电动汽车用永磁同步电机的分数阶控制策略研究

成果基本信息
关键词：	电动汽车;永磁同步电机;分数阶控制策略
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	201814549	资源采集日期：	2019-04-15

研究情况
单位名称：	广西科技大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：	广西壮族自治区科学技术厅
评价日期：	2017.12.05	评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	孵化基地	联系人（平台）电话：	0771-3394012
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成果简介
电动汽车电机驱动控制系统，主要包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，是电动汽车技术研究发展的关键技术之一，也是提高电动汽车动力特性、续航里程和可靠性等综合性能的核心。电机驱动控制系统涉及车用电机的速度控制问题，电动汽车驱动电机的优良控制策略是有效提高电动汽车驱动性能的保证，是电机驱动控制系统研究与开发的重要方面。当前，永磁同步电机（英文缩写PMSM）已成为除直流电机、异步电机和开关磁阻电机之外，电动汽车驱动系统的主流电机之一，并受到人们的普遍关注。迄今，人们提出了电动汽车用PMSM的各种整数阶控制策略或方法, 并基于微处理器技术开展控制系统应用研究。就常用控制技术而言，这些控制方法大致分为矢量控制和直接转矩控制：前者虽能实现高精度、高动态响应及大范围调速的伺服控制，但控制性能易受到电机参数变化、负载扰动、对象未建模和非线性动态等不确定性因素影响，鲁棒性不强；后者虽能克服矢量控制受参数影响的缺点，提高了系统可靠性，但增加了控制实现难度。因此，为实现PMSM满足电动汽车在复杂多变运行工况条件下，具有良好的起动性、加速性、高可靠性和鲁棒性，以及较宽的调速范围，必须借助于新的控制理论和方法。本项目结合电动汽车实际工作特点，主要开展了如下主要研究工作，并取得一定研究成果，相关研究结果为提高电动汽车不同行驶工况下PMSM的驱动性能和工作可靠性，具有重要积极的理论和工程意义。一、建立PMSM与电动汽车传动系统相结合的整体系统模型电动汽车是以蓄电池作为能源、电动机为驱动装置、通过传动系统运行。研究过程中，考虑汽车行驶过程中所应克服的主要阻力（包括车辆在地面行驶的滚动阻力、空气的迎风阻力、坡道阻力和加速阻力）；假定电动汽车正常行驶工况，PMSM的输出电磁转矩Te通过变速器和减速箱作用后，以一定的转换效率传送至驱动轴；根据汽车系统动力学相关理论，建立起以电磁转矩为驱动力的电动汽车行驶运动方程，以及车速与电机输出转速间的传动数学关系。其中PMSM的电磁转矩输出由电磁转矩方程刻画，并涉及电机的电压方程、磁链模型，以及电机的机械运动方程。因此，所建立整体数学模型主要包括汽车驱动系统动力学学模型和PMSM在d-q轴坐标系下相关数学模型。通过建立整体数学模型，并搭建车速-电流双闭环矢量控制系统仿真模型，一方面有利于分析不同行驶工况（启动、加速、爬坡等）对电机转矩输出性能要求，另一方面为从整体系统角度出发，开展电动汽车PMSM的控制策略理论和仿真研究，提供理论模型基础。二、PMSM的分数阶控制策略研究 ①分数阶自适应控制策略研究结合PMSM数学模型，并引入负载转矩变化因素，借助分数阶系统稳定性理论，在期望转速和负载转矩有界条件下，推导出PMSM速度环的分数阶自适应控制器。结果表明，即使在电动汽车爬坡运行、变速，以及整车质量参数发生变化的行驶工况条件下，电动汽车驱动控制系统的速度环分数阶自适应控制方法均能使汽车获得更好的期望车速跟踪控制性能。 ②双闭环分数阶控制策略研究打破传统电机双闭环控制模式仅在电机速度环设计分数阶控制器的做法，同时将速度环和电流环都设计分数阶控制器。在建立PMSM双闭环分数阶控制系统动态结构数学模型基础上，结合频域设计理论和功率因数优化思想，设计出电流环FO-ID控制器和速度环FO-PI控制器的参数（包括控制器放大倍数、积分时间常数和分数阶阶次参数）。结果表明，即使在宽范围调速、负载突变的情况下，相比传统做法，该双闭环分数阶控制方法不仅能使PMSM获得更优的速度控制动态性能，且有效降低定子电流和电机铜耗，进一步提高系统的运行效率。同时也表明，双闭环分数阶控制方法可为探索适用调速范围宽、抗负载突变能力强、启动和加速性能好的控制策略提供思路。 ③基于分数阶转速估计的PMSM无传感器控制策略研究为克服车载PMSM转子位置/速度机械传感器带来的成本高、安装困难、环境适应性差、可靠性不高等诸多缺陷，提高控制系统稳定性，电动汽车用PMSM的无传感器控制方法，作为电机容错控制中的一种重要辅助措施。鉴于分数阶理论在控制领域的优势特点，提出一种分数阶自适应转速估计方法。结果表明，即使在负载跳变、系统参数不准确，以及较宽的调速范围条件下，该方法均能获得相比整数阶自适应估计情形更为精准的电机转速估计值，有效地提高了PMSM无传感器控制系统速度控制的动态响应性能、控制精度及鲁棒性。三、分数阶运算的电路实现研究 ①分数阶运算的模拟电子线路实现研究课题对阶次为0.95的分数阶微分算子 1/s0.95 进行模拟电子线路实现。 ②采用FPGA技术，研究分数阶PDμ控制器的硬件实现鉴于FPGA微处理技术在处理复杂运算速度较快，以及可以采用DSP Builder 设计工具生成VHDL语言，缩短设计开发周期。因此，项目组采用FPGA芯片研究分数阶控制器的硬件实现。根据预期目标，取得了一定的研究成果。目前，已发表科技期刊论文9篇（含录用1篇），其中，中文核心期刊论文4篇，SCI和EI同时收录期刊论文3篇；实审的发明专利1项，已获授权发明专利1项、实用新型专利2项；并培养硕士研究生2名。

成果名称：	电动汽车用永磁同步电机的分数阶控制策略研究	关键词：	电动汽车;永磁同步电机;分数阶控制策略
成果类别：		一级分类名称：	装备制造
二级分类名称：	运输装备制造	三级分类名称：	公路运输装备
研究起止时间：	2014.04 至2017.05	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	广西科技大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	2014GXNSFBA118284
经费实际投入额（万元）：	5.00	评价单位：	广西壮族自治区科学技术厅
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2017.12.05	转让范围：
评价证书号：		推荐单位：	广西壮族自治区教育厅
推广形式：	无	成果登记号：	201814549
成果简介：	电动汽车电机驱动控制系统，主要包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，是电动汽车技术研究发展的关键技术之一，也是提高电动汽车动力特性、续航里程和可靠性等综合性能的核心。电机驱动控制系统涉及车用电机的速度控制问题，电动汽车驱动电机的优良控制策略是有效提高电动汽车驱动性能的保证，是电机驱动控制系统研究与开发的重要方面。当前，永磁同步电机（英文缩写PMSM）已成为除直流电机、异步电机和开关磁阻电机之外，电动汽车驱动系统的主流电机之一，并受到人们的普遍关注。迄今，人们提出了电动汽车用PMSM的各种整数阶控制策略或方法, 并基于微处理器技术开展控制系统应用研究。就常用控制技术而言，这些控制方法大致分为矢量控制和直接转矩控制：前者虽能实现高精度、高动态响应及大范围调速的伺服控制，但控制性能易受到电机参数变化、负载扰动、对象未建模和非线性动态等不确定性因素影响，鲁棒性不强；后者虽能克服矢量控制受参数影响的缺点，提高了系统可靠性，但增加了控制实现难度。因此，为实现PMSM满足电动汽车在复杂多变运行工况条件下，具有良好的起动性、加速性、高可靠性和鲁棒性，以及较宽的调速范围，必须借助于新的控制理论和方法。本项目结合电动汽车实际工作特点，主要开展了如下主要研究工作，并取得一定研究成果，相关研究结果为提高电动汽车不同行驶工况下PMSM的驱动性能和工作可靠性，具有重要积极的理论和工程意义。一、建立PMSM与电动汽车传动系统相结合的整体系统模型电动汽车是以蓄电池作为能源、电动机为驱动装置、通过传动系统运行。研究过程中，考虑汽车行驶过程中所应克服的主要阻力（包括车辆在地面行驶的滚动阻力、空气的迎风阻力、坡道阻力和加速阻力）；假定电动汽车正常行驶工况，PMSM的输出电磁转矩Te通过变速器和减速箱作用后，以一定的转换效率传送至驱动轴；根据汽车系统动力学相关理论，建立起以电磁转矩为驱动力的电动汽车行驶运动方程，以及车速与电机输出转速间的传动数学关系。其中PMSM的电磁转矩输出由电磁转矩方程刻画，并涉及电机的电压方程、磁链模型，以及电机的机械运动方程。因此，所建立整体数学模型主要包括汽车驱动系统动力学学模型和PMSM在d-q轴坐标系下相关数学模型。通过建立整体数学模型，并搭建车速-电流双闭环矢量控制系统仿真模型，一方面有利于分析不同行驶工况（启动、加速、爬坡等）对电机转矩输出性能要求，另一方面为从整体系统角度出发，开展电动汽车PMSM的控制策略理论和仿真研究，提供理论模型基础。二、PMSM的分数阶控制策略研究 ①分数阶自适应控制策略研究结合PMSM数学模型，并引入负载转矩变化因素，借助分数阶系统稳定性理论，在期望转速和负载转矩有界条件下，推导出PMSM速度环的分数阶自适应控制器。结果表明，即使在电动汽车爬坡运行、变速，以及整车质量参数发生变化的行驶工况条件下，电动汽车驱动控制系统的速度环分数阶自适应控制方法均能使汽车获得更好的期望车速跟踪控制性能。 ②双闭环分数阶控制策略研究打破传统电机双闭环控制模式仅在电机速度环设计分数阶控制器的做法，同时将速度环和电流环都设计分数阶控制器。在建立PMSM双闭环分数阶控制系统动态结构数学模型基础上，结合频域设计理论和功率因数优化思想，设计出电流环FO-ID控制器和速度环FO-PI控制器的参数（包括控制器放大倍数、积分时间常数和分数阶阶次参数）。结果表明，即使在宽范围调速、负载突变的情况下，相比传统做法，该双闭环分数阶控制方法不仅能使PMSM获得更优的速度控制动态性能，且有效降低定子电流和电机铜耗，进一步提高系统的运行效率。同时也表明，双闭环分数阶控制方法可为探索适用调速范围宽、抗负载突变能力强、启动和加速性能好的控制策略提供思路。 ③基于分数阶转速估计的PMSM无传感器控制策略研究为克服车载PMSM转子位置/速度机械传感器带来的成本高、安装困难、环境适应性差、可靠性不高等诸多缺陷，提高控制系统稳定性，电动汽车用PMSM的无传感器控制方法，作为电机容错控制中的一种重要辅助措施。鉴于分数阶理论在控制领域的优势特点，提出一种分数阶自适应转速估计方法。结果表明，即使在负载跳变、系统参数不准确，以及较宽的调速范围条件下，该方法均能获得相比整数阶自适应估计情形更为精准的电机转速估计值，有效地提高了PMSM无传感器控制系统速度控制的动态响应性能、控制精度及鲁棒性。三、分数阶运算的电路实现研究 ①分数阶运算的模拟电子线路实现研究课题对阶次为0.95的分数阶微分算子 1/s0.95 进行模拟电子线路实现。 ②采用FPGA技术，研究分数阶PDμ控制器的硬件实现鉴于FPGA微处理技术在处理复杂运算速度较快，以及可以采用DSP Builder 设计工具生成VHDL语言，缩短设计开发周期。因此，项目组采用FPGA芯片研究分数阶控制器的硬件实现。根据预期目标，取得了一定的研究成果。目前，已发表科技期刊论文9篇（含录用1篇），其中，中文核心期刊论文4篇，SCI和EI同时收录期刊论文3篇；实审的发明专利1项，已获授权发明专利1项、实用新型专利2项；并培养硕士研究生2名。
联系人：	曾媛媛	成果登记日期：	2018-04-25
联系人email：	kjc6601@126.com	单位代码：	94502637
邮政编码222：	545006	联系人电话：	0772-2686601
单位传真：	0772-2687698	单位通讯地址：	广西壮族自治区柳州市城中区东环大道268号
单位所在省市：		单位电话：	0772-2686601
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：	文家燕;高远;赵宁;袁海英;孔峰;李克讷;吴其琦	资源采集日期：	2019-04-15

电动汽车用永磁同步电机的分数阶控制策略研究

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