基于速度預估控制的電驅動系統動態測試

劉忠途，劉 亢，宗志堅

(中山大學，廣東廣州510006)

0 引 言

電動汽車是未來汽車行業的發展方向［1］，電力驅動及其控制技術是目前電動汽車研究的三項關鍵技術之一［2－3］，驅動系統的性能直接影響了汽車動力性的優劣，因此需要在電動汽車設計之初對電驅動系統進行選型與測試。

傳統的電驅動測試采用穩態測試方法［4］。假定汽車按照循環工況行駛，通過汽車各部件模型參數離線計算出汽車所受負載與電機軸系的轉速響應，以此作為測試系統的轉矩與轉速輸入，此方法能夠對電驅動系統進行性能與安全性測試，但存在以下不足:(1)屬于準靜態的仿真，對驅動系統的瞬態變化過程不予考慮;(2)理性化，測試前提是假定能夠達到工況的要求，無法對加速、制動時驅動系統的性能進行測試;(3)未考慮駕駛員的行駛意圖。這些缺點使得穩態測試已不能滿足電動汽車驅動系統的研制與開發，無論是動力學、經濟性研究都要求對驅動系統進行動態的測試，以模擬驅動系統真實的運行情況。

交流電力測功機與高性能的模塊化控制儀器平臺出現將動態測試變為可能，通過高速現場總線同步驅動電機與電力測功機的控制，利用電慣量模擬技術真實再現汽車的運動過程［5－7］。為了提高動態跟蹤精度，對測試系統進行了速度預估控制，利用反饋調節減小了系統中存在的非線性擾動，獲得了良好的效果。

1 電驅動測試系統構成

測試系統主要由電動汽車用驅動電機及控制器、交流電力測功機、汽車仿真模型、電磁轉矩觀測器、轉速預估模塊、轉速傳感器、傳動軸等組成，系統結構如圖1 所示。

駕駛員根據車輛行駛狀況發出驅動指令Tref及制動指令TL，控制電驅動系統提供動力Ttq，交流測功機則為驅動電機模擬行駛阻力與制動力。工作過程中，將采集到的轉速信號ωr、電磁轉矩觀測器通過采集電機電流信號Id、Iq及磁鏈ψf觀測到的電磁轉矩輸入至汽車仿真模型，實時計算汽車的行駛阻力，以求得此狀態汽車的加速特性，經速度預估控制測功機輸出負載轉矩Tload使得系統轉速變化與期望轉速一致。

圖1 測試系統結構圖

由于測試系統的轉動慣量遠小于汽車的等效轉動慣量，傳動軸的轉速會在負載轉矩的作用下迅速下降，傳統的試驗臺通常采用機械慣性飛輪組模擬汽車的等效轉動慣量，這種技術比較成熟，但也有一些缺點，需要精確對汽車慣量進行折算、質量固定使得適用車型較少、噪聲振動大且拆卸復雜。而采用電模擬的試驗臺則取消了機械慣性飛輪，通過控制負載電機的輸出轉矩以補償臺架系統慣量與汽車慣量的差別，使得在動態過程中傳動軸的轉速變化與機械模擬系統基本一致。

2 電慣量模擬原理

電動汽車克服行駛阻力運行時，驅動電機提供驅動力，經由傳動系傳輸至車輪，在進行慣量模擬時，要求電慣量系統的速度必須與真實汽車運行的速度曲線保持一致;而且由于汽車慣量與測試系統相差很大，相同的驅動力會造成不同的加速度響應，因此電慣量測試系統必須和真實汽車運行的加速特性一致，這樣才能準確地模擬電動汽車的行駛過程。

汽車折算到電機轉軸上的等效轉動慣量為Jvehicle，由動量矩定理可將汽車運動方程表示:

對于永磁同步電機驅動的電動汽車:

式中:Te為驅動電機輸出的電磁轉矩，p、ψf、Ld、Lq分別為永磁同步電機的極對數、永磁體磁鏈、d 軸與q 軸電感，則Te可通過對d 軸與q 軸電流Id、Iq的采集來觀測;Tload為驅動電機輸出軸受到的負載轉矩，由汽車行駛阻力矩與制動力矩決定;αvehicle為驅動電機輸出軸的角加速度，數值上等于輸出軸角速度ωvehicle對時間的微分。

忽略粘滯摩擦力，對于臺架測試系統:

式中:TL為被測驅動電機輸出軸受到的負載轉矩，由測功機提供;α 與ω 為傳動軸的角加速度與角速度。根據電慣量模擬的原理，需要使測試系統同真實汽車具有相同的速度與加速度，由式(1)、式(3)可得:

測功機提供額外的轉矩:Ts= Jsα = (Jvehicle－J)α 用于補償真實汽車同測試系統慣量差Js的影響。

3 速度預估控制

交流電機存在著高階、多變量、非線性的特點，其精確的數學模型難以建立，而測試臺架中也存在著許多干擾(如電磁干擾、非線性摩擦等)對負載轉矩產生影響，單純通過電慣量的換算進行補償往往不能達到很好的模擬精度。而對測功機進行速度預估控制，利用臺架轉速的反饋對測功機的轉矩輸出Ts進行調節，使其同時對慣量與系統干擾進行補償，高速的控制指令周期使得測試系統的轉速與加速度能夠快速跟隨汽車模型的要求。

3.1 前向仿真結構

無風天氣、正常道路上的汽車行駛方程式:

式中:Ttq為驅動力矩;ig為變速器傳動比;i0為主減速器傳動比;ηT為系統效率;r 為輪胎半徑;G 為車重;f 為滾動阻力系統;α 為坡度;A 為迎風面積;CD為空氣阻力系數;δm為旋轉質量換算系數;uα為行駛車速。

圖2 電動汽車仿真結構

按照控制信號與能量流傳遞路線的不同，可將電動汽車仿真結構劃分為后向與前向兩種［8］，如圖2 所示。后向仿真建立于穩態的基礎上，假定車輪轉速與加速度與工況保持一致，計算出動力部件應提供的轉矩作為指令信號輸入控制器，控制器控制驅動電機實現控制過程，此過程與現實不符合;而前向仿真引入了駕駛員模型，根據工況需求與仿真反饋的偏差實時調整油門踏板與制動踏板開度，驅動電機輸出電磁轉矩經由傳動系驅動車輪行進，能量流與實車的傳遞路線完全相同。因此，前向仿真結構更適用于動態工況實驗平臺的建立，能夠真實反映電動汽車驅動系統在工況運行過程中的各種動態變化。

本文采用前向仿真結構，駕駛員通過判斷控制驅動力經由真實的電驅動系統經傳動系(ig為變速器傳動比，i0為主減速器傳動比)傳輸至車輪模型，克服風阻、路阻、坡阻等行駛阻力，根據汽車行駛方程式求得其運行情況;通過對變化的驅動力輸入與臺架轉速觀測對汽車動力模型進行實時更新，保持模型動態的變化與實車相一致。

3.2 預估控制原理

在車輛的基本參數已知的前提下，根據式(5)及當前時刻車速可求得汽車此時的加速能力，即加速度:

對于足夠小的測試系統的指令周期ΔT，可近似認為汽車在指令周期內進行勻加速或勻減速運動:

下一時刻的車速可由當前時刻由汽車模型計算出的加速度與當前時刻的車速進行預估:

將u(k + 1)對應的轉速ω(k + 1)作為指令輸入，在指令周期內根據轉速反饋對負載電機輸出轉矩進行PID 調節，以補償慣量差Js及系統中的干擾，使得下一時刻的真實轉速ω(k + 1)= ω(k + 1)，在此指令周期內的真實加速度也與汽車模型相同，其結果的精確度取決于控制的指令周期與測功機的動態響應時間。其控制原理如圖3 所示。

圖3 車速預估控制原理

4 試驗與分析

為對控制策略進行驗證，本文以中山大學自主開發電動汽車ECUV 為例，在臺架系統上對其真實的電驅動系統進行測試，基本參數如表1 所示。車輛模型、駕駛員模型與控制算法運行于PXIe8133 實時控制器中;踏板信號通過PXI8513 高速CAN 總線發送至驅動電機控制器;75 kW 交流測功機由ABB ACS800 變頻器控制，其控制策略為直接轉矩控制，保證了轉矩的快速響應，變頻器使用RS－485 總線與實時控制器進行通訊;所有控制指令、數據采集通過實時控制器進行定時與同步。

表1 車輛基本參數

由于ECUV 為城市用電動轎車，選取ECE 市區工況對其進行測試，指令周期取20 ms，指令周期的選取受總線通訊速率與測功機響應時間的限制。

駕駛員模型根據行駛狀況與工況的偏差發出驅動與制動指令，控制驅動電機輸出電磁轉矩由轉矩觀測器實時檢測，制動力指令則通過整車動力學模型將減速特性作用于臺架測試系統。試驗結果如圖4 所示。駕駛員模型的引入與轉矩觀測器的應用使得汽車仿真模型得到了實時的更新，從而大大提高了測試系統的動態性。

圖4 踏板指令及轉矩觀測

圖5 行駛工況測試

實時觀測到的驅動電機電磁轉矩、制動力指令及車輛基本參數計算汽車此刻的加速特性，經速度預估后控制交流測功機對汽車慣量進行模擬，使得車速變化與汽車仿真模型一致。對ECE 市區工況一個循環的車速模擬效果如圖5 所示。車速平均偏差僅為0．15 km/h，其中較大偏差出現于系統突加驅動轉矩或制動轉矩時。

由驅動電機輸出轉矩及對應轉速值，即可得到電驅動系統實時輸出功率，可用于考察電動汽車的能量消耗。實時輸出功率如圖6 所示。

圖6 實時輸出功率

5 結 語

本文利用交流電力測功機的高動態性，采用機械慣量電模擬方法對電動汽車驅動系統進行測試，取得了良好的研究成果，具有較高的工程實用價值;采用電動汽車前向仿真結構，與真實汽車能量流與控制流相同;通過速度預估控制策略的加入，在保證了系統動態性的同時，很好地抑制了外界干擾對模擬系統的影響。

從試驗結果看，實際車速響應曲線十分逼真地模擬出了汽車仿真模型的動態變化，這表明了控制策略的正確性;此試驗平臺可用于電動汽車續駛里程試驗、能量消耗率計算等，是設計開發階段電驅動性能的一種有效評價手段。

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