魏亞帥

（吉利集團，浙江 慈溪 315300）

前言

在政府推出的純電動汽車補貼政策下，純電動汽車近幾年在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展，帶動了驅(qū)動電機系統(tǒng)在乘用車市場的廣泛應用，各車企對驅(qū)動電機的控制技術(shù)實力也得到了有效的市場積累。

隨著新能源汽車市場的進一步發(fā)展，政府漸漸退出市場扶持，逐步加大自由市場需求對純電動汽車的發(fā)展導向，駕駛性能優(yōu)越、舒適度高等成為自由市場對各車企的一個關(guān)鍵要求。

目前，驅(qū)動電機系統(tǒng)普遍采用基于矢量控制思想的扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)工況下，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制精度已趨于完善；復雜工況下，車輛遭受力矩的非線性、駕駛員施加目標扭矩的不確定性及低速下輸出電流的不平順等，使其動態(tài)控制性能難以達到質(zhì)的提升。復雜工況導致的電流、扭矩波動直接影響車輛行駛速度的平穩(wěn)性，甚至產(chǎn)生抖動，影響駕乘感受。

許多研究人員對驅(qū)動電機系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制進行了研究，文獻［1］根據(jù)系統(tǒng)對周期性擾動轉(zhuǎn)矩的衰減程度，對轉(zhuǎn)速環(huán)的比例增益進行補償。文獻［2］在電流環(huán)控制器和速度環(huán)控制器增加內(nèi)模環(huán)節(jié)，減小穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動。文獻［3］設計了負載轉(zhuǎn)矩觀測器對定子電流進行了補償。前期研究基本上都是基于轉(zhuǎn)速波動后對電流進行補償來抑制轉(zhuǎn)速波動，在一定程度上削減了轉(zhuǎn)速波動，但這種補償調(diào)節(jié)有滯后性，效果難以進一步提升，調(diào)節(jié)參數(shù)難以匹配最優(yōu)化，且補償系數(shù)通用性差，不同車輛效果并不一樣。

1 扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)

市場上驅(qū)動電機控制器普遍采用的是兩種控制系統(tǒng)，一種是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)［4-5］，一種是基于矢量控制思想的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)［6-7］?？刂破鲝S家的主控芯片普遍采用的是TI公司的DSP芯片，個別車企已經(jīng)著手于采用英飛凌的芯片進行系統(tǒng)搭建，在硬件的基礎上，第一種控制系統(tǒng)的響應速度已經(jīng)滿足了市場需求，再加上其較好的穩(wěn)態(tài)性能，使得其在市場上的應用占主導地位。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖見圖1。

純電動汽車在低速運行時，車輛受力的離散變化使得控制器難以對輸出電流進行有效控制。由于電流畸變產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動，使得車輛發(fā)生抖動、不平順等影響駕乘感受的情況，各廠家的解決辦法基本是通過扭矩補償來抑制轉(zhuǎn)速波動［1-3］，即轉(zhuǎn)速變化超出設定范圍后，對驅(qū)動電機施加反向扭矩補償電流，抑制轉(zhuǎn)速的進一步突變，但都難以進一步抑制轉(zhuǎn)速波動。

2 基于模糊控制算法補償?shù)呐ぞ亻]環(huán)控制系統(tǒng)

影響車輛轉(zhuǎn)速突變的主要有兩個因素：一是駕駛員操作的油門踏板深度和制動踏板深度，驅(qū)動電機系統(tǒng)需要實時響應目標扭矩輸出；二是復雜路況下車輛所受阻力。驅(qū)動電機系統(tǒng)需要對兩個因素進行分析并輸出最終符合駕駛員意愿且保證性能的扭矩。本文基于模糊控制思想，對影響車速突變的幾個參數(shù)進行處理，得到驅(qū)動電機系統(tǒng)輸出扭矩的補償值，詳見圖2。

圖1 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖2 基于模糊控制算法補償?shù)呐ぞ亻]環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

2.1 關(guān)鍵參數(shù)采集

車速的突變是由車輛所受的力矩直接導致的，由車輛的受力分析可知，復雜路況下，阻力隨車速、滾動阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)和坡度角等變量非線性變化，無法對其進行解耦控制，可將其歸結(jié)為兩種阻力進行受力分析。

當車輛加速行駛時：

當車輛減速行駛時：

驅(qū)動力等于MCU響應的目標扭矩，由轉(zhuǎn)速的變化可計算出加速阻力，最終得到車輛在各種復雜工況下正常行駛過程的受力情況。

VCU采集駕駛員的加速踏板深度，將駕駛員的意愿通過目標扭矩發(fā)送給MCU，不考慮能量回饋區(qū)段，進入弱磁區(qū)域后，電機的峰值扭矩輸出能力下降，故目標扭矩變量可取目標扭矩對峰值扭矩輸出能力的標幺值，范圍可定為［0，1］。

加速工況時，若目標扭矩較小，可計算出動平衡時的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速偏差為當前轉(zhuǎn)速與動平衡時轉(zhuǎn)速的差值，轉(zhuǎn)速偏差變量可取轉(zhuǎn)速偏差對動平衡時轉(zhuǎn)速的標幺值，范圍可定為［0，1］；若目標扭矩較大，電機最高可達到峰值轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速偏差為當前轉(zhuǎn)速與峰值轉(zhuǎn)速的差值，轉(zhuǎn)速偏差變量可取轉(zhuǎn)速偏差對峰值轉(zhuǎn)速的標幺值，范圍可定為［0，1］。減速工況時，轉(zhuǎn)速偏差為負的當前轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速偏差變量為轉(zhuǎn)速偏差對進入減速工況時的轉(zhuǎn)速標幺值，范圍可定為［-1，0］。

目標扭矩為峰值扭矩，車速從0開始加速的時候，加速度為最大，并可以計算出來。根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化計算當前加速度值，加速度變量可取當前加速度值對最大加速度值的標幺值，范圍可?。?，1］。

2.2 轉(zhuǎn)速偏差、加速度、目標扭矩的模糊化

轉(zhuǎn)速偏差、加速度、目標扭矩可用模糊化語言值進行描述，若轉(zhuǎn)速偏差變量較大，可描述為具備較高的加速空間，若轉(zhuǎn)速偏差變量較低，可描述為具備較高的降速空間；若加速度變量較大，可描述為具備強加速能力，若加速度變量較小，可描述為具備低加速能力；若目標扭矩變量較大，可描述為駕駛員想要強動力意愿，若目標扭矩較小，可描述成駕駛員想要弱動力意愿。具體描述見表1。

表1 參數(shù)模糊化表

對3個變量的模糊化，可實時模糊得到駕駛員的意愿及車輛運行狀況，以便MCU進行下一步的準確動力響應。

2.3 隸屬度的確定

為方便編程實現(xiàn)，選用三角形隸屬函數(shù)。根據(jù)表1可將各模糊化語言變量分三個區(qū)域計算各變量的隸屬函數(shù)，加速度變量和目標扭矩變量類似，可將低加速能力和弱動力意愿位于區(qū)域1，中加速能力和中動力意愿位于區(qū)域2，強加速能力和強動力意愿位于區(qū)域3，見圖3。

圖3 加速度變量和目標扭矩變量的隸屬度函數(shù)

轉(zhuǎn)速偏差變量的隸屬度值的計算方法如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速偏差變量的隸屬度函數(shù)

由此，可線性化地計算出各變量在3個區(qū)域的隸屬度值。

2.4 補償值的確定

將轉(zhuǎn)矩補償值的標幺值范圍定為 ［-1，1］，其計算公式如下。

補償系數(shù)根據(jù)目標扭矩可線性化調(diào)整，使轉(zhuǎn)矩補償最大值不超過0.1倍的目標轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩補償標幺值與補償系數(shù)的積為轉(zhuǎn)矩補償值。結(jié)合采集計算的共磁鏈，得出最終的d軸／q軸電流補償值。

3 仿真驗證

針對本技術(shù)方案，為了驗證技術(shù)方案的效果，構(gòu)建一個具有抑制轉(zhuǎn)速波動的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要的電機參數(shù)表及基值表見表2［8］。

表2 電機參數(shù)表及基值表

3.1 恒轉(zhuǎn)矩角的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)

假設驅(qū)動電機反饋的轉(zhuǎn)速及位置為理想狀態(tài)，轉(zhuǎn)速限制到額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)，按照圖1建立恒轉(zhuǎn)矩角 （90°）的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，并對行駛阻力和目標驅(qū)動扭矩做離散變化，可得到圖5~圖12。

3.2 基于模糊控制算法補償后的恒轉(zhuǎn)矩角 （90°）轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)

按照圖2建立經(jīng)過抑制轉(zhuǎn)速波動補償后的恒轉(zhuǎn)矩角（90°）轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，同樣對行駛阻力和目標驅(qū)動扭矩做離散變化，可得到圖13~圖20。

圖5 扭矩響應曲線

圖6 轉(zhuǎn)速響應曲線

圖7 三相電流目標值

圖8 三相電流響應值

圖9 合成磁鏈響應曲線

圖10 三相電壓響應值

圖11 轉(zhuǎn)矩角變化曲線

圖12 q／d軸電流響應曲線

圖13 扭矩響應曲線

圖14 轉(zhuǎn)速響應曲線

圖15 三相電流目標值

圖16 三相電流響應值

圖17 合成磁鏈響應曲線

圖18 三相電壓響應值

圖19 轉(zhuǎn)矩角變化曲線

圖20 q／d軸電流響應曲線

兩套轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)中，三相電流響應曲線、三相電壓響應曲線、q／d軸電流響應曲線并不能直觀看出優(yōu)劣性，從轉(zhuǎn)速響應曲線和轉(zhuǎn)矩響應曲線可直觀看出經(jīng)過建立抑制轉(zhuǎn)速波動系統(tǒng)補償后，可大大降低轉(zhuǎn)速波動，提高車輛穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文建立了一套抑制轉(zhuǎn)速波動補償?shù)呐ぞ亻]環(huán)控制系統(tǒng)，可在線調(diào)節(jié)驅(qū)動電機系統(tǒng)的輸出扭矩值，有效改善了車輛的抖動及不平順感，提高了駕駛員的駕乘感受，通過建立兩套控制系統(tǒng)，其仿真結(jié)果對比證明了這一方案的可行性。