汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域,更具體的說(shuō),涉及一種汽車(chē)電動(dòng) 轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法,基于自抗擾控制理論,對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力 轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制,設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的控制,多采用磁場(chǎng)定向控制的方法,它是一個(gè) 非線性雙輸入雙輸出耦合系統(tǒng)的控制問(wèn)題。汽車(chē)電動(dòng)助力系統(tǒng)要求其控制具有快速性、準(zhǔn) 確性和穩(wěn)定性的效果。目前最難以取得,也還需進(jìn)一步提升控制效果的是其穩(wěn)定性方面,即 魯棒性控制問(wèn)題。
[0003] 現(xiàn)有觀點(diǎn)多把汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的永磁同步電機(jī),看作非線性耦合系統(tǒng)來(lái)控 制,采用滑??刂?、多PID控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法,上述控制方法均要處理非線性 多輸入多輸出耦合問(wèn)題,且其穩(wěn)定性調(diào)速效果還有提升空間。經(jīng)過(guò)對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永 磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的仔細(xì)分析和研宄,發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況是,由于其磁場(chǎng)定向控制算法 已經(jīng)設(shè)置兩個(gè)輸入控制變量中的一個(gè)為零,所以矢量控制算法實(shí)際上已經(jīng)執(zhí)行了解耦過(guò) 程;而另一路輸入控制變量是由永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速值比較誤差,來(lái)控制目標(biāo)電流,再由電 流值的比較誤差來(lái)控制目標(biāo)電壓的過(guò)程;并且在這個(gè)過(guò)程中,存在未知擾動(dòng)和不確定因素, 從而影響了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性,所以真正需要解決的是一個(gè)串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)速 控制問(wèn)題,并保證其魯棒性。
[0004] 當(dāng)各串級(jí)系統(tǒng)的函數(shù)確知時(shí),用簡(jiǎn)單的補(bǔ)償與簡(jiǎn)單的誤差反饋方法,就可以控制 好;而永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的各串級(jí)系統(tǒng),其函數(shù)未知,并含有未知擾動(dòng)和不確定因 素,有必要采用自抗擾控制理論,自適應(yīng)地消除未知擾動(dòng)和不確定因素,以及各種突加負(fù)載 的影響,達(dá)到高速高精度下的穩(wěn)定調(diào)速要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷,本發(fā)明提出一種串級(jí)系統(tǒng)的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn) 向永磁同步電機(jī)控制方法,把磁場(chǎng)定向控制理解為已經(jīng)解耦的非線性雙輸入雙輸出耦合系 統(tǒng)的控制,其中永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分基于自抗擾控制理論,采用串級(jí)系統(tǒng)的方法來(lái) 控制,從而能夠克服系統(tǒng)中所存在的未知擾動(dòng)和不確定因素,從根本上提高汽車(chē)電動(dòng)助力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)永磁同步電機(jī)調(diào)速控制的魯棒性能。
[0006] 為達(dá)到上述目的,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007] -種汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法,基 于自抗擾控制理論,具體步驟包括:
[0008] (1)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量;
[0009] (2)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的外環(huán)自抗擾控制器;
[0010] (3)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)自抗擾控制器;
[0011] (4)設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)自抗擾控制器的參數(shù);
[0012] 得到汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速效果。
[0013]其中:
[0014] (1)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量
[0015] 根據(jù)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的需求,其控制系統(tǒng)主要由兩 個(gè)單輸入單輸出的自抗擾控制器串級(jí)組成。按照信號(hào)傳遞的順序,從左到右,設(shè)計(jì)為:外環(huán) 自抗擾控制器、內(nèi)環(huán)自抗擾控制器、內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的控制對(duì)象、外環(huán)自抗擾控制器的控 制對(duì)象。
[0016] 外環(huán)自抗擾控制器的輸入變量設(shè)計(jì)為兩個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的設(shè) 定轉(zhuǎn)速值、所檢測(cè)到的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。
[0017] 外環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計(jì)為一個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng) 定向控制算法所需要輸出的交軸電流控制變量。
[0018] 內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的輸入變量設(shè)計(jì)為兩個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng) 定向控制算法所需要輸出的交軸電流控制變量、根據(jù)實(shí)際檢測(cè)所計(jì)算出的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn) 向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制算法的實(shí)際交軸電流值。
[0019] 內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計(jì)為一個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng) 定向控制算法所需要輸出的交軸電壓控制變量。
[0020] (2)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的外環(huán)自抗擾控制器
[0021] 為讓外環(huán)自抗擾控制器取得好的控制效果,應(yīng)盡可能讓其輸出控制變量的變化緩 慢平滑一些,因此需安排過(guò)渡過(guò)程;
[0022] 首先,為防止控制過(guò)程超調(diào),安排過(guò)渡過(guò)程:
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法,其特征在于,包括 步驟如下: (1) 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量 根據(jù)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的需求,串級(jí)控制系統(tǒng)主要由兩個(gè) 單輸入單輸出的自抗擾控制器串級(jí)組成,按照信號(hào)傳遞的順序,從左到右設(shè)計(jì)為:外環(huán)自抗 擾控制器、內(nèi)環(huán)自抗擾控制器、內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的控制對(duì)象、外環(huán)自抗擾控制器的控制對(duì) 象; (2) 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的外環(huán)自抗擾控制器 首先,為保證外環(huán)自抗擾控制器的控制效果,防止控制過(guò)程超調(diào),應(yīng)使外環(huán)自抗擾控制 器的輸出控制變量的變化緩慢平滑一些,需要安排過(guò)渡過(guò)程; 其次,為估計(jì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差和擾動(dòng)的不確定信息,設(shè)計(jì)狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè) 器; 再次,為抑制系統(tǒng)輸出控制變量的誤差,進(jìn)行非線性的系統(tǒng)反饋控制; 最后,為增強(qiáng)抗干擾能力,根據(jù)估計(jì)出的誤差和擾動(dòng),對(duì)輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動(dòng) 的補(bǔ)償; (3) 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)自抗擾控制器 首先,為估計(jì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差和擾動(dòng)的不確定信息,設(shè)計(jì)狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè) 器; 其次,為抑制系統(tǒng)輸出控制變量的誤差,進(jìn)行非線性的系統(tǒng)反饋控制; 最后,為增強(qiáng)抗干擾能力,根據(jù)估計(jì)出的誤差和擾動(dòng),對(duì)輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動(dòng) 的補(bǔ)償; (4) 設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)自抗擾控制器的參數(shù) 設(shè)計(jì)外環(huán)自抗擾控制器和內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)β i、β 2、β 3;設(shè)計(jì) 外環(huán)自抗擾控制器的采樣步長(zhǎng)4,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ttl,控制器參數(shù)Γι、hp c1;設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)自抗擾 控制器的采樣步長(zhǎng)h2,控制器參數(shù)!2、1! 2、。2。|31是觀測(cè)狀態(tài)變量的反饋系數(shù);|32是觀測(cè)狀 態(tài)微分變量的反饋系數(shù);β 3是觀測(cè)誤差和擾動(dòng)的反饋系數(shù);r i、r2是速度因子;h i、h2是所 定義非線性函數(shù)fhan的采樣步長(zhǎng)、Cl、C2是阻尼因子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法, 其特征在于,所述步驟(1)中, 外環(huán)自抗擾控制器的輸入變量設(shè)計(jì)為兩個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn) 速值、所檢測(cè)到的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值; 外環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計(jì)為一個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向 控制算法所需要輸出的交軸電流控制變量; 內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的輸入變量設(shè)計(jì)為兩個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向 控制算法所需要輸出的交軸電流控制變量、根據(jù)實(shí)際檢測(cè)所計(jì)算出的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永 磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制算法的實(shí)際交軸電流值; 內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計(jì)為一個(gè):汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向 控制算法所需要輸出的交軸電壓控制變量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法, 其特征在于,所述步驟(2)中,安排過(guò)渡過(guò)程為:
N2 (t) = (N(t)-n(t))dtrns(T〇, t) (4) 設(shè)計(jì)狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為: Z11 (t+1) = Z11 (t) +h (z12 (t) - β (t)) Z12 (t+1) = Z12 (t) +h (ζ13 (t) - β 2fe (t) +Iq (t)) (5) Z13 (t+1) = Z13 (t)+h (-β 3fei) 其中 e (t) = Z11 (t) -η (t),fe = fal (e (t),0· 5, h),Ife1= fal (e (t),0· 25, h) (6)
進(jìn)行非線性的系統(tǒng)反饋控制為: e^t) = N1 (t)-Z11 (t) e2(t) = N2 (t)-Z12 (t) (8) Uq fhcin (θ ^ (?) ? (?) ? ^ ? h^)
對(duì)輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動(dòng)的補(bǔ)償為: Tq (t) = u0 (t)-Z13 (t) (10) 〇
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法, 其特征在于,所述步驟(3)中,設(shè)計(jì)狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為: Z21 (t+1) = Z21 (t) +h (z22 (t) - β 盧(t)) Z22 (t+1) = Z22 (t) +h (z23 (t) - β 2fe (t) +Vq (t)) (11) Z23 (t+1) = Z23 (t)+h (-β gfe^ 其中 e (t) = z21 (t) _Iq*(t),fe = fal (e (t),0· 5, h),Ife1= fal (e (t),0· 25, h) (12)
進(jìn)行非線性的系統(tǒng)反饋控制為: e^t) = Iq (t)-Z21 (t) e2 (t) = -Z22 (t) (14) U0= fhan (e j (t), c2e2 (t), r2, h2) 其中
對(duì)輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動(dòng)的補(bǔ)償為: Vq (t) = u0 (t)-Z23 (t) (16)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法, 其特征在于,所述步驟(4)中,為避免出現(xiàn)高頻顫震現(xiàn)象,內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的采樣步長(zhǎng)比 外環(huán)自抗擾控制器的采樣步長(zhǎng)要小整數(shù)倍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法, 其特征在于,所述步驟(4)中,設(shè)計(jì)外環(huán)自抗擾控制器和內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的擴(kuò)張狀態(tài)觀 測(cè)器參數(shù)β i= 100、β 2= 300、β 3= 1000 ;設(shè)計(jì)外環(huán)自抗擾控制器的采樣步長(zhǎng)h = 0. 01, 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ttl= 0. 5,控制器參數(shù);r i= 10、h i= 0. 2、C i= 0. 3 ;設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)自抗擾控制器 的采樣步長(zhǎng) h = 0· 005,控制器參數(shù);T2= 600、h 2= 0· 5、c 2= 0· 04。
【專(zhuān)利摘要】一種汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法,基于自抗擾控制理論,對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制,設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速控制方法,具體包括:設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量;設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的外環(huán)自抗擾控制器;設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)自抗擾控制器;設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)自抗擾控制器的參數(shù);最后得到汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法。本發(fā)明能夠消除汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制串級(jí)系統(tǒng)中的未知、非線性、不確定因素,以及突加負(fù)載的擾動(dòng),使汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的串級(jí)系統(tǒng),能夠取得在高速高精度下的穩(wěn)定調(diào)速效果。
【IPC分類(lèi)】H02P21-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104734591
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510133783
【發(fā)明人】黃志堅(jiān), 喬粱, 王福欣, 祁宏鐘, 馬建民
【申請(qǐng)人】黃志堅(jiān)
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日