基于切換預(yù)測(cè)理論的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制策略研究

張用，郭英雷，陳磊，郭建豪，郭小溪

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001）

·試驗(yàn)研究·

基于切換預(yù)測(cè)理論的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制策略研究

張用1，郭英雷2，陳磊2，郭建豪2，郭小溪1

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001）

電動(dòng)汽車要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)以保證整個(gè)系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能，電流預(yù)測(cè)控制具有理論嚴(yán)密、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，滿足電動(dòng)汽車對(duì)扭矩快速響應(yīng)的要求?；谇袚Q理論建立了永磁同步電機(jī)側(cè)及逆變器的切換動(dòng)態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上提出了基于預(yù)測(cè)控制的電流跟蹤控制策略，通過切換模型對(duì)不同開關(guān)模式下一周期的電流進(jìn)行預(yù)測(cè)以此選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)。最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明了所建模型和控制策略的正確性。

電動(dòng)汽車；永磁同步電機(jī)；預(yù)測(cè)控制；切換系統(tǒng)；電流控制

0　引言

近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，電動(dòng)汽車作為一種節(jié)能環(huán)保的交通工具受到越來越多的關(guān)注［1］。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，電機(jī)的性能及其驅(qū)動(dòng)的控制算法和策略對(duì)整車的性能產(chǎn)生直接的影響［2］。永磁同步電動(dòng)機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有體積小、效率高、功率密度大、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在高性能、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速性的場(chǎng)合具有很好的應(yīng)用前景，在電動(dòng)汽車中采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)［3-5］。

電動(dòng)汽車要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩控制精確、高動(dòng)態(tài)性能、需要克服車載惡劣環(huán)境等特性，因此高性能永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)要求有準(zhǔn)確、快速響應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)。常用的永磁同步電機(jī)電流環(huán)的控制方法主要有PI控制、滯環(huán)控制、預(yù)測(cè)控制等［6］。PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，目前在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。但是PI控制原理上是一種線性控制理論，存在調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、參數(shù)選擇復(fù)雜且容易出現(xiàn)超調(diào)等問題，實(shí)際應(yīng)用中很難兼顧響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性，難以滿足電動(dòng)汽車高效穩(wěn)定快速的動(dòng)態(tài)性能。滯環(huán)控制也稱之為Bang-Bang控制，因其可以直接對(duì)電流進(jìn)行跟蹤控制，其快速性好。但滯環(huán)控制存在紋波大、控制精度較低等缺陷，難以滿足電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求。

模型預(yù)測(cè)算法是一類新型的優(yōu)化控制算法，其中模型預(yù)測(cè)電流控制算法通過基于電機(jī)的模型選取控制變量并構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算選取使目標(biāo)函數(shù)最小的矢量得到輸出的控制矢量，因其具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和低電流諧波分量的特點(diǎn)成為永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的研究熱點(diǎn)［7］。文獻(xiàn)［8］提出一種基于離散模型永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制算法，有效提高了系統(tǒng)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。文獻(xiàn)［9］提出了一種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制方法，通過引入積分控制和改進(jìn)占空比更新策略有效減低了系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的敏感性。切換預(yù)測(cè)控制是近年來興起的新型預(yù)測(cè)控制方法，采用大信號(hào)直接建模方法，能在大擾動(dòng)下保持穩(wěn)定［10］。基于切換理論建立永磁同步電機(jī)切換預(yù)測(cè)模型及優(yōu)化控制策略。相比于傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制算法，切換理論能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行大信號(hào)直接建模，其抗大范圍擾動(dòng)能力更強(qiáng)［10-11］，因此控制器設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔且能夠保證在全工況下的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明采用的建模方法和控制策略正確有效。

1　永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下令d軸與轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈方向重合，定子電壓電流正方向遵循電動(dòng)機(jī)慣例，其電壓、磁鏈方程如下：

式中：R和Ld，Lq分別為發(fā)電機(jī)的定子電阻和定子直軸電感、交軸電感；ud，uq，id，iq為定子電壓和電流的d、q軸分量；φf為永磁體磁鏈；ωe為發(fā)電機(jī)電角速度。

對(duì)永磁同步電機(jī)PWM逆變器建模，若令kp（p= a，b，c）表征開關(guān)器件狀態(tài)，定義kp=1表示第p對(duì)開關(guān)上橋壁開通，下橋壁關(guān)斷，k=0表示下橋壁開通，上橋壁關(guān)斷。正常工作過程中，ka、kb、kc共對(duì)應(yīng)8種開關(guān)組合，即：000、001、010、011、100、101、110和111，其中000和111組合作用相同，因此有7種有效狀態(tài)。若σ∈｛1，2，…，7｝表示7種有效模態(tài)，定義系統(tǒng)開關(guān)函數(shù)S=（ka，kb，kc）T，7種模態(tài)下Sσ取值分別為：

永磁同步電機(jī)工作過程中PWM逆變器動(dòng)態(tài)特性隨著開關(guān)函數(shù)的不同而變化，其d、q軸電壓與在不同開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系為：

式中：Udc為直流母線電壓，θ為永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角度，且有

引入狀態(tài)變量x=（id，iq）T，對(duì)表面貼式結(jié)構(gòu)有Ld= Lq=L，將式（3）帶入式（1）可以得到狀態(tài)空間形式的永磁同步電機(jī)切換預(yù)測(cè)模型：

2　電流預(yù)測(cè)控制算法

由永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)模型可知，通過控制開關(guān)狀態(tài)，可以得到不同的狀態(tài)方程，從而控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。如何根據(jù)給定和當(dāng)前狀態(tài)，選擇出最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)，在保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)狀態(tài)變量能夠盡快跟蹤給定，是電流預(yù)測(cè)控制的目的。

通過切換預(yù)測(cè)模型可以得到不同切換狀態(tài)下永磁同步電機(jī)工作過程中下一個(gè)時(shí)刻的電流值，假設(shè)功率變換器控制周期為ΔT，當(dāng)前狀態(tài)下功率變換器狀態(tài)為x（t），經(jīng)過一個(gè)周期的控制后，功率變換器狀態(tài)變?yōu)閤（t+1）。如果控制速度足夠快，θr和ωe可以認(rèn)為在ΔT時(shí)間內(nèi)是不變的［44］。此時(shí)，

由式（9）可以計(jì)算出7種不同的開關(guān)狀態(tài)控制矢量作用一個(gè)周期后，永磁同步電機(jī)電流狀態(tài)。

選擇給定和參考電流值之間的誤差，以該誤差最小為成本評(píng)價(jià)函數(shù)，可以構(gòu)建切換模型的最優(yōu)切換函數(shù)

根據(jù)成本評(píng)價(jià)函數(shù)，確定最小成本函數(shù)所對(duì)應(yīng)的控制矢量，并確定該周期內(nèi)功率變換器開關(guān)管對(duì)應(yīng)的開關(guān)變量?；谇袚Q預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，永磁同步電機(jī)的預(yù)期轉(zhuǎn)速作為外環(huán)給定，PI調(diào)節(jié)器比例常數(shù)Kp=0.7，積分常數(shù)KI=0.1，可以實(shí)現(xiàn)較快的速度響應(yīng)。速度環(huán)的PI調(diào)節(jié)結(jié)果作為q軸的給定電流。為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向，d軸給定電流設(shè)為0。電流內(nèi)環(huán)采用切換預(yù)測(cè)模型的電流控制策略，從永磁同步電機(jī)采集三相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后送入預(yù)測(cè)控制器，預(yù)測(cè)控制器計(jì)算不同開關(guān)狀態(tài)下一個(gè)周期的電流值，與給定的電流值比較后選擇確定最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)給逆變器。

圖1　切換預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

3　仿真分析

為了驗(yàn)證本文控制策略的正確性和有效性，在Matlab/Simulink中建立了1臺(tái)50 kW的永磁同步電機(jī)模型，系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

仿真時(shí)間為1 s，圖2是給定轉(zhuǎn)速3000 r/min時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，由圖可知，電機(jī)啟動(dòng)后很快穩(wěn)定到給定轉(zhuǎn)速，且超調(diào)很小。圖3是對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)選擇結(jié)果。由圖可知，隨著仿真進(jìn)行，系統(tǒng)7個(gè)開關(guān)狀態(tài)將來回切換，切換預(yù)測(cè)模型能夠直接計(jì)算得到逆變器需要的開關(guān)矢量，省去了調(diào)制過程，因此其計(jì)算和實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。

表1　系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖2　速度控制跟蹤效果

圖3　開關(guān)狀態(tài)變化

在仿真過程中，0.5 s時(shí)刻令負(fù)載轉(zhuǎn)矩從5 Nm變?yōu)?5 Nm，測(cè)試永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性。圖4和圖5分別為電機(jī)負(fù)載突變的過程實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩和永磁同步電機(jī)三相電流圖形。從圖中可以清晰看到負(fù)載突變時(shí)電機(jī)電流的變化，電流的調(diào)節(jié)可以在一個(gè)周期內(nèi)完成，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?，體現(xiàn)了切換預(yù)測(cè)控制的優(yōu)勢(shì)。

圖4　轉(zhuǎn)矩跟蹤效果

圖5　電流變化

圖6是永磁同步電機(jī)d軸和q軸電流，在0.5 s時(shí)隨著轉(zhuǎn)矩給定的突變，永磁電機(jī)q軸電流也隨之改變，保證了系統(tǒng)快速跟蹤給定。整個(gè)仿真過程中，電機(jī)的d軸電流都保持為0，顯示了切換預(yù)測(cè)電流控制策略良好的無功抑制能力。

圖6　dq軸電流軌跡

4　結(jié)語

基于切換理論建立了直驅(qū)永磁同步發(fā)電切換動(dòng)態(tài)模型，并根據(jù)切換模型，設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制電流跟蹤算法。在Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，對(duì)系統(tǒng)模型及電流跟蹤控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時(shí)當(dāng)負(fù)載給定發(fā)生階躍變換等大范圍擾動(dòng)時(shí)，永磁同步電機(jī)能夠迅速跟蹤給定變化，具有良好的動(dòng)靜態(tài)控制性能。

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Control Strategy for EV Generators Based on Switch Predictive Control Method

ZHANG Yong1，GUO Yinglei2，CHEN Lei2，GUO Jianhao2，GUO Xiaoxi1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266001，China）

Electric vehicles（EV）need a fast torque response to guarantee the high dynamic performance of the overall system，and the predictive current control is suitable for the fast response of EV with characteristics of strict theory，simple implementation and fast response.Based on the switching theory，a dynamic model of the permanent magnet synchronous motor and inverter is established.A current tracking control strategy is proposed based on the predictive control and the optimal switching state can be selected by using the model to predict the current of a period of different switching mode.Simulation results show that the proposed model and the control strategy are correct and effective.

electric vehicles（EV）；permanent magnet synchronous motor（PMSM）；predictive control；；switched model；current control

TM314

A

1007-9904（2015）12-0001-04

2015-10-27

張用（1983），男，工程師，從事新能源及電力電子方面的研究工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（61503216）