基于切换预测理论的电动汽车驱动控制策略研究

张用，郭英雷，陈磊，郭建豪，郭小溪

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266001）

·试验研究·

基于切换预测理论的电动汽车驱动控制策略研究

张用1，郭英雷2，陈磊2，郭建豪2，郭小溪1

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266001）

电动汽车要求驱动电机具有快速转矩响应以保证整个系统的高动态性能，电流预测控制具有理论严密、实现简单、快速响应的特点，满足电动汽车对扭矩快速响应的要求。基于切换理论建立了永磁同步电机侧及逆变器的切换动态模型，在此基础上提出了基于预测控制的电流跟踪控制策略，通过切换模型对不同开关模式下一周期的电流进行预测以此选择最优的开关状态。最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真结果表明了所建模型和控制策略的正确性。

电动汽车；永磁同步电机；预测控制；切换系统；电流控制

0　引言

近年来，随着能源危机和环境污染日趋严重，电动汽车作为一种节能环保的交通工具受到越来越多的关注［1］。驱动电机及其电驱动控制系统是电动汽车的关键零部件，电机的性能及其驱动的控制算法和策略对整车的性能产生直接的影响［2］。永磁同步电动机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有体积小、效率高、功率密度大、转子结构简单、稳定性好等优点，在高性能、转矩响应快速性的场合具有很好的应用前景，在电动汽车中采用永磁同步电动机驱动逐渐成为发展趋势［3-5］。

电动汽车要求电机驱动系统具有转矩控制精确、高动态性能、需要克服车载恶劣环境等特性，因此高性能永磁同步电机伺服控制系统要求有准确、快速响应的电流内环。常用的永磁同步电机电流环的控制方法主要有PI控制、滞环控制、预测控制等［6］。PI调节器结构简单、稳定可靠，目前在伺服系统中应用最为广泛。但是PI控制原理上是一种线性控制理论，存在调节时间长、参数选择复杂且容易出现超调等问题，实际应用中很难兼顾响应的快速性和稳定性，难以满足电动汽车高效稳定快速的动态性能。滞环控制也称之为Bang-Bang控制，因其可以直接对电流进行跟踪控制，其快速性好。但滞环控制存在纹波大、控制精度较低等缺陷，难以满足电动汽车驱动系统要求。

模型预测算法是一类新型的优化控制算法，其中模型预测电流控制算法通过基于电机的模型选取控制变量并构造目标函数，计算选取使目标函数最小的矢量得到输出的控制矢量，因其具有高动态响应性能和低电流谐波分量的特点成为永磁电机驱动控制的研究热点［7］。文献［8］提出一种基于离散模型永磁同步电机电流预测控制算法，有效提高了系统电流环的动态性能和稳态精度。文献［9］提出了一种改进的永磁同步电机电流预测控制方法，通过引入积分控制和改进占空比更新策略有效减低了系统对参数的敏感性。切换预测控制是近年来兴起的新型预测控制方法，采用大信号直接建模方法，能在大扰动下保持稳定［10］。基于切换理论建立永磁同步电机切换预测模型及优化控制策略。相比于传统的预测控制算法，切换理论能够对系统进行大信号直接建模，其抗大范围扰动能力更强［10-11］，因此控制器设计更加简洁且能够保证在全工况下的高动态响应速度。在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型，仿真结果表明采用的建模方法和控制策略正确有效。

1　永磁同步电机预测模型

永磁同步发电机在dq坐标系下令d轴与转子永磁体的磁链方向重合，定子电压电流正方向遵循电动机惯例，其电压、磁链方程如下：

式中：R和Ld，Lq分别为发电机的定子电阻和定子直轴电感、交轴电感；ud，uq，id，iq为定子电压和电流的d、q轴分量；φf为永磁体磁链；ωe为发电机电角速度。

对永磁同步电机PWM逆变器建模，若令kp（p= a，b，c）表征开关器件状态，定义kp=1表示第p对开关上桥壁开通，下桥壁关断，k=0表示下桥壁开通，上桥壁关断。正常工作过程中，ka、kb、kc共对应8种开关组合，即：000、001、010、011、100、101、110和111，其中000和111组合作用相同，因此有7种有效状态。若σ∈｛1，2，…，7｝表示7种有效模态，定义系统开关函数S=（ka，kb，kc）T，7种模态下Sσ取值分别为：

永磁同步电机工作过程中PWM逆变器动态特性随着开关函数的不同而变化，其d、q轴电压与在不同开关状态的关系为：

式中：Udc为直流母线电压，θ为永磁同步电机转子角度，且有

引入状态变量x=（id，iq）T，对表面贴式结构有Ld= Lq=L，将式（3）带入式（1）可以得到状态空间形式的永磁同步电机切换预测模型：

2　电流预测控制算法

由永磁同步电机电流预测模型可知，通过控制开关状态，可以得到不同的状态方程，从而控制电机运行状态。如何根据给定和当前状态，选择出最优的开关状态，在保证系统全局稳定的前提下，系统状态变量能够尽快跟踪给定，是电流预测控制的目的。

通过切换预测模型可以得到不同切换状态下永磁同步电机工作过程中下一个时刻的电流值，假设功率变换器控制周期为ΔT，当前状态下功率变换器状态为x（t），经过一个周期的控制后，功率变换器状态变为x（t+1）。如果控制速度足够快，θr和ωe可以认为在ΔT时间内是不变的［44］。此时，

由式（9）可以计算出7种不同的开关状态控制矢量作用一个周期后，永磁同步电机电流状态。

选择给定和参考电流值之间的误差，以该误差最小为成本评价函数，可以构建切换模型的最优切换函数

根据成本评价函数，确定最小成本函数所对应的控制矢量，并确定该周期内功率变换器开关管对应的开关变量。基于切换预测控制结构如图1所示，永磁同步电机的预期转速作为外环给定，PI调节器比例常数Kp=0.7，积分常数KI=0.1，可以实现较快的速度响应。速度环的PI调节结果作为q轴的给定电流。为实现磁场定向，d轴给定电流设为0。电流内环采用切换预测模型的电流控制策略，从永磁同步电机采集三相电流经过坐标变换后送入预测控制器，预测控制器计算不同开关状态下一个周期的电流值，与给定的电流值比较后选择确定最优的开关状态给逆变器。

图1　切换预测控制结构

3　仿真分析

为了验证本文控制策略的正确性和有效性，在Matlab/Simulink中建立了1台50 kW的永磁同步电机模型，系统仿真参数设置如表1所示。

仿真时间为1 s，图2是给定转速3000 r/min时电机转速响应曲线，由图可知，电机启动后很快稳定到给定转速，且超调很小。图3是对应的开关状态选择结果。由图可知，随着仿真进行，系统7个开关状态将来回切换，切换预测模型能够直接计算得到逆变器需要的开关矢量，省去了调制过程，因此其计算和实现非常简单。

表1　系统仿真参数

图2　速度控制跟踪效果

图3　开关状态变化

在仿真过程中，0.5 s时刻令负载转矩从5 Nm变为-5 Nm，测试永磁同步电机运行特性。图4和图5分别为电机负载突变的过程实测转矩和永磁同步电机三相电流图形。从图中可以清晰看到负载突变时电机电流的变化，电流的调节可以在一个周期内完成，动态响应速度非常快，体现了切换预测控制的优势。

图4　转矩跟踪效果

图5　电流变化

图6是永磁同步电机d轴和q轴电流，在0.5 s时随着转矩给定的突变，永磁电机q轴电流也随之改变，保证了系统快速跟踪给定。整个仿真过程中，电机的d轴电流都保持为0，显示了切换预测电流控制策略良好的无功抑制能力。

图6　dq轴电流轨迹

4　结语

基于切换理论建立了直驱永磁同步发电切换动态模型，并根据切换模型，设计了预测控制电流跟踪算法。在Simulink环境下搭建仿真模型，对系统模型及电流跟踪控制算法进行了验证。仿真结果表明，所提出的控制策略能够保证系统稳定工作，同时当负载给定发生阶跃变换等大范围扰动时，永磁同步电机能够迅速跟踪给定变化，具有良好的动静态控制性能。

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Control Strategy for EV Generators Based on Switch Predictive Control Method

ZHANG Yong1，GUO Yinglei2，CHEN Lei2，GUO Jianhao2，GUO Xiaoxi1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266001，China）

Electric vehicles（EV）need a fast torque response to guarantee the high dynamic performance of the overall system，and the predictive current control is suitable for the fast response of EV with characteristics of strict theory，simple implementation and fast response.Based on the switching theory，a dynamic model of the permanent magnet synchronous motor and inverter is established.A current tracking control strategy is proposed based on the predictive control and the optimal switching state can be selected by using the model to predict the current of a period of different switching mode.Simulation results show that the proposed model and the control strategy are correct and effective.

electric vehicles（EV）；permanent magnet synchronous motor（PMSM）；predictive control；；switched model；current control

TM314

A

1007-9904（2015）12-0001-04

2015-10-27

张用（1983），男，工程师，从事新能源及电力电子方面的研究工作。

国家自然科学基金项目资助（61503216）