CN111055920B - 一种汽车eps转向系统多模型转角控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开汽车驱动控制领域中的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，利用模糊均值聚类算法聚类分析EPS转向系统的n组参考电流和转角数据点得到p个集合，采用随机逼近法识别出p个局部线性模型，计算出间隙度量，得到p阶间隙度量矩阵，对间隙度量矩阵层次聚类分析得到M个局部线性模型集，从每个模型集中选择一个模型得到M个局部线性模型，设计对应的M个局部控制器；每个局部控制器输出各自的局部电流，M个局部电流和局部电流权值作为电流混合策略模块的输入，助力电流计算模块输出参考电流；本发明通过构造局部控制器，用一组简单的线性系统替代非线性EPS转向系统来创建多模型转角控制器，提高EPS转向系统的控制性能和抗干扰性能。

Description

一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法

技术领域

本发明属于汽车驱动控制领域，特别涉及一种汽车EPS转向系统的转角控制器的构造方法，适用于汽车EPS转向系统的高性能控制。

背景技术

随着汽车技术尤其是电子和控制技术的不断革新，汽车转向助力系统从传统的纯机械式转向系统逐渐发展及完善成液压助力转向系统，再出现后来的新型电控液压助力转向系统，而现如今使用最多的是电动助力转向系统。电动助力转向系统采用的是助力电机提供转向助力，其助力的大小由电控系统直接进行控制。这种用电机控制助力的方法与液压助力转系统相比，电动助力转向系统可以节约能源且十分环保。

EPS是在HPS与EHPS基础上发展起来的，它主要包括了转矩传感器、助力电机、减速机构以及电机电子控制单元。它取消了液压系统，减少了污染，独立于发动机工作，降低了能量消耗，占用空间小，零件数量大大少于HPS和EHPS，减轻了质量也节省了装配时间。EPS系统只采用机械连接和电信号控制，效率较高，有利于底盘集成控制；EPS采用车速感应型助力特性，这种方法可有效地解决传统转向系统的“轻”与“灵”的矛盾，提高了行驶安全性和驾驶舒适性。

EPS系统作为力矩伺服系统，需要快速准确地响应电机助力矩，同时对力矩的脉动非常敏感，目前采用工业上常规的矢量控制方法，采用闭环的PI控制器，利用EPS转向系统反馈的角度调节输入的参考电流。鉴于汽车行驶工况的复杂性会造成EPS转向系统的参数时变以及随机扰动，这种控制方法难以实现EPS转向系统高性能控制。因此，为了解决EPS转向系统常规控制方法欠佳的问题，同时满足EPS转向系统控制性能的各项指标，更好地提升EPS转向系统控制精度以及抗干扰性能，从而降低能量损耗，需要采用新的控制策略。

发明内容

本发明时针对EPS转向系统非线性多耦合的电气特性造成常规控制方法控制策略效率低的缺点，提出了一种考虑到EPS转向系统机械参数时变以及随机扰动等问题的多模型控制器的构造方法，提高了EPS转向系统控制性能，从而降低能量损耗，提高控制效率。

本发明一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法的技术方案是采用如下步骤：步骤一：构造以参考电流

为输入，以转角θ为输出的EPS转向系统；

步骤二：先采集所述的EPS转向系统的n组参考电流

和转角θ(k)数据点，k＝2,3…n+1,k为离散样本时间指数；利用模糊均值聚类算法对参考电流

和转角θ(k)数据点进行聚类分析，得到p个集合X_j，j＝1,2,…,p，j是集合编号；再对p个集合X_j中的参考电流

和转角θ(k)数据点采用随机逼近法识别出p个局部线性模型P_i，i＝1,2,…,p；计算出各个局部线性模型P_i之间的间隙度量δ_ij，两个局部线性模型的相似性通过间隙度量δ_ij表示，得到p阶间隙度量矩阵G；

步骤三：对间隙度量矩阵G进行层次聚类分析，得到M个局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M，1<M<p；从M个局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M的每个模型集中选择出一个局部线性模型，得到M个局部线性模型H₁，H₂…H_M；对M个局部线性模型H₁，H₂…H_M一一进行设计，设计出对应的M个局部控制器；

步骤四：将M个局部控制器并联，以参考转角θ^*与转角θ之间的转角误差e_θ作为M个局部控制器共同输入，每个所述的局部控制器输出各自的一个局部电流，M个局部电流i_q1、i_q2…i_qM作为电流混合策略模块的第一部分输入；将车速ν、转角θ以及电流混合策略模块输出的混合电流i_q作为数据离散处理模块22的输入，数据离散处理模块输出为离散化的车速ν(k)、转角θ(k)以及混合电流i_q(k)，混合电流i_q(k)经过延迟输出一步延迟的混合电流i_q(k-1)，离散化的车速ν(k)、转角θ(k)以及一步延迟的混合电流i_q(k-1)作为局部电流权值计算模块的输入，输出M个局部控制器的局部电流权值w₁，w₂…w_M；局部电流权值w₁，w₂…w_M作为电流混合策略模块的第二部分输入，电流混合策略模块输出混合电流i_q，该混合电流i_q以及所述的离散化的车速ν(k)作为助力电流计算模块的输入，助力电流计算模块输出所述的参考电流

构成以参考转角θ^*、车速ν和转角θ为输入，以所述的参考电流

为输出的EPS多模型转角控制器。

本发明的有益效果是：

1、通过构造局部控制器，用一组简单的线性系统替代非线性EPS转向系统来创建多模型转角控制器，能够针对EPS转向系统参数的非线性变化和负载转矩的干扰，提高EPS转向系统的控制性能和抗干扰性能。

2、所构造的EPS转向系统多模型转角控制器所需控制变量和输入变量均可通过传感器测量获得，且该控制器的控制算法只需通过模块化软件编程实现，能够在不增加控制成本的前提下，有效提高控制器的控制品质。

3、对EPS多模型转角控制器中的局部控制器输出的局部电流采用电流混合策略，能够提高输入电流的控制精度，从而提高EPS转向系统的动态性能和稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是EPS转向系统的等效框图：

图2是局部控制器的离线构造框图；

图3是图2中层次聚类分析模块按照间隙度量进行层次聚类分析的树状图；

图4是图2中二阶闭环系统设计模块设计局部控制器的二阶闭环系统设计模块框图；

图5是EPS转向系统的EPS多模型转角控制器的构成框图。

图中：22.数据离散处理模块；23.局部电流权值计算模块；31.电流混合策略模块；41.助力电流计算模块；52.转角PI控制器；53.模糊均值聚类模块；54.随机逼近法参数识别模块；55.间隙度量计算模块；56.层次聚类分析模块；57.局部线性模型选择模块；58.数据采集模块；59.二阶闭环系统设计模块；70.EPS转向系统；71.EPS多模型转角控制器；72.转角给定模块；73.车速传感器；81.第一局部控制器；82.第二局部控制器；83.第M局部控制器；101.电流环PI调节模块；102.前馈解耦模块；103.坐标变换2r/2s模块；104.空间电压矢量调制模块；105.电压源逆变器；106.永磁同步电机；107.转向系统；109.坐标变换3s/2r模块；110.位置传感器；111.角度计算模块。

具体实施方式

如图1所示，将电流环PI调节模块101、前馈解耦模块102、坐标变换2r/2s模块103、空间电压矢量调制模块104、电压源逆变器105、永磁同步电机106、转向系统107、位置传感器110以及角度计算模块111依次串接，再将坐标变换3s/2r模块109串接于电压源逆变器105和电流环PI调节模块101之间，坐标变换3s/2r模块109的输入端连接电压源逆变器105的输出端，坐标变换3s/2r模块109的输出端连接电流环PI调节模块101，共同作为一个整体构成EPS转向系统70。该EPS转向系统70以参考电流

为输入，以转角θ为输出。

电流环PI调节模块101的两个参考输入分别是参考电流

和

其中

这两个参考输入

分别与坐标变换3s/2r模块109输出的d-q坐标系下的两个电流i_q、i_d相比较，从而得到电流环PI调节模块101的两个输出为两相同步坐标系下的电压值u_q、u_d，该电压值u_q、u_d作为前馈解耦模块102的两个输入，前馈解耦模块102输出为两相同步坐标系下的参考电压值

该参考电压值

经过坐标变换2r/2s模块103之后得到两相静止坐标系下的参考电压值

该电压值

作为空间电压矢量调制模块104的输入，空间电压矢量调制模块104的输出为功率开关器件的开关信号T_a、T_b、T_c，该开关信号T_a、T_b、T_c作为电压源逆变器105的输入，电压源逆变器105输出三相电流i_a、i_b、i_c，该三相电流i_a、i_b、i_c分别作为永磁同步电机106和坐标变换3s/2r模块109的输入，坐标变换3s/2r模块109输出电流i_q、i_d，永磁同步电机106输出为转矩T_e，该转矩T_e作为转向系统107的输入，转向系统107输出转角信号，通过位置传感器110采集转向系统107输出的转角信号并经角度计算模块111计算后得到转角θ。

如图2所示，离线构造多个局部控制器。首先对EPS转向系统70采用PI控制方法，并对不同工况下的转角PI控制器52进行参数调优，实现EPS转向系统70的运行，从而完成对EPS转向系统70各种工况下输入参考电流

和输出转角θ的数据采集。根据参考电流

和转角θ数据构建多个局部控制器，得到各局部控制器的表达式K_N，N＝1,2,...,M,N为局部控制器编号，M为局部控制器数量。单个局部控制器离线构造过程如下：

首先，对EPS转向系统70采用闭环PI控制，由转角给定模块72输出参考转角θ^*，参考转角θ^*与EPS转向系统70输出的转角θ作差得到转角误差e_θ，该转角误差e_θ作为转角PI控制器52的输入，其输出为参考电流

该参考电流

作为EPS转向系统70输入，EPS转向系统70输出转角θ。

转角PI控制器52的参数根据EPS转向系统70的工况进行参数调优，转角PI控制器52的输入输出关系为：

式中，R_P为比例系数，R_I为积分系数。

采用数据采集模块58完成传感器对EPS转向系统70的输入参考电流

和输出转角θ进行信号采集，得到n组参考电流和转角数据点，这些参考电流

和转角θ(k)数据点组成模型数据库

k为离散样本时间指数。

将模型数据库

输入模糊均值聚类模块53中，利用模糊均值聚类算法对模型数据库

中的参考电流和转角数据点进行聚类分析，得到p个集合X_j，j＝1,2,…,p，j是集合编号，并确定各个集合的中心点

使非相似性指标的价值函数达到最小。非相似性指标的价值函数表达式如下：

式中：

即为非相似性指标。u_kj为第k个参考电流和转角数据点对于第j个集合X_j的隶属度，

且u_kj∈[0，1],

j，μ为模糊均值聚类算法的柔性参数。

模糊均值聚类算法的具体迭代过程如下：

步骤1：选择集合数量p(2<p<n)；选择p个参考电流和转角数据点分别作为p个集合的中心点；并选取终止系数ε。

步骤2：按照下式更新n个数据点对p个集合的隶属度以及新的p个集合中心点：

式中

表示第r次迭代后第k个参考电流和转角数据点对于第j个集合X_j的隶属度,m为加权指数。

步骤3：若

则终止迭代，否则返回步骤2。

通过模糊均值聚类算法得到参考电流和转角数据点

的p个集合X_j(j＝1,2,...,p)，这p个集合X_j(j＝1,2,...,p)对应于EPS转向系统70中的p个局部线性模型。

将通过模糊均值聚类算法得到的p个集合X_j输入到随机逼近法参数识别模块54，随机逼近法参数识别模块54对p个集合X_j中的参考电流和转角数据点采用随机逼近法识别EPS转向系统70的p个局部线性模型，计算出EPS转向系统70的p个局部线性模型的参数。对于EPS转向系统70的局部线性模型，输出转角θ与输入参考电流

为一阶惯性环节：

式中：r为惯性环节增益，τ为时间常数，s为复变量。

将上式离散化得到如下差分方程：

式中：a₁、b₁为待求解的模型参数，λ(k)为零均值方差为1的高斯白噪声，k为离散样本时间指数。T为采样周期，取T＝0.005s。

将差分方程表示为矩阵形式：

θ(k)＝ψ^T(k)η+λ(k) (8)

其中：

η＝[a₁ b₁]^T，

选取准则函数为：

利用随机逼近原理，可得参数估计的随机逼近算法为：

其中：ρ(k)为收敛因子，满足收敛性条件即可。完成随机逼近算法迭代即可得到辨识参数η的值，即得模型参数a₁、b₁的值。模型参数由EPS转向系统70的输入参考电流信号

和输出转角θ决定，根据计算可得p个局部线性模型参数。本发明在此以p值取9为例，则模型参数矩阵如下：

由式(7)计算参数r、τ的参数矩阵如下：

由式(5)即得EPS转向系统70的p个局部线性模型

i是局部线性模型编号。

p个局部线性模型P_i输入到间隙度量计算模块55中，间隙度量计算模块55基于间隙度量理论，计算出EPS转向系统70的各个局部线性模型之间的间隙度量δ_ij，得到由δ_ij构成的p阶间隙度量矩阵G。

已知EPS转向系统70的两个局部线性模型P_i、P_j有相同数量的输入输出变量，因此两个局部线性模型的相似性可通过间隙度量表示。间隙度量值δ_ij∈(0，1)，且δ_ij值越接近0，表明EPS转向系统70的第i个局部线性模型与第j个局部线性模型的相似度越高，可以相互表示。将EPS转向系统70的p个局部线性模型两两进行间隙度量计算，得到p阶间隙度量矩阵G。本发明在此以p值取9为例，计算出间隙度量矩阵G如下：

将间隙度量矩阵G输入到层次聚类分析模块56中，层次聚类分析模块56对EPS转向系统70的p个局部线性模型的间隙度量进行层次聚类分析：设置间隙度量的阈值为β，得到局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M M，1<M<p，局部控制器的数量对应于局部线性模型集的数量，各局部线性模型集分别为Π₁,Π₂…Π_M。如图3所示，以p值取9为例，β＝0.08，得到局部线性模型集的数量M＝3，有：Π₁＝{P₁,P₂，P₃，P₄，P₅,P₇}，Π₂＝{P₈,P₉}，Π₃＝{P₆}。

M个局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M输入局部线性模型选择模块57中，局部线性模型选择模块57从M个局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M的每个模型集中选择出一个局部线性模型，得到M个局部线性模型，该M个局部线性模型分别是H₁，H₂…H_M，其中，H₁，H₂…H_M分别一一对应地近似于Π₁,Π₂…Π_M。例如：选择局部线性模型H₁＝P₁近似局部线性模型集Π₁，选择局部线性模型H₂＝P₈近似局部线性模型集Π₂，选择局部线性模型H₃＝P₆近似局部线性模型集Π₃。

然后，再选取局部线性模型H₁，H₂…H_M对应的中心点为

例如，选取的局部线性模型H₁，H₂，H₃对应的中心点满足

将选择出的M个局部线性模型H₁，H₂…H_M输入到二阶闭环系统设计模块59中，二阶闭环系统设计模块59对每个局部线性模型H₁，H₂…H_M一一设计，得到对应的M个局部控制器，即得到了图5中的第一局部控制器81、第二局部控制器82……直到第M个局部控制器83。

以局部线性模型H₁为例，如图4所示，对选取的局部线性模型H₁，利用二阶闭环系统设计第一局部控制器，第一局部控制器的输入为参考转角θ^*与EPS转向系统70输出的转角θ之间的转角误差e_θ，输出为局部电流i_q1。，二阶闭环系统的模型为：

式中：s为复变量，ω_n为自然角频率，ξ为阻尼比。

因此第一局部控制器81的表达式K₁满足

即可得第一局部控制器81的表达式

同理，第二局部控制器82的表达式K₂满足

即得

第M个局部控制器的表达式K_M满足

即得第M局部控制器的表达式为

式中，H_M表示从第M个局部线性模型集Π_M中选择的局部线性模型，1≤x≤p。

如图5所示，构造EPS多模型转角控制器71，EPS多模型转角控制器71的输入由三部分组成，第一部分为转角参考模块72输出的参考转角θ^*，第二部分为车速传感器73输出的车速ν，第三部分为EPS转向系统70输出的转角θ，EPS多模型转角控制器71的输出为参考电流

将M个局部控制器并联在一起，转角参考模块72输出的参考转角θ^*与EPS转向系统70输出的转角θ之间的转角误差e_θ作为M个局部控制器共同的输入，每个局部控制器输出各自的一个局部电流，M个局部电流i_q1、i_q2…i_qM作为电流混合策略模块31的第一部分输入。

其中，第一局部控制器81、第二局部控制器82以及第M局部控制器83的输入输出关系为：

车速传感器73输出的车速ν、EPS转向系统70输出的转角θ以及电流混合策略模块31输出的混合电流i_q作为数据离散处理模块22的输入，输出为离散化的车速ν(k)、转角θ(k)以及混合电流i_q(k)，其中混合电流i_q(k)经过延迟模块，输出一步延迟的混合电流i_q(k-1)。离散化的车速ν(k)、转角θ(k)以及一步延迟的混合电流i_q(k-1)作为局部电流权值计算模块23的输入，输出M个局部控制器的局部电流权值w₁，w₂…w_M。第N个局部电流权值计算模块23的输入输出关系为：

式中，

Θ_N为所述的局部线性模型H₁，H₂…H_M中的模型H_N对应的中心点。

为选取局部线性模型H₁，H₂…H_M对应的中心点。

将局部电流权值w₁，w₂…w_M作为电流混合策略模块31的第二部分输入。因此，局部电流i_q1、i_q2…i_qM和局部电流权值w₁，w₂…w_M作为电流混合策略模块31的两部分输入，电流混合策略模块31输出为混合电流i_q。电流混合策略模块31的输入输出关系为：

w_N是第N个局部电流权值，i_qN是第N个局部电流。

电流混合策略模块31输出的混合电流i_q以及数据离散处理模块22输出的车速ν(k)作为助力电流计算模块41的输入，助力电流计算模块41输出为参考电流

助力电流计算模块41的输入输出关系为

其中ν_h为产生助力电流的车速上限，K为助力系数。车速越大产生的助力电流越小，有利于车辆的操纵稳定性和行车安全性；车速较低时产生的助力电流较大，有利于实现转向操纵。

助力电流计算模块41输出的参考电流

作为EPS转向系统70的输入，实现对EPS转向系统70的控制。

Claims (7)

1.一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是具有以下步骤：

步骤一：构造以参考电流

为输入，以转角θ为输出的EPS转向系统；

步骤二：先采集所述的EPS转向系统的n组参考电流

和转角θ(k)数据点，k＝2,3…n+1,k为离散样本时间指数；利用模糊均值聚类算法对参考电流

和转角θ(k)数据点进行聚类分析，得到p个集合X_j，j＝1,2,…,p，j是集合编号；再对p个集合X_j中的参考电流

和转角θ(k)数据点采用随机逼近法识别出p个局部线性模型P_i，i＝1,2,…,p；计算出各个局部线性模型P_i之间的间隙度量δ_ij，两个局部线性模型的相似性通过间隙度量δ_ij表示，得到p阶间隙度量矩阵G；

步骤三：对间隙度量矩阵G进行层次聚类分析，得到M个局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M，1<M<p；从M个局部线性模型集Π₁,Π₂…Π_M的每个模型集中选择出一个局部线性模型，得到M个局部线性模型H₁，H₂…H_M；对M个局部线性模型H₁，H₂…H_M一一进行设计，设计出对应的M个局部控制器；

步骤四：将M个局部控制器并联，以参考转角θ^*与转角θ之间的转角误差e_θ作为M个局部控制器共同输入，每个所述的局部控制器输出各自的一个局部电流，M个局部电流i_q1、i_q2…i_qM作为电流混合策略模块的第一部分输入；将车速ν、转角θ以及电流混合策略模块输出的混合电流i_q作为数据离散处理模块22的输入，数据离散处理模块输出为离散化的车速ν(k)、转角θ(k)以及混合电流i_q(k)，混合电流i_q(k)经过延迟输出一步延迟的混合电流i_q(k-1)，离散化的车速ν(k)、转角θ(k)以及一步延迟的混合电流i_q(k-1)作为局部电流权值计算模块的输入，输出M个局部控制器的局部电流权值w₁，w₂…w_M；局部电流权值w₁，w₂…w_M作为电流混合策略模块的第二部分输入，电流混合策略模块输出混合电流i_q，该混合电流i_q以及所述的离散化的车速ν(k)作为助力电流计算模块的输入，助力电流计算模块输出所述的参考电流

构成以参考转角θ^*、车速ν和转角θ为输入，以所述的参考电流

为输出的EPS多模型转角控制器。

2.根据权利要求1所述的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是：步骤一中，由电流环PI调节模块、前馈解耦模块、坐标变换2r/2s模块、空间电压矢量调制模块、电压源逆变器、永磁同步电机、转向系统、位置传感器以及角度计算模块依次串接，坐标变换3s/2r模块串接于电压源逆变器和电流环PI调节模块之间，共同构成所述的EPS转向系统。

3.根据权利要求1所述的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是：步骤二中，先对EPS转向系统采用闭环PI控制，由转角给定模块输出参考转角θ^*，参考转角θ^*与EPS转向系统输出的转角θ作差得到转角误差e_θ，该转角误差e_θ作为转角PI控制器的输入，其输出为参考电流

该参考电流

作为EPS转向系统输入，EPS转向系统输出转角θ，再采用数据采集模块完对EPS转向系统输入的参考电流

和输出的转角θ进行信号采集，得到n组参考电流和转角数据点。

4.根据权利要求1所述的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是：步骤二中，所述的p个局部线性模型

r为惯性环节增益，τ为时间常数，s为复变量，i＝1,2,…,p；所述的间隙度量值δ_ij∈(0，1)。

5.根据权利要求4所述的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是：所述的第M个局部控制器的表达式

ω_n为自然角频率，1≤x≤p；第M局部控制器的输入输出关系为：

6.根据权利要求5所述的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是：步骤四中，第N个局部电流权值

Θ_N为所述的局部线性模型H₁，H₂…H_M中的模型H_N对应的中心点。

7.根据权利要求6所述的一种汽车EPS转向系统多模型转角控制器的构造方法，其特征是：步骤四中，所述的混合电流

w_N是第N个局部电流权值，i_qN是第N个局部电流；参考电流

ν_h为产生助力电流的车速上限，K为助力系数。

Images