CN116805854B - 面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，方法包括交流采样控制回路和直流采样控制回路两部分，交流采样控制回路的工作过程为：获取母线电流，经过级联积分梳状滤波器后，输入一阶保持器，分别输入QPR控制器和谐振抑制控制器，得到交流调制比；直流采样控制回路的工作过程为：获取储能电容C1电压和电流，分别经过级联积分梳状滤波器后再分别经过陷阱滤波器，直流偏置电压与目标直流偏置电压比较，比较的结果输入PI控制器，与滤波电流信号相加，得到的信号输入另一PI控制器，输出直流调制比。与现有技术相比，本发明具有提高系统的性能和鲁棒性，降低了系统的体积和成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及车用驱动电机的技术领域，尤其是涉及面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法。
背景技术
锂离子电池因其低自放电率、高功率密度、高效率以及环境友好等优点，被普遍用于电动汽车、便携式电子设备和能量存储系统的电源。然而，锂离子电池的充放电性能、安全性和寿命等方面均与环境温度密切相关，低温条件下电池的活性降低，导致电池内阻升高、放电容量减少，从而显著影响电动汽车的续航里程和电池使用寿命。
在各种交流信号中，正弦交流电流是最常用的加热电流，可以通过调节其电流幅值和频率以使电池产生更大的热量。一些文献指出，在工程应用中使用恒定频率的正弦交流电流来加热电池比使用可变频率更具有可行性。为了平衡加热效率和电池的容量衰减，交流加热频率通常分布在1～1000Hz。然而，交流电流的产生依赖于控制电路和储能设备，在现有的内部加热方案中，一部分需要外部电源来提供电流，从而增加了系统的体积和成本，另一部分自加热方案则存在加热功率小、系统改造大、成本高等问题，难以在车载中实现。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，方法包括交流采样控制回路和直流采样控制回路两部分，交流采样控制回路和直流采样控制回路分别得到的交流调制比mac和直流调制比mdc，求和后输入SPWM模块，输出六路控制信号D，六路控制信号D输入逆变器上下桥臂控制端，逆变器输出电压通过永磁同步电机和储能电容C1得到储能电容C1电压ucap和电流icap，逆变器的另一端连接母线，母线上的电流为ibat；
控制回路对应的交直流输入包括电动汽车电池加热电路中的母线电流ibat、储能电容C1电压ucap以及储能电容C1电流icap，
交流采样控制回路的工作过程具体为：
获取母线电流ibat，经过级联积分梳状滤波器后，与参考正弦电流iset进行比较，比较得到的信号输入一阶保持器进行离散化，离散化的信号分别输入QPR控制器和谐振抑制控制器，得到两个控制器输出的信号之和交流调制比mac；
直流采样控制回路的工作过程具体为：
获取储能电容C1电压ucap和电流icap，分别经过级联积分梳状滤波器后再分别经过陷阱滤波器，输出的信号分别为直流偏置电压udc和滤波电流信号，直流偏置电压udc与目标直流偏置电压比较，比较的结果输入PI控制器，PI控制器输出的信号与滤波电流信号相减，得到的信号输入另一PI控制器，输出直流调制比mdc。
进一步地，陷波滤波器的传递函数为：
其中，s为拉普拉斯算子，ω0是陷波中心频率，ξ是深度参数，k是宽度参数。
进一步地，直流采样控制回路中，电容C1电压ucap为输入的陷阱滤波器滤除储能电容C1电压ucap中的基波成分。
进一步地，陷阱滤波器的陷波频率为参考正弦电流iset的频率。
进一步地，梳状滤波器在z域的传递函数和零极点表达式为：
其中，N＝Tw/Ts为梳状滤波器的采样阶数；Tk为控制系统的采样周期，z为z域算子，Tw为窗口长度，zk为极点，p1为零点。
进一步地，级联积分梳状滤波器的陷波频率为：PWM波基波、二次谐波及三次谐波频率。
进一步地，QPR控制器的传递函数为：
其中，ωc是截止频率，ω0为谐振频率，Kp为比例增益，KR为谐振增益，s为拉普拉斯算子。
进一步地，谐波抑制控制器的传递函数为：
其中，h为谐波阶次，ωc是截止频率，ω0为谐振频率，KRh为谐振增益，s为拉普拉斯算子。
进一步地，QPR控制器的谐振频率为参考正弦电流iset的频率，谐振抑制控制器跟踪频率为母线电流ibat各低次谐波频率，参考电流为零。
进一步地，SPWM模块在三路PWM信号之间插入120°相移角，三角载波彼此错开2/3π，使得逆变模块的三相桥臂与电机三相绕组构成三相交错并联方式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明对机电转换和电能变换共用同一套硬件的的车用驱动电机系统的控制中采用交直流分离策略，对系统中的直流量和交流量分别构建控制策略进行反馈控制。在交流目标控制中，选取了合适的离散化方式，引入梳状滤波器以滤除高频干扰，采用多路准谐振控制器并联以抑制谐波；在直流目标控制中，利用陷波滤波器分离目标反馈信号，采用串级PI控制，以电流环为内环，电压环为外环，实现系统电能变换的目标，实现同时调节电路中的直流分量和交流分量，在母线产生正弦加热电流，提高系统的性能和鲁棒性，降低了系统的体积和成本。
附图说明
图1为本发明的系统的控制流程示意图；
图2为交流采样控制框图；
图3为直流采样控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，方法的控制流程示意图如图1所示。方法包括交流采样控制回路和直流采样控制回路两部分，控制回路对应的交直流输入包括电动汽车电池加热电路中的母线电流ibat、储能电容C1电压ucap以及储能电容C1电流icap。母线电流ibat和储能电容C1电流icap为含有PWM波及其谐波的交流量，储能电容C1电压ucap包括直流偏置电压udc以及含有PWM波及其谐波的交流电压uac。
交流采样控制回路如图2所示，包括：控制器，用于跟踪交流输入，抑制电流谐波。电流传感器，用于采样母线电流。反馈通道高频滤波器，用于滤除采样母线电流中的PWM波及其谐波。交流采样控制回路的输入量为母线目标电流iset，反馈量为经过高频滤波的母线电流，误差信号经过控制器得到交流调制比mac，输出与SPWM模块连接。
直流采样控制回路如图3所示，包括：外环控制器，用于控制储能电容C1的直流偏置电压udc。内环控制器，用于控制储能电容C1电流icap。电压传感器，用于采样储能电容C1的电压ucap。电流传感器，用于采样储能电容C1的电流icap。反馈通道低频滤波器，用于滤除储能电容C1电压ucap中的基波分量。反馈通道高频滤波器，用于滤除储能电容C1电压和电流中的PWM波及其谐波。直流采样控制回路电压外环输入量为储能电容C1的目标直流偏置电压电压外环反馈量为储能电容C1的直流偏置电压。外环误差信号经过控制器得到储能电容C1期望电流。电流内环输入为储能电容C1期望电流，反馈量为经过滤波的储能电容C1电流。内环误差信号经过PI控制器得到直流调制比mdc，输出与SPWM模块连接。
SPWM模块将交流调制比mac与直流调制比mdc之和与三角载波比较得到逆变器控制信号D。控制信号D通过控制器输出端口输出给逆变器上下桥臂控制端。逆变器输出电压通过永磁同步电机和储能电容C1构成的RLC环节得到储能电容C1电压ucap和电流icap，前者即直流采样控制回路电压外环输出量，后者通过逆变器主副边功率平衡关系得到母线电流ibat。
本发明对交直流输入分别通过交流采样控制回路和直流采样控制回路实现闭环控制。其中，交流采样控制回路使用的交流控制器为准比例谐振控制器(QPR控制器)和谐振抑制控制器，直流采样控制回路使用的内外环控制器均为为PI控制器。交流采样控制回路为使用QPR控制器和谐振抑制控制器的单闭环控制，控制目标为母线电流ibat。其中，QPR控制器实现对参考正弦电流iset的跟踪，谐振频率为参考正弦电流iset的频率。谐振抑制控制器实现母线电流ibat低次谐波的消除，跟踪频率为ibat各低次谐波频率，参考电流为零。直流采样控制回路为串级PI控制。直流采样控制回路为包括电压外环和电流内环的双闭环控制，外环控制目标为储能电容C1的直流偏置电压udc，内环控制目标为储能电容C1电流icap。
本发明的直流采样控制回路中使用的低频滤波器为陷阱滤波器(Notch Filter)，用于滤除储能电容C1电压ucap中的基波成分。陷阱滤波器的陷波频率为参考正弦电流iset的频率，储能电容C1电压ucap经过陷阱滤波器滤除基波分量后得到直流偏置电压udc。窄带陷波滤波器陷波宽度很小，针对陷波频率精确抑制，同时能最大程度减小对控制的影响。较为理想的陷波器应该具有较大的陷波深度，宽度较窄，同时相位偏移影响尽量小等。典型的陷波滤波器的传递函数为：
式中ω0是陷波中心频率，ξ是深度参数，k是宽度参数。如果深度和宽度参数选取过大，会使相角裕度变小导致系统不稳定，因此，利用陷波滤波器时应选择适当的宽度和深度参数，保证在滤除特定频率的同时维持系统的稳定性。
交流采样控制回路和直流采样控制回路中使用的高频滤波器为级联积分梳状滤波器(CIC)，用于滤除由PWM波引起的高频噪声。级联积分梳状滤波器的陷波频率为PWM波基波、二次谐波及三次谐波频率。理想情况下梳状滤波器可以完全滤除陷波频率处的输入信号，且对其他频率处的信号无影响，是一种理想低通滤波器。梳状滤波器在z域的传递函数和零极点表达式为：
式中N＝Tw/Ts为梳状滤波器的采样阶数；Ts为控制系统的采样周期。
交流采样控制回路使用的控制器为QPR控制器和谐振抑制控制器。与PR控制器相比，QPR控制器通过引入阻尼而变得不理想，从而既能保持高增益，又扩大了带宽，可以减小频率偏移的影响，其传递函数表达式为：
式中，ωc是截止频率。QPR控制器谐振点处的增益大，可以实现非常小的稳态误差，并且使得谐振带宽变宽，抗干扰能力增强，同时由于精度有限，也使得控制器更容易在数字系统中实现。控制器中有4个参数，Kp、KR、ωc、ω0，需要根据具体的应用场景来选择合适的取值。其中，谐振频率ω0应当与控制目标中的交流电流输入频率一致。在本实施方式中，ω0应为母线目标电流的角频率。占空比交流分量会在电池电流中引入谐波；此外，为了避免短路，需要引入一段延迟时间，即死区，以确保上下桥臂的开关管之间存在一定间隔，但是死区会在电池电流中引入谐波，导致波形畸变。因此，在QPR控制器中需要加入相应的谐振腔来抑制这些谐波。对于谐波信号，参考电流为零，通过反馈对相应次的谐波进行抑制，从而减少电池电流谐波含量，提高电流正弦度。基波控制器的控制目标是无静差跟踪输入的基波信号，而谐波控制器的控制目标则是将电池电流中的主要低次谐波消除。谐波抑制控制器的传递函数为：
式中，h为谐波阶次，可以根据仿真结果确定需要抑制的阶数。
交流采样控制回路使用的准比例谐振控制器(QPR控制器)和谐振抑制控制器通过一阶保持器进行离散化。
为了减小电流高频纹波，SPWM模块在三路PWM信号之间插入120°相移角，三角载波彼此错开2/3π，使得逆变模块的三相桥臂与电机三相绕组构成三相交错并联方式。
本发明对机电转换和电能变换共用同一套硬件的的车用驱动电机系统的控制中采用交直流分离策略，对系统中的直流量和交流量分别构建控制策略进行反馈控制。在交流目标控制中，选取了合适的离散化方式，引入梳状滤波器以滤除高频干扰，采用多路准谐振控制器并联以抑制谐波；在直流目标控制中，利用陷波滤波器分离目标反馈信号，采用串级PI控制，以电流环为内环，电压环为外环，实现系统电能变换的目标，实现同时调节电路中的直流分量和交流分量，在母线产生正弦加热电流，提高系统的性能和鲁棒性，降低了系统的体积和成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，方法包括交流采样控制回路和直流采样控制回路两部分，交流采样控制回路和直流采样控制回路分别得到的交流调制比mac和直流调制比mdc，求和后输入SPWM模块，输出六路控制信号D，六路控制信号D输入逆变器上下桥臂控制端，逆变器输出电压通过永磁同步电机和储能电容C1得到储能电容C1电压ucap和电流icap，逆变器的另一端连接母线，母线上的电流为ibat；
控制回路对应的交直流输入包括电动汽车电池加热电路中的母线电流ibat、储能电容C1电压ucap以及储能电容C1电流icap，
交流采样控制回路的工作过程具体为：
获取母线电流ibat，经过级联积分梳状滤波器后，与参考正弦电流iset进行比较，比较得到的信号输入一阶保持器进行离散化，离散化的信号分别输入QPR控制器和谐振抑制控制器，得到两个控制器输出的信号之和交流调制比mac；
直流采样控制回路的工作过程具体为：
获取储能电容C1电压ucap和电流icap，分别经过级联积分梳状滤波器后再分别经过陷阱滤波器，输出的信号分别为直流偏置电压udc和滤波电流信号，直流偏置电压udc与目标直流偏置电压比较，比较的结果输入PI控制器，PI控制器输出的信号与滤波电流信号相减，得到的信号输入另一PI控制器，输出直流调制比mdc。
2.根据权利要求1所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，陷波滤波器的传递函数为：
其中，s为拉普拉斯算子，ω0是陷波中心频率，ξ是深度参数，k是宽度参数。
3.根据权利要求2所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，直流采样控制回路中，电容C1电压ucap为输入的陷阱滤波器滤除储能电容C1电压ucap中的基波成分。
4.根据权利要求3所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，陷阱滤波器的陷波频率为参考正弦电流iset的频率。
5.根据权利要求1所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，梳状滤波器在z域的传递函数和零极点表达式为：
其中，N＝Tw/Ts为梳状滤波器的采样阶数；Ts为控制系统的采样周期，z为z域算子，Tw为窗口长度，zk为极点，p1为零点。
6.根据权利要求5所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，级联积分梳状滤波器的陷波频率为：PWM波基波、二次谐波及三次谐波频率。
7.根据权利要求1所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，QPR控制器的传递函数为：
其中，ωc是截止频率，ω0为谐振频率，Kp为比例增益，KR为谐振增益，s为拉普拉斯算子。
8.根据权利要求7所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，谐波抑制控制器的传递函数为：
其中，h为谐波阶次，ωc是截止频率，ω0为谐振频率，KRh为谐振增益，s为拉普拉斯算子。
9.根据权利要求8所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，QPR控制器的谐振频率为参考正弦电流iset的频率，谐振抑制控制器跟踪频率为母线电流ibat各低次谐波频率，参考电流为零。
10.根据权利要求1所述的一种面向功能融合的车用驱动电机系统信号采样和控制方法，其特征在于，SPWM模块在三路PWM信号之间插入120°相移角，三角载波彼此错开2/3π，使得逆变模块的三相桥臂与电机三相绕组构成三相交错并联方式。
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2023
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Patent Citations (2)
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