電動汽車驅動系統的閉環控制與性能研究

冉滔，胡榮瀚，張鈺泳

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074）

關鍵字：閉環控制；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重要的地位，電動汽車相較于傳統汽車的主要區別在于驅動動力源的不同，因此整個驅動系統是研究電動汽車的核心所在。為了獲得高動力性能，本文結合閉環控制算法，研究電動汽車驅動系統在閉環控制下的核心優勢及其相關性能特點，從而達到電動汽車不同使用要求。

1 驅動系統的閉環控制

所謂閉環控制系統就是操作者通過輸入端給系統輸入一個指示信號，系統經過運行后得到一系列的反應狀態，系統再將這些反應狀態量通過輸出端重新反饋給輸入端，用以修正系統的操作過程，直至達到所預期的輸出效果。閉環控制系統具有較好的抗干擾能力，因此它在各種控制領域都得到了廣泛的應用。如圖1 為電動汽車驅動系統閉環控制系統的流程框圖，主要由信號發生器、比較裝置、驅動系統控制器等部分組成。

整個控制系統的工作原理為駕駛員通過加速踏板或制動踏板給予系統一個輸入信號，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動系統控制器。驅動系統控制器通過其內部計算分析，生成一個控制命令并傳達給電動機控制器，在這個命令的驅使下，電動機控制器形成適當的電流或電壓值，最后將這生成的電信號輸送給電動機以驅動車輛行駛，整個過程可較好的避免各種干擾信號的影響。

圖1 電動汽車驅動系統閉環控制流程圖

2 驅動系統I 型模型及動態過程

電動汽車驅動系統的數學分析模型通常采用I 型系統，其微分方程的表達式為：

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

2.1 各種阻尼比所對應的系統響應

如圖2 所示為在各種阻尼比下系統響應的關系曲線。

圖2 系統不同阻尼比時的響應關系曲線

以上分析可以看出在ξ=0 時曲線為類似正弦函數的等幅振動曲線；在的欠阻尼情形中，響應函數曲線以一定的速率振蕩，隨著t 的變化，逐漸趨于平穩狀態，其中阻尼比為ξ=0.707 時為系統各項響應指標最佳狀態，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，做無振動的單調上升變化。

3 驅動系統的性能分析

電動汽車驅動系統的性能指標可以分為穩態性能指標和動態性能指標。穩態性能指標主要描述的是汽車在穩態時的性能，在非穩態時研究穩態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，汽車多處于非穩態過程，因此本文主要研究汽車在動態時的性能參數。

3.1 跟隨性能指標

在電動汽車動態響應時的輸出信號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輸出信號的變化趨勢。如圖3 所示為系統階躍響應過程及跟隨性能指標，以輸入信號初始點為系統響應的零點，得到整個響應過程的跟隨狀態。

圖3 階躍響應過程及跟隨性能

跟隨性能主要包括上升時間tr、峰值時間tp、調節時間ts，三個跟隨時間參數分別表示了輸出值第一次到達圖中縱坐標“1”所對應的時輸出值的穩態參數的時間、響應過程中達到最大輸出值的時間以及達到穩定時的時間，三個參數綜合反映了系統反應快慢程度以及穩定程度。

3.2 抗擾性能指標

當階躍響應系統的在響應過程中達到穩定之后，向系統輸入一個干擾信號，此時系統由穩定狀態到非穩定狀態再恢復穩定狀態的過程就成為抗干擾過程。如圖4 所示為典型階躍反應系統的抗干擾過程，主要的抗干擾性能指標由動態降落和恢復時間。

圖4 突加擾動的階躍反應過程

抗干擾性能指標動態降落△Cmax表示在受到外界干擾作用后，系統的響應過程發生不穩定反應所能達到最小的輸出值；恢復時間tv表示系統從受到干擾到回復穩定狀態所消耗的時間間隔。

4 結語

本文主要分析了電動汽車驅動系統在閉環控制作用下的典型單位階躍響應過程，進而分析了在響應過程中的性能參數的變化情況。電動汽車驅動系統采用閉環控制可以更好的反應在響應過程中的實時誤差以及在相應時刻做出對應的調整，消除過程的誤差和干擾，使整個響應過程平穩進行。