一種永磁轉(zhuǎn)差離合器及其自適應非奇異終端滑模轉(zhuǎn)速控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種永磁轉(zhuǎn)差離合器自適應非 奇異終端滑模轉(zhuǎn)速控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學技術(shù)和汽車工業(yè)的進步和發(fā)展，人們不僅僅滿足于車輛性能地提高，車 輛行駛時的操縱穩(wěn)定性、安全性和節(jié)能性也越來越受到重視。目前，大部分重型車輛都使用 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)，在低速時能夠提供良好的助力，但是其助力特性比較單 一，不能隨車速變化而變化，導致車輛高速行駛時，助力過大，此時駕駛員"路感"較差，會產(chǎn) 生方向盤發(fā)飄的問題，對車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生一定影響。同時有資料表明，車輛 處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)的行駛時間不超過20%，但傳統(tǒng)HPS的轉(zhuǎn)向栗直接與發(fā)動機相連，在約80%的 非轉(zhuǎn)向時間，轉(zhuǎn)向栗也一直處于運行狀態(tài)，且轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速越高，液壓回路能量損失也越大， 造成能源的浪費。
[0003] 在傳統(tǒng)HPS系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將永磁轉(zhuǎn)差離合器聯(lián)接于發(fā)動機輸出端和轉(zhuǎn)向栗輸入端， 構(gòu)成永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECHPS)。通過調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)差離合器外電路 IGBT占空比，就可控制主、從動部件轉(zhuǎn)差，從而控制轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。永磁轉(zhuǎn)差離合器可 實現(xiàn)無極變速，平滑傳遞轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)向栗在不同的工況下按需輸出液壓功率，保證了重型 車輛低速時轉(zhuǎn)向輕便性和高速時良好的"路感"，提高操縱性，安全性和節(jié)能性。發(fā)明專利 CN105109549A提出的電磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)勵磁電流大小，控制 主、從動部件轉(zhuǎn)差，從而控制轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，但是研究發(fā)現(xiàn)其存在體積大，轉(zhuǎn)動慣量大 的缺點，而本發(fā)明中提出的永磁轉(zhuǎn)差離合器相對于電磁轉(zhuǎn)差離合器而言，其體積小，轉(zhuǎn)動慣 量小，無需直流勵磁，節(jié)省了一定能耗，具有相對更好的性能。實用新型專利CN204465317U 中講述了一種永磁轉(zhuǎn)差離合器，結(jié)構(gòu)上與本發(fā)明類似，其外轉(zhuǎn)子是永磁轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子是繞組 轉(zhuǎn)子，采用電氣開關(guān)來控制永磁轉(zhuǎn)差離合器的接合與分離。而本發(fā)明中外轉(zhuǎn)子是繞組轉(zhuǎn)子， 內(nèi)轉(zhuǎn)子是永磁轉(zhuǎn)子，采用調(diào)節(jié)外電路IGBT占空比，實現(xiàn)永磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速功能，且運用了 自適應非奇異終端滑?？刂扑惴?，控制效果更好。
[0004] 轉(zhuǎn)向時，永磁轉(zhuǎn)差離合器式ECHPS系統(tǒng)存在一些不確定性(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速會發(fā)生波 動）和外界干擾(如側(cè)向風），引起轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速波動與方向盤轉(zhuǎn)角/轉(zhuǎn)矩跳動，造成永磁轉(zhuǎn)差 離合器控制量發(fā)生抖動，從而使得轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化。
[0005] 滑模控制具有對參數(shù)變化及擾動不靈敏，較好的魯棒性等優(yōu)點。而傳統(tǒng)滑?？刂?選取的是線性滑模面，對于一些復雜的、控制要求較高的非線性系統(tǒng)，線性滑模面具有一定 的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對永磁轉(zhuǎn)差離合器式ECHPS系統(tǒng)，提出了一種自適應非奇異終端滑?？刂品椒?， 能解決參數(shù)攝動、外界干擾不確定性問題，還能使得跟蹤誤差快速收斂到零(即轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速 快速跟蹤理想值），具有更好的魯棒性。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種永磁轉(zhuǎn)差離合器，包括外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子和外控制電路;所述外轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌有三相 繞組，三相繞組通過滑環(huán)和電刷與外控制電路連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼永磁體，構(gòu)成隱極式內(nèi)轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)；當外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子與所述外轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所述電磁轉(zhuǎn)矩帶動所述 內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);所述外控制電路是基于IGBT的Boost電路，用于精確控制內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
[0008] 作為優(yōu)選方案，所述外轉(zhuǎn)子作為輸入端，通過主動軸與發(fā)動機連接，所述發(fā)動機帶 動外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);所述內(nèi)轉(zhuǎn)子作為輸出端，通過從動軸與轉(zhuǎn)向栗連接，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動所述轉(zhuǎn) 向栗旋轉(zhuǎn)。
[0009] 基于上述永磁轉(zhuǎn)差離合器，本發(fā)明還提出了一種永磁轉(zhuǎn)差離合器自適應非奇異終 端滑模轉(zhuǎn)速控制方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1，在傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將永磁轉(zhuǎn)差離合器的外轉(zhuǎn)子通 過主動軸與發(fā)動機連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過從動軸與轉(zhuǎn)向栗連接，構(gòu)建永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；
[0011] 步驟2,建立轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速誤差的狀態(tài)方程；
[0012] 步驟3,基于李亞普諾夫函數(shù)設計自適應非奇異終端滑?？刂破鳌?br>[0013] 作為優(yōu)選方案，步驟1中所述永磁轉(zhuǎn)差離合器的外控制電路是基于IGBT的Boost電 路，通過調(diào)節(jié)IGBT的占空比，改變外轉(zhuǎn)子三相繞組電流，進而改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小。
[0014] 作為優(yōu)選方案，步驟2的實現(xiàn)包括：
[0015] 步驟2-1，建立永磁轉(zhuǎn)差離合器的數(shù)學模型，包括：
[0016] 電壓方g .，：
[0017] 電磁轉(zhuǎn)矩方程Te = CmId;
[0018] 運動方程
[0019] 其中，Ud為感應電動勢，k為感應電動勢系數(shù)，D為占空比，Uc為電容端電壓，Ld為外 轉(zhuǎn)子整流回路等效電感，Id為外轉(zhuǎn)子整流回路繞組電流，R為外轉(zhuǎn)子整流回路等效電阻，ω ^ ?2分別為外、內(nèi)轉(zhuǎn)子機械角速度，C為電容，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Tl為負載轉(zhuǎn)矩，F(xiàn) 2 為內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)，J2為內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；
[0020] 步驟2-2,定義狀態(tài)變量E=[ei，e2]T，g卩
！其中，COd為轉(zhuǎn)向栗理想 轉(zhuǎn)速；
[0021 ]步驟2-3,結(jié)合步驟2-1和步驟2-2,得到轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速誤差的狀態(tài)方程為：
[0022]
[0023] 其中，
，
u為控制量。
[0024] 步驟2-4,得到包含參數(shù)攝動和外界干擾的轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速誤差的狀態(tài)方程為：
[0025]
[0026] 其中，g(t)為總的不確定性，g(t)= Af+Agu+d(t)，Af, Ag為不確定因素，|g(t) < Ig，Ig為干擾上界。
[0027] 作為優(yōu)選方案，步驟3的實現(xiàn)包括如下：
[0028]步驟3-1，根據(jù)步驟2建立的狀態(tài)方程，選取非奇異終端滑模面為：
[0029]
其中β>0，ρ和q為正奇數(shù)，且l〈p/q〈2;
[0030] 步驟3-2,利用非奇異終端滑模面建立非奇異終端滑模控制律為：
[0031 ]
其中 n>〇;
[0032] 步驟3-3,用18的估計值ζ代替Ig，得到自適應非奇異終端滑模控制律為：
[0033]
[0034]步驟3-4,定義李亞普諾夫函數(shù)：
[0035]
其中/2 =/2-? 為大于0的可調(diào)參數(shù)；
[0036] 步驟3-5,設計自適應律：
，得到
[0037]
[0038]本發(fā)明的有益效果：
[0039] (1)構(gòu)建了一種新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一一永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，繼 承了傳統(tǒng)HPS基本結(jié)構(gòu)原理，能通過控制永磁轉(zhuǎn)差離合器轉(zhuǎn)速（即控制轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速)實現(xiàn)按 需功率輸出，實現(xiàn)可變助力特性，保證車輛低速時轉(zhuǎn)向輕便性和高速時良好的路感，同時節(jié) 省了能耗。
[0040] (2)利用非奇異終端滑?？刂平Y(jié)合自適應控制，對永磁轉(zhuǎn)差離合器轉(zhuǎn)速進行控制， 其相對于普通滑模控制，能使控制系統(tǒng)在有限時間內(nèi)快速收斂到期望軌跡，動態(tài)響應快，且 具有更高的穩(wěn)態(tài)精度，能解決系統(tǒng)參數(shù)攝動和外界干擾不確定性問題，具有好的魯棒性。
【附圖說明】
[0041] 圖1為永磁轉(zhuǎn)差離合器機械結(jié)構(gòu)圖；
[0042] 圖2為永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖；
[0043]圖3為永磁轉(zhuǎn)差離合器外電路控制圖；
[0044]圖4為永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略圖；
[0045]圖5為原地轉(zhuǎn)向時自適應非奇異終端滑?？刂频霓D(zhuǎn)速跟蹤誤差；
[0046] 圖6為原地轉(zhuǎn)向時自適應非奇異終端滑模和普通滑?？刂菩Ч麑Ρ?；
[0047] 圖7為某一工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速圖，在1-1.5s的時候，發(fā)動機轉(zhuǎn)速受到干擾，發(fā)生變 化，其余時間保持轉(zhuǎn)速為1300r/min;
[0048] 圖8為某一工況下發(fā)動機受到干擾時（該工況下的理想轉(zhuǎn)速為450r/min)，自適應 非奇異終端滑?？刂茖D(zhuǎn)速的控制效果；
[0049]圖9為圖4中助力特性的放大圖。
【具體實施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0051] 一種永磁轉(zhuǎn)差離合器自適應非奇異終端滑模轉(zhuǎn)速控制方法，具體步驟如下：
[0052]步驟一:構(gòu)建永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
[0053] 如圖1，2所示，永磁轉(zhuǎn)差離合器主要由外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子和外控制電路組成。外轉(zhuǎn)子 內(nèi)嵌有三相繞組，三相繞組通過滑環(huán)和電刷與外控制電路連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼永磁體，形成隱 極式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。外轉(zhuǎn)子是輸入端，通過主動軸與發(fā)動機聯(lián)接，內(nèi)轉(zhuǎn)子是輸出端，通過從動 軸與轉(zhuǎn)向栗聯(lián)接，從而構(gòu)成圖2所示的永磁轉(zhuǎn)差離合器式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
[0054] 步驟二:建立轉(zhuǎn)向栗轉(zhuǎn)速誤差的狀態(tài)方程
[0055] 如圖1所示，永磁轉(zhuǎn)差離合器工作原理：永磁體在內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極中建立恒定的主磁 場，當發(fā)動機帶動外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，電樞部分切割主磁場，三相繞組產(chǎn)生感應電流，形成電樞 磁場，其與主磁場交鏈，從而內(nèi)外轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)向栗一起 旋轉(zhuǎn)。
[0056]如圖3所示，永磁轉(zhuǎn)差離合