CN103944476B - 一种电动汽车转矩控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车转矩控制器，将PI转矩控制器和滑膜转矩控制器结合，由开关切换模块根据电机转速误差以不同的权值系数将PI转矩控制器和滑膜转矩控制器分别得到的转矩电流进行加权得到给定转矩电流。当电机转速误差|Δω_r|≥Δω_rmax时，由滑膜转矩控制器完全提供转矩电流来加快转速的跟随性。当电机转速误差|Δω_r|≤Δω_rmin时，由PI转矩控制器提供以此来保证无静差的跟踪给定转速。当电机转速误差Δω_rmin＜|Δω_r|＜Δω_rmax时，两种转矩控制器同时运行保证平滑过渡。本发明通过结合PI转矩控制器和滑膜转矩控制器结合，在提高控制快速性的同时也能削弱滑膜控制抖动，增加感应电机控制的快速跟随性，提高转速控制的稳定性。

Description

一种电动汽车转矩控制器

技术领域

本发明属于电动汽车电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种电动汽车转矩控制器。

背景技术

随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动汽车已成为21世纪汽车产业的发展方向，是绿色车辆最主要的发展方向之一。驱动电机以及电机驱动控制器作为“三横”技术的重要部分，是提供电动汽车驱动动力的直接提供机构，其驱动特性的好坏直接决定了电动汽车行驶性能的好坏。在传统电动汽车控制***中转矩控制器一般采用的传统的PI转矩控制器和滑模转矩控制器。

图1是基于PI转矩控制器的一种电动汽车驱动***原理框图。如图1所示，PI(Proportional Integral，比例积分)转矩控制器12根据油门踏板11的给定转速和电机17反馈的实际转速ω_r生成给定转矩电流i_sq，其控制公式为：

i_sq(t)＝K_pe(t)+K_i∫e(t)dt

其中，K_p,K_i分别为PI转矩控制器的比例系数和积分系数；e(t)为输入误差，

PI转矩控制器12提供给定转矩电流i_sq ^*给间接矢量控制模块16，该电动汽车驱动***采用弱磁控制器13提供给定励磁电流i_sd ^*给间接矢量控制模块16，间接矢量控制模块16生成SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation,空间矢量脉宽调制)波来控制功率模块15的六路IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率管的开通和关断时间来间接地控制电机17输出的实际转速，3/2变换模块14把采集到的电机17的三相电流i_a、i_b、i_c转换成间接矢量控制模块16所需的励磁电流i_sd和转矩电流i_sq加以闭环控制。

PI转矩控制器虽然算法简单，实用性强，但是PI转矩控制器有着固有的缺点：针对同一个控制***不同转速的PI参数是固定不变的，因而会导致转速响应缓慢，转速超调量大，PI参数难以调节等。

图2是基于滑模转矩控制器的一种电动汽车驱动***的实例原理框图。如图2所示，和PI转矩控制器12一样，滑模转矩控制器22根据油门踏板21的给定转速和电机27反馈的实际转速ω_r生成给定转矩电流i_sq，其控制公式为：

i_sq(t)＝-kx(t)-βsgn(x(t))

$sgn\left(x\right(t\left)\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\left(x\left(t\right)\right)>0\\ -1,\left(x\left(t\right)\right)<0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}k>0\\ \mathrm{\&beta;}>\frac{L_r{T}_l}{{\mathrm{PL}}_m^2{i}_{sd}^{\&prime;}}>0\end{array}\right.$

其中，k、β为滑模控制器的设定系数，可以通过设置系数k、β调整滑模控制器的收敛速度。x(t)为给定转速与实际转速ω_r(t)的误差，L_r为电机27的转子自感，T_l为电机27所能承受的最大负载转矩，P为电机27的极对数，L_m为电机27的互感，i′_sd为电机27的额定励磁电流。

同样的，滑模转矩控制器22提供给定转矩电流i_sq ^*给间接矢量控制模块26，采用弱磁控制器23提供给定励磁电流i_sd ^*给间接矢量控制模块26，间接矢量控制模块26生成SVPWM波来控制功率模块25的六路IGBT功率管的开通和关断时间来间接地控制电机27输出的实际转速，3/2变换模块24把采集到的电机27的三相电流i_a、i_b、i_c转换成间接矢量控制模块26所需的励磁电流i_sd和转矩电流i_sq加以闭环控制。

滑模转矩控制器具有算法简单、响应速度快、对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性、无需***在线辨识、物理实现简单等优点。但是滑模转矩控制器本身所固有的缺陷在于***会在滑模面上下抖震使得电机实际转速会在给定的转速上下波动进而影响其控制器正常运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车转矩控制器，联合使用PI转矩控制器和滑模转矩控制器，提高电动汽车驱动***的速度快速跟随性和稳定性。

为实现上述发明目的，本发明电动汽车转矩控制器，包括PI转矩控制器、滑模转矩控制器、开关切换模块，其中：

PI转矩控制器接收来自电动汽车油门踏板的给定转速ω_r ^*和电动汽车电机的实际转速ω_r，生成转矩电流i_sq1 ^*输入开关切换模块；

滑模转矩控制器接收来自油门踏板的电动汽车油门踏板的给定转速ω_r ^*和电动汽车电机的实际转速ω_r，生成转矩电流i_sq2 ^*输入开关切换模块；

开关切换模块接收来自油门踏板的给定转速ω_r ^*和电机的实际转速ω_r，以及PI转矩控制器和滑模转矩控制器生成的转矩电流i_sq1 ^*和i_sq2 ^*，得到转矩电流i_sq ^*：

i_sq ^*＝λ*i_sq1 ^*+(1-λ)*i_sq2 ^*

其中，λ为权值参数，确定方法为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=1,\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|\&le;{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min \\ \mathrm{\&lambda;}=1-\frac{\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|-{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min }{{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max -{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min },{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min <\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|<{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max \\ \mathrm{\&lambda;}=0,{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max \&le;\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|\end{array}\right.$

其中，Δω_r＝ω_r-ω_r ^*，表示低转速误差点，表示高转速误差点。

本发明电动汽车转矩控制器，将PI转矩控制器和滑模转矩控制器结合，由开关切换模块根据电机转速误差以不同的权值系数将PI转矩控制器和滑模转矩控制器分别得到的转矩电流进行加权得到给定转矩电流。当电机转速误差时，由滑模转矩控制器完全提供转矩电流来加快速度跟随性。当电机转速误差时，由PI转矩控制器提供以此来保证速度无静差的跟踪给定速度。当电机转速误差时，两种转矩控制器同时运行保证平滑过渡。采用这种方式，既能保证控制的快速性也能削弱滑模控制抖动，增加感应电机转速控制的快速跟随性，提高了转速控制的稳定性。

附图说明

图1是基于PI转矩控制器的一种电动汽车驱动***原理框图；

图2是基于滑模转矩控制器的一种电动汽车驱动***原理框图；

图3是基于本发明电动汽车转矩控制器的电动汽车驱动***的一种具体实施方式原理框图；

图4是权值参数λ的函数曲线；

图5是基于PI转矩控制器驱动的感应电机的三相电流、转矩、实际转速示意图；

图6是基于滑模转矩控制器驱动的感应电机的三相电流、转矩、实际转速示意图；

图7是基于本发明驱动的感应电机的三相电流、转矩、实际转速示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图3是基于本发明电动汽车转矩控制器的电动汽车驱动***的一种具体实施方式原理框图。如图3所示，本发明电动汽车转矩控制器32包括PI转矩控制器321、滑模转矩控制器322、开关切换模块323。

PI转矩控制器321接收来自电动汽车油门踏板31的给定转速ω_r ^*和电动汽车电机37的实际转速ω_r，生成转矩电流i_sq1 ^*输入开关切换模块323。

与PI转矩控制器321一样，滑模转矩控制器322接收来自油门踏板的电动汽车油门踏板的给定转速ω_r ^*和电动汽车电机的实际转速ω_r，生成转矩电流i_sq2 ^*输入开关切换模块323。

本发明中，PI转矩控制器321和滑模转矩控制器322根据各自的转矩控制方式分别生成转矩电流，但是这两个转矩电流并不是直接输入后续的间接矢量控制模块36的，而是先输入至开关切换模块323，由开关切换模块323来得到最终的给定转矩电流。

开关切换模块323接收来自油门踏板31的给定转速ω_r ^*和电机的实际转速ω_r，以及PI转矩控制器321和滑模转矩控制器322生成的转矩电流i_sq1 ^*和i_sq2 ^*，得到给定转矩电流i_sq ^*：

i_sq ^*＝λ*i_sq1 ^*+(1-λ)*i_sq2 ^*

其中，λ为权值参数。

由于滑模转矩控制器有很快的响应速度，PI转矩控制器可以无静差跟踪给定速度，在本发明中，开关切换模块323需要根据电机转速误差Δω_r来切换不同的转矩控制器来控制相应的给定转矩电流i_sq ^*，以达到精确控制电机转速的目的。电机转速误差Δω_r＝ω_r-ω_r ^*。当电机转速误差Δω_r在区时，由滑模转矩控制器322完全提供给定转矩电流i_sq ^*来加快跟随性，此时权值参数λ＝0；当电机转速误差Δω_r在区时，由于滑模控制器本身的固有抖动特性不能很好地跟踪给定速度，因此此时的给定转矩电流i_sq ^*完全由PI转矩控制器提供以此来保证速度无静差的跟踪给定速度，此时权值参数λ＝1。是人为设置的转矩控制器切换的转速误差切换点，为低转速误差点，为高转速误差点，均为正值，根据实际情况设置取值，一般情况下

由于转矩控制器的切换法则和切换过程都是在开关切换模块323中由程序实现的，所以切换法则可以灵活的设计，考虑到转矩控制器切换时候的稳定性，本发明采用变化加权的方法实现两种转矩控制器的缓慢切换。在切换过程中，即权值参数为：

$\mathrm{\&lambda;}=1-\frac{\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|-{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_{r}min}{{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max -{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_{r}min}$

综上所述，本发明中权值参数λ的确定方法为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=1,\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|\&le;{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min \\ \mathrm{\&lambda;}=1-\frac{\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|-{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min }{{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max -{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min },{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min <\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|<{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max \\ \mathrm{\&lambda;}=0,\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max \end{array}\right.$

可见，权值参数λ是一个以电机转速误差Δω_r为变量的分段函数。图4是权值参数λ的函数曲线。

下面以一个实例来说明本发明的有益效果。分别将PI转矩控制器、滑模转矩控制器以及本发明应用于对3KW感应电机进行间接矢量控制的Simulink仿真驱动***。表1是3KW感应电机的技术参数。

表1

本次仿真实验是在感应电机额定负载转矩20.04N*m，给定转速为10rad/s下进行的。

PI转矩控制器中，比例系数K_p＝0.5，积分系数K_i＝1.4。

滑模转矩控制器中，根据感应电机技术参数计算待定系数k和β的取值范围，其中电机所能承受的最大负载转矩T_l应为电机能够提供的额定转矩20.04N*m，则：

$\left\{\begin{array}{c}k>0\\ \mathrm{\&beta;}>\frac{L_r{T}_l}{{\mathrm{PL}}_m^2{i}_{sd}}=\frac{0.196*20.04}{2*{0.187}^2*6.0}=9.36\end{array}\right.$

本次仿真实验中取k＝0.4，β＝9.4。并且由于滑模控制本身具有抖振特性，将滑模转矩控制器中的符号函数sgn(x(t))以连续的饱和函数sat(x(t))代替能够很大程度上削弱***抖振。本次仿真实验中所采用的饱和函数如下：

$sat\left(x\right(t\left)\right)=\left\{\begin{array}{c}1,x\left(t\right)\&GreaterEqual;\frac{\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{2}}\mathrm{\&epsiv;}\\ sin\left(\frac{x\left(t\right)}{\sqrt{2}\mathrm{\&epsiv;}}\right),-\frac{\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{2}}\mathrm{\&epsiv;}<x\left(t\right)<\frac{\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{2}}\mathrm{\&epsiv;}\\ -1,x\left(t\right)\&le;-\frac{\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{2}}\mathrm{\&epsiv;}\end{array}\right.$

ε为待定系数，本次仿真实验中设置ε＝1。

本发明电动汽车转矩控制器中所采用的PI转矩控制器和滑模转矩控制器与单独使用的PI转矩控制器和滑模转矩控制器相同。本次仿真实验中设置为0.1rad/s，设置为1rad/s。

图5是基于PI转矩控制器驱动的感应电机的三相电流、转矩、实际转速示意图。图6是基于滑模转矩控制器驱动的感应电机的三相电流、转矩、实际转速示意图。图7是基于本发明驱动的感应电机的三相电流、转矩、实际转速示意图。对图5、图6、图7进行对比可知，三种转矩控制器的性能都能达到较好的水平，三相电流波形畸变小，输出的转矩也较为稳定。然而从转速和跟随性方面来看，PI转矩控制器需要6s达到给定转速，而本发明转矩控制器只需要1.9s即可达到给定转速。从消除静差和减弱抖震方面来看，滑模转矩控制器由于存在抖震导致最终未能稳定在给定转速，而本发明转矩控制器，由于有PI环节作用最终能够稳定在给定转速并且无抖震现象。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种电动汽车转矩控制器，其特征在于，包括PI转矩控制器、滑模转矩控制器、开关切换模块，其中：

PI转矩控制器接收来自电动汽车油门踏板的给定转速ω_r ^*和电动汽车电机的实际转速ω_r，生成转矩电流i_sq1 ^*输入切换开关切换模块；

滑模转矩控制器接收来自油门踏板的电动汽车油门踏板的给定转速ω_r ^*和电动汽车电机的实际转速ω_r，生成转矩电流i_sq2 ^*输入开关切换模块；

开关切换模块接收来自油门踏板的给定转速ω_r ^*和电机的实际转速ω_r，以及PI转矩控制器和滑模转矩控制器生成的转矩电流i_sq1 ^*和i_sq2 ^*，得到转矩电流i_sq ^*：

i_sq ^*＝λ*i_sq1 ^*+(1-λ)*i_sq2 ^*

其中，λ为权值参数，确定方法为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=1,\left|\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\right|\&le;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\min \\ \mathrm{\&lambda;}=1-\frac{\left|{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\right|-{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min }{{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\max -{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_r\min },\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\min <\left|\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\right|<\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\max \\ \mathrm{\&lambda;}=0,\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\max \&le;\left|\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_r\right|\end{array}\right.$

其中，Δω_r＝ω_r-ω_r ^*，Δω_rmin表示低转速误差点，Δω_rmax表示高转速误差点。

2.根据权利要求1所述的电动汽车转矩控制器，其特征在于，所述低转速误差点Δω_rmin和高转速误差点Δω_rmax满足2Δω_rmin≤Δω_rmax。

3.根据权利要求1所述的电动汽车转矩控制器，其特征在于，所述滑模转矩控制器中的符号函数采用连续的饱和函数。