電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有逆變器的非線性特性導致相電壓和相電流畸變的問題，其特征在于在兩相靜止坐標系下，根據(jù)電流空間矢量所在的不同扇區(qū)，將逆變器功率器件導通壓降帶來的電壓偏差反饋給指令電壓來進行補償，保證了并網(wǎng)電壓空間矢量仍為圓形軌跡，提高了相電壓和相電流的正弦度。本發(fā)明簡單有效，能夠有效減小非線性誤差造成的電壓電流畸變現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)運行性能；結(jié)構(gòu)簡單可靠、易于實現(xiàn)，解決了電動汽車低速行駛帶來的動態(tài)穩(wěn)定性差的問題，改善了電動汽車加速性能，抗干擾性強，檢測精度高。
【專利說明】
電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本申請設(shè)及一種電動汽車控制方法及系統(tǒng)，特別設(shè)及一種電動汽車交流驅(qū)動電機 矢量控制系統(tǒng)精度補償方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，駕駛員對汽車的操作性、穩(wěn)定性、安全性要求越來越 局。 逆變器作為電動汽車交流驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響汽車的穩(wěn)定性。 逆變器的數(shù)學模型呈非線性特性，其輸出波形為存在一定失真的正弦波:原因一是為了防 止逆變器功率器件上下橋臂直通，通常在功率器件驅(qū)動信號中加入死區(qū)時間，在保證了功 率器件安全工作的同時，也帶來了電壓電流波形崎變、零電流巧位等死區(qū)效應(yīng);原因二是逆 變器功率器件不是理想的開關(guān)器件，存在導通壓降影響了輸出相電壓、相電流的正弦度。 如果按照低速轉(zhuǎn)向時輕便性為設(shè)計目標，則高速行駛時轉(zhuǎn)向力過小導致路感差，影響 操縱性。為了保證汽車在停車狀況下轉(zhuǎn)動方向盤時能夠輕松自如而在高速行駛時又不會感 到不穩(wěn)，因而如何提高逆變器效率，提高矢量控制系統(tǒng)的精度，對電動汽車控制系統(tǒng)都有著 及其重要的意義。常規(guī)的控制策略是采用近似線性化控制方法，運種方案雖然采用了線性 控制理論進行控制器設(shè)計，但是運樣的近似本身就給系統(tǒng)的控制帶來了不確定性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的第一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足提供電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性 補償方法，針對逆變器的功率器件為非理想器件，其管壓降較大程度地影響了逆變器輸出 的相電壓和相電流的問題，來抵消給逆變器帶來的失真特性。
[0004] 本發(fā)明的第二目的在于提供一種實施上述方法的電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性 補償系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明所述的方法，具體包括W下步驟： 步驟一、電機主電路采用=相橋式電壓源型逆變器供電，電源為直流電源。
[0006] 步驟二、PC機設(shè)定轉(zhuǎn)速信號，驅(qū)動電動汽車電機轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)速傳感器采樣得到實際 轉(zhuǎn)速信號，電壓傳感器采樣得到電壓信號，電流傳感器采樣得到電流信號。
[0007] 步驟=、采集的=相電流ia、ib、ic經(jīng)3s/2s坐標變換為兩相靜止坐標系下的電流分 量ia、ie，此兩相靜止坐標系下的電流合成為電流空間矢量is,即is=ia+jie。
[000引步驟四、判斷電流空間矢量is所在的扇區(qū)，結(jié)合逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)，輸出 補償后的電壓值Uacom和UPcom。
[0009]根據(jù)ia=〇，ia=l. 732ie，ia=-1.732ieS條直線，將電流空間矢量is所在平面分為六 個區(qū)域。設(shè)定：
貝帷流空間矢量is所在扇區(qū)sec( is化下式(I)確定： sec(is)=4XWY+Z 式（1) 其中，X、Y、Z代表命題的真假;ia、ie為電流空間矢量is兩相靜止坐標系下的電流分量。 [0010]定義n檻電壓為Uth,定義A相n檻電壓采用uthsign(ia)表示。因此利用電壓空間矢 量概念可W定義： Uth=UthS i 即（i a) +曰UthS i 即（i b) +曰 2uths i 即（i C) 式(2) 式(2)中：Uth為逆變器非線性帶來的口檻電壓空間矢量，Uth是矢量，存在實部與虛部； Uth為口檻電壓，運里是數(shù)值;a=exp (j巧jt/3 ) =COS (231/3)+j Sin (231/3)。
[0011]針對不同的扇區(qū)中電流空間矢量is對逆變器輸出電壓的影響，補償后的電壓值如 表1所示：
表1中：Ua、Ue分別為補償前的電壓空間矢量Us在兩項靜止坐標系下的分量，Uacom、Uecom 分別為補償后的電壓空間矢量兩項靜止坐標系下的分量。
[001^ 步驟五、將給定電壓扣和訴結(jié)合補償電壓Uacom和UPcom輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模 塊，得到六路脈沖信號，從而控制功率器件的開通關(guān)斷，得到=相輸出電壓來驅(qū)動電機的運 行。
[0013] 步驟六、周期性判斷電流空間矢量is所在的扇區(qū)來補償逆變器非線性的電壓偏 差，使得逆變器輸出電壓呈圓形軌跡，保證驅(qū)動電機運行更加平滑，提高輸出電流的正弦 度。
[0014] -種實施上述方法的電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償系統(tǒng)包括PC機、直流電 源、=相橋式電壓源型逆變器、驅(qū)動電機、控制系統(tǒng)、電壓傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感 器，直流電源通過=相橋式電壓源型逆變器與驅(qū)動電機連接，在直流電源與=相橋式電壓 源型逆變器間有電壓傳感器，電壓傳感器與控制系統(tǒng)輸入端連接;在=相橋式電壓源型逆 變器與驅(qū)動電機之間的電源線上連接有電流傳感器，驅(qū)動電機通過轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號 傳送給控制系統(tǒng);其特征在于還包括非線性補償裝置，非線性補償裝置的輸入端連接電流 傳感器，非線性補償裝置的輸出端連接控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)綜合給定轉(zhuǎn)速、給定電壓、給定 電流信號與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊，計算出空間 矢量調(diào)制的占空比，通過光電轉(zhuǎn)換器輸出脈沖驅(qū)動信號到脈沖驅(qū)動裝置，脈沖驅(qū)動裝置與 =相橋式電壓源型逆變器連接。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明研究了一種非線性補償方法，該方法利用電流空間矢量所在扇區(qū)，并結(jié)合逆變 器功率器件的開關(guān)狀態(tài)用W補償逆變器非線性帶來的電壓偏差，使得逆變器并網(wǎng)電壓呈圓 形軌跡，同時提高了輸出電流的正弦度； 采用新型的非線性補償裝置來抵消并網(wǎng)逆變器帶來的失真，避免了傳統(tǒng)方式中近似線 性化控制方法帶來的不確定性，具有更好的動態(tài)性能； 結(jié)構(gòu)簡單可靠、易于實現(xiàn)，解決了電動汽車低速行駛帶來的動態(tài)穩(wěn)定性差的問題，改善 了電動汽車加速性能，抗干擾性強，檢測精度高且不需要額外的硬件開支。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明中功率器件的正向特性圖。
[001 7] 圖1中，Uce、導通壓降，ice、導通電流，Uth、口檻電壓，IGBT、絕緣柵雙極型晶體管， Diode、二極管。
[0018] 圖2是本發(fā)明的電流空間矢量is所在扇區(qū)圖。
[0019] 圖2中，A、B、C軸為互差120°的=相靜止坐標軸，a、e軸為兩相靜止坐標軸，UO (000)、山（001)、112(010)、113(011)、114(100)、化（101)、116(110)、117(111)為電壓空間矢量113所 在的開關(guān)狀態(tài)，1、11、虹、1￥、￥、￥1為電流空間矢量13所在平面的六個區(qū)域。
[0020] 圖3是功率器件的開關(guān)狀態(tài)對逆變器壓降影響的原理圖。
[0021] 圖3中，Re、矢量的實部，jim、矢量的虛部，ia、ib、ic為采集的；相電流，Vdc、直流電 源的電壓，ea、eb、ec為主電路的等效電壓。
[0022] 圖4是本發(fā)明的主電路結(jié)構(gòu)框圖。
[0023] 圖4中，UUS相橋式電壓源型逆變器;U2、驅(qū)動電機;U3、非線性補償裝置;U4、控制 系統(tǒng);呪、PC機;U6、脈沖驅(qū)動裝置;U7、電壓傳感器;U8、電流傳感器;U9、轉(zhuǎn)速傳感器;UlO、直 流電源;U11、空間矢量脈寬調(diào)制模塊;U12、編碼器。
[0024] 圖5是功率器件的開關(guān)狀態(tài)對輸出電壓影響的原理圖。
[002引圖5中，山、補償前的電壓空間矢量;補償后的電壓空間矢量;uth、口檻電壓空間 矢量。
【具體實施方式】
[00%]本發(fā)明方法的具體步驟： 步驟一、電動汽車驅(qū)動電機主電路一般采用=相橋式電壓源型逆變器Ul供電，電源為 直流電源U10。由于逆變器的功率器件不是一個理想的開關(guān)器件，其管壓降對逆變器非線性 輸出相電壓和相電流有較大的影響。圖1所示為抓PEC公司功率器件BSM50GB120DN2的特性 曲線W及二極管的飽和壓降曲線。線性化處理后如圖1中的虛線所示，即功率器件的導通壓 降Uce近似看成固定口檻電壓U化與其阻抗壓降的合成。
[0027]步驟二、PC機U5設(shè)定轉(zhuǎn)速信號，通過改變設(shè)定的轉(zhuǎn)速大小驅(qū)動電動汽車電機轉(zhuǎn)動 的快慢。轉(zhuǎn)速傳感器U9經(jīng)過編碼器U12采樣得到實際轉(zhuǎn)速信號，電壓傳感器U7,如LEM公司的 LV28-P電壓傳感器，經(jīng)電平處理電路、A/D采樣后，送給控制系統(tǒng)U4得到電壓信號，電流傳感 器U8，如LEM公司的LA28-NP電流傳感器，經(jīng)電平處理電路、A/D采樣后，送給控制系統(tǒng)U4得到 電流信號。
[00%]步驟=、采集的=相電流ia、ib、ic經(jīng)3s/2s坐標變換為兩相靜止坐標系下的電流分 量ia、ie，此兩相靜止坐標系下的電流合成為電流空間矢量is,即is=ia+jie。
[0029]步驟四、判斷電流空間矢量is所在的扇區(qū)，輸出補償后的電壓值Uacom和Uecom。 圖2所示為本發(fā)明的電流空間矢量is所在扇區(qū)位置，其中A、B、C軸為互差120°的=相靜 止坐標軸，日、0軸為兩相靜止坐標軸。與電壓空間矢量類似，通過ia=0, ia=l. 732ie，ia= - 1.732ie=條直線，將電流空間矢量平面分為六個區(qū)域。
[0030]設(shè)定：
貝帷流空間矢量is所在扇區(qū)sec(is化下式(1)確定： sec(is)=4XWY+Z 式（1) 其中，X、Y、Z代表命題的真假;ia、ie為電流空間矢量is兩相靜止坐標系下的電流分量。 [0031]圖3所示為功率器件的開關(guān)狀態(tài)對逆變器的影響。電壓空間矢量第一扇區(qū)內(nèi)功率 器件的開關(guān)狀態(tài)存在=種情況，即100-110-111=種開關(guān)狀態(tài)，規(guī)定電流方向由逆變器流入 電網(wǎng)為正方向，并規(guī)定A相電流ia始終為正、B、C兩相電流ib、ic始終為負，根據(jù)逆變器的開關(guān) 狀態(tài)，S相電流ia、ib、ic要么通過功率器件IGBT流通，要么通過反并聯(lián)二極管流通。圖3中逆 變器的開關(guān)狀態(tài)分別為100-110-111S種開關(guān)狀態(tài)。由于一個扇區(qū)內(nèi)功率器件的開通時間 最大僅為基波周期的1/6,因此=相電流的方向在此扇區(qū)期間并未改變，即=相橋式電壓源 型逆變器開關(guān)狀態(tài)雖改變，但功率器件導通狀態(tài)對輸出電壓的影響并沒有改變。因此可見， 逆變器導通壓降Uce的影響便可由=相電流的方向決定。其余扇區(qū)同理分析，可得出一條結(jié) 論：同一扇區(qū)內(nèi)不同的開關(guān)狀態(tài)，功率器件的非線性特性對=相橋式電壓源型逆變器的影 響只跟S相電流的流向有關(guān)，即只跟電流空間矢量is所在扇區(qū)有關(guān)。定義口檻電壓為Uth,由 于口檻電壓在某一橋臂的影響也由該相電流方向決定，可W定義A相口檻電壓采用UthSign (ia)表示。因此利用電壓空間矢量概念可W定義： Uth=UthS i 即（i a) +曰UthS i 即（i b) +曰 2uths i 即（i C) 式(2) 式(2)中：Uth為逆變器非線性帶來的口檻電壓空間矢量，Uth是矢量，存在實部與虛部； Uth為口檻電壓，運里是數(shù)值；a=exp(j巧jt/3) =COS(2V3)+jsin(2V3)。比如，當電流空間矢 量 is 處于扇區(qū) ￥1(11〇)時，11化=11化[3；[即（13)+日3；[即（；[10+日231邑]1(；[。）]=11化（1+日-日2)=211化6邱 (j*〇)。
[0032] 結(jié)合上述分析，針對不同的扇區(qū)中電流空間矢量is對逆變器輸出電壓的影響，本 發(fā)明補償方法如表1所示： 表1補償后的電壓值
表1中：Ua、ue分別為補償前的電壓空間矢量Us在兩項靜止坐標系下的分量，Uacom、Uecom 分別為補償后的電壓空間矢量兩項靜止坐標系下的分量。
[0033] 圖5所示為逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)對電壓空間矢量Us的影響。其中，Us為補償 前的電壓空間矢量，由于功率器件開關(guān)狀態(tài)的影響，在扇區(qū)切換時Us軌跡不連續(xù)并且發(fā)生 崎變，存在如下關(guān)系Us=u^uth-rdis。式中：u巧J補償后的電壓空間矢量，呈圓形軌跡;rd為逆 變器的等效通態(tài)電阻;Uth為口檻電壓空間矢量。從圖5中可W看出逆變器的非線性使得補償 前后的電壓空間矢量存在矢量差，采用非線性補償后，U噸奇變率大大降低，有效削弱了逆變 器非線性特性帶來的影響。
[0034] 步驟五、將給定電壓11\和11^和補償后的電壓Ua。?和ue。?輸入到空間矢量脈寬調(diào)制 模塊Ull，得到六路脈沖信號，輸入到脈沖驅(qū)動裝置U6,從而控制=相橋式電壓源型逆變器 Ul中功率器件的開通關(guān)斷，得到=相輸出電壓來驅(qū)動電機Ul的運行。
[0035] 步驟六、周期性判斷電流空間矢量is所在扇區(qū)來補償逆變器非線性的電壓偏差， 使得逆變器輸出電壓呈圓形軌跡，保證驅(qū)動電機Ul運行更加平滑，提高了輸出電流的正弦 度。
[0036] 如圖4所示，本發(fā)明所述的電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償系統(tǒng)包括PC機U5、直 流電源U10、S相橋式電壓源型逆變器Ul、驅(qū)動電機U2、控制系統(tǒng)U4、脈沖驅(qū)動裝置U6、電壓 傳感器U7、電流傳感器U8和轉(zhuǎn)速傳感器U9，直流電源U10通過=相橋式電壓源型逆變器U1與 驅(qū)動電機U2連接，在直流電源UlO與=相橋式電壓源型逆變器Ul間有電壓傳感器U7,電壓傳 感器U7與控制系統(tǒng)U4輸入端連接;在=相橋式電壓源型逆變器Ul與驅(qū)動電機U2之間的電源 線上連接有電流傳感器U8,驅(qū)動電機U2通過編碼器U12、轉(zhuǎn)速傳感器U則尋轉(zhuǎn)速信號傳送給控 制系統(tǒng)U4;;其特征在于還包括非線性補償裝置U3,非線性補償裝置U3的輸入端連接電流傳 感器U8,非線性補償裝置U3的輸出端連接控制系統(tǒng)U4;控制系統(tǒng)U4綜合給定轉(zhuǎn)速、給定電 壓、給定電流信號與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊Ull， 計算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過脈沖驅(qū)動裝置U6與=相橋式電壓源型逆變器Ul連接。 [0037] 工作原理； 電流傳感器U8采集S相電流13、山、1。，經(jīng)33/23坐標變換為兩相靜止坐標系下的電流信 號ia、ie，此兩相靜止坐標系下的電流合成為電流空間矢量is,即is=ia+化； 非線性補償裝置U3采用可編程邏輯單元，通過并行運算處理算法并結(jié)合公式（1)能在 一個采樣周期Ts內(nèi)快速地判斷出電流空間矢量is所在的扇區(qū)，然后根據(jù)表1來輸出需補償?shù)?電壓值Uacom和Ugcom; 控制系統(tǒng)U4將補償后的電壓ua。。。和ue。。。輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊Ull，得到六路 脈沖信號，輸入到脈沖驅(qū)動裝置U6,從而控制S相橋式電壓源型逆變器Ul中功率器件的開 通關(guān)斷，使得逆變器并網(wǎng)電壓呈圓形軌跡，有效降低電壓崎變率，同時提高了輸出電流的正 弦度，削弱了逆變器非線性特性帶來的影響，保證了驅(qū)動電機Ul的穩(wěn)定運行。
【主權(quán)項】
1. 一種電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償方法，其特征在于:具體包括以下步驟： 步驟一、電機主電路采用三相橋式電壓源型逆變器供電，電源為直流電源； 步驟二、PC機設(shè)定轉(zhuǎn)速信號，驅(qū)動電動汽車電機轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)速傳感器采樣得到實際轉(zhuǎn)速 信號，電壓傳感器采樣得到電壓信號，電流傳感器采樣得到電流信號； 步驟三、采集的三相電流ia、ib、ic經(jīng)3s/2s坐標變換為兩相靜止坐標系下的電流分量ia、 ie，此兩相靜止坐標系下的電流合成為電流空間矢量is，即is=ia+jie; 步驟四、判斷電流空間矢量is所在的扇區(qū)，結(jié)合逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)，輸出補償 后的電壓值Ua。?和Ufcom; 根據(jù)ia=〇，ia=l. 732if!，ia=- 1.732if!三條直線，將電流空間矢量is所在平面分為六個區(qū) 域;設(shè)定：貝1J電流空間矢量is所在扇區(qū)sec (is)由下式(1)確定： sec(is)=4X+2Y+Z 式（1) 其中，X、Y、Z代表命題的真假;ia、ie為電流空間矢量。兩相靜止坐標系下的電流分量； 定義門濫電壓為uth，定義A相門濫電壓采用uthsign(ia)表示;利用電壓空間矢量概念定 義： uth=uths i gn (i a) +auths i gn (ib) +a2uths i gn (i c) 式⑵ 式⑵中：Uth為逆變器非線性帶來的門檻電壓空間矢量，Uth是矢量，存在實部與虛部； Uth為門濫電壓，這里是數(shù)值;a=exp (j*2π/3) =cos (2π/3)+j sin (2π/3); 補償后的電壓值如表1所示：表1中：Ua、up分別為補償前的電壓空間矢量Us在兩項靜止坐標系下的分量，Ua_、up_分 別為補償后的電壓空間矢量f在兩項靜止坐標系下的分量； 步驟五、將給定電壓和ui結(jié)合補償電壓Ua_和Uf!_輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊， 得到六路脈沖信號，從而控制功率器件的開通關(guān)斷，得到三相輸出電壓來驅(qū)動電機的運行； 步驟六、周期性判斷電流空間矢量is所在的扇區(qū)來補償逆變器非線性的電壓偏差，使得 逆變器輸出電壓呈圓形軌跡，保證驅(qū)動電機運行更加平滑，提高輸出電流的正弦度。2.-種實施權(quán)利要求1所述方法的電動汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補償系統(tǒng)包括PC機、 直流電源、三相橋式電壓源型逆變器、驅(qū)動電機、控制系統(tǒng)、電壓傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速 傳感器，直流電源通過三相橋式電壓源型逆變器與驅(qū)動電機連接，在直流電源與三相橋式 電壓源型逆變器間有電壓傳感器，電壓傳感器與控制系統(tǒng)輸入端連接;在三相橋式電壓源 型逆變器與驅(qū)動電機之間的電源線上連接有電流傳感器，驅(qū)動電機通過轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速 信號傳送給控制系統(tǒng);其特征在于還包括非線性補償裝置U3，非線性補償裝置U3的輸入端 連接電流傳感器U8,非線性補償裝置U3的輸出端連接控制系統(tǒng)U4;控制系統(tǒng)U4綜合給定轉(zhuǎn) 速、給定電壓、給定電流信號與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號輸入到空間矢量脈寬調(diào) 制模塊U11，計算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過脈沖驅(qū)動裝置U6與三相橋式電壓源型逆變 器U1連接。
【文檔編號】H02P21/14GK105827175SQ201610108486
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】周二磊, 陳強, 紀永新, 曹薇薇, 張先云, 米東星, 丁明
【申請人】國網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司, 國家電網(wǎng)公司