一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，包括步骤：1、建立电流内环非线性控制算法，使得输出的电压稳定在一个恒值。1)建立Buck‑Boost拓扑结构的非线性系统模型，为模型的线性化奠定基础。2)将仿射非线性输入与输出的线性化，使得到的线性关系可以反应系统的动态变化。2、建立电压外环滑模控制，使得通过电压参考值即可控制输出电压。本发明专利技术的电流内环采用非线性控制算法，实现系统局部线性化；电压外环采用滑模控制结构，可以改善改善BSG电机发电工况下的动态特性，提高系统的鲁棒性，进而提高电动车的稳定性。

An Optimal Control Method for BSG Motor Generation Based on Double Closed-loop Nonlinear Control

The invention discloses a BSG motor generation optimization control method with double closed-loop non-linear control, including steps: 1. Establishing a current inner-loop non-linear control algorithm to stabilize the output voltage at a constant value. 1) A nonlinear system model with Buck Boost topology is established, which lays the foundation for the linearization of the model. 2) Linearize the affine non-linear input and output so that the linear relationship can reflect the dynamic changes of the system. 2. Establish the sliding mode control of the voltage outer loop, so that the output voltage can be controlled by the voltage reference value. The inner current loop of the invention adopts a non-linear control algorithm to realize local linearization of the system; the outer voltage loop adopts a sliding mode control structure, which can improve the dynamic characteristics of BSG motor under power generation conditions, improve the robustness of the system, and thereby improve the stability of the electric vehicle.

【技术实现步骤摘要】
一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法
本专利技术涉及一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制器，属于BSG电机控制

技术介绍
面临环境污染和能源枯竭的双重危机，传统汽车工业的发展陷入了瓶颈。上汽集团提出了汽车的四化趋势“电气化、智能化、网联化、共享化”，其中汽车的电气化是保证节能减排的必然趋势。相对于尚未成熟的纯电动汽车，混合动力汽车结合发动机和电机技术，在节能减排上的优越性逐步体现。由于汽车的保有量不断增加，红灯、堵车时车辆的怠速和制动时的损耗会使车辆对燃油的消耗增大，BSG(belt-drivenstartergenerator)混合动力技术的出现为这些问题提供了一个很好的解决方案。BSG是一项轻度混合动力技术，发动机和电机、变速箱并联，采用皮带传动方式进行动力混合，系统结构示意图如图1所示。当遇到红灯、堵车等情况汽车发动机怠速时间较长时，发动机以及BSG电机关闭；当驾驶员要启动汽车时，BSG电机可以作为起动机将发动机通过皮带迅速提高到高转速；当制动时，BSG系统发出控制信号，BSG电机作为发电机，将发动机动能通过逆变器转化为电能，并向蓄电池充电。混合动力汽车BSG系统是一个强耦合非线性时变复杂系统，在汽车实际运行情况下参数可能会发生突变，而且外部扰动对BSG系统也存在着干扰，因此研究BSG电机高品质控制方法至关重要。由于BSG电机随发动机转速时变，所以得到的直流电压也是时变的，因此需要采用DC-DC变换器稳压。对于BSG系统常用的方法是PID控制，然而传统PID控制存在着以下缺陷：(1)闭环动态品质对PID增益的变化很敏感，所以当被控对象处于经常变化的环境中时，需要根据环境的变化来调整PID增益；(2)PID控制“直接取目标与实际行为之间的误差来消除误差”的方式常常会造成初始控制力太大而使系统行为出现超调，致使在闭环系统中产生“快速性”和“超调”的矛盾；(3)PID控制中的积分环节对抑制常值扰动的效果显著，但是无扰动时，积分环节使得系统的动态特性变差(闭环系统的反应迟钝、容易产生震荡和控制量饱和的副作用)。为了克服传统PID控制方法的不足之处，十分有必要研究新型的混合动力汽车用BSG系统的方法，进而改善系统的动态特性，提高响应速度和鲁棒性。。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于Buck-BoostDC-DC变换器，提出一种BSG电机发电非线性控制方法，采用该方法来改善BSG电机发电工况下的动态响应、鲁棒性和稳定性。本专利技术的技术方案是：一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，包括以下步骤：步骤1，搭建BSG电机系统：BSG电机通过皮带轮与发动机连在一起，当启动时，蓄电池通过DC-DC变换器变压给电机提供高压电源，当汽车减速时，发动机通过皮带轮带动BSG电机转动，将动能传递给BSG电机；BSG电机通过三相全桥整流将动能转化成电能，并输送给蓄电池充电，经过三相全桥变换器整流后得到直流电压Uin；步骤2，所述DC-DC变换器为Buck-Boost拓扑结构，建立Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型，通过调节开关管占空比获得稳定的输出电压；步骤3，根据Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型构建电流内环非线性控制器，将非线性系统模型进行线性化，通过线性关系反映系统的动态变化；步骤4、建立电压外环滑模控制，实现电流参考值与电压参考值之间非线性关系的建立，进而通过给定的电压参考值，即可得到稳定的电压输出值。进一步，建立Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型的具体过程为：2.1)构建Buck-Boost变换器模型：Buck-Boost拓扑结构是一种分段线信号系统，在电感电流连续模式和高开关频率的前提下，运用状态空间平均法得到Buck-Boost变换器的模型为其中，iL和uC为电感电流和电容电压在一个开关周期内的平均值，uC等于输出电压UoutL、C分别为电感和电容；R为输出端负载电阻；μ为开关管的占空比；2.2)根据Buck-Boost变换器的模型，构建仿射非线性标准型模型；选取状态量x＝[x1x2]＝[iLuC]，输出变量y＝x1＝iL，输入变量u＝μ，构建单输入单输出仿射非线性标准型为其中该仿射非线性系统模型，通过调节输入变量占空比u，来使输出状态量uc达到稳定状态。进一步，步骤3中需要构造电流反馈控制，将反馈电流iL与给定电流参考值iref作差，产生偏差值ei，构建输出和新的输入变量之间的线性微分关系，基本方法为：重复对公式中的输出函数y进行微分，直到微分表达式出现输入变量u，然后设计新的输入变量v来抵消非线性部分，从而实现输入输出线性化。进一步，重复对公式中的输出函数y进行微分，直到微分表达式出现输入变量u具体过程为：3.1)对输出函数y进行重复微分，直至出现输出变量u，构建新输入v与输出的线性关系；对输出y进行微分得：式中Lfh(x)、Lgh(x)为h(x)沿F(x)、g(x)的李导数，如果李导数为0，则说明没有得到输出与输入的线性关系，需要继续对y进行微分，直到任一李导数为非零数，经过多次微分后可以得到输入与输出的显性关系令输入即可以得到输出微分值与新输入v的线性关系进一步，设计新的输入变量v来抵消非线性部分，从而实现输入输出线性化具体为：电流内环的目标是为了实现系统的输出电压状态量uc达到稳定值，因此可以将电流内环的本质转化为电流跟踪的问题，要求输出变量iL可以实时地跟踪期望电流y＝yd＝iref；定义跟踪误差ei＝y-yd，由线性关系可得其中k为系数，yd＝iref为电流参考值，只要k为非负数即可满足跟踪控制，由于系统要求输出为恒压值，因此电流参考值需要恒定值，即所以新输入量可以表示为v＝-k(y-iref)，输入量u可以表示为即实现了非线性系统中，输入量u与输出量iL的线性关系，通过调节输入量占空比u，可以实现稳定的电流跟踪控制，得到稳定的输出电压状态量。进一步，步骤4的具体过程为：4.1)建立非线性系统的外环滑模控制：定义电压跟踪误差函数eu＝x2-Uref，Uref为参考电压，选取滑模切换面s＝ceu，其中c为正数，对切换面求导，可得为了使趋近运动有优良的动态特性，采用指数趋近律，令为保证快速的趋近运动同时减小抖振，应增大k减小ε；由于该系统的目标是输出恒定的电压，因此电压参考值的导数应为零，根据式可以得到：4.2)建立电流参考值与电压参考值之间的关系，最终实现电压跟踪控制：根据Buck-Boost电路稳态特性有：当电路稳态时有占空比和输出电压u＝ud，x2＝Uref，ud为电路稳态时电压，则电感电流x1＝iref，联立并消除占空比项得到电流参考值表达式：其中iR＝x2/R为负载电流；k1与k2为整定参数，为了进一步简化，忽略指数趋近中的等速趋近，即k＝0；最终可以得到电流参考值计算：其中β为整定参数，视工况选择，因此建立了电流参考值与电压参考值之间的关系。上述方案总结为：1、建立电流内环非线性控制算法，使得输出的电压稳定在一个恒值。1)建立Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型，为模型的线性化奠定基础。基于Buck-Boost拓扑结构，建立其状态空间平均模型，并将模型表示成单输入单输出仿射非线性标准型。2)将仿射非线性输入与输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，搭建BSG电机系统：BSG电机通过皮带轮与发动机连在一起，当启动时，蓄电池通过DC‑DC变换器变压给电机提供高压电源，当汽车减速时，发动机通过皮带轮带动BSG电机转动，将动能传递给BSG电机；BSG电机通过三相全桥整流将动能转化成电能，并输送给蓄电池充电，经过三相全桥变换器整流后得到直流电压Uin；步骤2，所述DC‑DC变换器为Buck‑Boost拓扑结构，建立Buck‑Boost拓扑结构的非线性系统模型，通过调节开关管占空比获得稳定的输出电压；步骤3，根据Buck‑Boost拓扑结构的非线性系统模型构建电流内环非线性控制器，将非线性系统模型进行线性化，通过线性关系反映系统的动态变化；步骤4、建立电压外环滑模控制，实现电流参考值与电压参考值之间非线性关系的建立，进而通过给定的电压参考值，即可得到稳定的电压输出值。

【技术特征摘要】
1.一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，搭建BSG电机系统：BSG电机通过皮带轮与发动机连在一起，当启动时，蓄电池通过DC-DC变换器变压给电机提供高压电源，当汽车减速时，发动机通过皮带轮带动BSG电机转动，将动能传递给BSG电机；BSG电机通过三相全桥整流将动能转化成电能，并输送给蓄电池充电，经过三相全桥变换器整流后得到直流电压Uin；步骤2，所述DC-DC变换器为Buck-Boost拓扑结构，建立Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型，通过调节开关管占空比获得稳定的输出电压；步骤3，根据Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型构建电流内环非线性控制器，将非线性系统模型进行线性化，通过线性关系反映系统的动态变化；步骤4、建立电压外环滑模控制，实现电流参考值与电压参考值之间非线性关系的建立，进而通过给定的电压参考值，即可得到稳定的电压输出值。2.根据权利要求1所述的一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，其特征在于，建立Buck-Boost拓扑结构的非线性系统模型的具体过程为：2.1)构建Buck-Boost变换器模型：Buck-Boost拓扑结构是一种分段线信号系统，在电感电流连续模式和高开关频率的前提下，运用状态空间平均法得到Buck-Boost变换器的模型为其中，iL和uC为电感电流和电容电压在一个开关周期内的平均值，uC等于输出电压Uout；L、C分别为电感和电容；R为输出端负载电阻；μ为开关管的占空比；2.2)根据Buck-Boost变换器的模型，构建仿射非线性标准型模型；选取状态量x＝[x1x2]＝[iLuC]，输出变量y＝x1＝iL，输入变量u＝μ，构建单输入单输出仿射非线性标准型为其中该仿射非线性系统模型，通过调节输入变量占空比u，来使输出状态量uc达到稳定状态。3.根据权利要求2所述的一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，其特征在于，步骤3中需要构造电流反馈控制，将反馈电流iL与给定电流参考值ir∈f作差，产生偏差值ei，构建输出和新的输入变量之间的线性微分关系，基本方法为：重复对公式中的输出函数y进行微分，直到微分表达式出现输入变量u，然后设计新的输入变量v来抵消非线性部分，从而实现输入输出线性化。4.根据权利要求3所述的一种双闭环非线性控制的BSG电机发电优化控制方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，王浩祥，孙晓东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32