CN114987606B - 一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法，包括：路感控制器接收外部输入的期望的路感转矩，将所述期望的路感转矩和实际的路感转矩作差，得到期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值；设计基于H₂/H_∞混合灵敏度路感转矩鲁棒控制算法的路感控制器，接收期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值，通过计算得到相应的定子电流，驱动路感电机输出转矩，向驾驶员提供理想的路感转矩。本发明的线控转向系统路感控制方法可以有效抑制路感转矩脉动，在谐波转矩扰动下具有更好的路感转矩跟踪性能和鲁棒性，最大程度地降低驾驶员操纵负担和车辆的操纵稳定性，实现对线控转向车辆的安全及操纵性能控制，因此具有广阔的市场应用前景。

Description

一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法

技术领域

本发明属于汽车转向系统技术领域，具体涉及一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法。

背景技术

传统的汽车转向系统采用机械连接的方式，由转向盘、转向柱和传动机构组成。线控转向系统取消了传统转向系统的机械连接，改用电信号的方式传递转角和转矩，为路感的自由设计奠定了基础。

但是现有技术中，线控转向系统路感多采用永磁同步电机输出转矩进行模拟；而为方便控制器设计，许多研究都将线控转向系统简化为二阶线性系统，将电机模型简化为一阶线性模型。特别是使用永磁同步电机作为路感电机时，由于忽略了二阶线性系统模型不能表征的因素如由逆变器死区非线性、气隙磁场畸变等造成的谐波电流，往往会导致实际应用中的控制效果的恶化，造成永磁同步电机输出转矩会发生较大的脉动，严重影响驾驶员对路感转矩的感知，增加了驾驶员的操纵负担，降低车辆的操纵稳定性。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法，以解决现有的线控转向系统路感技术中未考虑电流谐波引起的路感转矩脉动的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法，基于线控转向系统，其中；

所述线控转向系统包括：转向盘、转向管柱、转角转矩传感器、路感电机、路感电机减速器和路感控制器；

所述转向盘与转向管柱的一端连接，转向管柱的另一端连接路感电机减速器的一端，路感电机减速器的另一端连接路感电机；所述转向管柱上装有转角转矩传感器，所述路感控制器接收转角转矩传感器信号并控制路感电机输出转矩；

所述方法步骤如下：

1)路感控制器接收外部输入的期望的路感转矩，将所述期望的路感转矩和实际的路感转矩作差，得到期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值；

2)设计基于H₂/H_∞混合灵敏度路感转矩鲁棒控制算法的路感控制器，接收期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值，通过计算得到相应的定子电流，驱动路感电机输出转矩，向驾驶员提供理想的路感转矩。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

将电流谐波导致路感转矩脉动建模为有界的不确定性外界扰动；建立线控转向路感控制系统的不确定性模型，与有界的不确定性外界扰动按照加性不确定性原则进行叠加，将谐波转矩脉动问题转化为H₂/H_∞标准问题；根据LMI方法求解出路感控制器，具体如下：

21)将不确定的系统参数、不确定的传感器噪声和不确定的电流谐波导致的电机输出转矩脉动建模为有上界的外部扰动，具体如下：

考虑不确定的系统参数对路感转矩的影响，则系统输出的实际的路感转矩T_s改写为：

T_s＝T_s'+τ_s   (1)

式中，T_s为实际的路感转矩，τ_s为系统不确定参数造成的转矩脉动；

为τ_s的上界；

考虑不确定的谐波转矩T_har对路感电机电磁转矩的影响，表示为：

式中，ψ₀,ψ₆,ψ₁₂分别为已知的恒定平均直流振幅、d轴磁链的第6次和第12次谐波振幅，τ₆和τ₁₂分别为6次和12次谐波引起的转矩脉动；θ_e为路感电机的电角度；i_q为q轴电流；

考虑不确定的传感器噪声带来的q轴电流测量偏置，实际的q轴电流i_q表示为：

式中，Δi_qbias为传感器噪声带来的q轴电流测量偏置；i_q ^*为理想的q轴电流；

传感器噪声带来的q轴电流测量偏置导致的偏置转矩T_bias表示为：

则实际的电机输出转矩T_m为：

式中，

为理想的电机输出转矩，T_har和T_bias为有界扰动；

则等效到电机输出轴上的系统总扰动转矩T_dr表示为：

式中，

为T_dr的上界，G_m为路感电机减速器传动比，

为τ₆的上界，

为τ₁₂的上界，

为T_bias的上界；

22)建立线控转向路感控制系统的不确定性模型G₀(s)，线控转向路感控制系统的不确定性模型的输入为路感控制器输出的定子电流i_q，线控转向路感控制系统的不确定性模型的输出为路感转矩T_s，具体如下：

取状态变量

系统输入为电机定子电流u＝[i_q]，系统干扰输入为w＝[T_d T_dr]^T，系统输出为y＝[T_s]，则控制系统的状态空间表示为：

式中，J_c为等效转向盘的转动惯量；K_c为等效转矩传感器扭杆刚度系数；B_c为等效转向盘的阻尼系数；θ_sw为转向盘转角；T_d为驾驶员输入转矩；T_s为转角转矩传感器量测得到的路感转矩；J_m为路感电机等效转动惯量；B_m为路感电机等效阻尼系数；θ_m为路感电机转角；G_m为路感电机减速器传动比；D₁为扰动输入到系统输出的传递函数矩阵；D₂为输入矩阵；

23)将所述系统总扰动转矩T_dr作为控制系统的干扰输入w，与控制系统的输出y按照加性不确定性原则进行叠加，系统干扰输入的到系统输出的传动函数为G_d(s)，将谐波转矩脉动问题转换为H₂/H_∞标准问题，构建H₂/H_∞标准控制系统，基于LMI方法设计路感控制器K(s)，具体如下：

根据参考输入T_d ^*和系统输出T_s之差，基于H₂/H_∞混合灵敏度算法计算控制输出定子电流i_q，以保证系统稳定，且使干扰输入到评价输出传递函数G_d(s)的H_∞范数和H₂范数最小；

根据上式(8)可知，系统干扰输入到系统输出的传递函数G_d(s)表示为：

G_d(s)＝D₁·w   (9)

路感控制器K(s)表示为：

式中，n_s为传感器噪声干扰，参考输入r为T_d ^*为期望的路感转矩，量测输出y为期望路感转矩与实际路感之间的差值，控制输入u为定子q轴电流i_q；控制输出Z＝[Z₁ Z₂ Z₃]，Z₁代表期望路感与实际路感之差，表示控制系统的跟踪性能；Z₂代表控制器输出的大小，限制控制器输出值大小；Z₃代表系统输出大小；W₁，W₂，W₃分别为Z₁,Z₂,Z₃的加权函数。

本发明的有益效果：

本发明的线控转向系统路感控制方法可以有效抑制路感转矩脉动，在谐波转矩扰动下具有更好的路感转矩跟踪性能和鲁棒性，最大程度地降低驾驶员操纵负担和车辆的操纵稳定性，实现对线控转向车辆的安全及操纵性能控制，因此具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明线控转向路感控制系统原理图。

图2为线控转向系统路感控制方法框图。

图3为H₂/H_∞混合路感鲁棒控制方法框图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1，图2所示，本发明的一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法，基于线控转向系统，其中；

所述线控转向系统包括：转向盘、转向管柱、转角转矩传感器、路感电机、路感电机减速器和路感控制器；

所述转向盘与转向管柱的一端连接，转向管柱的另一端连接路感电机减速器的一端，路感电机减速器的另一端连接路感电机；所述转向管柱上装有转角转矩传感器，所述路感控制器接收转角转矩传感器信号并控制路感电机输出转矩；

方法步骤如下：

1)路感控制器接收外部输入的期望的路感转矩，将所述期望的路感转矩和实际的路感转矩作差，得到期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值；

2)设计基于H₂/H_∞混合灵敏度路感转矩鲁棒控制算法的路感控制器，接收期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值，通过计算得到相应的定子电流，驱动路感电机输出转矩，向驾驶员提供理想的路感转矩；

其中，所述实际的路感转矩由转角转矩传感器实时采集测量得到；所述的期望的路感转矩由外部控制器输入或其他方式获得。

所述基于H₂/H_∞混合灵敏度路感转矩鲁棒控制算法的路感控制器设计方法，如图3所示，将电流谐波等因素导致路感转矩脉动建模为有界的不确定性外界扰动；建立线控转向路感控制系统的不确定性模型，与控制系统的不确定性模型按照加性不确定性原则进行叠加，将谐波转矩脉动问题转化为H₂/H_∞标准问题；根据LMI方法求解出路感控制器，具体如下：

21)将不确定的系统参数、不确定的传感器噪声和不确定的电流谐波导致的电机输出转矩脉动建模为有上界的外部扰动，具体如下：

考虑不确定的系统参数对路感转矩的影响，则系统输出的实际的路感转矩T_s改写为：

T_s＝T_s'+τ_s   (1)

式中，T_s为实际的路感转矩，τ_s为系统不确定参数造成的转矩脉动；

为τ_s的上界；

考虑不确定的谐波转矩T_har对路感电机电磁转矩的影响，表示为：

式中，ψ₀,ψ₆,ψ₁₂分别为已知的恒定平均直流振幅、d轴磁链的第6次和第12次谐波振幅，τ₆和τ₁₂分别为6次和12次谐波引起的转矩脉动；θ_e为路感电机的电角度；i_q为q轴电流；

考虑不确定的传感器噪声带来的q轴电流测量偏置，实际的q轴电流i_q表示为：

式中，Δi_qbias为传感器噪声带来的q轴电流测量偏置；i_q ^*为理想的q轴电流；

传感器噪声带来的q轴电流测量偏置导致的偏置转矩T_bias表示为：

则实际的电机输出转矩T_m为：

其中，

为理想的电机输出转矩，T_har和T_bias为有界扰动；

则等效到电机输出轴上的系统总扰动转矩T_dr表示为：

式中，

为T_dr的上界，G_m为路感电机减速器传动比，

为τ₆的上界，

为τ₁₂的上界，

为T_bias的上界；

22)建立线控转向路感控制系统的不确定性模型G₀(s)，线控转向路感控制系统的不确定性模型的输入为路感控制器输出的定子电流i_q，线控转向路感控制系统的不确定性模型的输出为路感转矩T_s，具体如下：

取状态变量

系统输入为电机定子电流u＝[i_q]，系统干扰输入为w＝[T_d T_dr]^T，系统输出为y＝[T_s]，则控制系统的状态空间表示为：

式中，J_c为等效转向盘的转动惯量；K_c为等效转矩传感器扭杆刚度系数；B_c为等效转向盘的阻尼系数；θ_sw为转向盘转角；T_d为驾驶员输入转矩；T_s为转角转矩传感器量测得到的路感转矩；J_m为路感电机等效转动惯量；B_m为路感电机等效阻尼系数；θ_m为路感电机转角；G_m为路感电机减速器传动比；D₁为扰动输入到系统输出的传递函数矩阵；D₂为输入矩阵；

23)将所述系统总扰动转矩T_dr作为控制系统的干扰输入w，与控制系统的输出y按照加性原则进行叠加，系统干扰输入的到系统输出的传动函数为G_d(s)，将谐波转矩脉动问题转换为H₂/H_∞标准问题，构建H₂/H_∞标准控制系统，基于LMI方法设计路感控制器K(s)，具体如下：

如图3所示，根据参考输入T_d ^*和系统输出T_s之差，基于H₂/H_∞混合灵敏度算法计算控制输出定子电流i_q，以保证系统稳定，且使干扰输入到评价输出传递函数G_d(s)的H_∞范数和H₂范数最小；

根据上式(8)可知，系统干扰输入的到系统输出的传递函数G_d(s)可表示为：

G_d(s)＝D₁·w   (9)

路感控制器K(s)表示为：

式中，n_s为传感器噪声干扰，参考输入r为T_d ^*为期望的路感转矩，量测输出y为期望路感转矩与实际路感之间的差值，控制输入u为定子q轴电流i_q；控制输出Z＝[Z₁ Z₂ Z₃]，Z₁代表期望路感与实际路感之差，表示控制系统的跟踪性能；Z₂代表控制器输出的大小，限制控制器输出值大小；Z₃代表系统输出大小；W₁，W₂，W₃分别为Z₁,Z₂,Z₃的加权函数。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种考虑谐波转矩脉动的线控转向系统路感控制方法，基于线控转向系统，所述线控转向系统包括：转向盘、转向管柱、转角转矩传感器、路感电机、路感电机减速器和路感控制器；

所述转向盘与转向管柱的一端连接，转向管柱的另一端连接路感电机减速器的一端，路感电机减速器的另一端连接路感电机；所述转向管柱上装有转角转矩传感器，所述路感控制器接收转角转矩传感器信号并控制路感电机输出转矩；

其特征在于，所述方法步骤如下：

1)路感控制器接收外部输入的期望的路感转矩，将所述期望的路感转矩和实际的路感转矩作差，得到期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值；

2)设计基于H₂/H_∞混合灵敏度路感转矩鲁棒控制算法的路感控制器，接收期望的路感转矩和实际的路感转矩的差值，通过计算得到相应的定子电流，驱动路感电机输出转矩，向驾驶员提供理想的路感转矩；

所述步骤2)具体包括：

将电流谐波导致路感转矩脉动建模为有界的不确定性外界扰动；建立线控转向路感控制系统的不确定性模型，与有界的不确定性外界扰动按照加性不确定性原则进行叠加，将谐波转矩脉动问题转化为H₂/H_∞标准问题；根据LMI方法求解出路感控制器，具体如下：

21)将不确定的系统参数、不确定的传感器噪声和不确定的电流谐波导致的电机输出转矩脉动建模为有上界的外部扰动，具体如下：

考虑不确定的系统参数对路感转矩的影响，则系统输出的实际的路感转矩T_s改写为：

T_s＝T_s'+τ_s                            (1)

式中，T_s为实际的路感转矩，τ_s为系统不确定参数造成的转矩脉动；

为τ_s的上界；

考虑不确定的谐波转矩T_har对路感电机电磁转矩的影响，表示为：

式中，ψ₀,ψ₆,ψ₁₂分别为已知的恒定平均直流振幅、d轴磁链的第6次和第12次谐波振幅，τ₆和τ₁₂分别为6次和12次谐波引起的转矩脉动；θ_e为路感电机的电角度；i_q为q轴电流；

考虑不确定的传感器噪声带来的q轴电流测量偏置，实际的q轴电流i_q表示为：

式中，Δi_qbias为传感器噪声带来的q轴电流测量偏置；i_q ^*为理想的q轴电流；

传感器噪声带来的q轴电流测量偏置导致的偏置转矩T_bias表示为：

则实际的电机输出转矩T_m为：

式中，

为理想的电机输出转矩，T_har和T_bias为有界扰动；

则等效到电机输出轴上的系统总扰动转矩T_dr表示为：

式中，

为T_dr的上界，G_m为路感电机减速器传动比，

为τ₆的上界，

为τ₁₂的上界，

为T_bias的上界；

22)建立线控转向路感控制系统的不确定性模型G₀(s)，线控转向路感控制系统的不确定性模型的输入为路感控制器输出的定子电流i_q，线控转向路感控制系统的不确定性模型的输出为路感转矩T_s，具体如下：

取状态变量

系统输入为电机定子电流u＝[i_q]，系统干扰输入为w＝[T_d T_dr]^T，系统输出为y＝[T_s]，则控制系统的状态空间表示为：

式中，J_c为等效转向盘的转动惯量；K_c为等效转矩传感器扭杆刚度系数；B_c为等效转向盘的阻尼系数；θ_sw为转向盘转角；T_d为驾驶员输入转矩；T_s为转角转矩传感器量测得到的路感转矩；J_m为路感电机等效转动惯量；B_m为路感电机等效阻尼系数；θ_m为路感电机转角；G_m为路感电机减速器传动比；D₁为扰动输入到系统输出的传递函数矩阵；D₂为输入矩阵；

23)将所述系统总扰动转矩T_dr作为控制系统的干扰输入w，与控制系统的输出y按照加性不确定性原则进行叠加，系统干扰输入的到系统输出的传动函数为G_d(s)，将谐波转矩脉动问题转换为H₂/H_∞标准问题，构建H₂/H_∞标准控制系统，基于LMI方法设计路感控制器K(s)，具体如下：

根据参考输入T_d ^*和系统输出T_s之差，基于H₂/H_∞混合灵敏度算法计算控制输出定子电流i_q，且使干扰输入到评价输出传递函数G_d(s)的H_∞范数和H₂范数最小；

根据上式(8)可知，系统干扰输入到系统输出的传递函数G_d(s)表示为：

G_d(s)＝D₁·w                           (9)

路感控制器K(s)表示为：

式中，n_s为传感器噪声干扰，参考输入r为T_d ^*为期望的路感转矩，量测输出y为期望路感转矩与实际路感之间的差值，控制输入u为定子q轴电流i_q；控制输出Z＝[Z₁ Z₂ Z₃]，Z₁代表期望路感与实际路感之差，表示控制系统的跟踪性能；Z₂代表控制器输出的大小，限制控制器输出值大小；Z₃代表系统输出大小；W₁，W₂，W₃分别为Z₁,Z₂,Z₃的加权函数。

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