CN114056479B - 一种自适应电助力单车扭矩控制方法及控制*** - Google Patents

一种自适应电助力单车扭矩控制方法及控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应电助力单车扭矩控制***，可以运行自适应电助力单车扭矩控制方法，包括：踩踏力矩获取模块，阻力矩获取模块，驱动轮输出扭矩计算模块，链轮输出扭矩计算模块，参考模型计算模块，被控对象计算模块，自适应率计算模块。本发明通过参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值判断骑行工况，根据骑行工况选择不同的自适应率系数的增益，可以快速提供力矩，提供输出。

Description

一种自适应电助力单车扭矩控制方法及控制***
技术领域
本发明涉及助力单车控制技术领域，具体涉及一种自适应电助力单车扭矩控制方法及控制***。
背景技术
传统的电动助力自行车控制***主要分为无力矩传感器的控制***和有力矩传感器的控制***，其中无力矩传感器的控制***使用较广，其控制原理为，使用霍尔元件测量骑行者的踩踏速度，通过助力比来计算电机的输出扭矩；有力矩传感器的控制***则直接依据骑行者的踩踏力度来计算电机的输出扭矩，采用这种控制方式的控制***，电机的输出扭矩对人的踩踏力有较强的跟随性。但在传统的无力矩传感器的控制***方案中，通过估算踩踏力信号来控制电机输出扭矩，导致***有较大的延时，无法获得较好的跟随性；在有力矩传感器的控制***方案中，电机输出需要复杂的建模分析，对电机控制器的主控芯片要求较高，且无法保证整个***的稳定性。
发明内容
本发明提供了一种自适应电助力单车扭矩控制***及控制方法，以解决现有技术中传统有力矩传感器的控制方案对电机控制器的主控芯片要求较高，且无法保证力矩稳定跟随的问题。
本发明提供了一种自适应电助力单车扭矩控制方法，包括：起动过程、骑行过程；
所述起动过程包括如下步骤：
步骤A1：预设最短起动时间，预设起动力矩；
步骤A2：当踩踏力矩持续时间大于最短起动时间，且踩踏力矩持续时间内的平均踩踏力矩大于起动力矩时，进入骑行过程；
所述骑行过程包括如下步骤：
步骤S1：预设有效力矩；
步骤S2：获取踩踏力矩、链轮输出扭矩、阻力矩，建立被控对象模型、参考模型；
步骤S3：根据踩踏力矩、链轮输出扭矩计算驱动轮输出扭矩；
步骤S4：根据链轮输出扭矩与阻力矩的差值、被控对象模型，计算后轮电机需要调整的驱动轮角速度；
步骤S5：根据参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值获取骑行工况，根据骑行工况选择自适应率中自适应率系数的增益值，根据自适应率系数的增益值、驱动轮角速度、参考模型、驱动轮输出扭矩更新自适应率；
步骤S6：根据更新后的自适应率、驱动轮输出扭矩计算链轮当前需要提供的链轮输出扭矩，链轮根据当前需要提供的链轮输出扭矩提供扭矩。
进一步地，所述被控对象模型的传递函数为：
Figure BDA0003377906220000021
其中，J为实际车辆模型中外部因素影响下的等效转动惯量。
进一步地，所述驱动轮角速度的计算公式为：
Figure BDA0003377906220000022
其中，Tt为驱动轮输出扭矩，Td为阻力矩，Gp(s)为被控对象模型的传递函数。
进一步地，所述参考模型的传递函数为：
Figure BDA0003377906220000023
其中，Jf为前轮的转动惯量，Jr为后轮的转动惯量，r为车轮半径，M为为电助力单车与骑行者的总质量。
进一步地，所述自适应率计算方法为：
Kc(s)＝γ[TtGm(s)-(Tt-Td)Gp(s)]s＝γ[TtGm(s)-ω]
其中，Kc(s)为自适应率；γ为自适应率系数，具体公式为：
γ＝Kgγ′,γ＞0
其中，Kg为自适应率系数的增益。
进一步地，所述步骤S5中根据参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值获取骑行工况，根据骑行工况选择自适应率中自适应率系数的增益值的具体方法为：
参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值为：
e(s)＝TtGm(s)-ω
其中，
当e(s)>0.2J时，则骑行工况为上坡，设定Kg等于1.2J；
当e(s)<0时，则断骑行工况为下坡，设定Kg等于0.8J；
当0≤e(s)≤0.2J时，则断骑行工况为平路，设定Kg等于J。
进一步地，所述步骤S6中计算链轮当前需要提供的链轮输出扭矩的计算公式为：
Tm＝Kc(s)Tr
其中，Tr为踩踏力矩，Tm为链轮输出扭矩，Kc(s)为自适应率。
本发明还提供了一种自适应电助力单车扭矩控制***，可以运行上述自适应电助力单车扭矩控制方法，包括：踩踏力矩获取模块，阻力矩获取模块，驱动轮输出扭矩计算模块，链轮输出扭矩计算模块，参考模型计算模块，被控对象计算模块，自适应率计算模块；
所述驱动轮输出扭矩计算模块分别和所述踩踏力矩获取模块、所述链轮输出扭矩计算模块相连，用于根据踩踏力矩和链轮输出扭矩计算驱动轮输出扭矩；
所述被控对象计算模块分别和所述驱动轮输出扭矩计算模块、所述阻力矩获取模块相连，用于以驱动轮输出扭矩、阻力矩作为输入，计算出需要调整的驱动轮角速度；
所述自适应率计算模块分别和所述参考模型计算模块、所述驱动轮输出扭矩计算模块、所述链轮输出扭矩计算模块相连，用于根据参考模型计算输出值、驱动轮输出扭矩计算自适应率，并将计算结果输出到所述链轮输出扭矩计算模块，计算当前所需链轮输出扭矩。
本发明的有益效果：
1、将电助力单车模型化，用被控对象模型逼近参考模型的方法，使得整个***逐渐趋于稳定。
2、本发明通过参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值判断骑行工况，根据骑行工况选择不同的自适应率系数的增益，尤其在上坡工况下可以快速提供力矩，提供输出。
3、被控对象模型逼近参考模型中采用采用了李雅普诺夫第二法的设计方法，自适应率科学有效。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施的一种自适应电助力单车扭矩控制方法中参数运算关系框图；
图2为本发明具体实施的一种自适应电助力单车扭矩控制***框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种自适应电助力单车扭矩控制方法，包括：起动过程、骑行过程；
起动过程包括如下步骤：
步骤A1：预设最短起动时间，预设起动力矩；
步骤A2：当踩踏力矩持续时间大于最短起动时间，且踩踏力矩持续时间内的平均踩踏力矩大于起动力矩时，进入骑行过程；
如图1所示，骑行过程包括如下步骤：
步骤S1：预设有效力矩；
步骤S2：获取踩踏力矩、链轮输出扭矩、阻力矩，建立被控对象模型、参考模型；其中，被控对象模型的传递函数为：
Figure BDA0003377906220000051
其中，J为实际车辆模型中外部因素影响下的等效转动惯量；
参考模型的传递函数为：
Figure BDA0003377906220000052
其中，Jf为前轮的转动惯量，Jr为后轮的转动惯量，r为车轮半径，M为为电助力单车与骑行者的总质量；
步骤S3：根据踩踏力矩、链轮输出扭矩计算驱动轮输出扭矩；
驱动轮输出扭矩、踩踏力矩、链轮输出扭矩的关系为：
Tt＝Tm+Tγ
其中，Tt为驱动轮输出扭矩，Tr为踩踏力矩，Tm为链轮输出扭矩；
驱动轮角速度的计算公式为：
Figure BDA0003377906220000053
其中，Tt为驱动轮输出扭矩，Td为阻力矩，Gp(s)为被控对象模型的传递函数；
步骤S4：根据链轮输出扭矩与阻力矩的差值、被控对象模型，计算后轮电机需要调整的驱动轮角速度；
步骤S5：根据参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值获取骑行工况，根据骑行工况选择自适应率中自适应率系数的增益值，根据自适应率系数的增益值、驱动轮角速度、参考模型、驱动轮输出扭矩更新自适应率；
其中，自适应率计算方法为：
Kc(s)＝γ[TtGm(s)-(Tt-Td)GP(s)]s＝γ[TtGm(s)-ω]
其中，Kc(s)为自适应率；γ为自适应率系数，具体公式为：
γ＝Kgγ′,γ＞0
其中，Kg为自适应率系数的增益；
通过骑行工况对Kg的取值进行选择，具体为：
参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值为：
e(s)＝TtGm(s)-ω
其中，
当e(s)>0.2J时，则骑行工况为上坡，设定Kg等于1.2J；
当e(s)<0时，则断骑行工况为下坡，设定Kg等于0.8J；
当0≤e(s)≤0.2J时，则断骑行工况为平路，设定Kg等于J；
步骤S6：根据更新后的自适应率、驱动轮输出扭矩计算链轮当前需要提供的链轮输出扭矩，链轮根据当前需要提供的链轮输出扭矩提供扭矩；当前需要提供的链轮输出扭矩的计算公式为：
Tm＝Kc(s)Tr
其中，Tr为踩踏力矩，Tm为链轮输出扭矩，Kc(s)为自适应率。
如图2所示，本发明具体实施例还提供了一种自适应电助力单车扭矩控制***，可以运行上述自适应电助力单车扭矩控制方法，包括：踩踏力矩获取模块51，链轮输出扭矩计算模块52，驱动轮输出扭矩计算模块53，自适应率计算模块54，阻力矩获取模块55，被控对象计算模块56，参考模型计算模块57；
驱动轮输出扭矩计算模块分别和踩踏力矩获取模块、链轮输出扭矩计算模块相连，用于根据踩踏力矩和链轮输出扭矩计算驱动轮输出扭矩；
被控对象计算模块分别和驱动轮输出扭矩计算模块、阻力矩获取模块相连，用于以驱动轮输出扭矩、阻力矩作为输入，计算出需要调整的驱动轮角速度；
自适应率计算模块分别和参考模型计算模块、驱动轮输出扭矩计算模块相连、链轮输出扭矩计算模块相连，用于根据参考模型计算输出值、驱动轮输出扭矩计算自适应率，并将计算结果输出到链轮输出扭矩计算模块，进一步计算出链轮输出扭矩。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，包括：起动过程、骑行过程；
所述起动过程包括如下步骤：
步骤A1：预设最短起动时间，预设起动力矩；
步骤A2：当踩踏力矩持续时间大于最短起动时间，且踩踏力矩持续时间内的平均踩踏力矩大于起动力矩时，进入骑行过程；
所述骑行过程包括如下步骤：
步骤S1：预设有效力矩；
步骤S2：获取踩踏力矩、链轮输出扭矩、阻力矩，建立被控对象模型、参考模型；
步骤S3：根据踩踏力矩、链轮输出扭矩计算驱动轮输出扭矩；
步骤S4：根据链轮输出扭矩与阻力矩的差值、被控对象模型，计算后轮电机需要调整的驱动轮角速度；
步骤S5：根据参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值获取骑行工况，根据骑行工况选择自适应率中自适应率系数的增益值，根据自适应率系数的增益值、驱动轮角速度、参考模型、驱动轮输出扭矩更新自适应率；
步骤S6：根据更新后的自适应率、驱动轮输出扭矩计算链轮当前需要提供的链轮输出扭矩，链轮根据当前需要提供的链轮输出扭矩提供扭矩。
2.如权利要求1所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，所述被控对象模型的传递函数为：
Figure FDA0003377906210000011
其中，J为实际车辆模型中外部因素影响下的等效转动惯量。
3.如权利要求1所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，所述驱动轮角速度的计算公式为：
Figure FDA0003377906210000021
其中，Tt为驱动轮输出扭矩，Td为阻力矩，Gp(s)为被控对象模型的传递函数。
4.如权利要求1所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，所述参考模型的传递函数为：
Figure FDA0003377906210000022
其中，Jf为前轮的转动惯量，Jr为后轮的转动惯量，r为车轮半径，M为电助力单车与骑行者的总质量。
5.如权利要求1所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，所述自适应率计算方法为：
Kc(s)＝γ[TtGm(s)-(Tt-Td)Gp(s)]s＝γ[TtGm(s)-ω]
其中，Kc(s)为自适应率；γ为自适应率系数，具体公式为：
γ＝Kgγ′,γ＞0
其中，Kg为自适应率系数的增益。
6.如权利要求1所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，所述步骤S5中根据参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值获取骑行工况，根据骑行工况选择自适应率中自适应率系数的增益值的具体方法为：
参考模型与驱动轮输出扭矩的乘积和驱动轮角速度的差值为：
e(s)＝TtGm(s)-ω
其中，
当e(s)>0.2J时，则骑行工况为上坡，设定Kg等于1.2J；
当e(s)<0时，则断骑行工况为下坡，设定Kg等于0.8J；
当0≤e(s)≤0.2J时，则断骑行工况为平路，设定Kg等于J；
其中，J为实际车辆模型中外部因素影响下的等效转动惯量。
7.如权利要求1所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，所述步骤S6中计算链轮当前需要提供的链轮输出扭矩的计算公式为：
Tm＝Kc(s)Tr
其中，Tr为踩踏力矩，Tm为链轮输出扭矩，Kc(s)为自适应率。
8.一种自适应电助力单车扭矩控制***，可以运行如权利要求1-7所述的自适应电助力单车扭矩控制方法，其特征在于，包括：踩踏力矩获取模块，阻力矩获取模块，驱动轮输出扭矩计算模块，链轮输出扭矩计算模块，参考模型计算模块，被控对象计算模块，自适应率计算模块；
所述驱动轮输出扭矩计算模块分别和所述踩踏力矩获取模块、所述链轮输出扭矩计算模块相连，用于根据踩踏力矩和链轮输出扭矩计算驱动轮输出扭矩；
所述被控对象计算模块分别和所述驱动轮输出扭矩计算模块、所述阻力矩获取模块相连，用于以驱动轮输出扭矩、阻力矩作为输入，计算出需要调整的驱动轮角速度；
所述自适应率计算模块分别和所述参考模型计算模块、所述驱动轮输出扭矩计算模块、所述链轮输出扭矩计算模块相连，用于根据参考模型计算输出值、驱动轮输出扭矩计算自适应率，并将计算结果输出到所述链轮输出扭矩计算模块，计算当前所需链轮输出扭矩。
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