一种多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，属于车载飞轮电池控制技术领域。本发明专利技术将电流规整模块处理后电流信号作为支持向量机位移预测模块的输入信号，支持向量机位移预测模块的输出信号、模糊PID交叉反馈控制模块和神经网络逆解耦控制模块输出且经累加和坐标系转换模块处理后的信号作为改进零功率控制模块的输入信号，支持向量机位移预测模块输出的位移信号、改进零功率控制模块的输出信号作为线性闭环控制器的输入信号，线性闭环控制器的输出作为模糊PID交叉反馈控制模块和神经网络逆解耦控制模块的输入信号。本发明专利技术精简了整个系统的复杂性，实时响应特性大大提高，不仅可以抑制陀螺效应，提高稳定性，又降低能耗和成本。降低能耗和成本。降低能耗和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统


[0001]本专利技术涉及用于电动汽车的车载磁悬浮飞轮电池(也称飞轮储能装置)控制
，具体涉及一种集低能耗、低成本及高稳定控制等多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统。

技术介绍

[0002]车载磁悬浮飞轮电池是一种基于磁悬浮轴承技术的新型机电一体化装置，它突破了传统化学电池的局限，具有储能密度高、能量转换率高、使用寿命长、无污染等优点。车载磁悬浮飞轮电池在实现工程应用普及化方面，飞轮转子的稳定控制、能耗及成本方面都是关键影响因素。
[0003]稳定控制方面：汽车自身行驶状态和复杂路况都将加剧飞轮转子的陀螺效应，影响车载磁悬浮飞轮电池飞轮转子的稳定性。在抑制飞轮转子的陀螺效应、提高其自身稳定性方面，主要方法包括三类，分别是基于现代控制理论的控制算法、智能解耦算法和基于传统分散PD控制器的交叉反馈控制算法。基于现代控制理论的控制算法中的线性状态反馈解耦控制(章琦.主动电磁轴承飞轮储能系统陀螺效应抑制研究[D].浙江：浙江大学，2012)涉及到反馈阵，其中的参数与转子转速有关，考虑到飞轮电池转子转速极易变化，这就要求该控制算法不仅需要性能好的速度观测器，同时每次转速的变化需要对反馈阵进行在线计算，计算量大，实际工程中不易实现。智能解耦算法包括神经解耦算法、模糊解耦算法、滑模解耦算法等等，这些算法需要比较大的计算机配置资源，并且控制器的设计十分复杂。基于传统分散PD控制器的交叉反馈控制算法相比于上述两类解耦算法，简单直接，计算量小，工程中容易实现。上述所有控制算法仅仅考虑到稳定控制，未考虑低能耗问题和成本问题。
[0004]低能耗控制方面：车载磁悬浮飞轮电池待机损耗高(自放电率高)。在降低能耗方面，主要有低偏置电流控制、零偏置电流控制，由于磁悬浮轴承工作在非线性区，这两种控制方法都需要采用合适的非线性控制策略配合磁悬浮控制，工程中不易实现。王晓刚(永磁偏置磁轴承数字控制系统和控制策略研究[D].南京：南京航空航天大学，2009)提出一种保持磁轴承低功耗的位移补偿方法，轴向受到外力干扰，通过改变转子轴向悬浮位置，让磁轴承中的永磁体产生偏心拉力抵消外力，该方法仅考虑到实现轴向的低能耗，未考虑径向四个自由度的低能耗问题。上述三种方法又仅仅考虑到低能耗，未考虑稳定性问题和成本问题。
[0005]低成本方面：车载磁悬浮飞轮电池所需的位移传感器数量多且价格昂贵，大大限制了车载飞轮电池在工业上的推广应用。采用转子位移自检测技术代替位移传感器，有利于降低成本，主要方法包括参数估计法、高频信号注入法、基于神经网络的无传感控制方法等。参数估计法依赖于系统精确的数学模型，对控制器的设计要求较高；高频信号注入法需要特殊的信号处理技术才能实现位移的估计；基于神经网络的无传感控制方法，利用了神经网络较强的非线性映射能力实现转子位移自检测，虽然该控制方法弥补了上述两种方法的不足，但是神经网络目前存在过拟合、易陷入局部极值、结构设计依赖于经验等缺陷。上
述三种方法只考虑到低成本问题，没有涉及低能耗和稳定性问题。
[0006]另外，如若将解决以上问题的方法均以分散模块的形式堆砌在一个控制系统中，必然导致控制系统复杂、影响系统的实时响应，不适合车载磁悬浮飞轮电池系统对应对外界复杂多变的环境下依然保持高稳定、低能耗且低成本的运行状态控制。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，不仅可以抑制陀螺效应，提高稳定性，又降低能耗和成本。
[0008]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0009]一种多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，包括线性闭环控制器、模糊PID交叉反馈控制模块、神经网络逆解耦控制模块、改进零功率控制模块、坐标系转换模块、累加和坐标系转换模块、复合被控对象和支持向量机位移预测模块，线性闭环控制器包括控制方式切换模块；所述线性闭环控制器的输出分别作为模糊PID交叉反馈控制模块、神经网络逆解耦控制模块的输入，所述模糊PID交叉反馈控制模块的输出以及神经网络逆解耦控制模块经坐标系转换模块的输出作为控制复合被控对象的输入，经复合被控对象变换复用，作为支持向量机位移预测模块的输入；模糊PID交叉反馈控制模块、神经网络逆解耦控制模块的输出经累加和坐标系转换模块处理，与支持向量机位移预测模块的输出复用，作为改进零功率控制模块的输入；改进零功率控制模块产生参考位移输出，与支持向量机位移预测模块的实际位移输出一同作为线性闭环控制器的输入。
[0010]所述复合被控对象包括第一Clark逆变换模块、第二Clark逆变换模块、第三Clark逆变换模块、第一开关功率放大器、第二开关功率放大器、电流传感器、电流归整模块和实际被控对象，所述实际被控对象包括轴向磁轴承a2、前径向磁轴承a1和后径向磁轴承b1；
[0011]所述第一Clark逆变换模块的输入为：模糊PID交叉反馈控制模块输出的径向控制电流信号{i
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[0012]所述第一开关功率放大器的输入为：模糊PID交叉反馈控制模块输出的轴向控制电流信号i
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[0013]所述第三Clark逆变换模块的输入为：模糊PID交叉反馈控制模块输出的径向控制电流信号{i
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[0014]所述第二Clark逆变换模块的输入为：神经网络逆解耦控制模块经坐标系转换模块输出的径向控制电流信号{i
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[0015]所述第二开关功率放大器的输入为：神经网络逆解耦控制模块输出的轴向控制电流信号i
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*；
[0016]所述第一Clark逆变换模块、第一开关功率放大器、第三Clark逆变换模块、第二Clark逆变换模块和第二开关功率放大器的输出均通过电流传感器后，再输入电流归整模块；所述电流归整模块处理后获取电流信号{i
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}作为支持向量机位移预测模块的输入；
[0017]所述i
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作为轴向磁轴承a2的输入，{i
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}作为前径向磁轴承a1的输入，所述{i
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}作为后径向磁轴承b1的输入。
[0018]所述i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多维一体的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，其特征在于，包括线性闭环控制器(1)、模糊PID交叉反馈控制模块(12)、神经网络逆解耦控制模块(14)、改进零功率控制模块(15)、坐标系转换模块(241)、累加和坐标系转换模块(242)、复合被控对象(2)和支持向量机位移预测模块(3)，线性闭环控制器(1)包括控制方式切换模块(11)；所述线性闭环控制器(1)的输出分别作为模糊PID交叉反馈控制模块(12)、神经网络逆解耦控制模块(14)的输入，所述模糊PID交叉反馈控制模块(12)的输出以及神经网络逆解耦控制模块(14)经坐标系转换模块(241)的输出作为控制复合被控对象(2)的输入，经复合被控对象(2)变换复用，作为支持向量机位移预测模块(3)的输入；模糊PID交叉反馈控制模块(12)、神经网络逆解耦控制模块(14)的输出经累加和坐标系转换模块(242)处理，与支持向量机位移预测模块(3)的输出复用，作为改进零功率控制模块(15)的输入；改进零功率控制模块(15)产生参考位移输出，与支持向量机位移预测模块(3)的实际位移输出一同作为线性闭环控制器(1)的输入。2.根据权利要求1所述的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，其特征在于，所述复合被控对象(2)包括第一Clark逆变换模块(211)、第二Clark逆变换模块(212)、第三Clark逆变换模块(213)、第一开关功率放大器(221)、第二开关功率放大器(222)、电流传感器(23)、电流归整模块(25)和实际被控对象，所述实际被控对象包括轴向磁轴承a2、前径向磁轴承a1和后径向磁轴承b1；所述第一Clark逆变换模块(211)的输入为：模糊PID交叉反馈控制模块(12)输出的径向控制电流信号{i
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*}；所述第一开关功率放大器(221)的输入为：模糊PID交叉反馈控制模块(12)输出的径向控制电流信号i
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*；所述第三Clark逆变换模块(213)的输入为：模糊PID交叉反馈控制模块(12)输出的径向控制电流信号{i
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*}；所述第二Clark逆变换模块(212)的输入为：神经网络逆解耦控制模块(14)输出的径向控制电流信号{i
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*}；所述第二开关功率放大器(222)的输入为：神经网络逆解耦控制模块(14)输出的径向控制电流信号i
kz
*；所述第一Clark逆变换模块(211)、第一开关功率放大器(221)、第三Clark逆变换模块(213)、第二Clark逆变换模块(212)和第二开关功率放大器(222)的输出均通过电流传感器(23)后，再输入电流归整模块(25)；所述电流归整模块(25)处理后获取电流信号{i
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作为轴向磁轴承a2的输入，{i
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}作为前径向磁轴承a1的输入，所述{i
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}作为后径向磁轴承b1的输入。3.根据权利要求2所述的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，其特征在于，所述i
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，所述i
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是第一Clark逆变换模块(211)的输出，所述i
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是第二Clark逆变换模块(212)的输出，所述i
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是第三Clark逆变换模块(213)的输出，所述i
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是第二Clark逆变换模块(212)的输出，所述i
tz
是第一开关功率放大模块(221)的输出，所述i
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是第二开关功率放大模块(222)的输出。
4.根据权利要求1所述的车载磁悬浮飞轮电池控制系统，其特征在于，所述累加和坐标系转换模块(242)对神经网络逆解耦控制模块(14)输出的电流信号{i
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*}进行如下处理：将电流信号{i
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*}线性转换为质心坐标系下的控制电流信号i
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【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，高映洁，韩啸雅，沈琳烽，俞珏鑫，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：