電動車用對轉雙轉子電機驅動及防滑試驗研究

周斯加 龍江啟 儲 軍 張蔭先

1. 溫州大學，溫州， 325035 2.深圳國家高技術產業創新中心，深圳，518000

0 引言

對轉雙轉子電機是一種新型電動車驅動用電機。該電機所采用的驅動形式克服了傳統電傳動系統中，動力經主減速器、差速器、半軸，然后傳到驅動車輪所造成的傳輸路徑過長的問題，減少了傳動引起的能量損失，同時它也可改善輪轂電動驅動[1]控制器多、成本高，以及較小的簧載質量引起的平順性下降的不足，是一種結構簡單、體積輕巧、控制簡便，且集驅動、差速、制動能量再生、驅動防滑等功能于一體的電驅動形式[2-3]。

在雙轉子電機應用方面，日本橫濱大學率先開展了雙轉子電機驅動特性等的基礎性研究[4],但一些重要測試結果未見報道。目前，國內也逐步開展了這方面的研究。華南理工大學等對電機運行、控制等方面進行了理論方面的研究，探討了雙轉子電機應用于電動車輛時的某些動力特性和控制策略[5-7]。為把雙轉子電機盡快地運用到電動車產品中，滿足電動車對于電驅動系統更高的要求，本研究在之前理論分析的基礎上搭建了雙轉子電機專用測試平臺，啟動了雙轉子電機的試驗研究，為驅動系統裝車奠定了基礎。

1 雙轉子電機HIL仿真平臺的搭建

1.1 硬件在環試驗臺構成

對轉雙轉子電機硬件在環(HIL)試驗臺采用節能四象限電回饋封閉式試驗臺。試驗臺驅動由一臺對轉雙轉子電機及相應的減速裝置完成，負載采用兩臺伺服系統及相應的扭矩、轉速傳感器組成，試驗臺的總體構成如圖1、圖2所示。其中，試驗用雙轉子電機為具有能量再生回饋功能且控制精準的永磁同步雙轉子電機，考慮到成本等因素，電機采用風冷散熱結構。雙轉子電機主要由內轉子、外轉子和機殼等組成[2]。

圖1 雙轉子電機HIL測試平臺結構圖

圖2 HIL雙轉子電機仿真平臺

1.2 試驗臺仿真控制原理

由于試驗臺需要完成驅動防滑等精度高、響應迅速的試驗項目，所以試驗臺控制和數據采集系統使用dSPACE多處理器模塊化HIL實時仿真計算系統。在仿真試驗時，扭矩儀將對轉雙轉子電機兩側動態負載實時發送到dSPACE中，通過計算隨即可得到模擬的兩側車輪實時滑轉率情況[5-8]。數據記錄、顯示和對dSPACE的控制由計算機完成，控制參數的設定則在ControlDesk中進行。圖3為HIL試驗仿真流程圖，圖4所示為ControlDesk控制系統界面。

圖3 HIL試驗仿真流程圖

圖4 ControlDesk控制界面

如圖3所示，HIL仿真試驗可以構成一個閉環的雙轉子電機驅動防滑測試試驗臺，由駕駛員油門踏板(電位器)給定一個雙轉子電機驅動轉矩要求，雙轉子電機控制器根據這個要求驅動雙轉子電機輸出一定的轉矩。通過調節駕駛員油門與負載電機轉矩可以對雙轉子電機進行加減速控制。在驅動防滑仿真控制時，可以同時或者只調節單側的負載電機以模擬路面的附著狀態變化。輪速跟蹤控制器按照文獻[8]提出的控制原則根據兩側負載的轉速變化率的和的變化情況計算一個修正轉矩對雙轉子電機進行轉矩抑制。在此模型中，從信號的采集到兩側負載轉速變化率的計算以及到控制器計算負反饋轉矩的大小都是在dSPACE中完成的。

2 試驗結果與分析

本HIL仿真測試平臺主要完成了兩項測試任務：①雙轉子電機驅動特性驗證；②基于輪速跟蹤控制的雙轉子電機驅動防滑控制策略研究。

2.1 驅動特性驗證

首先利用試驗平臺對雙轉子電機進行效率測試，考慮到試驗平臺設計要求，本次試驗僅就雙轉子電機輸出功率在10kW以內數據進行測試。試驗結果如圖5所示，對轉雙轉子電機在低負荷區域效率偏低，在載荷逐步增大接近額定功率時，電機效率也逐步提高。當電機工作在8kW以上區間時，其效率超過80%。

圖5 雙轉子電機效率曲線

其次，模擬雙轉子電驅動橋差速加速驅動試驗，模擬步驟如下：將對轉雙轉子電機加速至70%負荷附近并調節雙轉子電機兩側負載的平衡，在第10s時刻調整左右兩側負載使其不平衡，4s后對負載進行反向操作，使得左右側負載值對換，再過4s后調整兩側負載使其同時恢復到初始值，負載變化如圖6所示。近似正弦波地調節負載的目的是為了模擬電驅動橋在轉向過程中兩側驅動輪受到的地面阻力的變化情況。圖7所示為兩側轉差率(即右側轉速與左側轉速之差與右側轉速的比值)變化曲線，可見轉差率峰值達到了12.6%，并位于左右側轉矩值交叉點附近。

圖6 電驅動橋左右側負載變化

圖7 轉差率變化

雙轉子電驅動橋左右側輸出轉速結果如圖8所示，試驗數據顯示，在轉動慣量差異率(兩側轉動慣量差值與單側轉動慣量的比)小于5%的情況下，兩側轉子的驅動差異性非常小。在整個試驗階段，左右側轉速輸出能夠較好地跟隨控制指令，當有意調整兩側負載值并使其數值交替起伏時，雙轉子電機兩側輸出相應地出現了轉速差，且當負載數值恢復至初始值后，兩側輸出的轉矩恢復一致，轉速差也隨即消失。

圖8 兩側轉速變化

2.2 驅動防滑控制策略驗證研究

模擬電驅動橋輪速跟蹤控制試驗，試驗過程為：給定雙轉子電機兩側等大的負載，啟動電機加速，在加速至20s時刻電機兩側負載同時減小，在10s后又恢復到初始水平。dSPACE采集雙轉子電機兩側轉速信號并進行微分計算，在選定的兩種K值下輸出修正電機控制信號，以抑制雙轉子電機轉矩輸出，其中K值的選擇參見文獻[8]。圖9所示為電動驅動橋的負載給定情況，圖10為電機給定的輸出轉矩和實際輪速跟蹤控制修正后轉矩比較圖，圖11為無轉矩控制和有輪速跟蹤控制下的輸出轉速比較圖。

圖9 電驅動橋負載給定

圖10 電機輸出轉矩比較

圖11 輪速跟蹤控制轉速比較

通過比較可以看出，采用輪速跟蹤控制方式可以有效地抑制轉速非正常快速增大，從而提高了車輛的驅動防滑能力。輪速跟蹤控制方式不需要知道汽車和車輪的實際平移速度就可以對汽車進行驅動防滑控制，是一種非常適用于電動車輛的防滑控制策略。

3 結論

(1)設計的對轉雙轉子電機具有和差速器同樣的差速驅動功能。在等轉矩控制下，雙轉子電機內外轉子的轉速此消彼長，且保持了兩側輸出轉矩的平衡，其差速作用與傳統的車用開式差速器相同。

(2)通過調整負載電機轉矩來模擬道路附著狀況的改變，設計了通過驟減負載模擬車輛駛經低附著系數路面的打滑試驗，所設計的輪速跟蹤控制器有效降低了雙轉子電機轉矩的輸出，在一定程度上抑制了滑轉率的突然升高，控制效果明顯。

[1] Malan J, Kamper M J. Performance of a Hybrid Electric Vehicle Using Reluctane Synchronous Machine Technology[J]. IRRR Transactions on Industry Applications, 2001,37(5):1319-1324.

[2] 周斯加，羅玉濤，黃向東．雙轉子電機混合動力汽車驅動特性研究[J]．中國機械工程，2008，19(16)：2011-2015．

[3] 羅玉濤，黃向東，周斯加,等．一種油一電混合動力汽車的多橋驅動系統：中國，20061003386．5[P]．2006-02-27．

[4] Kawamura A,Yokoyama T,Kume T． Anti-directional-twin-rotary Motor Drive for Electric Vehicles[C]//Conference Record of the 1994 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.New York，1994：453-459．

[5] 周斯加，羅玉濤，黃向東,等． 4WD電動車的滑轉率識別及防滑控制[J]．華南理工大學學報(自然科學版)，2008，36(6)：95-100．

[6] 羅玉濤，張桂連，曠鵬,等．四輪驅動汽車操縱穩定性級聯式控制策略的研究[J]．汽車工程，2009(31)：807-811．

[7] 羅玉濤，譚迪，劉延偉,等． 基于軸間驅動力分配的汽車操縱穩定性控制[J]．華南理工大學學報(自然科學版)，2009，37(7)：74-78．

[8] 鄧志君．基于對轉雙轉子電機的電動汽車研究[D]．廣州：華南理工大學，2007．