純電動汽車電機轉速主動 阻尼控制策略軟件開發及實車標定

沙偉　郭亞子

摘 要：純電動汽車電機轉速主動阻尼控制策略軟件開發及實車標定，以整車駕乘平順無抖動為目標，研究一種電機轉速主動阻尼控制策略的軟件開發并開展相應的實車標定。通過對當前電機轉速進行濾波處理建立電機目標輸出轉速，建立電機輸出扭矩的PID調節環節對電機輸出扭矩進行調節，閉環目標轉速。實車標定結果顯示，電機轉速濾波策略及電機扭矩PID調節策略組成的電機轉速主動阻尼控制策略能夠實現對整車傳動系統中電機的輸出轉速波動進行補償，消除整車抖動提升純電動汽車駕駛性，且在實車標定方面存在較大的可優化空間。

關鍵詞：純電動汽車;駕駛性;主動阻尼控制;濾波算法;PID控制算法

1 引言

近代以來，以石油資源為主要能源的汽車行業發展為各國經濟的支柱性產業之一。隨著近些年人類社會對節能減排的深入認識、產業技術的發展和相關政策的引導，以可再生資源為能源的新能源汽車展現了強勁的發展勢頭，其中又以純電動汽車的發展最為迅速、成熟[1]。

相比于傳統內燃機車，純電動汽車通過驅動電機對整車進行驅動，因此整車電力驅動及控制系統是其產業技術的核心，也是純電動汽車區別于傳統汽車的最大不同點之一。隨著當前純電動汽車的逐漸普及其產業化技術的進一步成熟，消費者對純電動汽車產品的要求也越來越高。由于純電動汽車采用電機作為驅動機構，因此相比傳統內燃機車在動力性方面有其得天獨厚的優勢;而隨著動力電池技術的發展，純電動汽車的續駛里程焦慮也得到極大緩解，經濟性提升明顯;而針對用戶感受最直接和最明顯的駕駛平順性上，仍然有較大的提升空間，尤其是針對目前占據純電動汽車市場較大份額的經濟型純電動汽車產品。

針對純電動汽車駕駛性開發，基于純電動汽車傳動系剛性連接、無阻尼的特殊特性及傳動系間隙存在的必然性，諸如博世anti-jerk等優秀的控制策略已經得到較為廣泛的應用。其中，PID作為控制領域最為成熟和廣泛應用的一種控制算法，本身在電機的轉速控制上已得到成熟的應用。但是由于整車傳動系各動力總成部件之間的動力傳動扭矩耦合關系的存在，電機內部的PID控制策略往往不足以完全閉環整車層面的抖動表現。本文基于一階RC濾波算法和PID算法，建立一種通過調節電機輸出扭矩來對電機輸出轉速進行閉環的電機轉速主動阻尼控制策略，并完成相關軟件開發和參數標定。

2 電機目標轉速濾波策略開發及標定

在電機控制領域，針對電機輸出轉速的控制已有大量的相關研究積累。考慮到電機驅動負載以及整車傳動系的動力耦合、機械間隙的必然存在等因素，針對純電動汽車整車層面駕駛性開發而開展的電機輸出轉速控制，與對單一電機部件進行輸出轉速控制的臺架標定不盡相同。

2.1 電機目標轉速濾波策略開發

由于整車傳動系各個動力傳動部件間復雜的動力耦合關系，傳動部件各自難易量化的機械特性以及無法預估的機械傳動間隙的存在，提高了通過建立整車傳動系準確模型來建立電機目標輸出轉速的難度和工作量。同時，當電機轉速開始出現非期望的轉速波動時，通過調節電機輸出扭矩抑制電機轉速的后續波動，即可達到大大降低電機轉速波動在整車層面影響的目標，提升駕駛性。

因此，本文首先通過一階RC濾波算法對當前電機轉速進行濾波，得到電機轉速主動阻尼控制策略需要閉環的電機目標轉速。當電機實際轉速保持在期望內變化時，電機轉速濾波的結果需要快速響應電機實際轉速的變化;而當電機實際轉速出現非期望的轉速波動時，電機轉速濾波結果需要對電機實際轉速的非期望波動進行平滑處理，降低轉速抖動。

一階RC濾波算法如式（2.1）所示：

TMSpeedFilterNow=（1-Prop[x]）*TMSpeedFilterLast+Prop[x]*TMSpeed（2.1）

其中，TMSpeedFilterNow表示當前電機轉速濾波結果，TMSpeedFilterLast為上一周期電機轉速濾波結果，TMSpeed為電機實際轉速，Prop[x]為電機實際轉速在一階RC濾波算法所占的權重。為了達到對電機轉速濾波結果的期望，Prop[x]需要根據電機實際的轉速區間和波動情況進行分段和實際標定。

2.2 電機目標轉速濾波模型仿真

根據電機一階RC濾波算法，在MATLAB/Simulink中搭建電機轉速濾波仿真模型，對其進行仿真研究，驗證所建立濾波算法的可行性，并對Prop[x]進行初步的標定。一階RC濾波算法MATLAB/Simulink仿真模型如圖2.1所示：

根據對純電動汽車駕駛性開發過程的認識，當電機實際轉速波動超過30rpm/30ms時，即會引起整車產生抖動問題。若該波動持續多次，則整車抖動問題明顯。因此，在電機轉速一階RC濾波模型中設置相應的電機轉速信號，調整一階RC濾波算法的權重系數，觀察濾波后的結果，如圖2.2所示：

由圖示結果可知，當前一階RC濾波算法基本滿足建立電機轉速主動阻尼控制所需的電機目標轉速的要求。

2.3 電機目標轉速實車標定

由于純電動車汽車驅動電機是在整車的傳動系中工作的，因此為了得到具體而有效的一階RC濾波算法的系數，還需要在實車上進行具體標定。實車標定過程中，為了達到標定結果真實有效及覆蓋性廣的目的，重點針對汽車行駛的常見工況進行標定和測試。

電機轉速一階RC濾波算法在不同行駛工況下的實車標定結果如圖2.3所示：

由圖2.3可知，電機轉速一階RC濾波算法在電機未出現非期望的波動時，能夠較為真實的反應電機的實際轉速，最大誤差不超過150rpm;在電機轉速出現較為嚴重的轉速波動時，可以較好的對其進行濾波處理，得到相對平滑變化的電機目標轉速。因此，該電機轉速一階RC濾波算法在不同行駛工況下均符合建立電機轉速主動阻尼控制的目標轉速的要求。

3 電機輸出扭矩PID控制策略開發及標定

PID作為一種成熟的控制算法，在各種工業領域早已得到成熟應用，包括電機內部對其輸出轉速的控制。經典PID控制算法分為比例、積分、微分三個部分，比例控制的輸出量與輸入偏差成正比關系，可以減小但不能完全消除偏差;積分控制的輸出變化量與輸入偏差的積分成正比關系，用于消除偏差;微分部分輸出量與偏差微分成正比，具有超前調節的作用。

3.1 電機輸出扭矩PID控制策略開發

本文基于經典PID算法，將電機當前轉速和目標轉速間的差值作為PID調節模塊的輸入，電機扭矩調節量作為PID調節模塊的輸出量，完成電機轉速主動阻尼控制策略的電機輸出扭矩PID控制模塊的開發。

其中，電機輸出扭矩PID控制系統的基本算法如式3.1-3.4所示：

Pidtorquecorrect=PID_Kp_Part+PID_Ki_Part+PID_Kd_Part（3.1）

PID_Kp_Part=Kp*TMSpeedErrorNow（3.2）

PID_Ki_Part=Ki*（∑TMSpeedError-

Now）（3.3）

PID_Kd_Part=Kd*（TMSpeedError-

Now_TMSpeedErrorLast）（3.4）

其中，Pidtorquecorrect表示PID調節模塊對電機當前輸出扭矩的調節部分，PID_Kp_Part、PID_Ki_Part、PID_Kd_Part為PID算法調節模塊的比例部分、積分部分和微分部分，Kp、Ki和Kd分別為比例部分、積分部分和微分部分的標定參數。

電機扭矩PID調節模塊的輸出量作為電機輸出扭矩的調節一部分，會在合適的時候介入。鑒于電機轉速波動的一般范圍不超過250rpm，因此電機輸出扭矩PID調節模塊的調節扭矩幅值不需要超過30Nm;電機輸出扭矩PID調節模塊的調節扭矩幅值經過標定后，需要在需要的時候介入電機當前的輸出扭矩對電機轉速波動進行閉環。其中，電機輸出扭矩PID調節模塊的調節扭矩介入時機如表1所示：

3.2 電機輸出扭矩PID控制模型仿真

根據電機輸出扭矩PID控制策略的開發，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，對PID控制模塊進行仿真研究，驗證所建立控制模型的可行性，并對Kp、Ki和Kd進行初步的標定。電機輸出扭矩PID控制策略的MATLAB/Simulink仿真模型如圖3.1所示：

仿真模型中部分所需參數如表2

根據表1給出的電機輸出扭矩PID調節模塊的扭矩介入策略，在仿真模型中設置相應的轉速差及電機狀態，得到PID控制模塊的仿真結果如圖3.2所示：

根據圖示給出仿真模型的仿真結果顯示，電機輸出扭矩PID調節模塊控制策略基本滿足建立電機轉速主動阻尼控制所需的電機扭矩調節作用。

4 電機轉速主動阻尼控制策略開發及標定

根據對電機轉速濾波策略的開發、仿真研究和實車標定，以及對電機輸出扭矩PID調節模塊的開發、仿真研究和實車標定，最終可以建立完整的電機轉速主動阻尼控制的控制策略和模型，并在實車上進行標定，以驗證該控制策略的可行性。

4.1 電機轉速主動阻尼控制模型

電機轉速主動阻尼控制MATLAB/Simulink模型如圖4.1所示：

4.2 電機轉速主動阻尼控制模型仿真

根據2.2節和3.2節建立的仿真模型，建立電機主動阻尼控制的仿真模型。此時可以將實車采集的電機實際轉速導入仿真模型中，對仿真模型的仿真參數進行進一步的仿真標定;也可以直接將模型集成在純電動汽車整車控制器的控制模型中進行實車標定。

4.3 電機轉速主動阻尼控制策略實車標定

根據建立的純電動汽車電機主動阻尼控制模型，在實車上展開標定，主要針對純電動汽車使用過程中的正常使用工況和常見的濫用工況進行標定和驗證，具體的結果如圖4.1-4.5所示：

根據實車標定結果，本文所建立電機輸出轉速主動阻尼控制策略的可行性得到驗證。同時，在實車上對電機輸出轉速主動阻尼控制模型的參數進行標定，并在實車上進行應用。實車標定結果顯示，當電機轉速出現波動以后，電機轉速主動阻尼控制能夠對整車控制器的電機扭矩指令進行調節，抑制電機非期望的轉速波動，進而提升純電動汽車的駕乘體驗。

然而，由于整車控制器運行周期以及與CAN總線進行通訊均需要一定時間，尤其是濾波算法固有的遲滯性，因此相對于電機轉速的實際變化趨勢，電機輸出轉速主動阻尼控制策略的調節扭矩不可避免的存在一定延遲。并且本策略只有在電機轉速已經出現波動的情況下，才能對電機輸出扭矩進行相應的補償。因此，本策略只能從提升整車層面的駕駛性角度，閉環電機出現持續的轉速波動問題。

5 總結

本文研究了一種電機轉速主動阻尼控制策略，建立了電機轉速主動阻尼控制MATLAB/Simulink模型，并進行了相關的實車參數標定和驗證。1）根據一階RC濾波算法建立電機輸出轉速濾波控制模型，經過參數的實車標定，作為電機轉速主動阻尼控制策略的閉環目標;2）根據經典PID算法建立電機輸出轉速PID控制模型，經過參數的實車標定，作為電機轉速主動阻尼控制策略的調節扭矩，用來閉環電機輸出轉速的波動;3）最終，將電機轉速濾波模型和電機輸出扭矩PID控制模型整合在實車上展開標定和驗證。標定結果驗證了電機轉速主動阻尼控制策略的可行性和有效性。4）鑒于本策略目前仍然存在著明顯的信號滯后問題，后續對其開展針對性穩定研究仍然十分必要。

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