CN111929071A - 一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置及控制方法 - Google Patents

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CN111929071A CN202010766096.8A CN202010766096A CN111929071A CN 111929071 A CN111929071 A CN 111929071A CN 202010766096 A CN202010766096 A CN 202010766096A CN 111929071 A CN111929071 A CN 111929071A
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Abstract

本发明涉及一种车辆动态试验台滑移率模拟装置及控制方法，包括车辆动态试验台、仿真控制装置和滑移率模拟装置；仿真控制装置对车辆动态试验台进行控制，并在线检测其输出轴转矩以计算车辆运动状态参量，并发送到滑移率模拟装置；滑移率模拟装置与车辆动态试验台的输出轴相连，包括：转速传感器和电流传感器，分别用于采集滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，并发送到滑移率模拟电机控制系统；滑移率模拟电机控制系统根据接收到的实际转速、实际电流以及仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对滑移率模拟电机的控制信号，并通过驱动装置驱动滑移率模拟电机运行。本发明可广泛应用于电动汽车台架测试技术领域。

Description

一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置及控制方法，属于汽车测试技术领域。
背景技术
硬件在环(hardware-in-the-loop,HIL)仿真已成为动力装置研发和测试过程的一项成熟技术。通常，HIL测试旨在待测动力装置投入使用前于实验室环境进行实际测试；通过物理硬件与模型仿真的结合，得到近乎真实的测试结果。较实物测试，HIL测试可缩短研发周期，降低研发成本，保障测试人员安全。目前，HIL测试已经广泛应用于飞行器、船舶、汽车、火炮、风机等行业。特别的，在汽车测试领域，典型HIL测试台架将待测动力/制动系统与负载模拟电机共轴连接，负载模拟电机实时模拟道路负载。为满足多样化的测试需求，要求负载模拟电机不仅能够模拟稳态负载，而且具备高动态加载的能力，以开展整车舒适性及安全性等方面的测试。
目前，负载模拟电机主流加载控制策略主要基于逆模型或前向模型开发。基于逆向模型的方法利用待测机械系统逆模型或HIL测试台架逆模型计算期望负载转矩；该方法涉及微分项，实际应用受限。基于前向模型的方法，又称速度跟踪控制，采用系统前向模型计算待模拟系统运动特性，并控制负载模拟电机闭环跟踪待模拟系统的响应；是目前应用广泛的负载模拟方式。基于速度跟踪控制的方式，公开号为CN 103197550 A的中国专利公开了一种车用电制动系统动态负载模拟方法，主要关注再生制动力矩与摩擦制动力矩切换过程负载模拟电机控制策略设计；公开号为CN 106996876 A的中国专利公开了一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备及其使用方法，重点关注车辆驱动过程的滑移率模拟，且控制方法设计前提要求测功机系统扰动项已知，实际应用中难以实现。
基于上述分析可知，现有技术仅针对车辆驱动过程台架滑移率模拟进行设计，并且控制方法设计前提要求系统扰动项已知，实际应用受限；负载模拟策略设计尚未考虑系统参数不确定性及不确定扰动项的影响，系统鲁棒性及控制精度尚有局限；同时，现有技术忽略了负载模拟电机电流跟踪响应特性，不理想的电流响应易恶化负载模拟性能；并且负载模拟电机控制系统尚未兼顾电机弱磁运行状态，不能实现全速度区间的高精度负载模拟。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置及控制方法，该模拟装置适用于电动汽车动态试验台，且能够实现防抱死制动期间滑移率的高精度模拟。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其包括：车辆动态试验台、仿真控制装置以及滑移率模拟装置；所述仿真控制装置用于对所述车辆动态试验台进行控制，并在线检测所述车辆动态试验台输出轴转矩以计算车辆运动状态参量，并发送到所述滑移率模拟装置；所述滑移率模拟装置与所述车辆动态试验台的输出轴相连，其包括滑移率模拟电机控制系统、转速传感器、电流传感器、驱动装置以及滑移率模拟电机；所述转速传感器和电流传感器分别用于采集所述滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，并发送到所述滑移率模拟电机控制系统；所述滑移率模拟电机控制系统根据接收到的实际转速、实际电流以及所述仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对所述滑移率模拟电机的控制信号，并通过所述驱动装置驱动所述滑移率模拟电机运行，实现对所述滑移率模拟电机电流和转速的闭环跟踪控制。
进一步地，所述滑移率模拟电机控制系统包括信号处理单元、转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块；
所述信号处理单元用于对所述转速传感器和电流传感器发送的滑移率模拟电机的实际转速和实际电流进行滤波处理，并发送到所述转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块；
所述转速控制模块用于根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算所述滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流，并发送到所述电流控制模块、弱磁控制模块和驱动装置；
所述弱磁控制模块用于根据实际电流和实际转速对参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到所述电流控制模块；
所述电流控制模块用于根据实际电流、参考直轴/交轴电流计算得到所述滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电压，并发送到所述驱动装置。
进一步地，所述转速控制模块包括扰动电流确定模块和转速跟踪控制模块；所述扰动电流确定模块根据接收到的处理后的滑移率模拟电机实际转速及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流计算直轴/交轴扰动电流值，并发送至所述转速跟踪控制模块；所述转速跟踪控制模块根据所述仿真控制装置发送的滑移率模拟电机参考转速，所述信号处理单元发送的处理后的滑移率模拟电机实际转速以及所述扰动电流确定模块发送的直轴/交轴扰动电流值，动态调节滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流。
进一步地，所述弱磁控制模块包括弱磁区域确定模块和弱磁调节模块；所述弱磁区域确定模块根据所述信号处理单元发送的滑移率模拟电机的实际电流和实际转速，判定所述滑移率模拟电机是否运行于弱磁区域，若滑移率模拟电机处于弱磁区域，则将滑移率模拟电机弱磁状态发送到所述弱磁调节模块；所述弱磁调节模块用于在滑移率模拟电机处于弱磁状态时，根据滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，对滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到所述电流跟踪控制模块。
进一步地，所述电流控制模块包括扰动电压确定模块和电流跟踪控制模块；所述扰动电压确定模块根据信号处理单元发送的处理后的滑移率模拟电机实际电流及电流跟踪控制模块发出的参考直轴/交轴电压计算直轴/交轴扰动电压值，并发送至所述电流跟踪控制模块；所述电流跟踪控制模块根据所述信号处理单元发送的处理后的滑移率模拟电机实际电流、所述转速跟踪控制模块发送的参考直轴/交轴电流以及所述扰动电压确定模块发送的直轴/交轴扰动电压值，动态调节滑移率模拟电机参考电压。
进一步地，所述车辆动态试验台包括车用电机控制系统、车用电机、变速器、差速器、传动轴系、摩擦制动控制装置、摩擦制动和转矩传感器；所述车用电机控制系统与所述仿真控制装置相连，用于接收所述仿真控制装置发送的控制信号，对所述车用电机进行控制；所述车用电机经所述变速器、差速器、传动轴系及摩擦制动与所述滑移率模拟装置连接；所述摩擦制动控制装置与所述摩擦制动连接，根据所述仿真控制装置发送的控制信号对所述摩擦制动进行控制；所述转矩传感器设置在所述传动轴系，用于检测转矩信号并发送到所述仿真控制装置。
本发明的第二个方面，是提供一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置的控制方法，其包括以下步骤：
1)仿真控制装置对车辆动态试验台进行控制，并在线检测车辆动态试验台输出轴转矩以计算车辆运动状态参量，并发送到滑移率模拟装置，所述滑移率模拟装置包括滑移率模拟电机控制系统、转速传感器、电流传感器、驱动装置以及滑移率模拟电机；
2)转速传感器和电流传感器采集滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，并发送到滑移率模拟电机控制系统；
3)滑移率模拟电机控制系统根据接收到的实际转速、实际电流以及仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对滑移率模拟电机的控制信号，并通过驱动装置驱动滑移率模拟电机运行，实现对滑移率模拟电机电流和转速的闭环跟踪控制。
进一步地，所述步骤3)中，滑移率模拟电机控制系统对滑移率模拟电机进行闭环控制的方法，包括以下步骤：
3.1)滑移率模拟电机运行期间，根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流；
3.2)根据滑移率模拟电机的实际转速和实际电流对滑移率模拟电机运行状态进行判断，若滑移率模拟电机运行在弱磁运行区域，则进入步骤3.3)，否则进入步骤3.4)；
3.3)基于前馈弱磁控制的调速策略，根据实际电流和实际转速对滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流进行修正，然后进入步骤3.4)；
3.4)根据实际电流及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，计算参考直轴/交轴电压，并发送到驱动装置，由驱动装置驱动滑移率模拟电机运行。
进一步地，所述步骤3.1)中，根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流的方法，包括以下步骤：
3.1.1)采用扩张状态观测器设计方法，根据处理后的滑移率模拟电机实际转速及参考直轴/交轴电流，计算得到直轴/交轴扰动电流；
其中，设计的线性扩张状态观测器为：
Figure BDA0002614679890000041
其中，
Figure BDA0002614679890000042
和
Figure BDA0002614679890000043
分别为
Figure BDA0002614679890000044
和
Figure BDA0002614679890000045
的一阶导数，
Figure BDA0002614679890000046
和
Figure BDA0002614679890000047
分别为滑移率模拟电机转速ω及TL的估计值；θ11和θ12为系统参数，且
Figure BDA0002614679890000048
其中，J为滑移率模拟电机的转动惯量，b为摩擦系数，np为滑移率模拟电机的极对数，
Figure BDA0002614679890000049
为转子磁链；x1＝ω是滑移率模拟电机的实际转速；
Figure BDA00026146798900000410
为控制输入；L1，L2＞0为观测器增益，取值L1＝2β0，
Figure BDA00026146798900000411
β0为正常数；
Figure BDA00026146798900000412
为负载转矩估计值；
Figure BDA00026146798900000413
为ω的观测误差；
状态观测误差为：
Figure BDA00026146798900000414
其中，
Figure BDA00026146798900000415
M＝[0 1]T，h(t)为x2的一阶导数，
Figure BDA00026146798900000416
为矢量ε中的各个分量，
Figure BDA00026146798900000417
为观测误差
Figure BDA00026146798900000418
的一阶导数；
3.1.2)采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制方法，根据处理后的滑移率模拟电机实际转速、滑移率模拟电机参考转速以及直轴/交轴扰动电流值，计算得到滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流；
其中，基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制器为：
Figure BDA0002614679890000051
式中，u为控制输入；ua1为基于模型的前向控制律；us1为线性反馈控制律；us2为鲁棒反馈控制律；k1为正常数；z1＝x1-x1d；
Figure BDA0002614679890000052
和
Figure BDA0002614679890000053
为自适应参数；
Figure BDA0002614679890000054
为参考转速一阶导数；x1d为参考转速；x1系统状态，表示电机转速。
进一步地，所述步骤3.4)中，根据实际电流及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，计算参考直轴/交轴电压的方法，包括以下步骤：
3.4.1)采用扩张状态观测器设计，根据处理后的滑移率模拟电机实际电流及电流跟踪控制模块输出的参考直轴/交轴电压，计算得到直轴/交轴扰动电压值；
其中，扩张状态观测器为：
Figure BDA0002614679890000055
其中，L3，L4为观测器增益，取值L3＝2β1，L4＝β1 2；
Figure BDA0002614679890000056
Figure BDA0002614679890000057
且Rs为滑移率模拟电机定子电阻，Ld和Lq分别是d，q轴电感，且Ld＝Lq＝L，ωe为电角速度；x3＝[x31 x32]T＝[id iq]T，id和iq分别是滑移率模拟电机实际直轴及交轴电流；
Figure BDA0002614679890000058
F＝[F1 F2]T＝[fd fq]T为扰动电压；
Figure BDA0002614679890000059
和
Figure BDA00026146798900000510
为x3和x4的估计值的一阶导数；θ2为系统参数；u2为控制输入；
Figure BDA00026146798900000511
为x4的估计值；
Figure BDA00026146798900000512
为x3的估计误差；β1为观测器带宽；
状态观测误差
Figure BDA00026146798900000513
为：
Figure BDA00026146798900000514
其中，
Figure BDA00026146798900000515
M＝[0 I2×2]T；
Figure BDA00026146798900000516
为χ中的各分量；H(t)＝[h3(t) h4(t)]T；
3.4.2)采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制方法，根据滑移率模拟电机实际电流、滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流以及直轴/交轴扰动电压，计算得到滑移率模拟电机参考直轴/交轴电压；
其中，基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制器为：
Figure BDA0002614679890000061
式中，u2为控制输入；ua21为基于模型的前向补偿控制律；us22为线性反馈控制律；us23为鲁棒反馈控制律；
Figure BDA0002614679890000062
和
Figure BDA0002614679890000063
为
Figure BDA0002614679890000064
和
Figure BDA0002614679890000065
为自适应参数；
Figure BDA0002614679890000066
为转子磁链；k2为反馈增益；
Figure BDA0002614679890000067
Figure BDA0002614679890000068
和
Figure BDA0002614679890000069
分别为x41和x42的估计值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1.本发明设置有扰动电流确定模块、扰动电压确定模块、滑移率模拟控制模块即滑移率模拟电机转速跟踪控制模块和滑移率模拟电机电流跟踪控制模块；扰动电流确定模块及扰动电压确定模块计算滑移率模拟电机系统扰动电流及扰动电压值并前馈补偿，滑移率模拟电机转速跟踪控制模块及电流跟踪控制模块实现转速及电流双闭环控制；统筹考虑滑移率模拟电机系统转速及电流跟踪响应性能，进而有效改善滑移率模拟电机车轮动态滑移率模拟性能。
2.本发明的滑移率模拟控制模块也即转速跟踪控制模块和电流跟踪控制模块；均采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒反馈控制律，结合基于扩张状态观测器扰动前馈补偿、基于模型的参数自适应补偿及鲁棒反馈控制律，统筹处理滑移率模拟电机系统参数不确定性及不确定扰动项，可以抑制滑移率模拟电机系统多源不确定性，实现高精度的动态滑移率模拟，且具有较强的鲁棒性。
3.本发明设置有弱磁区域确定模块及弱磁调节模块；弱磁区域确定模块判定滑移率模拟电机运行区域，当滑移率模拟电机运行于弱磁区域时，弱磁调节模块对滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流进行调节，可以实现全速度区间的滑移率模拟电机高精度滑移率模拟。
因此，本发明可以广泛应用于汽车测试技术领域。
附图说明
图1是本发明电动汽车混合制动系统试验台示意图；
图2是本发明的滑移率模拟装置结构示意图；
图3是本发明的滑移率模拟控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，通过同步调节滑移率模拟电机转速及电流实现车轮动态滑移率模拟。具体的，其包括仿真控制装置、车辆动态试验台以及滑移率模拟装置17。其中，仿真控制装置用于对车辆动态试验台的运动状态进行控制，并在线检测车辆动态试验台输出轴转矩以计算车辆运动状态参量(包括车辆动态试验台的参考转速等)，并将车辆运动状态参量发送到滑移率模拟装置17；滑移率模拟装置17与车辆动态试验台的输出轴连接，其包括转速传感器12、滑移率模拟电机13、电流传感器14、驱动装置15以及滑移率模拟电机控制系统16，转速传感器12和电流传感器14分别用于采集滑移率模拟电机13的实际转速和实际电流，并发送到滑移率模拟电机控制系统16；滑移率模拟电机控制系统16根据接收到的实际转速、实际电流以及仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对滑移率模拟电机13的控制信号，并通过驱动装置15驱动滑移率模拟电机13运行，实现对滑移率模拟电机13电流和转速的闭环跟踪控制。
进一步地，如图2所示，滑移率模拟电机控制系统16包括信号处理单元、转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块。其中，信号处理单元用于对转速传感器12和电流传感器14发送的滑移率模拟电机13的实际转速和实际电流进行滤波处理，并将滤波处理后的实际转速和实际电流发送到转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块；转速控制模块用于根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流，并发送到电流控制模块、弱磁控制模块和驱动装置15；弱磁控制模块用于根据实际电流和实际转速对参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到电流控制模块；电流控制模块用于根据实际电流、参考直轴/交轴电流计算得到滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电压，并发送到驱动装置15。
进一步地，转速控制模块包括扰动电流确定模块19和转速跟踪控制模块23。其中，扰动电流确定模块19根据接收到的处理后的滑移率模拟电机实际转速及滑移率模拟电机参考直轴电流计算直轴/交轴扰动电流值，并发送至转速跟踪控制模块23；转速跟踪控制模块23根据实时仿真单元1发送的滑移率模拟电机参考转速，信号处理单元18发送的处理后的滑移率模拟电机实际转速以及扰动电流确定模块19发送的扰动电流值，动态调节滑移率模拟电机13的参考直轴/交轴电流，实现对滑移率模拟电机转速的闭环跟踪控制。
进一步地，弱磁控制模块包括弱磁区域确定模块20和弱磁调节模块21，其中，弱磁区域确定模块20旨在判定滑移率模拟电机13是否运行于弱磁区域，其根据信号处理单元18发送的滑移率模拟电机的实际电流和实际转速，判定滑移率模拟电机13是否运行于弱磁区域，若滑移率模拟电机处于弱磁区域，则将滑移率模拟电机弱磁状态发送到弱磁调节模块21；弱磁调节模块21旨在调节滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，当滑移率模拟电机处于弱磁状态时，根据滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，对滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到电流跟踪控制模块24。
进一步地，电流控制模块包括扰动电压确定模块22和电流跟踪控制模块24。其中，扰动电压确定模块22根据信号处理单元18发送的处理后的滑移率模拟电机实际电流及电流跟踪控制模块24发出的参考直轴/交轴电压计算直轴/交轴扰动电压值，并发送至电流跟踪控制模块24；电流跟踪控制模块24根据信号处理单元18发送的处理后的滑移率模拟电机实际电流、转速跟踪控制模块23发送的参考直轴/交轴电流以及扰动电压确定模块22发送的直轴/交轴扰动电压值，动态调节滑移率模拟电机参考直轴/交轴电压，进而实现对滑移率模拟电机电流的闭环跟踪控制。
进一步地，滑移率模拟电机13为永磁同步电机。
进一步地，仿真控制装置包括实时仿真单元1、制动控制器2和信号处理单元3。其中，实时仿真单元用于产生模拟驱动信号，并通过信号处理单元3转换为电机驱动信号后发送到车辆动态试验台；制动控制器2用于产生模拟制动信号，并通过信号处理单元3转换为摩擦制动控制信号后发送到车辆动态试验台；信号处理单元3同时对车辆动态试验台的信号进行采集转换后发送到实时仿真单元1和制动控制器2进行仿真计算。
进一步地，车辆动态试验台包括车用电机控制系统4、车用电机5、变速器6、差速器7、传动轴系8、摩擦制动控制装置9、摩擦制动10和转矩传感器11。其中，车用电机控制系统4与仿真控制装置相连，用于接收仿真控制装置发送的控制信号，对车用电机5进行控制；车用电机5经变速器6、差速器7、传动轴系8及摩擦制动10与滑移率模拟装置17连接，摩擦制动控制装置9与摩擦制动10连接，根据仿真控制装置发送的控制信号对摩擦制动10进行控制；转矩传感器11设置在输出轴，用于检测转矩信号并发送到仿真控制装置。本发明以混合制动系统试验台作为具体实施样例详细说明，但是车辆动态试验台部件及连接不局限于此，可以根据具体情况进行相应改变。
如图3所示，基于上述应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，本发明还提供一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置的控制方法，包括以下步骤：
1)仿真控制装置对车辆动态试验台进行控制，并在线检测车辆动态试验台输出轴转矩以计算车辆运动状态参量，并发送到滑移率模拟装置17，其中，滑移率模拟装置17包括滑移率模拟电机控制系统16、转速传感器12、电流传感器14、驱动装置15以及滑移率模拟电机13；
2)转速传感器12和电流传感器13采集滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，并发送到滑移率模拟电机控制系统16；
3)滑移率模拟电机控制系统16根据接收到的实际转速、实际电流以及仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对滑移率模拟电机13的控制信号，并通过驱动装置15驱动滑移率模拟电机13运行，实现对滑移率模拟电机13电流和转速的闭环跟踪控制。
进一步地，上述步骤3)中，滑移率模拟电机控制系统16对滑移率模拟电机进行闭环控制的方法，包括以下步骤：
3.1)滑移率模拟电机运行期间，转速控制模块根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流，并发送到转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块；
3.2)将滑移率模拟电机的运行区域划分为弱磁运行区域和非弱磁运行区域，根据滑移率模拟电机的实际转速和实际电流对滑移率模拟电机运行状态进行判断，若滑移率模拟电机运行在弱磁运行区域，则进入步骤3.3)，否则进入步骤3.4)；
3.3)弱磁控制模块基于前馈弱磁控制的调速策略，根据实际电流和实际转速对滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到电流控制模块，然后进入步骤3.4)；
3.4)电流控制模块根据实际电流及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，计算参考直轴/交轴电压，并发送到驱动装置15。
进一步地，上述步骤3.1)中，转速控制模块根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流的方法，包括以下步骤：
3.1.1)扰动电流确定模块采用扩张状态观测器设计，根据处理后的滑移率模拟电机实际转速及转速跟踪控制模块23输出的参考直轴/交轴电流，计算得到直轴/交轴扰动电流；具体设计过程如下：
①建立滑移率模拟电机系统的机械旋转动力学模型；
Figure BDA0002614679890000091
其中，x1＝ω是滑移率模拟电机的实际转速，
Figure BDA0002614679890000092
为滑移率模拟电机的实际转速的一阶导数，u1＝iq为滑移率模拟电机参考电流，
Figure BDA0002614679890000093
和
Figure BDA0002614679890000094
为系统参数，J为滑移率模拟电机的转动惯量，b为摩擦系数，np为滑移率模拟电机的极对数，
Figure BDA0002614679890000095
为转子磁链，TL表征滑移率模拟电机系统扰动力矩。
②假设滑移率模拟电机系统参数及扰动力矩满足以下条件；
Figure BDA0002614679890000101
其中，θ＝[θ11 θ12]T，θmin＝[θ11min θ12min]T和θmax＝[θ11max θ12max]T为滑移率模拟电机系统参数最值，且θ11min，θ12min＞0，δ1为扰动力矩上界。
③定义滑移率模拟电机系统状态观测值、扩张状态及状态观测误差；
Figure BDA0002614679890000102
其中，
Figure BDA0002614679890000103
和
Figure BDA0002614679890000104
分别为滑移率模拟电机转速ω及TL的估计值，
Figure BDA0002614679890000105
为ω的观测误差，x2为负载力矩、
Figure BDA0002614679890000106
为ω的估计值、
Figure BDA0002614679890000107
为TL估计值。
④设计线性扩张状态观测器；
Figure BDA0002614679890000108
其中，L1，L2＞0为观测器增益，取值L1＝2β0，
Figure BDA0002614679890000109
β0为正常数，
Figure BDA00026146798900001010
和
Figure BDA00026146798900001011
分别为
Figure BDA00026146798900001012
和
Figure BDA00026146798900001013
的一阶导数，u1为控制输入，指电机参考电流；则状态观测误差可以表示如下：
Figure BDA00026146798900001014
其中，
Figure BDA00026146798900001015
和
Figure BDA00026146798900001016
分别为观测误差
Figure BDA00026146798900001017
和
Figure BDA00026146798900001018
的一阶导数，h(t)为x2的一阶导数。
定义
Figure BDA00026146798900001019
可将上式改写如下：
Figure BDA00026146798900001020
其中，
Figure BDA00026146798900001021
M＝[0 1]T。
定理1：假设h(t)有界，状态估计误差总是有界，并且存在常数σi＞0及有限时间T1＞0使得：
Figure BDA00026146798900001022
其中，c为常实数。
3.1.2)转速跟踪控制模块23采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制方法，根据处理后的滑移率模拟电机实际转速、滑移率模拟电机参考转速以及直轴/交轴扰动电流值，计算得到滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流。
具体设计过程如下：
①采用自适应控制抑制参数不确定性的影响，设计参数自适应律如下；
Figure BDA0002614679890000111
Figure BDA0002614679890000112
其中，Γ为参数自适应增益，Γ＞0，τ为自适应函数，
Figure BDA0002614679890000113
应用上述参数自适应律，可保证下式成立：
Figure BDA0002614679890000114
②为了抑制扰动力矩的影响，基于扩张状态观测器设计了自适应鲁棒控制律如下：
Figure BDA0002614679890000115
式中，u控制输入，ua1基于模型的前向控制律，us1线性反馈控制律，k1为正常数。
将上述自适应鲁棒控制律带入动力学方程，得到如下跟踪误差方程
Figure BDA0002614679890000116
式中，us2为鲁棒反馈控制律。
为了确保滑移率模拟电机系统鲁棒稳定性及控制精度，鲁棒控制律us2应满足如下条件：
Figure BDA0002614679890000117
式中，υ和σ2均为正常数。
因此，设计鲁棒反馈控制律us2如下
us2＝-z1/(4υ) (13)
定理1：假设h(t)有界，且应用上述参数自适应律及系统鲁棒控制律，则系统所有信号有界。另外，应用上述控制律，有限时间T1内正定李雅普诺夫函数
Figure BDA0002614679890000118
有界。
Figure BDA0002614679890000119
证明：当时间t＜T1，得到转速跟踪误差动力学方程如下
Figure BDA0002614679890000121
相似于扩张状态观测器收敛性能，转速跟踪误差在t＜T1有界。
当t＞T1时，通过合理设计鲁棒控制律us2使得李雅普诺夫函数有界。因此，V1时间导数如下
Figure BDA0002614679890000122
进一步地，上式可改写如下
Figure BDA0002614679890000123
其中，λ1＝2k1。对上式在时域T1→t内进行积分操作，可得
Figure BDA0002614679890000124
证毕。
进一步地，上述步骤3.4)中，电流控制模块根据实际电流及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，计算参考直轴/交轴电压的方法，包括以下步骤：
3.4.1)扰动电压确定模块22采用扩张状态观测器设计，根据处理后的滑移率模拟电机实际电流及电流跟踪控制模块输出的参考直轴/交轴电压，计算得到直轴/交轴扰动电压值，具体设计过程如下：
①建立滑移率模拟电机系统电力学模型；
Figure BDA0002614679890000125
其中，x3＝[x31 x32]T＝[id iq]T，id和iq分别是滑移率模拟电机实际直轴及交轴电流，u2＝[u21 u22]T＝[ud uq]T，ud和uq分别为滑移率模拟电机参考直轴和交轴电压，
Figure BDA0002614679890000126
Rs为滑移率模拟电机定子电阻，Ld和Lq分别是d，q轴电感，且Ld＝Lq＝L，ωe为电角速度，
Figure BDA0002614679890000127
Figure BDA0002614679890000128
为转子磁链；F＝[F1 F2]T＝[fd fq]T为扰动电压，fd和fq分别为d轴或q轴扰动电压
②假设滑移率模拟电机系统不确定参数θ2，11，θ2，22，θ31，θ32及扰动力矩F满足以下条件；
Figure BDA0002614679890000131
其中，θ′min＝[θ2，11min θ2，22min θ31min θ32min]T和θ′max＝[θ2，11max θ2，22max θ31maxθ32max]T为滑移率模拟电机系统参数最值，且θ′min＞0；δ2＝[δ21 δ22]T为扰动力矩上界。
③定义滑移率模拟电机系统状态观测值、扩张状态及状态观测误差；
Figure BDA0002614679890000132
式中，
Figure BDA0002614679890000133
为x3和x4的估计值；
Figure BDA0002614679890000134
分别为x3和x4的估计误差；
Figure BDA0002614679890000135
分别为id、iq、fd fq的估计值。
④设计线性扩张状态观测器；
Figure BDA0002614679890000136
其中，L3，L4为观测器增益，取值L3＝2β1，L4＝β1 2，
Figure BDA0002614679890000137
为
Figure BDA0002614679890000138
的一阶导数；状态观测误差可表示如下：
Figure BDA0002614679890000139
其中，
Figure BDA00026146798900001310
分别为观测误差；H(t)＝[h3(t) h4(t)]T；定义
Figure BDA00026146798900001311
可将上式改写如下
Figure BDA00026146798900001312
其中，
Figure BDA00026146798900001313
M＝[0 I2×2]T。
定理1：假设H(t)有界，状态估计误差总是有界，并且存在常数ηi＞0及有限时间T2＞0使得
Figure BDA00026146798900001314
其中，c为常实数。
3.4.2)电流跟踪控制模块24采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制方法，根据滑移率模拟电机实际电流、滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流以及直轴/交轴扰动电压，计算得到滑移率模拟电机参考直轴/交轴电压，具体设计过程如下：
①采用自适应控制抑制参数不确定性的影响，设计参数自适应律如下；
Figure BDA0002614679890000141
其中，
Figure BDA0002614679890000142
为自适应参数
Figure BDA0002614679890000143
的一阶导数；Γ2为参数自适应增益，Γ2＞0，τ2为自适应函数，
Figure BDA0002614679890000144
z′2＝[z2 z2]T，
Figure BDA0002614679890000145
应用上述参数自适应律，可保证下式成立：
Figure BDA0002614679890000146
②为了抑制扰动力矩的影响，基于扩张状态观测器设计了自适应鲁棒控制律如下：
Figure BDA0002614679890000147
式中，u2为控制输入、ua21为基于模型的前向补偿控制律、us22为线性反馈控制律、us23鲁棒反馈控制律、
Figure BDA0002614679890000148
和
Figure BDA0002614679890000149
分别为x31和x32理想值的一阶导数，
Figure BDA00026146798900001410
和
Figure BDA00026146798900001411
为自适应参数；
Figure BDA00026146798900001412
为转子磁链；k2为反馈增益；
Figure BDA00026146798900001413
和
Figure BDA00026146798900001414
分别为x41和x42的估计值。
将上述自适应鲁邦控制律带入电力学方程，得到如下跟踪误差方程如下
Figure BDA00026146798900001415
其中，us23＝[us231 us232]T，为了确保滑移率模拟电机系统鲁棒稳定性及控制精度，鲁棒控制律us23应满足如下条件：
Bz2≤γη (30)
其中，
Figure BDA00026146798900001416
η＝[η3 2 η4 2]T；因此，设计鲁棒反馈控制律us23如下
us23＝[-z21/(4γ) -z22/(4γ)]T (31)
定理2：假设H(t)有界，且应用上述参数自适应律及系统鲁棒控制律，则系统所有信号有界。另外，应用上述控制律，有限时间T2内正定李雅普诺夫函数
Figure BDA00026146798900001417
有界
Figure BDA0002614679890000151
证明：当时间t＜T2，得到转速跟踪误差动力学方程如下
Figure BDA0002614679890000152
相似于扩张状态观测器收敛性能，转速跟踪误差在t＜T2有界。
当t＞T2时，通过合理设计鲁棒控制律us23使得李雅普诺夫函数有界。因此，V2时间导数如下
Figure BDA0002614679890000153
其中，λ2＝2k2，进一步地，上式可改写如下
Figure BDA0002614679890000154
对上式在时域T2→t内进行积分操作，可得
Figure BDA0002614679890000155
证毕。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其特征在于：其包括：
车辆动态试验台、仿真控制装置以及滑移率模拟装置；
所述仿真控制装置用于对所述车辆动态试验台进行控制，并在线检测所述车辆动态试验台输出轴转矩以计算车辆运动状态参量，并发送到所述滑移率模拟装置；
所述滑移率模拟装置与所述车辆动态试验台的输出轴相连，其包括滑移率模拟电机控制系统、转速传感器、电流传感器、驱动装置以及滑移率模拟电机；
所述转速传感器和电流传感器分别用于采集所述滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，并发送到所述滑移率模拟电机控制系统；
所述滑移率模拟电机控制系统根据接收到的实际转速、实际电流以及所述仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对所述滑移率模拟电机的控制信号，并通过所述驱动装置驱动所述滑移率模拟电机运行，实现对所述滑移率模拟电机电流和转速的闭环跟踪控制。
2.如权利要求1所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其特征在于：所述滑移率模拟电机控制系统包括信号处理单元、转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块；
所述信号处理单元用于对所述转速传感器和电流传感器发送的滑移率模拟电机的实际转速和实际电流进行滤波处理，并发送到所述转速控制模块、弱磁控制模块和电流控制模块；
所述转速控制模块用于根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算所述滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流，并发送到所述电流控制模块、弱磁控制模块和驱动装置；
所述弱磁控制模块用于根据实际电流和实际转速对参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到所述电流控制模块；
所述电流控制模块用于根据实际电流、参考直轴/交轴电流计算得到所述滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电压，并发送到所述驱动装置。
3.如权利要求1所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其特征在于：所述转速控制模块包括扰动电流确定模块和转速跟踪控制模块；
所述扰动电流确定模块根据接收到的处理后的滑移率模拟电机实际转速及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流计算直轴/交轴扰动电流值，并发送至所述转速跟踪控制模块；
所述转速跟踪控制模块根据所述仿真控制装置发送的滑移率模拟电机参考转速，所述信号处理单元发送的处理后的滑移率模拟电机实际转速以及所述扰动电流确定模块发送的直轴/交轴扰动电流值，动态调节滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流。
4.如权利要求2所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其特征在于：所述弱磁控制模块包括弱磁区域确定模块和弱磁调节模块；
所述弱磁区域确定模块根据所述信号处理单元发送的滑移率模拟电机的实际电流和实际转速，判定所述滑移率模拟电机是否运行于弱磁区域，若滑移率模拟电机处于弱磁区域，则将滑移率模拟电机弱磁状态发送到所述弱磁调节模块；
所述弱磁调节模块用于在滑移率模拟电机处于弱磁状态时，根据滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，对滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流进行修正，并发送到所述电流跟踪控制模块。
5.如权利要求2所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其特征在于：所述电流控制模块包括扰动电压确定模块和电流跟踪控制模块；
所述扰动电压确定模块根据信号处理单元发送的处理后的滑移率模拟电机实际电流及电流跟踪控制模块发出的参考直轴/交轴电压计算直轴/交轴扰动电压值，并发送至所述电流跟踪控制模块；
所述电流跟踪控制模块根据所述信号处理单元发送的处理后的滑移率模拟电机实际电流、所述转速跟踪控制模块发送的参考直轴/交轴电流以及所述扰动电压确定模块发送的直轴/交轴扰动电压值，动态调节滑移率模拟电机参考电压。
6.如权利要求1所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置，其特征在于：所述车辆动态试验台包括车用电机控制系统、车用电机、变速器、差速器、传动轴系、摩擦制动控制装置、摩擦制动和转矩传感器；
所述车用电机控制系统与所述仿真控制装置相连，用于接收所述仿真控制装置发送的控制信号，对所述车用电机进行控制；所述车用电机经所述变速器、差速器、传动轴系及摩擦制动与所述滑移率模拟装置连接；所述摩擦制动控制装置与所述摩擦制动连接，根据所述仿真控制装置发送的控制信号对所述摩擦制动进行控制；所述转矩传感器设置在所述传动轴系，用于检测转矩信号并发送到所述仿真控制装置。
7.一种采用如权利要求1～6任一项所述应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)仿真控制装置对车辆动态试验台进行控制，并在线检测车辆动态试验台输出轴转矩以计算车辆运动状态参量，并发送到滑移率模拟装置，所述滑移率模拟装置包括滑移率模拟电机控制系统、转速传感器、电流传感器、驱动装置以及滑移率模拟电机；
2)转速传感器和电流传感器采集滑移率模拟电机的实际转速和实际电流，并发送到滑移率模拟电机控制系统；
3)滑移率模拟电机控制系统根据接收到的实际转速、实际电流以及仿真控制装置发送的车辆运动状态参量，生成对滑移率模拟电机的控制信号，并通过驱动装置驱动滑移率模拟电机运行，实现对滑移率模拟电机电流和转速的闭环跟踪控制。
8.如权利要求7所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，滑移率模拟电机控制系统对滑移率模拟电机进行闭环控制的方法，包括以下步骤：
3.1)滑移率模拟电机运行期间，根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流；
3.2)根据滑移率模拟电机的实际转速和实际电流对滑移率模拟电机运行状态进行判断，若滑移率模拟电机运行在弱磁运行区域，则进入步骤3.3)，否则进入步骤3.4)；
3.3)基于前馈弱磁控制的调速策略，根据实际电流和实际转速对滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流进行修正，然后进入步骤3.4)；
3.4)根据实际电流及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，计算参考直轴/交轴电压，并发送到驱动装置，由驱动装置驱动滑移率模拟电机运行。
9.如权利要求8所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3.1)中，根据实际转速和仿真控制装置发送的车辆运动状态参量计算滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流的方法，包括以下步骤：
3.1.1)采用扩张状态观测器设计方法，根据处理后的滑移率模拟电机实际转速及参考直轴/交轴电流，计算得到直轴/交轴扰动电流；
其中，设计的线性扩张状态观测器为：
Figure FDA0002614679880000031
其中，
Figure FDA0002614679880000032
和
Figure FDA0002614679880000033
分别为
Figure FDA0002614679880000034
和
Figure FDA0002614679880000035
的一阶导数，
Figure FDA0002614679880000036
和
Figure FDA0002614679880000037
分别为滑移率模拟电机转速ω及TL的估计值；θ11和θ12为系统参数，且
Figure FDA0002614679880000038
其中，J为滑移率模拟电机的转动惯量，b为摩擦系数，np为滑移率模拟电机的极对数，
Figure FDA0002614679880000039
为转子磁链；x1＝ω是滑移率模拟电机的实际转速；u1＝iq *为控制输入；L1,L2＞0为观测器增益，取值L1＝2β0,
Figure FDA00026146798800000310
β0为正常数；
Figure FDA00026146798800000311
为负载转矩估计值；
Figure FDA00026146798800000312
为ω的观测误差；
状态观测误差为：
Figure FDA00026146798800000313
其中，
Figure FDA0002614679880000041
M＝[0 1]T，h(t)为x2的一阶导数，
Figure FDA0002614679880000042
为矢量ε中的各个分量，
Figure FDA0002614679880000043
为观测误差
Figure FDA0002614679880000044
的一阶导数；
3.1.2)采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制方法，根据处理后的滑移率模拟电机实际转速、滑移率模拟电机参考转速以及直轴/交轴扰动电流值，计算得到滑移率模拟电机的参考直轴/交轴电流；
其中，基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制器为：
Figure FDA0002614679880000045
式中，u为控制输入；ua1为基于模型的前向控制律；us1为线性反馈控制律；us2为鲁棒反馈控制律；k1为正常数；z1＝x1-x1d；
Figure FDA0002614679880000046
和
Figure FDA0002614679880000047
为自适应参数；
Figure FDA0002614679880000048
为参考转速一阶导数；x1d为参考转速；x1系统状态，表示电机转速。
10.如权利要求8所述的一种应用于车辆动态试验台的滑移率模拟装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3.4)中，根据实际电流及滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流，计算参考直轴/交轴电压的方法，包括以下步骤：
3.4.1)采用扩张状态观测器设计，根据处理后的滑移率模拟电机实际电流及电流跟踪控制模块输出的参考直轴/交轴电压，计算得到直轴/交轴扰动电压值；
其中，扩张状态观测器为：
Figure FDA0002614679880000049
其中，L3，L4为观测器增益，取值L3＝2β1，L4＝β1 2；
Figure FDA00026146798800000410
Figure FDA00026146798800000411
且Rs为滑移率模拟电机定子电阻，Ld和Lq分别是d,q轴电感，且Ld＝Lq＝L，ωe为电角速度；x3＝[x31 x32]T＝[id iq]T，id和iq分别是滑移率模拟电机实际直轴及交轴电流；
Figure FDA00026146798800000412
F＝[F1 F2]T＝[fd fq]T为扰动电压；
Figure FDA00026146798800000413
和
Figure FDA00026146798800000414
为x3和x4的估计值的一阶导数；θ2为系统参数；u2为控制输入；
Figure FDA00026146798800000415
为x4的估计值；
Figure FDA00026146798800000416
为x3的估计误差；β1为观测器带宽；
状态观测误差
Figure FDA0002614679880000051
为：
Figure FDA0002614679880000052
其中，
Figure FDA0002614679880000053
M＝[0 I2×2]T；
Figure FDA0002614679880000054
i＝3,4，为χ中的各分量；H(t)＝[h3(t) h4(t)]T；
3.4.2)采用基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制方法，根据滑移率模拟电机实际电流、滑移率模拟电机参考直轴/交轴电流以及直轴/交轴扰动电压，计算得到滑移率模拟电机参考直轴/交轴电压；
其中，基于扩张状态观测器的自适应鲁棒控制器为：
Figure FDA0002614679880000055
式中，u2为控制输入；ua21为基于模型的前向补偿控制律；us22为线性反馈控制律；us23为鲁棒反馈控制律；
Figure FDA0002614679880000056
和
Figure FDA0002614679880000057
为
Figure FDA0002614679880000058
和
Figure FDA0002614679880000059
为自适应参数；
Figure FDA00026146798800000510
为转子磁链；k2为反馈增益；
Figure FDA00026146798800000511
Figure FDA00026146798800000512
和
Figure FDA00026146798800000513
分别为x41和x42的估计值。
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