CN112104279A - 一种基于非线性终端滑模算法的轮毂电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于非线性终端滑模算法的轮毂电机控制方法,涉及轮毂电机控制的技术领域,本发明包括以下几个步骤:搭建轮毂电机的数学模型;确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量;设计终端滑模面S;得到电机控制器的输入u(t);对轮毂电机进行控制;对轮毂电机的转速ω进行检测,若符合收敛指令的要求,则结束控制;若不符合收敛指令的要求,则返回第二步重新控制。本发明在滑动超平面的设计中引入非线性函数,构造终端滑模面,使得轮毂电机控制中滑模面可在有限时间T内收敛到零,从而提高控制精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及轮毂电机控制的技术领域,尤其涉及针对电传动汽车中驱动轮毂电机速度控制方法的技术领域。
背景技术
目前对车辆环境友好型和能源节约型的驱动要求,促使电传动车辆驱动问题成为未来研究的重点。轮毂电机以其功率密度高、体积小、结构简单,被广泛应用于电传动车辆中。采用轮毂电机的电传动车辆,通过柔性电缆对各部件进行连接,省掉了齿轮箱、传动轴等机械部件,大大提高了空间利用率,且调速性能优越,在实际控制中能高效运行、降低故障率、提高驱动对象的使用寿命,目前是国内外研究的热点。
由于轮毂电机驱动的电传动车辆中,电机控制精度会直接影响到车辆行驶过程中的稳定性和安全性,同时车辆在行驶过程中,电机内部参数变化和外界干扰也会使得电机转速产生波动。轮毂电机是一个非线性、强耦合的复杂控制***,针对这种***,滑模控制方法以其对参数变化不敏感、抗干扰性能强、响应迅速等优点可较好地运用于电传动车辆中轮毂电机的转速调控。但传统滑模控制通常会选择一个线性的滑动平面,使***到达滑动模态时,跟踪误差渐进收敛,滑动平面始终无法使得跟踪误差在有限时间内收敛到零,因此电机在控制过程中无法实现高精度控制。
发明内容
本发明针对上述无法在有限时间内实现快速收敛问题,提供了一种基于非线性终端滑模算法的轮毂电机控制方法,在滑动超平面的设计中引入非线性函数,构造终端滑模面,使得轮毂电机控制中滑模面可在有限时间T内收敛到零,从而提高控制精度和稳定性。
一种基于非线性终端滑模面的轮毂电机控制方法,包括以下几个步骤:
步骤S1:搭建轮毂电机的数学模型;
步骤S2:确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量x1、x2;
步骤S3:根据步骤S1搭建的电机模型和步骤S2的状态常量,设计终端滑模面S;
步骤S4:得到电机控制器的输入u(t);
步骤S5:对轮毂电机进行控制;
步骤S6:对轮毂电机的转速ω进行检测,若符合收敛指令的要求,则结束控制;若不符合收敛指令的要求,则返回步骤S2重新控制。
优选的是,本发明步骤S1搭建轮毂电机的数学模型,具体过程如下:
轮毂电机的转矩方程为:
其中,Ld表示d轴磁滞系数,Lq表示q轴磁滞系数,id表示d轴电流值,iq表示q轴电流值。
根据表贴式轮毂电机特点,Ld=Lq=L,化简轮毂电机转矩方程可得
可得轮毂电机的运动方程为:
其中TL表示负载转矩。
优选的是,本发明步骤S2确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量,具体过程如下:
因为二阶非线性***一般方程为
其中x1表示轮毂电机输出角速度,x2表示轮毂电机输出角加速度,表示角速度的微分,表示角加速度的微分,t表示响应时间,f(x,t)表示二阶响应,Δf(x,t)表示二阶响应的微分,TL表示负载转矩,J表示电机转动惯量,P表示电机磁极对数,ψ表示永磁体磁滞系数,iq表示q轴上电流值,b表示控制系数,u表示控制器控制式,d(t)表示外界扰动,令式中的为轮毂电机控制***中的控制量输入u(t),u(t)表示输入控制量,则
通过设计控制率,使得轮毂电机控制***状态模量x=[x1,x2]可在有限时间T内实现对期望状态xd=[x1d,x2d]的跟踪,式中x1d表示x1的期望状态值,x2d表示x2的期望状态值。
优选的是,本发明步骤S3设计终端滑模面S,具体过程如下:
s=C(E-P)
为了使***的状态模量x在时间T内实现对期望状态xd=[x1d,x2d]的状态追踪,本专利设计了一种终端滑模切换面,定义P(0)=E(0),即p(0)=e(0),当切换面在指定时间T内实现收敛时,取t=T,此时p(t)=0,其中P(0)表示终端滑模向量的初始状态,E(0)为误差向量的初始状态,p(0)表示终端滑模函数的初始状态,e(0)表示转速误差的初始状态,表示终端滑模函数微分的初始状态,表示转速误差初始状态的微分,表示终端滑模函数的二阶微分;
构造终端函数p(t)的多项式:
优选的是,本发明设计终端滑模控制器,具体过程如下:
优选的是,本发明步骤S6中收敛指令的具体过程如下:
其中V表示李雅普诺夫函数,s表示终端滑模面,
本发明设计一种根据速度误差反馈的非线性终端滑模轮毂电机控制方法,有效的解决了传统滑模面中的跟踪误差大,响应速度慢,抗干扰性差等不足。利用该非线性终端滑模面设计的滑模控制器在控制过程中具有较快的起动速度和响应速度,抑制了电机转速的超调,减少了电机控制过程中由滑模控制造成的稳态抖振,实现了运用于电传动车辆中轮毂电机的高精度,高效率控制。
附图说明
图1为本发明轮毂电机的控制框图。
图2为本发明轮毂电机起动时的转速仿真示意图。
图3为本发明轮毂电机突增负载时的转速仿真示意图。
图4为本发明轮毂电机转速轨迹追踪的仿真示意图。
图5(a)为轮毂电机输出角速度x1使用本发明的方法与现有技术之间的仿真对比示意图。
图5(b)为轮毂电机输出角加速度x2使用本发明的方法与现有技术之间的仿真对比示意图。
图5(c)为输入控制量u(t)使用本发明的方法与现有技术之间的仿真对比示意图。
图6为本发明控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
一种基于非线性终端滑模面的轮毂电机控制方法,包括以下几个步骤:
步骤S1:搭建轮毂电机的数学模型;具体过程如下:
轮毂电机的转矩方程为:
其中,Ld表示d轴磁滞系数,Lq表示q轴磁滞系数,id表示d轴电流值,iq表示q轴电流值。
根据表贴式轮毂电机特点,Ld=Lq=L,化简轮毂电机转矩方程可得
可得轮毂电机的运动方程为:
其中TL表示负载转矩。
步骤S2:确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量;具体过程如下:
因为二阶非线性***一般方程为
其中x1表示轮毂电机输出角速度,x2表示轮毂电机输出角加速度,表示角速度的微分,表示角加速度的微分,t表示响应时间,f(x,t)表示二阶响应,Δf(x,t)表示二阶响应的微分,TL表示负载转矩,J表示电机转动惯量,P表示电机磁极对数,ψ表示永磁体磁滞系数,iq表示q轴上电流值,b表示控制系数,u表示控制器控制式,d(t)表示外界扰动,令式中的为轮毂电机控制***中的控制量输入u(t),u(t)表示输入控制量,则
通过设计控制率,使得轮毂电机控制***状态模量x=[x1,x2]可在有限时间T内实现对期望状态xd=[x1d,x2d]的跟踪,式中x1d表示x1的期望状态值,x2d表示x2的期望状态值。
步骤S3:根据步骤S1搭建的电机模型和步骤S2的状态常量,设计终端滑模面S;具体过程如下:
s=C(E-P)
为了使***的状态模量x在时间T内实现对期望状态xd=[x1d,x2d]的状态追踪,本专利设计了一种终端滑模切换面,定义P(0)=E(0),即p(0)=e(0),当切换面在指定时间T内实现收敛时,取t=T,此时p(t)=0,其中P(0)表示终端滑模向量的初始状态,E(0)为误差向量的初始状态,p(0)表示终端滑模函数的初始状态,e(0)表示转速误差的初始状态,表示终端滑模函数微分的初始状态,表示转速误差初始状态的微分,表示终端滑模函数的二阶微分;
构造终端函数p(t)的多项式:
本发明的设计终端滑模控制器,具体过程如下:
步骤S4:得到电机控制器的输入u(t);
步骤S5:对轮毂电机进行控制;
步骤S6:对轮毂电机的转速ω进行检测,若符合终止指令,则结束控制;若不符合终止指令,则返回步骤S2重新控制。具体过程如下:
其中V表示李雅普诺夫函数,s表示终端滑模面,
实施例1
如图1所示,搭建轮毂电机控制框图,本发明采用速度、电流双闭环控制。该控制***由轮毂电机、功率变换电路、电压空间矢量调制(SVPWM)、非线性终端滑模控制器、电流控制器组成。由图1可得,当转速差值反馈到非线性终端滑模控制器中,通过本发明的控制算法,可得出控制输入u(t);u(t)转化为电流iq′输入至电流控制器,通过电流控制器中的PI控制,得出输入电压值,电压经过反Park变换后进入SVPWM,再经过功率变换电路对轮毂电机进行控制,轮毂电机输出的转速和位置可由转速,位置传感器检测后反馈至控制***形成闭环控制。
搭建轮毂电机数学模型,为减少控制器负担,可适当简化其数学模型。轮毂电机的转矩方程为:
其中,Ld表示d轴磁滞系数,Lq表示q轴磁滞系数,id表示d轴电流值,iq表示q轴电流值。
根据表贴式轮毂电机特点,Ld=Lq=L,化简轮毂电机转矩方程可得
可得轮毂电机的运动方程为:
其中TL表示负载转矩
确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量
因为二阶非线性***一般方程为
基于Matlab/Simulink对本发明进行仿真验证。
由图1可得,当控制***收到给定速度的指令时,由终端滑模变结构控制算法的控制器将其转化为控制电流iq′,之后通过与反馈电流之间的闭环控制,经过电流控制器,得到轮毂电机的控制电压uq′,控制电压ud′和uq′经过park/Clark变换后得到旋转电压,旋转电压经过空间矢量变换得到PWM波形输入至逆变器,逆变器生成三相电压对轮毂电机进行控制。此控制框图中可得到电流和转速的反馈,形成双闭环控制。
由图2可得,当电机控制仿真***收到1000r/min的起动指令时,本发明提出的控制方法相较PID控制方法和SMC控制方法具有启动速度快和零超调的特性,可以使得轮毂电机具有更快的启动速度和响应速度。
由图3可得,轮毂电机控制仿真***收到30N·m的突增负载指令时,本发明提出的控制方法达到稳态所用的调节时间较短,响应速度较快,且转速波动较小,可以使得轮毂电机具有更好的抗干扰能力和鲁棒性。
由图4可得,当轮毂电机控制仿真***收到转速为(n=1200·cos(8πt))的指令时,本发明提出的控制方法由于具有更好的响应速度和控制精度,相较SMC控制方法具有更好的转速轨迹追踪特性。
如图5所示,相较SMC控制方法,本发明提出的控制方法中,轮毂电机输出角速度x1,轮毂电机输出角加速度x2,输入控制量u(t)与时间的关系,轮毂电机输出角速度x1、轮毂电机输出角加速度x2到达稳态所需时间更短,且控制量输入u(t)达到平衡状态更快。
本发明的具体实施步骤的流程图如图6所示,通过得到控制器输入u(t),再将u(t)输入至轮毂电机的电机控制器中,可实现对轮毂电机的智能化控制。
Claims (6)
1.一种基于非线性终端滑模面的轮毂电机控制方法,其特征在于包括以下几个步骤:
步骤S1:搭建轮毂电机的数学模型;
步骤S2:确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量x1、x2;
步骤S3:根据步骤S1搭建的电机模型和步骤S2的状态常量,设计终端滑模面S;
步骤S4:得到电机控制器的输入u(t);
步骤S5:对轮毂电机进行控制;
步骤S6:对轮毂电机的转速ω进行检测,若符合收敛指令的要求,则结束控制;若不符合收敛指令的要求,则返回步骤S2重新控制。
3.根据权利要求1所述的基于非线性终端滑模面的轮毂电机控制方法,其特征在于上述步骤S2确定控制量输入,定义轮毂电机***的状态常量,具体过程如下:
因为二阶非线性***一般方程为
其中x1表示轮毂电机输出角速度,x2表示轮毂电机输出角加速度,表示角速度的微分,表示角加速度的微分,t表示响应时间,f(x,t)表示二阶响应,Δf(x,t)表示二阶响应的微分,TL表示负载转矩,J表示电机转动惯量,P表示电机磁极对数,ψ表示永磁体磁滞系数,iq表示q轴上电流值,b表示控制系数,u表示控制器控制式,d(t)表示外界扰动,令式中的为轮毂电机控制***中的控制量输入u(t),u(t)表示输入控制量,则
通过设计控制率,使得轮毂电机控制***状态模量x=[x1,x2]可在有限时间T内实现对期望状态xd=[x1d,x2d]的跟踪,式中x1d表示x1的期望状态值,x2d表示x2的期望状态值。
4.根据权利要求1所述的基于非线性终端滑模面的轮毂电机控制方法,其特征在于上述步骤S3设计终端滑模面S,具体过程如下:
s=C(E-P)
为了使***的状态模量x在时间T内实现对期望状态xd=[x1d,x2d]的状态追踪,本专利设计了一种终端滑模切换面,定义P(0)=E(0),即p(0)=e(0),当切换面在指定时间T内实现收敛时,取t=T,此时p(t)=0,其中P(0)表示终端滑模向量的初始状态,E(0)为误差向量的初始状态,p(0)表示终端滑模函数的初始状态,e(0)表示转速误差的初始状态,表示终端滑模函数微分的初始状态,表示转速误差初始状态的微分,表示终端滑模函数的二阶微分;
构造终端函数p(t)的多项式:
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