[發(fā)明專利]基于定子參考磁鏈優(yōu)化模型的轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制式電驅(qū)動(dòng)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310223562.8
• 申請(qǐng)日: 2013-06-06
• 公開（公告）號(hào): CN103312253A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 解偉;韓達(dá)光;王曉璨;應(yīng)春莉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 韓達(dá)光;解偉
• 主分類號(hào): H02P21/00
• 分類號(hào): H02P21/00;H02P25/02;H02P27/08
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于保持原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)備的高效電力電子驅(qū)動(dòng)方法，屬于電樞控制技術(shù)領(lǐng)域，適用于包括電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。?

背景技術(shù)

電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)人員已將永磁同步電機(jī)（Permanent?Magnet?Synchronous?Motor,PMSM）作為設(shè)計(jì)的首選已成為目前業(yè)界的普遍趨勢(shì)【US8288985】。與同類其他電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)（諸如高功率密度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高效）結(jié)合其低廉的制造成本和優(yōu)越的電磁屬性，使其成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)品的理想之選。?

針對(duì)于控制策略，現(xiàn)有的應(yīng)用于帶電汽車運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略主要包括兩部分：基于轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)定向控制（Field?Oriented?Control,FOC）及基于轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct?Torque?Control,DTC）。磁場(chǎng)定向控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制永磁同步電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別針對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電流和磁阻轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，結(jié)合空間矢量脈寬調(diào)制（Space?Vector?PWM）技術(shù)達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的目的【AN1292】。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本原理是利用空間矢量，定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系統(tǒng)下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算電機(jī)的磁鏈及轉(zhuǎn)矩，采用兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band-Band）控制，把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定得容差范圍內(nèi)，并直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。由于DTC省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與解耦計(jì)算，省掉了通常的PWM調(diào)制器，所以它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制信號(hào)的物理概念明確，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能、低成本的交流調(diào)速方式【EP0800265B1，EP2164165A1】。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點(diǎn)即：轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動(dòng)，逆變器開關(guān)頻率的不穩(wěn)定性。針對(duì)其不足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對(duì)于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進(jìn)。與此同時(shí)，隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片的發(fā)展（大容量及高速運(yùn)算），基于模型預(yù)測(cè)的直接轉(zhuǎn)矩控制（Model?Predictive?Direct?Torque?Control,MPDTC?or?Model?Predictive?Torque?Control,MPTC）也有所發(fā)展。模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的基本原理是通過電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及有限的逆變器電壓向量預(yù)測(cè)未來(lái)下一個(gè)采樣周期或者將來(lái)任意采樣周期的轉(zhuǎn)矩、磁鏈等信息，然后進(jìn)一步通過成本函數(shù)（Cost?Function）操控電機(jī)的運(yùn)行特性【文獻(xiàn)1及EP1600322A2】。?

針對(duì)于效率優(yōu)化策略，大量的研究集中于基于磁場(chǎng)向量控制（FOC）的直軸參考電流的優(yōu)化【文獻(xiàn)2,3】。?

現(xiàn)有的應(yīng)用于帶電汽車驅(qū)動(dòng)的控制策略多為磁場(chǎng)定向控制及直接轉(zhuǎn)矩控制，兩者的原理及結(jié)構(gòu)框圖如圖1，2。如圖1所示，1a-1c為系統(tǒng)的軟件部分；2a-2b為系統(tǒng)的電力電子驅(qū)動(dòng)硬件；3a,4a為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位置采樣編碼器。通過圖1所示的原理圖可知，空間向量調(diào)制解調(diào)器（SVPWM）2a為系統(tǒng)的必須部件。與直接轉(zhuǎn)矩控制策略相比，模塊2a增加了系統(tǒng)的成本及操作復(fù)雜性（缺點(diǎn)）。相對(duì)于磁場(chǎng)向量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制的硬件結(jié)構(gòu)及控制思路要明顯簡(jiǎn)單明了，如圖2所示。5a-5c為系統(tǒng)的軟件部分；6a為系統(tǒng)的電力電子驅(qū)動(dòng)硬件；7a,8a為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位置采樣編碼器。但是由于滯環(huán)比較器，開關(guān)表及恒定參考磁鏈的使用，導(dǎo)致了系統(tǒng)的控制性能下降及逆變器開關(guān)頻率的不穩(wěn)定（缺點(diǎn)）。因此，針對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制策略的缺陷，提出了基于模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制（MPTC）的效率優(yōu)化策略。此方法不但可以保持原有控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的簡(jiǎn)潔性，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的控制性能及效率特性（目的）。?

發(fā)明內(nèi)容

基于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在混合動(dòng)力汽車，純電動(dòng)汽車等汽車工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，同時(shí)由于電池容量技術(shù)的局限性，針對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率及成本優(yōu)化變的尤為迫切。本發(fā)明提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的效率優(yōu)化控制策略，其可以解決或者改善以下兩點(diǎn)技術(shù)問題：1.區(qū)別于傳統(tǒng)的電機(jī)控制方法，其可以在整個(gè)電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)提高電力電子驅(qū)動(dòng)器件的效率，同時(shí)保持原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)備；2.其可以在整個(gè)動(dòng)態(tài)或者穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中提高電機(jī)的效率。?

本發(fā)明的特征在于，是在一個(gè)基于定子參考磁鏈優(yōu)化模型的轉(zhuǎn)子預(yù)測(cè)控制的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的：?

步驟（1）系統(tǒng)構(gòu)建：?

設(shè)有永磁同步電機(jī)、逆變器和位置編碼器，以及基于成本函數(shù)的開關(guān)狀態(tài)優(yōu)化模塊以及轉(zhuǎn)矩磁鏈預(yù)測(cè)模塊，?