论文部分内容阅读
摘要：近年来，随着能源的危机及人们对环境污染的重视，采用新型洁净的电动汽车代替传统以汽油为源动力的汽车已经成为当前各大汽车公司和科研院所研究的热点。永磁同步电机以其结构简单、方便及易于实现等特点，成为目前电动汽车重要的动力驱动设备。本文提出一种基于滑模理论的电动汽车用永磁同步电机速度控制策略，利用 Matlab/Simulink软件将滑模控制与PI控制进行对比，验证了滑模控制具有更强的鲁棒性，为电动汽车驱动系统设计高鲁棒性的控制器提供一定的理论基础。
关键词：电动汽车；永磁同步电机；PID控制；滑模控制；
1 引言
汽车是人们的重要交通工具，然而由其带来的环境污染和能源危机问题已经成为新世纪人类所面临的两大亟待解决的难题。如何在平衡汽车带来的便利的同时，最大程度上降低其带来的负面效应，是当前汽车制造业最为关注的问题[1]。电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。由于其对环境影响相对于传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟，尚处于研究阶段[2，3]。本文以永磁同步电机驱动的电动汽车为研究对象，提出一种对系统参数及外部负载变化具有强鲁棒性的滑模速度控制策略，并通过仿真对该方案与传统PI控制进行对比，验证该方法的有效性。
2 电动汽车用PMSM的数学模型
为了便于分析PMSM机的特性，对其如下假设[74]：
（1）忽略磁路饱和、磁滞和涡流损耗；
（2）电机三相绕组对称分布情况理想，轴线互差120°电角度；
（3）电机定子电动势按正弦规律变化，定子电流在气隙中只产生正线分布磁势，忽略磁场磁路中的高次谐波磁势。
电气子系统为：
（1）
机械子系统为：
（2）
式中： 、 、 、 、 和 分别为dq轴电压、电流和电感； 表示电机的等效电角速度； 表示定子电阻； 为永磁体磁链； 表示电磁推力； 表示等效负载转矩； 为极对数； 为转动惯量； 为静态摩擦系数。
3. 滑模速度控制器设计
由于采用 的控制策略可以很好地实现电机磁链和电流的解耦，因此本文仍采用该策略，且电流环仍采用传统PI控制，这里仅对速度环进行设计。
此时，PMSM的机械运动方程可重新表示为：
（3）
式中： 为需要设计的控制器输出； 为电磁转矩系数； 为系统参数； 为系统总的不确定性且满足 ； 表示参数 的变化。
令期望的速度指令为 ，则其速度跟踪误差为 。
取滑模面为 ，则
，若取指数趋近律，即 ，则只要控制输入取 ，且满足 ， ，就能保证系统稳定。这是因为取 ，则
4. 数值仿真
根据上文电动汽车用PMSM的数学模型在MATLAB的建立其对应的仿真模型。为了验证本文设计控制器的有效性，将该方法与PI控制进行比较。电机的主要参数：转动惯量 ，电感 ，极对数 ，定子电阻 。
仿真中两方案的控制系统仍采用 的矢量控制策略。PI控制中速度和电流环均采用PI控制，其控制参数为：速度环控制增益为 ， ；电流环增益为 ， ；滑模控制的参数为： ， ，仿真结果如图1-3所示。
图1 负载突变时系统的速度响应曲线
（a） （b）
图2 转动惯量变化时速度响应曲线
图1为负载突变时PI控制和滑模控制速度响应。该情况的指令速度1000 ，负载为0N，在0.05s突变为40N。由图1可知：负载突变时PI控制存在较大的速度误差，且需要较长时间才能恢复到指定速度；而滑模控制的速度只有微小的波动并快速恢复到指定速度，因此该策略具有很强的抗负载扰动能力。
图2（a）和（b）分别为转动变化时PI控制和滑模控制的速度响应曲线。由图2（a）和（b）可知：PI控制随着转动惯量的增加将会出现明显的超调，且需要较长的时间才能达到指定速度；而滑模控制虽然也会存在超调，但能很快达到指定速度，大约用时不到0.01s。因此，滑模控制对参数变化也有很强的鲁棒性。
4.结论
本文以电动汽车用永磁同步电机为例，提出了一种非线性滑模速度控制方法。并通过与传统PI控制进行对比，验证了滑模控制对系统外部扰动及参数变化均有很强的鲁棒性，为在不同情况下电动汽车的平稳运行提供了一种有效的措施，具有一定的实际意义。
参考文献
[1] 陈虹，宫洵，胡云峰，刘奇芳，高炳钊，郭洪艳.汽车控制的研究现状与展望[J].控制与决策，2013，39（4）：322-346.
[2] 卢东斌，欧阳明高，谷靖，李建秋.电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制[J].中国电机工程学报， 2013，33（3）：83-91.
[3] 罗德荣，曾智波，黄守道，陈自强，李建业.电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制[J].湖南大学学报，2011，38（3）：40-44.
关键词：电动汽车；永磁同步电机；PID控制；滑模控制；
1 引言
汽车是人们的重要交通工具，然而由其带来的环境污染和能源危机问题已经成为新世纪人类所面临的两大亟待解决的难题。如何在平衡汽车带来的便利的同时，最大程度上降低其带来的负面效应，是当前汽车制造业最为关注的问题[1]。电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。由于其对环境影响相对于传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟，尚处于研究阶段[2，3]。本文以永磁同步电机驱动的电动汽车为研究对象，提出一种对系统参数及外部负载变化具有强鲁棒性的滑模速度控制策略，并通过仿真对该方案与传统PI控制进行对比，验证该方法的有效性。
2 电动汽车用PMSM的数学模型
为了便于分析PMSM机的特性，对其如下假设[74]：
（1）忽略磁路饱和、磁滞和涡流损耗；
（2）电机三相绕组对称分布情况理想，轴线互差120°电角度；
（3）电机定子电动势按正弦规律变化，定子电流在气隙中只产生正线分布磁势，忽略磁场磁路中的高次谐波磁势。
电气子系统为：
（1）
机械子系统为：
（2）
式中： 、 、 、 、 和 分别为dq轴电压、电流和电感； 表示电机的等效电角速度； 表示定子电阻； 为永磁体磁链； 表示电磁推力； 表示等效负载转矩； 为极对数； 为转动惯量； 为静态摩擦系数。
3. 滑模速度控制器设计
由于采用 的控制策略可以很好地实现电机磁链和电流的解耦，因此本文仍采用该策略，且电流环仍采用传统PI控制，这里仅对速度环进行设计。
此时，PMSM的机械运动方程可重新表示为：
（3）
式中： 为需要设计的控制器输出； 为电磁转矩系数； 为系统参数； 为系统总的不确定性且满足 ； 表示参数 的变化。
令期望的速度指令为 ，则其速度跟踪误差为 。
取滑模面为 ，则
，若取指数趋近律，即 ，则只要控制输入取 ，且满足 ， ，就能保证系统稳定。这是因为取 ，则
4. 数值仿真
根据上文电动汽车用PMSM的数学模型在MATLAB的建立其对应的仿真模型。为了验证本文设计控制器的有效性，将该方法与PI控制进行比较。电机的主要参数：转动惯量 ，电感 ，极对数 ，定子电阻 。
仿真中两方案的控制系统仍采用 的矢量控制策略。PI控制中速度和电流环均采用PI控制，其控制参数为：速度环控制增益为 ， ；电流环增益为 ， ；滑模控制的参数为： ， ，仿真结果如图1-3所示。
图1 负载突变时系统的速度响应曲线
（a） （b）
图2 转动惯量变化时速度响应曲线
图1为负载突变时PI控制和滑模控制速度响应。该情况的指令速度1000 ，负载为0N，在0.05s突变为40N。由图1可知：负载突变时PI控制存在较大的速度误差，且需要较长时间才能恢复到指定速度；而滑模控制的速度只有微小的波动并快速恢复到指定速度，因此该策略具有很强的抗负载扰动能力。
图2（a）和（b）分别为转动变化时PI控制和滑模控制的速度响应曲线。由图2（a）和（b）可知：PI控制随着转动惯量的增加将会出现明显的超调，且需要较长的时间才能达到指定速度；而滑模控制虽然也会存在超调，但能很快达到指定速度，大约用时不到0.01s。因此，滑模控制对参数变化也有很强的鲁棒性。
4.结论
本文以电动汽车用永磁同步电机为例，提出了一种非线性滑模速度控制方法。并通过与传统PI控制进行对比，验证了滑模控制对系统外部扰动及参数变化均有很强的鲁棒性，为在不同情况下电动汽车的平稳运行提供了一种有效的措施，具有一定的实际意义。
参考文献
[1] 陈虹，宫洵，胡云峰，刘奇芳，高炳钊，郭洪艳.汽车控制的研究现状与展望[J].控制与决策，2013，39（4）：322-346.
[2] 卢东斌，欧阳明高，谷靖，李建秋.电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制[J].中国电机工程学报， 2013，33（3）：83-91.
[3] 罗德荣，曾智波，黄守道，陈自强，李建业.电动汽车用永磁同步电机超前角弱磁控制[J].湖南大学学报，2011，38（3）：40-44.