车用永磁同步电机的信号与能量协调控制系统及方法
阅读说明：本技术 车用永磁同步电机的信号与能量协调控制系统及方法 (Signal and energy coordination control system and method for permanent magnet synchronous motor for vehicle ) 是由 赵玉娇 于海生 王世贤 于 2021-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了车用永磁同步电机的信号与能量协调控制系统及方法,包括转速及位置检测模块、电流检测模块、反馈线性化信号控制模块、端口受控哈密顿能量控制模块、协调控制模块、电压空间矢量脉宽调制模块、逆变器。与现有技术相比,本发明的有益效果是：在系统同时满足系统动态运行位置调节快速、稳态运行能量效率优化的条件下,给出信号控制器、能量控制器和协调控制策略的设计结果,并分析系统的稳定性动态和稳态性能；通过信号控制揭示系统信号变换与能量变换的内在联系,给出位置轨迹的快速跟踪调节规律；通过能量控制揭示系统能量损耗与系统总能量的内在关系,给出能量效率优化原理；通过协调控制实现系统运行连续平稳。(The invention discloses a system and a method for coordinating and controlling signals and energy of a permanent magnet synchronous motor for a vehicle. Compared with the prior art, the invention has the beneficial effects that: under the condition that the system simultaneously meets the requirements of quick adjustment of the dynamic operation position of the system and optimization of the energy efficiency of steady-state operation, the design results of a signal controller, an energy controller and a coordination control strategy are given, and the stability dynamic and steady-state performance of the system are analyzed; the internal relation between system signal transformation and energy transformation is revealed through signal control, and a fast tracking and adjusting rule of a position track is given; the internal relation between the energy loss of the system and the total energy of the system is revealed through energy control, and an energy efficiency optimization principle is given; the system can run continuously and stably through coordination control.)
技术领域
本发明涉及车用永磁同步电机控制领域，具体为车用永磁同步电机的信号与能量协调控制系统及方法。
背景技术
汽车产业是体现国家竞争力的标志性产业，在国民经济和社会经济中发挥着重要作用。电动汽车是汽车产业应对能源安全、气候变化和环境保护的重要结构升级与突破口，已成为21世纪极具市场潜力的“绿色”产业。作为电动汽车关键技术之一的电机驱动控制技术，其水平高低直接影响着电动汽车的整体性能。永磁同步电机因其高效率、高功率密度和高力矩惯量比等显著优点, 在电动汽车驱动系统领域得以广泛应用。
目前，大多数永磁同步电机驱动系统控制方法是基于信号变换观点，认为电机和驱动器都是将输入信号变成输出信号的信号变换装置,控制目标是使控制系统快速跟踪给定信号。其中，反馈线性化方法可以通过极点的分配来调整系统的动态响应时间，因此在电机控制系统中得到广泛应用。近年来，能量变换观点的端口受控哈密顿系统控制方法受到了高度重视，其认为电机和驱动器都是将输入能量变成输出能量的能量变换装置,控制目标是优化系统的输入能量、输出能量和损耗能量。该方法的主要特征是系统具有哈密顿结构，闭环系统的能量函数可作为李雅普诺夫函数，从而使系统的稳定性分析与控制器综合更容易，而且具有清晰的物理意义。由于永磁同步电机驱动系统是非线性、多变量、强耦合的信号与能量变换装置，既需要信号控制，又需要能量控制。因此，单纯的使用信号控制或者是能量控制已无法满足电动汽车对驱动系统的高性能要求，只有在综合分析其信号与能量变换特性的基础上研究永磁同步电机驱动系统的控制策略，才能真正揭示问题的本质。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供车用永磁同步电机信号与能量协调控制系统及方法，将永磁同步电机驱动系统看作是多端口的信号和能量变换统一体,通过向端口注入信号和能量来控制系统的行为，并设计出信号控制器、能量控制器和协调控制策略，从而实现永磁同步电机驱动系统的信号控制器与能量控制器协调控制。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，车用永磁同步电机的信号与能量协调控制系统，包括转速及位置检测模块、电流检测模块、反馈线性化信号控制模块、端口受控哈密顿能量控制模块、协调控制模块、电压空间矢量脉宽调制模块、逆变器；所述转速及位置检测模块用于采集永磁同步电机的转速ω和位置角θ；所述电流检测模块用于采集永磁同步电机的三相电流ia,ib, ic；所述反馈线性化信号控制模块基于永磁同步电机的位置θ、转速ω、电流 id,iq，转矩TL和给定位置θr，利用坐标变化得到输入输出反馈线性化系统，根据极点配置原则计算得到控制分量usd和usq；所述端口受控哈密顿能量控制模块：基于永磁同步电机的位置θ、转速ω、电流id,iq，转矩TL和给定位置θr，采用id＝0控制得到平衡点处的电流值，再通过哈密顿数学模型计算得到控制分量 ued和ueq；所述协调控制模块根据接收到的信号控制器的控制分量usd,usq和能量控制器的控制分量ued,ueq，利用凸组合来实现两者之间的协同控制，得到控制量ud和uq，再通过dq/αβ坐标转换模块转换为α-β坐标系下的实际电压uα和 uβ，输入到电压空间矢量脉宽调制模块；所述电压空间矢量脉宽调制模块根据接收到的实际电压uα和uβ得到各功率管开通、关断的脉宽调制信号；所述逆变器根据得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。
作为本发明的一种优选技术方案，所述转速及位置检测模块将位置角θ输入到反馈线性化信号控制器、端口受控哈密顿能量控制器、电流检测模块、dq/αβ坐标转换模块；将转速ω输入到反馈线性化信号控制器和端口受控哈密顿能量控制器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电流检测模块将采集得到的三相电流ia,ib,ic转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，输入到反馈线性化信号控制器和端口受控哈密顿能量控制器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电流检测模块包括电流传感器abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块，电流传感器采集永磁同步电机的三相电流ia,ib,ic通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块将三相电流 ia,ib,ic转换为d-q坐标系下的实际电流id,iq，并传送到反馈线性化信号控制模块和端口受控哈密顿能量控制模块。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电压调制装置包括电压空间矢量脉宽调制模块和逆变器，电压空间矢量脉宽调制模块根据接收到的实际电压uα和uβ得到各功率管开通关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。
车用永磁同步电机的信号与能量协调控制方法，其控制步骤如下：
步骤一：采集永磁同步电机的转速ω、位置角θ，将位置角θ分别输入到αβ/dq坐标转换模块和dq/αβ坐标转换模块中；计算位置θ和给定电机转速值θr的差值
步骤二：根据位置误差信号和转矩TL，采用反馈线性化控制方法来设计信号控制器，得到控制分量usd和usq；
步骤三：根据位置误差信号和转矩TL，采用端口受控哈密顿系统控制原理设计能量控制器，得到控制分量ued和ueq；
步骤四：设计协调控制策略，其输出ud可用反馈线性化控制器输出usd和端口受控哈密顿能量控制器输出ue的凸组合表示，uq可用反馈线性化信号控制器输出usq和能量控制器输出ueq的凸组合表示；
步骤五：将位置角θ和得到控制电压值ud和uq通过dq/αβ坐标转换模块得到α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，将其送入到电压空间矢量脉宽调制模块中得到各功率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中设计反馈线性化信号控制器的具体方法如下，
步骤2.1：建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，并将其写为非线性系统形式；
步骤2.2：选择θ和id为系统的输出yf来实现系统的解耦，避免出现零动态问题；
步骤2.3：根据反馈线性化原则，对输出变量yf反复微分，直到得到输入变量us与输出变量导数y(p)的关系；
步骤2.4：引入中间变量v并令v＝y(p)，则得到
步骤2.5：通过坐标变换，可得到输入-输出反馈线性化系统的控制量 usd和usq；
步骤2.6：采用线性系统的极点配置理论设计v，从而实现快速的瞬态响应；
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中，设计端口受控哈密顿能量控制器的具体方法如下，
步骤3.1：定义状态变量x和能量函数H(x)，构造哈密顿模型；
步骤3.2：定义电机参考转速和d,q轴参考电流为分别为参考d轴电流通常设置为0，以保持恒定的磁通运行条件。当电机达到期望的平衡点时，求得
步骤3.3：将永磁同步电机在平衡点处的能量函数H(x*)与能量函数求和，得到闭环期望能量函数Hd(x)；
步骤3.4：对Hamilton模型进行能量整形；
步骤3.5：基于整形前后的Hamilton模型，采用d-q坐标下的实际电流 id,iq和最小损耗平衡点的电流值计算得到控制量ued和ueq。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于信号与能量变换观点,系统地建立永磁同步电机驱动系统的信号与能量协调控制原理，给出永磁同步电机驱动系统的信号与能量协调控制模型，并获得模型特性的定性与定量分析结果；
(2)在系统同时满足系统动态运行位置调节快速、稳态运行能量效率优化的条件下，给出信号控制器、能量控制器和协调控制策略的设计结果，并分析系统的稳定性动态和稳态性能；
(3)通过信号控制揭示系统信号变换与能量变换的内在联系，给出位置轨迹的快速跟踪调节规律；通过能量控制揭示系统能量损耗与系统总能量的内在关系，给出能量效率优化原理；通过协调控制实现系统运行连续平稳。
具体实施方式
实施例1
本发明公开了车用永磁同步电机的信号与能量协调控制系统，包括转速及位置检测模块、电流检测模块、反馈线性化信号控制模块、端口受控哈密顿能量控制模块、协调控制模块、电压空间矢量脉宽调制模块、逆变器；所述转速及位置检测模块用于采集永磁同步电机的转速ω和位置角θ；所述电流检测模块用于采集永磁同步电机的三相电流ia,ib,ic；所述反馈线性化信号控制模块基于永磁同步电机的位置θ、转速ω、电流id,iq，转矩TL和给定位置θr，利用坐标变化得到输入输出反馈线性化系统，根据极点配置原则计算得到控制分量 usd和usq；所述端口受控哈密顿能量控制模块：基于永磁同步电机的位置θ、转速ω、电流id,iq，转矩TL和给定位置θr，采用id＝0控制得到平衡点处的电流值，再通过哈密顿数学模型计算得到控制分量ued和ueq；所述协调控制模块根据接收到的信号控制器的控制分量usd,usq和能量控制器的控制分量ued,ueq，利用凸组合来实现两者之间的协同控制，得到控制量ud和uq，再通过dq/αβ坐标转换模块转换为α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，输入到电压空间矢量脉宽调制模块；所述电压空间矢量脉宽调制模块根据接收到的实际电压uα和uβ得到各功率管开通、关断的脉宽调制信号；所述逆变器根据得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。
作为本发明的一种优选技术方案，所述转速及位置检测模块将位置角θ输入到反馈线性化信号控制器、端口受控哈密顿能量控制器、电流检测模块、 dq/αβ坐标转换模块；将转速ω输入到反馈线性化信号控制器和端口受控哈密顿能量控制器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电流检测模块将采集得到的三相电流ia,ib,ic转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，输入到反馈线性化信号控制器和端口受控哈密顿能量控制器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电流检测模块包括电流传感器 abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块，电流传感器采集永磁同步电机的三相电流ia,ib,ic通过abc/αβ坐标转换模块和αβ/dq坐标转换模块将三相电流 ia,ib,ic转换为d-q坐标系下的实际电流id,iq，并传送到反馈线性化信号控制模块和端口受控哈密顿能量控制模块。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电压调制装置包括电压空间矢量脉宽调制模块和逆变器，电压空间矢量脉宽调制模块根据接收到的实际电压uα和uβ得到各功率管开通关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。
作为本发明的一种优选技术方案，永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型为：
式中，id,iq分别为d,q轴电流；ud,uq分别为d,q轴电压；Ld,为定子电感；R 为定子电阻；ω为转子机械角速度；θ为机械角度；np为定子绕组极对数；Φ为转子永磁磁通量；J为转动惯量。
上述模型在非线性系统下的形式为：
式中
然后，选择θ和id为系统的输出yf，即yf＝[yf1 yf2]T＝[idθ]T。
根据反馈线性化原则，对输出变量yf反复微分
引入中间变量v并令v＝y(p)，则得到
其中，
通过坐标变换，可得到输入-输出反馈线性化系统的控制量usd和usq：
这里，为了实现快速的瞬态响应，采用线性系统的极点配置理论设计v
其中，k1,k2,k3,k4是可调参数。
端口受控哈密顿能量控制器的构建过程为：
选取如下状态变量：
x＝[x1 x2 x3 x4]T＝[Lid Liq Jmω θ]T
取能量函数为：
则系统的标准广义哈密顿模型为：
其中，J(x)为反对称矩阵，R(x)为半正定矩阵，g(x)为适当阶数矩阵， H(x)为能量函数，x为状态变量，ue为系统输入。
定义电机参考转速和d,q轴参考电流为分别为d轴参考电流通常设置为0，以保持恒定的磁通运行条件。当电机达到期望的平衡点时，求得因此，期望的平衡点为
为将车用永磁同步电机系统稳定在平衡点，定义为状态误差，构造闭环期望能量函数Hd(x)，令
使得经过反馈控制ue作用后原电机系统能量H(x)经过哈密顿系统能量整形到Hd(x)，此时原系统哈密顿模型可写为
其中反对称矩阵Jd(x)为闭环系统的互联矩阵，Rd(x)为闭环系统的半正定矩阵。假设
且
将其代入公式得：
其中k0,r,rm分别是待定的互联和阻尼参数。
本发明公开了车用永磁同步电机的信号与能量协调控制方法，包括：
步骤1：通过转速/位置检测模块采集永磁同步电机的转速ω和位置角θ，将位置角θ分别输入到αβ/dq坐标转换模块和dq/αβ坐标转换模块中；计算位置θ和给定电机转速值θr的差值
步骤2：根据位置误差信号和转矩TL，采用反馈线性化控制方法来设计信号控制器，得到控制分量usd和usq；
设计反馈线性化信号控制器来得到控制分量usd和usq的具体方法为：
步骤2.1：建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，并将其写为非线性系统形式；
永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型为：
式中，id,iq分别为d,q轴电流；ud,uq分别为d,q轴电压；Ld,为定子电感；R 为定子电阻；ω为转子机械角速度；θ为机械角度；np为定子绕组极对数；Φ为转子永磁磁通量；J为转动惯量。
上述模型在非线性系统下的形式为：
式中
电机模型在状态空间方程的第一行和第二行中包含非线性和交叉耦合项。
步骤2.2：选择θ和id为系统的输出yf，即yf＝[yf1 yf2]T＝[id θ]T，来实现系统的解耦，避免出现零动态问题；
步骤2.3：根据反馈线性化原则，对输出变量yf反复微分，直到得到输入变量us与输出变量导数y(p)的关系；
步骤2.3的具体过程为：
步骤2.4：引入中间变量v并令v＝y(p)，则得到
其中，
步骤2.5：通过坐标变换，可得到输入-输出反馈线性化系统的控制量usd和 usq：
步骤2.6：采用线性系统的极点配置理论设计v，从而实现快速的瞬态响应。
进一步的，线性系统的极点配置的具体方法为：
进而得到其闭环传递系统函数为
又由典型一阶系统闭环传递函数为
得
代入(6)得
进而得到其闭环传递系统函数为
又由典型一阶系统闭环传递函数为
得
代入(7)得
通过选取合适的调节时间计算出T0，进而得到k1,k2,k3,k4。
步骤3：根据位置误差信号和转矩TL，采用端口受控哈密顿系统控制原理设计能量控制器，得到控制分量ued和ueq；
设计端口受控哈密顿能量控制器来得到控制分量ued和ueq的具体方法为：
步骤3.1：定义状态变量x和能量函数H(x)，构造哈密顿模型；
步骤3.1的具体过程为：
选取如下状态变量：
x＝[x1 x2 x3 x4]T＝[Lid Liq Jmω θ]T
取能量函数为：
则系统的标准广义哈密顿模型为：
其中，J(x)为反对称矩阵，R(x)为半正定矩阵，g(x)为适当阶数矩阵， H(x)为能量函数，x为状态变量，ue为系统输入。
步骤3.2：定义电机参考转速和d,q轴参考电流为分别为参考d 轴电流通常设置为0，以保持恒定的磁通运行条件。当电机达到期望的平衡点时，求得因此，期望的平衡点为
步骤3.3：将永磁同步电机在平衡点处的能量函数H(x*)与能量函数求和，得到闭环期望能量函数Hd(x)；
步骤3.3的具体过程为：
定义为状态误差，构造闭环期望能量函数Hd(x)，令
可得到Hd(x)得表达式：
步骤3.4：使得经过反馈控制ue作用后原电机系统能量H(x)经过哈密顿系统能量整形到Hd(x)，此时原系统哈密顿模型可写为
其中反对称矩阵Jd(x)为闭环系统的互联矩阵，Rd(x)为闭环系统的半正定矩阵。假设
且
将其代入公式得：
其中k0,r,rm分别是待定的互联和阻尼参数。
步骤4：根据实时位置误差，选择合适的协调函数来设计协调控制策略，其输出ud可用反馈线性化控制器输出usd和端口受控哈密顿能量控制器输出 ue的凸组合表示，uq可用反馈线性化信号控制器输出usq和能量控制器输出ueq的凸组合表示，得到控制量ud和uq。
步骤5：将位置角θ和得到控制电压值ud和uq通过dq/αβ坐标转换模块得到α-β坐标系下的实际电压uα和uβ，将其送入到电压空间矢量脉宽调制模块中得到各功率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过逆变器得到三相输出电压来驱动永磁同步电机运行。
本发明提出的一种车用永磁同步电机信号与能量协调控制系统及方法，在永磁同步电机运行过程中，经过转速/位置检测模块得到电机的转速ω和位置角θ，将位置角θ输入到反馈线性化信号控制器、端口受控哈密顿能量控制器、电流检测模块、dq/αβ坐标转换模块，将转速ω输入到反馈线性化信号控制器和端口受控哈密顿能量控制器；电流检测模块采集永磁同步电机的三相电流ia,ib, ic，并将其转换为d-q坐标系下的实际电流id和iq，输入到反馈线性化控制器和端口受控哈密顿控制器；反馈线性化信号控制模块利用坐标变化得到输入输出反馈线性化系统，根据极点配置计算得到控制分量usd和usq；端口受控哈密顿能量控制模块通过哈密顿数学模型计算得到控制分量ued和ueq；协调控制模块根据接收到的信号控制器的控制分量usd,usq和能量控制器的控制分量ued,ueq，利用凸组合来实现两者之间的协同控制，得到控制量ud和uq；将得到的得到控制量 ud,uq及θ输入到dq/αβ坐标转换模块转换得到uα和uβ；将uα和uβ输入到电压空间矢量脉宽调制模块，计算得到控制器的六路PWM信号输出，并通过PWM 信号控制逆变器模块，得到三相输出电压来驱动电机的运行。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。