考慮鐵損的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)命令濾波模糊控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種考慮鐵損的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)命令濾波模糊控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年，依靠燃燒汽油、柴油作為主要驅(qū)動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車所產(chǎn)生的尾氣排放導(dǎo)致 環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。為此，各個(gè)國家力求尋找發(fā)展一種新能源汽車能夠有效地降低大氣 污染。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)和發(fā)展讓人們展望到改善空氣質(zhì)量的新方向。電動(dòng)汽車是指以車載 電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。電動(dòng)汽車的 組成包括：電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。其 優(yōu)點(diǎn)在于：一方面實(shí)現(xiàn)廢氣的零排放，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放量；另一方面 是噪聲低，電動(dòng)汽車在行駛運(yùn)行中基本是寧靜的，特別適合在需要降低噪聲污染的城市道 路上行駛；第三方面，電動(dòng)汽車具有高能效、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)久耐用以及維修方便等特點(diǎn)。
[0003] 電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部分，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同 點(diǎn)。應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從靜止不動(dòng)到高速運(yùn)行的寬 工作電壓范圍，除此之外，還要求其在所有速度范圍內(nèi)都具有高效率，因此對(duì)電機(jī)控制的性 能直接影響汽車的性能指標(biāo)和安全性。盡管各種不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)都可以用于電動(dòng)汽車，但 是由于永磁同步電機(jī)與普通交流變頻電機(jī)相比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度，是 一種低碳環(huán)保電機(jī)，所以永磁同步電機(jī)經(jīng)常應(yīng)用于追求高性能的電動(dòng)汽車應(yīng)用中。與此同 時(shí)，鐵磁損耗能夠降低發(fā)電電壓的頻率和大小，它可以被看作是一個(gè)與數(shù)值成比例的、附加 的負(fù)載。在鐵損很小的永磁同步電機(jī)中，鐵損的影響也不是小到可以忽略不計(jì)，所以鐵損是 不能被忽略的。
[0004] 由于永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有高度的非線性、多變量的特點(diǎn)，因此在電 動(dòng)汽車上永磁同步電機(jī)需要一套更復(fù)雜的控制方法。為滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)于電動(dòng)汽車更高的 要求，提出了模糊邏輯控制、反步法控制和滑?？刂频然谧罱F(xiàn)代控制理論的控制策略。 所有的這些方法都假定可以得到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方程。反步法是一種控制具有不確定性、非線性 的系統(tǒng)，尤其是那些不滿足給定條件的系統(tǒng)的方法。反步法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以用虛擬控制 變量簡化原始的高階系統(tǒng)，從而最終的輸出結(jié)果可以通過合適的Lyapunov方程來自動(dòng)的 得到。然而，傳統(tǒng)反步控制中對(duì)虛擬控制函數(shù)進(jìn)行連續(xù)求導(dǎo)，容易引起"計(jì)算爆炸"問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種考慮鐵損的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)命令濾波模糊控 制方法，該控制方法引入命令濾波技術(shù)，使用模糊邏輯系統(tǒng)來逼近未知的非線性項(xiàng)，應(yīng)用自 適應(yīng)模糊反步法技術(shù)來使跟蹤誤差能夠收斂到原點(diǎn)的一個(gè)充分小的鄰域內(nèi)，能夠有效地解 決在參數(shù)不確定和有負(fù)載擾動(dòng)的情況下考慮鐵損的永磁同步電機(jī)的速度跟蹤控制的問題。
[0006] 考慮鐵損的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)命令濾波模糊控制方法，包括如下步驟：
[0007] a建立考慮鐵損的永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型：
[0008]
[0009] 其中，wy表示電機(jī)角速度，np表示極對(duì)數(shù)，J表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩；i d 和iq表示d-q軸定子電流；u jP uq表示d-q軸定子電壓；i^和i%表示d-q軸勵(lì)磁電流分 量；LjPLq表示d-q軸電感；Lld和Llq表示d-q軸漏感；Lnd和Lnq表示d-q軸勵(lì)磁電感；R1 和R。表示定子電阻和鐵心損耗電阻；APM是轉(zhuǎn)子永磁體的勵(lì)磁磁通；
[0010] 為簡化永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，定義新的變量：
[0015]b設(shè)計(jì)一種考慮鐵損的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型簡化為兩個(gè)近似獨(dú)立的子系統(tǒng)，即由狀態(tài)變量（Xl，x2,X3)和控制輸入U(xiǎn)q組成的子 系統(tǒng)以及由狀態(tài)變量（x4,X5)和控制輸入叫組成的子系統(tǒng)；
[0016] 疋乂跟足不差變里為ZiXIXij，ZgX2Xi，c，Z3X3Xg，。，Z4X4，Z5X5X4, c;
[0017]定義Xld為期望的速度信號(hào)，a= 1，2, 4)為虛擬控制信號(hào)，xli(：，x2i。，x4i。為命令 濾波輸出，h=(i= 1，. . .，5)為正的設(shè)計(jì)參數(shù)；
[0018] 控制方法設(shè)計(jì)的每一步都會(huì)選取一個(gè)合適Lyapunov函數(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬控制函數(shù) 或者真實(shí)的控制律：控制方法的設(shè)計(jì)具體包括以下步驟：
Lyapunov函數(shù)：R.:= ?&f/2 7 對(duì)V1 求導(dǎo)得到：
[0020] Vt = ???- Tl - Jxu,) (4)
[0021] 選擇./:0) = -7:.-戎由萬能逼近定理，對(duì)于任意小的正數(shù)ei，存在模糊邏輯系 統(tǒng)忙S1(Z1)使得非線性函數(shù)其中，S1表示逼近誤差，并滿足不 等式IS1I<E1，定義變量4為Q1估計(jì)值，并且珂-4，
[0022] S(Z) = [S1(Z),S2(Z),…，S1(Z)]1為基向徑函數(shù)，s; (Z)選用高斯函數(shù)如下：
[0024] 式中，Pi=[y;1，…，yiq]T是Gaussian函數(shù)分布曲線的中心位置，而ni則為其 寬度；
[0028] b. 2根據(jù)方程毛=-4? + ^￥4 + ，對(duì)z2求導(dǎo)得到誤差動(dòng)態(tài)方程： % =為-氣e，選擇Lyapunov函數(shù)：g=K+ 4/2，對(duì)V2求導(dǎo)得：
[0029] V2^VljTz2z2 =V1 +z2 (AjX3 + ^2XjX4 +^vTj-^x2 -itt } (7)
[0030] 選擇f2(Z2) = 由萬能逼近定理，對(duì)于任意小的正數(shù)e2,存在模糊 邏輯系統(tǒng)A(Z2)使得非線性函數(shù)./2 (Z2) =RY2 (Z2) + 4 (Z2)，其中，S2表示逼近誤差， 并滿足不等式IS2I<e2;
[0034] b. 3根據(jù)方程弋=AA+?+ +cA，對(duì)Z3求導(dǎo)得到誤差動(dòng)態(tài)方程：之=? -i2,t，選 擇Lyapunov函數(shù)：K3 =f7:: + /2，對(duì)V3求導(dǎo)得到：
[0035] Ki =K+Z3Lr =V2 +Z3(b4x3 +bsxz +CiU^-X2,J}. (10)
[0036] 選擇f3(Z3) =b4x3+b5x2,由萬能逼近定理，對(duì)于任意小的正數(shù)e3,存在模糊邏輯系 統(tǒng)r/5：3(Z3)使得非線性函數(shù)/3 (?) = %? (?) + ? (Z3)，其中，S3表示逼近誤差，并滿足 不等式IS3| <e3;
[0040] b. 4根據(jù)方程= --??? ,對(duì)Z4求導(dǎo)得到誤差動(dòng)態(tài)方程：Z4 =X4，選擇 Lyapunov函數(shù)：K, =K+Z42/2，對(duì)V4求導(dǎo)得到 6 +zA= 6 +z3(￥廣);
[0041] 選擇f4 (Z4) =-Id1X4-Id2X1X2,由萬能逼近定理，對(duì)于任意小的正數(shù)e4,存在模糊邏 輯系統(tǒng)Wwz4)使得非線性函數(shù)f4 (? ) = <& (Z4) + & (Z4 )，其中，S4表示逼近誤差，并 滿足不等式IS4|彡e4;
[0046] b. 5根據(jù)方程冬+?? ，對(duì)Z5求導(dǎo)得到誤差動(dòng)態(tài)方程：之=i5 -%t;，選 擇 Lyapunov 函數(shù)：g =:? +2;/2
[0047] 對(duì)V5求導(dǎo)得到玫=F4 + 25之=匕 +Z5 (Z)4X5 + 65x4 +C1Wii -i4.￡);
[0048] 選擇f5(Z5) =b4x5+b5x4,由萬能逼近定理，對(duì)于任意小的正數(shù)e5,存在模糊邏輯系 統(tǒng)％V5(Z5)使得非線性函數(shù)/s(Z5) =ff/S5(Z5) + 55(Z5)，其中，S5表示逼近誤差，并滿足 不等式IS5| <e5;


[0085] 因此，^和#是有界的，因?yàn)槭?常數(shù)，所以參是有界的，又因?yàn)閆1=v，Ip U,II是有界的，因此Z1也是有界的；
[0086] 因此x(t)和其他所有控制信號(hào)在任何時(shí)間段內(nèi)都是有界的，由公式（31)得到：
[0087] 本發(fā)明引入命令濾波技術(shù)，通過自適應(yīng)模糊控制方法所設(shè)計(jì)的控制器能保證速度 的跟蹤誤差能夠收斂到原點(diǎn)的一個(gè)充分小的鄰域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的速度高效的跟 蹤控制。
[0088] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0089] (1)本發(fā)明控制方法主要是針對(duì)電動(dòng)汽車在電力驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)中存在的非線性 問題，能夠使電機(jī)快速達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，更加適合像電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這樣需要快速 動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制對(duì)象；(2)本發(fā)明控制方法將命令濾波技術(shù)和模糊自適應(yīng)方法相結(jié)合，有 效地解決了在參數(shù)不確定和有負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的情況下考慮鐵損的永磁同步電機(jī)的速度跟 蹤控制的問題，這一問題的解決，具有實(shí)際意義，引入命令濾波技術(shù)，使用模糊邏輯系統(tǒng)來 逼近未知的非線性項(xiàng)，應(yīng)用自適應(yīng)模糊反步法技術(shù)使跟蹤誤差能夠收斂到原點(diǎn)的一個(gè)充分 小的鄰域內(nèi)，有效地解決了電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)的非線性控制問題，可以達(dá)到更加準(zhǔn)確 的控制精度；（3)仿真結(jié)果表明這種控制方法的有效性和魯棒性，具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng) 能力，實(shí)現(xiàn)了理想的控制效果；(4)引入命令濾波技術(shù)的自適應(yīng)反步法控制主要是通過在 Lyapunov方程中插入速度跟蹤誤差的積分來實(shí)現(xiàn)的，避免了對(duì)虛擬函數(shù)的連續(xù)求導(dǎo)，從而 克服了傳統(tǒng)反步設(shè)計(jì)的"計(jì)算爆炸"問題。
【附圖說明】
[0090] 圖1是本發(fā)明中由永磁同步電機(jī)模糊自適應(yīng)命令濾波控制器、坐標(biāo)變換和SVPffM 逆變器組成的復(fù)合被控對(duì)象的示意圖。
[0091] 圖2本發(fā)明控制方法控制后轉(zhuǎn)子角度和轉(zhuǎn)子角度設(shè)定值跟蹤仿真圖。
[0092] 圖3是本發(fā)明控制方法控制后同步電動(dòng)機(jī)d軸定子電壓仿真圖。
[0093] 圖4是本發(fā)明控制方法控制后同步電動(dòng)機(jī)q軸定子電壓仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0094]本發(fā)明基于命令濾波的模糊自適應(yīng)控制方法基本思想為：利用模糊邏輯系統(tǒng)逼近 系統(tǒng)中的高度非線性函數(shù)，并結(jié)合自適應(yīng)和反步技術(shù)構(gòu)造控制器，將命令濾波技術(shù)引入到 遞推過程Lyapunov函數(shù)的選取和中間虛擬控制信號(hào)的構(gòu)造中，遞推得到控制律，同時(shí)設(shè)計(jì) 相應(yīng)的自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)未知參數(shù)；引入命令濾波技術(shù)，在不進(jìn)行微分運(yùn)算的情況下，可以產(chǎn) 生命令信號(hào)的導(dǎo)數(shù)信號(hào)，減小了計(jì)算量，解決了傳統(tǒng)反步法對(duì)虛擬控制函數(shù)進(jìn)行連續(xù)求導(dǎo) 引起的"計(jì)算爆炸"問題，通過引入補(bǔ)償信號(hào)，極大的減小了命令濾波產(chǎn)生的誤差；命令濾波 技術(shù)的引入極大簡化了設(shè)計(jì)過程，另外，為控制器中固定參數(shù)的選取開辟了一種新的思路， 大大提高了設(shè)計(jì)效率，改善了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。
[0095] 具體的，下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0096] 結(jié)合圖1所示，考慮鐵損的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)命令濾波模糊控制器，主要包 括永磁同步電機(jī)命令濾波模糊控制器1、坐標(biāo)變換單元2、SVPffM逆變器3和轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元4 與電流檢測(cè)單元5。轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元4和電