[发明专利]一种低速大转矩直驱电机抗扰动复合控制器设计

说明书

本发明属于电动汽车永磁同步电机控制技术领域，公开了一种低速大转矩直驱电机抗扰动复合控制器设计方法。针对电动汽车永磁同步电机低速大扭矩运行时，逆变器会输出不连续电流，导致转矩脉动问题。提出基于非奇异终端滑模负载观测器的低速大转矩永磁同步电机控制方法。首先，采用分段速率调节的滑模趋近律提出永磁同步电机转速滑模控制。其次，针对负载扰动未知情况，提出非奇异终端滑模负载观测器，并在转速滑模控制基础上建立抗干扰复合控制器。最后，通过仿真实验验证，本文所提方法可实现复杂干扰下输出转矩及转速的平稳性。

技术领域

本发明属于电动汽车永磁同步电机低速大转矩运行工况，尤其涉及一种永磁同步电机滑模控制方法、观测器应用。

背景技术

低速大转矩永磁同步电机驱动系统被广泛应用于工业生产、油田开采、风力发电、电动汽车等各个领域，然而永磁同步电机通常会受到固有齿槽转矩的影响，会导致速度波动和耦合部件的振动。特别地在低速运行是，驾驶员及乘客最容易感受到振动。齿槽转矩将根据电机转速引起不同程度的振动，其动力传动系统的固有频率主要由半轴、转子惯性和车辆惯性决定。雪佛兰螺栓设计团队通过改进机器设计来减轻车速波动及扭矩波动，但当车辆低速运行时，这是不够的。因此专利重点将通过提高转速控制，并在此基础上建立负载观测器来减少转矩脉动。

电动汽车的推进可通过使用扭矩控制或速度控制进行控制，为使永磁同步电机适用于多样化和复杂化的应用场合，对其转速及转矩控制提出更高的要求。近年来，宝马和特斯拉等汽车制造商已经实施单踏板驱动模式，即速度控制信号根据‘油门踏板’的位置发送到控制单元。虽然有些研究不是专门为电动汽车设计的，其中没有考虑车辆动态，但转速及转矩脉动补偿控制算法可能用于电动汽车。即模糊控制、预测控制、自适应控制、滑模控制等。技术1采用模糊控制器确定电压矢量合集，减小平均开关频率，提高转矩动态响应。技术2提出一种模型预测方法应用于永磁同步电机，以克服无约束状态变量的运动控制的局限性。技术3提出神经网络与自适应控制的结合应用于提高转速跟随。技术4-7分别提出：积分滑模控制、模糊滑模控制、终端滑模控制。技术4提出一种无记忆和基于记忆的积分滑模控制，并应用于电机控制。技术5提出一种鲁棒模糊神经网络滑模控制方法，用于永磁直线电机的控制。技术6基于快速终端滑模控制设计一种汽车底盘集成控制器，该方法可兼顾汽车操纵稳定性和乘客舒适性。技术7设计非奇异终端滑模去解决系统奇异问题，并对其详细分析、推理、证明。与其他控制方法相比，滑模控制具体滑动模态式独立设计，且不受参数摄动及外界扰动影响的优点。其中，非奇异滑模具有动态响应快、有限时间收敛和稳态精度高等优点被广泛应用于高精度控制领域。

然而滑模控制优越性能是以高频抖振换取的，抖振现象与趋近律中包含的切换函数直接相关。目前常用解决抖振方法：高阶滑模、自适应算法、干扰观测器、趋近律法等。技术8均提出一种高阶滑模控制策略，并进行了详细的概述。高阶滑模控制中不连续控制隐藏在其高阶导数中，有效削弱抖振，但其控制结构复杂。技术9提出一种自适应算法作用于滑动面的参数估计，并提供了参数化拟合机制来学习系统的动态特性，使得系统收敛速度快。技术10提出一种负载转矩观测器，用以提高直驱式永磁同步电机转速跟踪性和系统抗负载扰动能力。技术11提出扩展状态观测器来观测集总扰动，并将估计的扰动引入前馈补偿技术，提高了系统的鲁棒性。外界干扰及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源，利用观测器亦可解决该问题。其中趋近律方法设计简便，易于实现，被广泛应用。技术12由高为炳等人提出趋近律法，从滑动、到达和稳态三种模式进行分析。应用最多的是指数趋近律，该趋近律不仅缩短趋近时间，而且是运动点到达切换面时速度小。技术13所提出的新型趋近律以滑模面为研究机理，并设计不同函数使得该指数项适应滑模面和状态的变化。

因此，针对电动汽车低速大扭矩永磁同步电机在负载工况下运行时，出现的转矩及转速脉动问题。本文提出一种基于滑模控制和负载观测器的抗扰动复合观测器，该控制策略将滑模反馈和负载扰动补偿结合。其中负载扰动补偿有利于转速滑模控制具有较小开关增益，进而减小抖振。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的电机滑模控制方法中，滑模控制抖振、响应速度慢、控制精度不高等问题尚且存在，不能满足低速大转矩的运行工况。