CN112953328B - 一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车永磁同步驱动电机自抗扰控制方法，采用转速环、电流环双闭环控制，其中，所述的电机电流环控制策略采用传统PI控制策略，转速环采用自抗扰控制（ADRC）策略，以达到改善永磁同步电机控制性能的目的，为了改善传统ADRC控制策略中的非线性函数是分段函数且分段点处不连续导致控制信号产生抖振、控制性能差的问题，将连续函数、二次连续多项式与非线性函数结合，设计了一种新型的连续光滑的非线性函数L fal（·）用于ADRC控制器，改进后的控制方法有效地提高了系统的响应速度和精确度，降低了系统的不稳定性能，对不确定扰动具有较强的鲁棒性,大大改善了调速系统的性能，使电机具有更好的动、静态性能。

Description

一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制策略，尤其涉及永磁同步电机控制策略。

背景技术

专利号：CN201620692008.3，实用新型名称：“基于改进ADRC自抗扰算法的永磁直线电机控制系统”的专利，公开了一种基于改进ADRC自抗扰算法的永磁直线电机控制系统。该控制系统采用双闭环控制，即外环速度控制和内环电流控制。该系统包括ADRC速度控制器、d轴ADRC电流控制器、q轴ADRC电流控制、PWM生成模块、驱动器模块、永磁同步直线电机、编码信号、解编码电路、DSP硬件模块QEP、电压传感器、信号调理电路和DSP硬件模块ADC。本实用新型在调速控制和抗参数摄动方面效果明显，能实现快速无超调调速控制，控制算法不依赖电机参数，输出净控制量曲线光滑，避免颤抖，简化了参数的调节，利用ESO1状态观测器跟踪系统总干扰值达到精确补偿，对电流突然的干扰能够做出迅速的响应，保证电流渐进的稳定。

专利号：CN201610518437.3，发明名称：“基于改进ADRC控制算法的永磁同步直线电机控制方法”的专利，公开了一种基于改进ADRC控制算法的永磁同步直线电机控制方法。速度控制器输出信号输入TD1跟踪微分器，含噪反馈信号作为带有微分预补偿因子的TD2跟踪微分器的输入，TD1与TD2两输出相减的误差e为PD模块的输入，ESO1状态观测器跟踪系统总干扰值z为缩小系数1/b的输入，PD模块的输出与缩小系数1/b的输出相减得到净控制量输出u1为放大系数b的输入，其输出和TD2输出控制量为ESO1状态观测器的输入。本发明能实现快速无超调调速控制，算法不依赖电机参数，输出净控制量曲线光滑，避免颤抖，简化了参数的调节，利用ESO1估计总干扰值达到精确补偿，对电流突然的干扰能够做出迅速的响应，保证电流渐进的稳定。

专利号：CN201910021872.9，发明名称：“基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法”的专利，公开了一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，包括局部通风机和改进型自抗扰控制器ADRC，所述局部通风机包括变频器、异步电机和风速转换模块，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制器，对控制器控制策略中的非线性函数做改进，其技术效果为：改进后的控制器在原点附近平滑性更好，运用到井下局部通风机风速控制系统中，改进控制器有效抑制系统震荡，控制信号波动明显减小，减轻了对变频器和异步电机的冲击，观察系统输出，自抗扰控制方法的控制效果明显好于PID控制，与传统ADRC控制方法相比，改进型自抗扰控制既实现了风速的快速调节，又解决了震荡信号可能引起的冲击损坏。

随着众多高新技术产业的发展，永磁同步电机因其具有功率密度高、效率高、调速范围大、体积小重量轻等特点被广泛应用于工业领域，尤其随着汽车电动化时代的到来，永磁同步电机越来越多的被用于电动汽车驱动电机，为了进一步提高电动汽车驱动电机控制性能，其中，自抗扰控制策略(ADRC)因其采用“观测+补偿”的方式对被控量的非线性和不确定性展开控制，被逐步应用于永磁同步电机控制，现已公布的技术中，或是针对ADRC控算法进行改进，或是针对非线性函数进行了改进，本发明针对自抗扰控制策略中传统非线性函数存在的不连续、不光滑问题进行了改进，提出了新型的非线性函数用于自抗扰控制器，以达到缩短系统收敛时间，同时抑制高频振动提升鲁棒性的目的。

发明内容

本发明的目的是设计一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法，采用转速环、电流环双闭环控制，其中，电机电流环控制策略采用传统PI控制器，转速环采用一阶改进自抗扰控制(ADRC)器，以达到改善永磁同步电机控制性能的目的，其中，为了改善传统ADRC控制策略中的非线性函数fal(·)是分段函数且分段点处不连续导致控制信号产生抖振、控制性能差的问题，将连续函数、二次连续多项式应用于非线性函数fal(·)，设计了一种新型的连续光滑的非线性函数Lfal(·)对ADRC控制策略进行改进，改进后的控制方法有效地提高了系统的响应速度和精确度，降低了系统的不稳定性能，对不确定扰动具有较强的鲁棒性，大大改善了调速系统的性能，使电机具有更好的动、静态性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案

一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法，包括一阶ADRC速度控制器、d轴PI电流控制器、q轴PI电流控制器、SVPWM生成模块、三相逆变模块、永磁同步电机，其中，一阶ADRC速度控制器包括跟踪微分控制器、改进型扩张状态观测器、改进型非线性误差反馈控制律，改进型扩张状态观测器和改进型非线性误差反馈控制律中的非线性函数是将连续函数、二次多项式与传统非线性函数fal(e,a,δ)相结合后的一种新型的连续光滑的非线性函数Lfal(e,a,δ)，相比传统非线性函数fal(e,a,δ)在原点附近的收敛性更好，且曲线更加连续光滑，并以此新型非线性函数为基础设计永磁同步电机转速环一阶ADRC控制器，具体实现步骤如下：

步骤一：根据永磁同步电机运动方程，得到电机转速环方程为：

式中：i_q为q轴定子电流；ω为机械角速度；ψ_f为永磁体磁链；p_n为极对数；T_L为负载转矩；B为阻尼系数；J为电机转动惯量；

设定系统综合扰动项a(t)为：

设定参数项b为：

b＝3p_nψ_f/2J

则转速方程的状态空间可以表示为：

由上述可以看出，综合扰动项a(t)中包括电机负载转矩、阻尼系数等扰动因素，为了简化控制参数，将ADRC简化为一阶形式实现对电机转速环控制；

步骤二：所述的转速环一阶ADRC控制器包括跟踪微分器、改进扩展状态观测器和改进非线性状态误差反馈，非线性函数fal(e,a,δ)是扩展状态观测器和非线性状态误差反馈的重要组成部分，但其在分段点处的曲线不光滑且不可导，本发明针对|e|≤δ时的函数表达式进行改进，提出了一个新型的非线性函数Lfal(e,a,δ)，以改良自抗扰控制器性能；

当|e|＞δ时，表达式为：

Lfal(e,a,δ)＝|e|^asgn(e)

当|e|≤δ时，结合连续函数θ(e)与二次多项式，设计新型非线性函数Lfal(e,a,δ)为：

式中，c₁,c₂,c₃为项系数；ε为很小的正常数

此时，Lfal(e,a,δ)必须满足以下连续和可导性条件：

求解可得到Lfal(e,a,δ)中系数c₁,c₂,c₃为：

从而得到新型的非线性函数Lfal(e,a,δ)的整体表达式如下所示：

步骤三：以新型非线性函数为基础建立PMSM速度环一阶自抗扰控制器，分别对各个模块进行设计：

1.跟踪微分控制器：

式中，ω₀为给定输入转速；v₁为给定转速的跟踪信号；r₀为速度因子，h₀为滤波因子，h为积分步长；fhan(·)为最速控制综合函数；

2.改进型扩张状态观测器：

式中，z₁为电机输出转速得跟踪信号；z₂系统扰动a(t)的观测值；λ₁、λ₂为误差因子，且＞0；

3.改进型非线性误差反馈控制律：

式中，u₀为电机q轴电流控制量；u为电机q轴电流给定值；ξ为增益系数。

在一些实施方式中，新型非线性函数，为连续函数与二次多项式拟合后的连续光滑函数，其曲线在原点附近的收敛性更好，分段点处的控制信号抖振更小，控制性能更好。

在一些实施方式中，一阶ADRC转速控制器，包括跟踪微分控制器、改进型扩张状态观测器和改进型非线性误差反馈控制律，其中改进型扩张状态观测器和改进型非线性误差反馈控制律中的非线性函数为新型连续光滑的非线性函数Lfal(e,a,δ)。

有益效果

本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法，包括一阶ADRC转速环控制器、PI电流环控制器、跟踪微分控制器、改进型扩张状态观测器、非线性误差反馈控制律等，本发明为了改善永磁同步电机的转矩输出性能以及调速性能，建立了双闭环永磁同步电机控制系统，其中，转速环采用改进一阶ADRC控制，电流环采用PI控制，针对传统ADRC控制策略中的非线性函数fal(·)是分段函数且函数分段点处不光滑连续，从而导致控制信号产生高频抖振、影响控制性能的缺陷，针对|e|≤δ时的函数表达式进行改进，将连续函数与非线性函数fal(·)相结合，设计了一种新型的连续光滑的非线性函数Lfal(·)，改进后的Lfal(·)相比传统非线性函数fal(·)在原点附近的收敛性更好，且曲线更加连续光滑，具有更好的控制性能，并以此新型函数为基础设计对ADRC控制器进行了改进，在改进ADRC控制策略下的PMSM，电机的响应速度更快，且超调量较小，抗扰动性更强，在负载突变时可以在较短时间内重新调整至稳定状态，动态响应性较好，鲁棒性有所提升，提升了电机跟随参考转速的能力。

附图说明

图1为本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法的控制系统框图；

图2为本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法ADRC控制原理图；

图3为本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法改进非线性函数曲线；

图4为本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法转速响应曲线；

图5为本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法转矩响应曲线；

图6为本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法三相电流变化曲线；

附图中：1.一阶ADRC速度控制器；2.d轴PI电流控制器；3.q轴PI电流控制器；4.SVPWM生成模块；5.三相逆变模块；6.永磁同步电机；7.跟踪微分控制器；8.改进型扩张状态观测器；9.非线性误差反馈控制律。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例本发明做进一步说明：

本发明的一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法，如附图1、图2，图3、图4、图5、图6所示，其中包括：一阶ADRC速度控制器1,d轴PI电流控制器2，q轴PI电流控制器3,SVPWM生成模块4，三相逆变模块5，永磁同步电机6，跟踪微分控制器7，改进型扩张状态观测器8，改进非线性误差反馈控制律9。

设计原理如下

一种电动汽车永磁同步电机自抗扰控制方法，永磁同步电机采用速度环、电流环双闭环控制系统，其中,三相定子电流经过坐标变换得到旋转坐标系下d、q轴电流i_d，i_q，位置传感器为系统提供实时转速以及位置信号，本系统采用i_d＝0的矢量控制,其与实测的d轴电流i_d做差，得到d轴PI电流控制器2的输入,q轴给定电流由一阶ADRC速度控制器1的输出得到,即i_q ^*其与实测q轴电流i_q做差得到q轴PI电流控制器3的输入，经两个电流调节器分别输出旋转坐标系下定子电压的给定值u_d和u_q,其经过Park逆变换得到两相静止坐标系下定子电压u_α和u_β,作为电压空间矢量调制的输入,产生作用于功率变换电路中功率器件的开关信号，最终驱动永磁同步电机6运行。

根据永磁同步电机运动方程，得到电机转速环方程为：

式中：i_q为q轴定子电流；ω为机械角速度；ψ_f为永磁体磁链；p_n为极对数；T_L为负载转矩；B为阻尼系数；J为电机转动惯量。

可以设定系统综合扰动项a(t)为：

设定参数项b为：

b＝3p_nψ_f/2J

则转速方程的状态空间可以表示为：

由上述可以看出，综合扰动项a(t)中包括电机负载转矩、阻尼系数等扰动因素，为了简化控制参数，将ADRC简化为一阶形式实现对电机转速环控制。

所述的一阶ADRC速度控制器1包括跟踪微分控制器7、改进型扩张状态观测器8、改进型非线性误差反馈控制律9，其中，非线性函数fal(e,a,δ)是改进型扩张状态观测器8、改进型非线性误差反馈控制律9的重要组成部分，不同的非线性函数对控制器性能有着至关重要的影响。目前常用的非线性函数为fal(e,a,δ)，具体形式如下所示：

式中，δ、a为0～1之间的正常数。

函数fal(e,a,δ)遵循“小误差大增益，大误差小增益”的趋势，但其在分段点处的曲线不光滑且不可导，故其在线性区间内的控制性能可以继续提高。本发明针对|e|≤δ时的函数表达式进行改进，提出了一个新型的非线性函数Lfal(e,a,δ)，以改良自抗扰控制器性能。

当|e|＞δ时，表达式仍为：

Lfal(e,a,δ)＝|e|^asgn(e)

当|e|≤δ时，结合连续函数θ(e)与二次多项式，设计新型非线性函数Lfal(e,a,δ)为：

式中，c₁,c₂,c₃为项系数；ε为很小的正常数

此时，Lfal(e,a,δ)必须满足以下连续和可导性条件：

求解可得到Lfal(e,a,δ)中系数c₁,c₂,c₃为：

从而得到新型的非线性函数Lfal(e,a,δ)的整体表达式如式(14)所示：

以上文提出的新型非线性函数为基础建立PMSM一阶ADRC速度控制器1，根据自抗扰控制器的原理，分别对各个模块进行设计：

a.跟踪微分控制器7：

式中，ω₀为给定输入转速；v₁为给定转速的跟踪信号；r₀为速度因子，h₀为滤波因子，h为积分步长；fhan(·)为最速控制综合函数。

b.改进扩张状态观测器8：

式中，z₁为电机输出转速得跟踪信号；z₂系统扰动a(t)的观测值；λ₁、λ₂为误差因子，且＞0。

c.改进非线性误差反馈控制律9：

式中，u₀为电机q轴电流控制量；u为电机q轴电流给定值；ξ为增益系数。

经仿真验证后可以得到所述的新型非线性函数Lfal(e,a,δ)曲线光滑连续，避免了高频震颤现象，且满足非线性函数“小误差大增益、大误差小增益”的条件，在大误差条件下能够加快减小系统增益，使系统具有更强的鲁棒性，在新型非线性函数的基础上结合电机控制原理进行参数简化，建立一阶ADRC速度控制器1，改进后的永磁同步电机ADRC控制器相比传统ADRC控制器的响应速度更快、抗扰动性更强，具有良好的调速性能和更平稳的转矩输出特性；电机到达稳态的时间大大缩短，且超调量较小，转矩波动更小，在负载突变时可以快速精确的调整系统到稳定状态，动态响应性较好，鲁棒性有所提升。

以上所述乃是本发明具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所做的改变，其产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神，均在本发明专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电动汽车永磁同步驱动电机自抗扰控制方法，包括一阶ADRC速度控制器、d轴PI电流控制器、q轴PI电流控制器、SVPWM生成模块、三相逆变模块、永磁同步电机，其特征在于：所述的一阶ADRC速度控制器包括跟踪微分控制器、改进型扩张状态观测器、改进型非线性误差反馈控制律，所述的改进型扩张状态观测器和所述的改进型非线性误差反馈控制律中的非线性函数是将连续函数、二次多项式与传统非线性函数fal(e,a,δ)相结合后的一种连续光滑的非线性函数Lfal(e,a,δ)，相比传统非线性函数fal(e,a,δ)在原点附近的收敛性更好，且曲线更加连续光滑，并以此非线性函数为基础设计永磁同步电机转速环一阶ADRC控制器，具体实现步骤如下：

步骤一：根据永磁同步电机运动方程，得到电机转速环方程为：

式中：i_q为q轴定子电流；ω为机械角速度；ψ_f为永磁体磁链；p_n为极对数；T_L为负载转矩；B为阻尼系数；J为电机转动惯量；

设定系统综合扰动项a(t)为：

设定参数项b为：

b＝3p_nψ_f/2J

则转速方程的状态空间可以表示为：

由上述可以得到，综合扰动项a(t)中包括电机负载转矩、阻尼系数扰动因素，为了简化控制参数，将ADRC简化为一阶形式实现对电机转速环控制；

步骤二：所述的转速环一阶ADRC控制器包括跟踪微分器、改进扩展状态观测器和改进非线性状态误差反馈，所述的非线性函数fal(e,a,δ)是扩展状态观测器和非线性状态误差反馈的重要组成部分，但其在分段点处的曲线不光滑且不可导，针对|e|≤δ时的函数表达式进行改进，提出了一个非线性函数L fal(e,a,δ)，以改良自抗扰控制器性能；

当|e|＞δ时，表达式为：

Lfal(e,a,δ)＝|e|^a sgn(e)

当|e|≤δ时，结合连续函数θ(e)与二次多项式，设计非线性函数Lfal(e,a,δ)为：

式中，c₁,c₂,c₃为项系数；ε为很小的正常数

此时，Lfal(e,a,δ)必须满足以下连续和可导性条件：

求解可得到Lfal(e,a,δ)中系数c₁,c₂,c₃为：

从而得到非线性函数Lfal(e,a,δ)的整体表达式如下所示：

步骤三：以非线性函数为基础建立PMSM速度环一阶自抗扰控制器，分别对各个模块进行设计；

⑴跟踪微分控制器：

式中，ω₀为给定输入转速；v₁为给定转速的跟踪信号；r₀为速度因子，h₀为滤波因子，h为积分步长；fhan(·)为最速控制综合函数；

⑵改进型扩张状态观测器：

式中，z₁为电机输出转速得跟踪信号；z₂系统扰动a(t)的观测值；λ₁、λ₂为误差因子，且＞0；

⑶改进型非线性误差反馈控制律：

式中，u₀为电机q轴电流控制量；u为电机q轴电流给定值；ξ为增益系数。

Images