混合动力汽车永磁同步电机电流滑模控制的研究

【摘要】：电机驱动系统是混合动力汽车的关键部件。混合动力汽车永磁同步电机驱动系统应满足转矩输出能力强、调速范围宽、全速运行范围内效率高、可靠性好等特定要求。永磁同步电机是多变量、非线性、强耦合的系统，对参数和干扰极为敏感，因此传统的线性控制方法无法准确描述系统的稳动态过程，难以保证电机在宽转速范围内的运行品质。滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制，它具有响应快速、鲁棒性强、实现简单等优点，然而这种控制方法不可避免存在系统抖振，因而如何消除抖振成为将滑模控制理论应用于实际电机驱动系统的关键问题。因此，为了提高混合动力汽车永磁同步电机驱动系统对参数变化和外部扰动的鲁棒性，本文围绕电流滑模控制在永磁同步电机最大转矩电流比控制系统中的应用展开研究工作，重点研究如何通过改进趋近律、负载滑模观测器和增益调度滑模控制等方法削弱系统抖振及改善系统抵抗负载扰动特性。 采用趋近律方法可以改善滑模运动的动态品质。本文分析比较了若干典型趋近律对于系统特性的影响，针对一般趋近律在接近滑模区域时抖振较大、不能收敛于原点的问题，本文提出了一种具有时变切换增益的指数趋近律方法。该方法在切换增益中引入时变修正因子，使得切换增益在接近滑模面邻域时始终保持为较小值，且在滑模运动阶段能够随着系统状态而趋近至零。所设计趋近律方法改善了系统动态性能，有效削弱了系统抖振。 在滑模控制系统中，切换增益系数的最小值只有随着负载扰动幅度的增大而增大，才能满足滑动模态存在性和可达性条件，以达到抵抗扰动的目的。然而，增大切换增益将导致系统抖振加剧。针对以上问题，本文采用滑模观测器对负载扰动进行前馈补偿。该负载扰动观测器选取关于转速观测误差的滑模面，并根据负载扰动观测误差自适应调整观测器切换增益，不仅保证了观测器的鲁棒性，而且削弱了负载观测抖振。同时将负载扰动观测值前馈补偿至电流滑模控制器输出端，使用较小切换增益即可满足抵抗负载扰动的要求，从而改善了负载扰动时电流跟踪响应特性，显著减小了系统抖振。 在实际系统中，控制器的结构和参数要求能够随着外界环境、运行条件的变化而变化，以保证系统在全局运行范围内具有满意的控制性能。增益调度控制是一种解决非线性系统控制问题的有效方法。本文采用自适应和增益调度相结合的方法对电流滑模控制器的参数进行整定。该方法通过自适应律在线调整切换增益系数的边界范围，同时以关于直轴、交轴电流的积分滑模面函数作为调度变量，对切换增益系数、滑模面系数及边界层厚度进行增益调度。所设计方法克服了常规增益调度方法需要确定工作点及对大量参数寻优的缺点，不但保证了系统鲁棒性，而且提高了系统性能和效率。 本文针对永磁同步电机电流滑模控制系统进行了仿真和实验研究。仿真和实验结果表明该系统对负载扰动鲁棒性强，具有良好的稳态特性和动态跟踪性能。所设计方法及其控制器结构简单，工程实用性强，因而适用于混合动力汽车电机驱动系统。 【关键词】：永磁同步电机 滑模控制 滑模观测器 增益调度
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U469.72;TM341
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-27
• 1.1 课题来源及研究背景16-18
• 1.2 国内外研究现状及趋势18-25
• 1.2.1 混合动力汽车发展现状及趋势18-19
• 1.2.2 混合动力汽车牵引电机及其驱动系统概述19-21
• 1.2.3 永磁同步电机滑模变结构控制概述21-25
• 1.3 本文研究的主要内容25-27
• 第2章 永磁同步电机滑模控制系统的设计方法27-44
• 2.1 引言27-28
• 2.2 永磁同步电机矢量控制系统28-36
• 2.2.1 永磁同步电机的矢量控制方程28
• 2.2.2 永磁同步电机矢量控制的约束条件28-30
• 2.2.3 永磁同步电机最大转矩电流比控制30-33
• 2.2.4 永磁同步电机控制器的常规设计方法33-36
• 2.3 滑模变结构控制36-40
• 2.3.1 滑模变结构控制的数学描述36-38
• 2.3.2 滑模变结构控制的基本特性38-40
• 2.4 永磁同步电机滑模控制器的设计方法40-43
• 2.4.1 永磁同步电机转速滑模控制器40-41
• 2.4.2 永磁同步电机电流滑模控制器41-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第3章 基于趋近律的永磁同步电机电流滑模控制44-62
• 3.1 引言44
• 3.2 趋近律及其特性44-48
• 3.2.1 等速趋近律45
• 3.2.2 指数趋近律45-46
• 3.2.3 变速趋近律46
• 3.2.4 具有时变切换增益的指数趋近律46-48
• 3.3 电流滑模控制器的设计48-54
• 3.3.1 状态空间方程48-49
• 3.3.2 滑模面设计49-51
• 3.3.3 趋近律设计51
• 3.3.4 边界层法51-52
• 3.3.5 鲁棒性分析52-54
• 3.4 仿真结果与分析54-57
• 3.5 实验结果与分析57-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第4章 基于负载滑模观测器的永磁同步电机电流滑模控制62-87
• 4.1 引言62-63
• 4.2 开环负载观测器的设计63-68
• 4.2.1 开环状态观测器63-66
• 4.2.2 开环负载观测器的设计方法66-68
• 4.3 闭环负载观测器的设计68-73
• 4.3.1 闭环状态观测器68-70
• 4.3.2 闭环负载观测器的设计方法70-73
• 4.4 基于负载滑模观测器的电流滑模控制73-78
• 4.4.1 负载滑模观测器的设计73-75
• 4.4.2 负载滑模观测器的鲁棒性分析75-76
• 4.4.3 带有负载扰动补偿的电流滑模控制76-78
• 4.5 仿真结果与分析78-80
• 4.6 实验结果与分析80-85
• 4.7 本章小结85-87
• 第5章 基于增益调度的永磁同步电机电流滑模控制87-105
• 5.1 引言87-88
• 5.2 增益调度控制88-92
• 5.2.1 增益调度控制器的设计思想88-89
• 5.2.2 增益调度控制的基本特征89-90
• 5.2.3 增益调度控制的设计方法90-92
• 5.3 基于 MAP 图思想的增益调度电流滑模控制92-95
• 5.3.1 MAP 图参数标定93-94
• 5.3.2 MAP 图查询和增益调度94-95
• 5.4 基于自适应和增益调度结合方法的电流滑模控制95-100
• 5.4.1 增益调度规则95-96
• 5.4.2 切换增益边界自适应整定96-97
• 5.4.3 控制参数增益调度97-100
• 5.5 仿真结果及分析100-103
• 5.6 本章小结103-105
• 第6章 混合动力汽车永磁同步电机驱动器的开发105-119
• 6.1 引言105
• 6.2 混合动力汽车永磁同步电机驱动控制器的硬件设计105-111
• 6.2.1 系统总体硬件结构105-106
• 6.2.2 驱动控制器供电系统106-108
• 6.2.3 前置驱动电路108-109
• 6.2.4 转子位置检测电路109-110
• 6.2.5 电流检测电路110-111
• 6.3 混合动力汽车永磁同步电机驱动控制器的的软件设计111-113
• 6.4 混合动力汽车永磁同步电机驱动控制系统的实验平台113-114
• 6.5 混合动力汽车永磁同步电机样机的性能测试114-118
• 6.6 本章小结118-119
• 结论119-121
• 参考文献121-131
• 攻读学位期间发表的论文131
• 攻读学位期间申请专利情况131-132
• 致谢132

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