汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于永磁同步电机的调速控制技术领域，更具体的说，涉及一种汽车电动 转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法，基于自抗扰控制理论，对汽车电动助力 转向永磁同步电机的磁场定向控制，设计鲁棒性强的串级系统稳定调速控制方法。
【背景技术】
[0002] 汽车电动助力转向永磁同步电机的控制，多采用磁场定向控制的方法，它是一个 非线性双输入双输出耦合系统的控制问题。汽车电动助力系统要求其控制具有快速性、准 确性和稳定性的效果。目前最难以取得，也还需进一步提升控制效果的是其稳定性方面，即 鲁棒性控制问题。
[0003] 现有观点多把汽车电动助力转向系统的永磁同步电机，看作非线性耦合系统来控 制，采用滑模控制、多PID控制、模糊神经网络控制等方法，上述控制方法均要处理非线性 多输入多输出耦合问题，且其稳定性调速效果还有提升空间。经过对汽车电动助力转向永 磁同步电机磁场定向控制的仔细分析和研宄，发现实际情况是，由于其磁场定向控制算法 已经设置两个输入控制变量中的一个为零，所以矢量控制算法实际上已经执行了解耦过 程；而另一路输入控制变量是由永磁同步电机的转速值比较误差，来控制目标电流，再由电 流值的比较误差来控制目标电压的过程；并且在这个过程中，存在未知扰动和不确定因素， 从而影响了永磁同步电机调速系统的稳定性，所以真正需要解决的是一个串级系统的调速 控制问题，并保证其鲁棒性。
[0004] 当各串级系统的函数确知时，用简单的补偿与简单的误差反馈方法，就可以控制 好；而永磁同步电机磁场定向控制的各串级系统，其函数未知，并含有未知扰动和不确定因 素，有必要采用自抗扰控制理论，自适应地消除未知扰动和不确定因素，以及各种突加负载 的影响，达到高速高精度下的稳定调速要求。
【发明内容】
[0005] 为克服上述现有技术的不足和缺陷，本发明提出一种串级系统的汽车电动助力转 向永磁同步电机控制方法，把磁场定向控制理解为已经解耦的非线性双输入双输出耦合系 统的控制，其中永磁同步电机转速调节部分基于自抗扰控制理论，采用串级系统的方法来 控制，从而能够克服系统中所存在的未知扰动和不确定因素，从根本上提高汽车电动助力 转向系统永磁同步电机调速控制的鲁棒性能。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法，基 于自抗扰控制理论，具体步骤包括：
[0008] (1)设计串级控制系统及其输入输出控制变量；
[0009] (2)设计串级控制系统的外环自抗扰控制器；
[0010] (3)设计串级控制系统的内环自抗扰控制器；
[0011] (4)设计内外环自抗扰控制器的参数；
[0012] 得到汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制的串级系统稳定调速效果。
[0013]其中：
[0014] (1)设计串级控制系统及其输入输出控制变量
[0015] 根据汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制的需求，其控制系统主要由两 个单输入单输出的自抗扰控制器串级组成。按照信号传递的顺序，从左到右，设计为：外环 自抗扰控制器、内环自抗扰控制器、内环自抗扰控制器的控制对象、外环自抗扰控制器的控 制对象。
[0016] 外环自抗扰控制器的输入变量设计为两个：汽车电动助力转向永磁同步电机的设 定转速值、所检测到的汽车电动助力转向永磁同步电机的实际转速值。
[0017] 外环自抗扰控制器的输出变量设计为一个：汽车电动助力转向永磁同步电机磁场 定向控制算法所需要输出的交轴电流控制变量。
[0018] 内环自抗扰控制器的输入变量设计为两个：汽车电动助力转向永磁同步电机磁场 定向控制算法所需要输出的交轴电流控制变量、根据实际检测所计算出的汽车电动助力转 向永磁同步电机磁场定向控制算法的实际交轴电流值。
[0019] 内环自抗扰控制器的输出变量设计为一个：汽车电动助力转向永磁同步电机磁场 定向控制算法所需要输出的交轴电压控制变量。
[0020] (2)设计串级控制系统的外环自抗扰控制器
[0021] 为让外环自抗扰控制器取得好的控制效果，应尽可能让其输出控制变量的变化缓 慢平滑一些，因此需安排过渡过程；
[0022] 首先，为防止控制过程超调，安排过渡过程：
[0023]
【主权项】
1. 一种汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法，其特征在于，包括 步骤如下： (1) 设计串级控制系统及其输入输出控制变量 根据汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制的需求，串级控制系统主要由两个 单输入单输出的自抗扰控制器串级组成，按照信号传递的顺序，从左到右设计为：外环自抗 扰控制器、内环自抗扰控制器、内环自抗扰控制器的控制对象、外环自抗扰控制器的控制对 象； (2) 设计串级控制系统的外环自抗扰控制器 首先，为保证外环自抗扰控制器的控制效果，防止控制过程超调，应使外环自抗扰控制 器的输出控制变量的变化缓慢平滑一些，需要安排过渡过程； 其次，为估计系统所产生的误差和扰动的不确定信息，设计状态变量的扩张状态观测 器； 再次，为抑制系统输出控制变量的误差，进行非线性的系统反馈控制； 最后，为增强抗干扰能力，根据估计出的误差和扰动，对输出控制变量进行误差和扰动 的补偿； (3) 设计串级控制系统的内环自抗扰控制器 首先，为估计系统所产生的误差和扰动的不确定信息，设计状态变量的扩张状态观测 器； 其次，为抑制系统输出控制变量的误差，进行非线性的系统反馈控制； 最后，为增强抗干扰能力，根据估计出的误差和扰动，对输出控制变量进行误差和扰动 的补偿； (4) 设计内外环自抗扰控制器的参数 设计外环自抗扰控制器和内环自抗扰控制器的扩张状态观测器参数β i、β 2、β 3;设计 外环自抗扰控制器的采样步长4，过渡过程时间Ttl，控制器参数Γι、hp c1;设计内环自抗扰 控制器的采样步长h2，控制器参数!2、1! 2、。2。|31是观测状态变量的反馈系数；|32是观测状 态微分变量的反馈系数；β 3是观测误差和扰动的反馈系数；r i、r2是速度因子；h i、h2是所 定义非线性函数fhan的采样步长、Cl、C2是阻尼因子。
2. 根据权利要求1所述的汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法， 其特征在于，所述步骤（1)中， 外环自抗扰控制器的输入变量设计为两个：汽车电动助力转向永磁同步电机的设定转 速值、所检测到的汽车电动助力转向永磁同步电机的实际转速值； 外环自抗扰控制器的输出变量设计为一个：汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向 控制算法所需要输出的交轴电流控制变量； 内环自抗扰控制器的输入变量设计为两个：汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向 控制算法所需要输出的交轴电流控制变量、根据实际检测所计算出的汽车电动助力转向永 磁同步电机磁场定向控制算法的实际交轴电流值； 内环自抗扰控制器的输出变量设计为一个：汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向 控制算法所需要输出的交轴电压控制变量。
3. 根据权利要求1所述的汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法， 其特征在于，所述步骤（2)中，安排过渡过程为：
N2 (t) = (N(t)-n(t))dtrns(T〇, t) (4) 设计状态变量的扩张状态观测器为： Z11 (t+1) = Z11 (t) +h (z12 (t) - β (t)) Z12 (t+1) = Z12 (t) +h (ζ13 (t) - β 2fe (t) +Iq (t)) (5) Z13 (t+1) = Z13 (t)+h (-β 3fei) 其中 e (t) = Z11 (t) -η (t)，fe = fal (e (t)，0· 5, h)，Ife1= fal (e (t)，0· 25, h) (6)
进行非线性的系统反馈控制为： e^t) = N1 (t)-Z11 (t) e2(t) = N2 (t)-Z12 (t) (8) Uq fhcin (θ ^ (?) ? (?) ? ^ ? h^)
对输出控制变量进行误差和扰动的补偿为： Tq (t) = u0 (t)-Z13 (t) (10) 〇
4.根据权利要求1所述的汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法， 其特征在于，所述步骤（3)中，设计状态变量的扩张状态观测器为： Z21 (t+1) = Z21 (t) +h (z22 (t) - β 卢(t)) Z22 (t+1) = Z22 (t) +h (z23 (t) - β 2fe (t) +Vq (t)) (11) Z23 (t+1) = Z23 (t)+h (-β gfe^ 其中 e (t) = z21 (t) _Iq*(t)，fe = fal (e (t)，0· 5, h)，Ife1= fal (e (t)，0· 25, h) (12)
进行非线性的系统反馈控制为： e^t) = Iq (t)-Z21 (t) e2 (t) = -Z22 (t) (14) U0= fhan (e j (t), c2e2 (t), r2, h2) 其中
对输出控制变量进行误差和扰动的补偿为： Vq (t) = u0 (t)-Z23 (t) (16)。
5. 根据权利要求1所述的汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法， 其特征在于，所述步骤（4)中，为避免出现高频颤震现象，内环自抗扰控制器的采样步长比 外环自抗扰控制器的采样步长要小整数倍。
6. 根据权利要求1所述的汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法， 其特征在于，所述步骤（4)中，设计外环自抗扰控制器和内环自抗扰控制器的扩张状态观 测器参数β i= 100、β 2= 300、β 3= 1000 ;设计外环自抗扰控制器的采样步长h = 0. 01， 过渡过程时间Ttl= 0. 5,控制器参数;r i= 10、h i= 0. 2、C i= 0. 3 ;设计内环自抗扰控制器 的采样步长 h = 0· 005,控制器参数;T2= 600、h 2= 0· 5、c 2= 0· 04。
【专利摘要】一种汽车电动转向电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法，基于自抗扰控制理论，对汽车电动助力转向永磁同步电机的磁场定向控制，设计鲁棒性强的串级系统稳定调速控制方法，具体包括：设计串级控制系统及其输入输出控制变量；设计串级控制系统的外环自抗扰控制器；设计串级控制系统的内环自抗扰控制器；设计内外环自抗扰控制器的参数；最后得到汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制的串级系统稳定调速方法。本发明能够消除汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制串级系统中的未知、非线性、不确定因素，以及突加负载的扰动，使汽车电动助力转向永磁同步电机磁场定向控制的串级系统，能够取得在高速高精度下的稳定调速效果。
【IPC分类】H02P21-00
【公开号】CN104734591
【申请号】CN201510133783
【发明人】黄志坚, 乔粱, 王福欣, 祁宏钟, 马建民
【申请人】黄志坚
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月25日