純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng) 阻尼控制策略軟件開(kāi)發(fā)及實(shí)車(chē)標(biāo)定

沙偉　郭亞子

摘 要：純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略軟件開(kāi)發(fā)及實(shí)車(chē)標(biāo)定，以整車(chē)駕乘平順無(wú)抖動(dòng)為目標(biāo)，研究一種電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的軟件開(kāi)發(fā)并開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)車(chē)標(biāo)定。通過(guò)對(duì)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波處理建立電機(jī)目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)速，建立電機(jī)輸出扭矩的PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，閉環(huán)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。實(shí)車(chē)標(biāo)定結(jié)果顯示，電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波策略及電機(jī)扭矩PID調(diào)節(jié)策略組成的電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，消除整車(chē)抖動(dòng)提升純電動(dòng)汽車(chē)駕駛性，且在實(shí)車(chē)標(biāo)定方面存在較大的可優(yōu)化空間。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē);駕駛性;主動(dòng)阻尼控制;濾波算法;PID控制算法

1 引言

近代以來(lái)，以石油資源為主要能源的汽車(chē)行業(yè)發(fā)展為各國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)之一。隨著近些年人類(lèi)社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的深入認(rèn)識(shí)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)政策的引導(dǎo)，以可再生資源為能源的新能源汽車(chē)展現(xiàn)了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，其中又以純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展最為迅速、成熟[1]。

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)整車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此整車(chē)電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是其產(chǎn)業(yè)技術(shù)的核心，也是純電動(dòng)汽車(chē)區(qū)別于傳統(tǒng)汽車(chē)的最大不同點(diǎn)之一。隨著當(dāng)前純電動(dòng)汽車(chē)的逐漸普及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的進(jìn)一步成熟，消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高。由于純電動(dòng)汽車(chē)采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)在動(dòng)力性方面有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì);而隨著動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程焦慮也得到極大緩解，經(jīng)濟(jì)性提升明顯;而針對(duì)用戶(hù)感受最直接和最明顯的駕駛平順性上，仍然有較大的提升空間，尤其是針對(duì)目前占據(jù)純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)較大份額的經(jīng)濟(jì)型純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品。

針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)駕駛性開(kāi)發(fā)，基于純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系剛性連接、無(wú)阻尼的特殊特性及傳動(dòng)系間隙存在的必然性，諸如博世anti-jerk等優(yōu)秀的控制策略已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。其中，PID作為控制領(lǐng)域最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種控制算法，本身在電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制上已得到成熟的應(yīng)用。但是由于整車(chē)傳動(dòng)系各動(dòng)力總成部件之間的動(dòng)力傳動(dòng)扭矩耦合關(guān)系的存在，電機(jī)內(nèi)部的PID控制策略往往不足以完全閉環(huán)整車(chē)層面的抖動(dòng)表現(xiàn)。本文基于一階RC濾波算法和PID算法，建立一種通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出扭矩來(lái)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)的電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略，并完成相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)和參數(shù)標(biāo)定。

2 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速濾波策略開(kāi)發(fā)及標(biāo)定

在電機(jī)控制領(lǐng)域，針對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制已有大量的相關(guān)研究積累?？紤]到電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載以及整車(chē)傳動(dòng)系的動(dòng)力耦合、機(jī)械間隙的必然存在等因素，針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)層面駕駛性開(kāi)發(fā)而開(kāi)展的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速控制，與對(duì)單一電機(jī)部件進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速控制的臺(tái)架標(biāo)定不盡相同。

2.1 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速濾波策略開(kāi)發(fā)

由于整車(chē)傳動(dòng)系各個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)部件間復(fù)雜的動(dòng)力耦合關(guān)系，傳動(dòng)部件各自難易量化的機(jī)械特性以及無(wú)法預(yù)估的機(jī)械傳動(dòng)間隙的存在，提高了通過(guò)建立整車(chē)傳動(dòng)系準(zhǔn)確模型來(lái)建立電機(jī)目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)速的難度和工作量。同時(shí)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始出現(xiàn)非期望的轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出扭矩抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速的后續(xù)波動(dòng)，即可達(dá)到大大降低電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)在整車(chē)層面影響的目標(biāo)，提升駕駛性。

因此，本文首先通過(guò)一階RC濾波算法對(duì)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略需要閉環(huán)的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速保持在期望內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波的結(jié)果需要快速響應(yīng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化;而當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)非期望的轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果需要對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的非期望波動(dòng)進(jìn)行平滑處理，降低轉(zhuǎn)速抖動(dòng)。

一階RC濾波算法如式（2.1）所示：

TMSpeedFilterNow=（1-Prop[x]）*TMSpeedFilterLast+Prop[x]*TMSpeed（2.1）

其中，TMSpeedFilterNow表示當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果，TMSpeedFilterLast為上一周期電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果，TMSpeed為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，Prop[x]為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速在一階RC濾波算法所占的權(quán)重。為了達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果的期望，Prop[x]需要根據(jù)電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速區(qū)間和波動(dòng)情況進(jìn)行分段和實(shí)際標(biāo)定。

2.2 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速濾波模型仿真

根據(jù)電機(jī)一階RC濾波算法，在MATLAB/Simulink中搭建電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波仿真模型，對(duì)其進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所建立濾波算法的可行性，并對(duì)Prop[x]進(jìn)行初步的標(biāo)定。一階RC濾波算法MATLAB/Simulink仿真模型如圖2.1所示：

根據(jù)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)駕駛性開(kāi)發(fā)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速波動(dòng)超過(guò)30rpm/30ms時(shí)，即會(huì)引起整車(chē)產(chǎn)生抖動(dòng)問(wèn)題。若該波動(dòng)持續(xù)多次，則整車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題明顯。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)速一階RC濾波模型中設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，調(diào)整一階RC濾波算法的權(quán)重系數(shù)，觀察濾波后的結(jié)果，如圖2.2所示：

由圖示結(jié)果可知，當(dāng)前一階RC濾波算法基本滿(mǎn)足建立電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制所需的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的要求。

2.3 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速實(shí)車(chē)標(biāo)定

由于純電動(dòng)車(chē)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是在整車(chē)的傳動(dòng)系中工作的，因此為了得到具體而有效的一階RC濾波算法的系數(shù)，還需要在實(shí)車(chē)上進(jìn)行具體標(biāo)定。實(shí)車(chē)標(biāo)定過(guò)程中，為了達(dá)到標(biāo)定結(jié)果真實(shí)有效及覆蓋性廣的目的，重點(diǎn)針對(duì)汽車(chē)行駛的常見(jiàn)工況進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試。

電機(jī)轉(zhuǎn)速一階RC濾波算法在不同行駛工況下的實(shí)車(chē)標(biāo)定結(jié)果如圖2.3所示：

由圖2.3可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速一階RC濾波算法在電機(jī)未出現(xiàn)非期望的波動(dòng)時(shí)，能夠較為真實(shí)的反應(yīng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，最大誤差不超過(guò)150rpm;在電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較為嚴(yán)重的轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，可以較好的對(duì)其進(jìn)行濾波處理，得到相對(duì)平滑變化的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。因此，該電機(jī)轉(zhuǎn)速一階RC濾波算法在不同行駛工況下均符合建立電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的要求。

3 電機(jī)輸出扭矩PID控制策略開(kāi)發(fā)及標(biāo)定

PID作為一種成熟的控制算法，在各種工業(yè)領(lǐng)域早已得到成熟應(yīng)用，包括電機(jī)內(nèi)部對(duì)其輸出轉(zhuǎn)速的控制。經(jīng)典PID控制算法分為比例、積分、微分三個(gè)部分，比例控制的輸出量與輸入偏差成正比關(guān)系，可以減小但不能完全消除偏差;積分控制的輸出變化量與輸入偏差的積分成正比關(guān)系，用于消除偏差;微分部分輸出量與偏差微分成正比，具有超前調(diào)節(jié)的作用。

3.1 電機(jī)輸出扭矩PID控制策略開(kāi)發(fā)

本文基于經(jīng)典PID算法，將電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速間的差值作為PID調(diào)節(jié)模塊的輸入，電機(jī)扭矩調(diào)節(jié)量作為PID調(diào)節(jié)模塊的輸出量，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的電機(jī)輸出扭矩PID控制模塊的開(kāi)發(fā)。

其中，電機(jī)輸出扭矩PID控制系統(tǒng)的基本算法如式3.1-3.4所示：

Pidtorquecorrect=PID_Kp_Part+PID_Ki_Part+PID_Kd_Part（3.1）

PID_Kp_Part=Kp*TMSpeedErrorNow（3.2）

PID_Ki_Part=Ki*（∑TMSpeedError-

Now）（3.3）

PID_Kd_Part=Kd*（TMSpeedError-

Now_TMSpeedErrorLast）（3.4）

其中，Pidtorquecorrect表示PID調(diào)節(jié)模塊對(duì)電機(jī)當(dāng)前輸出扭矩的調(diào)節(jié)部分，PID_Kp_Part、PID_Ki_Part、PID_Kd_Part為PID算法調(diào)節(jié)模塊的比例部分、積分部分和微分部分，Kp、Ki和Kd分別為比例部分、積分部分和微分部分的標(biāo)定參數(shù)。

電機(jī)扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的輸出量作為電機(jī)輸出扭矩的調(diào)節(jié)一部分，會(huì)在合適的時(shí)候介入。鑒于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的一般范圍不超過(guò)250rpm，因此電機(jī)輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的調(diào)節(jié)扭矩幅值不需要超過(guò)30Nm;電機(jī)輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的調(diào)節(jié)扭矩幅值經(jīng)過(guò)標(biāo)定后，需要在需要的時(shí)候介入電機(jī)當(dāng)前的輸出扭矩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)。其中，電機(jī)輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的調(diào)節(jié)扭矩介入時(shí)機(jī)如表1所示：

3.2 電機(jī)輸出扭矩PID控制模型仿真

根據(jù)電機(jī)輸出扭矩PID控制策略的開(kāi)發(fā)，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，對(duì)PID控制模塊進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所建立控制模型的可行性，并對(duì)Kp、Ki和Kd進(jìn)行初步的標(biāo)定。電機(jī)輸出扭矩PID控制策略的MATLAB/Simulink仿真模型如圖3.1所示：

仿真模型中部分所需參數(shù)如表2

根據(jù)表1給出的電機(jī)輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的扭矩介入策略，在仿真模型中設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速差及電機(jī)狀態(tài)，得到PID控制模塊的仿真結(jié)果如圖3.2所示：

根據(jù)圖示給出仿真模型的仿真結(jié)果顯示，電機(jī)輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊控制策略基本滿(mǎn)足建立電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制所需的電機(jī)扭矩調(diào)節(jié)作用。

4 電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略開(kāi)發(fā)及標(biāo)定

根據(jù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波策略的開(kāi)發(fā)、仿真研究和實(shí)車(chē)標(biāo)定，以及對(duì)電機(jī)輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的開(kāi)發(fā)、仿真研究和實(shí)車(chē)標(biāo)定，最終可以建立完整的電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制的控制策略和模型，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行標(biāo)定，以驗(yàn)證該控制策略的可行性。

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制模型

電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制MATLAB/Simulink模型如圖4.1所示：

4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制模型仿真

根據(jù)2.2節(jié)和3.2節(jié)建立的仿真模型，建立電機(jī)主動(dòng)阻尼控制的仿真模型。此時(shí)可以將實(shí)車(chē)采集的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速導(dǎo)入仿真模型中，對(duì)仿真模型的仿真參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的仿真標(biāo)定;也可以直接將模型集成在純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的控制模型中進(jìn)行實(shí)車(chē)標(biāo)定。

4.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略實(shí)車(chē)標(biāo)定

根據(jù)建立的純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)主動(dòng)阻尼控制模型，在實(shí)車(chē)上展開(kāi)標(biāo)定，主要針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)程中的正常使用工況和常見(jiàn)的濫用工況進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，具體的結(jié)果如圖4.1-4.5所示：

根據(jù)實(shí)車(chē)標(biāo)定結(jié)果，本文所建立電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的可行性得到驗(yàn)證。同時(shí)，在實(shí)車(chē)上對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制模型的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行應(yīng)用。實(shí)車(chē)標(biāo)定結(jié)果顯示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制能夠?qū)φ?chē)控制器的電機(jī)扭矩指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，抑制電機(jī)非期望的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而提升純電動(dòng)汽車(chē)的駕乘體驗(yàn)。

然而，由于整車(chē)控制器運(yùn)行周期以及與CAN總線進(jìn)行通訊均需要一定時(shí)間，尤其是濾波算法固有的遲滯性，因此相對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際變化趨勢(shì)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的調(diào)節(jié)扭矩不可避免的存在一定延遲。并且本策略只有在電機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)出現(xiàn)波動(dòng)的情況下，才能對(duì)電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。因此，本策略只能從提升整車(chē)層面的駕駛性角度，閉環(huán)電機(jī)出現(xiàn)持續(xù)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)問(wèn)題。

5 總結(jié)

本文研究了一種電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略，建立了電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制MATLAB/Simulink模型，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)車(chē)參數(shù)標(biāo)定和驗(yàn)證。1）根據(jù)一階RC濾波算法建立電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速濾波控制模型，經(jīng)過(guò)參數(shù)的實(shí)車(chē)標(biāo)定，作為電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的閉環(huán)目標(biāo);2）根據(jù)經(jīng)典PID算法建立電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速PID控制模型，經(jīng)過(guò)參數(shù)的實(shí)車(chē)標(biāo)定，作為電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的調(diào)節(jié)扭矩，用來(lái)閉環(huán)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng);3）最終，將電機(jī)轉(zhuǎn)速濾波模型和電機(jī)輸出扭矩PID控制模型整合在實(shí)車(chē)上展開(kāi)標(biāo)定和驗(yàn)證。標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證了電機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)阻尼控制策略的可行性和有效性。4）鑒于本策略目前仍然存在著明顯的信號(hào)滯后問(wèn)題，后續(xù)對(duì)其開(kāi)展針對(duì)性穩(wěn)定研究仍然十分必要。

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