吳浩 田曉川 趙子亮

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

電動轉向油泵總成參數匹配及控制策略研究

吳浩 田曉川 趙子亮

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

電動轉向油泵總成的參數匹配及控制策略是電動液壓轉向系統(tǒng)的關鍵技術。以CA6121URBEV2型純電動客車為平臺，依據轉向泵的基本參數及工作特性確定了油泵電機的額定工作扭矩、峰值工作扭矩、額定工作轉速等，從保障整車高壓電氣安全性、行駛安全性和降低總成能量消耗的角度出發(fā)，開發(fā)了電動泵總成的高壓上下電策略、轉速控制策略和故障處理策略，并通過臺架試驗驗證了該電動泵總成參數匹配的合理性和控制策略的可行性。

1 前言

深度混合動力汽車與純電動商用車存在純電動行駛工況，其轉向系統(tǒng)類型必須是發(fā)動機獨立的電動液壓轉向或電動助力轉向。目前商用車循環(huán)球電動助力轉向技術還不成熟，因此深度混合動力汽車與純電動商用車多以電動液壓轉向技術為主。

電動轉向油泵（下稱電動泵）總成的參數匹配及其控制策略是電動液壓轉向系統(tǒng)的兩大關鍵技術。本文以CA6121URBEV2型純電動客車為平臺，依據轉向泵的基本參數及工作特性確定油泵電機的額定工作扭矩、峰值工作扭矩、額定工作轉速等，從保障整車高壓電氣安全性、行駛安全性和降低總成能量消耗的角度出發(fā)，制定了電動泵總成的高壓上下電策略、轉速控制策略和故障處理策略，并通過臺架試驗驗證了電動泵總成參數匹配方法的合理性和控制策略的可行性。

2 電動泵總成參數匹配設計

2.1 電動泵總成結構

如圖1所示，電動泵總成由轉向泵、彈性聯軸器、油泵驅動電機及逆變器等構成，需要接受整車KL15、KL30的低壓供電和直流高壓供電，通過CANBus與整車通訊。

2.2 轉向器及轉向泵參數

該電動客車轉向器及轉向泵參數見表1。

表1 轉向器和轉向泵參數

2.3 轉向泵工作特性

流量特性是轉向泵的基本工作特性，圖2是該電動客車轉向泵在負載為0～13.6 MPa時的流量特性曲線。轉向泵的實際流量q是理論流量qt和泄漏量Δq的差[1]：

式中，V為轉向泵排量；n為泵軸轉速；p為工作壓力；k1為泄漏系數。

動力轉向泵必須保證在較快的轉向速度下能為轉向器提供足夠的工作流量，因此油泵電機必須維持一定的轉速使轉向泵能夠輸出穩(wěn)定的流量。但流量過大將導致油泵消耗功率過多和油溫過高，因此在滿足轉向器工作流量需求的前提下應限制油泵電機轉速，以防止不必要的能量消耗。

轉向泵工作壓力取決于負載，實車轉向阻力越大，工作壓力則越大，驅動轉向泵所需扭矩也就越大，因此轉向泵的工作壓力與驅動扭矩特性是油泵電機輸出扭矩指標設計的關鍵。如果不考慮液壓泵在能量轉換過程中的損失，則驅動液壓泵軸的機械功率等于液壓泵輸出的液壓功率[1]（理論功率）Pt為：

式中，Tt為驅動扭矩；ω為角速度。

由式（2）可知，理論上轉向泵的驅動扭矩與工作壓力成正比，而與轉速無關。

考慮到液壓泵在能量轉化過程中的功率損失，利用試驗方法來測定在轉速為600～1 050 r/min時轉向泵驅動扭矩與工作壓力關系，試驗數據如表2所列，試驗曲線如圖3所示。試驗結果也表明，電動客車轉向泵的驅動扭矩與工作壓力成正比，而與轉速無關。

表2 轉向泵在不同轉速下工作壓力與驅動扭矩試驗數據 N·m

2.4 油泵驅動電機參數匹配設計

轉向泵原地轉向最大工作壓力（13.5 MPa）為峰值工作壓力，取車速為10 km/h時最大工作壓力8 MPa為額定工作壓力，由壓力與驅動扭矩特性曲線可以確定在峰值工作壓力和額定工作壓力下轉向泵的驅動扭矩分別為43 N·m和24 N·m；考慮彈性聯軸器扭矩傳遞效率和一定的設計余量，取油泵電機峰值工作扭矩和額定工作扭矩分別為50 N·m和30 N·m。

根據轉向泵滿載開啟轉速967±50 r/min并考慮一定設計余量，取油泵電機的額定工作轉速為1 050 r/min，這樣可以確保電動泵總成在不同的工作壓力下都能為轉向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量。

電動泵逆變器標稱供電電壓為384 V，臺架試驗測得逆變器額定母線電流、峰值母線電流分別為9.3 A和17.0 A。表3為油泵電機及逆變器參數。

表3 油泵電機及逆變器參數

3 電動泵總成控制策略

電動泵總成控制策略包括高壓上下電策略、轉速控制策略和故障處理策略等，集成于整車VCU控制策略中。

3.1 高壓上下電策略

電動泵總成高壓電氣原理如圖4所示，整個高壓電氣系統(tǒng)主要包括動力電池、高壓配電箱和電動泵總成。高壓配電箱內有高壓負繼電器、高壓預充繼電器、預充電阻、高壓正繼電器等，高壓繼電器受整車VCU控制。

合理設計VCU輸入信號和控制信號邏輯時序是電動泵高壓上下電控制的關鍵。電動泵高壓上下電邏輯時序如圖5所示。

根據圖5，電動泵總成的上電流程為：首先，當整車點火開關置ON檔時，逆變器接受KL15、KL30低壓供電，同時電池管理系統(tǒng)和逆變器通過CANBus上傳電池電壓和逆變器電壓給整車控制器，VCU控制高壓負繼電器閉合；然后高壓預充繼電器閉合，逆變器電壓在預充電阻作用下逐漸上升，當逆變器電壓與動力電池電壓差值小于30 V時預充過程完成，高壓正繼電器閉合；最后高壓預充繼電器斷開，電動泵上電過程完成，VCU向逆變器發(fā)送的使能信號置1，電動油泵開始工作。

電動泵總成的下電流程為：首先，當整車點火開關置LOCK檔時，整車給逆變器提供KL30電，VCU向逆變器發(fā)送的使能信號置0，逆變器停止工作；然后高壓正繼電器和高壓負繼電器相繼斷開，逆變器電壓開始下降；當逆變器母線電壓下降到60 V以下的安全電壓后，逆變器內部將KL30電切斷，逆變器下電過程結束。

電動油泵總成上電時序為先低壓上電后高壓上電，下電時序為先高壓下電后低壓下電，下電前先完成對高壓系統(tǒng)的卸載，避免了因錯誤上下電流程造成的逆變器和高壓回路的損害[2，3]。另外，其高壓上電包含預充電過程，有效防止了高壓電路上電瞬態(tài)的電流沖擊[4]；其工作啟動受VCU使能信號的控制，避免了逆變器通過預充回路工作產生的大電流燒壞預充電阻。

3.2 轉速控制策略

電動泵總成轉速控制策略包括目標工作轉速的確定和電機轉速控制策略兩部分。VCU采用轉速模式對油泵電機進行控制，依據轉向器工作流量要求、轉向泵的流量特性和整車車速確定電動泵目標工作轉速。通過油泵電機控制系統(tǒng)調節(jié)電機實際轉速與目標轉速保持一致，使得轉向泵為轉向系統(tǒng)輸出穩(wěn)定合適的工作流量。

3.2.1 目標工作轉速確定

依據表1轉向器最小工作流量要求并考慮液壓回路的流量損失，轉向泵滿載開啟流量14.5 L/min相當于轉向系統(tǒng)所要求最小工作流量，因此合理設計電動泵工作轉速，使轉向泵輸出流量維持在滿載開啟流量，既可以滿足轉向系統(tǒng)流量需求又能降低總成能量消耗，防止油溫過高。

由表1可知，轉向泵最大工作壓力隨車速的增加而降低；由式（1）可知，在轉向泵排量和泄漏系數不變的前提下，隨最大工作壓力的降低，工作轉速適當降低也能使轉向泵輸出滿載開啟流量。因此首先設定電動泵目標工作轉速隨車速的增加而降低，然后依據轉向泵流量特性曲線初步確定工作壓力分別為13.5 MPa、8 MPa、4 MPa時轉向泵輸出滿載開啟流量所對應的轉速，最終由不同車速V區(qū)間內的實車標定結果確定電動泵的目標轉速n：

3.2.2 電機轉速控制策略

圖6為油泵電機轉速工作模式控制策略框圖，為轉速電流雙閉環(huán)控制結構。電機轉速控制過程為：外環(huán)將VCU發(fā)送的目標工作轉速ω*與電機實際轉速ω的差值輸入速度調節(jié)器，輸出q軸電流指令值I*q；內環(huán)采用I*d=0控制策略，通過d軸和q軸電流控制器使實際Id、Iq跟蹤指令值和，從而實現對電機轉速的調節(jié)。

圖6中，速度調節(jié)器、d軸電流控制器、q軸電流控制器都是PI調節(jié)器。Clark變換為三相平面坐標系UVW向兩相平面直角坐標系α β的轉換；Park變換及其逆變換是兩相靜止直角坐標系α β與兩相旋轉直角坐標系dq之間的轉換[5]。油泵電機變頻調速控制系統(tǒng)中采用的脈寬調制技術是空間矢量脈寬調制（SVPWM）。此外，油泵電機控制系統(tǒng)還需要對旋轉變壓器信號進行解析，其解算輸出的轉子位置信號用于坐標變換，實際轉速信號用于轉速閉環(huán)控制。

3.3 故障處理策略

油泵電機及逆變器的故障碼和故障等級通過CAN?Bus上傳給整車控制器VCU和整車儀表，在油泵電機系統(tǒng)進行功率限制或發(fā)生嚴重故障時，整車能采取合理的處理策略以保障行駛的安全性和高壓電氣安全。

表4為油泵電機及逆變器故障類型及整車處理機制，由表4可知，逆變器通過CANBus上傳給VCU的故障有12種，按照故障等級可分為一般故障和嚴重故障。發(fā)生嚴重故障時油泵電機及逆變器將停機，出現一般故障時油泵電機及逆變器將降功率運行。

表4 油泵電機及逆變器故障類型及整車處理機制

依據具體故障造成的后果，整車將采取如下故障處理策略：

a.針對電機及逆變器過溫報警，逆變器自身已經進行了功率限制，此時整車液壓助力轉向能力受限制，整車通過儀表提示駕駛員謹慎操作；

b.針對硬件檢測相電流過流、母線欠壓、母線過壓、逆變器過溫故障、CAN通訊故障、堵轉、過載、電機過溫故障等，油泵電機及逆變器停機，整車失去液壓助力轉向能力，通過VCU進行車速限制并提醒駕駛員謹慎行駛；

c.針對母線過流、功率模塊故障，考慮到對逆變器自身和高壓回路的保護，整車通過VCU對逆變器立即采取高壓下電處理，同時限制車速并提醒駕駛員謹慎行駛。

4 臺架試驗驗證

4.1 試驗方法

為驗證電動泵總成性能，在轉向試驗臺（圖7）上進行了加載試驗。試驗方法為：驅動油泵電機以一定轉速運轉，將液壓擺動油缸（簡稱擺缸）載荷分別調整為1 000 N·m、2 000 N·m、3 000 N·m、4 000 N·m、5 000 N·m、6 000 N·m，以角速度分別為20°/s、40°/s、60°/s、80°/s驅動轉向傳動軸進行幅值為900°的正弦轉向。通過臺架數據采集系統(tǒng)記錄轉向角、轉向扭矩、轉向器進油口壓力；通過CANBus采集電機轉速、電機扭矩、逆變器母線電流、母線電壓。

4.2 試驗結果分析

圖8和圖9為擺缸載荷為6 000 N·m、自動轉向裝置最大轉向角速度為80（°）/s、電動泵目標轉速為1 050 r/min試驗條件下，1個轉向周期內的試驗結果。

由圖8和圖9可看出：

a.轉向泵工作壓力為14 MPa左右，達到實車原地轉向最大工作壓力；加載過程中，逆變器母線電壓（380 V）、母線電流（17 A）、電機驅動扭矩（50 N·m）、轉速（1 050 r/min）持續(xù)60 s以上保持不變，因此電動油泵能夠滿足液壓動力轉向器最大扭矩輸出能力要求。

b.因自動轉向裝置直接測量轉向管柱轉動扭矩，且中間傳動軸安裝方位與實車會存在一定差異，所以轉向扭矩存在一定的波動，但其數值保持在8～10 N·m范圍內，可滿足駕駛員原地轉向力矩要求。

c.油泵電機在轉向泵滿載工況下以1 050 r/min轉速持續(xù)運轉60 s以上，轉向泵輸出流量為滿載開啟流量，因此電動泵總成可以滿足滿載工況下轉向器流量要求。

5 結束語

a.依據轉向泵額定工作壓力、峰值工作壓力、壓力與驅動扭矩特性曲線、滿載開啟轉速等，可確定油泵電機額定工作扭矩、峰值工作扭矩、額定工作轉速。

b.為保障整車高壓電氣安全，電動泵上電時序應為先低壓上電后高壓上電，下電時序應為先高壓下電后低壓下電，下電前應先完成高壓系統(tǒng)的卸載；高壓上電應包含預充電過程，預充電完成后才能啟動總成工作。

c.在滿足轉向器流量要求的前提下，可以隨車速的增加適當降低電動泵工作轉速，以減少總成能量消耗，降低轉向油溫。

d.在電動泵總成發(fā)生一般故障時，整車應及時通過儀表提醒駕駛員謹慎行駛；情況嚴重時整車控制器還應采取限制車速、下高壓電等措施來保障整車行駛安全和高壓電氣安全。

1 王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動（第2版）.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

2 肖巖，何彬.插電式四驅強混汽車整車控制策略開發(fā).汽車科技，2012（4）:20～26.

3 王晨，張彤，于海生.混合動力汽車上下電控制策略研究.汽車電器，2011（10）:14～17.

4 宋炳雨.純電動汽車高壓電安全管理系統(tǒng)的研究與設計：[學位論文].淄博：山東理工大學,2011.

5 王曉明.電動機的單片機控制（第2版）.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年1月12日。

Study On Assembly Parameter Matching and Control Strategy of Electric Steering Pump

Wu Hao,Tian Xiaochuan,Zhao Ziliang
（China FAW Corporation R&D Center）

Parameter matching and control strategy of electric steering pump are critical technologies of electrohydraulic steering system.In this paper,CA6121URBEV2 pure electric bus serves as a platform,rated torque,peak torque and rated speed of the driven motor are defined according to basic parameters and working characteristics of the steering pump.The power ON-OFF strategy,speed control strategy and fault handling strategy of the electric pump assembly are developed to assure the safety of high voltage electrical system,vehicle driving safety and reduction of energy consumption of the assembly.Bench tests have been carried out,which verify that parameter matching of the electric steering pump assembly is reasonable and the control strategies are feasible.

Electric steering pump,Parameter matching,Control strategy

電動轉向油泵總成 參數匹配 控制策略

U463.4

A

1000-3703（2015）06-0026-05