日產聆風驅動電機的線性控制

周泉

日產聆風驅動電機的線性控制

周泉

在日產開發聆風驅動電機的過程中，很重要的一項目標是實現純電動汽車平穩、持續加速與順暢感覺。實現這一目標的關鍵是時間常數約為2ms、響應特性相當高的驅動電機軟件。驅動電機運用基于線性控制理論的算法，形成了車輛的加速性能；抑制齒隙的影響，獲得了順暢感。

純電動汽車；驅動電機；加速；軟件

日產聆風作為純電動汽車的代表，配備了高響應速度的80kW交流驅動電機，轉矩峰值可達到280Nm。與以內燃機為動力源的汽車相比，日產聆風在起步時就可以達到最大轉矩，從而提供平穩、持續的加速。在中低速行駛時，其動力性能與搭載V6汽油機的車型相似。因此，從動力和駕乘樂趣的角度，日產聆風（以下稱LEAF）完全可以與傳統汽油發動機媲美，并且這一切都是在100%零排放的基礎上實現［1］。

1 特有的加速性能

LEAF具有的順暢感覺以及全功率時的加速性能，使其在加速、巡航等多種工況下，均具有令人吃驚的動力性、穩定性和超低的噪聲。其中，小型、輕量化的驅動電機及減速器，同時具有大功率、高效率的實用特性。在深踩加速踏板急加速的時候，聆風可迅速感應到駕車者的信息，沒有一絲的遲滯，非常順暢地輸出強力的轉矩。與汽油機比，電動機的輸出轉矩幾乎一直處于峰值狀態，這也是聆風的一大優勢所在，其中最為突出的特性如圖1所示［2-3］。

1）快速的起動與加速通過精確控制只有電動機才具有的驅動轉矩，可以抵消驅動系統的扭轉振動，實現了相當于3L排量汽油車的起動與加速性能。

2）任意調整車速利用只有電動機才具有的響應性和控制性，根據加速器角度和車輛的速度精確地控制轉矩，使加速器角度-轉矩特性成線性關系的同時，賦予加速器按照車速變化改變轉矩，由此可以及時地隨意調整車速，并實現安全駕駛。

3）持續加速的感覺駕駛時如果超過設定值，繼續踩加速踏板時，可以進入持續加速度控制狀態，可以享受到猶如飛機起飛時的推背加速感覺。

LEAF的起步、加速性能不僅表現在起步快、動力足，提速過程及加速行駛也都非常平穩。為實現高響應的加速性能，開發了配套的高響應性驅動電機，并且配用了為發揮其能力的控制軟件。對于順暢感，采用抑制齒隙等干擾對驅動電機的影響。從根本上來看，電機的轉矩響應性與靜音性都要優于發動機。在純電動汽車（以下簡稱EV）驅動電機優越的領域，明顯地可以看出其與發動機的區別，這在很大程度上提高了EV的商品性。

日產公司在開發EV時，所確定的目標就有：必須提高這種車型的商品性，使客戶親身體會到其平穩、持續的加速與順暢感覺。從產品來看，實現了這一目標。實現這一目標的關鍵在于控制軟件的采用。控制軟件可使LEAF驅動電機發揮其功能，控制軟件效果的示意圖如圖2所示。圖2a為日產聆風驅動電機的照片，其上裝用了基于線性控制理論的控制軟件；圖2b表示EV起步時前后加速度的響應特性。LEAF車驅動電機的響應特性高于汽油車發動機，而且變動小。

控制軟件構成的示意圖如圖3所示，大致可以分為3個部分，即決定電機轉矩目標值、為實現駕駛人意愿的車輛動向、控制電機電流。本文主要對第2部分——如何實現車輛動向加以闡述。

2 EV驅動系統的線性非常高［4］

日產LEAF所采用的驅動電機為容易控制的三相交流同步電動機。其特點是：輸入轉矩指令值之后到實際產生轉矩的響應時間短到2 ms，如圖4所示，而汽油發動機的這一時間要數百毫秒。電機的響應性短至2ms左右，這樣就很容易實現按照駕駛人的意愿控制車輛的動向，并且在設計控制系統時，可以忽略驅動電機的滯后。LEAF驅動電機電流的控制方法采用了普通的d-q軸矢量控制法。通過將輸入至驅動電機的電流分為2個直流成分，可以提高對其的控制性能。圖4中，上半部分是d軸電流，下半部分是q軸電流，電機的轉速分別取2000r／min與8000r／min，在轉矩大小不同的條件下，所得時間常數都短至2ms。也就是說，在電機大致全部工作范圍內，都可以達到這一時間常數。

日產聆風驅動轉矩傳遞系統的固有振動頻率約為9.5 Hz。這一系統是由驅動電機、減速齒輪、驅動軸及車輪組成的，如圖5a所示，將固有振動頻率換算成時間常數約為17ms。圖5b為車輛的模型。圖5a中所計算的驅動轉矩傳遞至車輪，基于圖5b的模型預測車輛的動作。

一般來說，在實施控制算法時，與控制對象的時間常數相比，執行器要有10倍左右的響應特性時，才可以按照意愿控制作為對象的系統。因此，確實需要響應特性為2ms左右的驅動電機。日產LEAF就是在響應特性較高的電機上，采用了線性很高的控制算法。LEAF的驅動系統具有高線性，因此也高精度地實現了控制對象的建模。因為將基于理論的主要算法利用數式記錄下來，就可以控制開發工時，提高可靠性。

車輛上設置的很多控制裝置中，有的裝置其輸入與輸出之間存在著很強的非線性關系，例如控制制動的電子穩定控制系統（簡稱ESC）就是這樣，很難用簡單的數學公式表示出其輸入與輸出之間的關系。對

此，可以采用if函數等判斷表達式，或者利用事先確定的表示輸入輸出關系的脈譜法，但需要在進行試驗的同時，還要根據行車環境等找出適當的判斷表達式及輸入輸出值等，因此，開發時需要龐大的工時。

因為日產聆風上沒有變速器，在建立算法時，只需一個必要的車輛模型，這也是減少開發工時的因素之一。在有變速器的混合動力汽車場合下，當變速器換擋時，驅動轉矩傳遞系統的固有振動頻率也將改變，所以，每一變速擋都必須找出車輛模型的常數。

此外，即便因部件的雜散性及路面狀況的差別等原因，固有振動頻率及衰減系數多少有些變化，仍然選用一個車輛模型可以對應的高魯棒性控制方法。因為控制軟件簡單、計算量減少，所以可高速控制。

3 完全抑制共振點附近的振動

為抑制共振所建立的控制軟件如圖6所示，其主要由前饋（F／F）補償器與反饋（F／B）補償器2個系統組成。基本的思路是：車輛模型可以預測的現象利用F／F系統控制。這樣，行駛狀況的大部分現象可用F／F補償器應對。另一方面，對被認為是干擾的現象，即車輛模型不可能預測的現象利用F／B補償器加以抑制。例如：齒輪齒隙的影響等。F／B補償器的特點是：其中設置了可用傳遞函數H（s）表示的帶通濾波器。通過抑制齒隙的影響，希望給客戶帶來“順暢感”。

從理論上來講，只要有F／B補償器就可以獲得所期望的響應。而并用了F／F補償器的話，則可以增大F／B補償器的效果。具體地說是可以控制放大率，從而提高控制系統的穩定性。

對F／B補償器采用的是普通控制理論介紹的方法。其由實現響應特性的函數（稱此為規范模型）與車輛的輸入、輸出傳遞函數逆系統構成，以保證車輛的動作與意愿一致。因為驅動系統的線性非常高，所以這樣簡單的構成就可以應對多種狀況。此外，在導出車輛的輸入、輸出函數時，輸入確定了電機的轉矩，輸出決定了電機的角速度。

F／B補償器具有修正功能，它按照電機角速度的檢測值與電機轉矩的輸入值，與推斷的目標角速度之差來修正電機的轉矩。角速度的檢測值是從安裝在電機上的角度傳感器（VR轉速／解角傳感器）得來的。當干擾造成目標角速度與檢測值不一致時，則改動電機的轉矩，以修正偏差。

日產LEAF上裝用的F／B補償器的特點是：補償器上設置了與車輛固有振動頻率相應的帶通濾波器。一般來說，在選用電機的F／B補償器時，采用的是濾除與角度傳感器輸出重疊的高頻干擾成分的低通濾波器。

采用帶通濾波器對高頻成分加以隔斷，這是為了保證制動等時所產生的電機角速度的緩慢變化，不會使F／B補償器工作。如果沒有這一功能的話，例如在踩制動時，電機的角速度緩慢下降的場合下，就會輸出轉矩，阻礙其緩慢下降。

帶通濾波器的中心頻率設定為約9.5 Hz，這恰好接近驅動系統的固有振動頻率。這樣做的目的是為了有效地抑制齒輪系統的齒隙在固有振動頻率的附近產生干擾，如圖7所示。通過設置F／B補償器，可得出電機角速度對干擾的頻率特性的計算值，由此可以更好地抑制固有振動頻率附近的共振。如果固有振動頻率附近產生干擾，就會產生較大的振動，這將損害車輛的順暢感。

從理論上可以確認：干擾對聆風驅動電機的固有振動頻率成分的影響可以為0。在控制理論上稱此方法為近似零動作。仿造這一術語，日產將聆風所采用的控制方法稱為“完美的零動作”。

4 優化組裝VR轉速／解角傳感器

如上所述，控制系統是由F／F補償器與F／B補償器構成，裝設這一控制系統來控制電機時的試驗結果如圖8～圖11所示。圖8為只用F／F補償器進行控制的場合下，加上階躍形轉矩指令值時車輛的響應狀況。為了減少齒輪系統的齒隙影響，事先向電機輸入了正的初始轉矩。從結果看，采用F／F補償器就可以很好地抑

制扭轉振動，在100ms之內就可以達到穩定狀態。對于扭轉振動，利用基于電機慣性力矩及驅動軸的扭轉剛性等車輛各參數建立的模型，可以相對準確地加以預測。圖8中，上圖為電機轉矩，下圖是加在驅動軸上的轉矩，沒有考慮干擾的影響。

但是，如前所述，僅利用F／F補償器，無法抑制齒隙等的影響，為此再加裝F／B補償器，加裝后的試驗結果如圖9所示。在試驗中，為了評價齒隙的影響，對電機預先加上了負的初始轉矩。圖9是僅有F／F補償器與既有F／F補償器、也有F／B補償器兩種場合的對比。從圖9可以看出，在僅有F／F補償器時，無法抑制齒隙等引發的干擾；當再增加F／B補償器后，就可以有效地抑制干擾。

從結果來看，對只用F／F補償器無法對應的齒隙引發的振動，通過追加F／B補償器就可以抑制。在實際車輛上，從稍微減速的狀態到緩慢加速的狀況來看齒隙的影響時，其結果如圖10所示，這是特別容易產生影響的狀況，但前后加速度的變化很小。

要想實現順暢感，不僅要消除齒隙的影響，而且抑制干擾的問題也很重要。驅動電機的極數是有限的（日產聆風為8極），產生與旋轉同步的轉矩的脈動是不可避免的。當轉矩脈動的頻率與驅動轉矩傳遞系統的諧振頻率一致時，在低頻領域，車身就會出現不可忽視的振動；尤其是在必須較大轉矩的陡坡上，這個問題更加嚴重。對此，聆風車選用了新發明的扭轉振動控制方法，從而也可以抑制這種場合下出現的振動，如圖11所示。

從聆風的開發到收尾階段，一直對防干擾措施研究了很多方案。為了抑制齒隙的影響，若強力地發揮F／B補償器的作用而增大放大率的話，角度傳感器（VR轉速／解角傳感器）的噪聲也將被放大。

為了達到同時抑制擾動與噪聲的目的，在電機的制造工序上下了很多功夫。對VR轉速／解角傳感器的噪聲進行了嚴密的控制。在實現靜音與抑制擾動影響的前提下，決定F／B補償器的增益。

5 結語

本文介紹了采用線性控制理論對日產聆風驅動電機進行控制的思路與做法，采用線性控制理論控制驅動電機，提高了聆風純電動汽車的商品性，使客戶具有滿意的加速感與順暢感。

在日產聆風上市的前2年，即5年前，也有技術人員發表文章認為：目前，由于追求永磁同步電動機的高效率與小型化，與舊式電動機相比，越來越難以控制。過去是基于線性控制理論設計汽車電動化系統，而現在電機內部磁通的磁路為非線性，所以，非線性控制的課題擺在人們的面前。

［1］陳丁躍.現代汽車控制及其智能化［M］.西安：西安交通大學出版社，2011：8-9.

［2］顧建國.透視日產聆風的電機驅動總成［OL］.第一電動月刊：［2015-06-08］.http：／／m.d1ev.com／13123.html.

［3］電子工程世界［OL］.［2012-08-07］.http：／／www.eeworld. com.cn／qcdz／2012／0807／article_5778.html.

［4］日産リーフのモータ制御.線形理論で「スムーズさ」日経Automotive Technology［Z］.

附：注釋

1）if函數if函數一般是指Excel中的if函數，根據指定的條件來判斷其“真”（TRUE）、“假”（FALSE），根據邏輯計算的真假值，從而返回相應的內容。可以使用if函數對數值和公式進行條件檢測。

2）線性控制系統當控制系統各部件的輸入／輸出特性具有線性關系，系統的動態過程可以用線性微分方程來描述時，則稱這種系統為線性控制系統。線性系統的特點是可以應用疊加原理；線性系統的動態過程與初始條件無關。滿足疊加原理的輸入輸出關系相對而言非常簡單，容易分析，且方便對其設計控制系統。其2個重要性質在于：①可以選擇典型輸入來做試驗，研究系統特性。例如，單位脈沖函數，一般輸入往往可以近似為單位脈沖函數的線性組合（積分）；正弦函數，可以用其傅立葉變換或者傅立葉級數近似一般函數；當然，還可以以輸入變量的冪函數為典型函數，通過線性組合形成一般函數（泰勒展開）。②輸入輸出關系的“斜率”，delta（y）／delta（u），delta為變化量，在整個輸入變化范圍都恒定，所以能在整個范圍內用同樣的規律控制該系統，即為了補償輸出y的變化量delta（y），在任何工作點都可以用同樣大的控制補償量delta（u）。因此，應引入各種方法或者從合適的角度去研究一個系統，盡量讓其行為表現為線性。例如，為了使得動態系統也能表現為線性，引入拉普拉斯變換，將其輸入輸出關系表現為Y（s）=G（s）×U（s）。則可以削弱動態行為的影響。所以，線性控制系統應該是一門介紹常用的線性動態系統分析和設計的課程。通過該課程的學習，可以了解自動控制系統的基本工作原理，常用的分析和設計方法。

3）非線性控制系統當控制系統中含有一個或一個以上的非線性部件時，系統要用非線性方程來描述。由非線性方程來描述的控制系統稱為非線性控制系統。在控制系統中典型的非線性部件有飽和非線性、死區非線性、繼電器特性非線性等。非線性系統不能應用疊加原理；而且其動態特性與初始條件有關。

任何物理系統的特性，精確地說都是非線性的，但是在誤差允許范圍內，可以將非線性特性線性化，近似地用線性微分方程來描述，這樣可以按照線性系統來處理。非線性系統的暫態特性與初始條件有關，從這一點來看，它與線性系統有很大區別。例如，當偏差的初始值很小時，系統的暫態過程為穩定多；當偏差量的初始值較大時，則可能變為不穩定的。而線性系統的暫態過程則與初始條件無關。

（編輯 楊景）

Linear Control of Driving Motor for NISSAN LEAF

ZHOU Quan

One of the most important targets in the development of driving motor for NISSAN LEAF is to realize the stability，sustained and smooth acceleration.The key to this target is the driving motor software with 2 ms time constant and much high response characteristic.The acceleration is formed by using the algorithm based on linear control principle，which can suppress the effect of backlash and gain smooth feeling.

pure EV；driving motor；acceleration；software

U469.72

A

1003－8639（2016）04－0001－05

2015-10-27