永磁同步電機轉矩控制方法與流程
2024-03-10 07:24:15
本發明屬於控制技術領域。
背景技術：
當今新能源汽車以其節能減排的特點廣受社會各界關注，得到各國乃至各大汽車廠商的大力開發和應用。尤其是輪轂電驅動汽車，因採用輪轂電機技術尤其是四輪輪轂驅動電機，使得整車四輪驅動力獨立可控，整車動力操縱更為靈活、方便，可有效提高電動汽車在惡劣環境下的行駛性能，正逐步成為未來最具發展潛力的純電動汽車類型。作為電動汽車輪轂驅動電機的主要選擇，永磁同步電機因其具有體積小，質量輕，運行可靠，大轉矩輸出，調速範圍寬，高功率密度和高效率等優點，能夠滿足高性能電動汽車電機驅動控制系統的基本要求。
輪轂電機作為驅動源在滿足電動汽車的行駛動力性需求的同時，還要滿足行駛過程中的舒適性、環境適應性和一次充電可以行駛的續駛裡程的性能。因此，作為輪轂驅動電機的永磁同步電機控制技術不僅需要滿足駕駛員的轉矩驅動和制動需求，也要通過減少電機損耗提高驅動能效的控制需求，這是一個多目標實現的問題，由此同普通工業用電機相比控制要求更為嚴格、複雜，這也是輪轂電驅動汽車發展的核心問題之一。
目前，針對永磁同步電機的控制方法主要有矢量控制和直接轉矩控制，近些年來由於微處理器的快速發展，數字控制器的計算能力有了大大的提升，使得一些高級控制算法，尤其是模型預測控制算法得以在電機控制當中實現。許多專家在永磁同步電機驅動控制方面進行了許多努力，針對於預測控制的實施也提出了一些相對成型的方法，如專利CN201310740488、CN201610197283、CN201610533077、CN201510676715等，但在已公開的專利方法中仍存在一些有待解決的問題：(1)使電機在滿足驅/制動動力需求的同時，實現減少驅動系統中電機和逆變器的損耗提高整體能效的多目標控制需求；(2)有效處理已存在的物理約束，如電流限幅；(3)在求解過程中制定篩選原則減少候選解的計算，降低迭代次數，減少計算負擔，以提高算法計算效率。
因此，研究可有效滿足駕駛員動力性和經濟性的多控制需求，處理已存在的約束限制，提高自主調節能力，響應速度快的永磁同步電機轉矩控制策略,對輪轂電驅動汽車電控技術發展而言意義十分重大。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一中基於驅動轉矩需求估算和預測控制，以解決駕駛員驅/制動和提高能效多控制需求的折中優化和建立優化問題求解篩選原則提高計算效率問題的永磁同步電機轉矩控制方法。
本發明的電機轉矩預測控制流程是：
步驟1）先將轉矩參考值根據電機方程轉化為電機定子矢量電流參考值；
步驟2）建立三相逆變器開關狀態和輸出的矢量電壓之間的關係式；
步驟3）將採集的當前電機三相電流值進行clark和park變換為轉子坐標系下d-q軸電流，並根據候選開關狀態對應的矢量電壓和永磁同步電機電流動態方程估算下一個時域的電流值；
步驟4）通過優化問題的代價函數和約束限制，以及篩選原則比較得到最優的開關組合狀態，作用逆變器驅動電機。
本發明的步驟是：
步驟1）：先將單個電機轉矩參考值根據電機方程轉化為永磁同步電機在轉子坐標系下的定子d-q軸矢量電流的參考值：
（5）
式中，和分別表示電機在轉子坐標系下的d軸和q軸電流，單位A，其中表示參考值；
步驟2）：建立三相逆變器開關狀態和轉子坐標系下的d-q軸輸出矢量電壓之間的關係式：
首先定義a、b、c三個橋的輸出電壓分別為、、，單位V，計算如下：
（6）
式中，表示母線直流電壓，單位V；、、分別表示三相開關狀態，僅有0和1兩個狀態，無量綱單位；三相橋式電路每個橋之間存在一個正交向量的相位移，即，由此定義輸出電壓矢量為三相電壓的矢量和：
（7）
將帶入(7)，然後將輸出電壓矢量表示為軸上的矩陣形式：
（8）
再經過Park變換，軸上的矢量電壓轉換為轉子坐標系下的定子d-q軸的矢量電壓，即：
（9）
式中表示永磁同步電機的轉子角位移，單位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆變器開關狀態信號和定子d-q軸矢量電壓之間的關係式：
(10)
步驟3）：下一個時刻的電流值估算過程：
首先，採集到當前電機的a、b、c三相電流值、、，單位A，同樣根據clark和park變換，轉換成轉子坐標系下定子d-q軸的矢量電流，作為預測控制的初始狀態值，即：
（11）
然後，根據Kirchoff電壓定律和電感特性，建立永磁同步電機轉子坐標系下的定子d-q軸電流方程，即：
（12）
式中，表示電樞電阻，單位；和分別表示d-q軸電感，單位H；表示極對數，無量綱；表示永磁鐵磁通量，單位Wb；
然後，將公式(10)帶入(12)中，整理得到控制輸入為開關狀態好狀態量為d-q矢量電流的動態方程：
（13）
定義變量，則公式(13)可轉換為；
採用梯形積分法離散化動態方程(13)，計算公式：
（14）
式中，表示估算的下一時刻d-q軸電流矢量值，表示中間計算量，表示系統採樣周期，單位s；為0-1之間的調節因子，無量綱；
步驟4）：最優的開關組合：制定電機轉矩預測控制器的目標函數，如下：
（15）
式中，表示加權係數，單位分別為和；表示當前最優目標函數，單位無量綱；分別表示轉矩跟蹤誤差最小和能耗最低兩個子目標，單位無量綱。
本發明單個電機轉矩參考值的獲得：
根據永磁同步電機的機械外特性曲線，估算出當前狀態車輛所需的電機驅動軸轉矩：
（1）
（2）
式中，和分別表示整車所需的驅動轉矩和制動轉矩，單位Nm；和分別表示駕駛員的加速踏板和制動踏板開度(0-1)，無量綱；表示電機輸出軸和車輪力矩軸之間的傳動比，一般大於1，無量綱；表示實時的電機輸出軸轉速，單位rad/s；表示實時的電機最大軸輸出轉矩，單位Nm，是一個關於轉速的函數，由轉速和外特性決定；
實時的電機最大軸輸出轉矩的計算如下：
（3）
式中為最大功率，為最大輸出轉矩；
計算得到單個輪轂電機期望轉矩值，如下：
（4）。
本發明最小轉矩跟蹤誤差和最低能耗：
①在中，估算得到單個電機的驅/制動轉矩期望值如公式(4)，並轉化為電機電流的參考值如公式(5)，通過控制永磁同步電機的d-q軸的下一時刻預測電流跟蹤電流參考值誤差最小，實現良好的車輛縱向加速和制動性能性能；
②在中，電機驅動系統能耗包括電機自身的銅損和逆變器開關損耗，電機自身銅損和通電電流有關，即：
（16）
式中，表示 時間間隔內銅損能耗能量，單位J；
逆變器開關損耗包括三相橋臂上6個IGBT開關的關斷損耗和導通損耗，定義下角標表示a、b、c逆變器三個橋臂，則第相IGBT在單個時間間隔內的損耗能量，單位J，計算如下：
（17）
式中，分別表示在時間間隔內逆變器單個橋臂上IGBT開關的名義工況下導通、閉合和關斷損耗能量，單位J；分別表示IGBT開關名義工況下的電流和電壓值，單位分別為A和V；，無量綱，單位J；表示逆變器第橋臂當前開關的狀態改變，如果當前開關狀態為，上一時刻開關狀態為，則；
逆變器的三相橋臂總計能量損耗，單位J：
（18）
式中，開關狀態變化矢量
，維度3*1，無量綱；表示abc矢量電流的下一時刻的預測值，單位A，由下式計算得到：
（19）
式中，和可由公式(11)、(13)和(14)計算得到；
③兩步篩選原則：在計算目標函數前篩選掉不符合電機運行條件的候選開關狀態，兩步篩選原則：
A、實行最小開關損耗原則，每時域的候選解由8個降低為4個，可將其描述為；
B、約束 ，為永磁同步電機d-q軸電流限幅約束，將預測值超出邊界範圍開關狀態候選解篩選掉。
本發明有益效果是：
1. 本發明所述的轉矩控制方法，採集駕駛員踏板信息和車輪轉速信息的根據永磁同步電機的機械外特性曲線計算車輛所需驅動力矩值，有效解釋了駕駛員的驅/制動的動力需求，為後續電機控制提供參考，提高了系統可靠性。
2. 本發明所述的永磁同步電機轉矩預測控制方法，採用預測控制方法能有效處理這個多目標複雜優化控制問題，並且顯性處理電流限幅約束，有效實現動力性和經濟性兩個不同的需求。
3. 本發明所述的篩選原則方法，減少了迭代次數，提高了整體方法的計算性能，同時計算結構清晰簡單，易於組合實現和方法升級。
附圖說明
圖1是是實施本發明所述的輪轂電驅動汽車結構示意圖；
圖2是實施本發明所述的兩級三相全橋逆變器及永磁同步電機連接結構簡圖；
圖3是實施本發明所述的基於驅動轉矩需求估算和預測控制的永磁同步電機轉矩控制系統原理框圖；
圖4是實施本發明所述的轉矩控制過程的總體流程圖;
圖5是實施本發明所述的模型預測控制基本原理圖；
圖6是實施本發明所述的三相逆變器的不同開關狀態組合圖。
具體實施方式
本發明依託平臺為輪轂電驅動汽車，其結構示意如圖1所示，主要包括四個獨立的輪轂電機1、2、3、4（電機通過傳感器測量得到電流信息和輪速信息），四個與之對應的電機控制器5、6、7、8，一個整車控制器10，以及為整車控制器10和永磁同步電機控制器5、6、7、8 之間提供通訊的CAN網絡11，還有電池組9為四個電機提供電源。整車控制器10 的作用就是根據駕駛員實時驅/制動命令和電機控制器5、6、7、8 提供的相應的四個輪的轉速信息，通過計算得到整車驅/制動需求轉矩，並作為四個電機的參考命令。電機控制器5、6、7、8 的主要功能是採集轉速信息反饋給整車控制器，根據整車控制器10提供的轉矩命令，控制逆變器驅動相應的輪轂電機1、2、3、4 的轉矩快速穩定的跟蹤控制。本發明中永磁同步電機與兩級三相全橋逆變器連接結構，如圖2所示，其中兩級三相全橋逆變器由6個Q1-Q6表示的IGBT和續流二極體開關組合構成。
本發明的基於驅動轉矩需求估算和預測控制的永磁同步電機轉矩控制系統結構框圖如圖3所示，主要由整車轉矩需求計算模塊、永磁同步電機預測控制模塊組成。總體方法流程如圖4所示。首先，整車轉矩需求估算模塊，採集駕駛員加速-制動踏板信息和車輪轉速信息，根據永磁同步電機的機械外特性曲線，估算出當前狀態車輛所需的電機驅動軸轉矩。然後，在永磁同步電機轉矩預測控制模塊，
步驟1）先將轉矩參考值根據電機方程轉化為電機定子矢量電流參考值；
步驟2）建立三相逆變器開關狀態和輸出的矢量電壓之間的關係式；
步驟3）將採集的當前電機三相電流值進行clark和park變換為轉子坐標系下d-q軸電流，並根據候選開關狀態對應的矢量電壓和永磁同步電機電流動態方程估算下一個時域的電流值；
步驟4）通過優化問題的代價函數（電流跟蹤誤差最小和電機-逆變器損耗最小）和篩選原則比較得到最優的開關組合狀態，作用逆變器驅動電機。以上完成了駕駛員-整車控制器-電機控制器-逆變器-電機-整車-控制器的閉環控制。
永磁同步電機轉矩預測控制模塊
模型預測控制為多步預測，基本思想可以描述為在線求解一個有限時域內的開環最優控制問題，同時保證系統滿足目標函數、狀態及輸入約束等。預測控制可以簡單概括為三步：根據獲得的當前量測信息和預測模型預測系統未來動態；保證目標函數和約束條件下在線求解優化問題；解的第一個元素作用於系統。模型預測控制是在每個採樣時刻重複進行的，而預測系統未來動態的起點是當前的測量值，即用每個採樣時刻的測量值作為預測的初始條件。模型預測控制的基本原理如圖5所示。在當前時刻t，從被控系統獲得測量值，根據測量信息和預測模型，預測系統在預測時域內的未來動態行為，優化開環性能指標函數(本發明中目標函數有四個部分)，尋找出控制時域內最佳的控制輸入序列，使得預測的系統輸出與期望的系統輸出越接近越好，即圖 5中的陰影部分面積最小。
本發明的步驟是：（電機轉矩預測控制流程見圖4）
步驟1）：先將單個電機轉矩參考值根據電機方程轉化為永磁同步電機在轉子坐標系下的定子d-q軸矢量電流的參考值，在永磁同步電機特性中正比於電機電磁轉矩，由此可將轉矩跟蹤問題轉化為電流跟蹤控制問題，同時為減少無功功率和磁阻轉矩，需使得儘可能的小接近0：
（5）
式中，和分別表示電機在轉子坐標系下的d軸和q軸電流，單位A，其中表示參考值。
步驟2）：建立三相逆變器開關狀態和轉子坐標系下的d-q軸輸出矢量電壓之間的關係式：
首先定義a、b、c三個橋的輸出電壓分別為、、，單位V，計算如下：
（6）
式中，表示母線直流電壓，單位V；、、分別表示三相開關狀態，僅有0和1兩個狀態，無量綱單位；三相橋式電路每個橋之間存在一個正交向量的相位移，即，由此定義輸出電壓矢量為三相電壓的矢量和：
（7）。
將帶入(7)，然後將輸出電壓矢量表示為軸上的矩陣形式：
（8）。
再經過Park變換，軸上的矢量電壓轉換為轉子坐標系下的定子d-q軸的矢量電壓，即：
（9）
式中表示永磁同步電機的轉子角位移，單位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆變器開關狀態信號和定子d-q軸矢量電壓之間的關係式：
(10)。
步驟3）：將採集的當前電機三相電流值進行clark和park變換為轉子坐標系下d-q軸電流，並根據候選開關狀態對應的矢量電壓和永磁同步電機電流動態方程估算下一個時刻的電流值。
首先，採集到當前電機的a、b、c三相電流值、、，單位A，同樣根據clark和park變換，轉換成轉子坐標系下定子d-q軸的矢量電流，作為預測控制的初始狀態值，即：
（11）。
然後，根據Kirchoff電壓定律和電感特性，建立永磁同步電機轉子坐標系下的定子d-q軸電流方程，即：
（12）
式中，表示電樞電阻，單位；和分別表示d-q軸電感，單位H；表示極對數，無量綱；表示永磁鐵磁通量，單位Wb。
然後，將公式(10)帶入(12)中，整理得到控制輸入為開關狀態好狀態量為d-q矢量電流的動態方程：
（13）。
為便於後續計算，定義變量，則公式(13)可轉換為；
為提高離散精確性，本發明採用梯形積分法離散化動態方程(13)，計算公式：
（14）
式中，表示估算的下一時刻d-q軸電流矢量值，表示中間計算量，表示系統採樣周期，單位s；為0-1之間的調節因子，無量綱。
步驟4）：通過優化問題的代價函數（電流跟蹤誤差最小和電機-逆變器損耗最小）和篩選原則比較得到最優的開關組合狀態，作用逆變器驅動電機。首先，根據前面提到的動力性和經濟性需求，制定電機轉矩預測控制器的目標函數，如下：
（15）
式中，表示加權係數，單位分別為和；表示當前最優目標函數，單位無量綱；分別表示轉矩跟蹤誤差最小和能耗最低兩個子目標，單位無量綱。
本發明單個電機轉矩參考值的獲得：
本發明最大傳輸力矩估算算法的核心思想是採集駕駛員加速-制動踏板信息和車輪實時轉速信息，根據永磁同步電機的機械外特性曲線，估算出當前狀態車輛所需的電機驅動軸轉矩，原理如下所示：
（1）
（2）
式中，和分別表示整車所需的驅動轉矩和制動轉矩，單位Nm；和分別表示駕駛員的加速踏板和制動踏板開度(0-1)，無量綱；表示電機輸出軸和車輪力矩軸之間的傳動比，一般大於1，無量綱；表示實時的電機輸出軸轉速，單位rad/s；表示實時的電機最大軸輸出轉矩，單位Nm，是一個關於轉速的函數，由轉速和外特性決定；從電機的外特性可知，當電機低速時未達到最大功率限制時，恆定，等於最大輸出轉矩，電機會沿著外特性曲線以恆轉矩加速；隨著電機轉速逐漸增大，電機達到最大功率點後，會以恆功率加速，實時最大軸輸出轉矩會逐漸減小。
由此，實時的電機最大軸輸出轉矩的計算如下：
（3）
式中為最大功率，為最大輸出轉矩。
由於駕駛員不能同時操作加速和制動，所以和之和為總的駕駛員轉矩需求，根據前期研究發現基於電機能效凸曲線特性進行整車優化，可得平均分配前後車輪輪轂電機轉矩，會使整車系統轉矩分配能耗最小，由此計算得到單個輪轂電機期望轉矩值，如下：
（4）。
本發明最小轉矩跟蹤誤差和最低能耗：
①在中，電機轉矩控制系統首先滿足駕駛員的驅/制動轉矩的動力性需求，保證車輛能夠按照駕駛員的意圖加速減速。為了實現這個目標，根據前面的分析，估算得到單個電機的驅/制動轉矩期望值如公式(4)，並轉化為電機電流的參考值如公式(5)，通過控制永磁同步電機的d-q軸的下一時刻預測電流跟蹤電流參考值誤差最小，實現良好的車輛縱向加速和制動性能性能；
②在中，在保證車輛動力性能的同時，降低電機驅動系統的能耗，提高整車能效。電機驅動系統能耗包括電機自身的銅損和逆變器開關損耗，電機自身銅損和通電電流有關，即：
（16）
式中，表示 時間間隔內銅損能耗能量，單位J；
逆變器開關損耗包括三相橋臂上6個IGBT開關的關斷損耗和導通損耗，定義下角標表示a、b、c逆變器三個橋臂，則第相IGBT在單個時間間隔內的損耗能量，單位J，計算如下：
（17）
式中，分別表示在時間間隔內逆變器單個橋臂上IGBT開關的名義工況下導通、閉合和關斷損耗能量，單位J；分別表示IGBT開關名義工況下的電流和電壓值，單位分別為A和V；，無量綱，單位J；表示逆變器第橋臂當前開關的狀態改變，如果當前開關狀態為，上一時刻開關狀態為，則；當時，逆變器開關狀態不發生變化時候，有一個IGBT保持導通狀態，另一個仍保持斷開狀態，所以存在導通損耗；當時，逆變器開關狀態發生變化時，單個橋臂上的兩個IGBT開關會一個關斷另一個閉合，所以存在關斷損耗和閉合損耗。
因此，逆變器的三相橋臂總計能量損耗，單位J：
（18）
式中，開關狀態變化矢量
，維度3*1，無量綱；表示abc矢量電流的下一時刻的預測值，單位A，由下式計算得到：
（19）
式中，和可由公式(11)、(13)和(14)計算得到。
本發明所述的控制器的整車縱向加速-制動的動力性能和驅動系統能效的經濟性能目標都是通過構造對應的代價函數來實現。它們之間通過加權係數來調節彼此的比重，從而實現車輛多個需求不同性能指標間的折中優化。
③兩步篩選原則：由於逆變器的不同開關狀態組合，產生8種不同的待選電壓矢量，如圖6所示，其中6個為有效矢量，另外2個為零矢量，不產生輸出電壓。為充分利用微處理器有限資源，減少不必要的迭代和比較，需要在計算目標函數前篩選掉不符合電機運行條件的候選開關狀態，減少計算負擔，從而提高計算速度。下面是兩步篩選原則。
A、實行最小開關損耗原則，即開關切換時，僅考慮一個開關切換或都保持不變，以避免產生截然相反的電壓矢量和，來減少電流脈動，因此每時域的候選解由8個降低為4個，可將其描述為。
B、約束 ，為永磁同步電機d-q軸電流限幅約束，將預測值超出邊界範圍開關狀態候選解篩選掉。
參見圖4所示，當選取的開關狀態符合最小開關損耗原則即A時，進行步驟3),估算下一時刻電流值，見公式(13)和(14)；如果不符合，返回開關狀態候選集，依順序選取下一個開關狀態。當步驟3)估算的下一時刻電流值符合電流限幅約束即B時，繼續進行步驟4)通過優化問題的代價函數比較得到使得函數值最小的最優開關組合狀態, 見公式(15),然後作用逆變器開關；如果不符合，返回開關狀態候選集，依順序選取下一個開關狀態。通過兩步篩選原則，提前剔除掉不符合條件的候選開關狀態，減少下一時刻電流值的估算和優化函數的計算次數，降低整個控制系統的計算負擔，從而提高整體方法的運算效率。
本發明首先根據駕駛員踏板信息和車輪轉速信息，估算出當前狀態車輛所需的電機驅動軸轉矩，然後採用預測控制算法來設計永磁同步電機轉矩控制器，以有效跟蹤驅動軸轉矩目標值，獲得良好的加速或者制動性能，同時減少電機和逆變器的損耗提高整車能效。基於駕駛員踏板信息和車輪轉速信息的車輛所需驅動力矩的估算有效解釋了當前車輛狀態和運行環境下駕駛員的驅/制動動力需求。採用預測控制方法能有效處理這個多目標複雜優化控制問題，並且顯性處理約束，有效實現駕駛員驅/制動的動力性需求和提高系統能效的經濟性需求之間的折中優化。