基于速度預(yù)估控制的電驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)測試

劉忠途，劉 亢，宗志堅

(中山大學(xué)，廣東廣州510006)

0 引 言

電動汽車是未來汽車行業(yè)的發(fā)展方向［1］，電力驅(qū)動及其控制技術(shù)是目前電動汽車研究的三項關(guān)鍵技術(shù)之一［2－3］，驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響了汽車動力性的優(yōu)劣，因此需要在電動汽車設(shè)計之初對電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行選型與測試。

傳統(tǒng)的電驅(qū)動測試采用穩(wěn)態(tài)測試方法［4］。假定汽車按照循環(huán)工況行駛，通過汽車各部件模型參數(shù)離線計算出汽車所受負(fù)載與電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，以此作為測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速輸入，此方法能夠?qū)﹄婒?qū)動系統(tǒng)進(jìn)行性能與安全性測試，但存在以下不足:(1)屬于準(zhǔn)靜態(tài)的仿真，對驅(qū)動系統(tǒng)的瞬態(tài)變化過程不予考慮;(2)理性化，測試前提是假定能夠達(dá)到工況的要求，無法對加速、制動時驅(qū)動系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試;(3)未考慮駕駛員的行駛意圖。這些缺點使得穩(wěn)態(tài)測試已不能滿足電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研制與開發(fā)，無論是動力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性研究都要求對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的測試，以模擬驅(qū)動系統(tǒng)真實的運行情況。

交流電力測功機(jī)與高性能的模塊化控制儀器平臺出現(xiàn)將動態(tài)測試變?yōu)榭赡?，通過高速現(xiàn)場總線同步驅(qū)動電機(jī)與電力測功機(jī)的控制，利用電慣量模擬技術(shù)真實再現(xiàn)汽車的運動過程［5－7］。為了提高動態(tài)跟蹤精度，對測試系統(tǒng)進(jìn)行了速度預(yù)估控制，利用反饋調(diào)節(jié)減小了系統(tǒng)中存在的非線性擾動，獲得了良好的效果。

1 電驅(qū)動測試系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)主要由電動汽車用驅(qū)動電機(jī)及控制器、交流電力測功機(jī)、汽車仿真模型、電磁轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速預(yù)估模塊、轉(zhuǎn)速傳感器、傳動軸等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

駕駛員根據(jù)車輛行駛狀況發(fā)出驅(qū)動指令Tref及制動指令TL，控制電驅(qū)動系統(tǒng)提供動力Ttq，交流測功機(jī)則為驅(qū)動電機(jī)模擬行駛阻力與制動力。工作過程中，將采集到的轉(zhuǎn)速信號ωr、電磁轉(zhuǎn)矩觀測器通過采集電機(jī)電流信號Id、Iq及磁鏈ψf觀測到的電磁轉(zhuǎn)矩輸入至汽車仿真模型，實時計算汽車的行駛阻力，以求得此狀態(tài)汽車的加速特性，經(jīng)速度預(yù)估控制測功機(jī)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tload使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化與期望轉(zhuǎn)速一致。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于汽車的等效轉(zhuǎn)動慣量，傳動軸的轉(zhuǎn)速會在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下迅速下降，傳統(tǒng)的試驗臺通常采用機(jī)械慣性飛輪組模擬汽車的等效轉(zhuǎn)動慣量，這種技術(shù)比較成熟，但也有一些缺點，需要精確對汽車慣量進(jìn)行折算、質(zhì)量固定使得適用車型較少、噪聲振動大且拆卸復(fù)雜。而采用電模擬的試驗臺則取消了機(jī)械慣性飛輪，通過控制負(fù)載電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩以補(bǔ)償臺架系統(tǒng)慣量與汽車慣量的差別，使得在動態(tài)過程中傳動軸的轉(zhuǎn)速變化與機(jī)械模擬系統(tǒng)基本一致。

2 電慣量模擬原理

電動汽車克服行駛阻力運行時，驅(qū)動電機(jī)提供驅(qū)動力，經(jīng)由傳動系傳輸至車輪，在進(jìn)行慣量模擬時，要求電慣量系統(tǒng)的速度必須與真實汽車運行的速度曲線保持一致;而且由于汽車慣量與測試系統(tǒng)相差很大，相同的驅(qū)動力會造成不同的加速度響應(yīng)，因此電慣量測試系統(tǒng)必須和真實汽車運行的加速特性一致，這樣才能準(zhǔn)確地模擬電動汽車的行駛過程。

汽車折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為Jvehicle，由動量矩定理可將汽車運動方程表示:

對于永磁同步電機(jī)驅(qū)動的電動汽車:

式中:Te為驅(qū)動電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，p、ψf、Ld、Lq分別為永磁同步電機(jī)的極對數(shù)、永磁體磁鏈、d 軸與q 軸電感，則Te可通過對d 軸與q 軸電流Id、Iq的采集來觀測;Tload為驅(qū)動電機(jī)輸出軸受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由汽車行駛阻力矩與制動力矩決定;αvehicle為驅(qū)動電機(jī)輸出軸的角加速度，數(shù)值上等于輸出軸角速度ωvehicle對時間的微分。

忽略粘滯摩擦力，對于臺架測試系統(tǒng):

式中:TL為被測驅(qū)動電機(jī)輸出軸受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由測功機(jī)提供;α 與ω 為傳動軸的角加速度與角速度。根據(jù)電慣量模擬的原理，需要使測試系統(tǒng)同真實汽車具有相同的速度與加速度，由式(1)、式(3)可得:

測功機(jī)提供額外的轉(zhuǎn)矩:Ts= Jsα = (Jvehicle－J)α 用于補(bǔ)償真實汽車同測試系統(tǒng)慣量差Js的影響。

3 速度預(yù)估控制

交流電機(jī)存在著高階、多變量、非線性的特點，其精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，而測試臺架中也存在著許多干擾(如電磁干擾、非線性摩擦等)對負(fù)載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，單純通過電慣量的換算進(jìn)行補(bǔ)償往往不能達(dá)到很好的模擬精度。而對測功機(jī)進(jìn)行速度預(yù)估控制，利用臺架轉(zhuǎn)速的反饋對測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出Ts進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其同時對慣量與系統(tǒng)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，高速的控制指令周期使得測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與加速度能夠快速跟隨汽車模型的要求。

3.1 前向仿真結(jié)構(gòu)

無風(fēng)天氣、正常道路上的汽車行駛方程式:

式中:Ttq為驅(qū)動力矩;ig為變速器傳動比;i0為主減速器傳動比;ηT為系統(tǒng)效率;r 為輪胎半徑;G 為車重;f 為滾動阻力系統(tǒng);α 為坡度;A 為迎風(fēng)面積;CD為空氣阻力系數(shù);δm為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);uα為行駛車速。

圖2 電動汽車仿真結(jié)構(gòu)

按照控制信號與能量流傳遞路線的不同，可將電動汽車仿真結(jié)構(gòu)劃分為后向與前向兩種［8］，如圖2 所示。后向仿真建立于穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，假定車輪轉(zhuǎn)速與加速度與工況保持一致，計算出動力部件應(yīng)提供的轉(zhuǎn)矩作為指令信號輸入控制器，控制器控制驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)控制過程，此過程與現(xiàn)實不符合;而前向仿真引入了駕駛員模型，根據(jù)工況需求與仿真反饋的偏差實時調(diào)整油門踏板與制動踏板開度，驅(qū)動電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳動系驅(qū)動車輪行進(jìn)，能量流與實車的傳遞路線完全相同。因此，前向仿真結(jié)構(gòu)更適用于動態(tài)工況實驗平臺的建立，能夠真實反映電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)在工況運行過程中的各種動態(tài)變化。

本文采用前向仿真結(jié)構(gòu)，駕駛員通過判斷控制驅(qū)動力經(jīng)由真實的電驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)傳動系(ig為變速器傳動比，i0為主減速器傳動比)傳輸至車輪模型，克服風(fēng)阻、路阻、坡阻等行駛阻力，根據(jù)汽車行駛方程式求得其運行情況;通過對變化的驅(qū)動力輸入與臺架轉(zhuǎn)速觀測對汽車動力模型進(jìn)行實時更新，保持模型動態(tài)的變化與實車相一致。

3.2 預(yù)估控制原理

在車輛的基本參數(shù)已知的前提下，根據(jù)式(5)及當(dāng)前時刻車速可求得汽車此時的加速能力，即加速度:

對于足夠小的測試系統(tǒng)的指令周期ΔT，可近似認(rèn)為汽車在指令周期內(nèi)進(jìn)行勻加速或勻減速運動:

下一時刻的車速可由當(dāng)前時刻由汽車模型計算出的加速度與當(dāng)前時刻的車速進(jìn)行預(yù)估:

將u(k + 1)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速ω(k + 1)作為指令輸入，在指令周期內(nèi)根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋對負(fù)載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償慣量差Js及系統(tǒng)中的干擾，使得下一時刻的真實轉(zhuǎn)速ω(k + 1)= ω(k + 1)，在此指令周期內(nèi)的真實加速度也與汽車模型相同，其結(jié)果的精確度取決于控制的指令周期與測功機(jī)的動態(tài)響應(yīng)時間。其控制原理如圖3 所示。

圖3 車速預(yù)估控制原理

4 試驗與分析

為對控制策略進(jìn)行驗證，本文以中山大學(xué)自主開發(fā)電動汽車ECUV 為例，在臺架系統(tǒng)上對其真實的電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行測試，基本參數(shù)如表1 所示。車輛模型、駕駛員模型與控制算法運行于PXIe8133 實時控制器中;踏板信號通過PXI8513 高速CAN 總線發(fā)送至驅(qū)動電機(jī)控制器;75 kW 交流測功機(jī)由ABB ACS800 變頻器控制，其控制策略為直接轉(zhuǎn)矩控制，保證了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，變頻器使用RS－485 總線與實時控制器進(jìn)行通訊;所有控制指令、數(shù)據(jù)采集通過實時控制器進(jìn)行定時與同步。

表1 車輛基本參數(shù)

由于ECUV 為城市用電動轎車，選取ECE 市區(qū)工況對其進(jìn)行測試，指令周期取20 ms，指令周期的選取受總線通訊速率與測功機(jī)響應(yīng)時間的限制。

駕駛員模型根據(jù)行駛狀況與工況的偏差發(fā)出驅(qū)動與制動指令，控制驅(qū)動電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩觀測器實時檢測，制動力指令則通過整車動力學(xué)模型將減速特性作用于臺架測試系統(tǒng)。試驗結(jié)果如圖4 所示。駕駛員模型的引入與轉(zhuǎn)矩觀測器的應(yīng)用使得汽車仿真模型得到了實時的更新，從而大大提高了測試系統(tǒng)的動態(tài)性。

圖4 踏板指令及轉(zhuǎn)矩觀測

圖5 行駛工況測試

實時觀測到的驅(qū)動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、制動力指令及車輛基本參數(shù)計算汽車此刻的加速特性，經(jīng)速度預(yù)估后控制交流測功機(jī)對汽車慣量進(jìn)行模擬，使得車速變化與汽車仿真模型一致。對ECE 市區(qū)工況一個循環(huán)的車速模擬效果如圖5 所示。車速平均偏差僅為0．15 km/h，其中較大偏差出現(xiàn)于系統(tǒng)突加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩時。

由驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及對應(yīng)轉(zhuǎn)速值，即可得到電驅(qū)動系統(tǒng)實時輸出功率，可用于考察電動汽車的能量消耗。實時輸出功率如圖6 所示。

圖6 實時輸出功率

5 結(jié) 語

本文利用交流電力測功機(jī)的高動態(tài)性，采用機(jī)械慣量電模擬方法對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行測試，取得了良好的研究成果，具有較高的工程實用價值;采用電動汽車前向仿真結(jié)構(gòu)，與真實汽車能量流與控制流相同;通過速度預(yù)估控制策略的加入，在保證了系統(tǒng)動態(tài)性的同時，很好地抑制了外界干擾對模擬系統(tǒng)的影響。

從試驗結(jié)果看，實際車速響應(yīng)曲線十分逼真地模擬出了汽車仿真模型的動態(tài)變化，這表明了控制策略的正確性;此試驗平臺可用于電動汽車?yán)m(xù)駛里程試驗、能量消耗率計算等，是設(shè)計開發(fā)階段電驅(qū)動性能的一種有效評價手段。

［1］ 曹秉剛，張傳偉，白志峰，等．電動汽車技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2004(1):1－5．

［2］ 陳清泉，路甬祥，詹宜巨．21 世紀(jì)的綠色交通工具［M］．廣州:暨南大學(xué)出版社，2000．

［3］ Ehsani M，Gao Y M，Gay S E，et al．Modern electric，hybrid electric，and fuel cell vehicles fundamentals，theory and design［M］．1st ed．Boca Raton:CRC Press，2004．

［4］ 劉忠途，伍慶龍，宗志堅．基于臺架模擬的純電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性研究［J］．中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，50(1):44－48．

［5］ 李茂森．動力試驗與測功機(jī)技術(shù)［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2006(9):43－45．

［6］ 張為公，周寧寧．汽車臺架試驗系統(tǒng)機(jī)械慣量電模擬方法［J］．汽車工程，1998(5):312－316．

［7］ 莫志勇，張為公，吉同舟．汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)［J］．中國慣性技術(shù)學(xué)報，2009(1):123－126．

［8］ 黃妙華，陳飚，陳勝金．電動汽車仿真結(jié)構(gòu)比較［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005(3):66－69．