本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)今新能源汽車以其節(jié)能減排的特點(diǎn)廣受社會(huì)各界關(guān)注，得到各國(guó)乃至各大汽車廠商的大力開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。尤其是輪轂電驅(qū)動(dòng)汽車，因采用輪轂電機(jī)技術(shù)尤其是四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得整車四輪驅(qū)動(dòng)力獨(dú)立可控，整車動(dòng)力操縱更為靈活、方便，可有效提高電動(dòng)汽車在惡劣環(huán)境下的行駛性能，正逐步成為未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ募冸妱?dòng)汽車類型。作為電動(dòng)汽車輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要選擇，永磁同步電機(jī)因其具有體積小，質(zhì)量輕，運(yùn)行可靠，大轉(zhuǎn)矩輸出，調(diào)速范圍寬，高功率密度和高效率等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高性能電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。

輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源在滿足電動(dòng)汽車的行駛動(dòng)力性需求的同時(shí)，還要滿足行駛過(guò)程中的舒適性、環(huán)境適應(yīng)性和一次充電可以行駛的續(xù)駛里程的性能。因此，作為輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的永磁同步電機(jī)控制技術(shù)不僅需要滿足駕駛員的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)需求，也要通過(guò)減少電機(jī)損耗提高驅(qū)動(dòng)能效的控制需求，這是一個(gè)多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，由此同普通工業(yè)用電機(jī)相比控制要求更為嚴(yán)格、復(fù)雜，這也是輪轂電驅(qū)動(dòng)汽車發(fā)展的核心問(wèn)題之一。

目前，針對(duì)永磁同步電機(jī)的控制方法主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，近些年來(lái)由于微處理器的快速發(fā)展，數(shù)字控制器的計(jì)算能力有了大大的提升，使得一些高級(jí)控制算法，尤其是模型預(yù)測(cè)控制算法得以在電機(jī)控制當(dāng)中實(shí)現(xiàn)。許多專家在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方面進(jìn)行了許多努力，針對(duì)于預(yù)測(cè)控制的實(shí)施也提出了一些相對(duì)成型的方法，如專利CN201310740488、CN201610197283、CN201610533077、CN201510676715等，但在已公開(kāi)的專利方法中仍存在一些有待解決的問(wèn)題：(1)使電機(jī)在滿足驅(qū)/制動(dòng)動(dòng)力需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)和逆變器的損耗提高整體能效的多目標(biāo)控制需求；(2)有效處理已存在的物理約束，如電流限幅；(3)在求解過(guò)程中制定篩選原則減少候選解的計(jì)算，降低迭代次數(shù)，減少計(jì)算負(fù)擔(dān)，以提高算法計(jì)算效率。

因此，研究可有效滿足駕駛員動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的多控制需求，處理已存在的約束限制，提高自主調(diào)節(jié)能力，響應(yīng)速度快的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略,對(duì)輪轂電驅(qū)動(dòng)汽車電控技術(shù)發(fā)展而言意義十分重大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一中基于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求估算和預(yù)測(cè)控制，以解決駕駛員驅(qū)/制動(dòng)和提高能效多控制需求的折中優(yōu)化和建立優(yōu)化問(wèn)題求解篩選原則提高計(jì)算效率問(wèn)題的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法。

本發(fā)明的電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制流程是：

步驟1）先將轉(zhuǎn)矩參考值根據(jù)電機(jī)方程轉(zhuǎn)化為電機(jī)定子矢量電流參考值；

步驟2）建立三相逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出的矢量電壓之間的關(guān)系式；

步驟3）將采集的當(dāng)前電機(jī)三相電流值進(jìn)行clark和park變換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下d-q軸電流，并根據(jù)候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的矢量電壓和永磁同步電機(jī)電流動(dòng)態(tài)方程估算下一個(gè)時(shí)域的電流值；

步驟4）通過(guò)優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)和約束限制，以及篩選原則比較得到最優(yōu)的開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)，作用逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

本發(fā)明的步驟是：

步驟1）：先將單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考值根據(jù)電機(jī)方程轉(zhuǎn)化為永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的定子d-q軸矢量電流的參考值：

（5）

式中，和分別表示電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的d軸和q軸電流，單位A，其中表示參考值；

步驟2）：建立三相逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的d-q軸輸出矢量電壓之間的關(guān)系式：

首先定義a、b、c三個(gè)橋的輸出電壓分別為、、，單位V，計(jì)算如下：

（6）

式中，表示母線直流電壓，單位V；、、分別表示三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)，僅有0和1兩個(gè)狀態(tài)，無(wú)量綱單位；三相橋式電路每個(gè)橋之間存在一個(gè)正交向量的相位移，即，由此定義輸出電壓矢量為三相電壓的矢量和：

（7）

將帶入(7)，然后將輸出電壓矢量表示為軸上的矩陣形式：

（8）

再經(jīng)過(guò)Park變換，軸上的矢量電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的定子d-q軸的矢量電壓，即：

（9）

式中表示永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角位移，單位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)和定子d-q軸矢量電壓之間的關(guān)系式：

(10)

步驟3）：下一個(gè)時(shí)刻的電流值估算過(guò)程：

首先，采集到當(dāng)前電機(jī)的a、b、c三相電流值、、，單位A，同樣根據(jù)clark和park變換，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下定子d-q軸的矢量電流，作為預(yù)測(cè)控制的初始狀態(tài)值，即：

（11）

然后，根據(jù)Kirchoff電壓定律和電感特性，建立永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的定子d-q軸電流方程，即：

（12）

式中，表示電樞電阻，單位；和分別表示d-q軸電感，單位H；表示極對(duì)數(shù)，無(wú)量綱；表示永磁鐵磁通量，單位Wb；

然后，將公式(10)帶入(12)中，整理得到控制輸入為開(kāi)關(guān)狀態(tài)好狀態(tài)量為d-q矢量電流的動(dòng)態(tài)方程：

（13）

定義變量，則公式(13)可轉(zhuǎn)換為；

采用梯形積分法離散化動(dòng)態(tài)方程(13)，計(jì)算公式：

（14）

式中，表示估算的下一時(shí)刻d-q軸電流矢量值，表示中間計(jì)算量，表示系統(tǒng)采樣周期，單位s；為0-1之間的調(diào)節(jié)因子，無(wú)量綱；

步驟4）：最優(yōu)的開(kāi)關(guān)組合：制定電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制器的目標(biāo)函數(shù)，如下：

（15）

式中，表示加權(quán)系數(shù)，單位分別為和；表示當(dāng)前最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，單位無(wú)量綱；分別表示轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差最小和能耗最低兩個(gè)子目標(biāo)，單位無(wú)量綱。

本發(fā)明單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考值的獲得：

根據(jù)永磁同步電機(jī)的機(jī)械外特性曲線，估算出當(dāng)前狀態(tài)車輛所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩：

（1）

（2）

式中，和分別表示整車所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單位Nm；和分別表示駕駛員的加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度(0-1)，無(wú)量綱；表示電機(jī)輸出軸和車輪力矩軸之間的傳動(dòng)比，一般大于1，無(wú)量綱；表示實(shí)時(shí)的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，單位rad/s；表示實(shí)時(shí)的電機(jī)最大軸輸出轉(zhuǎn)矩，單位Nm，是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由轉(zhuǎn)速和外特性決定；

實(shí)時(shí)的電機(jī)最大軸輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下：

（3）

式中為最大功率，為最大輸出轉(zhuǎn)矩；

計(jì)算得到單個(gè)輪轂電機(jī)期望轉(zhuǎn)矩值，如下：

（4）。

本發(fā)明最小轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差和最低能耗：

①在中，估算得到單個(gè)電機(jī)的驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩期望值如公式(4)，并轉(zhuǎn)化為電機(jī)電流的參考值如公式(5)，通過(guò)控制永磁同步電機(jī)的d-q軸的下一時(shí)刻預(yù)測(cè)電流跟蹤電流參考值誤差最小，實(shí)現(xiàn)良好的車輛縱向加速和制動(dòng)性能性能；

②在中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗包括電機(jī)自身的銅損和逆變器開(kāi)關(guān)損耗，電機(jī)自身銅損和通電電流有關(guān)，即：

（16）

式中，表示 時(shí)間間隔內(nèi)銅損能耗能量，單位J；

逆變器開(kāi)關(guān)損耗包括三相橋臂上6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗，定義下角標(biāo)表示a、b、c逆變器三個(gè)橋臂，則第相IGBT在單個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的損耗能量，單位J，計(jì)算如下：

（17）

式中，分別表示在時(shí)間間隔內(nèi)逆變器單個(gè)橋臂上IGBT開(kāi)關(guān)的名義工況下導(dǎo)通、閉合和關(guān)斷損耗能量，單位J；分別表示IGBT開(kāi)關(guān)名義工況下的電流和電壓值，單位分別為A和V；，無(wú)量綱，單位J；表示逆變器第橋臂當(dāng)前開(kāi)關(guān)的狀態(tài)改變，如果當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)為，上一時(shí)刻開(kāi)關(guān)狀態(tài)為，則；

逆變器的三相橋臂總計(jì)能量損耗，單位J：

（18）

式中，開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化矢量

，維度3*1，無(wú)量綱；表示abc矢量電流的下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，單位A，由下式計(jì)算得到：

（19）

式中，和可由公式(11)、(13)和(14)計(jì)算得到；

③兩步篩選原則：在計(jì)算目標(biāo)函數(shù)前篩選掉不符合電機(jī)運(yùn)行條件的候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)，兩步篩選原則：

A、實(shí)行最小開(kāi)關(guān)損耗原則，每時(shí)域的候選解由8個(gè)降低為4個(gè)，可將其描述為；

B、約束 ，為永磁同步電機(jī)d-q軸電流限幅約束，將預(yù)測(cè)值超出邊界范圍開(kāi)關(guān)狀態(tài)候選解篩選掉。

本發(fā)明有益效果是：

1. 本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)矩控制方法，采集駕駛員踏板信息和車輪轉(zhuǎn)速信息的根據(jù)永磁同步電機(jī)的機(jī)械外特性曲線計(jì)算車輛所需驅(qū)動(dòng)力矩值，有效解釋了駕駛員的驅(qū)/制動(dòng)的動(dòng)力需求，為后續(xù)電機(jī)控制提供參考，提高了系統(tǒng)可靠性。

2. 本發(fā)明所述的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制方法，采用預(yù)測(cè)控制方法能有效處理這個(gè)多目標(biāo)復(fù)雜優(yōu)化控制問(wèn)題，并且顯性處理電流限幅約束，有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)不同的需求。

3. 本發(fā)明所述的篩選原則方法，減少了迭代次數(shù)，提高了整體方法的計(jì)算性能，同時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，易于組合實(shí)現(xiàn)和方法升級(jí)。

附圖說(shuō)明

圖1是是實(shí)施本發(fā)明所述的輪轂電驅(qū)動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施本發(fā)明所述的兩級(jí)三相全橋逆變器及永磁同步電機(jī)連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖3是實(shí)施本發(fā)明所述的基于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求估算和預(yù)測(cè)控制的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖；

圖4是實(shí)施本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程的總體流程圖;

圖5是實(shí)施本發(fā)明所述的模型預(yù)測(cè)控制基本原理圖；

圖6是實(shí)施本發(fā)明所述的三相逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明依托平臺(tái)為輪轂電驅(qū)動(dòng)汽車，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要包括四個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)1、2、3、4（電機(jī)通過(guò)傳感器測(cè)量得到電流信息和輪速信息），四個(gè)與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器5、6、7、8，一個(gè)整車控制器10，以及為整車控制器10和永磁同步電機(jī)控制器5、6、7、8 之間提供通訊的CAN網(wǎng)絡(luò)11，還有電池組9為四個(gè)電機(jī)提供電源。整車控制器10 的作用就是根據(jù)駕駛員實(shí)時(shí)驅(qū)/制動(dòng)命令和電機(jī)控制器5、6、7、8 提供的相應(yīng)的四個(gè)輪的轉(zhuǎn)速信息，通過(guò)計(jì)算得到整車驅(qū)/制動(dòng)需求轉(zhuǎn)矩，并作為四個(gè)電機(jī)的參考命令。電機(jī)控制器5、6、7、8 的主要功能是采集轉(zhuǎn)速信息反饋給整車控制器，根據(jù)整車控制器10提供的轉(zhuǎn)矩命令，控制逆變器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輪轂電機(jī)1、2、3、4 的轉(zhuǎn)矩快速穩(wěn)定的跟蹤控制。本發(fā)明中永磁同步電機(jī)與兩級(jí)三相全橋逆變器連接結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中兩級(jí)三相全橋逆變器由6個(gè)Q1-Q6表示的IGBT和續(xù)流二極管開(kāi)關(guān)組合構(gòu)成。

本發(fā)明的基于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求估算和預(yù)測(cè)控制的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要由整車轉(zhuǎn)矩需求計(jì)算模塊、永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制模塊組成。總體方法流程如圖4所示。首先，整車轉(zhuǎn)矩需求估算模塊，采集駕駛員加速-制動(dòng)踏板信息和車輪轉(zhuǎn)速信息，根據(jù)永磁同步電機(jī)的機(jī)械外特性曲線，估算出當(dāng)前狀態(tài)車輛所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩。然后，在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制模塊，

步驟1）先將轉(zhuǎn)矩參考值根據(jù)電機(jī)方程轉(zhuǎn)化為電機(jī)定子矢量電流參考值；

步驟2）建立三相逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出的矢量電壓之間的關(guān)系式；

步驟3）將采集的當(dāng)前電機(jī)三相電流值進(jìn)行clark和park變換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下d-q軸電流，并根據(jù)候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的矢量電壓和永磁同步電機(jī)電流動(dòng)態(tài)方程估算下一個(gè)時(shí)域的電流值；

步驟4）通過(guò)優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)（電流跟蹤誤差最小和電機(jī)-逆變器損耗最?。┖秃Y選原則比較得到最優(yōu)的開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)，作用逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。以上完成了駕駛員-整車控制器-電機(jī)控制器-逆變器-電機(jī)-整車-控制器的閉環(huán)控制。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制模塊

模型預(yù)測(cè)控制為多步預(yù)測(cè)，基本思想可以描述為在線求解一個(gè)有限時(shí)域內(nèi)的開(kāi)環(huán)最優(yōu)控制問(wèn)題，同時(shí)保證系統(tǒng)滿足目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)及輸入約束等。預(yù)測(cè)控制可以簡(jiǎn)單概括為三步：根據(jù)獲得的當(dāng)前量測(cè)信息和預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)動(dòng)態(tài)；保證目標(biāo)函數(shù)和約束條件下在線求解優(yōu)化問(wèn)題；解的第一個(gè)元素作用于系統(tǒng)。模型預(yù)測(cè)控制是在每個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)進(jìn)行的，而預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)動(dòng)態(tài)的起點(diǎn)是當(dāng)前的測(cè)量值，即用每個(gè)采樣時(shí)刻的測(cè)量值作為預(yù)測(cè)的初始條件。模型預(yù)測(cè)控制的基本原理如圖5所示。在當(dāng)前時(shí)刻t，從被控系統(tǒng)獲得測(cè)量值，根據(jù)測(cè)量信息和預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)系統(tǒng)在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的未來(lái)動(dòng)態(tài)行為，優(yōu)化開(kāi)環(huán)性能指標(biāo)函數(shù)(本發(fā)明中目標(biāo)函數(shù)有四個(gè)部分)，尋找出控制時(shí)域內(nèi)最佳的控制輸入序列，使得預(yù)測(cè)的系統(tǒng)輸出與期望的系統(tǒng)輸出越接近越好，即圖 5中的陰影部分面積最小。

本發(fā)明的步驟是：（電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制流程見(jiàn)圖4）

步驟1）：先將單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考值根據(jù)電機(jī)方程轉(zhuǎn)化為永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的定子d-q軸矢量電流的參考值，在永磁同步電機(jī)特性中正比于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，由此可將轉(zhuǎn)矩跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為電流跟蹤控制問(wèn)題，同時(shí)為減少無(wú)功功率和磁阻轉(zhuǎn)矩，需使得盡可能的小接近0：

（5）

式中，和分別表示電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的d軸和q軸電流，單位A，其中表示參考值。

步驟2）：建立三相逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的d-q軸輸出矢量電壓之間的關(guān)系式：

首先定義a、b、c三個(gè)橋的輸出電壓分別為、、，單位V，計(jì)算如下：

（6）

式中，表示母線直流電壓，單位V；、、分別表示三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)，僅有0和1兩個(gè)狀態(tài)，無(wú)量綱單位；三相橋式電路每個(gè)橋之間存在一個(gè)正交向量的相位移，即，由此定義輸出電壓矢量為三相電壓的矢量和：

（7）。

將帶入(7)，然后將輸出電壓矢量表示為軸上的矩陣形式：

（8）。

再經(jīng)過(guò)Park變換，軸上的矢量電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的定子d-q軸的矢量電壓，即：

（9）

式中表示永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角位移，單位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)和定子d-q軸矢量電壓之間的關(guān)系式：

(10)。

步驟3）：將采集的當(dāng)前電機(jī)三相電流值進(jìn)行clark和park變換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下d-q軸電流，并根據(jù)候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的矢量電壓和永磁同步電機(jī)電流動(dòng)態(tài)方程估算下一個(gè)時(shí)刻的電流值。

首先，采集到當(dāng)前電機(jī)的a、b、c三相電流值、、，單位A，同樣根據(jù)clark和park變換，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下定子d-q軸的矢量電流，作為預(yù)測(cè)控制的初始狀態(tài)值，即：

（11）。

然后，根據(jù)Kirchoff電壓定律和電感特性，建立永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的定子d-q軸電流方程，即：

（12）

式中，表示電樞電阻，單位；和分別表示d-q軸電感，單位H；表示極對(duì)數(shù)，無(wú)量綱；表示永磁鐵磁通量，單位Wb。

然后，將公式(10)帶入(12)中，整理得到控制輸入為開(kāi)關(guān)狀態(tài)好狀態(tài)量為d-q矢量電流的動(dòng)態(tài)方程：

（13）。

為便于后續(xù)計(jì)算，定義變量，則公式(13)可轉(zhuǎn)換為；

為提高離散精確性，本發(fā)明采用梯形積分法離散化動(dòng)態(tài)方程(13)，計(jì)算公式：

（14）

式中，表示估算的下一時(shí)刻d-q軸電流矢量值，表示中間計(jì)算量，表示系統(tǒng)采樣周期，單位s；為0-1之間的調(diào)節(jié)因子，無(wú)量綱。

步驟4）：通過(guò)優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)（電流跟蹤誤差最小和電機(jī)-逆變器損耗最?。┖秃Y選原則比較得到最優(yōu)的開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)，作用逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。首先，根據(jù)前面提到的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性需求，制定電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制器的目標(biāo)函數(shù)，如下：

（15）

式中，表示加權(quán)系數(shù)，單位分別為和；表示當(dāng)前最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，單位無(wú)量綱；分別表示轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差最小和能耗最低兩個(gè)子目標(biāo)，單位無(wú)量綱。

本發(fā)明單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考值的獲得：

本發(fā)明最大傳輸力矩估算算法的核心思想是采集駕駛員加速-制動(dòng)踏板信息和車輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信息，根據(jù)永磁同步電機(jī)的機(jī)械外特性曲線，估算出當(dāng)前狀態(tài)車輛所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩，原理如下所示：

（1）

（2）

式中，和分別表示整車所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單位Nm；和分別表示駕駛員的加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度(0-1)，無(wú)量綱；表示電機(jī)輸出軸和車輪力矩軸之間的傳動(dòng)比，一般大于1，無(wú)量綱；表示實(shí)時(shí)的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，單位rad/s；表示實(shí)時(shí)的電機(jī)最大軸輸出轉(zhuǎn)矩，單位Nm，是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由轉(zhuǎn)速和外特性決定；從電機(jī)的外特性可知，當(dāng)電機(jī)低速時(shí)未達(dá)到最大功率限制時(shí)，恒定，等于最大輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)會(huì)沿著外特性曲線以恒轉(zhuǎn)矩加速；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，電機(jī)達(dá)到最大功率點(diǎn)后，會(huì)以恒功率加速，實(shí)時(shí)最大軸輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)逐漸減小。

由此，實(shí)時(shí)的電機(jī)最大軸輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下：

（3）

式中為最大功率，為最大輸出轉(zhuǎn)矩。

由于駕駛員不能同時(shí)操作加速和制動(dòng)，所以和之和為總的駕駛員轉(zhuǎn)矩需求，根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)基于電機(jī)能效凸曲線特性進(jìn)行整車優(yōu)化，可得平均分配前后車輪輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩，會(huì)使整車系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配能耗最小，由此計(jì)算得到單個(gè)輪轂電機(jī)期望轉(zhuǎn)矩值，如下：

（4）。

本發(fā)明最小轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差和最低能耗：

①在中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)首先滿足駕駛員的驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力性需求，保證車輛能夠按照駕駛員的意圖加速減速。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，根據(jù)前面的分析，估算得到單個(gè)電機(jī)的驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩期望值如公式(4)，并轉(zhuǎn)化為電機(jī)電流的參考值如公式(5)，通過(guò)控制永磁同步電機(jī)的d-q軸的下一時(shí)刻預(yù)測(cè)電流跟蹤電流參考值誤差最小，實(shí)現(xiàn)良好的車輛縱向加速和制動(dòng)性能性能；

②在中，在保證車輛動(dòng)力性能的同時(shí)，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗，提高整車能效。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗包括電機(jī)自身的銅損和逆變器開(kāi)關(guān)損耗，電機(jī)自身銅損和通電電流有關(guān)，即：

（16）

式中，表示 時(shí)間間隔內(nèi)銅損能耗能量，單位J；

逆變器開(kāi)關(guān)損耗包括三相橋臂上6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗，定義下角標(biāo)表示a、b、c逆變器三個(gè)橋臂，則第相IGBT在單個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的損耗能量，單位J，計(jì)算如下：

（17）

式中，分別表示在時(shí)間間隔內(nèi)逆變器單個(gè)橋臂上IGBT開(kāi)關(guān)的名義工況下導(dǎo)通、閉合和關(guān)斷損耗能量，單位J；分別表示IGBT開(kāi)關(guān)名義工況下的電流和電壓值，單位分別為A和V；，無(wú)量綱，單位J；表示逆變器第橋臂當(dāng)前開(kāi)關(guān)的狀態(tài)改變，如果當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)為，上一時(shí)刻開(kāi)關(guān)狀態(tài)為，則；當(dāng)時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)不發(fā)生變化時(shí)候，有一個(gè)IGBT保持導(dǎo)通狀態(tài)，另一個(gè)仍保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，所以存在導(dǎo)通損耗；當(dāng)時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，單個(gè)橋臂上的兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)會(huì)一個(gè)關(guān)斷另一個(gè)閉合，所以存在關(guān)斷損耗和閉合損耗。

因此，逆變器的三相橋臂總計(jì)能量損耗，單位J：

（18）

式中，開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化矢量

，維度3*1，無(wú)量綱；表示abc矢量電流的下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，單位A，由下式計(jì)算得到：

（19）

式中，和可由公式(11)、(13)和(14)計(jì)算得到。

本發(fā)明所述的控制器的整車縱向加速-制動(dòng)的動(dòng)力性能和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效的經(jīng)濟(jì)性能目標(biāo)都是通過(guò)構(gòu)造對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們之間通過(guò)加權(quán)系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)彼此的比重，從而實(shí)現(xiàn)車輛多個(gè)需求不同性能指標(biāo)間的折中優(yōu)化。

③兩步篩選原則：由于逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，產(chǎn)生8種不同的待選電壓矢量，如圖6所示，其中6個(gè)為有效矢量，另外2個(gè)為零矢量，不產(chǎn)生輸出電壓。為充分利用微處理器有限資源，減少不必要的迭代和比較，需要在計(jì)算目標(biāo)函數(shù)前篩選掉不符合電機(jī)運(yùn)行條件的候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減少計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而提高計(jì)算速度。下面是兩步篩選原則。

A、實(shí)行最小開(kāi)關(guān)損耗原則，即開(kāi)關(guān)切換時(shí)，僅考慮一個(gè)開(kāi)關(guān)切換或都保持不變，以避免產(chǎn)生截然相反的電壓矢量和，來(lái)減少電流脈動(dòng)，因此每時(shí)域的候選解由8個(gè)降低為4個(gè)，可將其描述為。

B、約束 ，為永磁同步電機(jī)d-q軸電流限幅約束，將預(yù)測(cè)值超出邊界范圍開(kāi)關(guān)狀態(tài)候選解篩選掉。

參見(jiàn)圖4所示，當(dāng)選取的開(kāi)關(guān)狀態(tài)符合最小開(kāi)關(guān)損耗原則即A時(shí)，進(jìn)行步驟3),估算下一時(shí)刻電流值，見(jiàn)公式(13)和(14)；如果不符合，返回開(kāi)關(guān)狀態(tài)候選集，依順序選取下一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)步驟3)估算的下一時(shí)刻電流值符合電流限幅約束即B時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行步驟4)通過(guò)優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)比較得到使得函數(shù)值最小的最優(yōu)開(kāi)關(guān)組合狀態(tài), 見(jiàn)公式(15),然后作用逆變器開(kāi)關(guān)；如果不符合，返回開(kāi)關(guān)狀態(tài)候選集，依順序選取下一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)兩步篩選原則，提前剔除掉不符合條件的候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減少下一時(shí)刻電流值的估算和優(yōu)化函數(shù)的計(jì)算次數(shù)，降低整個(gè)控制系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而提高整體方法的運(yùn)算效率。

本發(fā)明首先根據(jù)駕駛員踏板信息和車輪轉(zhuǎn)速信息，估算出當(dāng)前狀態(tài)車輛所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩，然后采用預(yù)測(cè)控制算法來(lái)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器，以有效跟蹤驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值，獲得良好的加速或者制動(dòng)性能，同時(shí)減少電機(jī)和逆變器的損耗提高整車能效?；隈{駛員踏板信息和車輪轉(zhuǎn)速信息的車輛所需驅(qū)動(dòng)力矩的估算有效解釋了當(dāng)前車輛狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境下駕駛員的驅(qū)/制動(dòng)動(dòng)力需求。采用預(yù)測(cè)控制方法能有效處理這個(gè)多目標(biāo)復(fù)雜優(yōu)化控制問(wèn)題，并且顯性處理約束，有效實(shí)現(xiàn)駕駛員驅(qū)/制動(dòng)的動(dòng)力性需求和提高系統(tǒng)能效的經(jīng)濟(jì)性需求之間的折中優(yōu)化。