（电力电子与电力传动专业论文）基于滑模变结构控制的hev电动力系统控制器研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 r e s e a r c ho nh e v e l e c t r o d y n a m i c s y s t e mc o n t r o l l e rb a s e do ns m v s c a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i st h em o s tv a l u a b l ed e v e l o p i n ga u t o m o b i l e w i t hi t sl o we x h a u s ta n d l o wo i lc o n s u m p t i o n t h ed r i v i n gm o t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e m a r et h eh e a r to fh e v , a n da l s oo n eo ft h eh e vd e v e l o p i n gk e y t e c h n o l o g i e s s ot h er e s e a r c h e sh a v eb e e n d o n eo nd r i v i n gm o t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e mi sn o wb e c o m i n gt h ee m p h a s i s t h ef o c a lp o i n ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni se l e c t r o d y n a m i cs y s t e mc o n t r o l l e ro f h e v r e a c ha b o u tt h ec o n t r o lt h e o r i e si sd o n e t h r o u g hc o m p a r i n gt h ev a r i o u s c o n t r o lt h e o r i e s ，t h e s l i d i n gm o d e lv o l a t i l e s t r u c t u r a lc o n t r o l ( s m - v s c ) c o n t r o lt h e o r yi sc h o s e n t h eb a s i cc o n c e p t s t h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f s m v s ca r ed e s c r i b e d t h ec o m p o s i t i o no fs m v s cs y s t e mi si n t r o d u c e d c o l l e c t i v i t yc i r c l eo fs m v s cs y s t e mb a s e do ns p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) i se d u c e d a n dad e s i g nm e t h o do nt i m e - v a r i a t i o ni n t e g r a t i o ns mp l a n ew i t h i n i t i a lv a l u ei sa d v a n c e d b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h es y s t e mju s tb es i t e do nt h e s l i d i n gp l a n e ，a p p r o a c h i n gm o t i o ni sa v o i d e d ，t h er o b u s t n e s si s a s s u r e di nt h e w h o l em o t i o na n dc o n v e r g e n c es p e e di si m p r o v e dh i g h l y t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hb a s e do nt h es m v s cc o n t r o ls y s t e ma n dt w e l v e v o l t a g es p a c ev e c t o r sa s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) c o n t r o l s y s t e mi sd o n e s i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o na r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r t h ec o n c l u s i o nt h a ts m v s ch a st h e i n a l t e r a b i l i t y , w h i c hi sb e t t e rt h a nr o b u s t n e s si sg o t t e n a tt h es a m et i m e ，t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ee l e c t r o d y n a m i cs y s t e mc o n t r o l l e ro ft h eh e va r e d e s i g n e db a s eo nt m s 3 2 0 f 2 8 1 0 a n dm a g s l i pr e s o l v e rw i t hi t sd e c o d e rs l u gi s u s e da ss p e e dd e t e c t o r s o f t w a r ei sa l s ob e e ng i v e n a n de x p e r i m e n t a lf i n d i n g s a r eg o t t e n 1 i 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学化论文 k e y w o r d sh e v , s m - v s c ，s p a c ev e c t o r ，d s p i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕十学位论文基于滑模变结构控制的h e v 电动力系统控制 器研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究上作所 取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。 对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者签名：曾 江 日期：蒯年3 月立日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于滑模变结构控制的h e v 电动力系统控制器研究系本人在哈尔滨理： 大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理：i 大学关丁保 存、使片j 学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被 查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可 以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密， 口 在年解密后适用授权书。 不保密。囱 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 曹茹l 导师签名： 日期：，o q r 年多月2 日 日期：翻留年多月j 如 哈尔滨理- t 人学t 学硕j j 学位论文 1 1 本课题研究的背景 第1 章绪论 汽车产业是世界经济发展的支柱性产业，现代汽车已经成为人类生活的重 要交通工具。普通内燃机汽车经过1 0 0 多年的发展，已逐步实现机电一体化和 全面高科技，达到很高的性能，在安全、环保、节能和低成本等方面取得重大 进展。但是，随着全球汽车拥有量的急剧提高，普通内燃机汽车所带来的能源 和环境污染问题日益严重。 据世界汽车制造商协会的统计，世界上各种汽车的保有量超过了8 5 亿辆， 每年新生产的各种汽车约6 4 0 0 万辆，按平均每辆车年消耗1 0 到1 5 桶石油及石 油制品计算，汽车的石油消耗量每年达8 5 至1 2 7 亿桶，约占世界石油产量的一 半。石油资源的开采每年达几十亿吨，经过长期的现代化大规模开采，石油资 源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的开采水平，仅仅 可以维持6 0 到1 0 0 年左右【i i 。2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 吨，预计到2 0 2 0 年前 后我国的石油进口量有可能超过日本，成为亚太地区第一大石油进口国。据统 计，2 0 0 3 年我国2 4 0 0 力辆乘用车耗油7 0 0 0 吨，占全国汽油总产量的8 5 。国 务院发展研究中心预测，预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，我国汽车消耗石油为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，约占全国石油总消耗量的4 3 和6 7 。因此能源危机是我们 必需面对的重要问题【2 l 。同时，汽车尾气排放出大量有害气体，严重威胁着全球 环境和人类健康，由二氧化碳引起的大气污染及地球温暖化已对人类的生活环 境产生深刻影响【3 1 。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国。 据国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占控制污染源的6 4 t 引。 全球能源危机和环境恶化要求汽车工业提高汽车的燃油经济性，减少污染 物排放量。而传统内燃机汽车技术已非常成熟，通过技术更新来提高内燃机汽 车的燃油经济性和降低排放己非常困难，因此曾经快速发展的电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e ，简称e 和其它代替能源汽车的研制被提上日程。表1 1 是e v 、燃料 电池汽车( f u e lc e l lv e h i c l e ，简称f c 、混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ， 简称h e v ) * i 内燃机汽车的相关性能比较【5 】【6 i 。 由表1 - 1 可知，e v 的能量转换效率高、能源来源广、无尾气排放，是最 能满足要求的汽车，但由于受蓄电池技术的限制，e v 的行驶里程只能达到 1 0 0 - - 一2 0 0 公里，无法与内燃机汽车相比，因此e v 的广泛应用受到限制，是一 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 种未来汽车，预计在未来1 0 2 0 年内达不到产业化的要求。在这种情况下，h e v 成为一种过渡的方案。根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建 议，h e v 的定义为：由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源， 其中至少有一种能提供电能的车辆。而一般人们常说的h e v 是指既有内燃机又 有电动机驱动的车辆。本文研究的混和动力汽车即为这种车辆。h e v 将发动机、 电动机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制， 可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际 开发意义的低排放和低油耗汽车f s i 。与e v 相比，h e v 的行程可以延长2 4 倍， 并可快速补充燃料。据丰阳公司的测试数据表明，h e v 与常规内燃机汽车相比， 二氧化碳的排放大约降至后者的1 2 ，而c o 、h c 和n o x 的排放则大约减少 1 1 0 t 6 1 。 表1 - 1 电动汽车，燃料电池汽车，混合动力汽车和内燃机汽车的比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fe l e c t r i ca u t o m o b i l e ，f u e lc e l lp o w e r e dv e h i c l e ，h e va n d c o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e 项目电动汽车燃料电池汽车混合动力汽车内燃机汽车 尾气排放无无少量多 能量来源广较窄广窄 能量转换率 高高适中低 高效丁况 宽宽适中窄 区范围 能量回收 有有有无 ( 再生制动) 行驶里程适中短较长 长 综上所述，h e v 具有如下的优点： 1 ) 发动机在较佳的工况区域稳定运行，尾气排放和燃油消耗明显降低； 2 1 回收制动能量，将机械能转化为电能储存，储存的电能又可以供应电动 机驱动h e v 运行，从而减少燃料消耗； 3 ) 燃料的补给可利用现有的供油设施，汽车的续驶罩程和动力性可达到内 燃机汽车的水平； 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 4 ) 在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排 放，并能减少噪音污染【5 】【7 1 。 1 2h e v 技术简介 我们所说的h e v 技术，主要指的是以提高燃油经济性和降低排放为目标的 技术。而h e v 能达到以上目标，主要则是通过以下功能实现【8 】： 1 发动机运行于高效和低排放区发动机一般有个或多个高效区，以及低 效区。在高效区域内工作，发动机的性能最好。而在低速和低转矩区，发动机 的效率比较低。与传统汽车相比，h e v 还有电动机作为辅助动力源，因此可在 低速和低转矩工况下，关闭发动机，由电动机驱动车辆，从而避免发动机工作 于低效区。而且在发动机工作时，可以通过功率辅助或主动充电来调节发动机 的工作点，使得发动机工作于高效区附近。 2 电动机功率辅助传统汽车在多数路况下运行，只需发动机最大功率的一 小部分，而其后备功率一般只用于短暂的加速、爬坡等路况。混合动力系统配 备有电动机，能够提供很大的驱动转矩，其最大输出转矩为发动机最大转矩和 电动机最大转矩之和。因此，混合动力系统在选择发动机时可选择较小的额定 功率。这样，在多数路况下混合动力系统的发动机在接近额定功率的区域工作， 而在需要大功率输出的路况中，由电动机提供功率辅助。由于发动机在低速和 低转矩区工作效率比较低，而接近额定功率区效率一般很高，所以选择小功率 的发动机能够提高发动机的工作效率、降低质量，从而提高了燃油经济性，并 降低了排放。 3 电动机单独驱动如上文介绍，发动机在低速和低转矩下运行效率比较低， 此时一般关闭发动机，采用纯电动的方式来驱动汽车。混合动力系统在电动机 单独驱动( 简称为纯电动) 下运行，排放为零，只需考虑燃油经济性。纯电动的电 能主要有两个来源：制动能量回收和发动机主动充电。制动能量回收由于没有 消耗燃料，可认为燃油经济性为无穷大。发动机带动电动机给电池充电的情况 就比较复杂，需要考虑发动机和电动机的效率，还要考虑能量转换效率，以及 电池的使用寿命等因素。总的来说，纯电动工况的燃油经济性较高，排放为零。 4 减速或制动时的能量回收传统汽车在减速或制动时，通过制动器将汽车 的动能转换为热能消耗掉，这是一种能量浪费。而h e v 在减速或制动时，电动 机可作为发电机工作，利用发电机来制动h e v ，从而将汽车的动能转换为电能 存入蓄电池。在保证行车安全的前提下，减速或制动能量回收是h e v 提高燃油 哈尔演理t 人学丁学硕i ：学位论文 经济性的主要因素。 目前国内外研究的h e v 有多种结构，根据动力系统布置分类，h e v 可分为： 串联式混合动力汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称s h e v ) ，既发动机带动 发电机，发电机驱动电机，而电机直接驱动车轮；并联式混合动力汽车( p a r a l l e l h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称p h e v ) ，既发动机和电机均可驱动车轮；混联式混 合动力汽车( s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称p s h e v ) ，比较接近并联配置， 不同之处在于其中装有一个行星齿轮系统作为动力分配器，该行星齿轮系统同 时与内燃机电动机发电机连接，完成动力在内燃机和电动机间的传动。由内燃 机提供主要动力，通过分配器传送来自内燃机、电动机或两者混合的驱动力来 驱动车轮1 9 l o 1 3h e v 电动驱动系统介绍 1 3 1h e v 的电力驱动用电机的比较与选择 高功率密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是混合动力 汽车的心脏，又是混合动力汽车研制的关键技术之一。目前，可用于混合动力 电驱动系统的常见电机主要有：直流电机系统、感应电机系统、无刷直流电机 系统、永磁同步电机系统、开关磁阻电机系统等。不同电机驱动系统的特点如 下： 1 直流电机驱动系统直流电动机励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场垂直分 布，其控制原理非常简单。用永磁材料代替直流电动机的励磁绕组，有效地利 用了径向空间，从而可使电动机的定子直径大大减小。同时，由于永磁材料的 磁导率较小，因而电枢反应减小，互感增加。但是直流电动机的主要问题是， 由于有换向器和电刷，使得它的可靠性降低，且需要定期维护【1 。不过，由于 技术成熟和控制简单，直流电动机一直在电驱动领域有着突出的地位。实际上， 串励、并励、他励和永磁等各种直流电动机目前在电动汽车上都有应用。 2 异步电机驱动系统由于感应电动机低成本、高可靠性及免维护等特性， 因而在电动汽车驱动电动机领域罩，它是应用很广的一种无换向器电动机。但 传统的变频变e , ( v v v e ) 控制技术等，不能使感应电动机满足所要求的驱动性 能。主要原因在于它的动念模型的非线性。随着微机时代的到来，采用矢量控 制法控制感应电动机可以克服由于其非线性带来的控制难度。不过，采用矢量 控制的电动汽车感应电动机在轻载及有限的恒功率工作区域内运行时效率较 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 低。异步电机的特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉 动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高l 。异步电机矢量控制技术调速 技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电 动汽车的驱动系统。目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品( 尤其在美国) ，但 已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。最大缺点是驱动电路复杂， 成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。 3 永磁同步电机驱动系统永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式 轴向磁场结构，由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前 景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者，己在国内外多种电动 车辆中获得应用。用永磁材料代替传统同步电动机的励磁绕组，去掉了传统的 电刷、滑环，并且可减少励磁绕组的铜损【1 2 1 。永磁同步电动机由于采用正弦交 流电及无刷结构，也被称为永磁无刷交流电动机或正弦永磁无刷电动机。由于 这种电动机实质上是同步电动机，它们不经电磁转换就可以通过正弦交流电或 脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与 空气相似，因而这种电动机的运行特性与隐极同步电动机一样。如果把永磁体 埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使电动机的恒功率区 域有更宽的转速范围。如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体， 就可得到同步磁阻电动机，其结果简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和 感应电动机一样，永磁同步电动机通常也采用矢量控制方法以满足电动汽车电 动机驱动的高性能要求【1 3 1 。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车 的应用领域与感应电动机相比有较大的竞争优势。 4 无刷直流电机驱动系统通过改变永磁直流电动机定子和转子的位置，就 可得到永磁无刷直流电动机。“直流”并不指直流电动机，实际上，这种电动机 采用交流方波供电，因此也称为永磁无刷方波电动机。这种电动机最明显的好 处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产生 较大的转矩，因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢 绕组具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增 加可产生更高的功率密度【1 2 1 。 5 开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机基本上是由可变磁阻步进电动机 直接衍生而来。开关磁阻电动机具有结构简单，制造成本低廉，转矩转速特性 好等优点，适合于电动汽车驱动。虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和 控制也简单。由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其 设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起噪声问题。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 根据以上几种电机驱动系统的介绍，结合电动汽车驱动电机的要求，可以 看到，永磁同步电机由于其不需经电磁转换便可以通过j 下弦交流电或脉宽调制 方式使其运行，控制相对感应电机简单，而且有附加磁阻转矩，恒功率区调速 范围更宽。适用于感应电机的先进控制技术也同样适用于永磁同步电机。在车 体有限的空间里，永磁电机可以做到较高的功率密度且结构简单，工作稳定。 加上我国永磁材料丰富，已开发出高剩磁密度和高矫顽力的永磁材料应用于电 机。可见，永磁同步电机在上述几种电机中更加适合应用于混合动力汽车的电 动驱动装置中。 1 3 2h e v 的电力驱动系统控制策略介绍 目前交流电动机的主要控制策略可以简单的分为以下四代，正弦脉宽调制 控制，空间矢量脉宽调制控制，矢量控制和直接转矩控制等。由于混合动力汽 车的电力驱动系统主要应用在城市交通环境中，目的是降低频繁启动、制动产 生的大量油耗及提供爬坡等时所需的协助出力。而这不是以转速衡量的，因此 h e v 的电动驱动系统的主要控制对象是电动机的转矩和磁链，表1 2 主要对上 述几种控制策略的转矩及磁链特性进行比较分析，如表1 2 所示。 由该表可以看出，由于混合动力电动驱动系统需要提供强大的转矩控制能 力进行快速的转矩响应，因此，h e v 电动驱动系统应采用更加直接的直接转矩 控制方式。但是尽管传统的直接转矩控制技术具有快速性、强鲁棒性及结构简 单等诸多优点，但是在数字控制系统的一个采样周期内，只有有限且离散的电 压矢量为感应电机供电，这样会使转矩急剧变化，甚至使得转矩的脉动远远超 过滞环比较器设定的滞环宽度，导致不希望的噪声和振动。另外，由于逆变器 的开关频率受滞环宽度、转速及负载等诸多因素的影响，很难保证逆变器开关 频率恒定。日前，直接转矩控制技术作为新兴的理论尚不成熟、不完善，稳态 运行时的磁链、转矩及电流脉动大等固有缺陷问题一直阻碍着d t c 控制理论的 发展，大大限制了其在中、小功率的高性能交流调速领域应用。影响直接转矩 控制性能的主要因素如：稳态运行转矩脉动大、电流谐波成分重和定子磁链轨 迹畸变等严重问题已经成为传统直接转矩控制技术不可逾越的缺陷，解决这个 问题必须另辟蹊径。 如今，已经提出了很多针对直接转矩控制的改进方法。其中，基于s v p w m 的直接转矩控制方法具有广阔的发展空间，并且可以突破传统直接转矩控制所 固有的局限性。目前，许多国内外专家在这个方面都投入了大量的研究工作， 哈尔滨理一r 人学t 学硕卜学位论文 并取得了显著成果。基于s v p w m 的方法包括无差拍控制、人工智能控制、滑 模变结构控制等【1 4 】。 表1 - 2 交流电动机控制策略 代名称 速度环优点缺点 第系统性能不高，控制曲线会随 正弦脉宽 开环 控制电路结构简单、成 负载变化而变化、转矩响应 代 调制控制本较低。 慢、电压利用率低。 第空间矢量模型简单、易于数字控电路环节较多、没有引入转矩 二 脉宽调制开环制、转矩脉动小、电压 调节、系统性能没有得到根本 代控制利用率高。改善。 第动态性能好、可与直流转子磁链难以准确观测、 矢量控制闭环电机系统媲美、调速范矢量旋转变换复杂、 代围宽。计算繁琐。 省去了矢量控制的复杂 转矩脉动较大、低速性能差且 第 直接转矩 闭环 计算、动态性能好、速 四 控制 调速范围窄。 代度且转矩响应快。 滑模变结构控制是一种自适应的非线性控制策略，其主要特点是，根据被 调量的偏差及其导数有目的地使系统状态趋近于设计好的“滑动模态”的轨迹运 动，一旦，系统进入滑动模态，并沿着切换曲面运动，则与被控对象的参数和 扰动无关，从而使系统在滑模面上运动时具有比鲁棒性更加优越的不变性。滑 模变结构控制不仅具有响应快，对系统参数和外部扰动呈不变性的特点，而目 还具有算法简单，易于工程实现等特点。目前，滑模变结构控制已经被公认为 解决非线性复杂系统鲁棒性问题的最好方法，应用领域己涉及到机器人、电机、 数控机床、航天飞行器、汽车、冶金、化工过程等领域【1 5 】f 1 6 i i l 7 】。 1 4本论文研究的意义及主要研究内容 h e v 之所以具有良好的燃油经济性及低排放性能，是由于h e v 的电机驱 动系统提供了良好的辅助作用，它使h e v 能工作在高效区。因此，电动驱动系 统是h e v 关键的动力总成。从电动机的控制技术和本身结构的优化方面来看， 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 一直不断的在革新，虽已经取得一些成绩，但还有很多方面尚未完善，需要做 进一步的理论探索。结合汽车驾驶性能要求及车辆性能约束条件，需要提出更 完善的控制策略和优化方法，并尽快应用到实际开发中来。 本论文所作的主要工作有： 1 ) 对混合动力汽车的电机驱动控制策略做了较为深入的研究，采用滑模 变结构直接转矩控制策略对变频控制系统进行仿真。 2 ) 根据混合动力汽车车辆电气环境，设计了混合动力汽车变频控制器软 硬件，为混合动力汽车的迸一步性能优化提供了一些参考依据。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 第2 章磁链与转矩滑模变结构控制原理 变结构控制理论是现代自动控制理论中最有效、最有前途的领域之一。滑 模变结构控制在电机控制领域的早期研究工作集中在直流驱动系统，并也得到 了很多成功应用；现在交流驱动系统的研究大多局限于外环的速度、位置或者 其它物理量的控制，而内环的转矩与磁链控制的研究工作较少。本文针对传统 直接转矩控制技术所固有的问题，融合了矢量控制与直接转矩控制的优点，在 基于空间矢量调铝t j ( s v p w m ) 的框架内采用了一种新型的滑模变结构直接转矩 控制理论。 虽然对于混合动力汽车而言，永磁同步电机作为电力驱动电机较为适合， 但是对于控制策略的研究上，笔者认为针对异步感应电机的研究更加具备普遍 性，也较为简单。而且，适用于感应电机的控制策略同样适用于永磁同步电机。 因此，本文的滑模变结构控制策略是以异步感应电机为研究对象的。 2 1基于空间电压矢量调制模块的总体框架 传统的直接转矩控制中转矩与磁链采用了滞环控制，在不同的工作扇区内 电压矢量的选择是固定的。由于每个采样周期内的转矩变化量不同，必然会使 得低速转矩中包含有锯齿波分量，造成严重的转矩脉动。传统的直接转矩控制 只考虑了转矩误差、磁链误差与其对应带宽比较的极性，并没有考虑误差大小， 因而不能如实反映系统的控制要求；同时，传统控制方法是通过逻辑信号查表 来选择逆变器开关状态，无法应用先进控制技术与控制策略，这些都大大限制 了系统性能。基于传统模式的各种改进方案只能在一定程度上得到了性能改善， 由于电压空间矢量供电模式是有限的，根本无法解决直接转矩控制稳态运行转 矩脉动及噪声问题。 矢量控制技术之所以能够获得优越的性能，与其结合空间矢量调制技术、 引入先进的控制策略是分不开的。针对传统直接转矩控制所固有的缺陷，为了 能够结合先进控制策略，本文在融合矢量控制的优点基础上引入了基于 s v p w m 的总体结构，见图2 1 所示。 图中的s v m 单元为空间矢量调制单元，将控制器产生的期望电压空间矢量 调制成逆变器所需要的开关状态：虚框内为旋转单元，它将定子磁链坐标系下 的电压空i 日j 矢量变为静止坐标系下的电压空间矢量。控制器的输入为转矩误差 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 与磁链误差信号，这样的控制系统考虑了误差信号的大小，通过先进的控制策 略可以得到感应电机所需要的电压空问矢量。 图2 1 基r 空间欠量调制的滑模变结构控制原理框图 f i g 2 - 1t o t a ls t r u c t u r eo fd t cb a s e do ns v m 空间电压矢量调制技术的引入主要具有如下优点： 1 ) 提供丰富的电压空间矢量，更能满足高性能电机控制的需要； 2 ) 逆变器开关频率可控，可实现恒定的开关频率运行； 3 ) 可以结合先进的控制策略，实现高性能的电机控制。 2 2感应电机数学模型 为1 对感应电机的定子磁链与转矩进行控制，首先建立以定子电流与定子 磁链为状态变量的数学模型。定子磁链参考坐标系下的定转子回路电压方程为。 p 等擘_ ( 2 - 1 ) l0 。母+ 矽，一咖，q l f ， 、。 可以得到以定子电流矢量及定子磁链矢量作为状态的数学模型，矢量表达形式 如下： 小一壶卜弘厶( 讣等卜 石1 卜p 啡) 一舍p 壶z ( 2 - 2 ) p 访；月。云一心瓦+ 嚣( 2 - 3 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 式中，p 表示微分算子，刀，为定子磁链的同步转速，吐为电机转速，仃为漏感 系数。感应电机的电磁转矩方程用定子电流与定子磁链矢量的差积表示如下 乃= 三争瓦 ( 2 4 ) 假定，状态矢量与控制矢量分别用其在定子磁链参考坐标系( d g 坐标系) 相应 的各个分量表示成列相量形式，如下 x 。5 ，。：妇吵田】r ( 2 5 ) u - 屹，吖 将式( 2 - 5 ) 代x , x - ( 2 - 2 ) 与式( 2 3 ) 得到 x 一 一口1一口2 口2q g 0 0 一口5 口3吼 口4口3 0 - a 6 0 x + b0 0b 1o 01 u ( 2 - 6 ) i ；i 3 了r p ( 岛妒耐一i j p 田) ( 2 - 7 ) 式中q = 足口t + 耳盯厶口2 = 哆一n p o ) ra 3 = b 盯t 厶a 4 = ( 2 哆- - n o , r ) l o 三, 口5 i ir a 6 = 啦b = l l a l , 。 为了将数学模型化简，假设以定子磁场定向，d 轴与定子磁链方向对齐， 则有 骺晶 仁印 将式( 2 - 8 ) 代入电磁转矩方程式( 2 - 7 ) ，可以得到简化的电磁转矩方程 乙。i 3 i n pt秒叫(2-9) 本文是以定子磁链的同步转速与转速作为电机的参数，都具有时变的性质， 因此，式( 2 - 6 ) 描述的状态方程具有时变线性的特性。式( 2 9 ) 具有二次项，电机 的电磁转矩具有非线性特性1 1 4 1 。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 2 3滑模变结构控制理论 2 3 1 滑模面的设计 变结构控制一般都要求具有理想的滑动模态，良好的动态品质和较高的鲁 棒性，这些性能都要通过适当的滑模面来实现。系统状态向滑平面趋近过程对 参数的变化和外界扰动非常敏感，为了提高系统的鲁棒性，设计滑平面时应该 尽量减小趋近的距离f 1 8 】【”i 。 为了设计方便，根据式( 2 8 ) 与式( 2 9 ) 定义变量丁与如下 ；二孑 p 1 因此对电磁转矩与定子磁链的控制也就是对变量丁与矽的控制。为了达到变 量丁与毋分别跟踪期望值的控制目的，我们在两个独立的相变量坐标系下设计了 两个滑模面( 切换线) 。 传统的滑模面设计需要跟踪误差信号及其微分信号来构成相平面空间，然 而转矩( 或者磁链) 的跟踪误差的微分信号由于测量噪声的存在很难精确地测量 或者精确地估计。同时，考虑减少系统状态的趋近过程，本文设计了带有初始 值的积分型时变切换线。首先，分别定义与转矩和定子磁链有关的两组相变量。 与转矩有关的相变量定义如下 卜y o ( r 。k ( 2 - 1 1 ) 【x 2 = 毫= t 一t 与磁链有关的相变量定义如下 _ 2 伊一班 ( 2 - 1 2 ) l = 与= 妒一矿 两个积分型时变切换线s 1 ，岛，定义如下 雕i 二i 二2 p 柳 其中 卜竽，r e o ，t o 1 0 i a - 0 t t o ，】 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 式中，k r 、吒分别为转矩与磁链的切换线斜率大小，取正值；x 2 f 0 1 、x 4 f 0 1 分别 为转矩与磁链的初始误差值；r o 为切换线平行移动时间【2 0 1 【2 1 1 。 由式( 2 1 1 ) 至( 2 1 3 ) 可知，带有初始值的积分型时变切换线不需要误差信号 的微分信息，同时，保证了初始时刻的系统状态在切换线之上，即 f ；0 、墨；o 、品；0 ；切换线在时问内由初始平面向最终平面移动，尽量保证了 系统状态保持在滑平面附近，大大减小了系统状态的趋近过程。 转矩与磁链的两组切换线是完全相似的，因此，以转矩切换线岛为例说明 切换线及系统状态在相平面内运动过程，见图2 2 所示。 】比o l 。：o o ( 2 - 1 6 ) 指数趋近律 j = - e s g n ( s ) - q s f 、q o( 2 1 7 ) 幂次趋近律 j 一一尼 s g n ( s ) k o ，0 0 ( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 4 ) 求解式( 2 2 3 ) q b 的滑模变结构控制律 u ；一。1 1sgnslc+ 羡乏 c 2 乏5 ， 式中的i d i = s 2 6 驴0 ，任何时刻的矩阵d 可逆，因此，滑模变结构控制律( 2 2 5 ) 对于任何时刻都是有意义的【2 4 l 【2 5 l 陋i 。 2 3 3滑模变结构控制律中的参数设计 由上一节知道，通过合理调整趋近律中的参数和q 可以改善滑动模态的动 态品质。然而，滑模变结构控制的突出优点就是对参数变化、噪声等不确定性 扰动具有很强的鲁棒性，因此，首先应该在满足一定的鲁棒性前提下进行参数 设计。在感应电机变频调速领域，定、转子电阻随温升与集肤效应而变化，转 子时间常数、漏感系数等也会随着负载而变化，实际应用中测量噪声的存在， 都会给系统带来模型误差【2 7 1 。考虑到不确定性因素的影响，式( 2 2 3 ) 可以改写成 雪- - ( c + c ) + ( d + d ) u = c + 。u + 会三1 + f 笔10 1 1 曼1 c 2 - 2 6 ， 为了表达方便，集中的不确定性定义如下 1 一a c i + 吐v 1 a 2 一a c 2 + 畋v 2 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 式( 2 2 6 ) 用集中的不确定性表示为 ，r 1 s = c + d u + i ：l ( 2 - 2 9 ) 式中，集中的不确定性参数，、，是由模型误差引入的。 在式( 2 2 9 ) 的不确定性情况下，控制系统具有良好的鲁棒性，所设计的滑模 变结构控制器应该满足l y a p u n o v 稳定理论。首先，一个正定的l y a p u n o v 能量 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 函数定义如下 v 。三s t s 2 式( 2 3 0 ) 两侧对时间求微分得到能量的梯度函数 矿：s t 雪 将滑模变结构控制律( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 9 ) ，再结合式( 2 3 1 ) 得到 矿= 一日。一q ：s ；一占，i s 。i 一：j s ：i + 。墨+ ：j ： 假定滑模变结构控制的增益系数取为不确定性的上确界，即 1 一s u p 1 f e 2 = s u p 2 ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) 则，由式( 2 - 3 2 ) 得到能量梯度函数具有如下的不等式关系 矿5 一9 1 墨2 一9 2 屯2s 0 ( 2 3 5 ) 根据l y a p u n o v 稳定性理论可知：只要滑模变结构控制的增益参数f 取值不小于 不确定性扰动的上界，不管品质参数q 取何正值，滑模变结构控制系统对不确 定性扰动具有完全鲁棒性。 综上，在满足鲁棒的条件下，滑模变结构控制的增益参数尽量取小值以 削弱变结构的抖振；品质参数g 尽量取大值以改善滑动模态的动态品质【玛】。 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 第3 章滑模变结构空间电压矢量系统仿真 计算机仿真在现代工程系统设计、评估和产品研究开发中越来越受到重视， 特别是对系统的可行性、可靠性研究，具有事半功倍的效果。计算机仿真就是 应用计算机对所研究对象的数学模型进行分析和计算，模仿真实系统的情况， 得出运行结果【2 9 1 。使开发者对系统的理论基础、性能优点有个整体的把握，为 实际系统的开发做好准备。m a t l a b s i m u l i n k 软件是当今国际上科学和工 程技术界具有广泛影响力的软件之一。m a t l a b 由m a t h w o r k s 公司于1 9 8 4 年开始推出的，经过2 0 年的发展，已经成为了科学计算领域的一种标准；1 9 9 3 年出现了s i m u l i n k ，这是基于框图的仿真平台，s i m u l i n k 挂接在m a t l a b 环境上，以m a t l a b 为核心的数字、图像、编程功能基础之上的仿真和原型设 计工具，用于真实世界动态系统的建模、仿真和分析。两者结合，构成了一种“基 于模型设计( m o d e l b a s e dd e s i g n ) ”的系统开发平台。经过十几年的发展已经 在诸多领域得到了应用，尤其是s 函数的引入使得s i m u l i n k 更加充实，处理 能力更加强大，使用户可以根据自己的意图来实现复杂系统的仿真【2 9 i1 3 0 l 。从 s i m u l i n k 4 1 版开始，就包含有电力系统模块库。在s i m u l i n k 环境下利用 电力系统模块库( 主要为s i m u l i n k 模块库和s i m p o w e r s y s t e m 模块库) 模块，可以方便的进行电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真【”】1 3 2 i 。 本论文就是根据滑模变结构控制系统的原理框图，建立了面向系统结构图的 s v p w m 矢量控制交流调速系统的仿真模型。 根据第二章中提出的滑模变结构控制策略，在m a t l a bs i m u l i n k 下建立 了系统的仿真模型f 3 3 p 4 1 ，如图3 1 所示。 本系统仿真模型完全基于实际情况，实际存在的异步电动机、逆变器均采 用s i m p o w e r s y s t e m s 模块中的模型，而且认为异步电动机的三相定子电压、 电流和转速都是可以方便测出的i ”i 。采用总分总的建模步骤：首先将整个系统 按照算法分成几个子模块；然后利用s i m u l i n k 中的基本模块分别构建各个子 系统，通过封装技术将它们封装起来；最后把各个子模块连接起来，构成整个 系统的仿真模型。系统模型的上半部为主电路部分，下半部为控制与检测电路 部分。 由图可见，本系统共分为六个部分，包括：电机及测量模块、磁链与转矩 测量计算模块、滑模变结构控制模块、旋转单元及空间电压矢量s v p w m 生成 模块。 哈尔滨理t 火学t 学硕l j 学位论文 图3 - 1 异步电机滑模变结构系统仿真模型 f i g 3 1t h es i m u l a t i o no fa s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e o nh y b r i ds m - v s cs y s t e m 1 8 趔 删 虫 交 辞 趣 御 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 3 1磁链与转矩测量计算模块 磁链与转矩观测模块如图3 - 2 。 定了磁连u n 模型 1 3 1 2 图3 - 2 磁链转矩计算观测模型 f i g 3 - 2t h es i m u l a t i o nm o d e lo ff l u xl i n k a g ea n dt o r q u eo b s e r v a t i o n 定子磁链甜一r 模块展开图如图3 3 所示。 图3 2 中的3 2 变换是将三相静止坐标系中的电压和电流转换到两相静止坐 图3 3 定子磁链“一刀模块 f i g 3 - 3t h es i m u l a t i o nm o d e lo f “一以t y p e 一 哈尔滨理t 人学t 学硕j j 学位论义 标系中，公式为： 阱层 阶层 三捌引 22f l 1i o 巫一鱼忙i 2 2l l “o 1 1 1 - 三 r 2 耋】 j l i 引 5 lj ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 定子电压3 2 变换模块展开如图3 - 4 。其中端子3 引进的量，表示定子电压 a 、b 、c 在三相静止坐标系下的分量，吧、分别表示口、卢在静止坐标系 下的分量f 3 5 i 。 g a i n 4 图3 43 2 变换模块 f i g 3 _ 4t h es i m u l a t i o nm o d e lo fc l a r k ec o n v e r s i o n 3 2 滑模变结构控制模块 根据式( 2 2 5 ) 建立滑膜变结构控制模块如图3 - 5 所示。包括切换线生成模块、 计算模块、眈计算模块及系数计算模块等。 切换线生成模块如图3 - 6 所示。切换线参数选择非常重要，图中巨、如、吼、 9 2 分别表示1 、2 和9 ，、q ：，分别取值1 0 、1 0 、i 、1 。 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 图3 - 5 滑模变结构控制模型 f i g