基于车辆工况因素的高稳定低功耗飞轮电池磁悬浮支承控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于车辆工况因素的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，位置传感器检测飞轮转子质心沿坐标轴的位移量以及飞轮转子绕坐标轴的偏转角度，零功耗控制模块由位移量和偏转角度得到飞轮转子在平衡位置的位移/偏转角度调节量，BP神经网络模块根据位移量和偏转角度、径/轴向控制电流，得到位移/偏转角度预测量以及伸缩因子，位移/偏转角度预测量分别与位移/偏转角度调节量线性相加，得到调节量，车辆工况处理模块根据伸缩因子和调节量，获取行驶工况和行驶路况的控制电流，并经过转换，输出控制五自由度车载磁悬浮飞轮电池系统的三相电流。本发明专利技术同时兼顾飞轮电池磁悬浮支承系统的高稳定性与低能耗。统的高稳定性与低能耗。统的高稳定性与低能耗。

【技术实现步骤摘要】
基于车辆工况因素的高稳定低功耗飞轮电池磁悬浮支承控制系统


[0001]本专利技术属于车载磁悬浮飞轮电池的控制
，具体涉及一种基于车辆工况因素的高稳定低功耗磁悬浮控制系统。

技术介绍

[0002]磁悬浮轴承利用磁力让转子悬浮在空间中与定子没有了机械接触，从而大大降低了机械损耗并极大地提高了转子转速；飞轮电池作为一种利用物理方式储能的新型装置，具有能量转换效率高、储能密度大等特点。因此结合二者优点将两大技术用于电动汽车中，可明显提高汽车的能源利用率。值得注意的是在磁悬浮轴承组成的飞轮电池磁悬浮支承系统中，其控制系统对外界影响因素处理的快慢将直接影响飞轮电池系统稳定与否。
[0003]由于飞轮电池系统受车辆如加减速、制动、上下坡、转弯等工况的影响比较明显，因此飞轮往往会造成比较频繁的偏心，因而为了使飞轮尽快适应外界工况的影响而回到平衡位置，磁轴承的控制线圈电流会随着车辆工况的变化发生较为频繁的变化。且在不同的路况下，即使是同一种车辆行驶工况引起的飞轮动态性能变化也相差很大。因此，整个飞轮电池系统的稳定性会随着外界车辆行驶工况及路况的复杂度增加而深受影响，因而迫切需要设计一种涉及车辆工况因素(车辆行驶工况和路况)的高稳定飞轮电池磁悬浮支承控制系统，以保证系统高稳定运行。目前主流的磁悬浮支承系统稳定控制策略有：PID控制、模糊控制、滑模控制、神经网络控制等。传统控制算法如PID控制虽然简单易调，但难以满足复杂控制系统实时调控的需要。滑模控制、神经网络控制等智能算法虽然拥有自我调节能力以适应复杂多变的环境，但其参数设置依赖经验且收敛速度慢也限制了应用范围。
[0004]目前的控制系统虽然最终可以实现磁悬浮支承系统的稳定性，但并没有考虑到在调节过程中因调控电流变化幅度大、调节周期长而引发的不稳定问题。为了改善控制系统的缺点，需要保证在各种条件下仍然有平稳、快速的控制电流输出。一方面，需要解决复杂工况导致频繁且多变的电流参数变化问题，亟需一套预响应机制，即建立一套应对相应工况的控制电流数据库。通过数据库和相应的控制算法协同处理方式，保证飞轮快速、平稳地实现稳定；另一方面，若采用单一算法，则难以适应复杂工况频繁变化的难题，因此若通过几种算法的有机融合，发挥各自的优点，使整个控制系统可以根据实时工况变化而进行及时的跟踪预测、快速调节控制电流以应对各种工况扰动，实现系统的快速稳定十分必要。
[0005]此外，对于飞轮电池而言，高稳定性的保证往往会以较大的控制损耗为代价，而损耗的大小将决定整个系统的效率和性能。对于车载飞轮电池而言，待机损耗中磁轴承控制系统的支承损耗最为关键。因此，在控制飞轮稳定悬浮时，还要尽可能降低控制损耗，即在保证飞轮稳定性的同时需要考虑飞轮电池系统的损耗问题。目前，零功耗控制算法作为一种经典的低能耗控制算法，可以通过调整气隙使控制电流收敛为零，从而在飞轮平稳时可以将损耗尽可能的减少。因此为了降低功耗同时又不会影响系统的稳定性，将零功耗控制算法与稳定控制策略有效结合，可以实现兼顾低功耗和高稳定性的控制效果，尤其需要解
决车辆工况复杂因素引起控制电流突然性的跳变引起的损耗问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种基于车辆工况因素的高稳定低功耗飞轮电池磁悬浮支承控制系统，同时兼顾飞轮电池磁悬浮支承系统的高稳定性与低能耗。
[0007]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008]基于车辆工况因素的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，包括：
[0009]位置传感器，用于检测飞轮转子质心沿x、y、z轴的位移量以及飞轮转子绕x轴、y轴的偏转角度；
[0010]零功耗控制模块，由所述位移量和偏转角度得到飞轮转子在平衡位置的位移调节量、偏转角度调节量；
[0011]BP神经网络模块，根据所述位移量和偏转角度、径向控制电流和轴向控制电流，得到位移预测量、偏转角度预测量以及伸缩因子α1、α2；
[0012]所述位移预测量、偏转角度预测量分别与所述位移调节量和偏转角度调节量线性相加，得到调节量；
[0013]车辆工况处理模块，根据所述伸缩因子α1、α2和调节量，获取行驶工况的控制电流和行驶路况的控制电流，并经过转换，输出控制五自由度车载磁悬浮飞轮电池系统的三相电流。
[0014]上述技术方案中，所述车辆工况处理模块包括行驶工况控制切换模块、行驶工况变域论模糊PID控制器、行驶路况控制切换模块和行驶路况变域论模糊PID控制器；
[0015]所述行驶工况控制切换模块和行驶路况控制切换模块包括工况控制模式选择器和工况数据库，所述工况控制模式选择器根据所述伸缩因子α1/α2和工况数据库中的伸缩因子，确定输入行驶工况变域论模糊PID控制器/行驶路况变域论模糊PID控制器的伸缩因子
[0016]所述行驶工况变域论模糊PID控制器和行驶路况变域论模糊PID控制器根据伸缩因子因子以及调节量的分量，获取行驶工况的控制电流和行驶路况的控制电流。
[0017]上述技术方案中，所述伸缩因子的确定过程为：
[0018]当车辆实时工况处于工况数据库的某一区间时，伸缩因子等于伸缩因子α1/α2，当车辆实时工况从工况数据库中某一区间向另一区间变化时，伸缩因子等于工况数据库中的伸缩因子。
[0019]上述技术方案中，所述行驶工况变域论模糊PID控制器和行驶路况变域论模糊PID控制器均包括PID控制器和模糊控制器，所述模糊控制器包括模糊化器、推理机和模糊消除器，所述PID控制器和模糊控制器输入调节量分量产生的误差及误差变化率，所述模糊化器对输入模糊化后，推理机模糊控制规则求取PID参数调节量，再通过模糊消除器，传输给PID控制器，从而输出控制电流。
[0020]上述技术方案中，所述模糊控制器还输入伸缩因子用于控制输入论域的膨胀和收缩。
[0021]上述技术方案中，所述调节量的分量是将所述调节量分为行驶工况电流调节、行驶路况电流调节。
[0022]上述技术方案中，所述车辆工况处理模块还包括电流处理模块，所述电流处理模块用于对行驶工况的控制电流和行驶路况的控制电流进行线性转换。
[0023]上述技术方案中，所述线性转换的方式为：
[0024]i
*
＝∑m
p1
i
p1
[0025]i
**
＝∑m
p2
i
p2
[0026]其中：i
p1
为行驶工况的控制电流、i
p2
为行驶路况的控制电流，m
p1
为i
p1
对应的线性转换系数，m
p2
为i
p2
对应的线性转换系数，p＝x、y、z、θ
x
、θ
y
，x、y、z、θ
x
、θ
y
为调节量，i
*
为两相坐标下的α轴径/轴向控制电流，i
**...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于车辆工况因素的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，其特征在于，包括：位置传感器(1)，用于检测飞轮转子质心沿x、y、z轴的位移量以及飞轮转子绕x轴、y轴的偏转角度；零功耗控制模块(2)，由所述位移量和偏转角度得到飞轮转子在平衡位置的位移调节量、偏转角度调节量；BP神经网络模块(4)，根据所述位移量和偏转角度、径向控制电流和轴向控制电流，得到位移预测量、偏转角度预测量以及伸缩因子α1、α2；所述位移预测量、偏转角度预测量分别与所述位移调节量和偏转角度调节量线性相加，得到调节量；车辆工况处理模块(5)，根据所述伸缩因子α1、α2和调节量，获取行驶工况的控制电流和行驶路况的控制电流，并经过转换，输出控制五自由度车载磁悬浮飞轮电池系统(7)的三相电流。2.根据权利要求1所述的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，其特征在于，所述车辆工况处理模块(5)包括行驶工况控制切换模块(51)、行驶工况变域论模糊PID控制器(52)、行驶路况控制切换模块(54)和行驶路况变域论模糊PID控制器(55)；所述行驶工况控制切换模块(51)和行驶路况控制切换模块(54)包括工况控制模式选择器和工况数据库，所述工况控制模式选择器根据所述伸缩因子α1/α2和工况数据库中的伸缩因子，确定输入行驶工况变域论模糊PID控制器(52)/行驶路况变域论模糊PID控制器(55)的伸缩因子所述行驶工况变域论模糊PID控制器(52)和行驶路况变域论模糊PID控制器(55)根据伸缩因子以及调节量的分量，获取行驶工况的控制电流和行驶路况的控制电流。3.根据权利要求2所述的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，其特征在于，所述伸缩因子3.根据权利要求2所述的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，其特征在于，所述伸缩因子的确定过程为：当车辆实时工况处于工况数据库的某一区间时，伸缩因子等于伸缩因子α1/α2，当车辆实时工况从工况数据库中某一区间向另一区间变化时，伸缩因子等于工况数据库中的伸缩因子。4.根据权利要求2所述的高稳定低功耗磁悬浮控制系统，其特征在于，所述行驶工况变域论模糊PID控制器(52)和行驶路况变域论模糊PID控制器(55)均包括PID控制器和模糊控制器，所述模糊控制器包括模糊化器、推理机和模糊消除器，所述PID控制器和模糊控制器输入调节量分量产生的误差及误差变化率，所述模糊化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，王骏腾，郭恒，顾玉俊，奚柯楠，王振，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：