CN114172424B - 一种eps用高性能永磁同步电机智能控制器 - Google Patents

一种eps用高性能永磁同步电机智能控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，包括智能控制器、补偿电压计算模块、电压补偿模块、限压约束模块、永磁同步助力电机控制系统和EPS机械传动模块；智能控制器包括实际转速计算模块、转速PI控制器、电压计算模块和参数智能优化模块，智能控制器输入永磁同步电机控制系统输出的两相旋转坐标系下的dq轴实际电流、EPS机械传动模块输出的转角，智能控制器输出两相旋转坐标系下的电压；电压补偿模块输入两相旋转坐标系下的电压和补偿电压计算模块输出的补偿电压，输出补偿后的两相旋转坐标系下的电压。本发明在保证控制精度的同时提升了EPS系统的响应速度，提高了系统的抗干扰能力。

Description

一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器
技术领域
本发明属于电动助力转向技术领域，特别涉及一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器。
背景技术
EPS(Electric Power Steering)即电动助力转向系统，是指靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。与工业上常用的位置或速度伺服系统不同，EPS要求辅助电机的转矩输出在各种转向工况下都能快速而平稳，具有无转向迟滞、精确跟踪目标力矩的特点。助力电机作为EPS的关键部分，对EPS系统的稳定性和准确性有很大的影响，所以EPS系统对于电机的要求很高。其中，永磁同步电机由于功率密度大、体积小、性能高等优点，成为EPS系统中助力电机的主要选择。因此，永磁同步电机的控制策略至关重要。EPS系统的工作情况复杂，外界负载的变化会影响EPS系统抗干扰能力。此外，传统的永磁同步电机PI控制器需要对多个PI控制器的参数进行整定，实际应用中会带来很大的不准确性。因此，同时考虑外界负载突变和参数智能优化算法，提高EPS控制系统鲁棒性的研究是十分必要且重要的。
中国专利(CN111874089A)公开了一种基于C-EPS采用角度接口的横向控制方法，针对用于EPS电机采用角度接口的横向控制方法，在ADAS系统控制中，将方向盘转角请求值和请求扭矩限值通过内部PI控制器转换为EPS电机扭矩合值(电机的控制输出)，该方法虽避免了网络传输延迟，但对PI控制器中的参数使用传统人工整定方法，没有解决常规控制方法带来的参数时变、负载突变、随机扰动的干扰。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，能有效提高系统控制精度和性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，包括智能控制器、补偿电压计算模块、电压补偿模块、限压约束模块、永磁同步助力电机控制系统和EPS机械传动模块；
所述智能控制器输入永磁同步电机控制系统输出的两相旋转坐标系下的dq轴实际电流、EPS机械传动模块输出的转角，智能控制器输出两相旋转坐标系下的电压，并作为电压补偿模块的输入，所述电压补偿模块还输入补偿电压计算模块输出的补偿电压，电压补偿模块输出补偿后的两相旋转坐标系下的电压，并作为限压约束模块的输入，所述限压约束模块输出两相旋转坐标系下的参考电压作为永磁同步助力电机控制系统的输入，所述永磁同步助力电机控制系统的输出包括永磁同步助力电机转角和两相旋转坐标系下的dq轴实际电流，所述永磁同步助力电机转角作为EPS机械传动模块的输入；所述EPS机械传动模块输出的转角还作为补偿电压计算模块的输入。
进一步的技术方案，所述智能控制器的输入还包括两相旋转坐标系下d轴的参考电流以及电机参考角速度。
进一步的技术方案，所述智能控制器包括实际转速计算模块、转速PI控制器、电压计算模块和参数智能优化模块；
所述实际转速计算模块以EPS机械传动模块输出的转角作为输入，输出为转子实际转速；
所述转速PI控制器输入转子实际转速、电机参考角速度以及智能优化后的参数Kp和Ki，输出为两相旋转坐标系下的参考电流；
所述电压计算模块输入两相旋转坐标系下的dq轴参考电流、两相旋转坐标系下的d q轴实际电流，输出两相旋转坐标系下的控制电压；
所述参数智能优化模块输入两相旋转坐标系下d轴的实际电流、两相旋转坐标系下d轴的参考电流、转子实际转速和电机参考角速度，输出智能优化后的参数Kp和Ki。
进一步的技术方案，所述电压计算模块采用基于控制对象的状态空间结构：
其中：为两相旋转坐标系下的参考电流，ψf为永磁体磁链，Ls为电感，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，Ld和Lq分别为d、q轴的电感，id(k)、iq(k)分别为两相旋转坐标系下的d轴和q轴的实际电流，u′d(k)、u′q(k)分别为两相旋转坐标系下的控制电压。
进一步的技术方案，所述参数智能优化模块包括初始化模块、适应度计算模块、位置及参数更新模块、迭代次数计数模块和迭代次数判断模块；
所述初始化模块用于对参数α、μ、η进行随机的初始化；
所述适应度计算模块输入两相旋转坐标系下d轴的实际电流、两相旋转坐标系下d轴的参考电流、转子实际转速和电机参考角速度，输出为适应度值最优值；
所述位置及参数更新模块输入初始化参数α、μ、η，输出更新后的解的位置及更新后的参数。
进一步的技术方案，所述适应度值的计算公式为：
其中：N为总的采样时间，TS为采样周期，k为离散采样时间指数，ω*(k)为参考机械转速，ω(k)为转子实际转速，id(k)为d轴实际电流，为d轴参考电流，δ为惩罚因子。
进一步的技术方案，所述更新后的解的位置及更新后的参数为：
Y(t+1)＝Yα(t)-μ·|η·Yα(t)-Y(t)|
其中：t是迭代次数，Ya为最优解的位置，Y为潜在解的位置，μ和η为系数因子，且：μ＝2a′·γ1-a′、η＝2γ2，γ1和γ2是[0，1]之间的随机数，a′为一个线性递减变化的数。
进一步的技术方案，所述补偿后的两相旋转坐标系下的电压为：
其中：u″d(k)、u″q(k)为补偿后的两相旋转坐标系下的电压，u′d(k)、u′q(k)为两相旋转坐标系下的电压，Δud(k)、Δuq(k)为补偿电压，且：Δud(k)＝0、KT为转矩系数，J为转动惯量，B为电机摩擦系数，Ta为电机时间常数，TL为负载转矩，θEPS(k)为EPS机械传动模块输出的转角。
进一步的技术方案，所述两相旋转坐标系下的参考电压满足如下约束：
其中：均为参考电压，IN(k)为电机额定相电流。
进一步的技术方案，所述永磁同步助力电机控制系统包括坐标变换2r/2s模块、空间矢量脉宽调制SVPWM模块、逆变器模块、坐标变换3s/2r模块和EPS助力电机；
所述坐标变换2r/2s模块的输入为两相旋转坐标系下的参考电压，输出为两相静止坐标系下的参考电压；
所述空间矢量脉宽调制SVPWM模块输入两相静止坐标系下的参考电压，输出产生开关脉冲信号；
所述逆变器模块输入开关脉冲信号，输出三相电流；
所述坐标变换3s/2r模块输入三相电流，输出两相旋转坐标系下的电流；
所述EPS助力电机输入三相电流，输出电机转角。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过构造智能控制器替代传统的PI闭环控制系统，采用智能参数优化模块获得全局最优参数，提升控制效果的同时减少了手动调整PI参数的工作量；有效解决了EPS用永磁同步电机现有控制方法的缺陷，保证控制精度的同时提升了EPS系统的响应速度。
(2)本发明通过构建电压补偿模块，改善由于外部负载变化导致的控制性能的下降，避免了系统延迟、抖振等缺陷，提高了系统的抗干扰能力，从而实现了EPS系统的鲁棒性。
(3)本发明通过构建限压约束模块为控制信号提供下个周期状态变量的允许值，克服了传统无约束状态反馈控制系统动态性能低的局限性，抑制控制器饱和，提高EPS用永磁同步电机系统的控制精度。
(4)本发明的控制器所需控制变量和输入变量均为易测变量，且只需通过模块化软件编程便能够实现该控制器的控制算法，具有可行性。
附图说明
图1为本发明所述EPS用高性能永磁同步电机智能控制器结构框图；
图2为本发明所述智能控制器结构框图；
图3为本发明所述参数智能优化模块结构框图；
图4为本发明所述永磁同步助力电机控制系统结构框图；
图中：1-智能控制器，2-补偿电压计算模块，3-电压补偿模块，4-限压约束模块，5-永磁同步助力电机控制系统，6-EPS机械传动模块，11-实际转速计算模块，12-转速PI控制器，13-电压计算模块，14-参数智能优化模块，141-初始化模块，142-适应度计算模块，143-位置及参数更新模块，144-迭代次数计数模块，145-迭代次数判断模块，51-坐标变换2r/2s模块，52-空间矢量脉宽调制SVPWM模块，53-逆变器模块，54-坐标变换3s/2r模块，55-EPS助力电机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，包括智能控制器1、补偿电压计算模块2、电压补偿模块3、限压约束模块4、永磁同步助力电机控制系统5和EPS机械传动模块6。
如图1所示，智能控制器1的输入包括五部分，第一部分输入为EPS机械传动模块6输出的转角θEPS(k)(k为离散样本采样指数)，第二部分输入为永磁同步助力电机控制系统5输出的两相旋转坐标系下的d轴的实际电流id(k)，第三部分输入为永磁同步助力电机控制系统5输出的两相旋转坐标系下的q轴的实际电流iq(k)，第四部分输入为两相旋转坐标系下的d轴的参考电流第五部分输入为电机参考角速度ω*(k)；智能控制器1的输出为两相旋转坐标系下的电压u′d(k)、u′q(k)，该输出作为电压补偿模块3的第一部分输入。
如图2所示，智能控制器1由实际转速计算模块11、转速PI控制器12、电压计算模块13以及参数智能优化模块14组成。实际转速计算模块11以转角θEPS(k)作为输入，输出为转子实际转速ω(k)，且：
式中：g为EPS的机械传动比；
转速PI控制器12的输入包括三部分，第一部分输入为转子实际转速ω(k)，第二部分输入为电机参考角速度ω*(k)，第三部分输入为智能优化后的参数Kp、Ki，转速PI控制器12的输出为两相旋转坐标系下的参考电流电压计算模块13的输入包括四部分，第一、二部分输入为两相旋转坐标系下的参考电流/>第三、四部分输入为两相旋转坐标系下的d轴和q轴的实际电流id(k)、iq(k)，电压计算模块13的输出为两相旋转坐标系下的控制电压u′d(k)、u′q(k)；电压计算模块13采用基于控制对象的状态空间结构，降低了非线性模型观测值的计算复杂度，具体为：
式中：为两相旋转坐标系下的参考电流，ψf为永磁体磁链，Ls为电感，Ts为采样周期，Rs为定子电阻；Ld和Lq分别为d、q轴的电感，对于表贴式电机，Ld＝Lq；本发明针对表贴式永磁同步助力电机，即采用/>的控制策略(Ls＝Ld＝Lq)。
如图3所示，参数智能优化模块14包括初始化模块141、适应度计算模块142、位置及参数更新模块143、迭代次数计数模块144以及迭代次数判断模块145。参数智能优化模块14的输入由四部分组成，第一部分输入为永磁同步助力电机控制系统5输出的两相旋转坐标系下的d轴的实际电流id(k)，第二部分输入为两相旋转坐标系下的d轴的参考电流第三部分输入为实际转速计算模块11输出的转子实际转速ω(k)，第四部分输入为电机参考角速度ω*(k)；参数智能优化模块14的输出为智能优化后的参数Kp、Ki。初始化模块141用来对参数α、μ、η进行随机的初始化，其中当α和η的值在[0，10]，随着α从1线性递减到0时，相应地，μ的值在区间[-α，α]内也发生变化；适应度计算模块142的第一部分输入为两相旋转坐标系下的d轴的实际电流id(k)、第二部分输入为两相旋转坐标系下的d轴的参考电流第三部分输入为实际转速计算模块输出的转子实际转速ω(k)、第四部分输入为电机参考角速度ω*(k)，适应度计算模块142的输出为适应度值最优值Ya，具体的适应度计算公式为：
其中：N为总的采样时间，TS为采样周期，k为离散采样时间指数，ω*(k)为参考机械转速，为d轴参考电流，id(k)＝Kp[ω(k)-ω*(k)]+Ki∫[ω(k)-ω*(k)]dk，惩罚因子适应度值最优值Ya的确定即为使式(4)最小的值；
位置及参数更新模块143的输入为初始化模块141输出的初始化参数α、μ、η，位置及参数更新模块143输出为更新后的解的位置及更新后的参数，具体为：
Y(t+1)＝Yα(t)-μ·|η·Yα(t)-Y(t)| (5)
其中：t是迭代次数，Ya为最优解的位置，Y为潜在解的位置，μ和η为系数因子，计算方法为：
μ＝2a′·γ1-a′ (6)
η＝2γ2 (7)
其中γ1和γ2是[0，1]之间的随机数，a′随着迭代次数从1线性递减到0；
迭代次数计数模块144用来累计迭代次数t，每次增加1；迭代次数判断模块145用来判断t与50的大小，决定智能优化是否结束：当t＞50时，参数智能优化模块14结束迭代，输出使式(4)最小的PI参数Kp、Ki(即全局最优参数)；否则继续执行适应度计算模块142。
如图1所示，补偿电压计算模块2的输入包含两部分，分别为EPS机械传动模块6输出的转角θEPS(k)和负载转矩TL(k)，补偿电压计算模块2的输出为补偿电压Δud(k)、Δuq(k)，具体表达式为：
Δud(k)＝0 (8)
式中，KT为转矩系数，J为转动惯量，B为电机摩擦系数，Ta为电机时间常数，TL为负载转矩，取决于汽车的整体布置和轮胎参数，具体为：
TL(K)＝akfλ1-bkrλ2 (10)
式中a为汽车质心到前轮距离，b为汽车质心到后轮距离，kf、kr为前后轮侧偏刚度，λ1和λ2为前后轮侧偏角。
如图1所示，电压补偿模块3的输入包括两部分，第一部分输入为智能控制器1输出的两相旋转坐标系控制电压u′d(k)、u′q(k)，第二部分输入为补偿电压计算模块2输出的补偿电压Δud(k)、Δuq(k)，电压补偿模块3的输出为补偿后的两相旋转坐标系下的电压u″d(k)、u″q(k)，具体表达式为：
如图1所示，限压约束模块4的输入为电压补偿模块3输出的补偿后的两相旋转坐标系下的电压u″d(k)、u″q(k)，其输出为两相旋转坐标系下的参考电压
参考电压的约束为：
式中uinvup为逆变器额定电压；
此外，q轴电流不能超过电机额定相电流IN(k)，所以参考电压的约束为：
如图4所示，永磁同步助力电机控制系统5包括坐标变换2r/2s模块51、空间矢量脉宽调制SVPWM模块52、逆变器模块53、坐标变换3s/2r模块54以及EPS助力电机55；永磁同步助力电机控制系统5以两相旋转坐标系下的参考电压作为输入，永磁同步助力电机控制系统5的输出包括两部分，第一部分为永磁同步助力电机转角θ(k)，其作为EPS机械传动模块6的输入，第二部分输出为两相旋转坐标系下的电流id(k)、iq(k)。坐标变换2r/2s模块51的输入为两相旋转坐标系下的参考电压/>输出为两相静止坐标系下的参考电压/>该输出作为空间矢量脉宽调制SVPWM模块52的输入，空间矢量脉宽调制SVPWM模块52的输出产生开关脉冲信号SA、SB、SC；逆变器模块53以开关脉冲信号SA、SB、SC作为输入，输出三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)；坐标变换3s/2r模块54以三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)作为输入，输出为两相旋转坐标系下的电流id(k)、iq(k)；EPS助力电机55以三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)作为输入，输出为电机转角θ(k)。
如图1所示，EPS机械传动模块6的输入为电机转角θ(k)，输出为转角θEPS(k)，具体表达式为：
θEPS(k)＝θ(k)g (13)
式中：g为EPS的机械传动比。
将智能控制器1与补偿电压计算模块2并联到电压补偿模块3中，电压补偿模块3输出的两相旋转坐标系的补偿后的电压u″d(k)、u″q(k)经限压约束模块4约束后，得到串联后得到两相旋转坐标系的参考电压再与永磁同步助力电机控制系统5、EPS机械传动模块6串联，最终构成一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器。智能控制器1替代传统的串联闭环控制系统，从而避免了串联闭环系统的缺陷，提高系统的控制精度；同时，采用智能参数优化模块14获得全局最优参数，提升控制效果的同时减少了手动调整PI参数的工作量，在保证控制精度的同时提升了EPS系统的响应速度；考虑到外界负载对EPS系统造成的不稳定，电压补偿模块3补偿了由于外部负载变化导致的参考电压计算误差，提高了系统的抗干扰能力，从而实现了EPS系统的鲁棒性；限压约束模块4输出的两相旋转坐标系下的参考电压设置约束，为控制信号提供下个周期状态变量的允许值，它克服了传统无约束状态反馈控制系统动态性能低的局限性；通过动态的实时电压限制方式进一步地提高了EPS系统的操作稳定性；最终通过控制精度的提高和控制结构的改善，实现了EPS用高性能永磁同步电机的智能控制。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，包括智能控制器(1)、补偿电压计算模块(2)、电压补偿模块(3)、限压约束模块(4)、永磁同步助力电机控制系统(5)和EPS机械传动模块(6)；
所述智能控制器(1)输入永磁同步助力电机控制系统(5)输出的两相旋转坐标系下的dq轴实际电流、EPS机械传动模块(6)输出的转角，智能控制器(1)输出两相旋转坐标系下的电压，并作为电压补偿模块(3)的输入，所述电压补偿模块(3)还输入补偿电压计算模块(2)输出的补偿电压，电压补偿模块(3)输出补偿后的两相旋转坐标系下的电压，并作为限压约束模块(4)的输入，所述限压约束模块(4)输出两相旋转坐标系下的参考电压作为永磁同步助力电机控制系统(5)的输入，所述永磁同步助力电机控制系统(5)的输出包括永磁同步助力电机转角和两相旋转坐标系下的dq轴实际电流，所述永磁同步助力电机转角作为EPS机械传动模块(6)的输入；所述EPS机械传动模块(6)输出的转角还作为补偿电压计算模块(2)的输入；
所述智能控制器(1)包括实际转速计算模块(11)、转速PI控制器(12)、电压计算模块(13)和参数智能优化模块(14)；
所述参数智能优化模块(14)包括初始化模块(141)、适应度计算模块(142)、位置及参数更新模块(143)、迭代次数计数模块(144)和迭代次数判断模块(145)；
所述初始化模块(141)用于对参数α、μ、η进行随机的初始化；
所述适应度计算模块(142)输入两相旋转坐标系下d轴的实际电流、两相旋转坐标系下d轴的参考电流、转子实际转速和电机参考角速度，输出为适应度值最优值；
所述位置及参数更新模块(143)输入初始化参数α、μ、η，输出更新后的解的位置及更新后的参数；
所述适应度值的计算公式为：
其中：N为总的采样时间，TS为采样周期，k为离散采样时间指数，ω*(k)为参考机械转速，ω(k)为转子实际转速，id(k)为d轴实际电流，为d轴参考电流，δ为惩罚因子；
所述更新后的解的位置及更新后的参数为：
Y(t+1)＝Yα(t)-μ·|η·Yα(t)-Y(t)|
其中：t是迭代次数，Ya为最优解的位置，Y为潜在解的位置，μ和η为系数因子，且：μ＝2α·γ1-α、η＝2γ2，γ1和γ2是[0,1]之间的随机数，α为一个线性递减变化的数。
2.根据权利要求1所述的EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，所述智能控制器(1)的输入还包括两相旋转坐标系下d轴的参考电流以及电机参考角速度。
3.根据权利要求1所述的EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，
所述实际转速计算模块(11)以EPS机械传动模块(6)输出的转角作为输入，输出为转子实际转速；
所述转速PI控制器(12)输入转子实际转速、电机参考角速度以及智能优化后的参数Kp和Ki，输出为两相旋转坐标系下的参考电流；
所述电压计算模块(13)输入两相旋转坐标系下的dq轴参考电流、两相旋转坐标系下的d q轴实际电流，输出两相旋转坐标系下的控制电压；
所述参数智能优化模块(14)输入两相旋转坐标系下d轴的实际电流、两相旋转坐标系下d轴的参考电流、转子实际转速和电机参考角速度，输出智能优化后的参数Kp和Ki。
4.根据权利要求3所述的EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，所述电压计算模块(13)采用基于控制对象的状态空间结构：
其中：为两相旋转坐标系下的参考电流，ψf为永磁体磁链，Ls为电感，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，Ld和Lq分别为d、q轴的电感，id(k)、iq(k)分别为两相旋转坐标系下的d轴和q轴的实际电流，u′d(k)、u′q(k)分别为两相旋转坐标系下的控制电压。
5.根据权利要求1所述的EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，所述补偿后的两相旋转坐标系下的电压为：
其中：u″d(k)、u″q(k)为补偿后的两相旋转坐标系下的电压，u′d(k)、u′q(k)为两相旋转坐标系下的控制电压，Δud(k)、Δuq(k)为补偿电压，且：Δud(k)＝0、KT为转矩系数，J为转动惯量，B为电机摩擦系数，Ta为电机时间常数，TL为负载转矩，θEPS(k)为EPS机械传动模块(6)输出的转角。
6.根据权利要求4所述的EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，所述两相旋转坐标系下的参考电压满足如下约束：
其中：均为参考电压，IN(k)为电机额定相电流，uinvup为逆变器额定电压。
7.根据权利要求3所述的EPS用高性能永磁同步电机智能控制器，其特征在于，所述永磁同步助力电机控制系统(5)包括坐标变换2r/2s模块(51)、空间矢量脉宽调制SVPWM模块(52)、逆变器模块(53)、坐标变换3s/2r模块(54)和EPS助力电机(55)；
所述坐标变换2r/2s模块(51)的输入为两相旋转坐标系下的参考电压，输出为两相静止坐标系下的参考电压；
所述空间矢量脉宽调制SVPWM模块(52)输入两相静止坐标系下的参考电压，输出产生开关脉冲信号；
所述逆变器模块(53)输入开关脉冲信号，输出三相电流；
所述坐标变换3s/2r模块(54)输入三相电流，输出两相旋转坐标系下的电流；
所述EPS助力电机(55)输入三相电流，输出电机转角。
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