本發(fā)明涉及一種用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度脈動抑制方法。將預(yù)測PI聯(lián)合控制器、非線性自適應(yīng)反饋觀測器、重復(fù)控制器以及矢量控制相結(jié)合的控制方法。

背景技術(shù)：

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，其發(fā)展是石油危機及人們對環(huán)境要求的必然產(chǎn)物。與內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車是以車載電源為動力，用電動機驅(qū)動車輪行駛，且滿足道路安全法規(guī)對汽車的各項要求的車輛。制約電動汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題是一次充電續(xù)駛里程和價格。目前在車載蓄電池技術(shù)未能突破的條件下，電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)的性能便成為解決這一關(guān)鍵問題的重要因素。這就要求電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有盡可能高的可靠性及在整個電動汽車驅(qū)動范圍內(nèi)具有盡可能高的效率。

初級永磁型磁通切換電機具有永磁電機的高功率密度和感應(yīng)電機定子結(jié)構(gòu)簡單的雙重優(yōu)點，且定子僅由導(dǎo)磁鐵心組成，因此在電動車領(lǐng)域中使用，具有一定的優(yōu)勢，但該類電機的定位力矩、參數(shù)擾動以及摩擦力等非線性因素造成的轉(zhuǎn)矩波動直接反映到電機轉(zhuǎn)子及伺服控制器上，引起電動汽車運行過程中的振動噪聲，從而造成機械損傷。其中電機的定位力是由于永磁磁場的存在，轉(zhuǎn)子和定子的雙凸極結(jié)構(gòu)相互作用引起，雖然永磁型磁通切換電機具有初級永磁結(jié)構(gòu)帶來的性能優(yōu)勢，但該類電機雙凸極的結(jié)構(gòu)本質(zhì)造成定位力矩較高的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的因電機定位力矩、摩擦力及參數(shù)變化等不確定性因素引起的轉(zhuǎn)矩波動，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制精度差和動態(tài)響應(yīng)能力低等問題，本發(fā)明提供一種用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度脈動抑制方法，將預(yù)測PI聯(lián)合控制器、非線性自適應(yīng)觀測器、重復(fù)控制以及矢量控制結(jié)合在一起，提高了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和動態(tài)響應(yīng)能力，實現(xiàn)對電動汽車運行過程中的脈動抑制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度脈動抑制方法，通過采用編碼器，獲知轉(zhuǎn)子位置，并且傳給速度控制環(huán)；速度控制環(huán)采用預(yù)測PI聯(lián)合控制器、重復(fù)控制器以及非線性自適應(yīng)觀測器結(jié)合的并聯(lián)形式；具體為：

電動啟動時采用預(yù)測PI聯(lián)合控制器與重復(fù)控制器并聯(lián)的形式，同時編碼器將連續(xù)的兩次采樣值帶入預(yù)測PI聯(lián)合控制器的預(yù)測域中；

當(dāng)電動車進入穩(wěn)定運行時切換至重復(fù)控制器與非線性自適應(yīng)觀測器并聯(lián)的形式，將速度控制環(huán)的出信號傳輸給電流控制環(huán)，電流控制環(huán)根據(jù)速度控制環(huán)的傳輸信號產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，控制電動汽車的平穩(wěn)運行。

進一步地，位置檢測單元將連續(xù)采樣的兩個位置與速度信號作為預(yù)測PI聯(lián)合控制器的輸入，由預(yù)測PI聯(lián)合控制器作用及時跟蹤擾動信號。

進一步地，電動汽車啟動時，首先對位置和速度進行檢測，將相鄰的位置檢測差值和速度值，作為預(yù)測控制器的輸入?yún)?shù)，確定PI參數(shù)，分析出速度收斂系數(shù)k_P和位置收斂系數(shù)k_i對系統(tǒng)輸出特性的影響，建立速度收斂系數(shù)k_P和位置收斂系數(shù)k_i兩個參數(shù)與速度值v及位置檢測差值x_c之間的模糊關(guān)系，即預(yù)測控制規(guī)則矩陣表；

在控制系統(tǒng)中不斷檢測速度值v和位置檢測差值x_c，再根據(jù)預(yù)測控制規(guī)則進行預(yù)測，查詢預(yù)測控制規(guī)則矩陣表對參數(shù)速度收斂系數(shù)k_P和位置收斂系數(shù)k_i進行在線調(diào)整，以滿足不同速度值v和位置檢測差值x_c對PI控制參數(shù)的要求。

進一步地，當(dāng)電動汽車穩(wěn)定運行后，預(yù)測PI整定控制器退出，由基于非線性反饋的重復(fù)控制器單獨作用，每一次速度檔位變化時，預(yù)測PI整定控制器自動啟用，速度穩(wěn)定時刻退出。

進一步地，重復(fù)控制器采用由動態(tài)補償器B(s)、時滯環(huán)節(jié)e^-τs以及低通濾波器Q(s)組成的插入式重復(fù)控制器，用C_r(s)表示；位置給定信號為R(s)，重復(fù)控制器的傳遞函數(shù)為：

進一步地，已知電動汽車驅(qū)動電機測量的時變干擾信號x是電機的位置信息，g(x)是隨電機位置變化的擾動信號，是參數(shù)化不確定性干擾信號，r(x,t)是非參數(shù)化不確定性。則，非線性自適應(yīng)反饋觀測器即如下：

是的估計，是不確定性r(x,t)的估計，即

其中，k_o為時變干擾信號系數(shù)；ω^j＝μ/j^l，μ和l是給定正常數(shù)，j為周期數(shù)，由于公式(3)可以看出，使誤差界隨周期數(shù)的增加而遞減，同時設(shè)置0<k₀<1，使界的估計值控制在較小的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性。本發(fā)明的有益效果是：

一、由于PI控制對于被控對象參數(shù)變化的適應(yīng)性有限，被控對象參數(shù)發(fā)生變化時或受到各種非線性不確定擾動的作用時，控制系統(tǒng)的控制性能將變壞。為減少數(shù)字PI參數(shù)整定的麻煩，克服環(huán)境變化或擾動作用造成的系統(tǒng)性能降低，本發(fā)明采用預(yù)測規(guī)則對PI參數(shù)進行自調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。速度環(huán)中的預(yù)測PI聯(lián)合控制器及重復(fù)控制器并聯(lián)在控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，可以立即跟蹤誤差，因此可對擾動及時抑制，無滯后現(xiàn)象。

二、本發(fā)明通過設(shè)計重復(fù)控制器對定位力引起的推力波動進行抑制；隨后設(shè)計非線性自適應(yīng)反饋觀測器，對因摩擦力及參數(shù)變化等不確定性因素引起的推力波動進行補償，同時使逼近誤差隨周期數(shù)的累加而呈現(xiàn)減小的趨勢。

三、本發(fā)明所設(shè)計的控制器對定位力矩擾動具有抑制作用，實現(xiàn)了周期性輸入信號的快速跟蹤，有效地降低電動汽車運行時的速度脈動，同時加入預(yù)測PI聯(lián)合控制器解決了重復(fù)控制滯后一個參考周期的現(xiàn)象。

附圖說明

圖1是實施例中預(yù)測PI聯(lián)合控制和重復(fù)控制相結(jié)合的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是實施例中隸屬度函數(shù)的示意圖。

圖3是實施例中參數(shù)速度收斂系數(shù)k_P和位置收斂系數(shù)k_i的預(yù)測推理規(guī)則表，其中，表1為k_P的預(yù)測推理規(guī)則表，表2為ki的預(yù)測推理規(guī)則表。

圖4是實施例中重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例

一種用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度脈動抑制方法結(jié)合重復(fù)控制器、預(yù)測PI聯(lián)合控制器以及非線性自適應(yīng)反饋觀測器對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度脈動進行抑制。

電動汽車啟動時刻，當(dāng)收到啟動指令后，速度環(huán)中的預(yù)測PI聯(lián)合控制器及重復(fù)控制器并聯(lián)在控制系統(tǒng)的前向通道中，共同對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生影響。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的跟蹤誤差小，預(yù)測PI聯(lián)合控制器的控制作用很小，基本不對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這時系統(tǒng)運行所需的控制作用多數(shù)由重復(fù)控制提供。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，由于有一個參考周期的延時，重復(fù)控制器的輸出不發(fā)生變化，但預(yù)測PI控制器卻感受到跟蹤誤差的突變并能立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。隨著誤差的減小，預(yù)測PI聯(lián)合控制器的控制作用逐漸減弱，直至系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

電動汽車穩(wěn)定運行過程中，采用了重復(fù)控制器與非線性自適應(yīng)反饋觀測器并聯(lián)的控制策略。通過設(shè)計重復(fù)控制器對定位力矩引起的轉(zhuǎn)矩波動進行抑制；隨后設(shè)計非線性自適應(yīng)反饋觀測器，對因摩擦力及參數(shù)變化等不確定性因素引起的轉(zhuǎn)矩波動進行補償，同時使逼近誤差隨周期數(shù)的累加而呈現(xiàn)減小的趨勢，保證了系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性。

該種用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度脈動抑制方法，如圖1，通過采用編碼器，獲知轉(zhuǎn)子位置，并且傳給速度控制環(huán)；速度控制環(huán)采用預(yù)測PI聯(lián)合控制器、重復(fù)控制器以及自適應(yīng)非線性觀測反饋控制器結(jié)合的并聯(lián)形式；具體為：

電動啟動時采用預(yù)測PI聯(lián)合控制器與重復(fù)控制器并聯(lián)的形式，同時編碼器將連續(xù)的兩次采樣值帶入預(yù)測PI聯(lián)合控制器的預(yù)測域中；具體如下：

電動汽車啟動時，首先要對其位置和速度進行檢測，將相鄰的位置檢測差值和速度值，作為預(yù)測控制器的輸入?yún)?shù)，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面找出PI參數(shù)，分析出k_P和k_i對系統(tǒng)輸出特性的影響(k_p為速度收斂系數(shù)，k_i為位置收斂系數(shù))建立k_P和k_i兩個參數(shù)與速度值v及位置檢測差值x_c之間的模糊關(guān)系。在控制系統(tǒng)中不斷檢測v和x_c，再根據(jù)預(yù)測控制規(guī)則進行預(yù)測，查詢預(yù)測矩陣表對參數(shù)k_P和k_i進行在線調(diào)整，以滿足不同v和x_c對PI控制參數(shù)的自整定要求，從而使被控對象具有良好的動靜態(tài)性能。

具體規(guī)則如圖2所示，橫坐標(biāo)速度值v的共分為6個檔位，即1～6檔，縱坐標(biāo)位置檢測差值x_c，差值范圍為0～1，建立k_P和k_i兩個參數(shù)與速度值v及位置檢測差值x_c之間的預(yù)測關(guān)系如圖3中表1、表2所示。

例如，通過位置傳感器對電動車驅(qū)動電機的位置進行兩次檢測(一次檢測為兩個連續(xù)的采樣周期的兩個測量數(shù)值，第二次檢測與第一次檢測相差3個采樣時間)，同時求得兩次誤差，判斷處于圖2中的上升沿，還是下降沿，確定電機處于加速過程(下降沿)，還是減速過程(上升沿)。同時記錄兩次的誤差值分別為e₁，e₂。確定x_c的位置處于區(qū)間，即P_1on、P_1off、P_2on、P_2off、P_3on、P_3off、P_4on、P_4off、P_5on、、P_5off、P_6on、P_6off，同時結(jié)合速度v根據(jù)表1和表2確定k_P和k_i的取值。

當(dāng)電動車進入穩(wěn)定運行時切換至重復(fù)控制器與非線性自適應(yīng)反饋觀測器并聯(lián)的形式，將速度控制環(huán)的出信號傳輸給電流控制環(huán)，電流控制環(huán)根據(jù)速度控制環(huán)的傳輸信號產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，控制電動汽車的平穩(wěn)運行。

考慮到電機初次級雙凸極結(jié)構(gòu)引起與位移相關(guān)的定位力和電機運動時形成周期性波動，因此把重復(fù)控制器引進電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)十分必要，以達到抑制周期干擾的目的，本發(fā)明選擇的重復(fù)控制器如圖4所示。由動態(tài)補償器B(s)、時滯環(huán)節(jié)e^-τs以及低通濾波器Q(s)組成的重復(fù)控制器(虛線部分)用C_r(s)表示；串聯(lián)補償器為C(s)，電機模型為P(s)，可采用相位超前滯后補償，滿足系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性的要求；另外，位置給定信號為R(s)；周期干擾信號周期為τ；擾動信號為D(s)。整理后可以得到改進型插入式重復(fù)控制器的傳遞函數(shù)，即

進一步地，已知電動汽車驅(qū)動電機測量的時變干擾信號x是電機的位置信息，g(x)是隨電機位置變化的擾動信號，是參數(shù)化不確定性干擾信號，r(x,t)是非參數(shù)化不確定性。則，非線性自適應(yīng)反饋觀測器即如下：

是的估計，是不確定性r(x,t)的估計，即

其中，k_o為時變干擾信號系數(shù)；ω^j＝μ/j^l，μ和l是給定正常數(shù)，j為周期數(shù)，由于公式(3)可以看出，使誤差界隨周期數(shù)的增加而遞減，同時設(shè)置0<k₀<1，使界的估計值控制在較小的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性。