一种永磁转差离合器及其自适应非奇异终端滑模转速控制方法

摘要

本发明公开了一种永磁转差离合器及其自适应非奇异终端滑模转速控制方法，包括如下：(1)将永磁转差离合器的外转子与发动机连接，内转子与转向泵连接，构成永磁转差离合器式电控液压助力转向系统；(2)建立永磁转差离合器数学模型，包括电压方程、电磁转矩方程和运动方程；(3)根据数学模型，采用自适应非奇异终端滑模控制方法，设计非奇异终端滑模面，推导控制律，利用李亚普诺夫稳定性理论设计参数不确定因素的自适应律，保证该控制系统的稳定性。本发明利用自适应非奇异终端滑模控制方法，克服了系统参数摄动和外界干扰不确定性问题，减少抖振，具有很强的鲁棒性，实现对永磁转差离合器输出转速的精确控制，保证跟踪误差快速收敛到零。

说明书

技术领域

本发明属于汽车液压助力转向系统领域，具体涉及一种永磁转差离合器自适应非奇异终端滑模转速控制方法。

背景技术

随着科学技术和汽车工业的进步和发展，人们不仅仅满足于车辆性能地提高，车辆行驶时的操纵稳定性、安全性和节能性也越来越受到重视。目前，大部分重型车辆都使用传统的液压助力转向系统(HPS)，在低速时能够提供良好的助力，但是其助力特性比较单一，不能随车速变化而变化，导致车辆高速行驶时，助力过大，此时驾驶员“路感”较差，会产生方向盘发飘的问题，对车辆的操纵稳定性和安全性产生一定影响。同时有资料表明，车辆处于转向状态的行驶时间不超过20％，但传统HPS的转向泵直接与发动机相连，在约80％的非转向时间，转向泵也一直处于运行状态，且转向泵转速越高，液压回路能量损失也越大，造成能源的浪费。

在传统HPS系统基础上，将永磁转差离合器联接于发动机输出端和转向泵输入端，构成永磁转差离合器式电控液压助力转向系统(ECHPS)。通过调节永磁转差离合器外电路IGBT占空比，就可控制主、从动部件转差，从而控制转向泵转速和转矩。永磁转差离合器可实现无极变速，平滑传递转矩，使得转向泵在不同的工况下按需输出液压功率，保证了重型车辆低速时转向轻便性和高速时良好的“路感”，提高操纵性，安全性和节能性。发明专利CN105109549A提出的电磁转差离合器式电控液压转向系统，通过调节励磁电流大小，控制主、从动部件转差，从而控制转向泵转速和转矩，但是研究发现其存在体积大，转动惯量大的缺点，而本发明中提出的永磁转差离合器相对于电磁转差离合器而言，其体积小，转动惯量小，无需直流励磁，节省了一定能耗，具有相对更好的性能。实用新型专利CN204465317U中讲述了一种永磁转差离合器，结构上与本发明类似，其外转子是永磁转子，内转子是绕组转子，采用电气开关来控制永磁转差离合器的接合与分离。而本发明中外转子是绕组转子，内转子是永磁转子，采用调节外电路IGBT占空比，实现永磁转差离合器调速功能，且运用了自适应非奇异终端滑模控制算法，控制效果更好。

转向时，永磁转差离合器式ECHPS系统存在一些不确定性(如发动机转速会发生波动)和外界干扰(如侧向风)，引起转向泵转速波动与方向盘转角/转矩跳动，造成永磁转差离合器控制量发生抖动，从而使得转向泵转速随之发生变化。

滑模控制具有对参数变化及扰动不灵敏，较好的鲁棒性等优点。而传统滑模控制选取的是线性滑模面，对于一些复杂的、控制要求较高的非线性系统，线性滑模面具有一定的局限性。

发明内容

针对永磁转差离合器式ECHPS系统，提出了一种自适应非奇异终端滑模控制方法，能解决参数摄动、外界干扰不确定性问题，还能使得跟踪误差快速收敛到零(即转向泵转速快速跟踪理想值)，具有更好的鲁棒性。实现本发明的技术方案如下：

一种永磁转差离合器，包括外转子、内转子和外控制电路；所述外转子内嵌有三相绕组，三相绕组通过滑环和电刷与外控制电路连接，内转子表贴永磁体，构成隐极式内转子结构；当外转子旋转时，所述内转子与所述外转子间产生电磁转矩，所述电磁转矩带动所述内转子旋转；所述外控制电路是基于IGBT的Boost电路，用于精确控制内转子的转速。

作为优选方案，所述外转子作为输入端，通过主动轴与发动机连接，所述发动机带动外转子旋转；所述内转子作为输出端，通过从动轴与转向泵连接，所述内转子带动所述转向泵旋转。

基于上述永磁转差离合器，本发明还提出了一种永磁转差离合器自适应非奇异终端滑模转速控制方法，包括如下步骤：

步骤1，在传统液压助力转向系统HPS结构基础上，将永磁转差离合器的外转子通过主动轴与发动机连接，内转子通过从动轴与转向泵连接，构建永磁转差离合器式电控液压助力转向系统；

步骤2，建立转向泵转速误差的状态方程；

步骤3，基于李亚普诺夫函数设计自适应非奇异终端滑模控制器。

作为优选方案，步骤1中所述永磁转差离合器的外控制电路是基于IGBT的Boost电路，通过调节IGBT的占空比，改变外转子三相绕组电流，进而改变电磁转矩的大小。

作为优选方案，步骤2的实现包括：

步骤2-1，建立永磁转差离合器的数学模型，包括：

电压方程$>\left(\begin{array}{c}{U}_d-(1-D)U_c=L_d\stackrel{·}{I_d}+{\mathrm{RI}}_d\\ U_d=k({\omega }_1-{\omega }_2)\\ U_c=\sqrt{L_d/c}{I}_d\end{array}\right);$>

电磁转矩方程T_e＝C_mI_d；

运动方程$>T_e-T_L-F_2{\omega }_2=J_2\stackrel{·}{{\omega }_2};$>

其中，U_d为感应电动势，k为感应电动势系数，D为占空比，U_c为电容端电压，L_d为外转子整流回路等效电感，I_d为外转子整流回路绕组电流，R为外转子整流回路等效电阻，ω₁、ω₂分别为外、内转子机械角速度，c为电容，T_e为电磁转矩，C_m为转矩系数，T_L为负载转矩，F₂为内转子转动阻尼系数，J₂为内转子转动惯量；

步骤2-2，定义状态变量E＝[e₁,e₂]^T,即$>\left(\begin{array}{c}{e}_1={\omega }_2-{\omega }_d\\ e_2=\stackrel{·}{e_1}=\stackrel{·}{{\omega }_2}-\stackrel{·}{{\omega }_d}\end{array}\right);$>其中，ω_d为转向泵理想转速；

步骤2-3，结合步骤2-1和步骤2-2，得到转向泵转速误差的状态方程为:

$>\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{e_1}=e_2\\ \stackrel{·}{e_2}=f+gu+d\left(t\right)\end{array}\right)$>

其中，$>f=-\frac{C_{m}k+\left(\sqrt{L_d/c}+R\right)F_2}{L_d{J}_2}{\omega }_2-\frac{\left(\sqrt{L_d/c}+R\right)J_2+L_d{F}_2}{L_d{J}_2}\stackrel{·}{{\omega }_2}+\frac{C_m{\mathrm{k\omega }}_1-\left(\sqrt{L_d/c}+R\right)T_L-L_d\stackrel{·}{T_L}}{L_d{J}_2},$>$>g=\frac{\sqrt{L_d/c}(J_2\stackrel{·}{{\omega }_2}+T_L+F_2{\omega }_2)}{L_d{J}_2},d\left(t\right)=-\stackrel{··}{{\omega }_d},$>u为控制量。

步骤2-4，得到包含参数摄动和外界干扰的转向泵转速误差的状态方程为:

$>\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{e_1}=e_2\\ \stackrel{·}{e_2}=f+gu+g\left(t\right)\end{array}\right)$>

其中，g(t)为总的不确定性，g(t)＝Δf+Δgu+d(t)，Δf,Δg为不确定因素，|g(t)|≤l_g，l_g为干扰上界。

作为优选方案，步骤3的实现包括如下：

步骤3-1，根据步骤2建立的状态方程，选取非奇异终端滑模面为：

其中β>0，p和q为正奇数，且1<p/q<2；

步骤3-2，利用非奇异终端滑模面建立非奇异终端滑模控制律为：

$>u=-\frac{1}{g}(f+\beta \frac{q}{p}{e_2}^{2-\frac{p}{q}}+(l_g+\eta \left)\mathrm{sgn}\right(s\left)\right);$>其中η>0；

步骤3-3，用l_g的估计值代替l_g，得到自适应非奇异终端滑模控制律为：

$>u=-\frac{1}{g}(f+\beta \frac{q}{p}{e_2}^{2-\frac{p}{q}}+(\widehat{l_g}+\eta \left)\mathrm{sgn}\right(s\left)\right);$>

步骤3-4，定义李亚普诺夫函数：

$>V=\frac{1}{2}{s}^2+\frac{1}{2m}\widetilde{{l_g}^2};$>其中$>\widetilde{l_g}=l_g-\widehat{l_g},$>m为大于0的可调参数；

步骤3-5，设计自适应律：$>\stackrel{·}{\widehat{l_g}}=mϵ\left|s\right|,ϵ=\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1},$>得到

$>\begin{array}{c}\stackrel{·}{V}=S\stackrel{·}{S}-\frac{1}{m}\widetilde{l_g}\stackrel{·}{\widehat{l_g}}=\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\left[sg\left(t\right)-\left(\widehat{l_g}+\eta \right)\left|s\right|\right]-\frac{1}{m}\widetilde{l_g}\stackrel{·}{\widehat{l_g}}\\ =\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\left[sg\left(t\right)-\left(\widehat{l_g}+\eta \right)\left|s\right|\right]-\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\widetilde{l_g}\left|s\right|\\ \le -\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\eta \left|s\right|\end{array}.$>

本发明的有益效果：

(1)构建了一种新型转向系统——永磁转差离合器式电控液压助力转向系统，继承了传统HPS基本结构原理，能通过控制永磁转差离合器转速(即控制转向泵转速)实现按需功率输出，实现可变助力特性，保证车辆低速时转向轻便性和高速时良好的路感，同时节省了能耗。

(2)利用非奇异终端滑模控制结合自适应控制，对永磁转差离合器转速进行控制，其相对于普通滑模控制，能使控制系统在有限时间内快速收敛到期望轨迹，动态响应快，且具有更高的稳态精度，能解决系统参数摄动和外界干扰不确定性问题，具有好的鲁棒性。

附图说明

图1为永磁转差离合器机械结构图；

图2为永磁转差离合器式电控液压助力转向系统结构简图；

图3为永磁转差离合器外电路控制图；

图4为永磁转差离合器式电控液压助力转向系统控制策略图；

图5为原地转向时自适应非奇异终端滑模控制的转速跟踪误差；

图6为原地转向时自适应非奇异终端滑模和普通滑模控制效果对比；

图7为某一工况下发动机转速图，在1-1.5s的时候，发动机转速受到干扰，发生变化，其余时间保持转速为1300r/min；

图8为某一工况下发动机受到干扰时(该工况下的理想转速为450r/min)，自适应非奇异终端滑模控制对转速的控制效果；

图9为图4中助力特性的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种永磁转差离合器自适应非奇异终端滑模转速控制方法，具体步骤如下：

步骤一：构建永磁转差离合器式电控液压助力转向系统

如图1，2所示，永磁转差离合器主要由外转子、内转子和外控制电路组成。外转子内嵌有三相绕组，三相绕组通过滑环和电刷与外控制电路连接，内转子表贴永磁体,形成隐极式内转子结构。外转子是输入端，通过主动轴与发动机联接，内转子是输出端，通过从动轴与转向泵联接，从而构成图2所示的永磁转差离合器式电控液压助力转向系统。

步骤二：建立转向泵转速误差的状态方程

如图1所示，永磁转差离合器工作原理：永磁体在内转子磁极中建立恒定的主磁场，当发动机带动外转子旋转时，电枢部分切割主磁场，三相绕组产生感应电流，形成电枢磁场，其与主磁场交链，从而内外转子间产生电磁转矩，电磁转矩带动内转子与转向泵一起旋转。

如图3所示，永磁转差离合器外控制电路是基于IGBT的Boost电路，通过调节IGBT的占空比，可改变外转子三相绕组电流，就可改变电磁转矩的大小，从而实现内转子和转向泵转速的精确控制。结合图1至图3，建立转向泵转速误差的状态方程的过程包括如下：

1、建立起永磁转差离合器的数学模型，包括电压方程、电磁转矩方程和运动方程：

电压方程$>\left(\begin{array}{c}{U}_d-(1-D)U_c=L_d\stackrel{·}{I_d}+{\mathrm{RI}}_d\\ U_d=k({\omega }_1-{\omega }_2)\\ U_c=\sqrt{L_d/c}{I}_d\end{array}\right)$>

电磁转矩方程T_e＝C_mI_d

运动方程$>T_e-T_L-F_2{\omega }_2=J_2\stackrel{·}{{\omega }_2}$>

其中，U_d为感应电动势，k为感应电动势系数，D为占空比，U_c为电容端电压，L_d为外转子整流回路等效电感，I_d为外转子整流回路绕组电流，R为外转子整流回路等效电阻，ω₁、ω₂分别为外、内转子机械角速度，c为电容，T_e为电磁转矩，C_m为转矩系数，T_L为负载转矩，F₂为内转子转动阻尼系数，J₂为内转子转动惯量。

2、定义状态变量E＝[e₁,e₂]^T,即$>\left(\begin{array}{c}{e}_1={\omega }_2-{\omega }_d\\ e_2=\stackrel{·}{e_1}=\stackrel{·}{{\omega }_2}-\stackrel{·}{{\omega }_d}\end{array}\right).$>

其中，ω_d为转向泵理想转速，

3、根据上面建立的永磁转差离合器的数学模型，推导得转向泵转速误差的状态方程为:

$>\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{e_1}=e_2\\ \stackrel{·}{e_2}=f+gu+d\left(t\right)\end{array}\right)$>

其中，$>f=-\frac{C_{m}k+\left(\sqrt{L_d/c}+R\right)F_2}{L_d{J}_2}{\omega }_2-\frac{\left(\sqrt{L_d/c}+R\right)J_2+L_d{F}_2}{L_d{J}_2}\stackrel{·}{{\omega }_2}+\frac{C_m{\mathrm{k\omega }}_1-\left(\sqrt{L_d/c}+R\right)T_L-L_d\stackrel{·}{T_L}}{L_d{J}_2},$>$>g=\frac{\sqrt{L_d/c}(J_2\stackrel{·}{{\omega }_2}+T_L+F_2{\omega }_2)}{L_d{J}_2},d\left(t\right)=-\stackrel{··}{{\omega }_d},$>u为控制量。

4、考虑永磁转差离合器中参数不确定因素，包括参数摄动和外界干扰等，此时可表示为：

$>\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{e_2}=(f+\Delta f)+(g+\Delta g)u+d\left(t\right)\\ =f+gu+\left(\Delta f+\Delta gu+d\left(t\right)\right)\end{array}\right)$>

其中，Δf,Δg分别为对应项的不确定因素，它们都是有界的。记g(t)为总的不确定性，g(t)＝Δf+Δgu+d(t)，所以转向泵转速误差的状态方程又可表示为:

$>\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{e_1}=e_2\\ \stackrel{·}{e_2}=f+gu+g\left(t\right)\end{array}\right)$>

其中，g(t)有界，|g(t)|≤l_g，l_g为干扰上界。

步骤三.基于李亚普诺夫函数设计自适应非奇异终端滑模控制器

为了实现永磁转差离合器式电控液压助力转向系统的操纵稳定性、安全性和节能性的相互协调，提出“不转向时液压系统维持基本压力，原地转向时提供最大的助力，随着车速的升高，提供的助力逐渐减小”的控制要求。且在重型车辆实际运行过程中，存在各种不确定因素和外界干扰，如发动机转速波动，路面激励等，针对此系统，提出了利用自适应非奇异终端滑模控制方法对永磁转差离合器进行转速控制，控制策略如图4所示，控制器设计过程如下：

1、根据建立的系统状态方程，选取非奇异终端滑模面为：

$>s=e_1+\frac{1}{\beta }{e_2}^{\frac{p}{q}}$>

其中，β>0，p和q为正奇数，且1<p/q<2。

2、利用非奇异终端滑模面建立非奇异终端滑模控制律为：

$>u=-\frac{1}{g}(f+\beta \frac{q}{p}{e_2}^{2-\frac{p}{q}}+(l_g+\eta \left)\mathrm{sgn}\right(s\left)\right)$>

其中，η>0。

3、用l_g的估计值代替l_g，得到自适应非奇异终端滑模控制律为：

$>u=-\frac{1}{g}(f+\beta \frac{q}{p}{e_2}^{2-\frac{p}{q}}+(\widehat{l_g}+\eta \left)\mathrm{sgn}\right(s\left)\right)$>

4、定义李亚普诺夫函数：

$>V=\frac{1}{2}{s}^2+\frac{1}{2m}\widetilde{{l_g}^2}$>

其中，m为可调参数。

所以，$>\stackrel{·}{V}=S\stackrel{·}{S}-\frac{1}{m}\widetilde{l_g}\stackrel{·}{\widehat{l_g}}=\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\left[sg\left(t\right)-\left(\widehat{l_g}+\eta \right)\left|s\right|\right]-\frac{1}{m}\widetilde{l_g}\stackrel{·}{\widehat{l_g}}$>

5、设计自适应律：$>\stackrel{·}{\widehat{l_g}}=mϵ\left|s\right|,ϵ=\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1},$>则有

$>\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{V}=S\stackrel{·}{S}-\frac{1}{m}\widetilde{l_g}\stackrel{·}{\widehat{l_g}}=\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\left[sg\left(t\right)-\left(\widehat{l_g}+\eta \right)\left|s\right|\right]-\frac{1}{m}\widetilde{l_g}\stackrel{·}{\widehat{l_g}}\\ =\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\left[sg\left(t\right)-\left(\widehat{l_g}+\eta \right)\left|s\right|\right]-\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\widetilde{l_g}\left|s\right|\\ \le -\frac{1}{\beta }\frac{p}{q}{e_2}^{\frac{p}{q}-1}\eta \left|s\right|\end{array}\right)$>

因为η>0，则又β>0，则(e₂≠0时)，推出所以当e₂≠0时，根据李雅普诺夫稳定性定理，可知该闭环控制系统稳定，系统将在有限时间收敛到零。

在Simulink仿真环境下验证本发明提出的方法

选取各参数如下：

k＝0.6，L_d＝0.0003，c＝0.00004，J₂＝0.08，F₂＝0.03，R＝0.5，

β＝1000，p＝9，q＝7，η＝2500

原地转向时，转向系统需提供最大的助力，即转向泵转速最高，此时理想转速为600r/min。如图5所示，在原地转向时，自适应非奇异终端滑模控制转速跟踪误差图，从图中可以发现在很短的时间误差曲线基本收敛到零。如图6所示，在原地转向时，将自适应非奇异终端滑模与普通滑模对永磁转差离合器转速控制效果进行对比，发现自适应非奇异终端滑模控制能克服参数摄动和外界干扰的问题，收敛速度比滑模控制快，鲁棒性更好。其他不同车速工况下理想转速通过设计的随速可变助力特性求得，转速控制效果，都如原地转向工况下相似，在这里就不一一列出。

如图7所示，在某一工况下，发动机转速维持在1300r/min(此时转向泵理想转速为450r/min)，但是在1.0-1.5s因受到干扰，发动机转速而发生波动，在此情况下，如图8所示，自适应非奇异终端滑模控制能很好的克服外界干扰，控制系统具有良好鲁棒性。

以上所述，仅用来描述本发明的实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，在不违背本发明原理前提下的修改和润饰，都应属于本发明保护范围内。