一种基于滑模观测器的轮毂电机平台速度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种针对分布式电传汽车中轮毂电机平台速度控制方法。

背景技术

近年来，由于燃油汽车的数量不断增多，造成了日益严重的环境污染和能量消耗，因此对环境友好型和能源节约型车辆的需求量越来越大。随着电机材料和电机驱动技术等关键技术的突破，轮毂电机驱动的分布式电传动车辆成为了燃油汽车的理想替代品。轮毂电机具有传动效率高、控制性能好、传动链短等优点，是目前电传动车辆中较为理想的驱动部件。分布式电传动车辆将电机直接安装在车轮内，省掉了齿轮箱、传动轴、差速器等机械部件，大大提高了传动效率和空间利用率，且控制精度较高，目前是国内外研究的热点。

轮毂电机驱动的分布式电传动车辆中，由于轮毂电机之间缺少差速器，当整车行驶在崎岖路面或者转弯时，各个轮毂电机受到的外界载荷会不断发生改变，这将导致各车轮速度与指令速度产生偏差，难以实现各车轮之间的同步协调控制，会进一步影响到车辆行驶过程中的稳定性和安全性。公开号为CN110588335A的专利申请文件公开了一种纯电动汽车用带机械差速器的轮毂电机，包括机械差速器齿圈，所述机械差速器齿圈内设有行星齿轮架，所述行星齿轮架与汽车车轮的轮毂相连接，所述行星齿轮架上安装有多个行星齿轮，多个行星齿轮均与机械差速器齿圈的齿轮啮合，所述机械差速器齿圈内部还设有电机的转子组件和太阳轮，所述太阳轮与多个行星齿轮啮合，所述的太阳轮端部外圈上安装有电机的定子组件，所述定子组件与转子组件配合。其将机械式差速器与轮毂电机一体化设计，结构紧凑、性能可靠、传动效率高同时可以确保纯电动汽车实现四轮驱动的产品。另外，轮毂电机本体采用的是永磁同步电机，如公开号为CN211579727U的实用新型公开了一种永磁同步轮毂电机，是在冷钢板圈与磁钢片之间设置定位键，以此起到对冷钢板圈和磁钢片的固定作用，防止了车辆运行过程中，磁钢片与冷钢板圈之间可能产生的相对转动，提高了车辆的运行稳定性；同时轮毂本体采用铝压铸一次成型，也提高了轮毂的整体强度。但是该永磁同步电机为非线性、强耦合的控制主体，且内部参数会随着外界干扰产生变化，使得轮毂电机在控制过程中较难实现高精度控制。

发明内容

为了解决现有技术中，分布式电传动车辆中，各车轮负载不同时，难以实现轮毂电机之间的协同控制的不足，本发明的目的是提供一种基于滑模观测器的轮毂电机平台速度控制方法，采用了滑模观测器对外界载荷进行观测和补偿，采用一种非奇异终端滑模控制算法进一步提升轮毂电机的精度，实现分布式电传动车辆中单个电机的高精度控制。

为实现上述技术发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于滑模观测器的轮毂电机平台速度控制系统，由速度控制器、电流控制器、逆变器、轮毂电机和传感器五个部件组成，速度控制器收到指令速度，经本申请下述的非奇异终端滑模控制算法后形成控制电流i

控制系统部分(即速度控制器和电流控制器)采用矢量控制，由两个闭环控制部分组成，分别为速度控制环和电流控制环。速度控制环通过非奇异终端滑模算法控制转速，电流控制环通过PI算法控制转速。当电机速度差输入至速度控制器中，可通过非奇异终端滑模算法得出电机控制输入电流i

在速度控制器中，将转速差值和转速差值的微分导入非奇异终端滑模控制器中，再将滑模观测器观测到的电机转矩补偿值

一种基于滑模观测器的轮毂电机平台速度控制方法，包括以下几个步骤。

步骤1：搭建电机控制系统框图，本发明由速度控制器、电流控制器、逆变器、轮毂电机和传感器五个部件组成。本发明控制系统部分采用矢量控制，由两个闭环控制部分组成，分别为速度控制环和电流控制环。速度控制环通过非奇异终端滑模算法控制转速，电流控制环通过PI算法控制转速。由图1可得，当电机速度差输入至速度控制器中，可通过非奇异终端滑模算法得出电机控制输入电流i

步骤2：搭建轮毂电机速度控制器控制框图，在本发明速度控制器中，将转速差值和转速差值的微分导入非奇异终端滑模控制器中，再将滑模观测器观测到的电机转矩补偿值

步骤3：设计非奇异终端滑模控制器，定义轮毂电机系统的状态常量：

定义非奇异终端滑模面如下，以提高控制系统的控制

其中s表示终端滑模面，β,p,q是非奇异终端滑模面的控制常数，β＞0，p和q 都为正奇数且p>q。

取控制器输入量u(t)

其中1＜p/q＜2，η为常数且η＞0，D为常数且|d(t)|≤D，sgn(s)为终端滑模面s的符号函数。经Lyapunov函数验证可以使得轮毂电机速度控制器在有限时间内趋近到 0。

通过构建数学模型，得出轮毂电机的二阶方程为

其中f(x)＝0,

步骤4设计滑模观测器对轮毂电机外界负载估计，定义转矩滑模观测器函数如下：

其中

令

其中

经化简求解可求得转矩补偿值

步骤5：基于Matlab/Simulink对本发明有效性进行验证。

本发明有以下积极的效果：

(1)本发明通过滑模观测器对轮毂电机受到的外界载荷进行观测并补偿，有效地提高了轮毂电机的控制精度和响应速度。

(2)本发明采用非奇异终端滑模控制算法进一步提升轮毂电机的精度，提升了轮毂电机的鲁棒性，减少了电机在控制过程中的稳态误差。运用该发明可实现轮毂电机驱动的分布式电传动车辆的高精度，高效率控制。

附图说明

图1为轮毂电机控制框图；

图2为起动转速仿真示意图；

图3为突增负载转速仿真示意图；

图4为突降负载转速仿真示意图；

图5为余弦轨迹转速追踪仿真示意图(5(a)为本发明仿真示意图，5(b)为传统SMC仿真示意图)；

图6为电流检测示意图；

图7为滑模观测器的轮毂电机平台速度控制策略设计步骤流程图；

其中：速度控制器-1、电流控制器-2、轮毂电机-3、传感器-4、非奇异终端滑模控制器5。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图7为滑模观测器的轮毂电机平台速度控制策略设计步骤流程图，参照图7所示，一种基于滑模观测器的轮毂电机平台速度控制策略，包括以下几个步骤。

步骤1：搭建电机控制系统框图，如图1所示，本发明由速度控制器、电流控制器、逆变器、轮毂电机和传感器五个部件组成，速度控制器收到指令速度，经本申请设计的非奇异终端滑模控制算法后形成控制电流i

控制系统部分采用矢量控制，由两个闭环控制部分组成，分别为速度控制环和电流控制环。速度控制环通过非奇异终端滑模算法控制转速，电流控制环通过PI算法控制转速。由图1可得，当电机速度差输入至速度控制器1中，可通过非奇异终端滑模算法得出电机控制输入电流i

步骤2：搭建轮毂电机速度控制器控制框图，如图2所示，在本发明速度控制器中，将转速差值和转速差值的微分导入非奇异终端滑模控制器5中，再将滑模观测器观测到的电机转矩补偿值

步骤3：设计非奇异终端滑模控制器，定义轮毂电机系统的状态常量：

设计非奇异终端滑模面，以提高控制系统的控制

其中s表示终端滑模面，β,p,q是非奇异终端滑模面的控制常数，β＞0，p和q 都为正奇数且p>q.

设计控制输入量u(t)

其中1＜p/q＜2，η为常数且η＞0，D为常数且|d(t)|≤D，sgn(s)为终端滑模面s的符号函数。

通过构建数学模型，得出轮毂电机的二阶方程为

其中f(x)＝0,

其中x

取控制器输入u为

控制目标为：通过设计滑模控制率，提升轮毂电机控制系统控制精度和趋近速度，通过滑模观测器实现对轮毂电机负载转矩T

步骤4根据轮毂电机二阶非线性系统，设计滑模观测器函数如下：

其中

令

其中

经化简求解可求得转矩补偿值

设计Lyapunov函数保证滑模观测器稳定性。

定义

令滑模增益k满足以下条件

k≥|M|

可得

对e

步骤5：基于Matlab/Simulink对本发明有效性进行验证。

由图3可得，当给定轮毂电机控制平台1200r/min的转速起动指令时，本发明算法相较传统SMC控制算法和非奇异SMC控制算法具有起动响应快、无超调量、稳态误差小等优点。由图3可得，当给定轮毂电机控制平台20N·m的突增负载指令时，通过本发明设计的滑模观测器，使得轮毂电机控制平台具有较快的响应速度和更小的调节波动，动态性能较好，鲁棒性较强。由图4可得，相较传统SMC控制策略，当给定随时间变化的余弦转速指令时，本发明提出的控制算法具有更好的转速轨迹追踪特性。由图5可得，当在1s时给定轮毂电机控制平台20N·m的突增负载指令和2s时给定-20N·m突降负载指令时，本发明设计的滑模观测器可以较好地估算出外界负载，且达到稳态时观测值波动较小。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。