电动转向油泵总成参数匹配及控制策略研究

吴浩 田晓川 赵子亮

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

电动转向油泵总成参数匹配及控制策略研究

吴浩 田晓川 赵子亮

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

电动转向油泵总成的参数匹配及控制策略是电动液压转向系统的关键技术。以CA6121URBEV2型纯电动客车为平台，依据转向泵的基本参数及工作特性确定了油泵电机的额定工作扭矩、峰值工作扭矩、额定工作转速等，从保障整车高压电气安全性、行驶安全性和降低总成能量消耗的角度出发，开发了电动泵总成的高压上下电策略、转速控制策略和故障处理策略，并通过台架试验验证了该电动泵总成参数匹配的合理性和控制策略的可行性。

1 前言

深度混合动力汽车与纯电动商用车存在纯电动行驶工况，其转向系统类型必须是发动机独立的电动液压转向或电动助力转向。目前商用车循环球电动助力转向技术还不成熟，因此深度混合动力汽车与纯电动商用车多以电动液压转向技术为主。

电动转向油泵（下称电动泵）总成的参数匹配及其控制策略是电动液压转向系统的两大关键技术。本文以CA6121URBEV2型纯电动客车为平台，依据转向泵的基本参数及工作特性确定油泵电机的额定工作扭矩、峰值工作扭矩、额定工作转速等，从保障整车高压电气安全性、行驶安全性和降低总成能量消耗的角度出发，制定了电动泵总成的高压上下电策略、转速控制策略和故障处理策略，并通过台架试验验证了电动泵总成参数匹配方法的合理性和控制策略的可行性。

2 电动泵总成参数匹配设计

2.1 电动泵总成结构

如图1所示，电动泵总成由转向泵、弹性联轴器、油泵驱动电机及逆变器等构成，需要接受整车KL15、KL30的低压供电和直流高压供电，通过CANBus与整车通讯。

2.2 转向器及转向泵参数

该电动客车转向器及转向泵参数见表1。

表1 转向器和转向泵参数

2.3 转向泵工作特性

流量特性是转向泵的基本工作特性，图2是该电动客车转向泵在负载为0～13.6 MPa时的流量特性曲线。转向泵的实际流量q是理论流量qt和泄漏量Δq的差[1]：

式中，V为转向泵排量；n为泵轴转速；p为工作压力；k1为泄漏系数。

动力转向泵必须保证在较快的转向速度下能为转向器提供足够的工作流量，因此油泵电机必须维持一定的转速使转向泵能够输出稳定的流量。但流量过大将导致油泵消耗功率过多和油温过高，因此在满足转向器工作流量需求的前提下应限制油泵电机转速，以防止不必要的能量消耗。

转向泵工作压力取决于负载，实车转向阻力越大，工作压力则越大，驱动转向泵所需扭矩也就越大，因此转向泵的工作压力与驱动扭矩特性是油泵电机输出扭矩指标设计的关键。如果不考虑液压泵在能量转换过程中的损失，则驱动液压泵轴的机械功率等于液压泵输出的液压功率[1]（理论功率）Pt为：

式中，Tt为驱动扭矩；ω为角速度。

由式（2）可知，理论上转向泵的驱动扭矩与工作压力成正比，而与转速无关。

考虑到液压泵在能量转化过程中的功率损失，利用试验方法来测定在转速为600～1 050 r/min时转向泵驱动扭矩与工作压力关系，试验数据如表2所列，试验曲线如图3所示。试验结果也表明，电动客车转向泵的驱动扭矩与工作压力成正比，而与转速无关。

表2 转向泵在不同转速下工作压力与驱动扭矩试验数据 N·m

2.4 油泵驱动电机参数匹配设计

转向泵原地转向最大工作压力（13.5 MPa）为峰值工作压力，取车速为10 km/h时最大工作压力8 MPa为额定工作压力，由压力与驱动扭矩特性曲线可以确定在峰值工作压力和额定工作压力下转向泵的驱动扭矩分别为43 N·m和24 N·m；考虑弹性联轴器扭矩传递效率和一定的设计余量，取油泵电机峰值工作扭矩和额定工作扭矩分别为50 N·m和30 N·m。

根据转向泵满载开启转速967±50 r/min并考虑一定设计余量，取油泵电机的额定工作转速为1 050 r/min，这样可以确保电动泵总成在不同的工作压力下都能为转向系统提供稳定的流量。

电动泵逆变器标称供电电压为384 V，台架试验测得逆变器额定母线电流、峰值母线电流分别为9.3 A和17.0 A。表3为油泵电机及逆变器参数。

表3 油泵电机及逆变器参数

3 电动泵总成控制策略

电动泵总成控制策略包括高压上下电策略、转速控制策略和故障处理策略等，集成于整车VCU控制策略中。

3.1 高压上下电策略

电动泵总成高压电气原理如图4所示，整个高压电气系统主要包括动力电池、高压配电箱和电动泵总成。高压配电箱内有高压负继电器、高压预充继电器、预充电阻、高压正继电器等，高压继电器受整车VCU控制。

合理设计VCU输入信号和控制信号逻辑时序是电动泵高压上下电控制的关键。电动泵高压上下电逻辑时序如图5所示。

根据图5，电动泵总成的上电流程为：首先，当整车点火开关置ON档时，逆变器接受KL15、KL30低压供电，同时电池管理系统和逆变器通过CANBus上传电池电压和逆变器电压给整车控制器，VCU控制高压负继电器闭合；然后高压预充继电器闭合，逆变器电压在预充电阻作用下逐渐上升，当逆变器电压与动力电池电压差值小于30 V时预充过程完成，高压正继电器闭合；最后高压预充继电器断开，电动泵上电过程完成，VCU向逆变器发送的使能信号置1，电动油泵开始工作。

电动泵总成的下电流程为：首先，当整车点火开关置LOCK档时，整车给逆变器提供KL30电，VCU向逆变器发送的使能信号置0，逆变器停止工作；然后高压正继电器和高压负继电器相继断开，逆变器电压开始下降；当逆变器母线电压下降到60 V以下的安全电压后，逆变器内部将KL30电切断，逆变器下电过程结束。

电动油泵总成上电时序为先低压上电后高压上电，下电时序为先高压下电后低压下电，下电前先完成对高压系统的卸载，避免了因错误上下电流程造成的逆变器和高压回路的损害[2，3]。另外，其高压上电包含预充电过程，有效防止了高压电路上电瞬态的电流冲击[4]；其工作启动受VCU使能信号的控制，避免了逆变器通过预充回路工作产生的大电流烧坏预充电阻。

3.2 转速控制策略

电动泵总成转速控制策略包括目标工作转速的确定和电机转速控制策略两部分。VCU采用转速模式对油泵电机进行控制，依据转向器工作流量要求、转向泵的流量特性和整车车速确定电动泵目标工作转速。通过油泵电机控制系统调节电机实际转速与目标转速保持一致，使得转向泵为转向系统输出稳定合适的工作流量。

3.2.1 目标工作转速确定

依据表1转向器最小工作流量要求并考虑液压回路的流量损失，转向泵满载开启流量14.5 L/min相当于转向系统所要求最小工作流量，因此合理设计电动泵工作转速，使转向泵输出流量维持在满载开启流量，既可以满足转向系统流量需求又能降低总成能量消耗，防止油温过高。

由表1可知，转向泵最大工作压力随车速的增加而降低；由式（1）可知，在转向泵排量和泄漏系数不变的前提下，随最大工作压力的降低，工作转速适当降低也能使转向泵输出满载开启流量。因此首先设定电动泵目标工作转速随车速的增加而降低，然后依据转向泵流量特性曲线初步确定工作压力分别为13.5 MPa、8 MPa、4 MPa时转向泵输出满载开启流量所对应的转速，最终由不同车速V区间内的实车标定结果确定电动泵的目标转速n：

3.2.2 电机转速控制策略

图6为油泵电机转速工作模式控制策略框图，为转速电流双闭环控制结构。电机转速控制过程为：外环将VCU发送的目标工作转速ω*与电机实际转速ω的差值输入速度调节器，输出q轴电流指令值I*q；内环采用I*d=0控制策略，通过d轴和q轴电流控制器使实际Id、Iq跟踪指令值和，从而实现对电机转速的调节。

图6中，速度调节器、d轴电流控制器、q轴电流控制器都是PI调节器。Clark变换为三相平面坐标系UVW向两相平面直角坐标系α β的转换；Park变换及其逆变换是两相静止直角坐标系α β与两相旋转直角坐标系dq之间的转换[5]。油泵电机变频调速控制系统中采用的脉宽调制技术是空间矢量脉宽调制（SVPWM）。此外，油泵电机控制系统还需要对旋转变压器信号进行解析，其解算输出的转子位置信号用于坐标变换，实际转速信号用于转速闭环控制。

3.3 故障处理策略

油泵电机及逆变器的故障码和故障等级通过CAN⁃Bus上传给整车控制器VCU和整车仪表，在油泵电机系统进行功率限制或发生严重故障时，整车能采取合理的处理策略以保障行驶的安全性和高压电气安全。

表4为油泵电机及逆变器故障类型及整车处理机制，由表4可知，逆变器通过CANBus上传给VCU的故障有12种，按照故障等级可分为一般故障和严重故障。发生严重故障时油泵电机及逆变器将停机，出现一般故障时油泵电机及逆变器将降功率运行。

表4 油泵电机及逆变器故障类型及整车处理机制

依据具体故障造成的后果，整车将采取如下故障处理策略：

a.针对电机及逆变器过温报警，逆变器自身已经进行了功率限制，此时整车液压助力转向能力受限制，整车通过仪表提示驾驶员谨慎操作；

b.针对硬件检测相电流过流、母线欠压、母线过压、逆变器过温故障、CAN通讯故障、堵转、过载、电机过温故障等，油泵电机及逆变器停机，整车失去液压助力转向能力，通过VCU进行车速限制并提醒驾驶员谨慎行驶；

c.针对母线过流、功率模块故障，考虑到对逆变器自身和高压回路的保护，整车通过VCU对逆变器立即采取高压下电处理，同时限制车速并提醒驾驶员谨慎行驶。

4 台架试验验证

4.1 试验方法

为验证电动泵总成性能，在转向试验台（图7）上进行了加载试验。试验方法为：驱动油泵电机以一定转速运转，将液压摆动油缸（简称摆缸）载荷分别调整为1 000 N·m、2 000 N·m、3 000 N·m、4 000 N·m、5 000 N·m、6 000 N·m，以角速度分别为20°/s、40°/s、60°/s、80°/s驱动转向传动轴进行幅值为900°的正弦转向。通过台架数据采集系统记录转向角、转向扭矩、转向器进油口压力；通过CANBus采集电机转速、电机扭矩、逆变器母线电流、母线电压。

4.2 试验结果分析

图8和图9为摆缸载荷为6 000 N·m、自动转向装置最大转向角速度为80（°）/s、电动泵目标转速为1 050 r/min试验条件下，1个转向周期内的试验结果。

由图8和图9可看出：

a.转向泵工作压力为14 MPa左右，达到实车原地转向最大工作压力；加载过程中，逆变器母线电压（380 V）、母线电流（17 A）、电机驱动扭矩（50 N·m）、转速（1 050 r/min）持续60 s以上保持不变，因此电动油泵能够满足液压动力转向器最大扭矩输出能力要求。

b.因自动转向装置直接测量转向管柱转动扭矩，且中间传动轴安装方位与实车会存在一定差异，所以转向扭矩存在一定的波动，但其数值保持在8～10 N·m范围内，可满足驾驶员原地转向力矩要求。

c.油泵电机在转向泵满载工况下以1 050 r/min转速持续运转60 s以上，转向泵输出流量为满载开启流量，因此电动泵总成可以满足满载工况下转向器流量要求。

5 结束语

a.依据转向泵额定工作压力、峰值工作压力、压力与驱动扭矩特性曲线、满载开启转速等，可确定油泵电机额定工作扭矩、峰值工作扭矩、额定工作转速。

b.为保障整车高压电气安全，电动泵上电时序应为先低压上电后高压上电，下电时序应为先高压下电后低压下电，下电前应先完成高压系统的卸载；高压上电应包含预充电过程，预充电完成后才能启动总成工作。

c.在满足转向器流量要求的前提下，可以随车速的增加适当降低电动泵工作转速，以减少总成能量消耗，降低转向油温。

d.在电动泵总成发生一般故障时，整车应及时通过仪表提醒驾驶员谨慎行驶；情况严重时整车控制器还应采取限制车速、下高压电等措施来保障整车行驶安全和高压电气安全。

1 王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动（第2版）.北京：机械工业出版社，2005.

2 肖岩，何彬.插电式四驱强混汽车整车控制策略开发.汽车科技，2012（4）:20～26.

3 王晨，张彤，于海生.混合动力汽车上下电控制策略研究.汽车电器，2011（10）:14～17.

4 宋炳雨.纯电动汽车高压电安全管理系统的研究与设计：[学位论文].淄博：山东理工大学,2011.

5 王晓明.电动机的单片机控制（第2版）.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年1月12日。

Study On Assembly Parameter Matching and Control Strategy of Electric Steering Pump

Wu Hao,Tian Xiaochuan,Zhao Ziliang
（China FAW Corporation R&D Center）

Parameter matching and control strategy of electric steering pump are critical technologies of electrohydraulic steering system.In this paper,CA6121URBEV2 pure electric bus serves as a platform,rated torque,peak torque and rated speed of the driven motor are defined according to basic parameters and working characteristics of the steering pump.The power ON-OFF strategy,speed control strategy and fault handling strategy of the electric pump assembly are developed to assure the safety of high voltage electrical system,vehicle driving safety and reduction of energy consumption of the assembly.Bench tests have been carried out,which verify that parameter matching of the electric steering pump assembly is reasonable and the control strategies are feasible.

Electric steering pump,Parameter matching,Control strategy

电动转向油泵总成 参数匹配 控制策略

U463.4

A

1000-3703（2015）06-0026-05