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(1) 双电机协同控制与同步性能优化
双电机线控转向系统采用并联驱动架构,两台电机通过齿轮机构共同驱动转向齿条实现前轮转角控制。该冗余配置在提升系统可靠性的同时,引入了双电机同步协调的技术难题。由于制造公差、装配误差及磨损老化等因素,两台电机的机电参数存在天然差异,包括电阻电感参数、转矩常数、转动惯量等物理量的不一致性。在相同控制指令下,参数差异导致两电机输出转矩与转速响应存在偏差,形成内部力矩竞争现象,表现为齿轮传动链的冲击载荷、机械磨损加剧以及转向精度下降。本研究通过建立双电机耦合动力学模型,量化分析了参数不一致性对系统同步性能的影响机理,发现当两电机转矩常数差异超过百分之五时,稳态同步误差将达到零点三度以上,严重影响转向精度。
针对同步控制问题,提出了基于交叉耦合补偿的双电机协调控制策略。该策略构建了包含位置同步误差、速度同步误差的交叉耦合补偿项,通过实时监测两电机的状态差异,在各自的控制通道中引入补偿力矩,抑制由参数差异引发的同步偏差。设计了基于超螺旋算法的高阶滑模同步控制器,相比传统一阶滑模控制,超螺旋算法通过引入积分型滑模面与连续控制律,有效削弱了抖振现象,提升了控制平滑性。控制器参数采用李雅普诺夫稳定性理论进行设计,确保同步误差在有限时间内收敛至零邻域。针对负载突变工况,引入负载观测器实时估计各电机承受的外部负载力矩,根据观测值动态调整两电机的力矩分配比例,实现负载均衡分配。仿真与台架试验表明,所提同步控制策略使双电机转角同步误差降低至零点一度以内,在正弦转向工况下的力矩波动幅值减小了六成,显著改善了系统的动态协调性能。
(2) 执行器故障诊断与主动容错控制
线控转向系统的执行器故障主要包括电机绕组短路、功率驱动模块失效、位置传感器失灵等类型。单电机完全失效故障导致该电机丧失全部输出能力,双电机部分失效故障则表现为电机转矩输出能力下降但未完全丧失。传统故障诊断方法依赖附加的硬件传感器监测电流电压异常,增加了系统复杂度与成本。本研究提出了基于模型的故障诊断方法,通过建立电机电流观测器与转矩观测器,实时估计电机的理论输出值,将观测值与实际测量值进行残差分析,当残差超过自适应阈值时判定为故障发生。针对渐变性故障的早期检测,引入滑动窗口统计检验方法,对残差序列进行累积和检验,提高了微小故障的检出灵敏度。故障隔离机制通过分析两电机残差的相关性模式,准确识别故障电机位置及故障类型,诊断时延控制在五十毫秒以内。
在故障诊断的基础上,设计了分层递进的主动容错控制架构。当检测到单电机完全失效故障时,系统立即切换至单电机降级运行模式,由健康电机承担全部转向负载,同时重构控制律参数以补偿失效电机的输出缺失。针对单电机驱动能力有限的问题,引入转向辅助策略限制,在低速大转角工况下适当降低转向角速度指令,避免健康电机过载。针对双电机部分失效故障,提出了基于自适应神经网络的故障补偿控制方法,利用径向基函数神经网络在线学习故障电机的转矩损失特性,通过调整健康电机与故障电机的控制分配权重实现力矩重分配,在保证转向精度的前提下最大化利用故障电机的剩余能力。设计了基于固定时间滑模的鲁棒控制器,采用变幂次趋近律加快滑模面的收敛速度,相比传统有限时间控制,固定时间控制的收敛时间上界不依赖于初始状态,确保了故障后系统快速恢复稳定。台架试验验证了容错控制策略在单电机卡死故障工况下,转角跟踪误差保持在一度以内,满足应急转向性能要求。
(3) 无位置传感器切换控制技术
位置传感器作为转向角度反馈的关键器件,其失效将导致闭环控制系统崩溃。传统冗余方案采用多传感器配置,但增加了成本与布置空间需求。本研究提出了基于无位置传感器控制的容错方案,在位置传感器正常工作期间,无传感器算法与传感器测量并行运行,实时估计转向角度,当检测到传感器故障时,控制系统无缝切换至无传感器模式,保持转向功能的连续性。针对永磁同步电机的转子位置估计,传统高频注入法通过注入高频正弦信号检测凸极效应,但需要复杂的滤波器提取位置信息,且滤波延时影响估计精度。本研究提出了无滤波高频方波注入方法,利用方波信号的瞬时跳变特性,通过采样电流响应的特定时刻点直接计算转子位置,省去了带通滤波与解调环节,显著降低了算法复杂度与计算延时。
针对高频注入法在高速区估计精度下降的问题,设计了基于正交锁相环的复合角度估计策略,在低速区采用高频方波注入法,高速区切换至基于反电动势的锁相环估计方法,通过构建二阶广义积分器提取反电动势基波分量,再经锁相环跟踪得到转子位置与速度信息。两种方法的切换边界设置在电机转速三百转每分钟,通过加权融合实现平滑过渡。为提升无传感器控制的鲁棒性,引入基于超局部模型的无模型控制框架,摆脱了对电机精确参数的依赖,仅利用输入输出数据构建超局部动态模型,结合超螺旋滑模观测器估计模型中的未知项,实现了参数鲁棒的角度跟踪控制。
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