一种电励磁车载电机控制器
阅读说明：本技术 一种电励磁车载电机控制器 (On-vehicle machine controller of electricity excitation ) 是由 蔡峰 李可 孙晓东 陈龙 周剑 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电励磁车载电机控制器,包括电励磁车载电机系统(1)、支持向量机电流控制器(2)、弱磁角度控制器(3)、励磁电流控制器(4)、转速调节模块(5)、控制电流计算模块(6)、mt/αβ坐标变换模块(7)、控制电压饱和模块(8)、励磁磁链观测模块(9)；本发明通过构建支持向量机电流控制器,避免传统的两个电流环PI控制器复杂参数调优的过程,提升电流跟踪能力并且降低控制抖动和电流谐波,进而提升控制系统性能。(The invention discloses an electric excitation vehicle-mounted motor controller, which comprises an electric excitation vehicle-mounted motor system (1), a support vector machine current controller (2), a weak magnetic angle controller (3), an excitation current controller (4), a rotating speed adjusting module (5), a control current calculating module (6), an mt/alpha beta coordinate transformation module (7), a control voltage saturation module (8) and an excitation flux linkage observation module (9); according to the invention, by constructing the support vector machine current controller, the process of complex parameter tuning of the traditional two current loop PI controllers is avoided, the current tracking capability is improved, the control jitter and the current harmonic wave are reduced, and the performance of a control system is further improved.)
技术领域
本发明属于车载电机控制领域，特别涉及一种高性能电励磁车载电机控制器。
背景技术
以纯电动汽车为代表的新能源汽车产业飞速发展，其意义不仅在于减少空气污染，对保障我国能源安全、推进可持续发展以及促进汽车工业战略发展等意义更为重大。电驱动系统作为纯电动汽车的心脏，研究也愈发地受到重视。目前纯电动汽车市场上驱动电机主要分为异步电机和同步电机，各有其特点。异步电机转子结构简单、可靠，在工业中被大量使用，但功率因数和效率较低。同步电机可分为电励磁同步电机和永磁同步电机。电励磁同步电机转子磁场由励磁绕组提供，电励磁同步电机有高阶、非线性、强耦合的特点，因此控制难度较高，但是其功率因数可调、效率高、转矩控制精度高等优点使其被广泛应用。
同步电机的控制方法主要基于磁场定向控制和直接转矩控制，并且并随着微处理器的广泛运用，数字系统逐渐取代模拟系统，控制性能也因此得到了提升，并且成本也逐渐降低，使磁场定向控制更容易实现。电励磁同步电机调速系统中磁链观测、电机初始位置检测、电机转子位置获取以及转速环和电流环双闭环系统设计等关键技术都会影响到电励磁同步电机调速系统的性能。
因此在磁场定向控制系统的基础上，如何结合新型的控制方法，提高电流控制以及转子励磁绕组的磁链角度控制性能，并且针对电流控制模块提升极限转速，通过新型控制器提升电流控制性能，克服传统磁场定向控制电流闭环调节器复杂参数调优的问题，对提高电励磁同步电机调速系统的控制性能具有十分重要的研究意义。
发明内容
针对上述现有技术不足，本发明的目的是提供一种能有效提高电励磁车载电机控制器控制精度，特别是高速工况下的高性能电励磁车载电机控制器。
本发明的技术方案是采用如下步骤：
一种电励磁车载电机控制器，包括电励磁车载电机系统1、支持向量机电流控制器2、弱磁角度控制器3、励磁电流控制器4、转速调节模块5、控制电流计算模块6、mt/αβ坐标变换模块7、控制电压饱和模块8、励磁磁链观测模块9。
所述的转速调节模块5的输入包括2部分，第一部分输入为参考转速n*(k)，第二部分输入为电励磁车载电机系统1输出反馈的转速n(k)(k为离散样本采样指数)，输出为参考控制电流i*(k)，
所述的控制电流计算模块6的输入为转速调节模块5输出的参考控制电流i*(k)和弱磁角度控制器3输出的弱磁角γ(k)，输出为两相旋转坐标系参考电流
所述的支持向量机电流控制器2由abc/mt坐标变换模块21和支持向量机22组成。所述的支持向量机电流控制器2以两相旋转坐标系参考电流三相电流Iabc(k)和磁链角为输入，输出为两相旋转坐标系参考电压所述的abc/mt坐标变换模块21以三相电流Iabc(k)和磁链角为输入，输出为两相旋转坐标系控制电流imt(k)。两相旋转坐标系控制电流imt(k)与两相旋转坐标系参考电流作差得到控制电流误差em(k)、et(k)。控制电流误差em(k)、et(k)积分计算得到控制电流误差积分∑em(k)、∑et(k)，并与控制电流误差em(k)、et(k)一并作为支持向量机22的输入，输出产生两相旋转坐标系参考电压
所述的弱磁角度控制器3由电压幅值计算模块31、弱磁角度PI调节器32和电流限幅模块33组成。所述的弱磁角度控制器3的输入为两相旋转坐标系参考电压和直流母线电压udc(k)。所述的电压幅值计算模块31以参考电压为输入，输出为参考电压幅值us(k)。所述的弱磁角度PI调节器32以参考电压幅值us(k)和直流母线电压udc(k)的差eu(k)为输入，输出为参考弱磁角γ*(k)，并经限幅模块33的输出产生弱磁角γ(k)。
支持向量机电流控制器2输出的两相旋转坐标系参考电压经mt/αβ坐标变换模块7输出两相静止坐标系参考电压并在控制电压饱和模块8的作用下输出饱和抑制后的实际控制电压uαβ(k)。
所述的励磁磁链观测模块9由abc/αβ坐标变换模块91和磁链观测器92组成。所述的励磁磁链观测模块9以电励磁车载电机系统1输出的三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)为输入，输出为励磁绕组磁链的角度和幅值ψf(k)。三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)经abc/αβ坐标变换模块91的输出产生两相静止坐标系电流iαβ(k)和电压uαβ(k)，并且作为磁链观测器92的输入，输出产生励磁绕组磁链的角度和幅值ψf(k)。
所述的励磁电流控制器4由励磁磁链控制模块41和励磁电流PI调节器42组成。所述的励磁电流控制器4的输入为励磁磁链观测模块9输出的励磁绕组磁链幅值ψf(k)和电励磁车载电机系统输出的励磁电流if(k)。励磁绕组磁链幅值ψf(k)与参考磁链幅值作差得到磁链幅值差值eψ(k)，并将其作为励磁磁链控制模块41的输入，输出产生参考励磁电流参考励磁电流与励磁电流if(k)一并作为励磁电流PI调节器42的输入，输出产生励磁控制电压uf(k)。
所述的电励磁车载电机系统1由空间脉宽调制模块11、电压源逆变器模块12、脉冲控制模块14、斩波模块15以及电励磁车载电机13组成。
所述的电励磁车载电机系统1以励磁电流控制器4输出的励磁控制电压uf(k)与控制电压饱和模块8输出的实际控制电压uαβ(k)为输入，输出为三相电流Iabc(k)、三相电压uabc(k)、励磁电流if(k)和转速n(k)。所述的空间脉宽调制模块11的以实际控制电压uαβ(k)为输入，输出产生电压源逆变器开关信号Ta Tb Tc。所述的电压源逆变器模块12以开关信号Ta TbTc为输入，输出三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)。所述的脉冲控制模块14以励磁控制电压uf(k)为输入，输出为脉冲控制信号Tf。所述的斩波模块15以脉冲控制信号Tf为输入，输出产生的励磁电流if(k)与三相电流Iabc(k)一并作为电励磁车载电机13的输入，输出产生转速信号n(k)。
进一步地，如图1所示，将转速调节模块5、控制电流计算模块6、支持向量机电流控制器2串联，其输出的参考电压与弱磁角度控制器3串联形成局部闭环控制，同时与mt/αβ坐标变换模块7、控制电压饱和模块8串联形成串联结构，与励磁磁链观测模块9和励磁电流控制器4串联形成的串联结构并联至电励磁车载电机系统1最终构成电励磁车载电机控制器。
本发明的有益效果是：
1、通过构建支持向量机电流控制器，避免传统的两个电流环PI控制器复杂参数调优的过程，提升电流跟踪能力并且降低控制抖动和电流谐波，进而提升控制系统性能。
2、通过构建弱磁角度控制器，对直轴电流进行弱磁，从而增大极限控制转速，提升了逆变器利用效率。
3、通过构建励磁电流控制器，对励磁磁链和励磁电流进行精确控制，从而实现励磁磁链和励磁电流的灵活调整。
4、该电励磁车载电机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，有利于工程实现。
附图说明
图1是将电励磁车载电机系统1、支持向量机电流控制器2、弱磁角度控制器3、励磁电流控制器4、转速调节模块5、控制电流计算模块6、mt/αβ坐标变换模块7、控制电压饱和模块8、励磁磁链观测模块9构成的电励磁车载电机控制器。
图2是将空间脉宽调制模块11、电压源逆变器模块12、脉冲控制模块14、斩波模块15以及电励磁车载电机13作为整体组成的电励磁车载电机系统1。
图3是由abc/mt坐标变换模块21和支持向量机22组成的支持向量机电流控制器2。
图4是由电压幅值计算模块31、弱磁角度PI调节器32和限幅模块33组成的弱磁角度控制器3。
图5是由励磁磁链控制模块41和励磁电流PI调节器42组成的励磁电流控制器4。
图6是由abc/αβ坐标变换模块91和磁链观测器92组成的励磁磁链观测模块9。
具体实施方式
本发明的具体实施方式分为以下9步
1、如图1所示为本发明所提出的电励磁车载电机控制器。所述的电励磁车载电机控制器包括电励磁车载电机系统1、支持向量机电流控制器2、弱磁角度控制器3、励磁电流控制器4、转速调节模块5、控制电流计算模块6、mt/αβ坐标变换模块7、控制电压饱和模块8、励磁磁链观测模块9。
所述的转速调节模块5的输入包括2部分，第一部分输入为参考转速n*(k)，第二部分输入为电励磁车载电机系统1输出反馈的转速n(k)(k为离散样本采样指数)，转速调节模块5输出的参考控制电流i*(k)作为控制电流计算模块6的第一部分输入。所述的控制电流计算模块6的第二部分输入为弱磁角度控制器3输出的弱磁角γ(k)，其输出为两相旋转坐标系参考电流并作为支持向量机电流控制器2的第一部分输入。所述的支持向量机电流控制器2的第二部分输入为电励磁车载电机系统1输出的三相电流Iabc(k)，第三部分输入为励磁磁链观测模块9输出的磁链角支持向量机电流控制器2输出的两相旋转坐标系参考电压一方面与直流母线电压udc(k)共同作为弱磁角度控制器3的输入，同时经mt/αβ坐标变换模块7输出两相静止坐标系参考电压
所述的控制电压饱和模块8的输入为两相静止坐标系参考电压输出为饱和抑制后的实际控制电压uαβ(k)。控制电压饱和模块8的输入输出关系为：
式中，umin和umax分别是两相静止坐标系电压的最小值与最大值。
所述的励磁磁链观测模块9的输入为电励磁车载电机系统1输出的三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)，输出为励磁绕组磁链的角度和幅值ψf(k)。所述的励磁电流控制器4的第一部分输入为励磁磁链观测模块9输出的励磁绕组磁链幅值ψf(k)，第二部分输入为电励磁车载电机系统1输出的励磁电流if(k)，其输出的励磁控制电压uf(k)与控制电压饱和模块8输出的实际控制电压uαβ(k)共同作为电励磁车载电机系统1的输入，输出为三相电流Iabc(k)、三相电压uabc(k)、励磁电流if(k)和转速n(k)。
2、所述的转速调节模块5的输入为参考转速n*(k)和电励磁车载电机系统1输出反馈的转速n(k)，输出为参考控制电流i*(k)。转速调节模块5的输入输出关系为
i*(k)＝rnk[n*(k)-n(k)]+rni∑[n*(k)-n(k)]
式中，rnk、rni为调节模块系数。
3、所述的控制电流计算模块6的输入为转速调节模块5输出的参考控制电流i*(k)和弱磁角度控制器3输出的弱磁角γ(k)，输出为两相旋转坐标系参考电流控制电流计算模块6的输入输出关系为：
4、所述的mt/αβ坐标变换模块7的输入为两相旋转坐标系参考电压输出为两相静止坐标系参考电压mt/αβ坐标变换模块7的输入输出关系为：
式中：磁链角为m轴与α轴之间的夹角。
5、如图3所示，所述的支持向量机电流控制器2由abc/mt坐标变换模块21和支持向量机22组成。
所述的支持向量机电流控制器2以两相旋转坐标系参考电流三相电流Iabc(k)和磁链角为输入，输出为两相旋转坐标系参考电压
所述的abc/mt坐标变换模块21以三相电流Iabc(k)和磁链角为输入，输出为两相旋转坐标系控制电流im(k)、it(k)。abc/mt坐标变换模块21的输入输出关系表达式为：
两相旋转坐标系控制电流imt(k)与两相旋转坐标系参考电流作差得到控制电流误差em(k)、et(k)。控制电流误差em(k)、et(k)积分计算得到控制电流误差积分∑em(k)、∑et(k)，并与控制电流误差em(k)、et(k)一并作为支持向量机22的输入，输出产生两相旋转坐标系参考电压支持向量机22的输入输出关系为：
式中，ξ和ζ分别是m轴和t轴的向量机算法权重系数。
6、如图4所示，所述的弱磁角度控制器3由电压幅值计算模块31、弱磁角度PI调节器32和限幅模块33组成。
所述的弱磁角度控制器3的输入为两相旋转坐标系参考电压和直流母线电压udc(k)。所述的电压幅值计算模块31以参考电压为输入，输出为参考电压幅值us(k)。所述的弱磁角度PI调节器32以参考电压幅值us(k)和直流母线电压udc(k)的差eu(k)为输入，输出为参考弱磁角γ*(k)，并经限幅模块33的输出产生弱磁角γ(k)。
电压幅值计算模块31的输入输出关系为
7、支持向量机电流控制器2输出的两相旋转坐标系参考电压经mt/αβ坐标变换模块7输出两相静止坐标系参考电压并在控制电压饱和模块8的作用下输出饱和抑制后的实际控制电压uαβ(k)。
8、如图6所示，所述的励磁磁链观测模块9由abc/αβ坐标变换模块91和磁链观测器92组成。
所述的励磁磁链观测模块9以电励磁车载电机系统1输出的三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)为输入，输出为励磁绕组磁链的角度和幅值ψf(k)。三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)经abc/αβ坐标变换模块91的输出产生两相静止坐标系电流iαβ(k)和电压uαβ(k)，并且作为磁链观测器92的输入，输出产生励磁绕组磁链的角度和幅值ψf(k)。励磁磁链观测模块9的输入输出关系为
式中，ψα(k)、ψβ(k)为两相静止坐标系下磁链，R为转子励磁绕组，Lδ为转子励磁绕组电感，
9、如图5所示，所述的励磁电流控制器4由励磁磁链控制模块41和励磁电流PI调节器42组成。
所述的励磁电流控制器4的输入为励磁磁链观测模块9输出的励磁绕组磁链幅值ψf(k)和电励磁车载电机系统输出的励磁电流if(k)。励磁绕组磁链幅值ψf(k)与参考磁链幅值作差得到磁链幅值差值eψ(k)，并将其作为励磁磁链控制模块41的输入，输出产生参考励磁电流参考励磁电流与励磁电流if(k)一并作为励磁电流PI调节器42的输入，输出产生励磁控制电压uf(k)。励磁磁链控制模块41和励磁电流PI调节器42的输入输出关系分别为
式中，rψk、rΨi为励磁磁链控制模块的调节系数，rik、rii为励磁电流PI调节器的调节系数。
10、如图2所示，所述的电励磁车载电机系统1由空间脉宽调制模块11、电压源逆变器模块12、脉冲控制模块14、斩波模块15以及电励磁车载电机13组成。
所述的电励磁车载电机系统1以励磁电流控制器4输出的励磁控制电压uf(k)与控制电压饱和模块8输出的实际控制电压uαβ(k)为输入，输出为三相电流Iabc(k)、三相电压uabc(k)、励磁电流if(k)和转速n(k)。所述的空间脉宽调制模块11的以实际控制电压uαβ(k)为输入，输出产生电压源逆变器开关信号Ta Tb Tc。所述的电压源逆变器模块12以开关信号Ta TbTc为输入，输出三相电流Iabc(k)和三相电压uabc(k)。所述的脉冲控制模块14以励磁控制电压uf(k)为输入，输出为脉冲控制信号Tf。所述的斩波模块15以脉冲控制信号Tf为输入，输出产生的励磁电流if(k)与三相电流Iabc(k)一并作为电励磁车载电机13的输入，输出产生转速信号n(k)。
进一步地，如图1所示，将转速调节模块5、控制电流计算模块6、支持向量机电流控制器2串联，其输出的参考电压与弱磁角度控制器3串联形成局部闭环控制，同时与mt/αβ坐标变换模块7、控制电压饱和模块8串联形成串联结构，与励磁磁链观测模块9和励磁电流控制器4串联形成的串联结构并联至电励磁车载电机系统1最终构成电励磁车载电机控制器。其中支持向量机电流控制器2替代传统的两个电流PI控制器，从而提升电流跟踪能力并且降低控制抖动和电流谐波，进而提升控制系统性能。弱磁角度控制器3能够通过对直轴电流进行弱磁来提升极限控制转速。励磁电流控制器4对励磁磁链和励磁电流进行精确控制，从而实现励磁磁链和励磁电流的灵活调整。该控制器克服传统控制器的性能不足以及电流环参数调优复杂的问题，控制精度的提高和控制结构的完善实现了对电励磁车载电机控制器的高性能控制。