基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制設計

魏敦烈

(東風汽車有限公司東風日產乘用車公司，廣東廣州 510800)

0 引言

純電動乘用車(pure electric vehicle，PEV)主要靠電力驅動車輛，而電能屬于可再生能源，用車的成本要遠遠低于傳統燃油車，隨著政府的補貼以及新能源汽車在很多方面具有的優勢，對于日常有剛需城市通勤的人來說，這些都非常有吸引力。電動車相對燃油車在動力響應上要快，但是其在提高動力性能的同時會增加明顯的沖擊抖動感，導致乘坐舒適性降低。因此減少其加減速過程中的沖擊抖動是PEV研究的核心之一，其中PEV加減速過程中的電機轉速變化是影響其沖擊抖動的關鍵因素之一。

PEV城市運行過程中，與勻速過程相比，變加速過程扭矩存在突變，其加速度變化也更大。由于在實際道路行駛時，PEV經常需要加減速，在整個加減速過程中較大的加速度變化也會導致沖擊抖動。國內外學者多通過傳動機構優化和整車控制策略及扭矩控制的方法，來改變車輛的工作點。

為此，文中以某款PEV為研究對象，提出了基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制方法。目的是在整車傳動機構以及整車控制器扭矩控制策略確定的條件下，通過該方法來考慮轉速波動與沖擊抖動之間的關系，對轉速進行濾波和電機控制的輸出扭矩進行補償優化設計，降低加減速過程中的沖擊抖動。該方法不需要調整車輛傳動結構以及明確整車模態和振動模型，從而減少了開發難度。

1 PEV加減速沖擊抖動原理

1.1 PEV加減速過程分析

根據PEV運行特點可知，在車輛加減速過程中由于傳動系統并非是純剛性且無間隙的，在這種工作狀態下，它所需轉矩隨著加減速過程變化時，存在明顯的沖擊抖動，這個過程主要與其轉速波動有關。文中以某款純電動車為例，圖1是其動力傳動系統基本原理。由圖可知，該系統主要由動力電池、驅動電機、變速器(減速器)、差速器及車輪組成，同時還包括固定驅動電機和減速器的懸置等固定機構。

圖1 PEV動力傳動系統基本原理

當在水平良好的路面加速行駛時，不計坡度阻力，根據行駛動力學方程，PEV加速過程中所需外力可表示為：

=--，

(1)

式中：為車輛加速所需外力；為車輛的驅動力；為車輛滾動阻力；為車輛空氣阻力。

將式(1)展開可得PEV加速過程的加速度表達式為：

(2)

式中：為車輛行駛加速度；

為電機輸出轉矩；

、分別為變速箱、主減速器傳動比；

為整車質量；

為滾動阻力系數；

為旋轉質量換算系數；

為車速；

為空氣阻力系數；

為車輛前部迎風面積；

為傳動系統機械效率。

由式(2)可知，在其他因素不變時，電機輸出不同的轉矩，將使PEV具有不同的加速度，從而產生不同的加速過程。不同的轉矩變化導致的加速度變化也不同，從而影響了電機轉速波動以及整車的沖擊抖動。

系統運行時，電機轉矩響應靈敏，在驅動轉矩及擾動的快速、大幅激勵下極易發生傳動系扭轉振動。同時，電機低速轉矩紋波也會加劇抖振幅度，嚴重影響整車駕乘舒適性。不同加速過程加速度隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同加速過程加速度隨時間變化曲線

由圖2可知，在第一次急踩加速踏板時，加速度突變很大，然后有一個明顯的突降，導致明顯的沖擊抖動，影響舒適性；除了第一次抖動，后續的急加速也有加速度變化，雖然比第一次抖動不明顯，但是同樣會影響舒適性。

1.2 PEV加減速轉速波動與整車沖擊抖動的關系

整車系統抖動是一個比較復雜的課題，在很多情況下屬于電機、減速器以及整車整個傳動系統方面等的內容。因此根據電動汽車概論，其第時刻的整車需求驅動力(,)可表示為：

(3)

式中：為路面傾斜角。

在已知傳動比的情況下，可得車速與電機轉速的關系如下：

=0377。

(4)

結合式(2)至式(4)可以看出，加速度的變化除了與驅動力有關之外，還與轉速有關，同時加速度的變化又會導致沖擊抖動的變化。若能夠減少轉速波動，可以減少加速度，進而減少沖擊抖動。

因此，為解決加減速過程中動力響應快與轉速波動之間的矛盾，應對其加減速過程中的扭矩進行優化設計。

2 基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制

為了實現PEV在滿足動力學條件下降低轉速波動，根據扭矩和加速度的關系，提出基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制優化設計方法。其基本思路是：以最小的轉速波動作為目標對象，對轉速進行監控，采用濾波算法，以轉速波動大小進行扭矩補充。該方法不需要考慮整車模態和振動模型，只需要對轉速波動進行分析。

優化的目標是使轉速波動最小，由電動汽車基本原理可推出防抖模型。防抖控制示意如圖3所示。

圖3 防抖控制示意

該模型不需要對現有結構進行調整，也不需要考慮整車模態和振動模型，只需要對轉速波動進行分析。由于不同轉速段的RC低通濾波截止頻率不同，因此需要根據轉速分段，優化不同轉速段的截止頻率。

3 優化仿真設計與分析

以某款PEV為研究對象，運用基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制優化設計方法，對其加減速過程中轉速波動進行優化設計，得到優化后的濾波系數和扭矩補償。

在整車起步運行過程當中，電機和減速器之間的間隙、電機安裝、共振等機械問題都有可能產生扭矩振動，通過逆變器的控制，在請求扭矩的基礎上主動疊加一個反向力矩，減少整車系統在傳動過程中引起的扭矩脈動。

按照基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制設計方法，結合研究對象，利用MATLAB軟件，建立PEV防抖控制仿真模型。其基本框架結構主要由整車扭矩、電機轉速和防抖使能等輸入模塊以及防抖扭矩計算模塊組成。其工作原理是：以轉速濾波前后的轉波動量為目標輸入量，再由防抖扭矩計算模塊按轉速波動量通過PID，計算出整車需求防抖扭矩；然后，將防抖扭矩輸入到電機實際輸出扭矩計算模塊，經其計算與查表處理，可先后得到電機輸出和。若轉速波動大則補償扭矩變大，如此循環以減少轉速波動，從而起到減少抖動的效果。

4 實車測試驗證

根據PEV防抖控制模型，以不同轉速段的波動和濾波為輸入，運用MATLAB軟件對PEV防抖控制優化仿真設計，并通過代碼生成轉換為MCU可以編譯的代碼，導入控制器中進行實車標定，該系數隨著車輛質量、傳動系統慣量和轉速段不同而需要調整。

未打開防抖控制之前，電機的請求扭矩、輸出扭矩與轉速波動如圖4所示。

圖4 未加防抖控制的電機扭矩與轉速的變化曲線

可以看到輸出扭矩由于有采樣延遲，與請求扭矩有10 ms的偏差，但是輸出扭矩完全跟隨請求扭矩，這種情況下電機轉速波動明顯。

打開防抖控制之后，電機的請求扭矩、輸出扭矩與轉速波動如圖5所示，可以看到加防抖控制后，由于輸出扭矩在請求扭矩的基礎上，加上了根據轉速波動補償的防抖扭矩，導致輸出扭矩并不完全跟隨請求扭矩，這種情況下電機轉速在剛開始時有波動，但是波動馬上就被抑制，波動明顯減少，達到了降低抖動、提高舒適性的目標。

圖5 加防抖控制的電機扭矩與轉速的變化曲線

5 結論

(1)在加減速過程中，不同的需求扭矩對PEV的沖擊抖動影響規律不一樣，以轉速波動最小為設計目標，提出基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制優化方法，該方法巧妙地根據轉速波動對需求扭矩進行補償，通過合理地改變電動機輸出扭矩，對PEV加減速過程中的轉速波動進行優化設計，來解決加減速過程中在滿足動力響應前提下的舒適性問題，同時不需要對現有結構進行調整，不需要考慮整車模態和振動模型，只需要對轉速波動進行分析，降低了成本。

(2)以某型號的PEV為研究對象，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用MATLAB進行優化求解，得到優化后的轉速濾波系數。仿真實驗表明，基于電機轉速波動補償的電動車防抖控制在滿足動力響應前提下的舒適性有了很大提高，改善后的轉速波動可以減少到60 r/min以下，加速度波動可以減少到0.2 g以下。因此，它為PEV的加減速過程沖擊抖動提供了一種可行的控制方法。