基于預測控制的電動汽車用永磁同步電機控制策略與關鍵技術研究.pdf

1、面對環(huán)境危機和能源短缺的雙重壓力，具有能耗低、污染小等突出優(yōu)點的電動汽車已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。電動汽車是典型的有限能量供電的載人工具，其行駛工況復雜多變、隨機性強，且其驅(qū)動電機自身即是一類復雜的非線性、多變量、強耦合、參數(shù)時變系統(tǒng)。因此，研究先進的電驅(qū)動系統(tǒng)控制理論方法是提高電動汽車整車性能的關鍵。永磁同步電機(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)因具有效率高，功率密度大，可靠性高等特

2、點，成為電動汽車用驅(qū)動電機的主要發(fā)展趨勢。本文基于預測控制系統(tǒng)理論，綜合運用擾動觀測器、滑模控制、諧振調(diào)節(jié)器等現(xiàn)代控制方法，深入研究了電驅(qū)動用永磁同步電機的高性能轉(zhuǎn)速和電流控制策略以及諧波抑制等關鍵技術。本文內(nèi)容概括如下:
　　本文首先介紹了電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術，討論了電動汽車電驅(qū)動用永磁同步電機控制系統(tǒng)存在的問題，綜述了永磁同步電機的現(xiàn)代控制策略、諧波抑制方法等問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，并指出本文的主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排。

3、
　　然后，為實現(xiàn)電動汽車用永磁同步電機的轉(zhuǎn)速快響應和強魯棒性，提出了基于廣義預測控制和擾動補償?shù)挠来磐诫姍C轉(zhuǎn)速跟蹤控制方法。首先基于連續(xù)時間非線性系統(tǒng)的廣義預測控制方法，通過泰勒級數(shù)展開，優(yōu)化成本函數(shù)等設計了速度跟蹤控制器;然后針對外部擾動引起的電機轉(zhuǎn)速控制性能下降問題，分別設計了擴展狀態(tài)觀測器和高階滑?？刂破?，實現(xiàn)了對擾動量的補償，提高了魯棒性;仿真和實驗結果表明:所提出的方法與傳統(tǒng)控制方法相比，轉(zhuǎn)速響應動態(tài)性能更好，在負載

4、變化時，魯棒性更強。
　　其次，針對永磁同步電機的電流控制問題，設計了基于廣義預測控制和滑模擾動補償?shù)膹秃想娏骺刂破?。首先根?jù)永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系的電磁模型，采用廣義預測控制方法，設計了電流預測控制器，但設計的控制器未考慮電機參數(shù)變化和模型不確定性等的影響;為此，根據(jù)滑?？刂启敯粜詮姷奶攸c，設計了電流補償控制器，提高了電流控制的魯棒性;最后完成了仿真和實驗驗證。該方法結合了廣義預測控制動態(tài)性能好和滑?？刂启敯粜詮姷膬?yōu)點，設

5、計的控制器能有效的消除參數(shù)變化和模型不確定性對電流控制的影響，實現(xiàn)快速的電流跟蹤控制。
　　為改進永磁同步電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)性和魯棒性，同時降低控制器參數(shù)調(diào)整難度，分別基于自適應反步控制方法和基于非線性擾動觀測器的廣義預測控制方法，研究了兩種PMSM轉(zhuǎn)速-電流單環(huán)控制方法。首先，采用最大轉(zhuǎn)矩電流控制，在反步控制基礎上，通過估計電機的負載轉(zhuǎn)矩和定子電阻等參數(shù)，設計了自適應反步控制器，仿真結果證明該方法具有良好的動態(tài)響應和抗負載擾

6、動能力;然后，基于輸出具有不同相對階的廣義預測控制方法設計了PMSM單環(huán)預測控制器，并針對電機參數(shù)變化、負載擾動等非匹配擾動，設計了非線性擾動觀測器估計系統(tǒng)所有擾動，用于前饋補償控制，仿真和實驗結果表明，該方法具有良好的轉(zhuǎn)速和電流控制性能，對電機負載和參數(shù)變化等都具有較強的抗擾動性，而且控制器只需簡單調(diào)節(jié)預測時域和觀測器增益。兩種方法對比表明:基于廣義預測控制和非線性擾動觀測器方法設計的電機單環(huán)控制器對系統(tǒng)參數(shù)變化具有更強的魯棒性，而且

7、控制器參數(shù)更容易調(diào)節(jié)，實用性強，為工程實現(xiàn)提供了有效途徑。
　　最后，為了提高永磁同步電機電流控制的穩(wěn)態(tài)精度，提出了一種基于模型預測控制和諧振調(diào)節(jié)器的永磁同步電機電流控制方法。首先，基于狀態(tài)空間方程的離散時間模型預測控制方法，設計了永磁同步電機預測電流控制器，實現(xiàn)了電流的跟蹤控制和對參數(shù)變化的魯棒性;但模型預測控制方法仍不能消除系統(tǒng)中的周期性擾動，進而針對實際系統(tǒng)中因電流測量誤差產(chǎn)生的電流諧波，設計了諧振調(diào)節(jié)器，有效的抑制了電流諧