纯电动汽车电机转速主动 阻尼控制策略软件开发及实车标定

沙伟　郭亚子

摘 要：纯电动汽车电机转速主动阻尼控制策略软件开发及实车标定，以整车驾乘平顺无抖动为目标，研究一种电机转速主动阻尼控制策略的软件开发并开展相应的实车标定。通过对当前电机转速进行滤波处理建立电机目标输出转速，建立电机输出扭矩的PID调节环节对电机输出扭矩进行调节，闭环目标转速。实车标定结果显示，电机转速滤波策略及电机扭矩PID调节策略组成的电机转速主动阻尼控制策略能够实现对整车传动系统中电机的输出转速波动进行补偿，消除整车抖动提升纯电动汽车驾驶性，且在实车标定方面存在较大的可优化空间。

关键词：纯电动汽车;驾驶性;主动阻尼控制;滤波算法;PID控制算法

1 引言

近代以来，以石油资源为主要能源的汽车行业发展为各国经济的支柱性产业之一。随着近些年人类社会对节能减排的深入认识、产业技术的发展和相关政策的引导，以可再生资源为能源的新能源汽车展现了强劲的发展势头，其中又以纯电动汽车的发展最为迅速、成熟[1]。

相比于传统内燃机车，纯电动汽车通过驱动电机对整车进行驱动，因此整车电力驱动及控制系统是其产业技术的核心，也是纯电动汽车区别于传统汽车的最大不同点之一。随着当前纯电动汽车的逐渐普及其产业化技术的进一步成熟，消费者对纯电动汽车产品的要求也越来越高。由于纯电动汽车采用电机作为驱动机构，因此相比传统内燃机车在动力性方面有其得天独厚的优势;而随着动力电池技术的发展，纯电动汽车的续驶里程焦虑也得到极大缓解，经济性提升明显;而针对用户感受最直接和最明显的驾驶平顺性上，仍然有较大的提升空间，尤其是针对目前占据纯电动汽车市场较大份额的经济型纯电动汽车产品。

针对纯电动汽车驾驶性开发，基于纯电动汽车传动系刚性连接、无阻尼的特殊特性及传动系间隙存在的必然性，诸如博世anti-jerk等优秀的控制策略已经得到较为广泛的应用。其中，PID作为控制领域最为成熟和广泛应用的一种控制算法，本身在电机的转速控制上已得到成熟的应用。但是由于整车传动系各动力总成部件之间的动力传动扭矩耦合关系的存在，电机内部的PID控制策略往往不足以完全闭环整车层面的抖动表现。本文基于一阶RC滤波算法和PID算法，建立一种通过调节电机输出扭矩来对电机输出转速进行闭环的电机转速主动阻尼控制策略，并完成相关软件开发和参数标定。

2 电机目标转速滤波策略开发及标定

在电机控制领域，针对电机输出转速的控制已有大量的相关研究积累。考虑到电机驱动负载以及整车传动系的动力耦合、机械间隙的必然存在等因素，针对纯电动汽车整车层面驾驶性开发而开展的电机输出转速控制，与对单一电机部件进行输出转速控制的台架标定不尽相同。

2.1 电机目标转速滤波策略开发

由于整车传动系各个动力传动部件间复杂的动力耦合关系，传动部件各自难易量化的机械特性以及无法预估的机械传动间隙的存在，提高了通过建立整车传动系准确模型来建立电机目标输出转速的难度和工作量。同时，当电机转速开始出现非期望的转速波动时，通过调节电机输出扭矩抑制电机转速的后续波动，即可达到大大降低电机转速波动在整车层面影响的目标，提升驾驶性。

因此，本文首先通过一阶RC滤波算法对当前电机转速进行滤波，得到电机转速主动阻尼控制策略需要闭环的电机目标转速。当电机实际转速保持在期望内变化时，电机转速滤波的结果需要快速响应电机实际转速的变化;而当电机实际转速出现非期望的转速波动时，电机转速滤波结果需要对电机实际转速的非期望波动进行平滑处理，降低转速抖动。

一阶RC滤波算法如式（2.1）所示：

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

其中，TMSpeedFilterNow表示當前电机转速滤波结果，TMSpeedFilterLast为上一周期电机转速滤波结果，TMSpeed为电机实际转速，Prop[x]为电机实际转速在一阶RC滤波算法所占的权重。为了达到对电机转速滤波结果的期望，Prop[x]需要根据电机实际的转速区间和波动情况进行分段和实际标定。

2.2 电机目标转速滤波模型仿真

根据电机一阶RC滤波算法，在MATLAB/Simulink中搭建电机转速滤波仿真模型，对其进行仿真研究，验证所建立滤波算法的可行性，并对Prop[x]进行初步的标定。一阶RC滤波算法MATLAB/Simulink仿真模型如图2.1所示：

根据对纯电动汽车驾驶性开发过程的认识，当电机实际转速波动超过30rpm/30ms时，即会引起整车产生抖动问题。若该波动持续多次，则整车抖动问题明显。因此，在电机转速一阶RC滤波模型中设置相应的电机转速信号，调整一阶RC滤波算法的权重系数，观察滤波后的结果，如图2.2所示：

由图示结果可知，当前一阶RC滤波算法基本满足建立电机转速主动阻尼控制所需的电机目标转速的要求。

2.3 电机目标转速实车标定

由于纯电动车汽车驱动电机是在整车的传动系中工作的，因此为了得到具体而有效的一阶RC滤波算法的系数，还需要在实车上进行具体标定。实车标定过程中，为了达到标定结果真实有效及覆盖性广的目的，重点针对汽车行驶的常见工况进行标定和测试。

电机转速一阶RC滤波算法在不同行驶工况下的实车标定结果如图2.3所示：

由图2.3可知，电机转速一阶RC滤波算法在电机未出现非期望的波动时，能够较为真实的反应电机的实际转速，最大误差不超过150rpm;在电机转速出现较为严重的转速波动时，可以较好的对其进行滤波处理，得到相对平滑变化的电机目标转速。因此，该电机转速一阶RC滤波算法在不同行驶工况下均符合建立电机转速主动阻尼控制的目标转速的要求。

3 电机输出扭矩PID控制策略开发及标定

PID作为一种成熟的控制算法，在各种工业领域早已得到成熟应用，包括电机内部对其输出转速的控制。经典PID控制算法分为比例、积分、微分三个部分，比例控制的输出量与输入偏差成正比关系，可以减小但不能完全消除偏差;积分控制的输出变化量与输入偏差的积分成正比关系，用于消除偏差;微分部分输出量与偏差微分成正比，具有超前调节的作用。

3.1 电机输出扭矩PID控制策略开发

本文基于经典PID算法，将电机当前转速和目标转速间的差值作为PID调节模块的输入，电机扭矩调节量作为PID调节模块的输出量，完成电机转速主动阻尼控制策略的电机输出扭矩PID控制模块的开发。

其中，电机输出扭矩PID控制系统的基本算法如式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调节模块对电机当前输出扭矩的调节部分，PID_Kp_Part、PID_Ki_Part、PID_Kd_Part为PID算法调节模块的比例部分、积分部分和微分部分，Kp、Ki和Kd分别为比例部分、积分部分和微分部分的标定参数。

电机扭矩PID调节模块的输出量作为电机输出扭矩的调节一部分，会在合适的时候介入。鉴于电机转速波动的一般范围不超过250rpm，因此电机输出扭矩PID调节模块的调节扭矩幅值不需要超过30Nm;电机输出扭矩PID调节模块的调节扭矩幅值经过标定后，需要在需要的时候介入电机当前的输出扭矩对电机转速波动进行闭环。其中，电机输出扭矩PID调节模块的调节扭矩介入时机如表1所示：

3.2 电机输出扭矩PID控制模型仿真

根据电机输出扭矩PID控制策略的开发，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，对PID控制模块进行仿真研究，验证所建立控制模型的可行性，并对Kp、Ki和Kd进行初步的标定。电机输出扭矩PID控制策略的MATLAB/Simulink仿真模型如图3.1所示：

仿真模型中部分所需参数如表2

根据表1给出的电机输出扭矩PID调节模块的扭矩介入策略，在仿真模型中设置相应的转速差及电机状态，得到PID控制模块的仿真结果如图3.2所示：

根据图示给出仿真模型的仿真结果显示，电机输出扭矩PID调节模块控制策略基本满足建立电机转速主动阻尼控制所需的电机扭矩调节作用。

4 电机转速主动阻尼控制策略开发及标定

根据对电机转速滤波策略的开发、仿真研究和实车标定，以及对电机输出扭矩PID调节模块的开发、仿真研究和实车标定，最终可以建立完整的电机转速主动阻尼控制的控制策略和模型，并在实车上进行标定，以验证该控制策略的可行性。

4.1 电机转速主动阻尼控制模型

电机转速主动阻尼控制MATLAB/Simulink模型如图4.1所示：

4.2 电机转速主动阻尼控制模型仿真

根据2.2节和3.2节建立的仿真模型，建立电机主动阻尼控制的仿真模型。此时可以将实车采集的电机实际转速导入仿真模型中，对仿真模型的仿真参数进行进一步的仿真标定;也可以直接将模型集成在纯电动汽车整车控制器的控制模型中进行实车标定。

4.3 电机转速主动阻尼控制策略实车标定

根据建立的纯电动汽车电机主动阻尼控制模型，在实车上展开标定，主要针对纯电动汽车使用过程中的正常使用工况和常见的滥用工况进行标定和验证，具体的结果如图4.1-4.5所示：

根據实车标定结果，本文所建立电机输出转速主动阻尼控制策略的可行性得到验证。同时，在实车上对电机输出转速主动阻尼控制模型的参数进行标定，并在实车上进行应用。实车标定结果显示，当电机转速出现波动以后，电机转速主动阻尼控制能够对整车控制器的电机扭矩指令进行调节，抑制电机非期望的转速波动，进而提升纯电动汽车的驾乘体验。

然而，由于整车控制器运行周期以及与CAN总线进行通讯均需要一定时间，尤其是滤波算法固有的迟滞性，因此相对于电机转速的实际变化趋势，电机输出转速主动阻尼控制策略的调节扭矩不可避免的存在一定延迟。并且本策略只有在电机转速已经出现波动的情况下，才能对电机输出扭矩进行相应的补偿。因此，本策略只能从提升整车层面的驾驶性角度，闭环电机出现持续的转速波动问题。

5 总结

本文研究了一种电机转速主动阻尼控制策略，建立了电机转速主动阻尼控制MATLAB/Simulink模型，并进行了相关的实车参数标定和验证。1）根据一阶RC滤波算法建立电机输出转速滤波控制模型，经过参数的实车标定，作为电机转速主动阻尼控制策略的闭环目标;2）根据经典PID算法建立电机输出转速PID控制模型，经过参数的实车标定，作为电机转速主动阻尼控制策略的调节扭矩，用来闭环电机输出转速的波动;3）最终，将电机转速滤波模型和电机输出扭矩PID控制模型整合在实车上展开标定和验证。标定结果验证了电机转速主动阻尼控制策略的可行性和有效性。4）鉴于本策略目前仍然存在着明显的信号滞后问题，后续对其开展针对性稳定研究仍然十分必要。

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