一种基于CPC的电动汽车五相感应电机变极控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CPC的电动汽车五相感应电机变极控制系统，属于高性能多相感应电机控制领域，包括设计了一个用于电子变极五相感应电机的改进电流预测控制电流控制器。首先基于CPC理论设计了电流环控制器，以提高电机的动态响应性。其次采用扩张状态观测器(ESO)来改进CPC，以保证该控制器的稳态性能。最后基于电子变极五相感应电机比较改进的CPC和基于PI电流控制器，仿真结果表明所提算法在同等条件下动态响应速度更快且超调量更小，同时稳态性能和PI电流控制同样优越。性能和PI电流控制同样优越。性能和PI电流控制同样优越。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CPC的电动汽车五相感应电机变极控制方法


[0001]本专利技术属于高性能多相感应电机控制领域，具体涉及一种基于CPC的电动 汽车五相感应电机变极控制方法。

技术介绍

[0002]多相感应电机因其具有高速高效率、高过载能力、高可靠性和容错性、相对 简单的设计、低成本、结构紧凑等优点，同时在运行过程中可有效降低谐波、减 小转矩脉动幅度、更小的相电流等优点。特别适合于电动汽车驱动、舰船全电驱 动、航空器驱动等领域。以电动汽车的驱动系统和混合动力电动汽车的启动/发 电一体机为例，要求电机恒功率运行，能在启动和低速时提供大的转矩和宽广的 调速范围。一种方法是感应机器设计为具有更大的峰值转矩或高角速度，但是这 会导致电机尺寸更大；另一种方法是通过适当的转子槽成形来降低泄漏电感，但 是低转子电抗会导致转矩纹波的不良副作用；另外，多相感应电机可通过变极满 足要求：多相感应电机变极可在恒功率运行时扩展速度范围且在加载条件下比固 定极对数运行具有更好的利用率，最大限度地减少了不同操作区域的损耗和定子 电流，提高了机器的过载能力，可以在高速下降低互感。根据目前的研究现状， 多相电机变极主要在变极动态切换过程和变极前、后稳态控制策略方面展开研 究，以及对逆变器、定子槽等硬件设计优化研究。
[0003]电子变极的工作原理为：利用多相感应电机具有多个控制自由度，即经过坐 标变换形成多个相互解耦的控制平面，在不同的控制平面内生成相应极对数的旋 转磁场，通过控制不同平面的d
‑
q电流切换，则可实现电子变极。五相感应电机 有d1‑
q1和d2‑
q2两个相互正交的控制平面，基于转子磁场定向矢量控制把定子电 流分解为励磁电流分量i
1ds
、i
2ds
和转矩电流分量i
1qs
、i
2qs
，变极的切换本质就是 i
1ds
、i
2ds
和i
1qs
、i
2qs
相互切换的过程，在此过程中进行电流的分配，顺利完成变 极。
[0004]上述研究中，电流环的控制一般使用传统的PI电流控制，由于其算法本身 固有的滞后特性，以及电子器件开关频率的限制，会使PI控制稍滞后于其控制 周期，这无法满足当前一些重要工业应领域电机高性能控制要求。而电流环作为 多相电机调速控制系统的关键环，它的动态响应速度对整个系统的动态性能会产 生较大影响。近十年来，模型预测控制中的一种类型电流预测控制(CurrentPredictive Control，CPC)凭借其良好的跟随性，优良的动态响应性能逐渐引起 了越来越多电力电机研究工作者的关注。如其名，CPC可以在当前的一个控制 周期内，得到即将到来的下一个控制周期的电压控制指令，因此不存在滞后的问 题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于通过设计一种电流预测控制器来抑制电动汽车变极五相 感应电机动态响应慢、超调大控制精度不高的问题，为多相变极感应电机优化控 制提供了一种便捷高效的新方法，具有广泛的适用性和工程应用价值。
[0006]针对现有技术的局限性，本专利技术设计了一种基于CPC的电动汽车五相感应 电机变极控制系统及控制方法。主要思路是首先通过构建的五相感应电机CPC 算法得到CPC控制器，然后设计扩张状态观测器ESO对其进行改进，得到改进 CPC电流环；其次通过切换i
1sq
与i
2sq
的电流渐变到各自参考值，并同时给定两 个运行平面的激磁电流，实现d1‑
q1和d2‑
q2平面之间的电子变极切换。最终得到 采用ESO改进的电子变极五相感应电机CPC电流环控制系统。
[0007]该控制系统基于CPC理论设计了电流环，并采用扩张状态观测器(ESO) 改进CPC控制器，以优化变极五相感应电机的控制精度，使其在同等条件下动 态响应速度更快且超调量更小。
[0008]本专利技术用于抑制电动汽车五相感应电机变极波动的具体方法，也即基于CPC 的电动汽车五相感应电机变极控制方法，包括如下步骤：
[0009]S1：构建电子变极五相感应电机CPC算法；
[0010]S1：采用扩张状态观测器对上述电子变极五相感应电机CPC算法进行改进， 得到改进CPC算法；
[0011]S3：将上述改进CPC算法引入到改进的电子变极五相感应电机CPC电流 环控制系统中。
[0012]所述步骤(1)中的电子变极五相感应电机CPC算法是：五相感应电机在同 步速旋转坐标系d
‑
q下，把i
ks
＝[i
ksq
，i
ksd
]以及ψ
kr
当做状态参数可得到如下状态方 程：
[0013][0014]式中，k代表k次运行平面，根据本文五相感应电机模型结构，k取值1,2； kr、ks代表k次运行平面的转子、定子参数(变量)，d、q为d、q轴分量；L
km
为k次运行平面互感；ω
ks
为k次运行平面的转差；为k次运行平面漏 感系数。
[0015]将上式表达为矩阵式，得：
[0016][0017]式中i
k
＝[i
ksd i
ksq
]T
,u
k
＝[u
ksd u
ksq
]T
；
[0018][0019][0020]因为采样周期T
s
是一个足够小的值10
‑4s，可以假设在采样周期T
s
内，系统输 入量u
k
以及转子磁链ψ
kr
保持恒定。采取欧拉法对上述第一个式子进行处理可以得 到多相电机离散状态方程：
[0021]i
k
(v+1)＝D
k
(v)i
k
(v)+E
k
u
k
(v)+F
k
(v)
[0022]式中i
k
(v)＝[i
ksd
(v) i
ksq
(v)]T
，u
k
(v)＝[u
ksd
(v) u
ksq
(v)]T
，
[0023][0024][0025]可以把当前的一个控制周期T
s
内的参考电流给定值i
k
(v)作为即将到来的下一 个控制周期的电流给定预测值，从而得到该CPC控制器的输出：
[0026][0027]所述步骤(2)中采用扩张状态观测器的改进CPC算法是：
[0028]在CPC中引入扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)，对该电 机控制系统中电机参数的变化、交叉耦合项以及未知扰动估值并用于修正输出 量，此时可将步骤(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CPC的电动汽车五相感应电机变极控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：构建电子变极五相感应电机CPC算法；S1：采用扩张状态观测器对上述电子变极五相感应电机CPC算法进行改进，得到改进CPC算法；S3：将上述改进CPC算法引入到改进的电子变极五相感应电机CPC电流环控制系统中。2.根据权利要求1所述的一种基于CPC的电动汽车五相感应电机变极控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的电子变极五相感应电机CPC算法是：五相感应电机在同步速旋转坐标系d
‑
q下，把i
ks
＝[i
ksq
，i
ksd
]以及ψ
kr
当做状态参数可得到如下状态方程：式中，k代表k次运行平面，k取值1,2；kr、ks代表k次运行平面的转子、定子参数，d、q为d、q轴分量；L
km
为k次运行平面互感；ω
ks
为k次运行平面的转差；为k次运行平面漏感系数；将式(1)表达为矩阵式，得：式中i
k
＝[i
ksd i
ksq
]
T
,u
k
＝[u
ksd u
ksq
]
T
；采取欧拉法对式(1)进行处理可以得到多相电机离散状态方程：i
k
(v+1)＝D
k
(v)i
k
(v)+E
k
u
k
(v)+F
k
(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中i
k
(v)＝[i
ksd
(v) i
ksq
(v)]
T
，u
k
(v)＝[u
ksd
(v) u
ksq
(v)]
T
，，
可以把当前的一个控制周期T
s
内的参考电流给定值i
k
(v)作为即将到来的下一个控制周期的电流给定预测值，从而得到该CPC控制器的输出：3.根据权利要求2所述的一种基于CPC的电动汽车五相感应电机变极控制方法，其特征在于，所述步骤S2中在CPC中引入扩张状态观测器，对该电机控制系统中电机参数的变化、交叉耦合项以及未知扰动估值并用于修正输出量，此时将式(1)改写为：式中X
k1
＝[i
ksd i...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾慧利，陈永强，周欣悦，叶华，刁轩杰，
申请(专利权)人：芜湖职业技术学院，
类型：发明
国别省市：