一種動態抑制驅動電機轉速波動的控制系統

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得到了迅速發展，帶動了驅動電機系統在乘用車市場的廣泛應用，各車企對驅動電機的控制技術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展導向，駕駛性能優越、舒適度高等成為自由市場對各車企的一個關鍵要求。

目前，驅動電機系統普遍采用基于矢量控制思想的扭矩閉環控制系統，穩態工況下，驅動電機轉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，使其動態控制性能難以達到質的提升。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性，甚至產生抖動，影響駕乘感受。

許多研究人員對驅動電機系統的穩態控制進行了研究，文獻［1］根據系統對周期性擾動轉矩的衰減程度，對轉速環的比例增益進行補償。文獻［2］在電流環控制器和速度環控制器增加內模環節，減小穩態轉速波動。文獻［3］設計了負載轉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速波動后對電流進行補償來抑制轉速波動，在一定程度上削減了轉速波動，但這種補償調節有滯后性，效果難以進一步提升，調節參數難以匹配最優化，且補償系數通用性差，不同車輛效果并不一樣。

1 扭矩閉環控制系統

市場上驅動電機控制器普遍采用的是兩種控制系統，一種是直接轉矩控制系統［4-5］，一種是基于矢量控制思想的轉矩閉環控制系統［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，個別車企已經著手于采用英飛凌的芯片進行系統搭建，在硬件的基礎上，第一種控制系統的響應速度已經滿足了市場需求，再加上其較好的穩態性能，使得其在市場上的應用占主導地位。轉矩閉環控制系統的原理圖見圖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。由于電流畸變產生的轉速波動，使得車輛發生抖動、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速波動［1-3］，即轉速變化超出設定范圍后，對驅動電機施加反向扭矩補償電流，抑制轉速的進一步突變，但都難以進一步抑制轉速波動。

2 基于模糊控制算法補償的扭矩閉環控制系統

影響車輛轉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，驅動電機系統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。驅動電機系統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進行處理，得到驅動電機系統輸出扭矩的補償值，詳見圖2。

圖1 轉矩閉環控制系統原理圖

圖2 基于模糊控制算法補償的扭矩閉環控制系統原理圖

2.1 關鍵參數采集

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、空氣阻力系數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：

驅動力等于MCU響應的目標扭矩，由轉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送給MCU，不考慮能量回饋區段，進入弱磁區域后，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速，轉速偏差為當前轉速與動平衡時轉速的差值，轉速偏差變量可取轉速偏差對動平衡時轉速的標幺值，范圍可定為［0，1］；若目標扭矩較大，電機最高可達到峰值轉速，轉速偏差為當前轉速與峰值轉速的差值，轉速偏差變量可取轉速偏差對峰值轉速的標幺值，范圍可定為［0，1］。減速工況時，轉速偏差為負的當前轉速，轉速偏差變量為轉速偏差對進入減速工況時的轉速標幺值，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。根據轉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 轉速偏差、加速度、目標扭矩的模糊化

轉速偏差、加速度、目標扭矩可用模糊化語言值進行描述，若轉速偏差變量較大，可描述為具備較高的加速空間，若轉速偏差變量較低，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，選用三角形隸屬函數。根據表1可將各模糊化語言變量分三個區域計算各變量的隸屬函數，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域1，中加速能力和中動力意愿位于區域2，強加速能力和強動力意愿位于區域3，見圖3。

圖3 加速度變量和目標扭矩變量的隸屬度函數

轉速偏差變量的隸屬度值的計算方法如圖4所示。

圖4 轉速偏差變量的隸屬度函數

由此，可線性化地計算出各變量在3個區域的隸屬度值。

2.4 補償值的確定

將轉矩補償值的標幺值范圍定為 ［-1，1］，其計算公式如下。

補償系數根據目標扭矩可線性化調整，使轉矩補償最大值不超過0.1倍的目標轉矩，轉矩補償標幺值與補償系數的積為轉矩補償值。結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

針對本技術方案，為了驗證技術方案的效果，構建一個具有抑制轉速波動的轉矩閉環控制系統，需要的電機參數表及基值表見表2［8］。

表2 電機參數表及基值表

3.1 恒轉矩角的轉矩閉環控制系統

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

3.2 基于模糊控制算法補償后的恒轉矩角 （90°）轉矩閉環控制系統

按照圖2建立經過抑制轉速波動補償后的恒轉矩角（90°）轉矩控制系統，同樣對行駛阻力和目標驅動扭矩做離散變化，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 轉矩角變化曲線

圖20 q／d軸電流響應曲線

兩套轉矩閉環控制系統中，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劣性，從轉速響應曲線和轉矩響應曲線可直觀看出經過建立抑制轉速波動系統補償后，可大大降低轉速波動，提高車輛穩定性。

4 結論

本文建立了一套抑制轉速波動補償的扭矩閉環控制系統，可在線調節驅動電機系統的輸出扭矩值，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，其仿真結果對比證明了這一方案的可行性。