基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车液压助力转向系统领域，特别涉及一种基于转速估计的自适应模 糊滑模控制。
【背景技术】
[0002] 目前重型车辆（大型客车、大型货车、半挂牵引车等）普遍采用助力特性单一的液 压助力转向系统（HPS)，由于HPS的助力特性不能随车速变化而变化，当车速较高时（超过 80km/h)，转向盘反馈给驾驶员的路感明显减弱，驾驶员会感到车辆"发飘"，导致精神紧张 和误操作，直接影响车辆的操纵稳定性和行驶安全性。通过对汽车行驶过程的统计结果表 明，车辆80%以上的行驶里程（或时间）处于非转向状态，但HPS的转向栗在发动机直接驱 动下一直处于运行状态，转向栗转速越高，液压回路的能量损失就越大，浪费的发动机功率 就越多。
[0003] 电磁转差离合器是一种基于电磁力学原理的非接触式传动装置，结构紧凑、无机 械磨损、性能稳定可靠、可实现无级变速，近年来在调速电机、静液传动、工程机械、船舶等 领域得到了广泛应用。然而想要在工况更多变的情况下控制电磁转差离合器进行更精确的 调速，如将电磁转差离合器应用于汽车自动变速器或助力转向系统中，则需要对电磁转差 离合器进行全面的综合性能试验，为改进和开发电磁转差离合器提供基础数据。
[0004] 传统的模糊控制器设计不依靠被控对象的模型，但它却非常依靠控制专家或操作 者的经验知识，不便于控制参数的学习和调整，且难以保证控制系统的稳定性。自适应模糊 控制则是具有自适应学习算法的模糊逻辑系统，其学习算法是依靠数据信息来调整模糊逻 辑系统的参数，且可以保证控制系统的稳定性，但这些控制方案都是用误差和误差变化率 作为模糊输入变量，所以在实际中需要较多的模糊规则。而模糊滑模控制是用滑模面作为 模糊输入变量，可以大大的减少模糊规则。
[0005] 由于电磁转差离合器（ESC)传递转矩和功率的范围较大，可实现10:1转差范围内 的无级变速，通过改变其电流就可控制主、从动部件的转差；同时，能满足驱动和控制重型 车辆HPS转向栗的动力学性能要求。专利CN202987263U提出的将ESC连接于发动机与转 向栗之间所构成的电磁转差离合器式电控液压转向系统（ESC-ElectricallyControlled HydraulicPowerSteering，E_ECHPS)，既继承了传统HPS的基本结构和原理，又利用了 ESC的性能特点，通过按需控制转向栗的功率输出而有机协调重型车辆的低速转向轻便 性、良好的高速转向路感。
[0006] 但在转向过程中，由于E-ECHPS系统存在的不确定性（如发动机转速波动）和外 界干扰（如路面随机作用力、侧向风力），转化为转向栗转速波动和转向盘转角/转矩跳动， 引起ESC控制电流的抖动而导致转向栗转速发生变动。所以系统自身的不确定性及外界干 扰成为E-ECHPS系统控制的主要问题。
【发明内容】
[0007] 本发明针对转向过程中，系统自身的不确定性和外界干扰对E-ECHPS的影响，提 出了一种基于转速估计的自适应模糊滑模控制方法，该自适应模糊滑模控制方法可以补偿 系统不确定性和外界干扰，并且有效的降低传统滑模控制方法中的抖振现象。为达到上述 技术目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] 基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1，将电磁转差离合器外转子与发动机相连，内转子与转向栗相连，建立电磁 转差离合器式电控液压转向系统；
[0010] 步骤2,利用电控单元（E⑶）采集电磁转差离合器式电控液压转向系统中转向栗 的转速；
[0011] 步骤3,基于步骤2中所述的转速，建立电磁转差离合器（ESC)动态方程，包括：建 立电磁转差离合器（ESC)在d_q轴下的数学模型；
[0012] 步骤4,基于步骤3中所述的数学模型，设计基于转速估计的自适应模糊滑模控制 器，包括如下步骤：
[0013] 步骤4. 1，设计等效滑模控制器；
[0014] 步骤4. 2，建立模糊逻辑系统；
[0015] 步骤4. 3,设计自适应模糊滑模控制器；
[0016] 步骤4. 4,基于Lyapunov函数，设计等效滑模控制器中的自适应参数/.及I的自 适应律。
[0017] 进一步地，所述步骤3中的数学模型具体为：
[0021 ] 其中，Ld为外转子直轴自感、Lq为外转子交轴自感，Lf为内转子线圈自感，Msf为内 转子和外转子的互感，Rf为内转子线圈电阻、Rs为外转子线圈电阻，I为三相绕组等效外 阻，id为直轴电流、iq为交轴电流，if为励磁电流，Uf为励磁电压，p为外转子极对数，Q:为 外转子机械角速度、Q2为内转子机械角速度J1为外转子的转动惯量、J2为内转子的转动 惯量，B1为外转子的转动阻尼系数、B2为内转子的转动阻尼系数，为电磁转矩，Tp为负载 转矩。
[0022] 进一步地，所述步骤4. 1的实现步骤包括：
[0023] 步骤4. 1. 1，根据ESC的运动方程，定义滑模面函数.s' =t> + 〇r)dr;:
[0024] 步骤4.L2,对步骤4.L1中所述的滑模面函数s求导夂
[0025] 步骤4. 1.3,使步骤4. 1.2中滑模面函数的导数1=0，得到等效控制电流
I1为滑模系数，e为跟踪 误差，满足e=Q2-Qd，其中Qd为理想转速。
[0026] 进一步地，所述步骤4. 2中所述的模糊逻辑系统由IF-THEN模糊语句构成。
[0027] 进一步地，所述步骤4. 3的实现步骤包括：
[0028] 步骤4. 3. 1，用f的估计值/代替f，用g的估计值#代替g，增加切换控制器，得到 自适应滑模控制律u，
[0029] 其中倉= <f(x)，Usw为切换控制量，
，其中k2为正 常数；
[0030] 步骤4. 3. 2,定义最优参数：
[0031]
[0032] 其中\和Qg分别为0f和0 ,的集合；
[0033] 步骤4. 3. 3,定义最小逼近误差
[0034] 步骤4. 3. 4,将步骤4. 3. 2中的最优参数和步骤4. 3. 3中的最小逼近误差代入步骤 步骤4. 1. 2中滑模面函数的导数h
[0035] 进一步地，所述步骤4. 4的实现步骤包括：
[0037] 步骤4. 4. 2,将Lyapunov函数对时间t求导，得到：
[0039] 步骤 4. 4. 3,设计自适应律％ 爽；
[0040] 步骤4. 4. 4,根据步骤4. 4. 2和步骤4. 4. 3得到：
[0041]
[0042] 步骤4. 4. 5,采用模糊逼近理论，依据步骤4. 4. 4中的关系式判断电磁转差离合器 式电控液压转向系统的稳定性。
[0043] 本发明的有益效果：
[0044] (1)本发明利用自适应模糊控制方法和模糊滑模控制方法各自的优点，通过动态 自适应律来产生满意的系统响应。
[0045] (2)基于Lyapunov方法设计的自适应算法能够保证整个闭环系统的全局渐进稳 定性；由于对固定增益进行模糊逼近，明显的减少了抖振现象。
[0046] (3)本发明基于转速估计的控制系统在重型车辆转向系统的应用中具有良好的前 景。
【附图说明】
[0047] 图1为传统液压助力转向系统转速-流量关系图；
[0048] 图2为ESC的结构原理图；
[0049] 图3为E-ECHPS系统组成原理图；
[0050] 图4为E-ECHPS系统转速-流量关系图；
[0051] 图5为E-ECHPS系统控制策略示意图；
[0052] 图6为本发明的电磁转差离合器基于转速估计的自适应模糊滑模控制系统结构 框图；
[0053] 图7为仿真时发动机输入；
[0054] 图8为PID控制及自适应模糊滑模控制在E-ECHPS系统仿真中的鲁棒性对比。
【具体实施方式】
[0055] 下面参照附图对本发明作以下具体的详细说明。
[0056] 如图1所示，当发动机处于怠速时，转向栗的输出流量就达到最大值，这样车辆在 原地转向时HPS可提供足够的转向助力，以满足转向轻便性的要求。随着车辆行驶速度提 高，转向栗的转速也相应提高，由图1可知，转向栗的理论流量Qp与实际流量L的差值（即 溢流流量）不断扩大，这意味着转向栗浪费的能量不断提高。
[0057] 如图2所示，电磁转差离合器（ESC)由内转子、外转子组成，其中外转子中嵌有三 相绕组，内转子中嵌有励磁绕组。在励磁绕组的作用下，三相绕组中感应出三相交流电，三 相交流电产生的电枢磁场与励磁磁场相互作用使内转子跟随外转子异步转动。控制器根据 实际工况要求控制超级电容的输出电流以改变励磁电流，从而实现转向栗转矩和转速的调 T〇
[0058] 如图3所示，将ESC联接于发动机及转向栗之间构成电磁转差离合器式电控液压 转向系统（E-ECHPS;电磁转差离合器（ESC)外转子与发动机相连，内转子与转向栗相连， ESC的输出转速等于转向栗的转速。因此本发明针对ESC进行自适应模糊滑模控制，通过调 节ESC的励磁电流，改变ESC输入轴及输出轴的转矩差来实现对转向栗转矩和转速的调节。 通过ECU接收车速、发动机转速、方向盘转矩/转角以及转向栗转速等信号，进而调节ESC 的励磁电流，改变ESC输入轴及输出轴的转矩差，进而实现对转向栗转矩和转速的调节。发 动机上装有检测发动机转速的传感器，转向栗上装有检测油栗转速的传感器，转向盘和转 阀之间装有转矩/转角传感器，用于检测方向盘输入转矩和转角。当车辆转向时，输出控制 模块ECU根据车速信号和传感器检测到的发动机转速信号、转向栗转速信号、转向盘输入 转矩/转角信号计算电磁离合器的输入电流、转向栗的转速和转矩，调节转向栗的输出流 量。此时助力缸也会根据转向栗的输出流量提供相应的助力，辅助驱动转向器转动，进而实 现车辆的便捷转向。
[0059] 如图4所示，在车辆行驶过程中，通过控制电磁离合器输入端与输出端的转速差， 使转向栗的转速处于[n_，n_]范围内，转向栗的输出流量控制在[Q_，QniaJ之间，转向栗 内就不会产生溢流流量，从而使转向栗的能耗明显降低。
[0060] 如图5所示，根据重型车辆不同工况下的运行和转向操纵的特点，以实现E-ECHPS 节能和转向操纵性有机协调为目标，提出"不转向时维持液压系统基本压力、低速和原地 转向时提供最大助力、中高速转向时提供恰当的随速可变助力"控制思想，以按需功率匹 配和理想助力特性为约束条件，将该系统的节能和操控协调问题转化为非线性变参数动态 系统的自适应控制问题。通过将模糊控制与滑模控制相结合，用模糊规则动态调节滑动模 态变结构控制参数来解决系统自身及外界对E-ECHPS系统的影响；运用李雅普诺夫函数 (Lyapunov)推导规则参数调整的自适应率，获得在线调节控制参数的自适应模糊控制规 律，进而获得在不确定性和