车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统
阅读说明：本技术 车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统 (Intelligent control method and system for target operation point of permanent magnet synchronous motor for vehicle ) 是由 丁红杰 苏建华 郭成明 刘延涛 杨洪 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：发明公开了一种车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统,其以目标运行点为车辆驾驶人员或智能汽车自主决策单元下一时刻的操作意图。智能控制方法可概括为一步构、二步寻、三步定位、四步锁定,一步构为以现在时刻为基准运行点,构建下一时刻可能的目标运行区域范围；二步寻为采用探索式搜索方式锁定目标运行点；三步定位为决策目标运行点位置所在范围的最佳三种配置选择及其作用时间；四步锁定为定位三种配置作用时间的时序分段执行方式；从实施层面来看,所述的三个步骤和时序锁定功能可划分为多步骤混合控制和时序定位控制两个应用执行模块,从而控制逆变器,驱动永磁同步电机符合操作意图要求。(The invention discloses an intelligent control method and system for a target operation point of a permanent magnet synchronous motor for a vehicle, wherein the target operation point is used as an operation intention of a vehicle driver or an intelligent vehicle autonomous decision unit at the next moment. The intelligent control method can be summarized into a one-step structure, a two-step searching, a three-step positioning and a four-step locking, wherein the one-step structure is to construct a possible target operation area range at the next moment by taking the current moment as a reference operation point; secondly, a target operation point is locked by adopting a search type search mode; three steps of positioning are the optimal three configuration selections and action time of the range of the position of the decision target running point; the four-step locking is a time sequence segmented execution mode for positioning three configuration action times; from the implementation aspect, the three steps and the timing locking function can be divided into a multi-step hybrid control application execution module and a timing positioning control application execution module, so that the inverter is controlled, and the permanent magnet synchronous motor is driven to meet the operation intention requirement.)
技术领域
本发明属于永磁同步电机的控制技术领域，具体涉及一种车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统。
背景技术
随着国民经济的快速发展，能源安全与环境保护问题日益凸显，由化石能源动能驱动向电驱动转换升级成为必然趋势与选择，其内在的逻辑是电驱动的高效性以及新能源技术使用过程的零排放、无污染。随着人民对美好生活的向往与追求，车辆由代步工具属性逐渐转换为生产生活的空间需求，由运送变成智能化、网联化的信息交互主体，因而新能源车辆技术、智能网联技术、智能驾驶技术蓬勃发展，作为其平台核心的电驱动技术，选择合适种类的电机及其控制方式的高效性、智能性至关重要。
我国具有稀土资源丰富的优势，稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，因此，大力研究和推广应用稀土永磁电机，对实现社会经济的发展具有重要的理论意义和使用价值。永磁同步电机以稀土永磁体提供的磁通代替电励磁同步电机的励磁绕组励磁，具有结构简单、加工和装配费用低，省去了集电环和电刷，提高了运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。车用永磁同步电机通常采用内置式永磁同步电机，永磁体位于转子内部，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，更易于“弱磁”扩速，能够满足车辆使用过程中迅速变化的驾驶需求。随着车用永磁同步电机应用深度和广度的普及，对电机及其驱动系统的效率、功率密度、成本等方面的要求越来越高，同时因车辆可用空间限制导致的永磁同步电机结构多样的特点进一步增加系统控制的难度。
当前已产业化应用的车用永磁同步电机通常采用矢量控制方法和直接转矩控制方法，矢量控制采用多环PI控制对操作意图进行跟随控制，控制响应时间长，需要进行参数整定，繁琐且需要大量的实践经验，而直接转矩控制方法稳态转矩脉动较大，低速特性不够理想。
因此如何采用更为高效和智能的控制方法是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明中的智能控制方法实现技术思路：
智能控制方法为目标运行点位置的确认过程，其具有自主决策的特点，智能控制方法的步骤可概括为一步构、二步寻、三步定位、四步锁定，其中，一步构为以现在时刻为基准运行点，构建下一时刻可能的目标运行区域范围；二步寻为采用探索式搜索方式锁定目标运行点；三步定位为决策目标运行点位置所在范围的最佳三种配置选择及其作用时间；四步锁定为定位三种配置作用时间的时序分段执行方式；从实施层面来看，所述的三个步骤和时序锁定功能可划分为多步骤混合控制和时序定位控制两个应用执行模块，从而控制逆变器，驱动永磁同步电机符合操作意图要求。
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种车用永磁同步电机目标控制点的智能控制方法及系统，用以提高控制的智能化程度以及转矩控制的精度，从而降低系统响应的时间，其具体的技术方案为：
车用永磁同步电机目标运行点的智能控制系统，其特征在于，包括动态混合系统和运算控制单元。
进一步地，所述动态混合系统包括一个具有m种配置的电机驱动器逆变器以及一个具有n个状态变量的连续进程的永磁同步电机；
电机驱动器逆变器包括功率半导体、功率半导体的驱动板、实现所述运算控制单元功能的控制板，或者驱动板和控制板合并为一块板，以及电流采集装置等；
所述电机驱动器逆变器输出三相线到永磁同步电机，并采集这三相线中的三相或者两相的电流；同时采集电机转子的位置信息，并将该位置信息以电压信号的形式输入到电机驱动器逆变器中，用于永磁同步电机以机械能驱动车辆运动。
进一步地，所述运算控制单元中的控制目标包括：
(1)采集电流ia、ib、ic，并将采集到的电流从三相abc自然坐标系变换到dq两相旋转坐标系id、iq；
(2)采集能量存储装置或者系统输出端电压Udc；
(3)采集永磁同步电机定子旋转位置角θr，并计算出电机机械角速度ωr；
(4)将输入的操作意图作为目标运行点，实现智能控制方法。
进一步地，所述目标运行点根据智能控制方法建立的简化动态模型方程可表示为：
式中，F(k)、H1(k)、R(θr)、C23、H2(k)分别表示如下：
其中，为下一时刻k+1的运行点，即为目标运行点，为当前时刻k的运行点，即基准运行点，Rs为定子电枢相绕组电阻，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ωr为电机的机械角速度，Te为计算周期，θr为电机定子旋转位置角，ψf为永磁体磁链，Udc为车辆能量储存装置或系统输出端电压。
车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过建立m个非线性数学模型方程来获得电机驱动器和永磁同步电机构成的整体系统动态特性的一般模型方程，m个不同控制配置的数学模型表示为：
x(t+τ)＝x(t)+τf(x(t),uj(t)) (2)，
其中，j表示不同控制配置所对应的编号，x(t)表示已测量得到的状态变量，τ代表预测层面，uj(t)代表逆变器各桥臂功率半导体器件的开关状态组合，若某桥臂上部分功率半导体器件开通，下部分关断，则为1，否则为0；
S2：基于建立的非线性数学模型t时刻和t+τ时刻的运行轨迹特点，构建t+τ时刻目标运行点的区域范围，该区域范围的建立公式为：
dj(t)＝x(t+τ)-x(t) (3)，
其中，dj(t)为以t时刻为基准点起点的m个可能的方向矢量，这些方向矢量代表了t时刻的初始状态；
S3：探索式搜索目标运行点与构建的区域范围的关系，缩小区域范围，限定配置j以及与j所代表各桥臂上的功率半导体器件的开关状态且仅其中一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同的配置状态所构建的小区域范围；
S4：在构建的小区域范围内，基于m个可能的dj(t)以及t时刻基准点，确定三个准确配置以及计算准确配置的作用时间；
S5：基于计算出的作用时间，采用时序定位控制方法将确定的m种配置采用分段顺序执行。
进一步地，步骤S3的具体操作步骤为：
S31：在由τmax决定的作用时间以及状态矢量空间内的有效区域内，根据公式(1)针对每一个决策瞬间计算出简化的数学模型，确定出目标运行点位置；
S32：将目标运行点划分为落在区域范围外、区域范围内以及落在区域范围边界上；
S33：针对目标运行点处在区域范围内及边界上的目标运行点，进一步缩小区域范围，限定在配置j(j∈{1:m})和与j所代表各桥臂上的功率半导体器件的开关状态仅其中一个逆变桥臂上的功率半导体器件开关状态不同的配置状态所构建的小区域范围内；
S34：针对落在区域范围外的目标运行点，首先，将基准运行点与目标运行点连成线段；其次，所述线段与相邻配置构成的线段相交，该交点落在构建区域范围的边界上，交点的坐标即为目标运行点，再依据目标运行点在区域范围边界上的方式进行处理。
进一步地，步骤S4具体操作步骤为：
S41：如果|x(t+τ)-x(t)|＜|dm|，则确定出的配置选择i和j存在等式关系式：
其中，配置选择i和j仅一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同；
S42：如果不满足|x(t+τ)-x(t)|＜|dm|，则确定出的配置选择i和j存在等式关系式：
其中，配置选择i和j仅一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同；
S43：根据公式(4)-(5)得到确定出的配置i和j并指定m为另一个配置；再根据di、dj、dm计算得出作用时间τi、τj、τm，其计算式为：
其中，τi、τj、τm为配置i、j以及配置m三种配置的作用时间；
再根据式(6)推导得出作用时间方程式为：
本发明的有益效果包括以下几点：
第一，本发明提出的车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统，把电机驱动器和永磁同步电机构成的整体视为一个动态混合系统，可实现电机驱动器和永磁同步电机联合层面的全局最优，提高驱动系统整体效率，充分发挥车载能源的应用效能。
第二，本发明提出的车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统，把包含一个具有m种配置的电机驱动器以及一个具有n个状态变量的连续进程的永磁同步电机整体视为一个动态混合系统，可推广到具有多个开关量配置和多个状态变量的连续进程构成的任何物理动态系统中，适用范围广泛。
第三，本发明提出的车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统的智能控制方法具有智能性，是永磁同步电机的一种高级控制技术，符合未来新能源汽车、智能汽车、智能网联汽车的智能化发展趋势，可提升车辆驱动系统自主决策的智能化水平。
第四，本发明提出的车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统的智能控制方法，能够提供优异的高速动态响应能力和稳态性能，可以同时处理多目标控制变量的约束与优化，以提高系统整体性能，具有控制速度快、精度高、鲁棒性好的特点。
第五，本发明提出的车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法及系统的智能控制方法，采用基于简化模型的解析算法控制律，从实施准确性层面要优于基于变化趋势基础之上的试探性控制律。同时采用分模块实施的方式，利于清晰、合理地划分软件功能，如采用多步骤混合控制与时序定位控制，且采用层层推进的方式对目标运行点进行定位与作用时间的锁定定位，可实施性高，对技术人员实践经验的要求降低。
附图说明
图1为本发明中的动态混合系统的原理结构图；
图2为本发明实施例中的二电平逆变器的原理框图；
图3为本发明中智能控制系统的原理结构框图；
图4为本发明中构建的范围区域及配置选择原理图；
图5为本发明中时序定位及分段执行原理图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
车用永磁同步电机目标运行点的智能控制系统，包括动态混合系统和运算控制单元，所述动态混合系统包括一个具有m种配置的电机驱动器和一个具有n个状态变量的连续进程的永磁同步电机，并将电机驱动器的幅值控制不再视为永磁同步电机的驱动电压控制，而是看作构成逆变器的配置选择。
运算控制单元包括混合控制模块和时序定位控制模块的算法策略，但不限于这些算法策略，还包括三相自然旋转坐标系(abc)到两相(dq)坐标系的变换，含派克变换和克拉克变换，以及采集的电机位置角的值到电机运行速度的变换。
进一步地，动态混合系统主要包括电机驱动器逆变器和车用永磁同步电机；其中电机驱动器逆变器包括功率半导体、功率半导体的驱动板以及实现运算控制单元功能的控制板，以及电流采集装置，也可以将驱动板和控制板合二为一，两种方式更多的只是实现角度考虑的划分，本质上没有区别；
所述电机驱动器逆变器输出三相线到永磁同步电机，并采集这三相线中的三相或者两相的电流，永磁同步电机以机械能驱动车辆运动，需要采集电机转子的位置信息，位置信息以电压信号的形式输入到电机驱动器逆变器中，作为算法策略的控制要素。
进一步地，所述运算控制单元中的控制目标包括：
(1)采集电流ia、ib、ic，并将采集到的电流从三相abc自然坐标系变换到dq两相旋转坐标系id、iq；
(2)采集能量存储装置或者系统输出端电压Udc；
(3)采集永磁同步电机定子旋转位置角θr，并计算出电机机械角速度ωr；
(4)将输入的操作意图作为目标运行点，实现智能控制方法；
上述输入的操作意图、即车辆驾驶人员或智能汽车自主决策单元下一时刻的操作意图。
如果车辆是有人驾驶的，则驾驶员根据驾驶的状态决定操作方式，这种操作方式即为输入控制系统的操作意图如果汽车是无人驾驶的(智能汽车)，则智能汽车上的自主决策单元会基于车辆的状态以及车辆当前所处的环境状态，来决策其运行状态，而该运行状态即为输入到智能控制系统中的操作意图
进一步地，所述动态混合系统根据智能控制方法建立的简化动态模型方程，即其状态矢量在计算步长的时域内由下式的一阶离散化进行表示：
式中，F(k)、H1(k)、R(θr)、C23、H2(k)分别表示如下：
其中，为下一时刻k+1的运行点，即为目标运行点，
为当前时刻k的运行点，即基准运行点，Rs为定子电枢相绕组电阻，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ωr为电机的机械角速度，Te为计算周期，θr为电机定子旋转位置角，ψf为永磁体磁链，Udc为车辆能量储存装置或系统输出端电压。
车用永磁同步电机目标运行点的智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获得描述电机驱动器和永磁同步电机构成的整体系统动态特性的一般模型方程。该方程的获取方法是通过建立一个或几个非线性数学模型方程，由此得到一个或几个局部数学模型，而这些数学模型在决策层面和需要的状态矢量空间内局部有效，选择m个不同的控制配置，用j表示不同配置的对应编号(j∈{1:m})，已知测量得到的状态变量x(t)，则时刻(t+τ)的m个数学模型记为：
x(t+τ)＝x(t)+τf(x(t),uj(t)) (2)，
其中，j表示不同控制配置所对应的编号，x(t)表示已测量得到的状态变量，τ代表预测层面，uj(t)代表逆变器各桥臂功率半导体器件的开关状态组合，若某桥臂上部分功率半导体器件开通，下部分关断，则为1，否则为0；
S2：搜索线性空间区域范围。基于S1中建立的非线性数学模型t时刻和t+τ时刻的运行轨迹特点，视带功率半导体器件混合系统的所有可能配置以及状态矢量空间内的所有轨迹都呈线性变化，这一限制条件意味着确定出智能控制方法控制律的最大作用时间τmax以及满足这一条件的状态空间限制条件，即构建出t+τ时刻目标运行点的区域范围，该区域范围的建立公式为：
dj(t)＝x(t+τ)-x(t) (3)，
其中，dj(t)为以t时刻为基准点起点的m个可能的方向矢量，这些方向矢量代表了t时刻的初始状态；
S3：确定局部数学模型，探索式搜索目标运行点与所构建的区域范围的关系，对于S2中的限制条件，即由τmax决定的作用时间以及状态矢量空间内的有效区域，针对每一个决策瞬间计算出简化的数学模型，确定出目标运行点位置，以探索式收索目标运行点与构建区域范围的所属特性，进一步缩小区域范围，限定配置j(j∈{1:m})以及与j所代表各桥臂上的功率半导体器件的开关状态且仅其中一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同的配置状态所构建的小区域范围内；
优选地，步骤S3的具体操作步骤为：
S31：在由τmax决定的作用时间以及状态矢量空间内的有效区域内，针对每一个决策瞬间计算出简化的数学模型，确定出目标运行点位置；
S32：将目标运行点划分为落在区域范围外、区域范围内以及区域范围边界上；
在边界上的情况和在边界内的处理方法是一致的，而针对目标运行点在区域外的情况：基准运行点和目标运行点构成的线段与相邻配置构成的线段的交点，该交点的坐标肯定在边界上，确定出了交点的坐标就可以视为目标运行点；
S33：针对目标运行点处在区域范围内及边界上的目标运行点，进一步缩小区域范围，限定在配置j(j∈{1:m})和与j所代表各桥臂上的功率半导体器件的开关状态仅其中一个逆变桥臂上的功率半导体器件开关状态不同的配置状态所构建的小区域范围内；
j表示不同控制配置，通过缩小区域范围后，就限定在了所包含两个相邻的dj(t)，其所确定各桥臂上的功率半导体器件的开关状态且仅其中一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同。本专利所述的电机驱动器逆变器共包含三个桥臂，每个桥臂上包含两个功率半导体开关器件(功率半导体器件可以是MOSFET、IGBT、SIC等，且同一个桥臂上的两个功率半导体开关器件不能同时导通)，通过控制功率半导体开关器件来实现电压、电流的控制，限定的小区域范围，也就决定了的j配置状态。
S34：针对落在区域范围外的目标运行点，将其锁定在构建区域范围的边界上，依据目标运行点在区域范围边界上的方式进行处理。
S4：配置选择与作用时间确定：在S3所构建的小区域范围内，基于S2中确定的m个可能的dj(t)以及t时刻基准点，确定三个准确配置并计算准确配置的作用时间；
优选地，步骤S4具体操作步骤为：
S41：如果|x(t+τ)-x(t)|＜|dm|，则确定出的配置选择i和j存在等式关系式：
其中，配置选择i和j仅一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同；
S42：如果不满足|x(t+τ)-x(t)|＜|dm|，则确定出的配置选择i和j存在等式关系式：
其中，配置选择i和j仅一个逆变器桥臂上的功率半导体器件开关状态不同；
S43：通过公式(4)-(5)确定出配置i和j并指定m为另一个配置；再根据di、dj、dm计算出作用时间τi、τj、τm，其计算式为：
其中，τi、τj、τm为配置i、j以及m三种配置的作用时间，根据式(6)推导得出作用时间方程式为：
S5：时序定位控制：由所述S4中计算得出的作用时间τi、τj、τm，采用时序定位控制方法将i、j和m三种配置采用分段顺序执行，在每一运算周期Te内，形成了m种配置相互作用的形式，综合考虑逆变器功率半导体器件开通与关断的工作特性，选用逆变器每一桥臂的中央脉冲形式的换向驱动方式，驱动永磁同步电机实现操作意图。实施例：
结合附图1-5以采用具有二电平逆变器的电机驱动器和永磁同步电机的具体实例做进一步说明。
参考附图1可知，该系统包含一个具有m种配置的电机驱动器以及一个具有n个状态变量的连续进程的永磁同步电机。以具有二电平逆变器的电机驱动器和永磁同步电机为例，则m等于7，即构建了0～7共8种配置状态。n等于2，即永磁同步电机具有2个连续进程状态变量。建立d-q参考坐标系内永磁同步电机的数学模型如下：
1、电压方程：
其中，ud、uq分别表示坐标轴变换后两相定子绕组矢量电压，ψd、ψq分别表示坐标轴变换后两相定子绕组矢量磁链，id、iq分别表示坐标轴变换后两相定子绕组矢量电流。
2、磁链方程：
其中，ψd、ψq、ψf分别表示坐标轴变换后两相定子绕组矢量磁链、永磁体磁链；Ld、Lq表示直轴电感和交轴电感。
3、电磁转矩的表达式：
Cem＝p·(id·iq·(Ld-Lq)+ψf·iq) (10)，
其中，Cem为电磁转矩，p为电机的极对数。
依据式(8)-式(10)可以得出状态方程：
其中，
由式(11)得到永磁同步电机的2个连续进程状态变量为：
附图2为二电平逆变器的原理框图，结合附图2可以看出，分别将uA、uB和uC定义为：
可以得出，二电平逆变器的8种空间电压矢量配置状态，如表1所示：
表1二电平逆变器8种配置状态
由上表可见，构建出的二电平逆变器的8种配置状态矢量，因为配置状态0和状态7具有相同的电压矢量构成，因为状态0在本发明所述的配置状态矢量选择过程中不予考虑。
结合附图3可以看出，本发明中的智能控制系统主要由两部分构成：带功率半导体器件的混合系统和运算控制单元。带功率半导体器件的混合系统包括电机驱动器逆变器部分及永磁同步电机。运算控制单元通过采集相关信息，实现控制功能，采集信息如下:
(1)采集电流ia、ib、ic。
(2)采集能量储存装置或系统输出端电压Udc。
(3)采集永磁同步电机定子旋转位置角θr，并计算出电机机械角速度ωr。
(4)采集输入电流
附图4为本发明中的智能控制方法中所述构建区域范围以及进行配置选择的原理图，可以看出，首先构建出目标运行点的预测区间范围，同时采用探索式搜索控制方式，锁定目标运行点位于d3、d4两个配置状态构成的小区域范围内。
附图5为本发明的智能控制方法所述时序定位及分段执行的原理图。参考附图5可以看出，通过定位到的目标运行点位置所在的小区域范围的最佳配置选择，进而求得其作用时间τ3、τ4、τ7，时序定位控制方法将3、4和7三种配置采用分段顺序执行方式，在每一运算周期Te内，因而形成7段3种配置状态作用的形式。综合考虑逆变器功率半导体器件开通与关断的工作特性，选用逆变器每一桥臂的中央脉冲形式的换向驱动方式，驱动永磁同步电机实现操作意图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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