汽車傳動系動態(tài)性能試驗臺驅動模擬方案的控制與仿真

劉力康 聞居博 董 逾

(1上海交通大學電子信息與電氣工程學院,2上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室,上海,200240)

1 引言

現代汽車工業(yè)正經歷巨大變革,傳動系作為汽車系統(tǒng)的核心部分,隨著對汽車運行的可靠性要求日益提高,加之自動變速箱的廣泛運用,對傳動系統(tǒng)的特性和控制方法都提出了新的要求。因此對汽車傳動系統(tǒng)試驗臺的能夠為被測件提供真實的工況環(huán)境顯得尤為重要。

國內外在傳動試驗臺架的設計開發(fā)上已取得較好的成就,尤其是對負載電機部分的控制,如對汽車機械慣量的電模擬技術,來控制加減速過程的速度和加速度。但對于驅動部分,尤其是由交流電機代替汽車發(fā)動的試驗臺,相關文獻確相對較少。然而隨著環(huán)保意識、節(jié)能、節(jié)約成本意識的提高,以及交流變頻調速技術的飛速發(fā)展,應用高性能交流調速電機代替實車的發(fā)動機的方式,在國內外得到了想當認可與應用。一個出色的驅動電機控制方案可以保證“電機-電機”離合器臺架系統(tǒng)的動態(tài)性能表現與“發(fā)動機-電機”臺架系統(tǒng)高度一致。雙電機傳動試驗臺還有以下幾點優(yōu)點：

? 無需燃油供給和尾氣排放系統(tǒng)建設。消防設施建設標準比帶內燃機的實驗要低,因此能節(jié)約大量建造、運行及保養(yǎng)成本。

? 無需改變系統(tǒng)機械結構,只需發(fā)動機模型下載與相關參數標定,該臺架系統(tǒng)能模擬各種發(fā)動機與負載情況。因此該臺架系統(tǒng)有很強的靈活性,應用范圍大。

因此本論文著重對臺架驅動部分模擬發(fā)動機的靜態(tài)與動態(tài)特性特性進行討論,為傳動試驗臺控制技術提供一個思路。

2 臺架系統(tǒng)簡介

本試驗臺系統(tǒng)通過變頻技術控制兩臺交流異步電機,驅動離合器及變速箱轉動,滿足試驗臺在各種工況的性能要求。變頻調速系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)通過PROFIBUS網相連,這樣變頻調速系統(tǒng)就可實現遠程控制和操作。同時,變頻器中所有的電量及速度,轉矩等實際數據均可加入到數據采集系統(tǒng)中。驅動系統(tǒng)使用在直流母線上進行功率平衡的電封閉方案,能量從較小的整流單元經直流母線流向驅動逆變單元,驅動電機帶動機械傳動裝置。臺架結構圖見圖1。

3 開環(huán)轉矩控制算法

3.1 發(fā)動機特性曲線(靜態(tài)特性)

為了能讓試驗臺的驅動電機輸出與真實發(fā)動機相同的特性,首先需要驅動電機的輸出端能夠根據發(fā)動機的特性曲線輸出對應的扭矩。發(fā)動機特性曲線表示了發(fā)動機節(jié)氣門開度,發(fā)動機曲軸轉速與發(fā)動機輸出轉矩之間的關系。試驗臺驅動部分輸出端有安裝有一臺扭矩傳感器(量程為±500 Nm),該扭矩儀上的扭矩值對應的是驅動電機的輸出值,同時也是被測件(自動變速箱)的輸入扭矩。由于扭矩儀安裝在驅動電機輸出軸上(見圖1),因此該扭矩與交流電機產生的電磁扭矩之間存在一個差值。PLC中的轉矩控制器控制的是電機的電磁扭矩,因此如果不加以修正,扭矩傳感器中讀到的數值與發(fā)動機特性曲線中的轉矩輸出值會有差異,從而會影響到一些利用該扭矩進行控制的算法。

圖1 臺架結構圖

3.1.1 閉環(huán)控制方法及其優(yōu)缺點

修正該扭矩的方法主要有兩種：一為閉環(huán)轉矩控制,二是開環(huán)扭矩修正。由于電機控制系統(tǒng)為復雜的非線性系統(tǒng),轉矩閉環(huán)控制雖然能通過調整電磁扭矩將扭矩傳感器處的扭矩控制到指定值,但該系統(tǒng)控制速度較慢,上升時間較長同時會有超調與振蕩,因此利用閉環(huán)轉矩控制來修正驅動電機輸出扭矩的方法不適用于臺架控制系統(tǒng)。

3.1.2 開環(huán)控制方法及其優(yōu)缺點

開環(huán)轉矩修正法則是基于大量實驗,通過記錄下不同轉速,不同節(jié)氣門開度情況下驅動電機的轉矩輸入值(通過查找發(fā)動機特性曲線而得到)與實際靜態(tài)輸出轉矩值。然后運用二維插值算法,得到實測扭矩與電機扭矩輸入值之間的關系,做出標定曲面。該曲面輸入值為發(fā)動機特性曲線根據現在工況查到的理想輸出扭矩值,輸出值為實際發(fā)給電機的扭矩給定值。該方法不引入閉環(huán)控制控制器,而是通過標定曲面而來修正電機的電磁轉矩給定值。此方法響應快,不存在扭矩振蕩。然而由于線性插值的關系并不能保證所在有工作點上驅動部分扭矩輸出值與期望扭矩完全一致,但經實驗驗證,誤差在實驗允許的范圍之內。(見圖2)

3.2 開環(huán)轉矩慣量模擬控制模型

雖然開環(huán)轉矩修正能夠確保電機輸出扭矩與發(fā)動機特性曲線上的相同,但特性曲線上的點只是代表了發(fā)動機靜態(tài)的特性。單純的扭矩修正無法保證驅動電機輸出與發(fā)動機的動態(tài)特性也保持一致。由于真實發(fā)動機的慣量與摩擦阻力與臺架系統(tǒng)的慣量與摩擦阻力并不相同,因此在不加任何其他補償的情況下,驅動電機的動態(tài)轉速或者加速度與真實發(fā)動機的轉速與加速度不同,這樣驅動電機是無法準確的模擬發(fā)動機動態(tài)特性的。

圖2 臺架上得到的發(fā)動機特性曲線

3.2.1 慣量模擬介紹

假設發(fā)動機的慣量為Jeng,Keng阻尼系數為,則：

驅動電機的慣量為JD,阻尼系統(tǒng)為KD,則：

其中Te為驅動電機電磁扭矩或發(fā)動機輸出轉矩,T1為負載轉矩,T為合轉矩。

由傳遞函數可見,由于驅動電機慣量阻尼與要模擬的發(fā)動機的慣量阻尼不同,為了讓驅動部分能模擬實際發(fā)動機的動態(tài)效果,首先需要通過實驗得到驅動電機本身的慣量與阻尼系數,同時還要明確要模擬發(fā)動機的慣量阻尼參數。然后根據實際測量得到驅動電機輸出轉矩T1,采用電慣量模擬技術,計算得到驅動電機的電磁轉矩Te,從而等效及補償發(fā)動機的等效慣量和摩擦,使得

3.2.2 開環(huán)轉矩補償方法

開環(huán)轉矩補償的主要可以通過以下兩種算法來實現。

逆模型方法一：如圖3所示,該算法根據轉速傳感器得到的實時轉速值ω,轉速微分值,驅動系統(tǒng)逆模型G-1(s)以及模擬的發(fā)動機逆模型(s)計算出在轉速ω和負載扭矩T1下,應該給驅動電機的扭矩期望值使得驅動部分的輸出與模擬發(fā)動機系統(tǒng)相同。由于逆模型方法需要計算轉速的微分值,而轉速傳感器的輸出值存在噪音,因此不能直接用該數值進行微分計算。應該使用估計的驅動系統(tǒng)逆模型即根據估計的臺架系統(tǒng)慣量阻尼系數計算得到估計的加速度該開環(huán)慣量模擬方法既需要驅動系統(tǒng)逆模型又需要發(fā)動機的逆模型,然而這兩個模型一般都是復雜的非線性系統(tǒng),要得到精確的逆模型需要對其進行復雜的系統(tǒng)辨識。若只用簡單的慣量摩擦逆模型控制效果影響很大。(見圖9)

圖3 開環(huán)轉矩補償(逆模型方法一)

逆模型方法二：如圖4所示,扭矩傳感器得到的扭矩通過發(fā)動機模型計算得到期望轉速ωem,然后經過補償器計算得到期望轉矩值。若補償器Gcomp(s)為驅動部分統(tǒng)逆模型G-1(s),則該開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數為：

其中Gem為所要模擬的發(fā)動機系統(tǒng)傳遞函數。由公式(5)可見,該算法結構比逆模型方法一簡單,無需計算微分,且只需得到準確的臺架系統(tǒng)逆模型就可以準確的模擬發(fā)動機的動態(tài)響應。但由于非線性系統(tǒng)的逆模型存在建模的不準確性,因此該開環(huán)算法依舊不可避免的存在誤差。(見圖9)

圖4 開環(huán)轉矩補償(逆模型方法二)

在Matlab/Simulink環(huán)境下運行車輛傳動系模型,該模型包括發(fā)動機模型,駕駛員模型,自動變速箱模型與整車模型。如圖6所示。后兩者在整車環(huán)境下用來提供臺架驅動電機的負載,而發(fā)動機模型則是由臺架驅動電機模型以及對應的補償算法所代替(見圖5)。通過這樣來驗證上述兩種開環(huán)轉矩補償方法的效果。

圖5 發(fā)動機模型與臺架模型

圖6 GM整車模型

其中臺架驅動電機部分為交流異步電機,其控制方法為基于轉子磁鏈定向矢量控制,它的簡化模型如圖7所示。

圖7 等效直流電機模型

可見異步交流電機雖然能經過坐標變換等效成直流電機進行控制,但控制時由于變頻器等可能產生滯后,同時等效直流模型里存在非線性環(huán)節(jié),因此精確建模比較困難。需將該等效直流電機模型進一步簡化,如圖8所示。

此時交流電機的傳遞函數可以簡化成：

圖8 交流異步電機的簡化系統(tǒng)

其中np為級對數,KD為臺架驅動部分的摩擦系數,JD為臺架驅動部分的慣量。Gnl(s)為系統(tǒng)中存在的難以建模的非線性環(huán)節(jié),包括控制延時,磁滯環(huán)節(jié),飽和環(huán)節(jié)等。

圖9為兩種開環(huán)扭矩慣量模擬算法的仿真結果,其中藍色實線為原整車系統(tǒng)的發(fā)動機曲軸轉速與發(fā)動機輸出扭矩。綠色點線與紅色虛線線分別是運用兩種不同的開環(huán)算法后驅動電機輸出端的轉速和扭矩。如圖可見,非線性建模誤差會對控制效果產生影響,而逆模型方法一需要運用兩個逆模型,因此效果比起方法二來說有明顯的不足。

4 轉矩前饋加轉速反饋控制方法

由于系統(tǒng)建模的不確定性,單單使用逆模型開環(huán)方法無法實現準確的動態(tài)模擬。因此可以將此開環(huán)通道用作前饋通道,同時引入轉速PID控制,清除由于系統(tǒng)建模誤差或者外界干擾造成的系統(tǒng)控制誤差。提高控制精度及抗干擾能力。

圖9 兩種開環(huán)扭矩慣量模擬算法的比較

圖10 轉矩前饋加轉速反饋的控制方法

前饋通道中的Gcomp(s)=G-1(s),因此在能得到精確驅動部分逆模型的情況下,控制效果和開環(huán)逆模型方法二相同。當逆模型存在誤差的情況下,系統(tǒng)的傳遞函數為：

圖11為轉矩前饋算法在整車縱向動力學模型中的仿真結果,可見當臺架系統(tǒng)為線性時不變系統(tǒng)且可以準建模型時,前饋通道使用逆模型即可實現準確的動態(tài)模擬(如下圖綠色虛線所示)。若G(s)難以準確建模,則可用估計模型的逆模型或者其靜態(tài)非線性(如Hammerstein模型的靜態(tài)非線性部分)部分作為其前饋[6]。

圖11 轉矩前饋加轉速反饋控制方法仿真

由于系統(tǒng)建模的不準確性,該算法雖然能較好的對轉矩和轉速分別進行控制,穩(wěn)態(tài)時效果很好。但動態(tài)時不能完全抵消臺架系統(tǒng)的動態(tài)特性。如圖11所示,變速箱進行2-3換檔的時候,轉速跟蹤控制效果顯著,但輸出扭矩(黑色虛線)與要原系統(tǒng)(藍線)依舊存在微小偏差。從系統(tǒng)傳遞函數角度分析,是由于逆模型建模不夠準確,同時又引進了轉速閉環(huán),此時該系統(tǒng)的傳遞函數不完全等于要模擬的Gem。雖然動態(tài)特性并不能完全相同。但由于閉環(huán)系統(tǒng)的存在,通過選擇合適的PID參數,能夠保證實際控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,抗干擾性與魯棒性,這些特性對真實臺架系統(tǒng)控制尤為重要。

5 帶延時的系統(tǒng)控制方法

在此臺架控制系統(tǒng)中,PLC判斷外圍信號準備條件,通過Ethernet OPC協議,接收來自上位機(Labview HMI)的控制指令,經過處理后通過Profibus通訊將控制命令送到變頻器控制電機的起動停止及工作方式。上位機部分用來發(fā)出電機的起動停止命令及速度或轉矩給定值,顯示電機的當前狀態(tài),如電機的轉速、轉矩、電壓、電流和功率等,并對NI設備所采集到的數據值進行處理并保存。其中DP Profibus的傳輸速率很快,最快可以達到12 Mbps,然而基于以太網的OPC協議的數據更新頻率實際測量最快只能達到20 Hz。

圖12 臺架系統(tǒng)框圖

由于前饋通道的轉矩給定值,以及閉環(huán)轉速期望值等都是經過Labview HM I主程序計算得到,并通過以太網OPC協議發(fā)送給PLC,其通信延時在80-120 ms左右。同時由于在控制系統(tǒng)的反饋通道中,信號采集使用的傳感器信號常常需要經過低通濾波才能參與反饋控制,而濾波算法也必定帶有延時。由于延時的存在,普通的控制算法如PID不一定再適用,有時甚至會出現不穩(wěn)定的情況。[5]

圖13 帶通信和反饋延時的控制系統(tǒng)框圖

由圖推導帶有延時的系統(tǒng)傳遞函數：

其中e-τf3為反饋通道延時,e-τc3為通訊延時。

從傳遞函數中可以看出,對于帶有延時的系統(tǒng),其傳遞函數中分母中含有純滯后環(huán)節(jié)e-τc3,隨著的增大,相位滯后增大,系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低,控制質量下降。

如果在被控對象上再并聯上一個補償器補償掉反饋延時通道中的純滯后,這種補償器通常稱為Smith預估器。但在實際運用中Smith預估器并不接在被控對象上,而是反向并接在控制器上取代了傳統(tǒng)的PID調節(jié)器。[4]

圖14 帶有Smith預估器的控制系統(tǒng)

加入了Smith預測器后的系統(tǒng)傳遞函數為：

若前饋補償器的臺架模型的逆模型G-1(s),

誤差傳遞函數為：

由上述兩式可知,控制系統(tǒng)無論是在設定輸入T1或者系統(tǒng)干擾d作用下,閉環(huán)傳遞函數的特征方程相同,都為1+GPID(s)?G(s)=0。閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性主要決定于特征方程,因此經過補償的系統(tǒng)動態(tài)控制效果與上文所提到的轉矩前饋加轉速反饋方法一樣,原先的控制器仍然適用,不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,只是控制時間長了2τc秒。仿真控制效果見圖15。

圖15 帶Smith預估器的控制效果(80 ms通信延時)

6 結論

本文一次介紹了發(fā)動機特性曲線的臺架實現,兩種電慣量阻尼的模擬方法(開環(huán)轉矩修正或者帶有前饋通道的閉環(huán)轉速控制),使得臺架系統(tǒng)與發(fā)動機系統(tǒng)在動態(tài)性能上有足夠的相似性。本文在最后提出了運用Smith預估器在傳動臺架上的運用,通過它來抑制系統(tǒng)延時對控制系統(tǒng)吸能。本文為汽車傳動試驗臺架驅動部分的控制開發(fā)提出了可供參考的思路、流程與解決方案。

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[3]R.W.Newton,“Emulating dynamic load characteristics using a dynamic dynamometer,”in Proc.Int.Conf.Power Electronics and Drive Systems,1995,vol.1,pp.465–470.

[4]杜 鋒,錢清泉,杜文才,基于新型Smith預估器的網絡控制系統(tǒng),西南交通大學學報,第45卷第1期,2010年2月.

[5]賴 偉,喻壽益.網絡延時對PID控制系統(tǒng)性能影響的分析[J].信息與控制,2007,36(3)：302-307.

[6]L.Ljung：System Identification-Theory For the User,2nd ed,PTR Prentice Hall,Upper Saddle River,N.J.,1999.