CN102818336A - 基于预测控制算法的汽车空调控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于预测控制算法的汽车空调控制器，由车外控制器、车内控制器、遥控装置、车温传感器、车内热交换器、显示屏组成，该车内控制器具有两层结构，内层为线性电流控制器，外层为预测补偿控制器，预测补偿控制器包括带宽限制滤波器、补偿调节器、第一前馈滤波器、第二前馈滤波器、周期信号发生器、延时模块组成，预测补偿控制器通过一个周期信号发生器不断产生一个周期性的误差补偿信号以此来修正电流控制器的控制输入。本发明能够在实现快速准确的电流跟踪控制的前提下，通过预测补偿控制器修正电流控制器的控制输入，消除周期干扰带来的误差，提高空调控制***的中高速稳态性能。

Description

基于预测控制算法的汽车空调控制器

技术领域

本发明专利涉及电机驱动控制领域，可以用于汽车空调的控制器压缩机驱动领域。

背景技术

在压缩机低速范围内，由于负载力矩波动明显，采用前馈控制可以取得较好的补偿效果，但是当压缩机速度上升以后，随着转子转动惯量的增加，波动力矩逐渐变小，此时原有前馈控制方法中，对每个机械周期起始点的判断会产生误差，从而带来补偿失步的问题。因此，为提高***的中、高速稳态性能，采用一种可以抑制周期性干扰的预测控制方法进行解决。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明提供一种基于预测控制算法的汽车空调控制器，采用的技术方案是：

基于预测控制算法的汽车空调控制器，由车外控制器、车内控制器、遥控装置、车温传感器、车内热交换器、显示屏组成，其特征在于该车内控制器具有两层结构，内层为线性电流控制器，外层为预测补偿控制器，预测补偿控制器包括带宽限制滤波器、补偿调节器、第一前馈滤波器、第二前馈滤波器、周期信号发生器、延时模块组成，预测补偿控制器通过一个周期信号发生器不断产生一个周期性的误差补偿信号以此来修正电流控制器的控制输入。

带宽限制滤波器为采用

算法的低通滤波器，补偿调节器为采用C(z^-1)＝K_r算法的相位补偿器。

本发明能够在实现快速准确的电流跟踪控制的前提下，通过预测补偿控制器修正电流控制器的控制输入，消除周期干扰带来的误差，提高空调控制***的中高速稳态性能。

附图说明

图1PMSM速度环结构图；

图2周期信号发生器；

图3基于预测控制算法的汽车空调控制器；

具体实施方式

PMSM伺服***速度环控制的结构如图1所示，由于永磁同步电机的电流环可以等效成单位增益的比例环节，可以得出从转速偏差到转矩扰动的传函，即为：

$\mathrm{\Δ\ω}=-\frac{M\left(s\right)}{1+C\left(s\right)M\left(s\right)}\mathrm{\Δ}{T}_L---\left(1\right)$

式中，M(s)是电动机的简化传函模型，

模型中只保留了电机机械部分的传函，省略了电流环的传递函数。C(s)是速度控制器的传递函数，一般采用PI控制，代入式(2)后可得到如下具体的表达形式：

$\mathrm{\Δ\ω}=-\frac{s}{J{s}^2+(K_P+B)s+K_I}\mathrm{\Δ}{T}_L---\left(2\right)$

将上式求逆，即可得到在周期性转速波动时，计算出来的转矩扰动。

$\mathrm{\Δ}{T}_L=-(\mathrm{Js}+(K_P+B)+\frac{K_I}{s})\mathrm{\Δ\ω}---\left(3\right)$

在抑制扰动转矩时，可将速度调节器的输出作为转矩给定，在转矩给定中将扰动力矩抵消掉，即在转矩给定中减去上式。针对扰动转矩这种周期性干扰，发明一种基于预测控制原理的动态前馈补偿方案，以补偿抑制扰动，从而提高了***的转矩控制能力。

要实现对参考信号的无稳态偏差跟踪，必须将参考信号产生模型作为内部模型成为控制器的一部分放置在闭环内。在***周期不变性的前提下，预测控制通过在闭环***内设置一个与外部信号同周期的内部模型，将上一周期的控制误差应用于当前控制量的生成，实现对外部参考或干扰信号的完全跟踪或抑制。

作为预测控制的内部参考信号模型是一个周期信号发生器，产生一个用来消除周期性干扰的周期信号。一个简单的周期信号发生器如图2所示。

图中N表示一个位置周期内的采样点数，由于转矩脉动与位置相关，该值与转速成正比，需要根据电机的稳态工作点实时计算。如果此周期信号发生器被包括在一个渐进稳定的闭环内，那么就可以跟踪一个具有同样周期的周期性指令信号和干扰信号。但在实际应用中，因为干扰经常包含丰富的高次谐波含量，这就使有限带宽的***很难完全消除外部的干扰。

为了补偿***非理想特性造成的转矩扰动，本设计的预测转矩补偿控制方案：在***控制器控制框图中***一个预测控制环节，就构成如图3所示的具有两层结构的控制器：内层是线性电流控制器，能够实现快速准确的电流跟踪控制；外层是预测补偿控制器，用于抑制周期性的转矩干扰。

图3中虚线框内就是所采用的预测补偿器，Q(s)是带宽限制滤波器，C(s)是补偿调节器，a(s)、b(s)为前馈滤波器，它们的输入是误差信号，输出分别加到低通滤波器和延时环节e^-Ls的输出端。从图中可以看出，预测控制器通过一个周期信号发生器不断产生一个周期性的误差补偿信号以此来修正电流控制器的控制输入。这样对于一个周期性的干扰，主延迟回路就能通过相同周期的延迟来抵消这一误差。

预测控制器主要在电机的稳速工作点附近工作。而为了加快***的动态响应，在预测控制器前加入了饱和环节，当***误差较大时，由于饱和器的限制，切断预测控制器的输入，使其不工作。当***误差减小，***接近稳态工作，预测控制器切入工作，起抑制转矩脉动的作用。

在设计预测控制器时，一个重要的问题是如何兼顾周期性误差的收敛速度和***的稳定性问题，这一点可以通过设计Q(z^-1)、C(z^-1)来达到一个折中。

带宽限制滤波器的作用是降低由于全部抵消周期性干扰时对***稳定性的苛刻要求。Q(s)的选择应满足在低频段其幅值接近1以保证跟踪精度，高频时接近0以满足***稳定性。实际信号的低频成份相当丰富。因此，Q(s)使用如式(4)所示的带宽限制滤波器。

$Q\left(z^{-1}\right)=\frac{z+2+z^{-1}}{4}---\left(4\right)$

式(4)表示的是一个加权滑动平均平滑滤波器。这种滤波器的优点是零相位漂移，同时不会引入额外的延时。这样，就能在只牺牲一点***带宽的情况下，使***的稳定裕度大大提高。

在延时环节前加一低通滤波器Q(s)，以改善并保证闭环***稳定性。但低通滤波降低了***的快速跟踪性能，因此引入a(s)、b(s)前馈滤波器，它们的输入是误差信号，输出分别加到低通滤波器和延时环节e^-Ls的输出端。

C(z^-1)是一个相位补偿器，用来补偿内环控制器和主延迟回路引起的相位延迟。由于内层的电流控制器的高跟踪性能，可以认为其实际电流能够准确跟踪指令电流，因此相位延时为零。故将相位补偿器设置为：

C(z^-1)＝K_r                        (5)

式中K_r为预测控制增益，是一个小于1的正实数，可以用来调整周期性误差的收敛速度。

Claims (2)

1.基于预测控制算法的汽车空调控制器，由车外控制器、车内控制器、遥控装置、车温传感器、车内热交换器、显示屏组成，其特征在于该车内控制器具有两层结构，内层为线性电流控制器，外层为预测补偿控制器，预测补偿控制器包括带宽限制滤波器、补偿调节器、第一前馈滤波器、第二前馈滤波器、周期信号发生器、延时模块组成，预测补偿控制器通过一个周期信号发生器不断产生一个周期性的误差补偿信号以此来修正电流控制器的控制输入。

2.根据权利要求1所述的基于预测控制算法的汽车空调控制器，其特征在于带宽限制滤波器为采用

算法的低通滤波器，补偿调节器为采用C(z^-1)＝K_r算法的相位补偿器。

Images