基于自适应增益精确无源控制的IM-DC电机系统在纯电动汽车中的应用研究

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：Adaptive gain changer for precise passivity theory controlled IM-DC motor system for FEV application

本文推荐研究人员针对电动汽车驱动系统对高瞬时功率、高功率密度和快速转矩响应的需求，开展了基于精确跟踪误差动态无源输出反馈(ETEDPOF)控制的感应电机-直流电机耦合系统研究。通过设计自适应增益调节器和升压变换器拓扑，实现了0.2秒快速速度跟踪和转矩脉动抑制，为纯电动汽车(FEV)驱动系统提供了新型控制解决方案。

　　

随着全球温室气体排放问题日益严峻，节能减排已成为当今世界关注的焦点。传统燃油车作为交通运输领域的主要排放源，其带来的环境压力促使人们将目光转向更环保的电动汽车技术。在电动汽车发展过程中，电池技术的进步为推广环保车辆提供了可能，目前电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)已在市场上占据一席之地。然而，电动汽车驱动系统仍面临诸多挑战，包括高瞬时功率需求、高功率密度要求和快速转矩响应能力等关键问题。

电动汽车驱动系统的性能主要取决于电池容量利用率、电机尺寸和重量等因素。在众多电机类型中，三相感应电机(IM)因其结构坚固、耐用且运行特性稳定而备受青睐。但感应电机存在非线性动态特性，其转子磁通和电流易发生较大偏差，使得控制变得复杂。传统控制方法如滑模控制(SMC)需要调整五个增益参数，控制复杂度较高，且存在效率低、损耗大等问题。

为解决这些问题，研究人员将目光投向了基于无源理论的控制(PBC)方法。这种能量基控制技术通过处理系统总能量，能够有效提高系统能效。其中，精确跟踪误差动态无源输出反馈(ETEDPOF)控制方法因其满足指数稳定性准则且无需控制器状态计算，成为理想选择。

本研究提出了一种用于纯电动汽车(FEV)应用的自适应增益精确无源控制方法，通过升压变换器和逆变器供电的感应电机-直流电机耦合系统实现精确控制。系统采用升压变换器提供高输出电压，同时利用MOSFET低工作电压和低工作占空比降低开关损耗。特别设计的反馈回路实现增益优化，有效进行动态误差检测，从而减少控制器的瞬态稳定时间。

研究人员采用的主要技术方法包括：基于ETEDPOF的感应电机控制律设计、升压变换器建模与优化、FPGA硬件实现平台搭建以及动态性能测试验证。通过建立系统的广义哈密顿形式能量管理结构，利用欧拉-拉格朗日方程和哈密顿算子实现期望轨迹跟踪，同时采用常数阻尼因子调节系统耗散能量。

系统建模与控制设计方面，研究人员首先建立了感应电机的数学模型，包括 stator voltage(V_s)、current(i_s)和flux linkage vectors(Ψ_s)等关键参数。通过直角坐标表示法将状态变量分解为i_d和i_q分量，并推导出相应的电磁力方程。系统状态空间模型被分解为J（能量存储矩阵）、R（能量耗散矩阵）和M矩阵，通过验证J矩阵的斜对称性和R矩阵的对称性，确保系统满足稳定性准则。

控制律生成过程采用ETEDPOF方法，得到仅与感应电机定子电流相关的线性控制律：V_s= γ[R_σi_s^*+ V_{b + Ri(is^*- is)]。该控制律不含积分或微分项，结构简单，能够使定子电流的期望轨迹快速收敛到实际值。}

增益优化设计通过系统误差动态轨迹分析实现。研究人员建立动态误差方程?(t) = (J-R)[?H(e)/?e]^T，通过迫使系统动态为零，得到时变增益系数。优化后的增益参数g₁= R_σ= ω_rL_de_d和g₂= R_s= -ω_rL_qe_q被发现与速度、自感和电机内部产生的电磁力相关，实现了在线自适应增益调节。

升压变换器系统采用ETEDPOF方法进行建模，推导出控制律U = U^*- γ(iv^*- vi^*)。通过将系统动态设为零，得到参考值U^*= V^*/(1-D)、v^*= k_vω^*和i^*= i_a/(1-D)，其中电压参考值v^*根据预期速度计算所需电压。

软件仿真结果验证了系统的优越性能。在MATLAB/Simulink环境中，系统对速度和负载转矩的阶跃变化表现出良好的跟踪特性。速度跟踪响应显示，控制器在0.2秒内快速跟踪期望速度轨迹，初始浪涌电流在0.5秒内被抑制。定子电流随负载转矩变化仅产生2A的波动，电磁转矩与速度成正比，逆变器输入电压脉冲记录为600V。

与滑模控制器(SMC)的对比研究表明，ETEDPOF控制策略在变速和变负载转矩条件下具有更优越的性能。系统在3000rpm参考速度下0.2秒内稳定无初始上升，低速跟踪同样表现出色。当负载转矩变化时，两种控制器的速度响应显示ETEDPOF具有更快的稳定特性。

硬件实现方面，研究人员构建了基于FPGA Spartan 6驱动器的实验平台。系统包含谐波抑制电路、输入整流器、零交叉检测器等关键部件。实验结果显示，电网电流为1.9A，速度参考跟踪在1.2秒内完成，即使在不同路况下也表现出良好的控制效率。当速度从1000rpm变化到1500rpm，转矩在0.8Nm、1.2Nm和1.5Nm之间变化时，系统仅在4.3秒处出现轻微波动，定子电流最大值为2.5A，随后在负载转矩释放时减小。

在线增益检测器的硬件实现进一步提升了系统性能。增益优化电路在0.05秒内完成在线条件优化，波形显示控制器根据提出的增益优化电路准确检测期望峰值。这显著提高了系统稳定性，使决策时间少于0.1秒，硬件初始过冲为0V。

稳定性分析通过广义哈密顿形式的能量管理结构进行。误差动态的能量管理结构表明，当耗散匹配条件满足时，闭环系统具有半全局渐近稳定平衡点。哈密顿误差函数H(e) = 1/2e^TMe的导数为?(e) = -?H(e)/?e R? [?H(e)/?e]^T，其中R? = R + [b + ?J(u)/?u [?H(e)/?e]^T]·γ[b + ?J(u)/?u [?H(e)/?e]^T]^T。由于γ为正阻尼因子，R?为正定矩阵，?(e)负半定，保证了误差空间原点附近的平衡点渐近稳定。

研究结论表明，基于无源理论的ETEDPOF控制方法为电动汽车驱动系统提供了一种有效的解决方案。控制器在1500rpm感应电机速度下实现0.2秒最小和1.2秒最大跟踪时间，电流传输平滑，纹波仅为0.2A，负载转矩变化引起的电压过冲仅10V且持续0.2秒。在线增益优化在0.05秒内完成，显著提升了系统动态性能。

该研究的重要意义在于为电动汽车驱动系统提供了一种新型控制策略，通过减少转矩脉动和提高系统稳定性，解决了传统控制方法复杂度高、响应慢的问题。基于哈密顿算子的系统状态空间实现指数稳定性，矩阵分解使系统达到0.2秒的期望轨迹稳定时间，为电动汽车感应电机控制的实际应用提供了理论依据和技术支持。

研究的局限性在于仍需使用速度传感器，未来工作可扩展到无传感器控制方案，并探索新型变换器拓扑的应用。该方法在纯电动汽车驱动领域具有广阔的应用前景，特别是在多轮独立驱动系统中，单个控制器的成功实现为四轮电动汽车的全面应用奠定了基础。