牛绿原

（南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州225300）

基于模糊PI和滑模的电动汽车用异步电动机DTC控制＊

牛绿原

（南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州225300）

为提高电动汽车驱动系统的控制性能，针对异步电动机无速度传感器控制进行研究，提出一种基于滑模控制的改进型方案，建立滑模变结构速度控制器，并将SVPWM－DTC和模糊自适应PI控制器相结合。仿真表明，新系统能有效地跟踪转速变化，提高系统的动态性能和稳定性。

异步电机；滑模速度观测器；电动汽车；模糊PI

1 引言

电动汽车，因具有节能、环保等一系列优点，越来越受到人们的青睐。从驱动力的角度看，以永磁同步电动机和开关磁阻电动机为代表的新型电机在电动汽车中逐步占据主导地位，但异步电机因具有结构简单，成本较低、可靠性高等一系列优点，仍占有较高的市场份额。著名电动汽车品牌特斯拉以及约60%的大型电动汽车均使用异步电机。

直接转矩控制（DTC）是20世纪80年代出现的一种高性能调速技术，控制结构简单，性能优异，但安装机械式速度传感器不仅会使系统变复杂也会使系统的鲁棒性减低，缺点明显。因滑模控制具有对系统的结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰有很强的鲁棒性等优点，越来越多的学者尝试将其和 DTC 控制相结合。文献［1－4］均提出了一种基于自适应滑模观测器的感应电动机无速度传感器直接转矩控制方法，并通过实验证明了系统具有转矩动态响应快、转速控制精度高和调速范围宽的特点；文献［5］设计了一种无需电压信息的滑模观测器，有效地克服了电压模型受电机定子电阻变化，对电机参数变化具有强鲁棒性。文献［6－7］提出了一种将空间矢量技术和直接转矩相结合应用到电动汽车控制和驱动中的方法。文献［8－9］实现了转速的高精度识辨，但在转速计算过程中，对电机参数的依赖性较强。

本文在吸收以上成果的基础上，提出了一种新型控制系统结构，将SVPWM技术和DTC技术相结合，用PI控制器替代传统的滞环比较器，以改善转矩和磁链脉动大等问题；用自适应滑模观测器替代原系统中的机械式速度传感器，以提高系统的鲁棒性和可靠性；同时，用自适应模糊PI控制器替代传统的速度环PI控制器，以提高系统的控制精度。最后，通过Matlab／Simulink软件，搭建了仿真平台，并通过仿真进行了验证。

2 异步电动机数学模型

两相静止坐标系下三相异步电动机的数学模型、定子磁链空间矢量角、电磁转矩以及定子磁链的相关公式如下：

3 改进型异步电动机DTC控制结构

所提出的异步电动机DTC控制结构如图1所示。

图1 改进型异步电动机DTC控制结构图

4 模糊PI控制器设计

模糊控制因具有对被控对象参数不敏感，不依赖精确数学模型以及具有较强的鲁棒性等特点，常被用于电机调速中，以改善电机的性能。本文将传统PI和模糊控制相结合，以e、ec为输入量，以Δkp、Δki为输出量，设计了一个模糊PI自适应控制器。设定 e、ec的论域均为［－12，12］，Δkp、Δki的论域分别为［－6，6］，［－0.6，0.6］隶属函数均取三角型。根据控制系统的变化过程，得出系统模糊规则，其模糊规则表如表1所示。

表1 模糊PI控制器模糊规则表

5 自适应滑模速度观测器设计

根据三相异步电动机在α、β两相静止坐标系下的模型，将定子电流和磁链改写成状态方程的形式：

建立滑模观测器模型：

由式（6）减去式（5）得，

用符号函数sgn（·）表示ei，其定义为：

由（8）式得，

构造李雅普诺夫函数为：

因转速变化往往较慢，可以认为近似为常数，所以V的导数为：

整理上式可得控制律为：

6 仿真及结果分析

当 r1＜0且 r2＝0 时，pV＜0，满足稳定性条件。为此，

令 FT＝－δA12，δ＞0，此时有 r1＜0。

用Matlab／Simulink软件搭建了仿真模型。选取的异步电动机主要参数为：额定功率15kW，额定频率为 50Hz，定子电阻为 Rs＝0.2147Ω，转子电阻为Rr＝0.2205Ω，定子电感、转子电感均为 0.991mH，互感为 64.19mH。速度给定为 800r／min→1000r／min，负载转矩为 0N·m→60N·m，分别在 0.4s、0.6s进行切换。仿真算法为 ode4，仿真时间设为 0.8s。图 2、图 3、图4所示分别是转速、转矩以及定子电流波形。仿真结果显示，所设计的自适应滑模速度观测器能够较为精确地估算转子速度，当转速发生变化时，能够较快地（约0.02s）跟踪速度的变换，且抖动现象并不明

图2 转速

图3 转矩

图4 定子电流

7 结论

本文提出了一种基于无速度传感器的改进型直接转矩控制方案，建立了滑模变结构速度控制器，用SVPWM－DTC替代了传统的DTC技术，并在速度环引入了模糊自适应PI控制器，有效地实现了转速的快速跟踪响应，提高了系统的动态性能和稳定性。

［1］吴志飞，张兴华，孙振兴.基于滑模观测器的感应电机无速度传感器直接转矩控制［J］.微特电机，2013，41（10）.

［2］廖永衡，冯晓云，王 珍.基于定子磁链滑模观测器的异步电机空间矢量调制直接转矩控制［J］.中国电机工程学报，2012，32（18）.

［3］朱 绯，卢子广，胡立坤，胡 东.采用自适应滑模速度观测器电动汽车驱动控制［J］.电力电子技术，2015，49（1）.

［4］孙振兴，张兴华.基于滑模观测器的感应电机无速度传感器直接转矩控制［J］.电工电能新技术，2012，31（4）.

［5］张兴华，石 万，李 磊.感应电机直接转矩控制系统的新型滑模定子磁链观测器［J］.电气传动，2014，44（10）.

［6］CHE Changjin，QU Yongyin.Research on drive technology and control strategy of electric vehicle based on SVPWMDTC ［C］／／2011International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer.IEEE Conference Publications，2011：44 － 49.

［7］SERGAKI E S，MOUSTAIZIS S D.Efficiency optimization of a direct torque controlled induction motor used in hybrid electric vehicles［C］／／IEEE Conference Publications，2011：398－403.

［8］余致廷，郑 勇，袁俊波，等.带定子电阻辨识的异步电机无速度传感器直接转矩控制［J］.电气传动，2011，41（5）：10－14.

［9］Khalilian M，Abedi A，Zadeh A D.Sensorless direct torque control of hybrid stepper motor based on MRAS［J］.Energy Procedia，2012，14：1992－1997.

DTCcontrolofinductionmotorforelectricvehiclebasedonfuzzyPIcontrolwithslidingmode

NIU Lv－yuan
（Taizhou College of Science and Technology，Nanjing University of Science and Technology，Taizhou 225300，China）

In order to improve the control performance of the drive system of the electric vehicle and aiming at the research on the speed sensorless control of the induction motor，an new improved control scheme based on the sliding mode control is proposed.A new sliding－mode variable－structure speed controller is established.The SVPWM－DTC control and the fuzzy self－adaptive PI control are combined.The simulative results show that the new control scheme can effectively track the speed，and can improve the dynamic performance and the stability of the system.

induction motor；sliding－mode speed observer；electric vehicle；fuzzy PI controller

TM351

A

1005—7277（2016）05—0013—03

江苏省青蓝工程（201401）；教育部自动化教指委员会（2015A06）

牛绿原（1982－），男，河南周口人，硕士学位，讲师。就职于南京理工大学泰州科技学院智能制造学院。

2016－07－11