电动汽车驱动系统的闭环控制与性能研究

冉滔，胡荣瀚，张钰泳

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

关键字：闭环控制；跟随性能指标；抗扰性能指标

前言

新能源电动汽车将在未来的汽车市场占据重要的地位，电动汽车相较于传统汽车的主要区别在于驱动动力源的不同，因此整个驱动系统是研究电动汽车的核心所在。为了获得高动力性能，本文结合闭环控制算法，研究电动汽车驱动系统在闭环控制下的核心优势及其相关性能特点，从而达到电动汽车不同使用要求。

1 驱动系统的闭环控制

所谓闭环控制系统就是操作者通过输入端给系统输入一个指示信号，系统经过运行后得到一系列的反应状态，系统再将这些反应状态量通过输出端重新反馈给输入端，用以修正系统的操作过程，直至达到所预期的输出效果。闭环控制系统具有较好的抗干扰能力，因此它在各种控制领域都得到了广泛的应用。如图1 为电动汽车驱动系统闭环控制系统的流程框图，主要由信号发生器、比较装置、驱动系统控制器等部分组成。

整个控制系统的工作原理为驾驶员通过加速踏板或制动踏板给予系统一个输入信号，比较装置接收输入信号和由输出信号反馈回来的经测量与变送的信号，并对这两种信号进行比较，得到的两者的误差值输送给驱动系统控制器。驱动系统控制器通过其内部计算分析，生成一个控制命令并传达给电动机控制器，在这个命令的驱使下，电动机控制器形成适当的电流或电压值，最后将这生成的电信号输送给电动机以驱动车辆行驶，整个过程可较好的避免各种干扰信号的影响。

图1 电动汽车驱动系统闭环控制流程图

2 驱动系统I 型模型及动态过程

电动汽车驱动系统的数学分析模型通常采用I 型系统，其微分方程的表达式为：

其中，r(t),c(t)分别对应系统的输入和输出量，ξ 为驱动系统的阻尼比，ωn为系统的固有圆频率。利用拉氏变换得到系统的传递函数为：

2.1 各种阻尼比所对应的系统响应

如图2 所示为在各种阻尼比下系统响应的关系曲线。

图2 系统不同阻尼比时的响应关系曲线

以上分析可以看出在ξ=0 时曲线为类似正弦函数的等幅振动曲线；在的欠阻尼情形中，响应函数曲线以一定的速率振荡，随着t 的变化，逐渐趋于平稳状态，其中阻尼比为ξ=0.707 时为系统各项响应指标最佳状态，因此也称ξ=0.707 为最佳阻尼比；在时，曲线以逐渐走高的形势，做无振动的单调上升变化。

3 驱动系统的性能分析

电动汽车驱动系统的性能指标可以分为稳态性能指标和动态性能指标。稳态性能指标主要描述的是汽车在稳态时的性能，在非稳态时研究稳态性能各指标就没有意义。由于在汽车实际运行过程中受到各种外界因素的影响，汽车多处于非稳态过程，因此本文主要研究汽车在动态时的性能参数。

3.1 跟随性能指标

在电动汽车动态响应时的输出信号c(t)也可以通过跟随性能指标来表示，在系统中随着输入信号r(t)随时间的变化过程中，跟随性能指标的变化在一定程度上也代表着整体系统输出信号的变化趋势。如图3 所示为系统阶跃响应过程及跟随性能指标，以输入信号初始点为系统响应的零点，得到整个响应过程的跟随状态。

图3 阶跃响应过程及跟随性能

跟随性能主要包括上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts，三个跟随时间参数分别表示了输出值第一次到达图中纵坐标“1”所对应的时输出值的稳态参数的时间、响应过程中达到最大输出值的时间以及达到稳定时的时间，三个参数综合反映了系统反应快慢程度以及稳定程度。

3.2 抗扰性能指标

当阶跃响应系统的在响应过程中达到稳定之后，向系统输入一个干扰信号，此时系统由稳定状态到非稳定状态再恢复稳定状态的过程就成为抗干扰过程。如图4 所示为典型阶跃反应系统的抗干扰过程，主要的抗干扰性能指标由动态降落和恢复时间。

图4 突加扰动的阶跃反应过程

抗干扰性能指标动态降落△Cmax表示在受到外界干扰作用后，系统的响应过程发生不稳定反应所能达到最小的输出值；恢复时间tv表示系统从受到干扰到回复稳定状态所消耗的时间间隔。

4 结语

本文主要分析了电动汽车驱动系统在闭环控制作用下的典型单位阶跃响应过程，进而分析了在响应过程中的性能参数的变化情况。电动汽车驱动系统采用闭环控制可以更好的反应在响应过程中的实时误差以及在相应时刻做出对应的调整，消除过程的误差和干扰，使整个响应过程平稳进行。