總的而言本發(fā)明涉及車輛，特別涉及一種電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電動車輛，例如電動汽車，越來越受到人們的青睞。目前電動汽車的驅(qū)動一般采用蓄電池+永磁電機的模式，控制系統(tǒng)采用開環(huán)/閉環(huán)控制。對于開環(huán)控制而言，車輛(車速)不能精確的跟隨給定，已逐步淘汰。在閉環(huán)控制中，當(dāng)前一般采用速度閉環(huán)控制方式，其采用傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器對給定速度與實際速度的偏差進行調(diào)節(jié)，根據(jù)調(diào)整結(jié)果控制逆變器的輸出。這種控制方式，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，調(diào)整過程中易出現(xiàn)超調(diào)，實際速度圍繞設(shè)定值長時間振動，這樣就造成在車輛提速過程中駕駛者感覺車速不穩(wěn)定。除此之外，目前電動車輛一般采用斬波升壓(boost)的方式對蓄電池的輸出電壓進行升壓，這種方式開關(guān)管損耗大，功率因數(shù)低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)。

一種電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)，包括dc/dc變換單元、逆變器、永磁同步電機、cark變換模塊、park變換模塊、轉(zhuǎn)子位置傳感器、分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、park逆變換模塊、和脈沖寬度調(diào)制模塊；所述轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸入端連接永磁同步電機的轉(zhuǎn)子參數(shù)輸出端，轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置輸出端連接park變換模塊的轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)輸入端；轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子角速度數(shù)據(jù)輸出端連接第一比較器的反向輸入端，第一比較器的正向輸入端與轉(zhuǎn)速給定信號相連；第一比較器的輸出端與分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器的輸入端連接，分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器的輸出端連接第二比較器的正向輸入端，第二比較器的反向輸入端與park變換模塊的q軸電流輸出端相連；即d軸電流給定值恒為零，d軸電流給定值與第三比較器的正向輸入端相連，第三比較器的反向輸入端與park變換模塊的d軸電流輸出端相連；第二比較器和第三比較器的輸出端與電流調(diào)節(jié)器相連，電流調(diào)節(jié)器的輸出端通過park逆變換模塊與脈沖寬度調(diào)制模塊相連，脈沖寬度調(diào)制模塊輸出調(diào)制信號至逆變器，逆變器接收dc/dc變換單元的輸出電壓vo，根據(jù)調(diào)制信號打開/關(guān)閉逆變器中的igbt，從而輸出可變頻率的電壓信號至永磁電機；通過轉(zhuǎn)子位置傳感器采集永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置θ、實際轉(zhuǎn)速ωm，通過電流傳感器采集逆變器輸出的其中兩相ia、ib，ia、ib經(jīng)過clark變換和park變換，得到永磁同步電機在dq軸坐標(biāo)系下的等效電流id和iq；第一比較器將轉(zhuǎn)速給定值與實際轉(zhuǎn)速ωm進行比較，偏差信號經(jīng)過分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器的輸出值作為q軸的電流給定值d軸電流給定值第二比較器對iq與進行比較，第三比較器對id與進行比較，第二比較器和第三比較器的比較結(jié)果送入電流調(diào)節(jié)器，通過電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到dq軸坐標(biāo)系下的q軸電壓給定值和d軸電壓給定值park逆變換模塊對和進行park逆變換后，依次輸出給脈沖寬度調(diào)制模塊和逆變器，從而得到永磁同步電機的三相輸入電壓，驅(qū)動永磁同步電機運行；所述dc/dc變換單元包括電感l(wèi)、串聯(lián)連接的晶體管q1與q2，晶體管q1與q2分別反并聯(lián)有二極管d1與d2；電感l(wèi)一端經(jīng)由開關(guān)sr1連接到電池的正極，另一端連接到晶體管q1與晶體管q2之間的中間點；電容c1的一端連接于開關(guān)sr1與電感l(wèi)之間，另一端接電池負極，電容器c1對電池電壓進行平滑；晶體管q1與q2串聯(lián)后與電容c2并聯(lián)，電容c2作為dc/dc變換單元的輸出電容，逆變器連接于電容c2的兩端；電壓傳感器v1檢測電池的電壓vin，并將檢測得到的電壓vin提供給mcu；mcu控制開關(guān)sr1的開/閉；mcu以pwm的方式分別向晶體管q1與q2提供觸發(fā)信號g11、g12；電壓傳感器v2檢測dc/dc變換單元的輸出電壓vo，并將檢測得到的電壓vo提供給mcu。dc/dc變換單元來自電容器c1的電壓進行升壓，并將升壓后的電壓提供給電容器c2；電容器c2對輸出電壓進行平滑，并將平滑后的電壓提供給逆變器；mcu將電壓vo與設(shè)定值vdc相比較，根據(jù)二者的差值調(diào)節(jié)g11、g12的占空比，從而使得vo＝vdc。

本發(fā)明的有益效果是：采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速可以快速跟隨給定，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度；dc/dc變換單元結(jié)構(gòu)簡單，成本低；通過采用分數(shù)階pid使得系統(tǒng)具有了更大的調(diào)節(jié)范圍，獲得了比傳統(tǒng)pid更好的控制品質(zhì)及更強的魯棒性；電流環(huán)中加入了限幅與閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，保證了電機平穩(wěn)運行，避免電機出現(xiàn)過調(diào)制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為dc/dc變換單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為分數(shù)階pid的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為分數(shù)階pid整定流程圖；

圖6為電流調(diào)節(jié)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明控制結(jié)果比較圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明，使本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。

首先結(jié)合附圖1對本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做說明。本發(fā)明提供了一種電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：dc/dc變換單元、逆變器、永磁電機、mcu(主控單元)，以及位置檢測電路、電流檢測電路等。dc/dc變換單元與電池相連，dc/dc變換單元的輸出端連接逆變器，逆變器與永磁電機相連，通過永磁電機驅(qū)動車輛運行。通過電壓傳感器分別檢測dc/dc變換單元的輸入電壓vin和輸出電壓vo，通過電流傳感器檢測逆變器的輸出電壓ia、ib，通過霍爾元件檢測永磁電機的實際轉(zhuǎn)速ωm和轉(zhuǎn)子位置，這些檢測信號被送入mcu，mcu根據(jù)這些檢測信號分別向dc/dc變換單元和逆變器輸出驅(qū)動信號g1、g2，從而調(diào)節(jié)dc/dc變換單元和逆變器的輸出。

整個系統(tǒng)由一塊mcu處理器控制運行，各個部分協(xié)調(diào)運行，人機交換部分可采用lcd和按鍵實現(xiàn)(圖中未示出)。mcu控制逆變器中igbt的導(dǎo)通頻率，從而實現(xiàn)永磁同步電機線圈磁場順序變化驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；霍爾位置檢測電路檢測不導(dǎo)通線圈反電動勢的零點變化判斷電機轉(zhuǎn)子的磁極位置，控制電機按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運行；電流檢測電路通過實時檢測電機線圈的相電流，并與mcu處理器中電機理論模型進行比較，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，以及實現(xiàn)電機的過壓、過流保護。

下面對本發(fā)明中驅(qū)動系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)做詳細介紹，請參閱圖2。驅(qū)動系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，它包括cark變換模塊、park變換模塊、轉(zhuǎn)子位置傳感器、分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、park逆變換模塊、脈沖寬度調(diào)制模塊和逆變器。

其中，轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸入端連接永磁同步電機的轉(zhuǎn)子參數(shù)輸出端，轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置輸出端連接park變換模塊的轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)輸入端；轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子角速度數(shù)據(jù)輸出端連接第一比較器的反向輸入端，第一比較器的正向輸入端與轉(zhuǎn)速給定信號相連，轉(zhuǎn)速給定信號可以由油門踏板給出。第一比較器的輸出端與分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器的輸入端連接。分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器的輸出端連接第二比較器的正向輸入端，第二比較器的反向輸入端與park變換模塊的q軸電流輸出端相連。本發(fā)明中采用d軸電流恒零控制，即d軸電流給定值恒為零，這一給定值與第三比較器的正向輸入端相連，第三比較器的反向輸入端與park變換模塊的d軸電流輸出端相連。第二比較器和第三比較器的輸出端與電流調(diào)節(jié)器相連，電流調(diào)節(jié)器的輸出端通過park逆變換模塊與脈沖寬度調(diào)制模塊相連，脈沖寬度調(diào)制模塊輸出調(diào)制信號至逆變器，逆變器接收dc/dc變換單元的輸出電壓vo，根據(jù)調(diào)制信號打開/關(guān)閉逆變器中的igbt，從而輸出可變頻率的電壓信號至永磁電機。

通過轉(zhuǎn)子位置傳感器采集永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置θ、實際轉(zhuǎn)速ωm，通過電流傳感器采集逆變器輸出的其中兩相ia、ib，ia、ib經(jīng)過clark變換和park變換，得到永磁同步電機在dq軸坐標(biāo)系下的等效電流id和iq。第一比較器將轉(zhuǎn)速給定值與實際轉(zhuǎn)速ωm進行比較，偏差信號經(jīng)過分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，分數(shù)階pid調(diào)節(jié)器的輸出值作為q軸的電流給定值d軸電流給定值

第二比較器對iq與進行比較，第三比較器對id與進行比較，第二比較器和第三比較器的比較結(jié)果送入電流調(diào)節(jié)器，通過電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到dq軸坐標(biāo)系下的q軸電壓給定值和d軸電壓給定值park逆變換模塊對和進行park逆變換后，依次輸出給脈沖寬度調(diào)制模塊和逆變器，從而得到永磁同步電機的三相輸入電壓，驅(qū)動永磁同步電機運行。

其中，clark變換、park變換、park逆變換分別通過下式(1)、(2)、(3)實現(xiàn)。

式中，iα和iβ均為兩相靜止坐標(biāo)系(簡稱αβ坐標(biāo)系)下的等效電流，ia、ib和ic為永磁同步電機的三相電流，id和iq為永磁同步電機在dq軸坐標(biāo)系下的等效電流，θ為永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置。

圖3為本發(fā)明中dc/dc變換單元的結(jié)構(gòu)示意圖，dc/dc變換單元包括電感l(wèi)、串聯(lián)連接的晶體管q1與q2，晶體管q1與q2分別反并聯(lián)有二極管d1與d2。電感l(wèi)一端經(jīng)由開關(guān)sr1連接到電池的正極，另一端連接到晶體管q1與晶體管q2之間的中間點。電容c1的一端連接于開關(guān)sr1與電感l(wèi)之間，另一端接電池負極，電容器c1對電池電壓進行平滑。晶體管q1與q2串聯(lián)后與電容c2并聯(lián)，電容c2作為dc/dc變換單元的輸出電容，逆變器連接于電容c2的兩端。電壓傳感器v1檢測電池的電壓vin，并將檢測得到的電壓vin提供給mcu。mcu控制開關(guān)sr1的開/閉。mcu以pwm的方式分別向晶體管q1與q2提供觸發(fā)信號g11、g12。電壓傳感器v2檢測dc/dc變換單元的輸出電壓vo，并將檢測得到的電壓vo提供給mcu。dc/dc變換單元來自電容器c1的電壓進行升壓，并將升壓后的電壓提供給電容器c2。電容器c2對輸出電壓進行平滑，并將平滑后的電壓提供給逆變器。mcu將電壓vo與設(shè)定值vdc相比較，根據(jù)二者的差值調(diào)節(jié)g11、g12的占空比，從而使得vo＝vdc。

與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器不同，在本發(fā)明中，對于外環(huán)的速度調(diào)節(jié)采用分數(shù)階pid，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。與整數(shù)階pid控制器相似，分數(shù)階pid控制器的微分方程為:

其中，為caputo定義；λ＞0、μ＞0為任意實數(shù)，是分數(shù)階控制器的階次。

對caputo定義的分數(shù)階微積分求拉普拉斯變換，可得:

由此得到的分數(shù)階pid控制器的傳遞函數(shù)：

分數(shù)階pid控制器包括一個積分階次λ和微分階次μ，其中λ和μ可以是任意實數(shù)。整數(shù)階pid控制器是分數(shù)階pid控制器在λ＝1和μ＝1時的特殊情況，當(dāng)λ＝1、μ＝0時即為pi控制器，λ＝0、μ＝1時為pd控制器。分數(shù)階pid控制器多了兩個可調(diào)參數(shù)λ和μ，通過合理地選擇參數(shù)就能夠提高系統(tǒng)的控制效果。

參閱圖5，設(shè)系統(tǒng)理想的閉環(huán)參考模型為：λ、μ、kp、ki，kd通過如下方式確定：

s110：根據(jù)系統(tǒng)的控制性能要求選取理想閉環(huán)參考模型的截止頻率ωc和階次α；系統(tǒng)的控制性能要求為時域指標(biāo)，時域指標(biāo)可以是超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間或峰值時間；該理想閉環(huán)參考模型h(s)使得系統(tǒng)具有對增益變化不敏感的期望特性，當(dāng)增益變化時只是引起截止頻率ωc的變化，系統(tǒng)對增益變化具有強魯棒性，系統(tǒng)的超調(diào)大小只與α有關(guān)，而與增益無關(guān)。

s120：由h(s)及gc(s)，計算控制對象模型

其中λ、μ取小數(shù)。若λ＝α，則有

s130：獲取未知實際被控對象gp(s)的頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)，假設(shè)與gp(s)在ω＝0和ω＝ωx處的頻率響應(yīng)相同，則ωx可以選取為原系統(tǒng)的gp(s)相位裕量的穿越頻率|gp(jωx)|＝1，先選取λ＝α，在ω＝0處有意義(此時，對象能夠保持良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，與一般實際系統(tǒng)的情況是一致的)，有然后根據(jù)有kp、kd在ω＝ωx處與μ的函數(shù)關(guān)系為：

其中，

s140：通過尋優(yōu)辨識出未知對象的理想形式中的參數(shù)，使在截止頻率范圍內(nèi)最大限度地接近實際對象gp(s)的頻域響應(yīng)指標(biāo)；建立頻域響應(yīng)誤差指標(biāo)并在0＜μ＜2范圍內(nèi)對誤差指標(biāo)優(yōu)化最終得到分數(shù)階控制器的參數(shù)。

本發(fā)明根據(jù)系統(tǒng)的時域響應(yīng)指標(biāo)初步確定ωc、α、λ的值，通過逼近實際對象模型和理想對象模型的頻率響應(yīng)特性曲線，尋優(yōu)得到分數(shù)階pid的微分項階次，計算得到kd，ki，kp的值，可以得到逼近理想?yún)⒖寄Ｐ偷姆謹?shù)階pid控制器。

電流調(diào)節(jié)器用于計算q軸電壓給定值和d軸電壓給定值電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，第二比較器與第三比較器輸出的偏差信號分別送入d軸pi調(diào)節(jié)器與q軸pi調(diào)節(jié)器，d軸pi調(diào)節(jié)器的輸出電壓為ud，q軸pi調(diào)節(jié)器的輸出電壓為uq，ud、uq、vo送入電壓極限環(huán)，得到和同時，通過第四比較器對uq與進行比較，得到偏差△uq，△uq經(jīng)比例模塊1/kqp被送入q軸pi調(diào)節(jié)器中的積分模塊，這樣對△uq進行pi調(diào)節(jié)，使得通過第五比較模塊對ud與進行比較，得到偏差△ud，△ud經(jīng)比例模塊1/kdp被送入d軸pi調(diào)節(jié)器中的積分模塊,這樣對△ud進行pi調(diào)節(jié)，使得

為了保證電機平穩(wěn)運行，避免電機出現(xiàn)過調(diào)制模式，需要電壓極限環(huán)限制電機電壓udq小于母線電壓。即ud、uq需滿足下式條件。

若所述條件不成立，dq軸電壓ud、uq需根據(jù)母線電壓幅值vo，進行等比例限幅，如式(17)所示：

park逆變換模塊用于將和轉(zhuǎn)換為α軸電壓uα、β軸電壓uβ，并發(fā)送至脈寬調(diào)制模塊；脈寬調(diào)制模塊為空間矢量脈寬調(diào)制，用于根據(jù)αβ軸電壓、母線電壓計算得到電壓脈沖，并發(fā)送至逆變器。

這樣通過控制d軸電流與q軸電流來控制逆變器輸出功率，根據(jù)電機實際所需的定子電流幅值，通過與q軸電流做矢量差，得到實際所需的q軸電流，簡化了q軸電流的控制結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)的前提下，增強系統(tǒng)的魯棒性；根據(jù)母線電壓幅值，限制電機實際定子電壓大小，避免電機進入過調(diào)制運行，增強了系統(tǒng)的可靠性；通過電壓誤差調(diào)節(jié)，將得到的電流誤差值反饋至電流環(huán)積分環(huán)節(jié)，有效增加了電流環(huán)調(diào)節(jié)的快速性。

將本發(fā)明的雙閉環(huán)+分數(shù)階pid+電流限幅環(huán)的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單比環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行對比，圖7為控制結(jié)果的對比圖，圖中曲線a為給定的階躍信號，曲線b為本發(fā)明驅(qū)動系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線，曲線c為傳統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。通過對比可以看出，本發(fā)明的驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)平滑、快速，沒有超調(diào)、振蕩的現(xiàn)象，大大改善了系統(tǒng)驅(qū)動效果。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于本申請的方法實施例而言，由于其與裝置實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見裝置實施例的部分說明即可。

在以上的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是以上描述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。