基于预测控制的纯电动汽车驱动系统高性能控制方法与应用

Pure electric vehicle is the inevitable trend of the development of new energy vehicle. As the heart of the pure electric vehicle, the electric drive system is a kind of complicated nonlinear system, and its optimization and control is crucial and challenging for improving the dynamic performance, the ride comfort and the economy. It is very urgent to seek new theories and methods to resolve it. Therefore, in order to improve the dynamic and static performance and the efficiency of the drive system, this project intends to study the high performance speed and torque control strategy and the key technologies of the electric drive system, which includes the harmonic suppression and the field-weakening control. Firstly, the speed and torque control strategy for the drive system in the full speed range based on nonlinear predictive control will be studied. Then, in order to improve the robustness and steady-state performance for the conventional disturbance and the harmonic disturbance, a novel disturbance observer method will be studied for the drive system. Next, considering the iron losses, the field-weakening optimal control based on gradient method will be studied to improve the efficiency of the drive system. In the end, the test platform will be constructed to verify the validity of the proposed method in the condition of the electric vehicle. The study in this paper not only provides theoretical significance and academic value for the development of motor control, but also it has a certain practical significance to improve the performance of electric drive system, and to achieve the industrialization and the high performance of electric vehicles as soon as possible.

纯电动汽车是新能源汽车发展的必然趋势。作为纯电动汽车心脏的电驱动系统是一类异常复杂的非线性系统，其优化与控制对提高整车的动力性、舒适性和经济性至关重要，且极具挑战性，迫切需要新的理论和方法予以突破。为此，本课题以提高驱动系统的动静态性能、效率等为目标，拟研究其高性能控制策略及谐波抑制、弱磁优化控制等关键技术。首先，基于非线性预测控制理论研究电动汽车驱动系统全速度范围的转速转矩控制策略；进而，基于新型扰动观测器理论研究扰动补偿方法，以提高驱动系统在常规扰动和电流谐波等多重扰动下的鲁棒性和稳态性能；然后，研究基于梯度法并考虑铁耗的电机弱磁优化控制方法，以提升驱动系统效率；最后搭建驱动系统试验平台，验证所提方法在电动汽车工况下的有效性。本课题的研究不仅有望对电机控制方法提供新的途径，而且对提高电动汽车驱动系统性能，实现电动汽车更快更好的发展具有一定的现实意义。

面对全球能源危机和环境问题的不断加剧，节能环保已成为当今汽车工业发展的主题，研发清洁、高效、安全的新能源汽车是二十一世纪汽车发展的重要方向。随着电池技术的不断发展，纯电动汽车因具有零污染、噪声低等优点已成为新能源汽车发展的必然趋势。作为纯电动汽车心脏的电驱动系统是一类异常复杂的非线性系统，其优化与控制对提高整车的动力性、舒适性和经济性至关重要，且极具挑战性，迫切需要新的理论和方法予以突破。按照研究计划，本项目以提高驱动系统的动态性能、抗扰性、稳态性等为目标，研究了电驱动用永磁同步电机高性能控制策略、扰动抑制方法、转矩脉动抑制技术等。首先，基于非线性预测控制和扰动观测器，提出了一种电驱动用永磁同步电机转速-电流单环控制策略，该方法采用非级联控制结构，提高了电机响应速度、减小了转速超调，且对系统参数变化、外部扰动等具有较好的鲁棒性。其次，提出了一种新型扰动观测方法，并结合滑模控制，设计了永磁同步电机转速控制器，该方法不仅对外部扰动具有较好的抑制性能，而且能有效抑制谐波干扰，提高电流跟踪精度，减小转矩脉动。然后，为了实现电机驱动系统的电流跟踪，提出了一种基于无差拍预测控制和等效干扰输入的电流控制策略，实现了电流的快速控制，且具有较好的抗扰动性能。最后，搭建了永磁同步电机控制系统实验平台，验证了所提新型控制方法的有效性。此外，课题组还在原有研究计划基础上，提出了基于无模型离散积分滑模控制的永磁同步电机转速控制新方法。本课题的研究不仅对永磁同步电机驱动技术提供了新方法，而且对提高电动汽车驱动系统的控制性能具有重要意义。此外，本课题的研究对相关学科的理论和应用研究具有一定的促进作用。