電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制與性能研究

冉滔，胡榮瀚，張鈺泳

（重慶交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

關(guān)鍵字：閉環(huán)控制；跟隨性能指標；抗擾性能指標

前言

新能源電動汽車將在未來的汽車市場占據(jù)重要的地位，電動汽車相較于傳統(tǒng)汽車的主要區(qū)別在于驅(qū)動動力源的不同，因此整個驅(qū)動系統(tǒng)是研究電動汽車的核心所在。為了獲得高動力性能，本文結(jié)合閉環(huán)控制算法，研究電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)在閉環(huán)控制下的核心優(yōu)勢及其相關(guān)性能特點，從而達到電動汽車不同使用要求。

1 驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制

所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)就是操作者通過輸入端給系統(tǒng)輸入一個指示信號，系統(tǒng)經(jīng)過運行后得到一系列的反應(yīng)狀態(tài)，系統(tǒng)再將這些反應(yīng)狀態(tài)量通過輸出端重新反饋給輸入端，用以修正系統(tǒng)的操作過程，直至達到所預(yù)期的輸出效果。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，因此它在各種控制領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。如圖1 為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的流程框圖，主要由信號發(fā)生器、比較裝置、驅(qū)動系統(tǒng)控制器等部分組成。

整個控制系統(tǒng)的工作原理為駕駛員通過加速踏板或制動踏板給予系統(tǒng)一個輸入信號，比較裝置接收輸入信號和由輸出信號反饋回來的經(jīng)測量與變送的信號，并對這兩種信號進行比較，得到的兩者的誤差值輸送給驅(qū)動系統(tǒng)控制器。驅(qū)動系統(tǒng)控制器通過其內(nèi)部計算分析，生成一個控制命令并傳達給電動機控制器，在這個命令的驅(qū)使下，電動機控制器形成適當(dāng)?shù)碾娏骰螂妷褐担詈髮⑦@生成的電信號輸送給電動機以驅(qū)動車輛行駛，整個過程可較好的避免各種干擾信號的影響。

圖1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)控制流程圖

2 驅(qū)動系統(tǒng)I 型模型及動態(tài)過程

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型通常采用I 型系統(tǒng)，其微分方程的表達式為：

其中，r(t),c(t)分別對應(yīng)系統(tǒng)的輸入和輸出量，ξ 為驅(qū)動系統(tǒng)的阻尼比，ωn為系統(tǒng)的固有圓頻率。利用拉氏變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

2.1 各種阻尼比所對應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)

如圖2 所示為在各種阻尼比下系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系曲線。

圖2 系統(tǒng)不同阻尼比時的響應(yīng)關(guān)系曲線

以上分析可以看出在ξ=0 時曲線為類似正弦函數(shù)的等幅振動曲線；在的欠阻尼情形中，響應(yīng)函數(shù)曲線以一定的速率振蕩，隨著t 的變化，逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，其中阻尼比為ξ=0.707 時為系統(tǒng)各項響應(yīng)指標最佳狀態(tài)，因此也稱ξ=0.707 為最佳阻尼比；在時，曲線以逐漸走高的形勢，做無振動的單調(diào)上升變化。

3 驅(qū)動系統(tǒng)的性能分析

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標可以分為穩(wěn)態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標。穩(wěn)態(tài)性能指標主要描述的是汽車在穩(wěn)態(tài)時的性能，在非穩(wěn)態(tài)時研究穩(wěn)態(tài)性能各指標就沒有意義。由于在汽車實際運行過程中受到各種外界因素的影響，汽車多處于非穩(wěn)態(tài)過程，因此本文主要研究汽車在動態(tài)時的性能參數(shù)。

3.1 跟隨性能指標

在電動汽車動態(tài)響應(yīng)時的輸出信號c(t)也可以通過跟隨性能指標來表示，在系統(tǒng)中隨著輸入信號r(t)隨時間的變化過程中，跟隨性能指標的變化在一定程度上也代表著整體系統(tǒng)輸出信號的變化趨勢。如圖3 所示為系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程及跟隨性能指標，以輸入信號初始點為系統(tǒng)響應(yīng)的零點，得到整個響應(yīng)過程的跟隨狀態(tài)。

圖3 階躍響應(yīng)過程及跟隨性能

跟隨性能主要包括上升時間tr、峰值時間tp、調(diào)節(jié)時間ts，三個跟隨時間參數(shù)分別表示了輸出值第一次到達圖中縱坐標“1”所對應(yīng)的時輸出值的穩(wěn)態(tài)參數(shù)的時間、響應(yīng)過程中達到最大輸出值的時間以及達到穩(wěn)定時的時間，三個參數(shù)綜合反映了系統(tǒng)反應(yīng)快慢程度以及穩(wěn)定程度。

3.2 抗擾性能指標

當(dāng)階躍響應(yīng)系統(tǒng)的在響應(yīng)過程中達到穩(wěn)定之后，向系統(tǒng)輸入一個干擾信號，此時系統(tǒng)由穩(wěn)定狀態(tài)到非穩(wěn)定狀態(tài)再恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的過程就成為抗干擾過程。如圖4 所示為典型階躍反應(yīng)系統(tǒng)的抗干擾過程，主要的抗干擾性能指標由動態(tài)降落和恢復(fù)時間。

圖4 突加擾動的階躍反應(yīng)過程

抗干擾性能指標動態(tài)降落△Cmax表示在受到外界干擾作用后，系統(tǒng)的響應(yīng)過程發(fā)生不穩(wěn)定反應(yīng)所能達到最小的輸出值；恢復(fù)時間tv表示系統(tǒng)從受到干擾到回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所消耗的時間間隔。

4 結(jié)語

本文主要分析了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)在閉環(huán)控制作用下的典型單位階躍響應(yīng)過程，進而分析了在響應(yīng)過程中的性能參數(shù)的變化情況。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)采用閉環(huán)控制可以更好的反應(yīng)在響應(yīng)過程中的實時誤差以及在相應(yīng)時刻做出對應(yīng)的調(diào)整，消除過程的誤差和干擾，使整個響應(yīng)過程平穩(wěn)進行。