改进了邱健蓄电池驱动电动两轮和三轮车BLDC驱动的控制框架

交通运输行业高度依赖化石燃料，导致空气污染、全球变暖和臭氧层破坏等严重环境挑战，这些问题由温室气体排放驱动。汽车行业越来越多地转向替代能源，如电池、超级电容器和燃料电池，来为车辆提供动力。这一转变不仅通过减少温室气体排放促进更清洁的环境，也降低了与传统化石燃料驱动车辆相比的运营成本[1]。研究表明，即使是小规模的公共交通，将电动汽车（EV）整合进公共交通也能显著减少排放。此外，电动汽车通常消耗更少的能源，运营成本也低于传统燃料车辆[2]。
在各种电动推进技术中，PMBLDC（永久磁无刷直流）电机备受关注，尤其是在城市交通中常用的轻型电动车，如两轮和三轮车。这些电机具备高效率、低维护需求、在宽转速范围内可靠运行、低声学噪音、高扭矩重量比、长使用寿命、快速动态响应和良好的可控性，非常适合电动汽车应用。除了电动汽车，BLDC电机还广泛应用于机器人系统、家用电器、航空航天系统、无人机、泵送应用和医疗设备[3]。然而，尽管有这些优势，在不同负载条件下实现平稳扭矩输出、最小波动和精确速度调节仍是BLDC电机驱动系统中的重大技术挑战[4]， [5]。
目前关于电池供电的PMBLDC电机控制的研究主要集中在减少关键性能问题，如换相扭矩波纹（CTR）[6]、非理想反电动势波形引起的扭矩波纹[7]、速度跟踪性能差[8]以及无传感器控制技术带来的挑战[9]、[10]。其中，CTR是一个主要关注点，尤其是在电动汽车和工业应用中，其平均扭矩可达49%[6]。这种高扭矩的波纹会降低平稳运行，限制电机在高精度应用中的适用性。因此，有效减轻扭矩纹波必须被视为PMBLDC驱动系统的主要设计目标。
文献中报道了多种技术，用于减少BLDC电机驱动中由齿轮扭矩和电流换向引起的扭矩纹波。这些方法通常可分为两大类。第一种方法是对电机进行结构改造，例如优化转子和定子磁性设计，或修改绕组配置以减少扭矩脉冲，详见[11]、[12]。第二种方法依赖基于控制器的方法，利用先进的控制算法在不改变电机结构的情况下补偿扭矩纹波。这两种策略都旨在提升性能并确保马达运行更顺畅;然而，本拟议的工作重点是基于控制器的方法。此外，速度追踪性能在很大程度上依赖于速度环控制器的有效性[8]。
六步（梯形）换向控制是一种简单且经济的技术，常用于控制BLDC电机。然而，这种方法伴随着更高的扭矩波动、较低的效率以及速度调节的精度较低[13]。为解决因非理想反电动势特性引起的扭矩纹波，已为实用的PMBLDC驱动器提出了一种实时工作周期调制技术[14]。此外，[15]引入了结合前馈电流控制策略的扭矩预测方法，用于低电感BLDC电机以提升扭矩响应。为了降低电压源逆变器供电BLDC驱动器的成本，霍尔效应传感器通常被淘汰，改用无传感器控制技术。尽管无传感器控制降低了硬件成本并提高了可靠性，但它带来了诸如低速性能较差（由于反电动势信号较弱）、启动过程复杂的启动过程以及对负载变化更高的敏感性等挑战[9]、[10]。
基于控制输入电压的技术[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]也被广泛用于最小化BLDC电机中的扭矩纹波，尤其是在逆变器换相过程中梯形反电动势波形与定子相位电流不匹配时。这些方法采用PWM控制来调节输入电压和频率，从而减少电流纹波，最大限度减少功率损失，并防止电机过热。PWM调制技术，包括空间矢量PWM（SVPWM）等先进策略，在减少相电流纹波和扭矩振荡的同时，保持令人满意的动态性能，非常有效。这些方法带来了诸如相对简单实现、适中的计算需求以及改进的扭矩特性等优势。然而，仍存在一些局限性，包括算法复杂度增加，可能需要额外的换频器级，传统实现中无法自然实现MTPA工作，以及在整个工作范围内选择最佳开关频率的挑战。
直接扭矩控制（DTC）是一种流行的控制方法[22]， [23]， [24]， [25]， [26]， [27]， [28]，因为它能够直接调节扭矩和磁通量，而无需复杂的坐标变换或多个控制环路。该技术依赖于选择合适的逆变器切换状态，以调节指定的滞后带内的扭矩和磁通，从而实现更快的动态响应和简化的控制结构。DTC非常适合需要提升速度性能和精确扭矩控制的应用。然而，DTC存在诸如显著的扭矩纹波、增加的开关损耗、对电机参数变化的敏感性以及需要精确调谐滞后带等限制。
滑动模式控制（SMC）[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]已成为解决BLDC运动动力学中非线性和参数不确定性的一种稳健且多功能的策略。SMC保持系统稳定性并适应不同电机状态的能力，使其成为管理速度动力学和减轻换向扭矩波纹（CTR）的有前景解决方案。通过在换向过程中有效切换功率逆变器的三个导电状态，SMC确保在整个转速范围内保持稳定的电磁扭矩，在稳态和动态模式下均提供卓越性能。其优点包括高稳健性、有效的扭矩波动缓解以及对不同工作条件的适应性。然而，SMC的局限性包括其复杂的设计和实现、易受抖动效应影响，以及在实际应用中调优以实现最佳性能的潜在困难。
电流整形技术[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]被广泛应用于BLDC电机中，以提升高速运行时的性能，并减轻因梯形反电动势不理想和换向不足引起的扭矩波纹。这些技术旨在抑制相电流失真及相关的谐波分量，这些成分导致电磁波动、机械振动和声学噪声。通过确定精确的换向间隔并利用电流传感器或带电电容的反馈，可以减少扭矩纹波，从而提升电机效率和性能。电流滞后控制（CHC）常用于这些方法中调节端子电压和控制电流流动，具有无条件稳定性、参数不敏感性和快速响应等优势。然而，CHC可能导致切换频率变化，这可能使控制变得复杂。在BLDC驱动中，缺少输出滤波器减少了这一限制，使CHC成为实现精确换相和改进扭矩控制的有效方法。
模型预测控制（MPC）是一种广泛采用的技术[42]、[43]、[44]、[45]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]用于BLDC电机，因其结构简单且能够系统地处理复杂的电机动力学、多输入/输出和约束。通过预测未来的电机驱动输出，MPC有效调节电磁扭矩，抑制所有转速范围内的换向扭矩波动。它采用内部电流控制环路，通常基于滞后电流控制（HCC），以调节相电流并生成精确的开关脉冲，而外部速度控制环路则利用成本函数优化参考跟踪和动态响应。MPC的优点包括快速的动态性能、改进的稳态行为以及消除复杂的电流控制器。然而，由于依赖精确的运动模型和成本函数调优，计算量可能很大。
场向控制（FOC），也称为矢量控制 [50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]，是一种广泛用于实现BLDC电机驱动高性能运行的技术。它提供卓越的动态响应、平稳的扭矩输出以及在宽转速和负载范围内的性能提升，非常适合电动汽车应用。FOC通过将定子磁场与转子磁场垂直对齐，从而使扭矩和磁通分量解耦，从而实现MTPA工作。控制结构通常采用级联架构，由一个外环PI控制器用于速度调节和两个内环PI控制器（用于i）组成_d（正轴）和_q（正交轴）电流控制。利用转子位置信息，三相定子电流转换为d–q参考系，从而实现对扭矩和磁通分量的独立控制。FOC具有多项优势，包括增强动态性能、减少扭矩波动、提高效率，以及适合高性能应用，且具有更好的功率密度和控制精度。尽管FOC提供了解耦扭矩-磁通控制和良好的动态响应，但在轻型电动汽车应用中存在实际局限。它需要对三个PI控制器进行精确调优，而传统的Ziegler-Nichols（Z-N）调谐方法往往会得到次优结果。由于坐标变换和SVPWM，该方案涉及更高的计算和实现复杂度，降低了低功耗驱动器的成本和处理负担。此外，它对参数变化很敏感，在参数不匹配的情况下，实现最优MTPA变得困难。
智能控制技术[57]、[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]，如模糊逻辑、人工神经网络（ANN）以及基于元启发式优化的PI控制器调优，已成为解决BLDC电机关键挑战的有效解决方案，包括电磁干扰、容错和扭矩波纹，尤其是在电动汽车应用中。基于模糊的智能控制系统通过减轻扭矩波动、改善稳态和动态行为以及提升可靠性，提供更优的性能。这些方法在优化时域规格方面表现出色，如上升时间、沉降时间和速度波动，同时在低速下提供更好的性能。通过将相电流与反电动势大小积分，并采用模糊逻辑估计器或人工神经网络算法，能够有效控制扭矩、速度和功率，确保定子电压矢量最优。PID/PI控制器的最佳调优是直接影响闭环系统性能的关键任务。
传统的Z-N调谐方法常导致动态响应和稳态精度不理想，因此需要先进的调谐方法以提升性能。因此，采用基于优化的调谐技术确定最优的PI参数，增强速度调节，减少稳态误差，并提升电机驱动系统的瞬态和稳态性能。然而，这些方法存在一定局限性，包括更高的计算复杂度、更高的实现成本、低速时的效能下降、缺乏固有的MTPA能力，以及需要系统化的设计框架以实现实际应用。尽管面临这些挑战，智能控制策略结合优化算法为高性能电机驱动应用提供了稳健且自适应的解决方案。
传统的BLDC电机速度控制FOC方法面临诸多挑战，包括需要三个PI控制器、复杂的数学变换、多个PI控制器的精确调优困难、复杂的控制以及更高的实现和计算复杂度[3]。尽管存在这些局限性，FOC因其精准扭矩和速度控制能力，仍被广泛应用于先进机电和电动汽车应用。然而，如图1所示，用于BLDC速度调节的传统FOC结构仍存在上述缺点。这些局限表明，在轻型电动汽车应用中，开发更简单、更稳健且计算效率更高的控制策略，以改善速度调节和减少扭矩波动，存在明显的研究空白。
为克服这些限制，本研究提出了一种增强型矢量或改进型FOC控制框架，仅使用两个控制器，专为轻型电动车应用中的PMBLDC电机设计。所提控制策略在外圈采用单一最优调谐的IP控制器，在内圈使用一个不需参数调优的滞后电流控制器，以减少扭矩纹波并提升速度性能。与PI控制器相比，IP控制器具有多项优势，包括快速的动态响应、减少超冲、最小化稳态误差以及增强的干扰鲁棒性[64]。外环IP速度控制器的增益参数通过GWO优化方法进行最佳调谐，以最小化参考速度跟踪误差并提升整体速度控制性能。IP速度控制器产生具有适当谐波成分的最佳相位参考电流，并通过变频滞后控制器的内电流环路输入电机，以减少扭矩纹波。滞后控制器确保准确的参考电流跟踪，并由速度环产生适当的谐波，从而最大限度地减少扭矩纹波，提升整体性能。该方法通过保持转子与定子磁场分量之间的90°相角来实现MTPA。详细的实现描述见控制器设计部分。该方法将传统的三控制器FOC结构简化为两控制器架构，同时保持扭矩-磁通脱耦、改进的扭矩纹波减少和精确的速度追踪。它通过只需最优调校一个速度控制器，降低调校和计算复杂度，并实现MTPA，适合实时轻型电动车应用。
以下是该工作的主要贡献简要介绍：

• 1)
  拟议的改进型FOC仅使用速度和电流两个控制器，相比传统FOC方法简化了控制结构，同时实现了MTPA和性能提升。
• 2)
  该控制器结合了GWO优化的IP控制器用于速度调节，并采用滞后电流环路，以最小化扭矩纹波并提升瞬态速度性能。
• 3)
  该控制器通过MATLAB/仿真以及使用OPAL-RT（OP-5700）硬件在环（HIL）模拟器进行硬件测试验证。