一种电动汽车永磁同步电机优化抗扰动控制器的制作方法

1.本发明属于汽车驱动控制领域，特别涉及用于电动汽车的永磁同步电机的控制器。


背景技术：

2.目前新能源汽车根据能量来源主要分为三类：一是只由蓄电池提供能源的纯电动汽车，二是燃油机和蓄电池共同工作的混合动力汽车，三是采用氢能源等清洁能源的燃料电池汽车。由于电动汽车主要运行在城市中，实现零污染排放，所以大力推动新能源汽车产业的发展能够显著提高城市空气质量，降低噪音水平。由于电动汽车运行情况比较复杂，对高精度，高扭矩，低功耗和动态响应迅速方面有要求，所以在目前电池容量问题无法获得重大突破的情况下，电动汽车驱动控制系统的设计显得极为重要。直流电机因其电机自身结构，面对电动汽车复杂工况无法满足可靠性要求。开关磁阻电机在运行状态下的噪声和抖动是比较突出的问题。感应电机因其结构简单，易于弱磁控制，但是功率密度和扭矩密度较低。永磁同步电机转子使用永磁体，利用稀土永磁体特性替代感应电机的电磁感应作用，有效减少损耗，因其自身结构特点，永磁同步电机较感应电机体积小，重量轻和调速范围广，所以在电动汽车驱动电机领域具有广阔前景。
3.目前，传统驱动电机控制方法以难以达到现代工业的性能标准，因此，为了从根本上挺高电动汽车动力性性能，需要新的控制算法来提高驱动电机的动态响应速度、实时跟踪精度等。中国专利申请号为202010004868.4，名称是“一种新能源汽车驱动电机鲁棒最优抗干扰控制器的构造方法”的文献中提出的控制器，在局限于模型不确定误差下提高抗干扰性能，但未考虑负载扰动情况下的控制效果，所涉及自构造神经网络控制器和误差观测器结构复杂，输入量繁多，增加了控制器成本，此外，其无法在线调节控制增益，不便于实际操作。


技术实现要素：

4.本发明的目的是优化现有电动汽车永磁同步电机的控制，提供了一种既能保证系统运行期间稳定性又能实时调节控制增益实现为测量状态估计零误差的电动汽车永磁同步电机优化抗扰动控制器，解决电机模型误差和存在负载扰动下控制效果不佳的缺陷。
5.本发明一种电动汽车永磁同步电机优化抗扰动控制器采用的技术方案是：其串接在运动轨迹模块和终端模块之间且连接包含有永磁同步电机的电动汽车驱动电机系统输出端，终端模块的输出端连接电动汽车驱动电机系统输入端，其由误差补偿模块、扰动优化模块、收敛控制器、自抗扰控制器、自调节控制器、非线性扰动观测器以及比值计算模块组成，运动轨迹模块输出期望运动轨迹xd至所述的误差补偿模块；所述的误差补偿模块以期望运动轨迹xd以及非线性扰动观测器输出的转子位置角度估计值转子角速度估计值为输入，输出轨迹误差e及其微分值所述的扰动优化模块以轨迹误差e及其微分值为输
入，计算得到优化扰动值s；所述的收敛控制器以轨迹误差微分优化扰动值s以及反馈的收敛值μ作为输入，输出收敛导数收敛导数经第一个微分模块运算后得到收敛值μ；所述的自抗扰控制器以优化扰动值s和收敛值μ作为输入，得到自抗扰控制电流i
q2
：所述的期望运动轨迹xd经第二个微分模块作微分运算后得到其一阶导数一阶导数输入到比值计算模块中，该一阶导数经第三个微分模块运算后得到二阶导数二阶导数输入到自调节控制器中；比值计算模块以一阶导数为输入，输出值，j0是标定等效转动惯量，t
f0
是标定非线性摩擦力；所述的自调节控制器以轨迹误差微分值二阶导数二阶导数值以及终端扰动估计值为输入，计算出自调节控制电流i
q1
：所述的自调节控制电流i
q1
和自抗扰控制电流i
q2
相加得到优化电流i
′q，优化电流i
′q分别输入到非线性扰动观测器和终端模块中，由终端模块计算出参考电流i
q*
，参考电流i
q*
输入至电动汽车驱动电机系统中得到转子位置角度θ，转子位置角度θ输入到非线性扰动观测器中；所述的非线性扰动观测器以转子位置角度θ、优化电流i
′q以及值作为输入，输出终端扰动估计值转子位置角度估计值和转子角速度估计值所述的转子位置角度估计值和转子角速度估计值输入到误差补偿模块中，所述的终端扰动估计值输入到自调节控制器中。
6.进一步地，所述的非线性扰动观测器由一阶微分器、参数估计模块、一次比例计算模块、开立方二阶计算模块、乘积计算模块、三次比例计算模块、开立方一阶计算模块、二次比例计算模块以及三个一阶积分器组成，一阶微分器以转子位置角度θ为输入，计算得到转子角速度参数估计模块以转子位置角度θ和转子角速度为输入，估计出初端转子位置角度估计值和初端角速度估计值转子位置角度θ与初端转子位置角度估计作差得到误差e
θ
；位置角度误差e
θ
分别输入一次比例计算模块、开立方二阶计算模块、乘积计算模块、三次比例计算模块、开立方一阶计算模块和二次比例计算模块中；位置角度误差e
θ
经一次比例计算模块计算得到并输出，经开立方二阶计算模块计算得到l3|e
θ
|2/3×
sign(e
θ
)并输出；初端转子位置角度估计与三者相加得到转子位置角度估计值导数初端转子位置角度估计输入到第一个一阶积分器中，得到转子位置角度估计值位置角度误差e
θ
经乘积计算模块计算得到l1sign(e
θ
)并输出，经三次比例计算模块计算得到输出并输出，l1sign(e
θ
)和相加得到扰动估计值导数扰动估计值导数输入到第二个一阶积分器得到终端扰动估计值位置角度误差e
θ
经开立方一阶模块计算出l2|e
θ
|1/3×
sign(e
θ
)并输出，经二次比例计算模块计算出并输出，计算出
终端转子角速度估计值导数终端转子角速度估计值导数输入第三个一阶积分器中得到终端转子角速度估计值l1、l2、l3、ω0、ε为非线性扰动观测器增益常数，l1、l2、l3取值为0～10；ω0为40～60；ε为0～1。
7.本发明的有益效果是：
8.1、本发明在电机模型不确定误差和存在负载扰动的情况下，能实现良好的动态响应，实现扰动优化信号增益的在线实时调节，满足电机驱动系统的变化要求。
9.2、本发明的非线性扰动观测器保证了整个控制系统的稳定性和未测量状态估计的零误差。
10.3、本发明基于永磁同步电动机输出反馈位置跟踪控制，输入量少，只有运动估计模块的输出，控制结构简单，有效克服了控制系统繁琐复杂同时效果不佳的缺陷，抗扰动性能显著增强。
附图说明
11.图1是本发明一种电动汽车永磁同步电机优化抗扰动控制器及其与运动轨迹模块31、终端模块38和电动汽车驱动电机系统1相连接的结构框图；
12.图2是图1中的电动汽车驱动电机系统1的构成框图；
13.图3是图1中的非线性扰动观测器37的构成原理框图。
14.图中：1.电动汽车驱动电机系统；2.优化抗扰动控制器；11.电流环pi模块；12.电压坐标变换模块；13.svpwm模块；14.逆变器；15.永磁同步电机；16.电流坐标变换模块；15.永磁同步电机；20.一阶微分器；21.参数估计模块；22.一次比例计算模块；23.开立方二阶计算模块；24.乘积计算模块；25.三次比例计算模块；26.开立方一阶计算模块；27.二次比例计算模块；31.运动轨迹模块；32.误差补偿模块；33.扰动优化模块；34.自调节控制器；35.收敛控制器；36.自抗扰控制器；37.非线性扰动观测器；38.终端模块；39.比值计算模块；
15.281.第一个一阶积分器；282.第二个一阶积分器；283.第三个一阶积分器。
具体实施方式
16.如图1所示，本发明一种电动汽车永磁同步电机优化抗扰动控制器2由误差补偿模块32、扰动优化模块33、收敛控制器35、自抗扰控制器36、自调节控制器34、非线性扰动观测器37以及比值计算模块39组成，串接在运动轨迹模块31和终端模块38之间，并且连接电动汽车驱动电机系统1的输出端，终端模块38的输出端连接电动汽车驱动电机系统1。
17.优化抗扰动控制器2的输入端连接运动轨迹模块31，优化抗扰动控制器2接受期望运动轨迹xd，运动轨迹模块31输出期望运动轨迹xd至误差补偿模块32；优化抗扰动控制器2输出优化电流i
′q，优化抗扰动控制器2的输出端经终端模块38连接电动汽车驱动电机系统1，电动汽车驱动电机系统1包含永磁同步电机。终端模块38以优化电流i
′q为输入，输出电动汽车驱动电机系统1所需的参考电流i
q*
。电动汽车驱动电机系统1接收参考电流i
q*
，输出转子位置角度θ。同时转子位置角度θ作为反馈，输入优化控制器2中。
18.误差补偿模块32的输出端分别连接扰动优化模块33、自调节控制器34和收敛控制
器35，误差补偿模块32以期望运动轨迹xd以及非线性扰动观测器37输出的转子位置角度估计值转子角速度估计值为输入，对输入的三个信号进行误差补偿计算，得到轨迹误差e及其微分值
[0019][0020]
误差补偿模块32将轨迹误差e及其微分值输入至扰动优化模块33，将微分值分别输入至自调节控制器34和收敛控制器35中。
[0021]
扰动优化模块33以轨迹误差e及其微分值为输入，根据下式计算得到优化扰动值s：
[0022][0023]
其中，k0、k1与k2为优化增益，k0取值为25～35；k1取值为5～15；k2取值为5～15，α、β为误差增益，0＜β＜2，α＞β。
[0024]
扰动优化模块33的输出端分别连接收敛控制器35和自抗扰控制器36，将优化扰动值s分别输入到收敛控制器35和自抗扰控制器36中。
[0025]
收敛控制器35以误差补偿模块输出的轨迹误差微分扰动优化模块33输出的优化扰动值s以及反馈的收敛值μ作为输入，根据下式计算出收敛导数
[0026][0027]
其中，δ、ψ为收敛控制器35的增益，其值都为正常数，其取值范围为：0＜δ＜200，0＜ψ＜10，γ为误差增益，且0＜γ＜2。
[0028]
收敛导数经第一个微分模块作微分运算后，得到收敛值μ，将该收敛值μ反馈再给收敛控制器35。同时，将该收敛值μ输入自抗扰控制器36中。
[0029]
自抗扰控制器36以扰动优化模块33输出的优化扰动值s和收敛值μ作为输入，根据下式计算得到自抗扰控制电流i
q2
：
[0030]iq2
＝-(η μ)|s|
γ
·
sign(s)，
[0031]
其中，η为自抗扰控制36的增益，η为正常数，其取值为：0＜η＜100。
[0032]
运动轨迹模块31输出的期望运动轨迹xd经第二个微分模块作微分运算后得到其一阶导数一阶导数输入到比值计算模块39中。同时，该一阶导数经第三个微分模块作微分运算后得到二阶导数该二阶导数输入到自调节控制器34中。
[0033]
比值计算模块39以一阶导数为输入，输出的是值；其中，j0是标定等效转动惯量，t
f0
是标定非线性摩擦力。
[0034]
电动汽车驱动电机系统1的机械数学模型为：
[0035][0036]
式中，θ是转子位置角度，j是包括负载下的等效转动惯量，tf是非线性摩擦力，t
l
是
负载转矩，包括未知外部扰动。k
t
是电机的转矩常数kt＝1.5pψf，p为转子极对数，ψf为永磁体磁链。考虑到模型的不确定性，机械数学模型可以写为：
[0037][0038]
其中，k
t0
，j0，t
f0
分别是标定电机转矩常数、标定等效转动惯量以及标定非线性摩擦力；δk
t
，δj，δt
f0
分别是电机转矩误差常数、等效转动惯量误差以及非线性摩擦力误差，td是扰动量。
[0039]
比值计算模块39基于上述的机械数学模型得到标定等效转动惯量j0、标定非线性摩擦力t
f0
，从而可以计算出值。比值计算模块39的输出端分别连接自调节控制器34和非线性扰动观测器37，将计算出值分别输入到自调节控制器34和非线性扰动观测器37中。
[0040]
自调节控制器34以轨迹误差微分值期望运动轨迹xd的二阶导数值以及非线性扰动观测器37输出的终端扰动估计值为输入，根据下式计算出自调节控制电流i
q1
：
[0041][0042]
将自调节控制器34输出的自调节控制电流i
q1
和自抗扰控制器36输出的自抗扰控制电流i
q2
相加，得到优化电流i
′q：i
′q＝iqx i
q2
。
[0043]
优化电流i
′q作为整个优化抗扰动控制器2的输出，将优化电流i
′q分别输入到非线性扰动观测器37和终端模块38中，由终端模块38计算出参考电流i
q*
：
[0044][0045]
其中，k
t0
是标定电机转矩常数，j0是标定等效转动惯量。
[0046]
终端模块38的输出端连接电动汽车驱动电机系统1，最终将参考电流i
q*
输入至电动汽车驱动电机系统1中得到转子位置角度θ，转子位置角度θ输入到非线性扰动观测器37中。
[0047]
非线性扰动观测器37以转子位置角度θ、优化电流i
′q以及比值计算模块39输出的值作为输入，输出的是终端扰动估计值转子位置角度估计值和转子角速度估计值非线性扰动观测器37的输入端分别连接误差补偿模块32和自调节控制器34，将其中的转子位置角度估计值和转子角速度估计值输入到误差补偿模块32中，将终端扰动估计值输入到自调节控制器34中。
[0048]
如图2所示的电动汽车驱动电机系统1，其以参考电流i
q*
为输入，以转子位置角度θ为输出。其由电流环pi模块11、电压坐标变换模块12、svpwm模块13、逆变器14、永磁同步电机15和电流坐标变换模块16组成，其中，电流环pi模块11、电压坐标变换模块12、svpwm模块
13、逆变器14和永磁同步电机15依次串联，电流环pi模块11以电压参考电流i
d*
＝0、i
q*
为输入，输出为d、q轴电压ud、uq。d、q轴电压ud、uq为电压坐标变换模块12的输入，电压坐标变换模块12输出为α、β轴电压u
α
、u
β
。α、β轴电压u
α
、u
β
输入svpwm模块13，svpwm模块13输出为开关信号s
a,b，c
。开关信号输入逆变器14，逆变器14输出为三相电流ia、ib、ic。永磁同步电机15以三相电流ia、ib、ic为输入，输出转子位置角度θ。同时，三相电流ia、ib、ic通过电流坐标变换模块16转换为d、q轴电流id、iq，d、q轴电流id、iq再反馈至电流环pi模块11。
[0049]
如图3所示的非线性扰动观测器37，由一阶微分器20、参数估计模块21、一次比例计算模块22、开立方二阶计算模块23、乘积计算模块24、三次比例计算模块25、开立方一阶计算模块26、二次比例计算模块27以及三个一阶积分器281、282、283组成。一阶微分器20和参数估计模块21相串联，转子位置角度θ分别输入到一阶微分器20和参数估计模块21中。一阶微分器20以转子位置角度θ为输入，计算得到转子角速度并将其输入到转子角速度中。
[0050]
参数估计模块21以转子位置角度θ和转子角速度为输入，分别对转子位置角度θ和转子角速度进行估计，得到初端转子位置角度估计值和初端角速度估计值将转子位置角度θ与初端转子位置角度估计作差得到误差e
θ
。
[0051]
将位置角度误差e
θ
分别输入一次比例计算模块22、开立方二阶计算模块23乘积计算模块24、三次比例计算模块25、开立方一阶计算模块26和二次比例计算模块27中。其中，位置角度误差e
θ
经一次比例计算模块22计算得到并输出，位置角度误差e
θ
经开立方二阶计算模块23计算得到l3|e
θ
|
2/3
×
sign(e
θ
)并输出。
[0052]
初端转子位置角度估计与一次比例计算模块22输出的二阶计算模块23输出的l3|e
θ
|
2/3
×
sign(e
θ
)三者相加，得到转子位置角度估计值导数
[0053][0054]
其中，ω0、ε、l3为非线性扰动观测器增益常数，ω0取值为40～60，ε取值为0～1，l3取值为0～10。
[0055]
初端转子位置角度估计输入到第一个一阶积分器281中，得到转子位置角度估计值作为非线性扰动观测器37的第一个输出值。
[0056]
位置角度误差e
θ
分别输入乘积计算模块24和三次比例计算模块25中，位置角度误差e
θ
经乘积计算模块24计算得到l1sign(e
θ
)并输出，位置角度误差e
θ
经三次比例计算模块25计算得到输出并输出，两个输出相加得到扰动估计值导数
[0057][0058]
其中，l1为非线性扰动观测器增益常数，取值为0～10。
[0059]
扰动估计值导数输入到第二个一阶积分器282，得到终端扰动估计值作为非线性扰动观测器37的第二个输出值。
[0060]
将位置角度误差e
θ
分别输入到开立方一阶模块26和二次比例计算模块27中，位置角度误差e
θ
经开立方一阶模块26计算出l2|e
θ
|
1/3
×
sign(e
θ
)并输出，位置角度误差e
θ
经二次比例计算模块27计算出并输出。
[0061]
将开立方一阶模块26输出的l2|e
θ
|
1/3
×
sign(e
θ
)、二次比例计算模块27输出的第二个一阶积分器282输出的终端扰动估计值以及所述的优化电流i
′q这四者相加后再减去比值计算模块39输出的值，得到终端转子角速度估计值导数
[0062][0063]
其中，l2为非线性扰动观测器增益常数，取值为0～10。
[0064]
终端转子角速度估计值导数输入第三个一阶积分器283中，作为第三个一阶积分器283的输入，经第三个一阶积分器283得到终端转子角速度估计值此终端转子角速度估计值作为非线性扰动观测器37的第三个输出值。
[0065]
非线性扰动观测器37输出的终端转子角速度估计值和初端转子位置角度估计一起输入到误差补偿模块32中，非线性扰动观测器37输出的终端扰动估计值输入到自调节控制器34中。
[0066]
本发明工作时，串接在电动汽车驱动电机系统1的输入端，在电机模型不确定和存在负载扰动的情况下，控制器能够实现扰动优化信号增益的实时调节，满足电机驱动系统的变化要求，保证了整个控制系统的稳定性，实现未测量状态估计的零误差，提升了优化抗扰动控制器的控制性能，从而实现电动汽车动力性能的进一步提高。