基于模糊PI和滑模的電動汽車用異步電動機(jī)DTC控制＊

牛綠原

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州225300）

基于模糊PI和滑模的電動汽車用異步電動機(jī)DTC控制＊

牛綠原

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州225300）

為提高電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的控制性能，針對異步電動機(jī)無速度傳感器控制進(jìn)行研究，提出一種基于滑模控制的改進(jìn)型方案，建立滑模變結(jié)構(gòu)速度控制器，并將SVPWM－DTC和模糊自適應(yīng)PI控制器相結(jié)合。仿真表明，新系統(tǒng)能有效地跟蹤轉(zhuǎn)速變化，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

異步電機(jī)；滑模速度觀測器；電動汽車；模糊PI

1 引言

電動汽車，因具有節(jié)能、環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞。從驅(qū)動力的角度看，以永磁同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)為代表的新型電機(jī)在電動汽車中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，但異步電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，仍占有較高的市場份額。著名電動汽車品牌特斯拉以及約60%的大型電動汽車均使用異步電機(jī)。

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種高性能調(diào)速技術(shù)，控制結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)異，但安裝機(jī)械式速度傳感器不僅會使系統(tǒng)變復(fù)雜也會使系統(tǒng)的魯棒性減低，缺點(diǎn)明顯。因滑模控制具有對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的學(xué)者嘗試將其和 DTC 控制相結(jié)合。文獻(xiàn)［1－4］均提出了一種基于自適應(yīng)滑模觀測器的感應(yīng)電動機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)速控制精度高和調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)；文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了一種無需電壓信息的滑模觀測器，有效地克服了電壓模型受電機(jī)定子電阻變化，對電機(jī)參數(shù)變化具有強(qiáng)魯棒性。文獻(xiàn)［6－7］提出了一種將空間矢量技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩相結(jié)合應(yīng)用到電動汽車控制和驅(qū)動中的方法。文獻(xiàn)［8－9］實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的高精度識辨，但在轉(zhuǎn)速計(jì)算過程中，對電機(jī)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)。

本文在吸收以上成果的基礎(chǔ)上，提出了一種新型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將SVPWM技術(shù)和DTC技術(shù)相結(jié)合，用PI控制器替代傳統(tǒng)的滯環(huán)比較器，以改善轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動大等問題；用自適應(yīng)滑模觀測器替代原系統(tǒng)中的機(jī)械式速度傳感器，以提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性；同時(shí)，用自適應(yīng)模糊PI控制器替代傳統(tǒng)的速度環(huán)PI控制器，以提高系統(tǒng)的控制精度。最后，通過Matlab／Simulink軟件，搭建了仿真平臺，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

兩相靜止坐標(biāo)系下三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、定子磁鏈空間矢量角、電磁轉(zhuǎn)矩以及定子磁鏈的相關(guān)公式如下：

3 改進(jìn)型異步電動機(jī)DTC控制結(jié)構(gòu)

所提出的異步電動機(jī)DTC控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型異步電動機(jī)DTC控制結(jié)構(gòu)圖

4 模糊PI控制器設(shè)計(jì)

模糊控制因具有對被控對象參數(shù)不敏感，不依賴精確數(shù)學(xué)模型以及具有較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)，常被用于電機(jī)調(diào)速中，以改善電機(jī)的性能。本文將傳統(tǒng)PI和模糊控制相結(jié)合，以e、ec為輸入量，以Δkp、Δki為輸出量，設(shè)計(jì)了一個模糊PI自適應(yīng)控制器。設(shè)定 e、ec的論域均為［－12，12］，Δkp、Δki的論域分別為［－6，6］，［－0.6，0.6］隸屬函數(shù)均取三角型。根據(jù)控制系統(tǒng)的變化過程，得出系統(tǒng)模糊規(guī)則，其模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊PI控制器模糊規(guī)則表

5 自適應(yīng)滑模速度觀測器設(shè)計(jì)

根據(jù)三相異步電動機(jī)在α、β兩相靜止坐標(biāo)系下的模型，將定子電流和磁鏈改寫成狀態(tài)方程的形式：

建立滑模觀測器模型：

由式（6）減去式（5）得，

用符號函數(shù)sgn（·）表示ei，其定義為：

由（8）式得，

構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)為：

因轉(zhuǎn)速變化往往較慢，可以認(rèn)為近似為常數(shù)，所以V的導(dǎo)數(shù)為：

整理上式可得控制律為：

6 仿真及結(jié)果分析

當(dāng) r1＜0且 r2＝0 時(shí)，pV＜0，滿足穩(wěn)定性條件。為此，

令 FT＝－δA12，δ＞0，此時(shí)有 r1＜0。

用Matlab／Simulink軟件搭建了仿真模型。選取的異步電動機(jī)主要參數(shù)為：額定功率15kW，額定頻率為 50Hz，定子電阻為 Rs＝0.2147Ω，轉(zhuǎn)子電阻為Rr＝0.2205Ω，定子電感、轉(zhuǎn)子電感均為 0.991mH，互感為 64.19mH。速度給定為 800r／min→1000r／min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 0N·m→60N·m，分別在 0.4s、0.6s進(jìn)行切換。仿真算法為 ode4，仿真時(shí)間設(shè)為 0.8s。圖 2、圖 3、圖4所示分別是轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及定子電流波形。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)滑模速度觀測器能夠較為精確地估算轉(zhuǎn)子速度，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，能夠較快地（約0.02s）跟蹤速度的變換，且抖動現(xiàn)象并不明

圖2 轉(zhuǎn)速

圖3 轉(zhuǎn)矩

圖4 定子電流

7 結(jié)論

本文提出了一種基于無速度傳感器的改進(jìn)型直接轉(zhuǎn)矩控制方案，建立了滑模變結(jié)構(gòu)速度控制器，用SVPWM－DTC替代了傳統(tǒng)的DTC技術(shù)，并在速度環(huán)引入了模糊自適應(yīng)PI控制器，有效地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的快速跟蹤響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

［1］吳志飛，張興華，孫振興.基于滑模觀測器的感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.微特電機(jī)，2013，41（10）.

［2］廖永衡，馮曉云，王 珍.基于定子磁鏈滑模觀測器的異步電機(jī)空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（18）.

［3］朱 緋，盧子廣，胡立坤，胡 東.采用自適應(yīng)滑模速度觀測器電動汽車驅(qū)動控制［J］.電力電子技術(shù)，2015，49（1）.

［4］孫振興，張興華.基于滑模觀測器的感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.電工電能新技術(shù)，2012，31（4）.

［5］張興華，石 萬，李 磊.感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的新型滑模定子磁鏈觀測器［J］.電氣傳動，2014，44（10）.

［6］CHE Changjin，QU Yongyin.Research on drive technology and control strategy of electric vehicle based on SVPWMDTC ［C］／／2011International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer.IEEE Conference Publications，2011：44 － 49.

［7］SERGAKI E S，MOUSTAIZIS S D.Efficiency optimization of a direct torque controlled induction motor used in hybrid electric vehicles［C］／／IEEE Conference Publications，2011：398－403.

［8］余致廷，鄭 勇，袁俊波，等.帶定子電阻辨識的異步電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.電氣傳動，2011，41（5）：10－14.

［9］Khalilian M，Abedi A，Zadeh A D.Sensorless direct torque control of hybrid stepper motor based on MRAS［J］.Energy Procedia，2012，14：1992－1997.

DTCcontrolofinductionmotorforelectricvehiclebasedonfuzzyPIcontrolwithslidingmode

NIU Lv－yuan
（Taizhou College of Science and Technology，Nanjing University of Science and Technology，Taizhou 225300，China）

In order to improve the control performance of the drive system of the electric vehicle and aiming at the research on the speed sensorless control of the induction motor，an new improved control scheme based on the sliding mode control is proposed.A new sliding－mode variable－structure speed controller is established.The SVPWM－DTC control and the fuzzy self－adaptive PI control are combined.The simulative results show that the new control scheme can effectively track the speed，and can improve the dynamic performance and the stability of the system.

induction motor；sliding－mode speed observer；electric vehicle；fuzzy PI controller

TM351

A

1005—7277（2016）05—0013—03

江蘇省青藍(lán)工程（201401）；教育部自動化教指委員會（2015A06）

牛綠原（1982－），男，河南周口人，碩士學(xué)位，講師。就職于南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院智能制造學(xué)院。

2016－07－11