基于速度預(yù)估控制的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

劉忠途，劉 亢，宗志堅(jiān)

(中山大學(xué)，廣東廣州510006)

0 引 言

電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展方向［1］，電力驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)是目前電動(dòng)汽車(chē)研究的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一［2－3］，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響了汽車(chē)動(dòng)力性的優(yōu)劣，因此需要在電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)之初對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行選型與測(cè)試。

傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)測(cè)試采用穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法［4］。假定汽車(chē)按照循環(huán)工況行駛，通過(guò)汽車(chē)各部件模型參數(shù)離線(xiàn)計(jì)算出汽車(chē)所受負(fù)載與電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，以此作為測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速輸入，此方法能夠?qū)﹄婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能與安全性測(cè)試，但存在以下不足:(1)屬于準(zhǔn)靜態(tài)的仿真，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)變化過(guò)程不予考慮;(2)理性化，測(cè)試前提是假定能夠達(dá)到工況的要求，無(wú)法對(duì)加速、制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試;(3)未考慮駕駛員的行駛意圖。這些缺點(diǎn)使得穩(wěn)態(tài)測(cè)試已不能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)，無(wú)論是動(dòng)力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性研究都要求對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的測(cè)試，以模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)行情況。

交流電力測(cè)功機(jī)與高性能的模塊化控制儀器平臺(tái)出現(xiàn)將動(dòng)態(tài)測(cè)試變?yōu)榭赡埽ㄟ^(guò)高速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電力測(cè)功機(jī)的控制，利用電慣量模擬技術(shù)真實(shí)再現(xiàn)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程［5－7］。為了提高動(dòng)態(tài)跟蹤精度，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了速度預(yù)估控制，利用反饋調(diào)節(jié)減小了系統(tǒng)中存在的非線(xiàn)性擾動(dòng)，獲得了良好的效果。

1 電驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)主要由電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、交流電力測(cè)功機(jī)、汽車(chē)仿真模型、電磁轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)器、轉(zhuǎn)速預(yù)估模塊、轉(zhuǎn)速傳感器、傳動(dòng)軸等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

駕駛員根據(jù)車(chē)輛行駛狀況發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令Tref及制動(dòng)指令TL，控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力Ttq，交流測(cè)功機(jī)則為驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬行駛阻力與制動(dòng)力。工作過(guò)程中，將采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)ωr、電磁轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)器通過(guò)采集電機(jī)電流信號(hào)Id、Iq及磁鏈ψf觀(guān)測(cè)到的電磁轉(zhuǎn)矩輸入至汽車(chē)仿真模型，實(shí)時(shí)計(jì)算汽車(chē)的行駛阻力，以求得此狀態(tài)汽車(chē)的加速特性，經(jīng)速度預(yù)估控制測(cè)功機(jī)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tload使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化與期望轉(zhuǎn)速一致。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于汽車(chē)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速會(huì)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下迅速下降，傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)通常采用機(jī)械慣性飛輪組模擬汽車(chē)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這種技術(shù)比較成熟，但也有一些缺點(diǎn)，需要精確對(duì)汽車(chē)慣量進(jìn)行折算、質(zhì)量固定使得適用車(chē)型較少、噪聲振動(dòng)大且拆卸復(fù)雜。而采用電模擬的試驗(yàn)臺(tái)則取消了機(jī)械慣性飛輪，通過(guò)控制負(fù)載電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩以補(bǔ)償臺(tái)架系統(tǒng)慣量與汽車(chē)慣量的差別，使得在動(dòng)態(tài)過(guò)程中傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速變化與機(jī)械模擬系統(tǒng)基本一致。

2 電慣量模擬原理

電動(dòng)汽車(chē)克服行駛阻力運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，經(jīng)由傳動(dòng)系傳輸至車(chē)輪，在進(jìn)行慣量模擬時(shí)，要求電慣量系統(tǒng)的速度必須與真實(shí)汽車(chē)運(yùn)行的速度曲線(xiàn)保持一致;而且由于汽車(chē)慣量與測(cè)試系統(tǒng)相差很大，相同的驅(qū)動(dòng)力會(huì)造成不同的加速度響應(yīng)，因此電慣量測(cè)試系統(tǒng)必須和真實(shí)汽車(chē)運(yùn)行的加速特性一致，這樣才能準(zhǔn)確地模擬電動(dòng)汽車(chē)的行駛過(guò)程。

汽車(chē)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jvehicle，由動(dòng)量矩定理可將汽車(chē)運(yùn)動(dòng)方程表示:

對(duì)于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē):

式中:Te為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，p、ψf、Ld、Lq分別為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)、永磁體磁鏈、d 軸與q 軸電感，則Te可通過(guò)對(duì)d 軸與q 軸電流Id、Iq的采集來(lái)觀(guān)測(cè);Tload為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由汽車(chē)行駛阻力矩與制動(dòng)力矩決定;αvehicle為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的角加速度，數(shù)值上等于輸出軸角速度ωvehicle對(duì)時(shí)間的微分。

忽略粘滯摩擦力，對(duì)于臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng):

式中:TL為被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由測(cè)功機(jī)提供;α 與ω 為傳動(dòng)軸的角加速度與角速度。根據(jù)電慣量模擬的原理，需要使測(cè)試系統(tǒng)同真實(shí)汽車(chē)具有相同的速度與加速度，由式(1)、式(3)可得:

測(cè)功機(jī)提供額外的轉(zhuǎn)矩:Ts= Jsα = (Jvehicle－J)α 用于補(bǔ)償真實(shí)汽車(chē)同測(cè)試系統(tǒng)慣量差Js的影響。

3 速度預(yù)估控制

交流電機(jī)存在著高階、多變量、非線(xiàn)性的特點(diǎn)，其精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，而測(cè)試臺(tái)架中也存在著許多干擾(如電磁干擾、非線(xiàn)性摩擦等)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，單純通過(guò)電慣量的換算進(jìn)行補(bǔ)償往往不能達(dá)到很好的模擬精度。而對(duì)測(cè)功機(jī)進(jìn)行速度預(yù)估控制，利用臺(tái)架轉(zhuǎn)速的反饋對(duì)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出Ts進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其同時(shí)對(duì)慣量與系統(tǒng)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，高速的控制指令周期使得測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與加速度能夠快速跟隨汽車(chē)模型的要求。

3.1 前向仿真結(jié)構(gòu)

無(wú)風(fēng)天氣、正常道路上的汽車(chē)行駛方程式:

式中:Ttq為驅(qū)動(dòng)力矩;ig為變速器傳動(dòng)比;i0為主減速器傳動(dòng)比;ηT為系統(tǒng)效率;r 為輪胎半徑;G 為車(chē)重;f 為滾動(dòng)阻力系統(tǒng);α 為坡度;A 為迎風(fēng)面積;CD為空氣阻力系數(shù);δm為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);uα為行駛車(chē)速。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)仿真結(jié)構(gòu)

按照控制信號(hào)與能量流傳遞路線(xiàn)的不同，可將電動(dòng)汽車(chē)仿真結(jié)構(gòu)劃分為后向與前向兩種［8］，如圖2 所示。后向仿真建立于穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，假定車(chē)輪轉(zhuǎn)速與加速度與工況保持一致，計(jì)算出動(dòng)力部件應(yīng)提供的轉(zhuǎn)矩作為指令信號(hào)輸入控制器，控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，此過(guò)程與現(xiàn)實(shí)不符合;而前向仿真引入了駕駛員模型，根據(jù)工況需求與仿真反饋的偏差實(shí)時(shí)調(diào)整油門(mén)踏板與制動(dòng)踏板開(kāi)度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行進(jìn)，能量流與實(shí)車(chē)的傳遞路線(xiàn)完全相同。因此，前向仿真結(jié)構(gòu)更適用于動(dòng)態(tài)工況實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，能夠真實(shí)反映電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工況運(yùn)行過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)變化。

本文采用前向仿真結(jié)構(gòu)，駕駛員通過(guò)判斷控制驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由真實(shí)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)傳動(dòng)系(ig為變速器傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比)傳輸至車(chē)輪模型，克服風(fēng)阻、路阻、坡阻等行駛阻力，根據(jù)汽車(chē)行駛方程式求得其運(yùn)行情況;通過(guò)對(duì)變化的驅(qū)動(dòng)力輸入與臺(tái)架轉(zhuǎn)速觀(guān)測(cè)對(duì)汽車(chē)動(dòng)力模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，保持模型動(dòng)態(tài)的變化與實(shí)車(chē)相一致。

3.2 預(yù)估控制原理

在車(chē)輛的基本參數(shù)已知的前提下，根據(jù)式(5)及當(dāng)前時(shí)刻車(chē)速可求得汽車(chē)此時(shí)的加速能力，即加速度:

對(duì)于足夠小的測(cè)試系統(tǒng)的指令周期ΔT，可近似認(rèn)為汽車(chē)在指令周期內(nèi)進(jìn)行勻加速或勻減速運(yùn)動(dòng):

下一時(shí)刻的車(chē)速可由當(dāng)前時(shí)刻由汽車(chē)模型計(jì)算出的加速度與當(dāng)前時(shí)刻的車(chē)速進(jìn)行預(yù)估:

將u(k + 1)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速ω(k + 1)作為指令輸入，在指令周期內(nèi)根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋對(duì)負(fù)載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償慣量差Js及系統(tǒng)中的干擾，使得下一時(shí)刻的真實(shí)轉(zhuǎn)速ω(k + 1)= ω(k + 1)，在此指令周期內(nèi)的真實(shí)加速度也與汽車(chē)模型相同，其結(jié)果的精確度取決于控制的指令周期與測(cè)功機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。其控制原理如圖3 所示。

圖3 車(chē)速預(yù)估控制原理

4 試驗(yàn)與分析

為對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，本文以中山大學(xué)自主開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)ECUV 為例，在臺(tái)架系統(tǒng)上對(duì)其真實(shí)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，基本參數(shù)如表1 所示。車(chē)輛模型、駕駛員模型與控制算法運(yùn)行于PXIe8133 實(shí)時(shí)控制器中;踏板信號(hào)通過(guò)PXI8513 高速CAN 總線(xiàn)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器;75 kW 交流測(cè)功機(jī)由ABB ACS800 變頻器控制，其控制策略為直接轉(zhuǎn)矩控制，保證了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，變頻器使用RS－485 總線(xiàn)與實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行通訊;所有控制指令、數(shù)據(jù)采集通過(guò)實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行定時(shí)與同步。

表1 車(chē)輛基本參數(shù)

由于ECUV 為城市用電動(dòng)轎車(chē)，選取ECE 市區(qū)工況對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，指令周期取20 ms，指令周期的選取受總線(xiàn)通訊速率與測(cè)功機(jī)響應(yīng)時(shí)間的限制。

駕駛員模型根據(jù)行駛狀況與工況的偏差發(fā)出驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)，制動(dòng)力指令則通過(guò)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型將減速特性作用于臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。駕駛員模型的引入與轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)器的應(yīng)用使得汽車(chē)仿真模型得到了實(shí)時(shí)的更新，從而大大提高了測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。

圖4 踏板指令及轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)

圖5 行駛工況測(cè)試

實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)力指令及車(chē)輛基本參數(shù)計(jì)算汽車(chē)此刻的加速特性，經(jīng)速度預(yù)估后控制交流測(cè)功機(jī)對(duì)汽車(chē)慣量進(jìn)行模擬，使得車(chē)速變化與汽車(chē)仿真模型一致。對(duì)ECE 市區(qū)工況一個(gè)循環(huán)的車(chē)速模擬效果如圖5 所示。車(chē)速平均偏差僅為0．15 km/h，其中較大偏差出現(xiàn)于系統(tǒng)突加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)。

由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速值，即可得到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出功率，可用于考察電動(dòng)汽車(chē)的能量消耗。實(shí)時(shí)輸出功率如圖6 所示。

圖6 實(shí)時(shí)輸出功率

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用交流電力測(cè)功機(jī)的高動(dòng)態(tài)性，采用機(jī)械慣量電模擬方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，取得了良好的研究成果，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值;采用電動(dòng)汽車(chē)前向仿真結(jié)構(gòu)，與真實(shí)汽車(chē)能量流與控制流相同;通過(guò)速度預(yù)估控制策略的加入，在保證了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性的同時(shí)，很好地抑制了外界干擾對(duì)模擬系統(tǒng)的影響。

從試驗(yàn)結(jié)果看，實(shí)際車(chē)速響應(yīng)曲線(xiàn)十分逼真地模擬出了汽車(chē)仿真模型的動(dòng)態(tài)變化，這表明了控制策略的正確性;此試驗(yàn)平臺(tái)可用于電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程試驗(yàn)、能量消耗率計(jì)算等，是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段電驅(qū)動(dòng)性能的一種有效評(píng)價(jià)手段。

［1］ 曹秉剛，張傳偉，白志峰，等．電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1):1－5．

［2］ 陳清泉，路甬祥，詹宜巨．21 世紀(jì)的綠色交通工具［M］．廣州:暨南大學(xué)出版社，2000．

［3］ Ehsani M，Gao Y M，Gay S E，et al．Modern electric，hybrid electric，and fuel cell vehicles fundamentals，theory and design［M］．1st ed．Boca Raton:CRC Press，2004．

［4］ 劉忠途，伍慶龍，宗志堅(jiān)．基于臺(tái)架模擬的純電動(dòng)汽車(chē)能耗經(jīng)濟(jì)性研究［J］．中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，50(1):44－48．

［5］ 李茂森．動(dòng)力試驗(yàn)與測(cè)功機(jī)技術(shù)［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2006(9):43－45．

［6］ 張為公，周寧寧．汽車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械慣量電模擬方法［J］．汽車(chē)工程，1998(5):312－316．

［7］ 莫志勇，張為公，吉同舟．汽車(chē)機(jī)械慣量電模擬技術(shù)［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2009(1):123－126．

［8］ 黃妙華，陳飚，陳勝金．電動(dòng)汽車(chē)仿真結(jié)構(gòu)比較［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(3):66－69．