1、 国外电子测量技术北大中文核心期刊D O I:1 0.1 9 6 5 2/j.c n k i.f e m t.2 2 0 4 3 4 6基于电池功率的永磁同步电机预测电流控制张利国1 厉 风2 李宇剑2 李 航2 张增财2(1.东北石油大学秦皇岛校区 秦皇岛 0 6 6 0 0 0;2.东北石油大学 大庆 1 6 3 0 0 0)摘 要:纯电动汽车动力电池的荷电状态下降到一定程度时,会出现电池实际输出功率无法满足控制需求的情况。考虑电池功率对电机控制的影响,建立基于电池输出功率的永磁同步电机预测电流控制策略。使用无差拍预测控制预测电流值,进而计算电机期望功率。当电机期望功率超出电池功率时,通过
2、降低目标转速和对控制电流限幅的方式降低期望功率值。通过仿真及实验验证,提出的控制策略能够在电池输出功率下降的情况下,降低电机期望功率,使电机能继续正常运转。并且与传统控制策略相比,电机动态响应速度更快,响应时间缩短5 0%以上,功率波动更小,动态性能明显提升。结果表明,基于电池输出功率的永磁同步电机电流预测控制策略是有效的。关键词:动力电池;永磁同步电机;无差拍预测控制;功率中图分类号:TM 3 5 1文献标识码:A国家标准学科分类代码:4 7 0.4 0 2 4P r e d i c t i v e c u r r e n t c o n t r o l o f p e r m a n e
3、n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r b a s e d o n b a t t e r y p o w e rZ h a n g L i g u o1 L i F e n g2 L i Y u j i a n2 L i H a n g2 Z h a n g Z e n g c a i2(1.Q i n h u a n g d a o C a m p u s N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y,Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 0,
4、C h i n a;2.N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y,D a q i n g 1 6 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W h e n t h e s t a t e o f c h a r g e o f t h e p u r e e l e c t r i c v e h i c l e p o w e r b a t t e r y d r o p s t o a c e r t a i n l e v e l,t h e a c t u a l o u t p u t
5、p o w e r o f t h e b a t t e r y c a n n o t m e e t t h e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s.C o n s i d e r i n g t h e i n f l u e n c e o f b a t t e r y p o w e r o n m o t o r c o n t r o l,a p r e d i c t i v e c u r r e n t c o n t r o l s t r a t e g y f o r p e r m a n e n t m a g n e
6、t s y n c h r o n o u s m o t o r(PM S M)b a s e d o n b a t t e r y o u t p u t p o w e r i s e s t a b l i s h e d.U s e d e a d b e a t p r e d i c t i v e c o n t r o l t o p r e d i c t t h e c u r r e n t v a l u e a n d t h e n c a l c u l a t e t h e d e s i r e d m o t o r p o w e r.Wh e n
7、t h e d e s i r e d p o w e r o f t h e m o t o r e x c e e d s t h e b a t t e r y p o w e r,t h e d e s i r e d p o w e r v a l u e i s r e d u c e d b y r e d u c i n g t h e t a r g e t s p e e d a n d l i m i t i n g t h e c o n t r o l c u r r e n t.T h r o u g h s i m u l a t i o n a n d e x
8、p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n,t h e c o n t r o l s t r a t e g y p r o p o s e d i n t h i s p a p e r c a n r e d u c e t h e e x p e c t e d p o w e r o f t h e m o t o r w h e n t h e o u t p u t p o w e r o f t h e b a t t e r y d e c r e a s e s,s o t h a t t h e m o t o r c a n
9、c o n t i n u e t o o p e r a t e n o r m a l l y.A n d c o m p a r e d w i t h t h e t r a d i t i o n a l c o n t r o l s t r a t e g y,t h e d y n a m i c r e s p o n s e s p e e d o f t h e m o t o r i s f a s t e r,t h e r e s p o n s e t i m e i s s h o r t e n e d b y m o r e t h a n 5 0%,t h
10、 e p o w e r f l u c t u a t i o n i s s m a l l e r,a n d t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e i s s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u r r e n t p r e d i c t i v e c o n t r o l s t r a t e g y o f PM S M b a s e d o n b a t t e r y o u t p
11、u t p o w e r i s e f f e c t i v e.K e y w o r d s:p o w e r b a t t e r y;p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r;d e a d b e a t p r e d i c t i v e c o n t r o l;p o w e r 收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 70 引 言永磁同步电机具有高功率密度、高可靠性、高效率等特性,被广泛应用于电动汽车领域1-3。纯电动汽车中,动力电池组为控制电机提供能量,动力电池的输出特性直接影响
12、电机的动力性能4。在电动汽车行驶过程中,电池荷电状态不断下降,电池实际输出能力随之下降,电池输出功率等参数不断变化。当电池实际输出能力下降到一定程度时,会出现无法满足驱动电机当前的控制需求的情况。根据电池输出能力选择合适的电机控制方式,必须要建立起动力电池与驱动电机之间的联系。M i s h r a等5对基于太阳能电池供电的电机控制进行了建模研究。R e n等6研究了影响电动汽车行驶里程的因素,针对防爆电池电动汽车,提出了在电池能量密度较低的情况下,最大限621北大中文核心期刊国外电子测量技术 度地提高电动汽车行驶里程的方法。S h e n等7考虑了电池与电机控制器的相互影响,优化了电池管理系
13、统,但并未从电机控制的角度来考虑。上述研究给基于动力锂电池供电的永磁同步电机控制提供了参考。众多学者对电机功率进行了相关研究。何绍民等8对电动汽车功率控制单元软件设计方面进行了研究。张剑等9对电机单位功率因数控制策略进行了研究。黄庆等1 0针对驱动策略中功率脉动大的问题,将预测控制与直接功率控制算法结合。P e n g等1 1提出了一种考虑燃料电池效率和功率变化率的增量模糊逻辑方法,保证电池效率的同时产生增量输出功率。同时,电池输出功率是表示电池输出能力的重要参数,以功率为媒介,考虑电池输出功率对电机控制的影响,建立两者间的联系。电动汽车行驶过程中工况复杂多变,对电机控制的动态性能要求高,传统
14、的P I控制器固有的迟滞性导致其动态性能较差,而预测电流控制动态响应迅速,能准确对电机电流进行控制1 2,被越来越多地应用到车用永磁同步电机的控制策略中1 3-1 8。针对上述问题,本文提出一种基于电池实际输出功率的永磁同步电机电流预测控制策略。在电流环中采用无差拍预测控制代替传统的P I控制,根据预测电流值计算期望功率,并将期望功率与电池实际功率进行比较与判定,如若电池实际输出功率小于电机期望功率,则更改电机控制策略。电机处于高速运转状态时,降低电机目标转速;电机处于启动加速状态时,对控制电流进行限幅。通过这种方式减小电机期望功率值,保证电机的正常运转,提高了电机的动态性能。通过仿真分析和实
15、验,对控制策略的有效性进行了验证。1 加入电池输出功率的永磁同步电机预测控制模型电机的矢量控制是通过坐标变换解耦,将电机定子三相交流量变换为两相正交的直流量,通过电枢电流矢量得到参考电压矢量,进而生成逆变器PWM开关信号。根据永磁同步电机的数学模型和无差拍预测电流控制算法,在将得到的两相旋转坐标系下的直、交轴电流转换为参考电压矢量的部分加入了功率模块,对电机的期望功率进行了计算,并且考虑了纯电动汽车动力锂电池实际输出功率的影响。依据永磁同步电机在两相旋转坐标系下的电压方程和磁链方程,以d、q轴电流作为状态变量,可以得到电机电流的状态方程为:diddt=-RsLdid+eLqLdiq+1Ldud
16、diqdt=-RsLqiq-eLdLqid+1Lquq-eLqf|(1)式中:id、iq分别为直、交轴电流;ud、uq分别为直、交轴电压;Ld、Lq分别为直、交轴电感;e为电角速度;f为永磁体磁链;Rs为定子电阻。利用前置欧拉法将式(1)离散化,在k时刻根据前一周期得到的电压矢量计算得到k+1时刻的电流:Ik+1d=Ikd-RsTsLdIkd+LqTseLdIkq+TsLdUkdIk+1q=Ikq-RsTsLdIkq-LdTseLqIkd+TsLqUkq-fTseLq|(2)进一步,预测k+2时刻的电流为:Ik+2d=Ik+1d-RsTsLdIk+1d+LqTseLdIk+1q+TsLdUk+1dIk+2q=Ik+1q-RsTsLdIk+1q-LdTseLqIk+1d+TsLqUk+1q-fTseLq|(3)图1 考虑电池输出功率的永磁同步电机电流预测控制框图图2 功率模块结合式(1)(3),直轴和交轴的电压则可以表示为:Uk+1d=LdTsIk+2d+Rs-LdTs()Ik+1d-eLqIk+1qUk+1q=LqTsIk+2q+Rs-LqTs()Ik+1q+eLdIk+1d+ef|(