一种动态抑制驱动电机转速波动的控制系统

2020-03-13魏亚帅

汽车电器 2020年2期

关键词：闭环控制转矩偏差

魏亚帅

（吉利集团，浙江慈溪 315300）

前言

在政府推出的纯电动汽车补贴政策下，纯电动汽车近几年在国内得到了迅速发展，带动了驱动电机系统在乘用车市场的广泛应用，各车企对驱动电机的控制技术实力也得到了有效的市场积累。

随着新能源汽车市场的进一步发展，政府渐渐退出市场扶持，逐步加大自由市场需求对纯电动汽车的发展导向，驾驶性能优越、舒适度高等成为自由市场对各车企的一个关键要求。

目前，驱动电机系统普遍采用基于矢量控制思想的扭矩闭环控制系统，稳态工况下，驱动电机转速控制精度已趋于完善；复杂工况下，车辆遭受力矩的非线性、驾驶员施加目标扭矩的不确定性及低速下输出电流的不平顺等，使其动态控制性能难以达到质的提升。复杂工况导致的电流、扭矩波动直接影响车辆行驶速度的平稳性，甚至产生抖动，影响驾乘感受。

许多研究人员对驱动电机系统的稳态控制进行了研究，文献［1］根据系统对周期性扰动转矩的衰减程度，对转速环的比例增益进行补偿。文献［2］在电流环控制器和速度环控制器增加内模环节，减小稳态转速波动。文献［3］设计了负载转矩观测器对定子电流进行了补偿。前期研究基本上都是基于转速波动后对电流进行补偿来抑制转速波动，在一定程度上削减了转速波动，但这种补偿调节有滞后性，效果难以进一步提升，调节参数难以匹配最优化，且补偿系数通用性差，不同车辆效果并不一样。

1 扭矩闭环控制系统

市场上驱动电机控制器普遍采用的是两种控制系统，一种是直接转矩控制系统［4-5］，一种是基于矢量控制思想的转矩闭环控制系统［6-7］。控制器厂家的主控芯片普遍采用的是TI公司的DSP芯片，个别车企已经着手于采用英飞凌的芯片进行系统搭建，在硬件的基础上，第一种控制系统的响应速度已经满足了市场需求，再加上其较好的稳态性能，使得其在市场上的应用占主导地位。转矩闭环控制系统的原理图见图1。

纯电动汽车在低速运行时，车辆受力的离散变化使得控制器难以对输出电流进行有效控制。由于电流畸变产生的转速波动，使得车辆发生抖动、不平顺等影响驾乘感受的情况，各厂家的解决办法基本是通过扭矩补偿来抑制转速波动［1-3］，即转速变化超出设定范围后，对驱动电机施加反向扭矩补偿电流，抑制转速的进一步突变，但都难以进一步抑制转速波动。

2 基于模糊控制算法补偿的扭矩闭环控制系统

影响车辆转速突变的主要有两个因素：一是驾驶员操作的油门踏板深度和制动踏板深度，驱动电机系统需要实时响应目标扭矩输出；二是复杂路况下车辆所受阻力。驱动电机系统需要对两个因素进行分析并输出最终符合驾驶员意愿且保证性能的扭矩。本文基于模糊控制思想，对影响车速突变的几个参数进行处理，得到驱动电机系统输出扭矩的补偿值，详见图2。

图1 转矩闭环控制系统原理图

图2 基于模糊控制算法补偿的扭矩闭环控制系统原理图

2.1 关键参数采集

车速的突变是由车辆所受的力矩直接导致的，由车辆的受力分析可知，复杂路况下，阻力随车速、滚动阻力系数、空气阻力系数和坡度角等变量非线性变化，无法对其进行解耦控制，可将其归结为两种阻力进行受力分析。

当车辆加速行驶时：

当车辆减速行驶时：

驱动力等于MCU响应的目标扭矩，由转速的变化可计算出加速阻力，最终得到车辆在各种复杂工况下正常行驶过程的受力情况。

VCU采集驾驶员的加速踏板深度，将驾驶员的意愿通过目标扭矩发送给MCU，不考虑能量回馈区段，进入弱磁区域后，电机的峰值扭矩输出能力下降，故目标扭矩变量可取目标扭矩对峰值扭矩输出能力的标幺值，范围可定为［0，1］。

加速工况时，若目标扭矩较小，可计算出动平衡时的转速，转速偏差为当前转速与动平衡时转速的差值，转速偏差变量可取转速偏差对动平衡时转速的标幺值，范围可定为［0，1］；若目标扭矩较大，电机最高可达到峰值转速，转速偏差为当前转速与峰值转速的差值，转速偏差变量可取转速偏差对峰值转速的标幺值，范围可定为［0，1］。减速工况时，转速偏差为负的当前转速，转速偏差变量为转速偏差对进入减速工况时的转速标幺值，范围可定为［-1，0］。

目标扭矩为峰值扭矩，车速从0开始加速的时候，加速度为最大，并可以计算出来。根据转速的变化计算当前加速度值，加速度变量可取当前加速度值对最大加速度值的标幺值，范围可取［0，1］。

2.2 转速偏差、加速度、目标扭矩的模糊化

转速偏差、加速度、目标扭矩可用模糊化语言值进行描述，若转速偏差变量较大，可描述为具备较高的加速空间，若转速偏差变量较低，可描述为具备较高的降速空间；若加速度变量较大，可描述为具备强加速能力，若加速度变量较小，可描述为具备低加速能力；若目标扭矩变量较大，可描述为驾驶员想要强动力意愿，若目标扭矩较小，可描述成驾驶员想要弱动力意愿。具体描述见表1。