[发明专利]基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法

说明书

一种基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是基于扩展卡尔曼估计和模型预测控制的电动汽车轮毂电机驱动控制系统能很好的改善现有技术存在缺点的基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法。本发明首先利用扩展卡尔曼原理，完成电机驱动系统估计器设计，其次将估计器得到的转矩和磁链值作为反馈值，连同参考给定值传递给电机控制系统控制器，最后通过求解目标函数对应的最优控制问题，完成系统对电机转矩和磁链快速准确的跟踪控制。本发明有效避免了复杂的坐标变化和电机模型中电流量耦合问题，降低了系统的复杂度，提高了系统的动态响应速度和系统控制效果的直观性、可靠性。

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

随着人们对生活质量的不断追求和汽车工业的快速发展，近些年我国的汽车保有量持续稳定增长，石油对外依存度不断提高，已严重威胁到我国的能源安全。大量燃油汽车使用进一步加剧了环境的恶化。由于电动汽车高能效、零排放、低污染的优势已然成为了未来汽车的发展趋势。我国自2001年就已经开始实施了针对电动汽车的电池、电机、电控等关键核心技术的重大科研专项。

轮毂电机驱动的电动汽车是近些年的研究热点，这种电动汽车的最大特点是将电机安装在电动汽车的车轮上，电机产生的驱动力矩直接作用于车轮，省去传统汽车复杂的机械传动装置，节省空间，提高汽车舒适度，且能实现汽车的轻量化。除此之外，轮毂驱动系统实现了汽车各个驱动轮的独立精确控制，提高了驱动系统对汽车的控制力，极大的改善了汽车在各种路面下的驾驶稳定性。轮毂电机驱动系统是电动汽车关键部件之一，驱动系统的主要任务是快速准确的跟踪由电动汽车整车控制器综合驾驶员需求、路况信息等外界条件计算出的转矩命令，由于电机驱动系统是驱动车辆行驶的能量转化直接载体，所以一直影响着车辆的动力性和经济性，也能够直接决定整车控制性能的好坏。目前应用于电动汽车电机控制的基本方法主要有磁场定向控制(Field oriented control,FOC)和直接转矩控制(Direct torque control,DTC)。当前电机控制科研领域中出现的很多控制策略都是以这两种方法为基础衍生而来的。针对电动汽车轮毂电机的转矩跟踪控制，主要存在以下几个问题：

1、永磁同步轮毂电机数学模型复杂，存在电流量耦合问题，对电机参数依赖大，尤其在借助电流量控制的方法中，电流量在不同坐标系下的变换加大了控制系统的计算量，造成动态响应慢的缺陷，影响轮毂电机驱动系统对电动汽车的实时控制，特别是在环境突变情况下，驱动系统不能及时响应容易造成交通事故。

2、在反馈环节中存在估计不准确问题，当控制系统需要对转矩和磁链进行直接跟踪控制时，无法直接通过测量获得当前时刻实际的转矩和磁链的值，只能通过估计获得，转矩和磁链的估计偏差将直接影响电机驱动系统的控制效果，驱动系统的转矩跟踪误差会造成电动汽车的操作控制隐患。

在电机驱动控制系统中控制方法的选择直接影响系统实现的难易程度，永磁同步电机复杂的数学模型和多变量、多参数的特点对系统控制器的实现提出了更高的要求，选择合适的控制方法可以简化控制系统的结构，避免引入其他辅助模块，为控制系统带来不必要的误差与扰动。

发明内容

本发明的目的是基于扩展卡尔曼估计和模型预测控制的电动汽车轮毂电机驱动控制系统能很好的改善现有技术存在缺点的基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法。

本发明电机的相关参数如表1所示：

表1 永磁同步电机相关参数

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永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型如下：

电压方程：

磁链方程：

电磁转矩方程：