電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制與性能研究

冉滔，胡榮瀚，張鈺泳

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

關(guān)鍵字：閉環(huán)控制；跟隨性能指標(biāo)；抗擾性能指標(biāo)

前言

新能源電動(dòng)汽車將在未來(lái)的汽車市場(chǎng)占據(jù)重要的地位，電動(dòng)汽車相較于傳統(tǒng)汽車的主要區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的不同，因此整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是研究電動(dòng)汽車的核心所在。為了獲得高動(dòng)力性能，本文結(jié)合閉環(huán)控制算法，研究電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在閉環(huán)控制下的核心優(yōu)勢(shì)及其相關(guān)性能特點(diǎn)，從而達(dá)到電動(dòng)汽車不同使用要求。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制

所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)就是操作者通過(guò)輸入端給系統(tǒng)輸入一個(gè)指示信號(hào)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行后得到一系列的反應(yīng)狀態(tài)，系統(tǒng)再將這些反應(yīng)狀態(tài)量通過(guò)輸出端重新反饋給輸入端，用以修正系統(tǒng)的操作過(guò)程，直至達(dá)到所預(yù)期的輸出效果。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，因此它在各種控制領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。如圖1 為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的流程框圖，主要由信號(hào)發(fā)生器、比較裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器等部分組成。

整個(gè)控制系統(tǒng)的工作原理為駕駛員通過(guò)加速踏板或制動(dòng)踏板給予系統(tǒng)一個(gè)輸入信號(hào)，比較裝置接收輸入信號(hào)和由輸出信號(hào)反饋回來(lái)的經(jīng)測(cè)量與變送的信號(hào)，并對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行比較，得到的兩者的誤差值輸送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器通過(guò)其內(nèi)部計(jì)算分析，生成一個(gè)控制命令并傳達(dá)給電動(dòng)機(jī)控制器，在這個(gè)命令的驅(qū)使下，電動(dòng)機(jī)控制器形成適當(dāng)?shù)碾娏骰螂妷褐?，最后將這生成的電信號(hào)輸送給電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輛行駛，整個(gè)過(guò)程可較好的避免各種干擾信號(hào)的影響。

圖1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制流程圖

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I 型模型及動(dòng)態(tài)過(guò)程

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型通常采用I 型系統(tǒng)，其微分方程的表達(dá)式為：

其中，r(t),c(t)分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的輸入和輸出量，ξ 為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼比，ωn為系統(tǒng)的固有圓頻率。利用拉氏變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

2.1 各種阻尼比所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)

如圖2 所示為在各種阻尼比下系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系曲線。

圖2 系統(tǒng)不同阻尼比時(shí)的響應(yīng)關(guān)系曲線

以上分析可以看出在ξ=0 時(shí)曲線為類似正弦函數(shù)的等幅振動(dòng)曲線；在的欠阻尼情形中，響應(yīng)函數(shù)曲線以一定的速率振蕩，隨著t 的變化，逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，其中阻尼比為ξ=0.707 時(shí)為系統(tǒng)各項(xiàng)響應(yīng)指標(biāo)最佳狀態(tài)，因此也稱ξ=0.707 為最佳阻尼比；在時(shí)，曲線以逐漸走高的形勢(shì)，做無(wú)振動(dòng)的單調(diào)上升變化。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能分析

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以分為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)主要描述的是汽車在穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能，在非穩(wěn)態(tài)時(shí)研究穩(wěn)態(tài)性能各指標(biāo)就沒(méi)有意義。由于在汽車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受到各種外界因素的影響，汽車多處于非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，因此本文主要研究汽車在動(dòng)態(tài)時(shí)的性能參數(shù)。

3.1 跟隨性能指標(biāo)

在電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)的輸出信號(hào)c(t)也可以通過(guò)跟隨性能指標(biāo)來(lái)表示，在系統(tǒng)中隨著輸入信號(hào)r(t)隨時(shí)間的變化過(guò)程中，跟隨性能指標(biāo)的變化在一定程度上也代表著整體系統(tǒng)輸出信號(hào)的變化趨勢(shì)。如圖3 所示為系統(tǒng)階躍響應(yīng)過(guò)程及跟隨性能指標(biāo)，以輸入信號(hào)初始點(diǎn)為系統(tǒng)響應(yīng)的零點(diǎn)，得到整個(gè)響應(yīng)過(guò)程的跟隨狀態(tài)。

圖3 階躍響應(yīng)過(guò)程及跟隨性能

跟隨性能主要包括上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、調(diào)節(jié)時(shí)間ts，三個(gè)跟隨時(shí)間參數(shù)分別表示了輸出值第一次到達(dá)圖中縱坐標(biāo)“1”所對(duì)應(yīng)的時(shí)輸出值的穩(wěn)態(tài)參數(shù)的時(shí)間、響應(yīng)過(guò)程中達(dá)到最大輸出值的時(shí)間以及達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間，三個(gè)參數(shù)綜合反映了系統(tǒng)反應(yīng)快慢程度以及穩(wěn)定程度。

3.2 抗擾性能指標(biāo)

當(dāng)階躍響應(yīng)系統(tǒng)的在響應(yīng)過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)定之后，向系統(tǒng)輸入一個(gè)干擾信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)由穩(wěn)定狀態(tài)到非穩(wěn)定狀態(tài)再恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程就成為抗干擾過(guò)程。如圖4 所示為典型階躍反應(yīng)系統(tǒng)的抗干擾過(guò)程，主要的抗干擾性能指標(biāo)由動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。

圖4 突加擾動(dòng)的階躍反應(yīng)過(guò)程

抗干擾性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)降落△Cmax表示在受到外界干擾作用后，系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程發(fā)生不穩(wěn)定反應(yīng)所能達(dá)到最小的輸出值；恢復(fù)時(shí)間tv表示系統(tǒng)從受到干擾到回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所消耗的時(shí)間間隔。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在閉環(huán)控制作用下的典型單位階躍響應(yīng)過(guò)程，進(jìn)而分析了在響應(yīng)過(guò)程中的性能參數(shù)的變化情況。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制可以更好的反應(yīng)在響應(yīng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)誤差以及在相應(yīng)時(shí)刻做出對(duì)應(yīng)的調(diào)整，消除過(guò)程的誤差和干擾，使整個(gè)響應(yīng)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。