基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制設(shè)計(jì)

魏敦烈

(東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，廣東廣州 510800)

0 引言

純電動(dòng)乘用車(pure electric vehicle，PEV)主要靠電力驅(qū)動(dòng)車輛，而電能屬于可再生能源，用車的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃油車，隨著政府的補(bǔ)貼以及新能源汽車在很多方面具有的優(yōu)勢，對于日常有剛需城市通勤的人來說，這些都非常有吸引力。電動(dòng)車相對燃油車在動(dòng)力響應(yīng)上要快，但是其在提高動(dòng)力性能的同時(shí)會(huì)增加明顯的沖擊抖動(dòng)感，導(dǎo)致乘坐舒適性降低。因此減少其加減速過程中的沖擊抖動(dòng)是PEV研究的核心之一，其中PEV加減速過程中的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化是影響其沖擊抖動(dòng)的關(guān)鍵因素之一。

PEV城市運(yùn)行過程中，與勻速過程相比，變加速過程扭矩存在突變，其加速度變化也更大。由于在實(shí)際道路行駛時(shí)，PEV經(jīng)常需要加減速，在整個(gè)加減速過程中較大的加速度變化也會(huì)導(dǎo)致沖擊抖動(dòng)。國內(nèi)外學(xué)者多通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化和整車控制策略及扭矩控制的方法，來改變車輛的工作點(diǎn)。

為此，文中以某款PEV為研究對象，提出了基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制方法。目的是在整車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及整車控制器扭矩控制策略確定的條件下，通過該方法來考慮轉(zhuǎn)速波動(dòng)與沖擊抖動(dòng)之間的關(guān)系，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波和電機(jī)控制的輸出扭矩進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低加減速過程中的沖擊抖動(dòng)。該方法不需要調(diào)整車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以及明確整車模態(tài)和振動(dòng)模型，從而減少了開發(fā)難度。

1 PEV加減速?zèng)_擊抖動(dòng)原理

1.1 PEV加減速過程分析

根據(jù)PEV運(yùn)行特點(diǎn)可知，在車輛加減速過程中由于傳動(dòng)系統(tǒng)并非是純剛性且無間隙的，在這種工作狀態(tài)下，它所需轉(zhuǎn)矩隨著加減速過程變化時(shí)，存在明顯的沖擊抖動(dòng)，這個(gè)過程主要與其轉(zhuǎn)速波動(dòng)有關(guān)。文中以某款純電動(dòng)車為例，圖1是其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)基本原理。由圖可知，該系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器(減速器)、差速器及車輪組成，同時(shí)還包括固定驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的懸置等固定機(jī)構(gòu)。

圖1 PEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)基本原理

當(dāng)在水平良好的路面加速行駛時(shí)，不計(jì)坡度阻力，根據(jù)行駛動(dòng)力學(xué)方程，PEV加速過程中所需外力可表示為：

=--，

(1)

式中：為車輛加速所需外力；為車輛的驅(qū)動(dòng)力；為車輛滾動(dòng)阻力；為車輛空氣阻力。

將式(1)展開可得PEV加速過程的加速度表達(dá)式為：

(2)

式中：為車輛行駛加速度；

為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；

、分別為變速箱、主減速器傳動(dòng)比；

為整車質(zhì)量；

為滾動(dòng)阻力系數(shù)；

為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

為車速；

為空氣阻力系數(shù)；

為車輛前部迎風(fēng)面積；

為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。

由式(2)可知，在其他因素不變時(shí)，電機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)矩，將使PEV具有不同的加速度，從而產(chǎn)生不同的加速過程。不同的轉(zhuǎn)矩變化導(dǎo)致的加速度變化也不同，從而影響了電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及整車的沖擊抖動(dòng)。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)靈敏，在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及擾動(dòng)的快速、大幅激勵(lì)下極易發(fā)生傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。同時(shí)，電機(jī)低速轉(zhuǎn)矩紋波也會(huì)加劇抖振幅度，嚴(yán)重影響整車駕乘舒適性。不同加速過程加速度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同加速過程加速度隨時(shí)間變化曲線

由圖2可知，在第一次急踩加速踏板時(shí)，加速度突變很大，然后有一個(gè)明顯的突降，導(dǎo)致明顯的沖擊抖動(dòng)，影響舒適性；除了第一次抖動(dòng)，后續(xù)的急加速也有加速度變化，雖然比第一次抖動(dòng)不明顯，但是同樣會(huì)影響舒適性。

1.2 PEV加減速轉(zhuǎn)速波動(dòng)與整車沖擊抖動(dòng)的關(guān)系

整車系統(tǒng)抖動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的課題，在很多情況下屬于電機(jī)、減速器以及整車整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)方面等的內(nèi)容。因此根據(jù)電動(dòng)汽車概論，其第時(shí)刻的整車需求驅(qū)動(dòng)力(,)可表示為：

(3)

式中：為路面傾斜角。

在已知傳動(dòng)比的情況下，可得車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

=0377。

(4)

結(jié)合式(2)至式(4)可以看出，加速度的變化除了與驅(qū)動(dòng)力有關(guān)之外，還與轉(zhuǎn)速有關(guān)，同時(shí)加速度的變化又會(huì)導(dǎo)致沖擊抖動(dòng)的變化。若能夠減少轉(zhuǎn)速波動(dòng)，可以減少加速度，進(jìn)而減少?zèng)_擊抖動(dòng)。

因此，為解決加減速過程中動(dòng)力響應(yīng)快與轉(zhuǎn)速波動(dòng)之間的矛盾，應(yīng)對其加減速過程中的扭矩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制

為了實(shí)現(xiàn)PEV在滿足動(dòng)力學(xué)條件下降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)，根據(jù)扭矩和加速度的關(guān)系，提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其基本思路是：以最小的轉(zhuǎn)速波動(dòng)作為目標(biāo)對象，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控，采用濾波算法，以轉(zhuǎn)速波動(dòng)大小進(jìn)行扭矩補(bǔ)充。該方法不需要考慮整車模態(tài)和振動(dòng)模型，只需要對轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行分析。

優(yōu)化的目標(biāo)是使轉(zhuǎn)速波動(dòng)最小，由電動(dòng)汽車基本原理可推出防抖模型。防抖控制示意如圖3所示。

圖3 防抖控制示意

該模型不需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，也不需要考慮整車模態(tài)和振動(dòng)模型，只需要對轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行分析。由于不同轉(zhuǎn)速段的RC低通濾波截止頻率不同，因此需要根據(jù)轉(zhuǎn)速分段，優(yōu)化不同轉(zhuǎn)速段的截止頻率。

3 優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)與分析

以某款PEV為研究對象，運(yùn)用基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對其加減速過程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的濾波系數(shù)和扭矩補(bǔ)償。

在整車起步運(yùn)行過程當(dāng)中，電機(jī)和減速器之間的間隙、電機(jī)安裝、共振等機(jī)械問題都有可能產(chǎn)生扭矩振動(dòng)，通過逆變器的控制，在請求扭矩的基礎(chǔ)上主動(dòng)疊加一個(gè)反向力矩，減少整車系統(tǒng)在傳動(dòng)過程中引起的扭矩脈動(dòng)。

按照基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制設(shè)計(jì)方法，結(jié)合研究對象，利用MATLAB軟件，建立PEV防抖控制仿真模型。其基本框架結(jié)構(gòu)主要由整車扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和防抖使能等輸入模塊以及防抖扭矩計(jì)算模塊組成。其工作原理是：以轉(zhuǎn)速濾波前后的轉(zhuǎn)波動(dòng)量為目標(biāo)輸入量，再由防抖扭矩計(jì)算模塊按轉(zhuǎn)速波動(dòng)量通過PID，計(jì)算出整車需求防抖扭矩；然后，將防抖扭矩輸入到電機(jī)實(shí)際輸出扭矩計(jì)算模塊，經(jīng)其計(jì)算與查表處理，可先后得到電機(jī)輸出和。若轉(zhuǎn)速波動(dòng)大則補(bǔ)償扭矩變大，如此循環(huán)以減少轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而起到減少抖動(dòng)的效果。

4 實(shí)車測試驗(yàn)證

根據(jù)PEV防抖控制模型，以不同轉(zhuǎn)速段的波動(dòng)和濾波為輸入，運(yùn)用MATLAB軟件對PEV防抖控制優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，并通過代碼生成轉(zhuǎn)換為MCU可以編譯的代碼，導(dǎo)入控制器中進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定，該系數(shù)隨著車輛質(zhì)量、傳動(dòng)系統(tǒng)慣量和轉(zhuǎn)速段不同而需要調(diào)整。

未打開防抖控制之前，電機(jī)的請求扭矩、輸出扭矩與轉(zhuǎn)速波動(dòng)如圖4所示。

圖4 未加防抖控制的電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速的變化曲線

可以看到輸出扭矩由于有采樣延遲，與請求扭矩有10 ms的偏差，但是輸出扭矩完全跟隨請求扭矩，這種情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯。

打開防抖控制之后，電機(jī)的請求扭矩、輸出扭矩與轉(zhuǎn)速波動(dòng)如圖5所示，可以看到加防抖控制后，由于輸出扭矩在請求扭矩的基礎(chǔ)上，加上了根據(jù)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆蓝杜ぞ?，?dǎo)致輸出扭矩并不完全跟隨請求扭矩，這種情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速在剛開始時(shí)有波動(dòng)，但是波動(dòng)馬上就被抑制，波動(dòng)明顯減少，達(dá)到了降低抖動(dòng)、提高舒適性的目標(biāo)。

圖5 加防抖控制的電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速的變化曲線

5 結(jié)論

(1)在加減速過程中，不同的需求扭矩對PEV的沖擊抖動(dòng)影響規(guī)律不一樣，以轉(zhuǎn)速波動(dòng)最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制優(yōu)化方法，該方法巧妙地根據(jù)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對需求扭矩進(jìn)行補(bǔ)償，通過合理地改變電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，對PEV加減速過程中的轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來解決加減速過程中在滿足動(dòng)力響應(yīng)前提下的舒適性問題，同時(shí)不需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，不需要考慮整車模態(tài)和振動(dòng)模型，只需要對轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行分析，降低了成本。

(2)以某型號(hào)的PEV為研究對象，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化求解，得到優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速濾波系數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)車防抖控制在滿足動(dòng)力響應(yīng)前提下的舒適性有了很大提高，改善后的轉(zhuǎn)速波動(dòng)可以減少到60 r/min以下，加速度波動(dòng)可以減少到0.2 g以下。因此，它為PEV的加減速過程沖擊抖動(dòng)提供了一種可行的控制方法。