CN114928285A - 一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术 - Google Patents

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CN114928285A CN202210305604.1A CN202210305604A CN114928285A CN 114928285 A CN114928285 A CN 114928285A CN 202210305604 A CN202210305604 A CN 202210305604A CN 114928285 A CN114928285 A CN 114928285A
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陆哲
吴孟霖
林航
刘万里
朱蓓蓓
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Abstract

本发明公开了一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术。通过滑模控制器和线性自抗扰控制器输出的合成参考转矩，控制双电机转速同步。在传统滑模控制器设计的基础上，设计新型滑模面和自适应滑模趋近率，引入负载扰动观测值自适应率，根据实际转速和参考转速之差输出单台机组参考转矩，用于控制开关磁阻电机转速。采用一阶线性自抗扰控制策略，将两个电机的转速差作为输入量，并输出转速偏差参考转矩修正量，用于控制双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步。提出的控制方法有效地提高了系统的响应速度和精确度，降低了系统的转速误差，且适用于高低速运行工况，大大改善了调速系统的性能，具有良好的适用范围。

Description

一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术
技术领域
本发明涉及一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机控制领域，尤其是一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制领域。
背景技术
开关磁阻电机作为一种新型的调速电机，在电动汽车领域因其结构简单、容错能力强、控制方式多样和可靠性强等被广泛关注。随着消费者对电动车动力需求的不断增长，双电机驱动系统逐渐得到应用，成为纯电动汽车重要的动力来源。在双电机驱动系统中，当一台电机受到扰动时，两台电机均会产生跟踪误差，会导致两台电机产生转速跟踪误差，影响双电机驱动系统的稳定运行。传统的比例积分控制器难以快速消除负载扰动引起的双电机转速偏差；基于偏差耦合的双电机同步控制器将两台电机的转速差乘以耦合系数补偿到转矩环，提高了系统受到负载扰动后的同步性和系统恢复的快速性，但补偿模型较为复杂。滑模控制具有结构简单、对外界干扰具有鲁棒性等优点；线性自抗扰控制通过观测和前馈补偿的方式对被控量进行控制。为降低双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速偏差，提高同步控制性能，亟需提出有效的复合控制解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术。
本发明提出的技术方案为：
一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，其特征在于，所述控制方法通过滑模控制器输出的单台机组参考转矩和线性自抗扰控制器输出的转速偏差参考转矩修正量合成参考转矩，控制双电机转速同步；在传统滑模控制器设计的基础上，设计新型滑模面和自适应滑模趋近率，引入负载扰动观测值自适应率，根据实际转速和参考转速之差输出单台机组参考转矩，用于控制开关磁阻电机转速。采用一阶线性自抗扰控制策略，将两个电机的转速差作为输入量，并输出转速偏差参考转矩修正量，用于稳定双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步；
本发明的一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术包括以下步骤：
步骤1：设计新型滑模面、滑模趋近率以及滑模控制器；
步骤2：设计包括扩张状态观测器和状态误差反馈控制率的线性自抗扰控制器；
步骤3：基于新型滑模控制和线性自抗扰控制的组合控制；
进一步地，开关磁阻电机机械运动方程为：
Figure BDA0003564849430000011
式中，Te为电机电磁转矩；TL为电机负载转矩；ω为电机角速度；J为电机转子及负载的转动惯量；D为粘性摩擦系数；t为时间。
设计滑模控制器的滑模面为：
z＝ωref-ω (2)
Figure BDA0003564849430000021
式中，ωref为开关磁阻电机给定转速；z是设定的跟踪误差；n为滑模面的补偿系数；c为滑模面的比例系数。
为降低电机的转速抖振，设计滑模控制器的滑模趋近率是：
Figure BDA0003564849430000022
Figure BDA0003564849430000023
式中，sgn(s)是s的阶跃函数；ε和k是滑模趋近率的正系数；α是滑模趋近率的补偿因子；β是滑模趋近率的分数阶次。
进一步地，新型滑模控制率为：
Figure BDA0003564849430000024
输出参考转矩数学表达式为：
Figure BDA0003564849430000025
为降低负载扰动对参考转矩的影响，引入负载扰动观测值自适应律为：
Figure BDA0003564849430000026
式中，γ为负载扰动观测值自适用率系数。
进一步的结合式(7)和式(8)可以得到滑模控制器输出的参考转矩数学表达式为：
Figure BDA0003564849430000027
根据线性自抗扰控制理论设计一阶单输入-单输出系统：
Figure BDA0003564849430000028
式中，f(y,ω,t)为开关磁阻电机驱动系统负载扰动；b0为控制量的增益；u为输出的参考值；y为电机驱动系统的输出控制量。
对输入量和负载扰动选取合适的状态变量，并写成状态空间方程，可以得到：
Figure BDA0003564849430000029
Figure BDA0003564849430000031
x＝[x1 x2]T (13)
式中，x1和x2为系统状态变量；x为系统状态变量矩阵系数；A、B、C、D、E为状态空间方程系数矩阵；f为系统负载扰动；h为系统负载扰动f的一阶微分。
设计扩张状态观测器，对控制量进行观测，可以得到：
Figure BDA0003564849430000032
z＝[z1 z2]T (15)
式中，
Figure BDA0003564849430000033
和
Figure BDA0003564849430000034
分别为输出控制量y和负载扰动f的观测值；z1和z2分别为输出控制量y和负载扰动f的观测值；z为观测值矩阵。
将观测值写成状态空间方程，为了保证观测值趋近实际值，设计增益矩阵，可以得到：
Figure BDA0003564849430000035
Figure BDA0003564849430000036
式中，L为增益矩阵；β1和β2为增益系数。
状态空间方程为：
Figure BDA0003564849430000037
扩张状态观测器为单积分控制器：
Figure BDA0003564849430000038
式中，u0为扩张状态观测器的输出。
设计状态误差反馈控制率，对单积分控制器进行比例控制：
u0＝kp(Δωref-z1) (20)
式中，kp为线性自抗扰控制策略的比例系数；Δωref为双电机转速差的理想值。
将滑模控制和线性自抗扰控制输出的参考转矩进行组合控制，两个滑模控制器分别控制电机运行，线性自抗扰控制器降低双电机转速偏差，从而控制双电机转速同步。
有益效果：由于采用上述方案，本发明适用于一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，有效降低了负载扰动对电机转速同步性能的影响。在滑模面和滑模趋近率增加状态变量，降低了电机的动态调整时间；引入负载扰动观测值自适用率，有效避免了实时计算负载转矩；利用线性自抗扰控制器补偿负载扰动，提高了双电机的同步性能。本发明在稳态和变速变载工况下具有良好的性能，提高了使用范围，且易集成和在线实现。
附图说明
图1是本发明一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术控制框图；
图2是本发明中滑模控制策略控制原理图；
图3是本发明中线性自抗扰控制策略控制原理图；
图4是本发明一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明适用的双三相12/8开关磁阻电机的一个实施例作进一步的描述：
图1为一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术控制框图，其中SRM1和SRM2为两个开关磁阻电机，ω1ref、ω1、θ1、i1、θ1on、θ1off分别为SRM1的给定转速、实际转速、转子位置角度、相电流、开通角、关断角；ω2ref、ω2、θ2、i2、θ2on、θ2off分别是SRM2的给定转速、实际转速、转子位置角、相电流、开通角、关断角；Δω为两电机的转速差；Δωref为线性自抗扰控制的输入，是两电机转速差的理想状态；k1和k2分别为线性自抗扰控制的耦合系数，均取正值；T1ref1、T2ref1分别为控制SRM1和SRM2的滑模控制器输出的单台机组参考转矩；T1ref2、T2ref2分别为控制SRM1和SRM2的线性自抗扰控制器输出的转速偏差参考转矩修正量；T1e、T2e分别为SRM1和SRM2的负载转矩；ΔT1、ΔT2分别为SRM1和SRM2的参考转矩和负载转矩之差。利用滑模控制器分别控制两个电机运行，利用线性自抗扰控制器实现两个电机转速同步控制。首先获取两个电机的实际转速，经过滑模控制器输出的单台机组参考转矩和线性自抗扰控制器输出的转速偏差参考转矩修正量合成参考转矩，合成参考转矩与负载转矩作差，经过滞环控制器输出控制信号控制开关磁阻电机。
开关磁阻电机的机械运动方程为：
Figure BDA0003564849430000041
式中，Te为电机电磁转矩；TL为电机负载转矩；ω为电机角速度；J为电机转子及负载的转动惯量；D为粘性摩擦系数；t为时间。
为方便计算，设定给定转速和实际转速的跟踪误差为：
z＝ωref-ω (2)
式中，ωref为开关磁阻电机给定转速；z是设定的跟踪误差。
为了提升电机的趋近速率，保持电机系统的稳定性，设计滑模面为：
Figure BDA0003564849430000042
式中，n为滑模面的补偿系数；c为滑模面的比例系数。
为了降低电机的转速抖振，设计滑模趋近率为：
Figure BDA0003564849430000051
Figure BDA0003564849430000052
式中，sgn(s)是s的阶跃函数；ε和k是滑模趋近率的正系数；α是滑模趋近率的补偿因子；β是滑模趋近率的分数阶次。
新型滑模趋近率为：
Figure BDA0003564849430000053
参考转矩数学表达式为：
Figure BDA0003564849430000054
为有效避免实时计算电机负载转矩，将负载扰动引起的系统变化映射到滑模控制器滑模面的变化，并在滑模控制器中引入负载扰动观测值自适应律：
Figure BDA0003564849430000055
式中，γ为负载扰动观测值自适用率系数。
滑模控制器输出的参考转矩数学表达式为：
Figure BDA0003564849430000056
图2为滑模控制策略控制原理图，其中包括转速偏差、滑模面、滑模趋近率和系统负载扰动观测值自适应律。Tref1为滑模控制器输出的单台电机参考转矩。
根据线性自抗扰控制理论设计一阶单输入-单输出系统：
Figure BDA0003564849430000057
式中，f(y,ω,t)为开关磁阻电机驱动系统负载扰动；b0为控制量的增益；u为输出的参考值；y为电机驱动系统的输出控制量。
对输入量和负载扰动选取合适的状态变量，并写成状态空间方程，可以得到：
Figure BDA0003564849430000058
Figure BDA0003564849430000059
x＝[x1 x2]T (13)
式中，x1和x2为系统状态变量；x为系统状态变量矩阵系数；A、B、C、D、E为状态空间方程系数矩阵；f为系统负载扰动；h为系统负载扰动f的一阶微分。
为了提前补偿负载扰动对电机驱动系统的影响，设计扩张状态观测器：
Figure BDA0003564849430000061
z＝[z1 z2]T (15)
式中，
Figure BDA0003564849430000062
和
Figure BDA0003564849430000063
分别为输出控制量y和负载扰动f的观测值；z1和z2分别为输出控制量y和负载扰动f的观测值；z为观测值矩阵。
将观测值写成状态空间方程，为了保证观测值矩趋近实际值，设计增益矩阵，可以得到：
Figure BDA0003564849430000064
Figure BDA0003564849430000065
式中，L为增益矩阵；β1和β2为增益系数。
z为x的观测值，可以得到：
Figure BDA0003564849430000066
为了保证观测值与实际值的准确性，估计误差要随着时间趋近于零，即x-z逐渐趋近于零：
Figure BDA0003564849430000067
Figure BDA0003564849430000068
根据现代控制理论，，当A-L的特征值小于零时，x-z逐渐趋近于零，可以得到：
Figure BDA0003564849430000069
为保证观测值的准确性，增益矩阵参数为：
Figure BDA00035648494300000610
式中，ω0为观测器带宽。
扩张状态观测器可以简化为单积分器系统，可以得到：
Figure BDA0003564849430000071
式中，u0为扩张状态观测器的输出。
设计状态误差反馈控制率，对单积分器进行比例控制：
u0＝kp(Δωref-z1) (24)
式中，kp为线性自抗扰控制策略的比例系数；Δωref为双电机给定转速之差。
图3为线性自抗扰控制策略控制原理图，其中LSEF为状态误差反馈控制率，LESO为扩张状态观测器。e为两电机参考转速之差Δωref和转速差观测值z1的差值，Tref2为线性自抗扰控制器输出的转速偏差参考转矩修正量。
图4为一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术的流程图，采用双闭环控制策略，外环为转速环，内环为转矩环。通过滑模控制器和线性自抗扰控制器将开关磁阻电机的参考转速和实际转速的跟踪误差输出为参考转矩，两个滑模控制器分别控制电机运行，线性自抗扰控制器降低双电机转速误差，将实时的相电流和位置信息经过转矩估算单元转化为开关磁阻电机的电磁转矩，通过参考转矩和电磁转矩形成转矩环，根据两者的差值由指环控制器输出控制信号，将转速误差限制在允许范围内，形成电机控制闭环，从而控制双电机转速同步。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，均应落在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，其特征在于，所述控制方法通过滑模控制器输出的单台机组参考转矩和线性自抗扰控制器输出的转速偏差参考转矩修正量合成参考转矩，控制双电机转速同步；在传统滑模控制器设计的基础上，设计新型滑模面和自适应滑模趋近率，引入负载扰动观测值自适应率，根据实际转速和参考转速之差输出单台机组参考转矩，用于控制开关磁阻电机转速。采用一阶线性自抗扰控制策略，将两个电机的转速差作为输入量，并输出转速偏差参考转矩修正量，用于控制双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步。
2.根据权利要求1所述的一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，其特征在于，所述一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术包括如下步骤：
步骤1：设计新型滑模面、滑模趋近率以及滑模控制器；
步骤2：设计包括扩张状态观测器和状态误差反馈控制率的线性自抗扰控制器；
步骤3：基于新型滑模控制和线性自抗扰控制的组合控制。
3.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，其特征在于，步骤1的具体操作是：
所述开关磁阻电机机械运动方程为，
Figure FDA0003564849420000011
式中，Te为电机电磁转矩；TL为电机负载转矩；ω为电机角速度；J为电机转子及负载的转动惯量；D为粘性摩擦系数；t为时间；
滑模控制器的滑模面为：
z＝ωref-ω (2)
Figure FDA0003564849420000012
式中，ωref为开关磁阻电机给定转速；z是设定的跟踪误差；n为滑模面的补偿系数；c为滑模面的比例系数；
滑模控制器的滑模趋近率是：
Figure FDA0003564849420000013
Figure FDA0003564849420000014
式中，sgn(s)是s的阶跃函数；ε和k是滑模趋近率的正系数；α是滑模趋近率的补偿因子；β是滑模趋近率的分数阶次；
新型滑模趋近率的导数为，
Figure FDA0003564849420000021
输出参考转矩数学表达式为，
Figure FDA0003564849420000022
负载扰动观测值自适应律为：
Figure FDA0003564849420000023
式中，γ为负载扰动观测值自适用率系数；
滑模控制器输出的参考转矩数学表达式为：
Figure FDA0003564849420000024
4.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，其特征在于，步骤2的具体操作是：
根据线性自抗扰控制理论设计一阶单输入-单输出系统，
Figure FDA0003564849420000025
式中，f(y,ω,t)为开关磁阻电机驱动系统负载扰动；b0为控制量的增益；u为输出的参考值；y为电机驱动系统的输出控制量；
选取合适的状态变量，并写成状态空间方程为，
Figure FDA0003564849420000026
Figure FDA0003564849420000027
x＝[x1 x2]T (13)
式中，x1和x2为系统状态变量；x为系统状态变量矩阵系数；A、B、C、D、E为状态空间方程系数矩阵；f为系统负载扰动；h为系统负载扰动f的一阶微分；
设计一阶线性状态扩张观测器，观测控制量，
Figure FDA0003564849420000028
z＝[z1 z2]T (15)
式中，
Figure FDA0003564849420000029
和
Figure FDA00035648494200000210
分别为输出控制量y和负载扰动f的观测值；z1和z2分别为输出控制量y 和负载扰动f的观测值；z为观测值矩阵；
将观测值写成状态空间方程，为了保证观测值矩趋近实际值，设计增益矩阵，可以得到，
Figure FDA0003564849420000031
Figure FDA0003564849420000032
式中，L为增益矩阵；β1和β2为增益系数；
状态空间方程为，
Figure FDA0003564849420000033
一阶线性状态观测器为单积分控制器：
Figure FDA0003564849420000034
式中，u0为扩张状态观测器的输出；
设计状态误差反馈控制率，对单积分控制器进行比例控制，
u0＝kp(Δωref-z1) (20)
式中，kp为线性自抗扰控制策略的比例系数；Δωref为双电机转速差的理想值。
5.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车双开关磁阻电机转速同步控制技术，其特征在于，步骤3的具体操作为将滑模控制器输出的单台机组参考转矩和线性自抗扰控制器输出的转速偏差参考转矩修正量进行组合控制，两个滑模控制器分别控制电机运行，线性自抗扰控制器降低双电机转速偏差，从而控制双电机转速同步。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115664295A (zh) * 2022-12-27 2023-01-31 北京科技大学 一种大功率异步牵引电机的定速控制方法及系统
CN116248003A (zh) * 2023-05-06 2023-06-09 四川省产品质量监督检验检测院 基于滑模控制的开关磁阻电机自抗扰速度控制方法和系统

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