摘要
电机驱动系统是混合动力汽车的关键部件。混合动力汽车永磁同步电机驱动系统应满足转矩输出能力强、调速范围宽、全速运行范围内效率高、可靠性好等特定要求。永磁同步电机是多变量、非线性、强耦合的系统，对参数和干扰极为敏感，因此传统的线性控制方法无法准确描述系统的稳动态过程，难以保证电机在宽转速范围内的运行品质。滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制，它具有响应快速、鲁棒性强、实现简单等优点，然而这种控制方法不可避免存在系统抖振，因而如何消除抖振成为将滑模控制理论应用于实际电机驱动系统的关键问题。因此，为了提高混合动力汽车永磁同步电机驱动系统对参数变化和外部扰动的鲁棒性，本文围绕电流滑模控制在永磁同步电机最大转矩电流比控制系统中的应用展开研究工作，重点研究如何通过改进趋近律、负载滑模观测器和增益调度滑模控制等方法削弱系统抖振及改善系统抵抗负载扰动特性。
采用趋近律方法可以改善滑模运动的动态品质。本文分析比较了若干典型趋近律对于系统特性的影响，针对一般趋近律在接近滑模区域时抖振较大、不能收敛于原点的问题，本文提出了一种具有时变切换增益的指数趋近律方法。该方法在切换增益中引入时变修正因子，使得切换增益在接近滑模面邻域时始终保持为较小值，且在滑模运动阶段能够随着系统状态而趋近至零。所设计趋近律方法改善了系统动态性能，有效削弱了系统抖振。
在滑模控制系统中，切换增益系数的最小值只有随着负载扰动幅度的增大而增大，才能满足滑动模态存在性和可达性条件，以达到抵抗扰动的目的。然而，增大切换增益将导致系统抖振加剧。针对以上问题，本文采用滑模观测器对负载扰动进行前馈补偿。该负载扰动观测器选取关于转速观测误差的滑模面，并根据负载扰动观测误差自适应调整观测器切换增益，不仅保证了观测器的鲁棒性，而且削弱了负载观测抖振。同时将负载扰动观测值前馈补偿至电流滑模控制器输出端，使用较小切换增益即可满足抵抗负载扰动的要求，从而改善了负载扰动时电流跟踪响应特性，显著减小了系统抖振。
在实际系统中，控制器的结构和参数要求能够随着外界环境、运行条件的变化而变化，以保证系统在全局运行范围内具有满意的控制性能。增益调度控制是一种解决非线性系统控制问题的有效方法。本文采用自适应和增益调度相结合的方法对电流滑模控制器的参数进行整定。该方法通过自适应律在线调整切换增益系数的边界范围，同时以关于直轴、交轴电流的积分滑模面函数作为调度变量，对切换增益系数、滑模面系数及边界层厚度进行增益调度。所设计方法克服了常规增益调度方法需要确定工作点及对大量参数寻优的缺点，不但保证了系统鲁棒性，而且提高了系统性能和效率。
本文针对永磁同步电机电流滑模控制系统进行了仿真和实验研究。仿真和实验结果表明该系统对负载扰动鲁棒性强，具有良好的稳态特性和动态跟踪性能。所设计方法及其控制器结构简单，工程实用性强，因而适用于混合动力汽车电机驱动系统。
The motor drive system is one of the most critical components for hybridelectric vehicles (HEV). The permanent magnet synchronous motor (PMSM)drive system for HEV should meet the specific requirements such as high torqueoutput, wide speed range, high efficiency and good reliability in the whole speedrange. PMSM is a multivariable, nonlinear and strong-coupled system which isextremely sensitive to parameters and disturbances, so traditional linear controlmethods can not accurately describe its static and dynamic processes andguarantee its high operation performances in a wide speed range. Sliding modevariable structure control (SMVSC) is a special non-linear control method withadvantages such as fast response, strong robustness and simple realization.However, the sliding mode control will bring in inevitable system chattering,which makes the present-day research on the sliding mode control applied to theactual motor drive system focused on how to alleviate the chattering. In order toimprove the system robustness of PMSM driver for HEV against parametervariations and external disturbances, this dissertation researches on theapplication of current sliding mode control to PMSM maximum torque perampere (MTPA) control system, and lays emphasis on how to alleviate thesystem chattering and improve the system characteritics of anti-disturbance byimproved reaching law, sliding mode load observer and gain-scheduled basedsliding mode control.
The reaching law method can improve the dynamic quality of sliding motion.This dissertation analyzes and compares the influence of several typical reachinglaws on system characteristics. In view of disadvantages of the regular reaching laws such as higher chattering near the sliding band and non-convergence to theorigin, an improved exponent reaching law method with time-varying switchinggain is proposed. In this method, a time-varying factor is introduced to theswitching gain which is modified to remain smaller near the sliding band and toapproach zero with the system state in the stage of sliding motion, meanwhile,the integral sliding surface with integral separation is adopted and the boundarylayer method is applied. Thus, the designed reaching law method can improve thesystem dynamic performances and effectively alleviate the system chattering.
In the sliding mode control system, the minimum switching gains onlyincreases with the amplitude of load disturbances can it meet the sliding modeexistence and accessibility condition and thus effectively resist the disturbances.However, the increasing of switching gain will intensify the system chattering.To solve the problem above, this dissertation proposes a load observation andcompensation method with sliding mode observer. In the load disturbanceobserver, the integral sliding surface with respect to the speed observation erroris selected, and the observer switching gain is adaptively adjusted according tothe load disturbance observation error, which not only ensures the observerrobustness, but also weakens the load observation chattering. Meanwhile, theload disturbance observed value is applied as feed-forward compensation to theoutput terminals of the current sliding mode controller, so much smallerswitching gain is used to meet the demand of anti-disturbance. Thus, this methodimproves the current tracking responses under load disturbances and significantlyweakens the system chattering.
In the real system, the structure and parameters of controller are required tochange with the operating conditions and external environment in order to obtainsatisfactory control performances in the total operating range. Gain-scheduledcontrol is an effective method to solve the control problems for nonlinearsystems. This dissertation presents an adaptive and gain-scheduled hybridmethod to set the parameters of the current sliding mode controller. In thismethod, the boundaries of the switching gain are adjusted with the adaptivemethod, and taking the integral sliding surfaces with regard to d-axis current andq-axis current as scheduling variables, the controller coefficients of the switchinggains, the sliding surfaces and the boundary layers are set with gain-scheduled method. Thus, this method can overcome the disadvantages of regular gain-scheduled controller which requires the determination of typical operation pointsand the optimization of a large number of parameters, which not only ensures thesystem robustness, but also improves the system control performances andefficiency.
In this dissertation, simulation and experimental studies on PMSM currentsliding mode control system have been carried out. Simulation and experimentalresults show that the system has strong robustness against load disturbances, andobtains good steady characteristics and dynamic tracking performances. Thedesigned methods and controllers are simple in structure and practical inengineering, so they are applicable for motor drive system for HEV.
引文
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