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原文传递一种永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法

专利名称：	一种永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法
摘要：	本发明公开了一种永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，包括：设计非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器，控制器接收外部输入的期望的转向角度，将所述期望转向角度与实际转向角度作差，得到差值，对差值进行微分，得到差值的微分值，调节控制器参数保证所述差值及其微分值收敛为零，得到输出电流；设计基于带遗忘因子的空间域迭代学习算法与线性扩张状态观测器的复合扰动抑制方法，将时变周期性转矩脉动与非周期性扰动以电流的方式补偿至所述转角跟踪控制器输出电流，并输入转向电机以提供理想的转向角度。本发明的复合扰动抑制方法可以有效抑制转向系统各种扰动，具有更好的转角跟踪性能与鲁棒性，因此具有广阔的市场前景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	孙浩宇;赵万忠;王春燕;栾众楷;梁为何;周小川
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-21T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-24T00:00:00+0800
申请号：	CN202311053471.4
公开号：	CN117104332A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	B62D5/04;B62D5/00;B62D6/00;B60W30/18;B60W50/00;G06N20/00;B62D137/00;B;G;B62;B60;G06;B62D;B60W;G06N;B62D5;B62D6;B60W30;B60W50;G06N20;B62D137;B62D5/04;B62D5/00;B62D6/00;B60W30/18;B60W50/00;G06N20/00;B62D137/00
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，基于线控转向系统，其特征在于，所述线控转向系统包括：转角控制器、逆变器、转向电机、转角传感器、转向齿轮、转向齿条、转向拉杆和前轮；所述转角控制器与逆变器电性连接，并发送控制指令到逆变器；所述逆变器与转向电机电性连接，逆变器产生三相电流驱动转向电机，转向电机为永磁同步电机；转向电机的输出端与转向齿轮机械连接，连接方式为轴与键的配合；转向齿轮与转向齿条相啮合，转向齿条与转向拉杆的一端机械连接，连接方式为螺纹连接，转向拉杆的另一端与前轮机械连接，连接方式为螺纹连接；转向拉杆带动前轮产生转向角度；所述转角传感器安装在转向电机输出轴与转向齿轮之间，输出电机转角信号；转角传感器与转角控制器电性连接，并通过信号线将转角信号传输给转角控制器；所述方法步骤如下： 1)转角控制器接收外部输入的车辆的期望转向角度，并将所述期望转向角度和车辆的实际转向角度作差，得到车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的差值； 2)建立包含非周期性扰动与时变周期性转矩脉动的线控转向系统不确定性模型，根据线控转向系统不确定性模型设计误差动态方程，将车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的差值及其微分值输入至误差动态方程，设计非奇异快速终端滑模面，根据非奇异快速终端滑模面与误差动态方程设计非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器，通过调节所述非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器的参数保证车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的差值及其微分值收敛为0，所述非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器计算得到输出电流； 3)设计线性扩张状态观测器，将转角传感器采集到的车辆的实际转向角度进行微分，得到车辆的实际转向角度的微分值，将车辆的实际转向角度、车辆的实际转向角度的微分值和非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器的输出电流输入至线性扩张状态观测器，经过计算得到转向角度估计值、转向角度微分值的估计值和非周期性扰动的估计值，并将以上估计值输入至非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器得到针对非周期性扰动的补偿电流； 4)设计转矩观测器，将转向电机转速与非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器输出电流输入至所述转矩观测器，计算得到转向电机输出转矩的观测值； 5)将转矩观测器的转矩观测值、转向电机实际q轴电流iq与非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器的输出电流代入带遗忘因子的空间域迭代学习算法，计算得到抑制时变周期性转矩脉动的补偿电流； 6)将非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器输出电流与非周期性扰动和时变周期性转矩脉动的补偿电流相加得到转向电机输入电流，通过输入电流驱动转向电机，为车辆提供理想的转向角度。 2.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：车辆的期望转向角度由驾驶员提供，车辆的实际转向角度由转角传感器获得，车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的差值e1为：式中，为期望转向角度；δf为实际转向角度。 3.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤2)中的线控转向系统不确定性模型包含非周期性扰动与时变周期性转矩脉动，将未知模型参数失配扰动、未知建模动态扰动、轮胎回正力矩与其他外部未知扰动组成的非周期性扰动建模为有界的不确定性扰动；将齿槽转矩、磁通谐波转矩、逆变器非线性转矩与电流采样误差扰动组成的时变周期性转矩脉动建模为有界的时变周期性扰动，得到线控转向系统不确定性模型；根据线控转向系统不确定性模型得到误差动态方程，将步骤1)中车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的差值进行微分，得到转向角度差值的微分值，将车辆期望的转向角度与车辆实际的转向角度的差值及其微分值代入误差动态方程，设计非奇异快速终端滑模面，根据非奇异快速终端滑模面与误差动态方程设计非奇异快速终端滑模转角控制器，通过调节非奇异快速终端滑模转角控制器参数使车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的差值及其微分值收敛为0，计算得到转角控制器所需输入电流。 4.根据权利要求3所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括： 21)将未知模型参数失配扰动、未知建模动态扰动、轮胎回正力矩与其他外部未知扰动组成的非周期性扰动建模为有界的不确定性扰动，具体如下：式中，t为时间，δf为前轮转向角度，τf为库仑摩擦转矩，τa为轮胎回正力矩，τd为模型参数不确定、未建模动态与其他外界随机扰动产生的非周期性转矩，Ff为库伦摩擦系数，tp为气动轨迹，tm为机械轨迹，Cαf为前轮侧偏刚度系数，β为侧偏角，a为前轴到重心的距离，r为中心的偏航速率，V为重心的纵向速度分量，Fd为非周期性扰动函数； 22)将齿槽转矩、磁通谐波转矩、逆变器非线性转矩与电流采样误差扰动组成的时变周期性转矩脉动建模为有界的时变周期性扰动，具体如下：式中，Tcog为齿槽转矩；ismag为定子电流幅值；Tn为傅里叶系数；Ns为齿槽数与极对数的最小公倍数；n为正整数；θm为转子角度；Tψf为磁通谐波转矩；T6k为各阶次磁通谐波系数，k＝1,2,3…,n；ωe为电角速度；Δuα和Δuβ分别为α、β轴的逆变器非线性电压；Δu为逆变器电压值；θe为电机电角度；ΔToffset为电流偏置误差扰动；ΔTscalig为电流缩放误差扰动；Kt为电流误差系数；为偏移相位；Δias和Δibs分别为相位a和b的测量电流偏移量；相位a和相位b的测量电流比例因子分别表示为Ka和Kb；t为时间； 23)线控转向系统不确定模型描述为：式中，J为转向系统转动惯量；B为转向系统阻尼系数；τm为转向电机输出转矩；κ为转向系统传动系数；令为非周期性转矩扰动，得到：式中，fa为非周期性总扰动；转向电机的输出转矩τm表示为：式中，Pn为转向电机极对数；ψf为转向电机磁链值；iq为转向电机q轴电流；τripple为周期性转矩脉动；包含周期性转矩脉动的电磁输出转矩表示为：式中，ψdk为各阶磁链值；Δioffset、Δiscaling、Δiinverter分别为由电流传感器的偏移、缩放误差和逆变器非线性引起的电流误差；转向电机输出转矩由直流分量和第1、2、6、12以及6的倍数阶次谐波分量组成，转向电机输出转矩简化为：式中，τek和φk分别为第k次谐波分量的幅值和相位角； 24)建立线控转向转角跟踪控制器；由线性扩张状态观测器的补偿作用，车辆的期望转向角度与车辆的实际转向角度的误差表示为：式中，为车辆的期望转向角度；δf为车辆的实际转向角度；/>为转向角度的观测值；为转向角度的时间微分的观测值；得到误差动态方程：式中，t1＝[e1,e2]Τ；线性扩张状态观测器观测扰动D为扰动最大值；u为控制输入；/>为转向角度的二次时间微分的期望值；设计非奇异快速终端滑模面为：式中，γ、p和q为非奇异快速终端滑模控制器的系数；γ＞0；p,q为正奇数，p＞q；非奇异快速终端滑模转角控制器输出电流u为：式中，为期望的转向角度的二次微分值；1＜p/q＜2；D为控制器参数；η为非奇异快速终端滑模控制器的系数，η＞0；sgn为符号函数。 5.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤3)中转角传感器测量得到车辆实际的转向角度，对其进行微分得到车辆实际的转向角度的微分值，设计线性扩张状态观测器，将车辆实际的转向角度、车辆实际的转向角度的微分值和非奇异快速终端滑模转角跟踪控制器输出电流作为线性扩张状态观测器输入，通过调节观测器带宽保证观测误差收敛为0，线性扩张状态观测器输出转向角度的估计值、转向角度的微分值的估计值和非周期性扰动估计值，并将转向角度、转向角度的微分值和非周期性扰动输入至误差动态方程中，利用非奇异快速终端滑模转角控制器得到非周期性扰动的补偿电流。 6.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：设计线性扩张状态观测器对线控转向系统不确定性模型的非周期性扰动进行补偿；设计线性扩张状态观测器具体为：设非周期性转矩扰动fa连续且微分，线性扩张状态观测器扩展非周期性转矩扰动fa作为新的状态变量x3；令为不同的状态变量，b＝κr/J；描述为：线性扩张状态观测器设计为：式中，为状态变量xi的估计值，i＝1,2,3；β01，β02和β03为待设计参数；令表示状态变量的估计误差，结合式/>与式得到：式中，令ω0为线性扩张状态观测器的带宽，选取特征多项式(s+ω0)3＝s3+β01s2+β02s+β03，表示为β01＝3ω0，保证矩阵A为Hurwitz矩阵；对于非周期性转矩扰动的估计值的非奇异快速终端滑模的补偿电流/>为： 7.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：设计转矩观测器，得到转矩观测值；构建永磁同步电机的状态方程：式中，Bm＝[1/Jm 0]Τ；Cm＝[1 0]；x′＝[ωm Te]Τ为状态变量；y′＝ωm为电机转速；Te为电机输出转矩；Jm为电机转动惯量；bm为电机阻尼系数；Am、Bm与Cm为状态方程的系数；u′为观测器输入；转矩观测器表示为：式中，期望的状态变量为实际的控制输出为y′＝Cmx′；期望的控制输出为/>K1＝[k1 k2]Τ和K2＝[k3 k4]Τ为反馈矩阵；k1、k2、k3和k4为转矩观测器系数；由和/>可得：式中，为观测误差；/>观测误差的微分值；I为单位矩阵；s为微分算子；观测器的特征方程表示为：式中，λ为特征方程自变量；det表示方阵线性变换对应矩阵的特征值之积；根据期望极点σ、以及期望的观测器表达式则可得：假设bm＝0，设计k1＝k3＝0，则可得状态反馈系数为：可得永磁同步电机转矩观测值为：得到的即为转矩观测值Tm。 8.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤5)中将线控转向系统不确定性模型简化为近似线性积分模型，得到近似线性积分模型的状态空间，将近似线性积分模型的状态空间改写为迭代学习状态空间，根据迭代学习状态空间设计带遗忘因子的空间域迭代学习算法，算法的输入包括上一次迭代的输出和上一次迭代的迭代学习跟踪误差，迭代学习跟踪误差为转矩实际值与转矩观测值的差值，设计得到带遗忘因子的空间域迭代学习算法的学习律，学习律为永磁同步电机对于周期性转矩脉动的补偿电流。 9.根据权利要求1所述的永磁同步电机线控转向系统复合扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤6)中转向电机理想的输入电流为非奇异快速终端滑模转角控制器的控制输出电流、带遗忘因子的空间域迭代学习算法输出的补偿电流与非周期性扰动的补偿电流的相加值，其中，带遗忘因子的空间域迭代学习算法输出的补偿电流包含了对周期性转矩脉动的补偿电流，非周期性扰动的补偿电流与带遗忘因子的空间域迭代学习算法的补偿电流相加即对非周期性扰动和周期性转矩脉动的复合扰动补偿，此时转向电机将理想的输入电流转换为电磁转矩，为线控转向系统提供转向动力，转向电机转动带动转向齿轮，转向齿轮旋转从而转向齿条横向移动，转向拉杆随之移动，从而带动前轮进行转向工作。
所属类别：	发明专利