路，按照相应的次序给电机供电以驱动电机。

如图1所示，锂电池降压供电电路还包括电感L_b(图1中表示为L_b,R_b)，降压桥式电路S_b及电感L_b串联连接，电感L_b作用为储能。

如图1所示，超级电容充放电电路还包括电感L_ch(图1中表示为L_ch,R_ch)和电感L_c(图1中表示为L_c,R_c)，电感L_ch和电感L_c作用为储能，电感L_ch、第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c、电感L_c串联组成的升降压电路，且当超级电容3供电时电感L_ch和第一升/降压桥式电路S_ch组成的升压电路、第二升/降压桥式电路S_c和电感L_c组成的降压电路，当超级电容3充电时第二升/降压桥式电路S_c和电感L_c组成升压电路、电感L_ch和第一升/降压桥式电路S_ch组成降压电路。

如图1所示，第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c之间并联有电容器。

如图1所示，正、负极母线之间并联有电容器C_L，电容器C_L为正、负极母线之间并联的稳压电容，起到稳定母线电压的作用。

参见图1，在需要供能时：锂电池2通过降压桥式电路S_b供能；超级电容3需要先通过第一升/降压桥式电路S_ch将自身电压V_cap升至一个较高的电压V_high，V_high与锂电池电压大致相等，然后再通过第二升/降压桥式电路S_c降压供能。当超级电容3需要充电时总线电压V_bus先通过第二升/降压桥式电路S_c升至V_high，然后由第一升/降压桥式电路S_ch控制充电电流。三相变换器S_mo只是作为切换开关使用，开关开度一直为最大，保持全开的状态，电机速度的快慢直接与超级电容3的电流密切相关，即电机速度的控制与超级电容3的电流的控制相结合，电机速度的变化直接反馈给超级电容3的电流控制器。

本实施例基于混合能源的电机驱动控制系统包含很多子控制环路，如电机速度控制环路、超级电容电流控制环路、锂电池电流控制环路、充电电流控制环路以及一些模式切换控制器等。上述子控制环路具体是通过复合控制单元1的各个子系统来实现的。本实施例基于混合能源的电机驱动控制系统的控制框架的优点是能够将整个复杂的混合能源管理系统分解为若干个子系统，每个子系统都可以独立设计控制器，但是由模式切换控制器统一管理。并且所提出的控制系统不需要得到混合能源系统精确的数学模型，因为自抗扰控制器与PID控制器的设计都不依赖于被控对象模型。此外，子系统中的自抗扰控制器及PID控制器结构较为简单，参数较少，而且混合能源系统的控制与电机的控制直接相关联，大大提高了电机伺服系统的控制性能。在复合控制系统中，提出了基于事件触发的模式切换控制器用以协调复合控制系统中的各子系统，当模式切换控制的触发条件满足后，与之相关联的子控制器将被激活。

参见图1可知，复合控制单元1包含有一个自抗扰控制器(ADRC)，两个PID控制器及两个模式切换控制器(OMSC)。

如图2所示，本实施例还提供一种基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，其中第一模式切换控制器11和第一PID控制器12独立控制降压桥式电路S_b的步骤包括：第一模式切换控制器11在电机速度v_b、指定参考速度v_g之间的差值小于预设阈值ε_s成立时激活第一PID控制器12，第一PID控制器12被激活后将超级电容3的电流i_cap的平均值作为参考值控制降压桥式电路S_b的工作状态使得流过降压桥式电路S_b的电流被控制着平滑地达到参考值。如图2所示，本实施例中超级电容3的电流i_cap的平均值为将超级电容3的电流i_cap通过第一跟踪微分器TD1进行滤波得到，此外也可以根据需要采用其他方式计算平均值。

模式切换控制器原理为基于事件触发的模式切换控制器作用是管理与之相连的控制器，当触发条件满足时激活这些控制器，核心问题是如何设计触发条件。

第一模式切换控制器11决定是否激活第一PID控制器12，如果触发条件满足，超级电容3的电流i_cap的平均值将被作为第一PID控制器12的参考输入，当电机速度稳定后第一PID控制器12即被激活。一旦第一PID控制器12被激活，流过半桥电路的电流被控制着达到参考电流值(超级电容3的电流i_cap的平均值)，参考电流值为电机运动所需的主体电流。因此，模式切换控制器1的作用是将驱动电机的主体电流值分给锂电池提供，当电机驱动系统启动或者加速时，超级电容提供额外需求的能量，直到电机速度v_b达到指定参考速度v_g，而后第一PID控制器12被激活，锂电池输出电流平滑地过渡到新的参考电流值上。第一模式切换控制器11的触发条件设计为条件：

Γ:v_g-v_b≤ε_s

上式中，Γ表示条件，v_b为电机速度，v_g为指定参考速度，ε_s为预设阈值。

如图2所示，第二模式切换控制器13和第二PID控制器14独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的步骤包括：第二模式切换控制器13在超级电容3的剩余能量和无法利用的能量之间的第一差值小于等于电机能达到的最大动能和电机当前动能之间的第二差值成立时激活第二PID控制器14，并通过第二PID控制器14被激活后将参考充电电流值i_{ch_given}通过第二跟踪微分器TD2滤波后得到的i_{ch_temp}作为参考值，控制第一升/降压桥式电路S_ch的工作状态，使得流过第一升/降压桥式电路S_ch的充电电流i_ch被控制着平滑地上升至参考值。其中，第二跟踪微分器TD2的作用是对给定的信号安排过渡过程。

第二模式切换控制器13的作用是决定是否激活第二PID控制器14给超级电容充电。超级电容3虽然能够提供瞬间大功率来提高电机系统的抗干扰能力，但是由于超级电容3的能量密度较锂电池低，所以在超级电容3内的能量不足以支持下一次的启动及加速时，需要及时对其补充能量。当第二模式切换控制器13的触发条件满足时，参考充电电流值i_{ch_given}在经过TD2安排过渡过程后作为第二PID控制器14的参考输入量，而后第二PID控制器14被激活，充电电流i_ch平滑地上升至参考值。由图1可知，超级电容3在给电机供电时，先通过升压电路第一升/降压桥式电路S_ch将电压升至V_high，V_high电压与锂电池电压相等，V_high值不受超级电容电压波动影响，即避免超级电容电压波动对电机的控制造成额外的干扰，而升压电路有一个阈值电压，当超级电容电压低于阈值电压后升压电路将会失去作用，针对此问题提出了第二模式切换控制器13的触发条件，第二模式切换控制器13的触发条件设计如下：

Γ:

上式中，Γ表示条件，

表示超级电容剩余能量，

为超级电容无法利用的能量，

表示电机能达到的最大动能，

表示电机当前的动能，该条件的含义为超级电容中的剩余能量要保持在能够使电机再次加速到最大速度的程度。

如图2所示，自抗扰控制器15独立控制第二升/降压桥式电路S_c的步骤包括：将电机速度v_b、指定参考速度v_g作为自抗扰控制器15的输入，通过自抗扰控制器15控制第二升/降压桥式电路S_c的状态。自抗扰控制器有着抗干扰能力强、结构简单、控制精度高等特点，在电机伺服控制系统中被广泛应用。自抗扰控制器15的作用是对电机速度的变化做出响应，如电机速度受外界扰动出现波动时自抗扰控制器15会调整超级电容输出的电流抵抗扰动，增强电机控制的鲁棒性。因为在单轮驱动控制系统中对电机速度的控制为一阶模型，所以本实施例中自抗扰控制器15为一阶自抗扰控制器。

上述只是本发明的系统框架，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于混合能源的电机驱动控制系统，其特征在于：包括复合控制单元(1)、锂电池(2)、超级电容(3)、锂电池降压供电电路、超级电容充放电电路以及用于驱动电机的三相变换器S_mo，所述三相变换器S_mo的交流侧与电机相连、直流侧连接至正、负极母线，所述锂电池(2)通过锂电池降压供电电路与正、负极母线相连，所述超级电容(3)通过超级电容充放电电路与正、负极母线相连，所述锂电池降压供电电路、超级电容充放电电路的控制端分别与复合控制单元(1)的控制输出端相连，所述锂电池降压供电电路包括由降压桥式电路S_b，所述超级电容充放电电路包括串联布置的第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c，所述三相变换器S_mo、降压桥式电路S_b、第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c的控制端分别通过PWM发生器与复合控制单元(1)的输出端相连，所述复合控制单元(1)包括用于独立控制降压桥式电路S_b的第一模式切换控制器(11)和第一PID控制器(12)、用于独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的第二模式切换控制器(13)和第二PID控制器(14)以及用于独立控制第二升/降压桥式电路S_c的自抗扰控制器(15)。

2.根据权利要求1所述的基于混合能源的电机驱动控制系统，其特征在于：所述锂电池降压供电电路还包括电感L_b，降压桥式电路S_b及电感L_b串联连接。

3.根据权利要求2所述的基于混合能源的电机驱动控制系统，其特征在于：所述超级电容充放电电路还包括电感L_ch和电感L_c，所述电感L_ch、第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c、电感L_c串联组成的升降压电路，且当超级电容(3)供电时电感L_ch和第一升/降压桥式电路S_ch组成的升压电路、第二升/降压桥式电路S_c和电感L_c组成的降压电路，当超级电容(3)充电时第二升/降压桥式电路S_c和电感L_c组成升压电路、电感L_ch和第一升/降压桥式电路S_ch组成降压电路。

4.根据权利要求3所述的基于混合能源的电机驱动控制系统，其特征在于：所述第一升/降压桥式电路S_ch、第二升/降压桥式电路S_c之间并联有电容器。

5.根据权利要求1所述的基于混合能源的电机驱动控制系统，其特征在于：所述正、负极母线之间并联有电容器C_L。

6.一种权利要求1～5中任意一项所述的基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，其特征在于，第一模式切换控制器(11)和第一PID控制器(12)独立控制降压桥式电路S_b的步骤包括：所述第一模式切换控制器(11)在电机速度v_b、指定参考速度v_g之间的差值小于预设阈值ε_s成立时激活第一PID控制器(12)，所述第一PID控制器(12)被激活后将超级电容(3)的电流i_cap的平均值作为参考值控制降压桥式电路S_b的工作状态使得流过降压桥式电路S_b的电流被控制着平滑地达到参考值。

7.根据权利要求6所述的基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，其特征在于，所述超级电容(3)的电流i_cap的平均值为将超级电容(3)的电流i_cap通过第一跟踪微分器TD1进行滤波得到。

8.根据权利要求6所述的基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，其特征在于，第二模式切换控制器(13)和第二PID控制器(14)独立控制第一升/降压桥式电路S_ch的步骤包括：所述第二模式切换控制器(13)在超级电容(3)的剩余能量和无法利用的能量之间的第一差值小于等于电机能达到的最大动能和电机当前动能之间的第二差值成立时激活第二PID控制器(14)，并通过所述第二PID控制器(14)被激活后将参考充电电流值i_{ch_given}通过第二跟踪微分器TD2滤波后得到的i_{ch_temp}作为参考值，控制第一升/降压桥式电路S_ch的工作状态，使得流过第一升/降压桥式电路S_ch的充电电流被控制着平滑地上升至参考值。

9.根据权利要求6所述的基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，其特征在于，自抗扰控制器(15)独立控制第二升/降压桥式电路S_c的步骤包括：将电机速度v_b、指定参考速度v_g作为自抗扰控制器(15)的输入，通过自抗扰控制器(15)控制第二升/降压桥式电路S_c的状态。

10.根据权利要求9所述的基于混合能源的电机驱动控制系统的控制方法，其特征在于，所述自抗扰控制器(15)为一阶自抗扰控制器。

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