汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(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，涉及一種汽車電動 轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法，基于自抗擾控制理論，對汽車電動助力 轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的磁場定向控制，設(shè)計魯棒性強(qiáng)的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的控制，多采用磁場定向控制的方法，它是一個 非線性雙輸入雙輸出耦合系統(tǒng)的控制問題。汽車電動助力系統(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 魯棒性控制問題。
[0003] 現(xiàn)有觀點(diǎn)多把汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)，看作非線性耦合系統(tǒng)來控 制，采用滑?？刂啤⒍郟ID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題，且其穩(wěn)定性調(diào)速效果還有提升空間。經(jīng)過對汽車電動助力轉(zhuǎn)向永 磁同步電機(jī)磁場定向控制的仔細(xì)分析和研宄，發(fā)現(xiàn)實際情況是，由于其磁場定向控制算法 已經(jīng)設(shè)置兩個輸入控制變量中的一個為零，所以矢量控制算法實際上已經(jīng)執(zhí)行了解耦過 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，來控制目標(biāo)電流，再由電 流值的比較誤差來控制目標(biāo)電壓的過程；并且在這個過程中，存在未知擾動和不確定因素， 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串級系統(tǒng)的調(diào)速 控制問題，并保證其魯棒性。
[0004] 當(dāng)各串級系統(tǒng)的函數(shù)確知時，用簡單的補(bǔ)償與簡單的誤差反饋方法，就可以控制 好；而永磁同步電機(jī)磁場定向控制的各串級系統(tǒng)，其函數(shù)未知，并含有未知擾動和不確定因 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)明提出一種串級系統(tǒng)的汽車電動助力轉(zhuǎn) 向永磁同步電機(jī)控制方法，把磁場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，采用串級系統(tǒng)的方法來 控制，從而能夠克服系統(tǒng)中所存在的未知擾動和不確定因素，從根本上提高汽車電動助力 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] -種汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制的串級系統(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)計串級控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量；
[0009] (2)設(shè)計串級控制系統(tǒng)的外環(huán)自抗擾控制器；
[0010] (3)設(shè)計串級控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)自抗擾控制器；
[0011] (4)設(shè)計內(nèi)外環(huán)自抗擾控制器的參數(shù)；
[0012] 得到汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速效果。
[0013]其中：
[0014] (1)設(shè)計串級控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量
[0015] 根據(jù)汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制的需求，其控制系統(tǒng)主要由兩 個單輸入單輸出的自抗擾控制器串級組成。按照信號傳遞的順序，從左到右，設(shè)計為：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象、外環(huán)自抗擾控制器的控 制對象。
[0016] 外環(huán)自抗擾控制器的輸入變量設(shè)計為兩個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的設(shè) 定轉(zhuǎn)速值、所檢測到的汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速值。
[0017] 外環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計為一個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場 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)計為兩個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場 定向控制算法所需要輸出的交軸電流控制變量、根據(jù)實際檢測所計算出的汽車電動助力轉(zhuǎn) 向永磁同步電機(jī)磁場定向控制算法的實際交軸電流值。
[0019] 內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計為一個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場 定向控制算法所需要輸出的交軸電壓控制變量。
[0020] (2)設(shè)計串級控制系統(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，因此需安排過渡過程；
[0022] 首先，為防止控制過程超調(diào)，安排過渡過程：
[0023]
【主權(quán)項】
1. 一種汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法，其特征在于，包括 步驟如下： (1) 設(shè)計串級控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量 根據(jù)汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制的需求，串級控制系統(tǒng)主要由兩個 單輸入單輸出的自抗擾控制器串級組成，按照信號傳遞的順序，從左到右設(shè)計為：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象、外環(huán)自抗擾控制器的控制對 象； (2) 設(shè)計串級控制系統(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，需要安排過渡過程； 其次，為估計系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差和擾動的不確定信息，設(shè)計狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測 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)估計出的誤差和擾動，對輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動 的補(bǔ)償； (3) 設(shè)計串級控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)自抗擾控制器 首先，為估計系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差和擾動的不確定信息，設(shè)計狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測 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)估計出的誤差和擾動，對輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動 的補(bǔ)償； (4) 設(shè)計內(nèi)外環(huán)自抗擾控制器的參數(shù) 設(shè)計外環(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)觀測器參數(shù)β i、β 2、β 3;設(shè)計 外環(huán)自抗擾控制器的采樣步長4，過渡過程時間Ttl，控制器參數(shù)Γι、hp c1;設(shè)計內(nèi)環(huán)自抗擾 控制器的采樣步長h2，控制器參數(shù)!2、1! 2、。2。|31是觀測狀態(tài)變量的反饋系數(shù)；|32是觀測狀 態(tài)微分變量的反饋系數(shù)；β 3是觀測誤差和擾動的反饋系數(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、Cl、C2是阻尼因子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(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)計為兩個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn) 速值、所檢測到的汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速值； 外環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計為一個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向 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)計為兩個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向 控制算法所需要輸出的交軸電流控制變量、根據(jù)實際檢測所計算出的汽車電動助力轉(zhuǎn)向永 磁同步電機(jī)磁場定向控制算法的實際交軸電流值； 內(nèi)環(huán)自抗擾控制器的輸出變量設(shè)計為一個：汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向 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所述的汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法， 其特征在于，所述步驟（2)中，安排過渡過程為：
N2 (t) = (N(t)-n(t))dtrns(T〇, t) (4) 設(shè)計狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為： 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^)
對輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動的補(bǔ)償為： Tq (t) = u0 (t)-Z13 (t) (10) 〇
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法， 其特征在于，所述步驟（3)中，設(shè)計狀態(tài)變量的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為： 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
對輸出控制變量進(jìn)行誤差和擾動的補(bǔ)償為： Vq (t) = u0 (t)-Z23 (t) (16)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(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比 外環(huán)自抗擾控制器的采樣步長要小整數(shù)倍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(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 測器參數(shù)β i= 100、β 2= 300、β 3= 1000 ;設(shè)計外環(huán)自抗擾控制器的采樣步長h = 0. 01， 過渡過程時間Ttl= 0. 5,控制器參數(shù);r i= 10、h i= 0. 2、C i= 0. 3 ;設(shè)計內(nèi)環(huán)自抗擾控制器 的采樣步長 h = 0· 005,控制器參數(shù);T2= 600、h 2= 0· 5、c 2= 0· 04。
【專利摘要】一種汽車電動轉(zhuǎn)向電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法，基于自抗擾控制理論，對汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)的磁場定向控制，設(shè)計魯棒性強(qiáng)的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速控制方法，具體包括：設(shè)計串級控制系統(tǒng)及其輸入輸出控制變量；設(shè)計串級控制系統(tǒng)的外環(huán)自抗擾控制器；設(shè)計串級控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)自抗擾控制器；設(shè)計內(nèi)外環(huán)自抗擾控制器的參數(shù)；最后得到汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)速方法。本發(fā)明能夠消除汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制串級系統(tǒng)中的未知、非線性、不確定因素，以及突加負(fù)載的擾動，使汽車電動助力轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)磁場定向控制的串級系統(tǒng)，能夠取得在高速高精度下的穩(wěn)定調(diào)速效果。
【IPC分類】H02P21-00
【公開號】CN104734591
【申請?zhí)枴緾N201510133783
【發(fā)明人】黃志堅, 喬粱, 王福欣, 祁宏鐘, 馬建民
【申請人】黃志堅
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月25日