一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法，包括设计积分滑模控制和扰动观测器控制两大部分。积分滑模控制包括滑模面的设计和滑模控制律的设计，目的是保证系统的闭环稳定性能；扰动观测器用来观测系统的外部扰动和参数变化，并作为前馈项引入闭环系统。本发明所设计的复合控制器能够在电动自行车控制系统存在有界参数变化和负载扰动的情况下实现对电机的高性能速度跟踪控制。通过仿真对比，本发明所提出的复合控制器能有效地减小滑模控制输出的抖振，并具有良好的动、静态特性和鲁棒性。
【专利说明】一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交流伺服系统领域，尤其是一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自 行车控制方法。
【背景技术】
[0002] 永磁无刷直流电机以其结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及 调速性能好等诸多优点，广泛应用于家用电器、仪器仪表、医疗器械等工业领域。
[0003] 由于无刷直流电机的控制性能易受到外部负载扰动、内部参数变化、对象未建模 和非线性动态特性等不确定性的影响。为了获得良好的动态响应，一些先进控制策略如非 线性控制、自适应控制、H C?控制、滑模控制等相继被引入到交流伺服系统的研究中。其中 滑模控制以其鲁棒性强、响应快速、物理实现简单等优点而得到研究人员的重视。
[0004] 滑模控制作为一种变结构控制方法，当系统运动状态在滑模面上时，对系统参数 的不确定项以及外界干扰有着很强的鲁棒性（王丰饶.滑模变结构控制[M].北京：科学出 版社，1998)。从20世纪90年代中期开始，先后有研究将滑模变结构控制应用到交流伺服系 统的控制中。为了进一步解决传统滑模控制中存在的稳态误差问题，可以在滑模面的设置 中引入积分项。滑模面中加入积分项可以让系统稳态误差减少、有效削弱抖振的效果、增强 控制器的稳定性（庄开宇.变结构控制理论若干问题研究及其应用：（博士学位论文）.杭 州：浙江大学，2002)。
[0005] 针对无刷直流电机的速度控制，现有技术所设置的积分滑模面S定义如下：
【权利要求】
1. 一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法，包括电机，其特征在于，包 括积分滑模控制器、扰动观测器具体以下步骤： 1) 利用采样电阻对电动自行车的母线电流ii进行采样； 2) 通过霍尔传感器获得电动自行车电机的转子位置并计算出电机实际速度ω ; 3) 利用速度给定值与步骤2)中电机实际运行速度ω的差值e(t)，构造积分滑 模面S; 4) 根据步骤3)中的积分滑模面S设置积分滑模转速控制器进行转速调节，从而得到电 流控制量i〇 ; 5) 根据步骤4)所得电流控制量Ici以及电机当前实际运行转速ω来设置扰动观测器， 估计电机外加扰动，并进行前馈补偿，得到电流环电流给定值Γ ; 6) 对电流环的电流给定值Γ与实际输出电流值i的差值进行PI调节处理，产生期望 电压输出值u，对上述等效电压控制给定值u进行正弦波脉宽调制，结合霍尔传感器得到的 电机当前位置产生PWM信号，利用所述PWM信号控制三相逆变器产生三相电压信号，并利用 所述三相电压信号控制电动自行车电机运行。
2. 如权利要求1所述一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法，其特征 在于，所述电机为无刷直流电机，该电机机械运动模型表示为：
J为电机的转动惯量； np为电机的极对数； Vf为永磁体与定子交链的磁链； B为阻尼系数； T1为负载转矩。
3. 如权利要求1所述一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法，其特征 在于，步骤4)中积分滑模面S具体为：
其中： e定义为速度给定值与电机实际转速的差值；t定义为时间变量，系数c > 0。
4. 如权利要求3所述一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法，其特征 在于，所述积分滑模转速控制器的模型为：
J为电机的转动惯量； ω 为电机给定转速； e为给定转速与实际转速的差； np为电机的极对数； Vf为永磁体与定子交链的磁链； d为系统集总扰动，包括外部干扰及系统参数不确定项扰动； J为扰动观测器观测的扰动； B定义为阻尼系数； sgn(S)为符号函数； k为切换增益,且J /六。
5.如权利要求1所述一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法，其特征 在于，步骤5)中的扰动观测器采用非线性扰动观测器，该扰动观测器模型为：
其中：λ为非线性扰动观测器极点。
【文档编号】H02P6/06GK104393798SQ201410755884
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】李世华, 谷伟, 王会明, 杨俊 , 颜赟达, 何硕彦, 王佐 申请人:东南大学