基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器制造技术

本发明专利技术公开了基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，包括复合被控对象、基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型、线性闭环控制器以及零功耗控制模块；线性闭环控制器的输出作为基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输入，基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出作为控制复合被控对象的输入，复合被控对象的输出作用于磁悬浮飞轮电池动态模型；零功耗控制模块的输入来自于磁悬浮飞轮电池动态模型输出以及基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出，零功耗控制模块的输出作用于所述线性闭环控制器。本发明专利技术针对平动、转动模态解耦，并对解耦后系统引入零功耗控制模块，降低功率损耗。

Zero Power Decoupling Controller of Maglev Flywheel Battery for Electric Vehicle Based on Dynamic Model

The invention discloses a zero power decoupling controller of magnetic suspension flywheel battery for electric vehicle based on dynamic model, including compound controlled object, inverse dynamic switching model of fuzzy neural network based on soft set theory, linear closed loop controller and zero power control module; the output of linear closed loop controller is based on soft set theory. The output of the inverse dynamic switching model of the fuzzy neural network based on the soft set theory is the input of the compound controlled object, and the output of the compound controlled object acts on the dynamic model of the magnetic suspension flywheel battery; the input of the zero power control module comes from the magnetic field. The output of the dynamic model of the suspended flywheel battery and the output of the inverse dynamic switching model of the fuzzy neural network based on the soft set theory method, and the output of the zero power control module act on the linear closed-loop controller. The invention aims at translational and rotational mode decoupling, and introduces zero power control module into the decoupled system to reduce power loss.

【技术实现步骤摘要】
基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器
本专利技术属于电力传动控制设备
，具体是基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器。
技术介绍
磁悬浮飞轮电池是一种高效、清洁、适合移动、以储存机械能代替储存电能的二次放电装置。利用不接触的旋转飞轮储存能量，具有能量密度高、能量转换效率高、体积小、重量轻、使用寿命长等优点，因此为解决目前日益关注的新能源汽车动力电池存储问题提供了新途径。磁悬浮飞轮电池是一个融合多学科领域的多变量多耦合的复杂非线性系统，将磁悬浮飞轮电池应用于新能源汽车上，汽车工况变化及在不同路面上的振动都会对高速旋转的飞轮转子产生影响，尤其随着路况复杂度的增加，磁悬浮飞轮电池的平动模态和转动模态耦合增强，导致陀螺效应更加明显，使得飞轮转子稳定性受到影响，为了实现磁悬浮飞轮电池的稳定运行，必须对磁悬浮飞轮转子系统平动模态和转动模态其进行解耦控制，使平动模态和转动模态相互独立。并且，处于高速旋转的磁悬浮飞轮电池转子产生影响除了承受自身重力之外还承受陀螺力，因此，整个飞轮转子重量为一不稳定的动态负载，若采用传统的定气隙控制方法(零参考位移控制)，通过在控制线圈上通以控制电流产生控制磁通与永磁体产生的偏置磁通叠加形成悬浮力去平衡动态负载，它的控制电流会不断调整，功率损耗很大，为了降低飞轮电池的支承系统的功率损耗，本专利技术引入零功耗控制模块，通过调整转子位移参考平衡位置，形成不固定且不对称的气隙，进而在永磁体产生的偏置磁场中产生被动磁力去平衡动态负载，可大幅度降低支承系统的功率损耗。专利申请号201210550483.3，名称为：交流磁悬浮电主轴控制器的构造方法，是针对交流磁悬浮电主轴设计的一种基于粗集理论方法的模糊神经网络逆控制器。与磁悬浮电主轴类似，飞轮电池的拓扑结构也为磁悬浮支承系统，因此已经成功应用于磁悬浮电主轴的控制器的优良构造方法(如采用神经网络逆方法构造系统的逆模型)可以借鉴到飞轮电池控制器构造方法中。然而与静止不动的电主轴不同，将磁悬浮飞轮电池应用于新能源汽车上，比之用于电主轴具有更复杂的工况，即汽车不同的行驶状态以及因路面不平整引起的汽车各项振动，都将在飞轮电池转子上产生动态负荷，对磁悬浮飞轮电池转子的稳定性运行产生影响。传统的稳态模型已经不适用于实际情况，因此本专利技术提出动态模型，即在进行解耦控制之前，必须将汽车本身行驶状态及道路状况两方面影响因素考虑进磁悬浮飞轮电池的动力学分析与建模中，建立电动汽车用磁悬浮飞轮电池动态模型取代传统的磁悬浮飞轮电池稳态模型，为实现磁悬浮飞轮电池高稳定性控制奠定基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的不足而提出一种基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池解耦控制器，既可以实现磁悬浮飞轮转子系统平动模态和转动模态的解耦控制，又能消除汽车工况变化及在不同路面上的振动对高速旋转的飞轮转子产生的影响，使得飞轮转子获得高稳定性。并且对解耦后的系统引入零功耗控制模块，降低支承系统的功率损耗。采用如下技术方案：基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，包括：复合被控对象、基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型、线性闭环控制器以及零功耗控制模块；所述线性闭环控制器的输出作为基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输入，所述基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出作为控制复合被控对象产生期望输出的输入控制量，所述复合被控对象的输出作用于磁悬浮飞轮电池动态模型；所述零功耗控制模块的输入来自于磁悬浮飞轮电池动态模型的输出以及所述基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出，所述零功耗控制模块的输出作用于所述线性闭环控制器。进一步，所述复合被控对象包括：3/2变换模块与滞环比较器依次串接后连接磁悬浮飞轮电池动态模型、双极性开关功率放大器连接磁悬浮飞轮电池动态模型；所述3/2变换模块是将旋转坐标系中的坐标进行恒幅值变换到静止的两相垂直坐标系中，所述双极性开关功率放大器对输入的信号进行功率放大；所述线性闭环控制器包括5个动态加速度模块和5个分数阶PD控制器切换模块。进一步，所述磁悬浮飞轮电池动态模型的建立：结合飞轮电池稳定性分析结果，分析飞轮电池不同工况下的运行状态和参数变化规律，划定飞轮电池的运行区域为平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动，具体包括以下步骤：步骤(1)首先用集中质量法建立仅与飞轮转子自身特性有关的磁悬浮飞轮电池静态模型；步骤(2)再建立与飞轮电池等效基础的机械模型；步骤(3)建立相应的PID控制器模型；步骤(4)分析磁悬浮飞轮电池模型随汽车的不同运动情况，如平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动下的变化规律，，得到在不同速度时，汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动、横向振动和俯仰振动的磁悬浮飞轮电池动态模型；步骤(5)针对在不同速度时，汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动、横向振动和俯仰振动的数学模型作为模糊规则的经验约束模型，并修正数据样本，对磁悬浮飞轮电池动态模型进行修正；步骤(6)磁悬浮飞轮电池动态模型经过坐标变换和线性放大以及抗干扰环节的作用，得到复合被控对象的数学模型，复合被控对象包括8个子复合被控对象，对应8种不同的工况平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动。进一步，所述步骤(1)磁悬浮飞轮电池静态模型的建立方法包括：采用5自由度飞轮电池模型，由前径向轴承BMB、后径向轴承FMB、轴向轴承AMB组成；O为转子的质心，A为前径向轴承AMB的轴心，B为后径向轴承FMB的轴心，以质心为原点建立三维坐标系Oxyz，设转子质量为m，Jp为其极转动惯量，a为A点到质心的距离，b为B点到质心的距离，A点和B点之间的距离为l；在任意时刻，设θx和θy分别为转子绕x轴和y轴旋转时其对应的角度值，转子在A点和B点，相对于平衡位置沿x轴和y轴方向上的位移分别为xa、ya、xb、yb，转子在z轴方向上的位移为z，设质心位置分别为x0、y0、z0，其中Fx1、Fx2、Fy1、Fy2、Fz分别是轴承在x、y、z上对转子的作用力；则质心的位移为：在Oxyz平面内的转角θx、θy为：仅与飞轮转子自身特性相关的磁悬浮飞轮电池静态模型为：式中，是x0、y0、z0、θx、θy的二阶导数。进一步，所述步骤(4)中汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动、横向振动和俯仰振动的磁悬浮飞轮电池动态模型为：式中，fx1、fx2、fy1、fy2、fz分别为车辆运动过程中姿态变化对飞轮转子的干扰力，fx1、fx2、fy1、fy2、fz是可变的，汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动时，fx1、fx2、fy1、fy2、fz取不同的数值；所述步骤(6)中复合被控对象的数学模型为：式中，ζ1、ζ2、ζ3、ζ4、ζ5为偏差值。。进一步，步骤(5)中对磁悬浮飞轮电池动态模型进行修正：采用的修正方法是基于子结构的有限元模型修正方法；具体是将整体结构有限元模型划分为多个独立子结构有限元模型，通过求解一个或几个发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，包括：复合被控对象、基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型、线性闭环控制器以及零功耗控制模块；所述线性闭环控制器的输出作为基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输入，所述基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出作为控制复合被控对象产生期望输出的输入控制量，所述复合被控对象的输出作用于磁悬浮飞轮电池动态模型；所述零功耗控制模块的输入来自于磁悬浮飞轮电池动态模型的输出以及所述基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出，所述零功耗控制模块的输出作用于所述线性闭环控制器。

【技术特征摘要】
1.基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，包括：复合被控对象、基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型、线性闭环控制器以及零功耗控制模块；所述线性闭环控制器的输出作为基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输入，所述基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出作为控制复合被控对象产生期望输出的输入控制量，所述复合被控对象的输出作用于磁悬浮飞轮电池动态模型；所述零功耗控制模块的输入来自于磁悬浮飞轮电池动态模型的输出以及所述基于软集理论方法的模糊神经网络逆动态切换模型的输出，所述零功耗控制模块的输出作用于所述线性闭环控制器。2.根据权利要求1所述的基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，所述复合被控对象包括：3/2变换模块与滞环比较器依次串接后连接磁悬浮飞轮电池动态模型、双极性开关功率放大器连接磁悬浮飞轮电池动态模型；所述3/2变换模块是将旋转坐标系中的坐标进行恒幅值变换到静止的两相垂直坐标系中，所述双极性开关功率放大器对输入的信号进行功率放大；所述线性闭环控制器包括5个动态加速度模块和5个分数阶PD控制器切换模块。3.根据权利要求1所述的基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，所述磁悬浮飞轮电池动态模型的建立：结合飞轮电池稳定性分析结果，分析飞轮电池不同工况下的运行状态和参数变化规律，划定飞轮电池的运行区域为平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动，具体包括以下步骤：步骤(1)首先用集中质量法建立仅与飞轮转子自身特性有关的磁悬浮飞轮电池静态模型；步骤(2)再建立飞轮电池与等效基础的机械模型；步骤(3)建立相应的PID控制器模型；步骤(4)分析磁悬浮飞轮电池模型随汽车的不同运动情况，如平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动下的变化规律，，得到在不同速度时，汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动、横向振动和俯仰振动的磁悬浮飞轮电池动态模型；步骤(5)针对在不同速度时，汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动、横向振动和俯仰振动的数学模型作为模糊规则的经验约束模型，并修正数据样本，对磁悬浮飞轮电池动态模型进行修正；步骤(6)磁悬浮飞轮电池动态模型经过坐标变换和线性放大以及抗干扰环节的作用，得到复合被控对象的数学模型，复合被控对象包括8个子复合被控对象，对应8种不同的工况平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动。4.根据权利要求3所述的基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，所述步骤(1)磁悬浮飞轮电池静态模型的建立方法包括：采用5自由度飞轮电池模型，由前径向轴承BMB、后径向轴承FMB、轴向轴承AMB组成；O为转子的质心，A为前径向轴承AMB的轴心，B为后径向轴承FMB的轴心，以质心为原点建立三维坐标系Oxyz，设转子质量为m，Jp为其极转动惯量，a为A点到质心的距离，b为B点到质心的距离，A点和B点之间的距离为l；在任意时刻，设θx和θy分别为转子绕x轴和y轴旋转的角速度，转子在A点和B点，相对于平衡位置沿x轴和y轴方向上的位移分别为xa、ya、xb、yb，转子在z轴方向上的位移为z，设质心位置分别为x0、y0、z0，其中Fx1、Fx2、Fy1、Fy2、Fz分别是轴承在x、y、z上对转子的作用力；则质心的位移为：在Oxyz平面内的转角θx、θy为：仅与飞轮转子自身特性相关的的磁悬浮飞轮电池静态模型为：式中，是x0、y0、z0、θx、θy的二阶导数。5.根据权利要求4所述的基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，所述步骤(4)中汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动、横向振动和俯仰振动的磁悬浮飞轮电池动态模型为：式中，分别是x0、y0、z0、θx、θy的二阶导数，fx1、fx2、fy1、fy2、fz分别为车辆运动过程中姿态变化对飞轮转子的干扰力，fx1、fx2、fy1、fy2、fz是可变的，汽车在平稳运行、启动和加速、刹车与减速、转弯、爬坡、纵向振动，横向振动和俯仰振动时，fx1、fx2、fy1、fy2、fz取不同的数值；所述步骤(6)中复合被控对象的数学模型为：式中，ζ1、ζ2、ζ3、ζ4、ζ5为偏差值。6.根据权利要求3所述的基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征在于，步骤(5)中对动态转子动力学模型进行修正：采用的修正方法是基于子结构的有限元模型修正方法；具体是将整体结构有限元模型划分为多个独立子结构有限元模型，通过求解一个或几个发生变化的独立子结构特征解，并利用有限元模型修正；采用Lanczos算法从整体结构系统矩阵中计算结构特征解构建目标函数，将整体结构沿纵向分成10个子结构，在每一步迭代过程中，通过组集独立子结构的特征值求解整体结构的特征值，然后利用样机的动态试验和ADAMS仿真获取的物理参数的数据样本，重复修正模型的模态使其残差最小化。7.根据权利要求1所述的基于动态模型的电动汽车用磁悬浮飞轮电池零功耗解耦控制器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，程玲，杨恒坤，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32