電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)防抖功能研究

趙榮國(guó) 洪 海 戴曉磊 程立勇 易世雄 竇紅印

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

目前國(guó)內(nèi)外新能源汽車(chē)得到了廣泛開(kāi)發(fā)，由于電池技術(shù)制約純電動(dòng)轎車(chē)的充電時(shí)間和續(xù)駛里程，因此，混合動(dòng)力汽車(chē)成為了現(xiàn)階段新能源汽車(chē)發(fā)展的主要方向。雖然混合動(dòng)力系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)低速大扭矩的高油耗工況，具有制動(dòng)能量回收的優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力結(jié)合過(guò)程卻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，尤其是系統(tǒng)的動(dòng)力匹配帶來(lái)的抖動(dòng)及NVH 問(wèn)題，對(duì)于汽車(chē)工程師而言，實(shí)現(xiàn)兩者動(dòng)力的集成匹配，滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性的指標(biāo)，成為了工作上新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。NVH 作為影響汽車(chē)行駛舒適性和安全性最重要的因素，也是混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)難題，通常傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)主要從結(jié)構(gòu)的角度對(duì)NVH 進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真完善結(jié)構(gòu)缺陷。而由于整車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜，改善效果卻不明顯。本文從電驅(qū)動(dòng)控制的角度，另辟蹊徑在電機(jī)矢量控制基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)了主動(dòng)防抖模塊，很好地解決了混合動(dòng)力總成系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力耦合過(guò)程中的NVH問(wèn)題，并且具有低成本，可標(biāo)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)MATLAB/Simulink 仿真搭建動(dòng)力系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)該系統(tǒng)對(duì)PS 型混合動(dòng)力系統(tǒng)減少抖動(dòng)效果良好。

1 新能源混合動(dòng)力系統(tǒng)抖動(dòng)分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)分析

目前市場(chǎng)上大部分混動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)都存在怠速抖動(dòng)及換擋抖動(dòng)頓挫問(wèn)題，本文先對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的抖動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正常振動(dòng)由不平衡激振力和對(duì)應(yīng)的力矩導(dǎo)致，根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)原理可知，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中主要存在3 類(lèi)激振源[1]:包含本體離心力以及力矩，活塞往復(fù)慣性力與其力矩，不可避免的翻倒力矩。目前的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師對(duì)于第一種激振源傳統(tǒng)方法是在曲軸上設(shè)計(jì)配置平衡重即可予以平衡，試驗(yàn)及仿真效果明顯。對(duì)于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成的激振一般通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)自有的多缸結(jié)構(gòu)將不平衡振動(dòng)諧次提高，其幅值減小，使其影響力下降。對(duì)于翻倒力矩造成的激振一般也是通過(guò)多氣缸的相互作用抵消來(lái)緩解。故傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能完全消除工作過(guò)程中的抖動(dòng)，原理上汽油機(jī)的不平衡最低諧次是與沖程數(shù)及氣缸數(shù)目直接相關(guān)，即為Z/τ，其中Z 為氣缸數(shù)；τ 為沖程系數(shù)，本文以1.5L 三缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例，諧次為1.5，3，…諧為正常工況中的主諧次。

對(duì)于多缸汽油機(jī)在曲軸上產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩為所有曲柄上的轉(zhuǎn)矩總和，表示為[2]：

式中：PQY為外力PQ在曲軸銷(xiāo)Y 軸分力；r 為曲柄半徑。

公式中的上標(biāo)是表示對(duì)應(yīng)氣缸的標(biāo)號(hào)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)將第j 缸相對(duì)于一缸點(diǎn)火時(shí)提前了θj的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)，由此類(lèi)推當(dāng)?shù)谝桓椎那S為χ 轉(zhuǎn)角，這時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Mχ時(shí)，第j 缸曲柄的轉(zhuǎn)矩M（j）=M（χ+θj），另外，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各氣缸工作中點(diǎn)火間隔角、活塞做功行程中燃燒氣體作用力都相同，將其中一缸的M 隨χ 變化的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生過(guò)程依據(jù)點(diǎn)火順序中的間隔角度分成不同的段，分析中將每一段的轉(zhuǎn)矩變化都集成在第一段的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，這樣綜合之后即為第一段運(yùn)行過(guò)程中總轉(zhuǎn)矩MΣ與χ 的變化關(guān)系，由此可知，不考慮其他因素，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)量越多，曲軸總轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)周期越短，總體的不均勻性越小。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中曲軸總轉(zhuǎn)矩的周期性變化既是曲軸以及被曲軸帶動(dòng)的軸系發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的激振源，同時(shí)也會(huì)引起曲軸角速度的波動(dòng)。過(guò)程中發(fā)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)使部件中產(chǎn)生額外的應(yīng)力與應(yīng)變，總體機(jī)械部件的噪聲增加，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅度加劇。

1.2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩紋波分析

在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求PMSM 的電動(dòng)勢(shì)和電流均為正弦波。但真實(shí)的永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)在空間的分布不可能是完全正弦的，由永磁體所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的波形必定發(fā)生畸變[3]，另一方面，由電機(jī)控制器輸入的定子相電流，經(jīng)過(guò)調(diào)制雖然可以逼近正弦波，但其中還含有許多高次諧波。對(duì)于次數(shù)相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流諧波作用后會(huì)產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，然而不同次數(shù)諧波電動(dòng)勢(shì)和電流將會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)頻率為基波頻率6 倍次的諧波轉(zhuǎn)矩，對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)各諧波轉(zhuǎn)矩的幅值與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流波形的畸變程度有關(guān)。定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的諧波是由永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)感生的，它與勵(lì)磁磁場(chǎng)和定子槽型繞組的空間分布方式有關(guān)。此外，定子中基波分量和各次諧波電流，除了產(chǎn)生基波磁動(dòng)勢(shì)外，還會(huì)產(chǎn)生不必要的諧波磁動(dòng)勢(shì)。

設(shè)ε 為PMSM 電機(jī)永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)的諧波次數(shù)，γ為磁動(dòng)勢(shì)諧波次數(shù)，k 定子電流諧波次數(shù)，當(dāng)ε=1，3，5…，可見(jiàn)，只有當(dāng)γ=ε 時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度為ωr 時(shí)，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率為：

轉(zhuǎn)矩諧波的次數(shù)為γ±k，應(yīng)為6 的整數(shù)倍，整個(gè)轉(zhuǎn)矩表示為：

式中：Tγk為諧波轉(zhuǎn)矩的幅值，當(dāng)γ=k 時(shí)，電機(jī)可以產(chǎn)生正常平均轉(zhuǎn)矩，當(dāng)γ-k 是6 的整數(shù)倍時(shí)，取正值，當(dāng)γ+k 是6 的整數(shù)倍時(shí)，取負(fù)值，由此可見(jiàn)當(dāng)γ ≠k 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，諧波轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率等于定子電流頻率的6 的整數(shù)倍，通過(guò)分析可知，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩紋波頻率較高，幅值較小，如果是同軸的發(fā)動(dòng)機(jī)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制精度完全可以用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)抖動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)目刂啤?/p>

2 主動(dòng)防抖控制系統(tǒng)

2.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制需要對(duì)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，本文主要對(duì)混動(dòng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的永磁同步電機(jī)進(jìn)行分析，需要對(duì)電機(jī)做如下假設(shè)：

1）永磁材料的電導(dǎo)率為零。

2）忽略鐵芯飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。

3）轉(zhuǎn)子沒(méi)有阻尼繞組。

在三相靜止坐標(biāo)系下[4]，定子電壓電流空間矢量為：

通過(guò)坐標(biāo)變換，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示為：

磁鏈方程為：

式中：Rs為定子繞組電阻；ωγ為轉(zhuǎn)子角速度。

整理得：

根據(jù)電機(jī)原理，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

在DQ 坐標(biāo)系下，表示為：

整理得：

2.2 基礎(chǔ)矢量控制

矢量控制模仿直流電機(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，它促使交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速。

圖1 為電機(jī)矢量控制過(guò)程框圖，以轉(zhuǎn)子定向的矢量控制系統(tǒng)是通過(guò)同軸安裝的旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子角度，來(lái)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在基于磁場(chǎng)定向矢量控制中，電機(jī)控制的仍然是電樞磁場(chǎng)，電樞磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生，實(shí)際控制的仍然是定子電流is，實(shí)際的控制策略中，控制是在兩相旋轉(zhuǎn)DQ 軸系內(nèi)進(jìn)行的，is矢量分解成為id和iq。其中，id是控制定子磁場(chǎng)幅值的勵(lì)磁電流分量，通過(guò)控制id可以控制定子磁場(chǎng)勵(lì)磁分量的大小；iq是控制電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，通過(guò)控制iq可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小。

圖1 矢量變換控制過(guò)程框圖

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，主要控制電樞磁場(chǎng)，由于永磁磁鏈幅值恒定，如圖2 所示，電樞磁鏈的幅值和相位主要取決于定子電流is，在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，需要控制定子電流相位使得電樞磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)正交，達(dá)到電流對(duì)轉(zhuǎn)矩的最大利用率。

圖2 磁鏈分布

2.3 電機(jī)防抖轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)針對(duì)的是新能源汽車(chē)普遍采用內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)使用矢量控制方式進(jìn)行磁場(chǎng)定向控制，轉(zhuǎn)矩控制精度可以達(dá)到±2 N·m，轉(zhuǎn)速控制精度可以達(dá)到±5 r/min。由于目前混動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)怠速過(guò)程及換擋過(guò)程出現(xiàn)的抖動(dòng)、頓挫，基于電機(jī)的矢量控制基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了主動(dòng)防抖模塊，如圖3 所示。

圖3 主動(dòng)防抖模塊示意圖

該模塊基于旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)PID 調(diào)節(jié)確定波動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量ΔT，最終通過(guò)結(jié)合需求轉(zhuǎn)矩確定最終反饋給電機(jī)的轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求，通過(guò)削峰填谷的方法將特殊工況的抖動(dòng)進(jìn)行消除。圖4 為抖動(dòng)紋波抑制示意圖。

圖4 抖動(dòng)紋波抑制示意圖

本系統(tǒng)極大地減少了混合動(dòng)力系統(tǒng)尤其是PS結(jié)構(gòu)的動(dòng)力總成系統(tǒng)的NVH 問(wèn)題，從最原始的振動(dòng)源入手，提高了整車(chē)舒適性，節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)變更成本，而且具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，各個(gè)系統(tǒng)只需進(jìn)行軟件的標(biāo)定即能達(dá)到減小抖動(dòng)的效果。圖5 所示為轉(zhuǎn)矩生成過(guò)程示意圖。

圖5 轉(zhuǎn)矩生成過(guò)程示意圖

系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置角度，通過(guò)SMOPOS 模塊根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流估算轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)位置，通過(guò)比較轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)位置和估算位置來(lái)判斷系統(tǒng)是否處于抖動(dòng)狀態(tài)，如果進(jìn)行抖動(dòng)，將激活轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊，進(jìn)行對(duì)實(shí)際請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償，從而達(dá)到防抖動(dòng)的目的，圖6 所示為電驅(qū)動(dòng)主動(dòng)防抖控制系統(tǒng)示意圖。目前該程序已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有PS 類(lèi)型混合動(dòng)力變速箱進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)整標(biāo)定量去適應(yīng)不同發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的組合，防抖動(dòng)效果顯著。

圖6 電驅(qū)動(dòng)主動(dòng)防抖控制系統(tǒng)示意圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 怠速發(fā)電工況

圖7 為正常怠速發(fā)電轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)紋波圖。由圖7所知，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速發(fā)電轉(zhuǎn)速為900 r/min 時(shí)，發(fā)電轉(zhuǎn)矩為-8.5 N·m 抖動(dòng)明顯，紋波可以達(dá)到20%。

圖8 為怠速工況防抖效果紋波圖。由圖8 所知，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速發(fā)電轉(zhuǎn)矩紋波被削弱至11%左右，防抖動(dòng)效果明顯。

圖7 正常怠速發(fā)電轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)紋波圖

圖8 怠速工況防抖效果紋波圖

3.2 制動(dòng)能量回收工況

圖9 為正常制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)紋波圖。由圖9 所知，在制動(dòng)能量回收開(kāi)始瞬間會(huì)出現(xiàn)20 N·m以上的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，該抖動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的增加愈加明顯，雖然持續(xù)時(shí)間短，但對(duì)于整車(chē)的舒適性造成很大影響，是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于整車(chē)的典型問(wèn)題，普遍存在于純電動(dòng)及混動(dòng)系統(tǒng)中。

圖9 正常制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)紋波圖

圖10 為制動(dòng)能量回收工況防抖效果紋波圖。由圖10 所知，制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)矩紋波跳變被削弱至11 N·m 左右，防抖動(dòng)效果明顯。

圖10 制動(dòng)能量回收工況防抖效果紋波圖

3.3 換擋工況

圖11 為正常換擋工況抖動(dòng)紋波圖。由圖11 所知，混合動(dòng)力總成系統(tǒng)換擋過(guò)程中頓挫和抖動(dòng)幅度大，低轉(zhuǎn)速尤為明顯，轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)紋波可達(dá)40%以上。

圖11 正常換擋工況抖動(dòng)紋波圖

圖12 為換擋工況防抖效果紋波圖。由圖12 所知，由于各擋位換擋轉(zhuǎn)速具有一定的范圍，抖動(dòng)具有一定規(guī)律性，主動(dòng)防抖模塊對(duì)于換擋過(guò)程中的防抖效果最為顯著，典型換擋抖動(dòng)可以降低至11%左右。

圖12 換擋工況防抖效果紋波圖

3.4 仿真數(shù)據(jù)分析

表1 為仿真數(shù)據(jù)分析。由表1 中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，混動(dòng)系統(tǒng)抖動(dòng)工況集中在低速過(guò)程，尤其是制動(dòng)能量回收和換擋工況，隨著轉(zhuǎn)速的提升抖動(dòng)幅值自然降低，這主要由系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)部分本身特性決定，加入防抖動(dòng)模塊后在怠速發(fā)電工況，電驅(qū)動(dòng)發(fā)電負(fù)轉(zhuǎn)矩為-6 N·m 時(shí)，抖動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少8.6%左右，制動(dòng)能量回收和換擋過(guò)程中瞬間抖動(dòng)較大，平均維持在30%。加入主動(dòng)防抖模塊，總成系統(tǒng)抖動(dòng)普遍控制至20%以下。

表1 仿真數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)論

1）根據(jù)分析目前市場(chǎng)上大多數(shù)混合動(dòng)力系統(tǒng)都存在NVH 問(wèn)題，從根本上解決新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)抖動(dòng)問(wèn)題勢(shì)在必行。

2）通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)機(jī)理，結(jié)合PMSM 電機(jī)的矢量控制理論，提出使用精確控制的電機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)償傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方案。

3）采用電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角信號(hào)變化率對(duì)同軸的總成系統(tǒng)抖動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)標(biāo)定量決定主動(dòng)防抖模塊的激活工況，由此根據(jù)不同混動(dòng)系統(tǒng)特性進(jìn)行防抖動(dòng)的效果標(biāo)定。

4）根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析，混動(dòng)系統(tǒng)常用怠速發(fā)電工況，制動(dòng)能量回收工況，換擋工況，對(duì)應(yīng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)矩，負(fù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償效果良好。

5）隨著總成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的升高，頻率加大，抖動(dòng)效果減弱，電機(jī)系統(tǒng)防抖模塊功能自動(dòng)休眠，提升整車(chē)高速性能。