CN116317775B - 一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法包括，在已有积分滑模面和已有双积分滑模面的基础上，结合分数阶微积分运算构建的双分数阶积分滑模面；以超螺旋趋近律和双分数阶积分滑模面为基础，通过电动助力车永磁同步电机驱动系统的超局部模型，得到一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器；本发明提供的一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法，可以有效的提升电动助力车驱动系统稳态性能，同时能够减小电动助力车驱动系统的稳态误差。

Description

一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法

技术领域

本发明涉及电动助力车驱动系统控制技术领域，尤其涉及一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法。

背景技术

如今，由于全球能源危机和环境保护意识的提高，电动助力车作为电动汽车的重要组成部分，其具有零碳排放、方便、低噪音和效率高的优势，已广泛应用于国内运输和工业生产。电动助力车的驾驶性能一直是研究者关注的焦点，在各种路况和交通流量条件下获得高质量的车速控制性能变得越来越重要。在特定的应用场景中，电动助力车的电机驱动系统具有频繁启动，负荷扰动变化迅速的特点，这是对驱动性能的一个较大的挑战。电机驱动系统是电动助力车的核心。永磁同步电机具有体积小、过载能力大和加减速效率高等优点，在电动助力车驱动电机中处于主流地位。当电动助力车在频繁地启动、加速和变负载等复杂条件下运行时，对永磁同步电机的动稳态响应和抗干扰能力都需要更高的要求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法，用来解决实际问题中，积分滑模控制中由于开关频率的存在，造成积分滑模控制下的驱动系统稳态性能较差；当积分滑模控制的开关频率降低时，电动助力车驱动系统的稳态误差又会增大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法，包括：

基于积分滑模面，构建双分数阶积分滑模面；

通过超螺旋近律和所述双分数阶积分滑模面，得到电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：所述基于积分滑模面，构建双分数阶积分滑模面，包括：采用结合分数阶微积分运算的方式进行双分数阶积分滑模面的构建。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：所述双分数阶积分滑模面，包括：

双分数阶积分滑模面的表达式为：

s_DFOISM(t)＝K₁e(t)+K₂D^uD^ue(t)+K₃D^ue(t)

其中，K₁＞0，K₂＞0，K₃＞0；s_DFOISM(t)为双分数阶积分滑模面；e(t)是电机实际转速与设定转速的误差；D^u为分数阶积分运算符号；u为分数阶的积分分数阶次且0＜u＜1。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：通过超螺旋近律和所述双分数阶积分滑模面，得到电动助力车驱动系统控制方法，包括：

对所述双分数阶积分滑模面取微分并结合超螺旋趋近律进行运算；

结合电动助力车驱动系统的超局部模型，得到电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：对所述双分数阶积分滑模面取微分并结合超螺旋趋近律进行运算，包括：

超螺旋趋近结构设计表达式为：

其中，η₁＞0,η₂＞0；sign(s_DFOISM(t))为双分数阶积分滑模面的符号函数。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：所述超螺旋趋近结构表达式，包括：

对表达式中双分数阶积分滑模面的符号函数进行条件约束，约束的表达式为：

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：结合电动助力车驱动系统的超局部模型，包括：

根据双分数阶积分滑模面的符号函数的约束条件表达式，得到数据驱动的电动助力车驱动系统的动态模型。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：所述电动助力车驱动系统，包括：所采用的驱动电机为表贴式永磁同步电机。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：采用数据驱动的电动车永磁同步电机驱动系统的动态模型，包括：

动态模型的表达式为：

其中，F表示系统的总不确定性；u(t)为系统控制器的输入；y(t)为系统的受控对象；a为一个没有物理意义的正参数；y_r(t)为系统的受控对象的目标值；为系统的受控对象的一阶微分式。

作为本发明所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的一种优选方案，其中：利用所述动态模型设计双分数阶积分滑模控制器，包括：

双分数阶积分滑模控制器的设计表达式为：

与现有技术相比，发明有益效果为：本发明构建的双分数阶积分滑模面，能够解决已有积分滑模控制中开关频率的存在，导致的电动助力车驱动系统稳态性能差和已有积分滑模控制的开关频率降低时，电动助力车驱动系统的稳态误差增大的问题。保证了控制系统的稳定性，同时采用超螺旋趋近律，减少了驱动系统的抖振现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的控制器框架示意图；

图2为本发明一个实施例所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的控制器下的转速输出响应曲线的算法对比图；

图3为本发明一个实施例所述的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法的控制器下的转速抗扰动输出响应曲线的算法对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法，包括：

基于积分滑模面，构建双分数阶积分滑模面；

进一步的，基于积分滑模面分为，已有积分滑模面和已有双积分滑模面；

已有积分滑模面的表达式为：

s_ISM(t)＝K₁e(t)+K₂∫e(t)dt (1)

其中，s_ISM(t)为已有积分滑模面；K₁＞0，K₂＞0；e(t)是电机实际转速与设定转速的误差；

进一步的，已有双积分滑模面的表达式为：

s_DISM(t)＝K₁e(t)+K₂∫e(t)dt+K₃∫∫e(t)dtdt (2)

其中，s_DISM(t)为已有双积分滑模面；K₁＞0，K₂＞0，K₃＞0；

进一步的，在已有积分滑模面和已有双积分滑模面的基础上，结合分数阶微积分运算，建立双分数阶积分滑模面为：

s_DFOISM(t)＝K₁e(t)+K₂D^uD^ue(t)+K₃D^ue(t) (3)

其中，K₁＞0，K₂＞0，K₃＞0；s_DFOISM(t)为双分数阶积分滑模面；e(t)是电机实际转速与设定转速的误差；D^u为分数阶积分运算符号；u为分数阶的积分分数阶次且0＜u＜1；

应当说明的是，建立双分数阶积分滑模面是为了提高驱动系统的鲁棒性和动态响应，同时提升了本发明实施例中控制器的灵活性；

通过超螺旋近律和所述双分数阶积分滑模面，得到电动助力车驱动系统控制方法；

进一步的，通过超螺旋近律算法设计超螺旋趋近律表达式为：

其中，η₁＞0,η₂＞0；sign(s_DFOISM(t))为双分数阶积分滑模面的符号函数；

应当说明的是，选择超螺旋趋近律算法设计是用来保证控制系统的稳定性，减少驱动系统的抖振现象；

结合(3)式的滑模面和(4)、(5)式得到基于数据驱动原理构建的电动助力车的永磁同步电机驱动系统动态模型；

应当说明的是，本发明实施例所采用的驱动电机为表贴式永磁同步电机；

进一步的，动态模型表达式为：

其中，F表示系统的总不确定性；u(t)为系统控制器的输入；y(t)为系统的受控对象；a为一个没有物理意义的正参数；y_r(t)为系统的受控对象的目标值；为系统的受控对象的一阶微分式；

根据动态模型表达式，得到电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器；

进一步的，电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器设计表达式为：

应当说明的是，本实施例使用动态模型设计的控制器是在永磁同步电机驱动系统的反馈通道中，是为了减少电动助力车的永磁同步电机驱动系统建模的不确定性从而导致对控制器设计的影响。

实施例2

参照图2和图3，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法，包括：

为了验证本发明方法的有效性，分别对已有的积分滑模控制器、已有的双积分滑模控制器和本发明设计的的电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器进行了系统仿真的数据对比；

方法1、的电动助力车永磁同步电机驱动系统双分数阶积分滑模控制器的关键参数设置如下：

K₁＝1,K₂＝0.1,K₃＝0.5,u＝0.1，η₁＝90，η₂＝10；

方法2、已有积分滑模控制方法的参数设置如下：

K₁＝1，K₂＝0.1，η₁＝90，η₂＝10；

方法3、已有双积分滑模控制方法的参数设置如下：

K₁＝1,K₂＝0.1,K₃＝0.5，η₁＝90，η₂＝10；

三种控制方法的控制效果如图2和图3所示；

由图2可以看出本发明的控制器下的电动助力车永磁同步电机驱动系统的转速相较已有的二种控制器下的转速具有较小的稳态误差，由图3可以看出本发明的控制器下的电动助力车永磁同步电机驱动系统具有更高的稳定精度且抗扰动性能更优的特点；由此可以说明本发明提供的一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法比传统滑模控制方法更加适用。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制方法，其特征在于，包括：

基于积分滑模面，构建双分数阶积分滑模面；

通过超螺旋近律和所述双分数阶积分滑模面，得到电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器；

所述基于积分滑模面，构建双分数阶积分滑模面，包括：采用结合分数阶微积分运算的方式进行双分数阶积分滑模面的构建；

所述双分数阶积分滑模面，包括：

双分数阶积分滑模面的表达式为：

s_DFOISM(t)＝K₁e(t)+K₂D^uD^ue(t)+K₃D^ue(t)

其中，K₁＞0，K₂＞0，K₃＞0；s_DFOISM(t)为双分数阶积分滑模面；e(t)是电机实际转速与设定转速的误差；D^u为分数阶积分运算符号；u为分数阶的积分分数阶次；

通过超螺旋近律和所述双分数阶积分滑模面，电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器，包括：

对所述双分数阶积分滑模面取微分并结合超螺旋趋近律进行运算；

结合电动助力车驱动系统的超局部模型，得到电动助力车驱动系统双分数阶积分滑模控制器；

对所述双分数阶积分滑模面取微分并结合超螺旋趋近律进行运算，包括：

超螺旋趋近结构设计表达式为：

其中，η₁＞0,η₂＞0；sign(s_DFOISM(t))为双分数阶积分滑模面的符号函数；

所述超螺旋趋近结构表达式，包括：

对表达式中双分数阶积分滑模面的符号函数进行条件约束，约束的表达式为：

结合电动助力车驱动系统的超局部模型，包括：

根据双分数阶积分滑模面的符号函数的约束条件表达式，得到数据驱动的电动助力车驱动系统的动态模型；

所述电动助力车驱动系统，包括：所采用的驱动电机为表贴式永磁同步电机；

采用数据驱动的电动车永磁同步电机驱动系统的动态模型，包括：

动态模型的表达式为：

其中，F表示系统的总不确定性；u(t)为系统控制器的输入；y(t)为系统的受控对象；a为一个没有物理意义的正参数；y_r(t)为系统的受控对象的目标值；为系统的受控对象的一阶微分式；

利用所述动态模型设计双分数阶积分滑模控制器，包括：

双分数阶积分滑模控制器的设计表达式为：