日產(chǎn)聆風(fēng)驅(qū)動電機的線性控制

周泉

日產(chǎn)聆風(fēng)驅(qū)動電機的線性控制

周泉

在日產(chǎn)開發(fā)聆風(fēng)驅(qū)動電機的過程中，很重要的一項目標是實現(xiàn)純電動汽車平穩(wěn)、持續(xù)加速與順暢感覺。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵是時間常數(shù)約為2ms、響應(yīng)特性相當高的驅(qū)動電機軟件。驅(qū)動電機運用基于線性控制理論的算法，形成了車輛的加速性能；抑制齒隙的影響，獲得了順暢感。

純電動汽車；驅(qū)動電機；加速；軟件

日產(chǎn)聆風(fēng)作為純電動汽車的代表，配備了高響應(yīng)速度的80kW交流驅(qū)動電機，轉(zhuǎn)矩峰值可達到280Nm。與以內(nèi)燃機為動力源的汽車相比，日產(chǎn)聆風(fēng)在起步時就可以達到最大轉(zhuǎn)矩，從而提供平穩(wěn)、持續(xù)的加速。在中低速行駛時，其動力性能與搭載V6汽油機的車型相似。因此，從動力和駕乘樂趣的角度，日產(chǎn)聆風(fēng)（以下稱LEAF）完全可以與傳統(tǒng)汽油發(fā)動機媲美，并且這一切都是在100%零排放的基礎(chǔ)上實現(xiàn)［1］。

1 特有的加速性能

LEAF具有的順暢感覺以及全功率時的加速性能，使其在加速、巡航等多種工況下，均具有令人吃驚的動力性、穩(wěn)定性和超低的噪聲。其中，小型、輕量化的驅(qū)動電機及減速器，同時具有大功率、高效率的實用特性。在深踩加速踏板急加速的時候，聆風(fēng)可迅速感應(yīng)到駕車者的信息，沒有一絲的遲滯，非常順暢地輸出強力的轉(zhuǎn)矩。與汽油機比，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩幾乎一直處于峰值狀態(tài)，這也是聆風(fēng)的一大優(yōu)勢所在，其中最為突出的特性如圖1所示［2-3］。

1）快速的起動與加速通過精確控制只有電動機才具有的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，可以抵消驅(qū)動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動，實現(xiàn)了相當于3L排量汽油車的起動與加速性能。

2）任意調(diào)整車速利用只有電動機才具有的響應(yīng)性和控制性，根據(jù)加速器角度和車輛的速度精確地控制轉(zhuǎn)矩，使加速器角度-轉(zhuǎn)矩特性成線性關(guān)系的同時，賦予加速器按照車速變化改變轉(zhuǎn)矩，由此可以及時地隨意調(diào)整車速，并實現(xiàn)安全駕駛。

3）持續(xù)加速的感覺駕駛時如果超過設(shè)定值，繼續(xù)踩加速踏板時，可以進入持續(xù)加速度控制狀態(tài)，可以享受到猶如飛機起飛時的推背加速感覺。

LEAF的起步、加速性能不僅表現(xiàn)在起步快、動力足，提速過程及加速行駛也都非常平穩(wěn)。為實現(xiàn)高響應(yīng)的加速性能，開發(fā)了配套的高響應(yīng)性驅(qū)動電機，并且配用了為發(fā)揮其能力的控制軟件。對于順暢感，采用抑制齒隙等干擾對驅(qū)動電機的影響。從根本上來看，電機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性與靜音性都要優(yōu)于發(fā)動機。在純電動汽車（以下簡稱EV）驅(qū)動電機優(yōu)越的領(lǐng)域，明顯地可以看出其與發(fā)動機的區(qū)別，這在很大程度上提高了EV的商品性。

日產(chǎn)公司在開發(fā)EV時，所確定的目標就有：必須提高這種車型的商品性，使客戶親身體會到其平穩(wěn)、持續(xù)的加速與順暢感覺。從產(chǎn)品來看，實現(xiàn)了這一目標。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵在于控制軟件的采用?？刂栖浖墒筁EAF驅(qū)動電機發(fā)揮其功能，控制軟件效果的示意圖如圖2所示。圖2a為日產(chǎn)聆風(fēng)驅(qū)動電機的照片，其上裝用了基于線性控制理論的控制軟件；圖2b表示EV起步時前后加速度的響應(yīng)特性。LEAF車驅(qū)動電機的響應(yīng)特性高于汽油車發(fā)動機，而且變動小。

控制軟件構(gòu)成的示意圖如圖3所示，大致可以分為3個部分，即決定電機轉(zhuǎn)矩目標值、為實現(xiàn)駕駛?cè)艘庠傅能囕v動向、控制電機電流。本文主要對第2部分——如何實現(xiàn)車輛動向加以闡述。

2 EV驅(qū)動系統(tǒng)的線性非常高［4］

日產(chǎn)LEAF所采用的驅(qū)動電機為容易控制的三相交流同步電動機。其特點是：輸入轉(zhuǎn)矩指令值之后到實際產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時間短到2 ms，如圖4所示，而汽油發(fā)動機的這一時間要數(shù)百毫秒。電機的響應(yīng)性短至2ms左右，這樣就很容易實現(xiàn)按照駕駛?cè)说囊庠缚刂栖囕v的動向，并且在設(shè)計控制系統(tǒng)時，可以忽略驅(qū)動電機的滯后。LEAF驅(qū)動電機電流的控制方法采用了普通的d-q軸矢量控制法。通過將輸入至驅(qū)動電機的電流分為2個直流成分，可以提高對其的控制性能。圖4中，上半部分是d軸電流，下半部分是q軸電流，電機的轉(zhuǎn)速分別取2000r／min與8000r／min，在轉(zhuǎn)矩大小不同的條件下，所得時間常數(shù)都短至2ms。也就是說，在電機大致全部工作范圍內(nèi)，都可以達到這一時間常數(shù)。

日產(chǎn)聆風(fēng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞系統(tǒng)的固有振動頻率約為9.5 Hz。這一系統(tǒng)是由驅(qū)動電機、減速齒輪、驅(qū)動軸及車輪組成的，如圖5a所示，將固有振動頻率換算成時間常數(shù)約為17ms。圖5b為車輛的模型。圖5a中所計算的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞至車輪，基于圖5b的模型預(yù)測車輛的動作。

一般來說，在實施控制算法時，與控制對象的時間常數(shù)相比，執(zhí)行器要有10倍左右的響應(yīng)特性時，才可以按照意愿控制作為對象的系統(tǒng)。因此，確實需要響應(yīng)特性為2ms左右的驅(qū)動電機。日產(chǎn)LEAF就是在響應(yīng)特性較高的電機上，采用了線性很高的控制算法。LEAF的驅(qū)動系統(tǒng)具有高線性，因此也高精度地實現(xiàn)了控制對象的建模。因為將基于理論的主要算法利用數(shù)式記錄下來，就可以控制開發(fā)工時，提高可靠性。

車輛上設(shè)置的很多控制裝置中，有的裝置其輸入與輸出之間存在著很強的非線性關(guān)系，例如控制制動的電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（簡稱ESC）就是這樣，很難用簡單的數(shù)學(xué)公式表示出其輸入與輸出之間的關(guān)系。對

此，可以采用if函數(shù)等判斷表達式，或者利用事先確定的表示輸入輸出關(guān)系的脈譜法，但需要在進行試驗的同時，還要根據(jù)行車環(huán)境等找出適當?shù)呐袛啾磉_式及輸入輸出值等，因此，開發(fā)時需要龐大的工時。

因為日產(chǎn)聆風(fēng)上沒有變速器，在建立算法時，只需一個必要的車輛模型，這也是減少開發(fā)工時的因素之一。在有變速器的混合動力汽車場合下，當變速器換擋時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞系統(tǒng)的固有振動頻率也將改變，所以，每一變速擋都必須找出車輛模型的常數(shù)。

此外，即便因部件的雜散性及路面狀況的差別等原因，固有振動頻率及衰減系數(shù)多少有些變化，仍然選用一個車輛模型可以對應(yīng)的高魯棒性控制方法。因為控制軟件簡單、計算量減少，所以可高速控制。

3 完全抑制共振點附近的振動

為抑制共振所建立的控制軟件如圖6所示，其主要由前饋（F／F）補償器與反饋（F／B）補償器2個系統(tǒng)組成?；镜乃悸肥牵很囕v模型可以預(yù)測的現(xiàn)象利用F／F系統(tǒng)控制。這樣，行駛狀況的大部分現(xiàn)象可用F／F補償器應(yīng)對。另一方面，對被認為是干擾的現(xiàn)象，即車輛模型不可能預(yù)測的現(xiàn)象利用F／B補償器加以抑制。例如：齒輪齒隙的影響等。F／B補償器的特點是：其中設(shè)置了可用傳遞函數(shù)H（s）表示的帶通濾波器。通過抑制齒隙的影響，希望給客戶帶來“順暢感”。

從理論上來講，只要有F／B補償器就可以獲得所期望的響應(yīng)。而并用了F／F補償器的話，則可以增大F／B補償器的效果。具體地說是可以控制放大率，從而提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對F／B補償器采用的是普通控制理論介紹的方法。其由實現(xiàn)響應(yīng)特性的函數(shù)（稱此為規(guī)范模型）與車輛的輸入、輸出傳遞函數(shù)逆系統(tǒng)構(gòu)成，以保證車輛的動作與意愿一致。因為驅(qū)動系統(tǒng)的線性非常高，所以這樣簡單的構(gòu)成就可以應(yīng)對多種狀況。此外，在導(dǎo)出車輛的輸入、輸出函數(shù)時，輸入確定了電機的轉(zhuǎn)矩，輸出決定了電機的角速度。

F／B補償器具有修正功能，它按照電機角速度的檢測值與電機轉(zhuǎn)矩的輸入值，與推斷的目標角速度之差來修正電機的轉(zhuǎn)矩。角速度的檢測值是從安裝在電機上的角度傳感器（VR轉(zhuǎn)速／解角傳感器）得來的。當干擾造成目標角速度與檢測值不一致時，則改動電機的轉(zhuǎn)矩，以修正偏差。

日產(chǎn)LEAF上裝用的F／B補償器的特點是：補償器上設(shè)置了與車輛固有振動頻率相應(yīng)的帶通濾波器。一般來說，在選用電機的F／B補償器時，采用的是濾除與角度傳感器輸出重疊的高頻干擾成分的低通濾波器。

采用帶通濾波器對高頻成分加以隔斷，這是為了保證制動等時所產(chǎn)生的電機角速度的緩慢變化，不會使F／B補償器工作。如果沒有這一功能的話，例如在踩制動時，電機的角速度緩慢下降的場合下，就會輸出轉(zhuǎn)矩，阻礙其緩慢下降。

帶通濾波器的中心頻率設(shè)定為約9.5 Hz，這恰好接近驅(qū)動系統(tǒng)的固有振動頻率。這樣做的目的是為了有效地抑制齒輪系統(tǒng)的齒隙在固有振動頻率的附近產(chǎn)生干擾，如圖7所示。通過設(shè)置F／B補償器，可得出電機角速度對干擾的頻率特性的計算值，由此可以更好地抑制固有振動頻率附近的共振。如果固有振動頻率附近產(chǎn)生干擾，就會產(chǎn)生較大的振動，這將損害車輛的順暢感。

從理論上可以確認：干擾對聆風(fēng)驅(qū)動電機的固有振動頻率成分的影響可以為0。在控制理論上稱此方法為近似零動作。仿造這一術(shù)語，日產(chǎn)將聆風(fēng)所采用的控制方法稱為“完美的零動作”。

4 優(yōu)化組裝VR轉(zhuǎn)速／解角傳感器

如上所述，控制系統(tǒng)是由F／F補償器與F／B補償器構(gòu)成，裝設(shè)這一控制系統(tǒng)來控制電機時的試驗結(jié)果如圖8～圖11所示。圖8為只用F／F補償器進行控制的場合下，加上階躍形轉(zhuǎn)矩指令值時車輛的響應(yīng)狀況。為了減少齒輪系統(tǒng)的齒隙影響，事先向電機輸入了正的初始轉(zhuǎn)矩。從結(jié)果看，采用F／F補償器就可以很好地抑

制扭轉(zhuǎn)振動，在100ms之內(nèi)就可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。對于扭轉(zhuǎn)振動，利用基于電機慣性力矩及驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)剛性等車輛各參數(shù)建立的模型，可以相對準確地加以預(yù)測。圖8中，上圖為電機轉(zhuǎn)矩，下圖是加在驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)矩，沒有考慮干擾的影響。

但是，如前所述，僅利用F／F補償器，無法抑制齒隙等的影響，為此再加裝F／B補償器，加裝后的試驗結(jié)果如圖9所示。在試驗中，為了評價齒隙的影響，對電機預(yù)先加上了負的初始轉(zhuǎn)矩。圖9是僅有F／F補償器與既有F／F補償器、也有F／B補償器兩種場合的對比。從圖9可以看出，在僅有F／F補償器時，無法抑制齒隙等引發(fā)的干擾；當再增加F／B補償器后，就可以有效地抑制干擾。

從結(jié)果來看，對只用F／F補償器無法對應(yīng)的齒隙引發(fā)的振動，通過追加F／B補償器就可以抑制。在實際車輛上，從稍微減速的狀態(tài)到緩慢加速的狀況來看齒隙的影響時，其結(jié)果如圖10所示，這是特別容易產(chǎn)生影響的狀況，但前后加速度的變化很小。

要想實現(xiàn)順暢感，不僅要消除齒隙的影響，而且抑制干擾的問題也很重要。驅(qū)動電機的極數(shù)是有限的（日產(chǎn)聆風(fēng)為8極），產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)同步的轉(zhuǎn)矩的脈動是不可避免的。當轉(zhuǎn)矩脈動的頻率與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞系統(tǒng)的諧振頻率一致時，在低頻領(lǐng)域，車身就會出現(xiàn)不可忽視的振動；尤其是在必須較大轉(zhuǎn)矩的陡坡上，這個問題更加嚴重。對此，聆風(fēng)車選用了新發(fā)明的扭轉(zhuǎn)振動控制方法，從而也可以抑制這種場合下出現(xiàn)的振動，如圖11所示。

從聆風(fēng)的開發(fā)到收尾階段，一直對防干擾措施研究了很多方案。為了抑制齒隙的影響，若強力地發(fā)揮F／B補償器的作用而增大放大率的話，角度傳感器（VR轉(zhuǎn)速／解角傳感器）的噪聲也將被放大。

為了達到同時抑制擾動與噪聲的目的，在電機的制造工序上下了很多功夫。對VR轉(zhuǎn)速／解角傳感器的噪聲進行了嚴密的控制。在實現(xiàn)靜音與抑制擾動影響的前提下，決定F／B補償器的增益。

5 結(jié)語

本文介紹了采用線性控制理論對日產(chǎn)聆風(fēng)驅(qū)動電機進行控制的思路與做法，采用線性控制理論控制驅(qū)動電機，提高了聆風(fēng)純電動汽車的商品性，使客戶具有滿意的加速感與順暢感。

在日產(chǎn)聆風(fēng)上市的前2年，即5年前，也有技術(shù)人員發(fā)表文章認為：目前，由于追求永磁同步電動機的高效率與小型化，與舊式電動機相比，越來越難以控制。過去是基于線性控制理論設(shè)計汽車電動化系統(tǒng)，而現(xiàn)在電機內(nèi)部磁通的磁路為非線性，所以，非線性控制的課題擺在人們的面前。

［1］陳丁躍.現(xiàn)代汽車控制及其智能化［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2011：8-9.

［2］顧建國.透視日產(chǎn)聆風(fēng)的電機驅(qū)動總成［OL］.第一電動月刊：［2015-06-08］.http：／／m.d1ev.com／13123.html.

［3］電子工程世界［OL］.［2012-08-07］.http：／／www.eeworld. com.cn／qcdz／2012／0807／article_5778.html.

［4］日産リーフのモータ制御.線形理論で「スムーズさ」日経Automotive Technology［Z］.

附：注釋

1）if函數(shù)if函數(shù)一般是指Excel中的if函數(shù)，根據(jù)指定的條件來判斷其“真”（TRUE）、“假”（FALSE），根據(jù)邏輯計算的真假值，從而返回相應(yīng)的內(nèi)容?？梢允褂胕f函數(shù)對數(shù)值和公式進行條件檢測。

2）線性控制系統(tǒng)當控制系統(tǒng)各部件的輸入／輸出特性具有線性關(guān)系，系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程來描述時，則稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的特點是可以應(yīng)用疊加原理；線性系統(tǒng)的動態(tài)過程與初始條件無關(guān)。滿足疊加原理的輸入輸出關(guān)系相對而言非常簡單，容易分析，且方便對其設(shè)計控制系統(tǒng)。其2個重要性質(zhì)在于：①可以選擇典型輸入來做試驗，研究系統(tǒng)特性。例如，單位脈沖函數(shù)，一般輸入往往可以近似為單位脈沖函數(shù)的線性組合（積分）；正弦函數(shù)，可以用其傅立葉變換或者傅立葉級數(shù)近似一般函數(shù)；當然，還可以以輸入變量的冪函數(shù)為典型函數(shù)，通過線性組合形成一般函數(shù)（泰勒展開）。②輸入輸出關(guān)系的“斜率”，delta（y）／delta（u），delta為變化量，在整個輸入變化范圍都恒定，所以能在整個范圍內(nèi)用同樣的規(guī)律控制該系統(tǒng)，即為了補償輸出y的變化量delta（y），在任何工作點都可以用同樣大的控制補償量delta（u）。因此，應(yīng)引入各種方法或者從合適的角度去研究一個系統(tǒng)，盡量讓其行為表現(xiàn)為線性。例如，為了使得動態(tài)系統(tǒng)也能表現(xiàn)為線性，引入拉普拉斯變換，將其輸入輸出關(guān)系表現(xiàn)為Y（s）=G（s）×U（s）。則可以削弱動態(tài)行為的影響。所以，線性控制系統(tǒng)應(yīng)該是一門介紹常用的線性動態(tài)系統(tǒng)分析和設(shè)計的課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以了解自動控制系統(tǒng)的基本工作原理，常用的分析和設(shè)計方法。

3）非線性控制系統(tǒng)當控制系統(tǒng)中含有一個或一個以上的非線性部件時，系統(tǒng)要用非線性方程來描述。由非線性方程來描述的控制系統(tǒng)稱為非線性控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中典型的非線性部件有飽和非線性、死區(qū)非線性、繼電器特性非線性等。非線性系統(tǒng)不能應(yīng)用疊加原理；而且其動態(tài)特性與初始條件有關(guān)。

任何物理系統(tǒng)的特性，精確地說都是非線性的，但是在誤差允許范圍內(nèi)，可以將非線性特性線性化，近似地用線性微分方程來描述，這樣可以按照線性系統(tǒng)來處理。非線性系統(tǒng)的暫態(tài)特性與初始條件有關(guān)，從這一點來看，它與線性系統(tǒng)有很大區(qū)別。例如，當偏差的初始值很小時，系統(tǒng)的暫態(tài)過程為穩(wěn)定多；當偏差量的初始值較大時，則可能變?yōu)椴环€(wěn)定的。而線性系統(tǒng)的暫態(tài)過程則與初始條件無關(guān)。

（編輯 楊景）

Linear Control of Driving Motor for NISSAN LEAF

ZHOU Quan

One of the most important targets in the development of driving motor for NISSAN LEAF is to realize the stability，sustained and smooth acceleration.The key to this target is the driving motor software with 2 ms time constant and much high response characteristic.The acceleration is formed by using the algorithm based on linear control principle，which can suppress the effect of backlash and gain smooth feeling.

pure EV；driving motor；acceleration；software

U469.72

A

1003－8639（2016）04－0001－05

2015-10-27