沙偉　郭亞子

摘 要：純電動汽車電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略軟件開發(fā)及實車標定，以整車駕乘平順無抖動為目標，研究一種電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的軟件開發(fā)并開展相應的實車標定。通過對當前電機轉(zhuǎn)速進行濾波處理建立電機目標輸出轉(zhuǎn)速，建立電機輸出扭矩的PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對電機輸出扭矩進行調(diào)節(jié)，閉環(huán)目標轉(zhuǎn)速。實車標定結(jié)果顯示，電機轉(zhuǎn)速濾波策略及電機扭矩PID調(diào)節(jié)策略組成的電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對整車傳動系統(tǒng)中電機的輸出轉(zhuǎn)速波動進行補償，消除整車抖動提升純電動汽車駕駛性，且在實車標定方面存在較大的可優(yōu)化空間。

關鍵詞：純電動汽車;駕駛性;主動阻尼控制;濾波算法;PID控制算法

1 引言

近代以來，以石油資源為主要能源的汽車行業(yè)發(fā)展為各國經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)之一。隨著近些年人類社會對節(jié)能減排的深入認識、產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展和相關政策的引導，以可再生資源為能源的新能源汽車展現(xiàn)了強勁的發(fā)展勢頭，其中又以純電動汽車的發(fā)展最為迅速、成熟[1]。

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，純電動汽車通過驅(qū)動電機對整車進行驅(qū)動，因此整車電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是其產(chǎn)業(yè)技術的核心，也是純電動汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的最大不同點之一。隨著當前純電動汽車的逐漸普及其產(chǎn)業(yè)化技術的進一步成熟，消費者對純電動汽車產(chǎn)品的要求也越來越高。由于純電動汽車采用電機作為驅(qū)動機構(gòu)，因此相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機車在動力性方面有其得天獨厚的優(yōu)勢;而隨著動力電池技術的發(fā)展，純電動汽車的續(xù)駛里程焦慮也得到極大緩解，經(jīng)濟性提升明顯;而針對用戶感受最直接和最明顯的駕駛平順性上，仍然有較大的提升空間，尤其是針對目前占據(jù)純電動汽車市場較大份額的經(jīng)濟型純電動汽車產(chǎn)品。

針對純電動汽車駕駛性開發(fā)，基于純電動汽車傳動系剛性連接、無阻尼的特殊特性及傳動系間隙存在的必然性，諸如博世anti-jerk等優(yōu)秀的控制策略已經(jīng)得到較為廣泛的應用。其中，PID作為控制領域最為成熟和廣泛應用的一種控制算法，本身在電機的轉(zhuǎn)速控制上已得到成熟的應用。但是由于整車傳動系各動力總成部件之間的動力傳動扭矩耦合關系的存在，電機內(nèi)部的PID控制策略往往不足以完全閉環(huán)整車層面的抖動表現(xiàn)。本文基于一階RC濾波算法和PID算法，建立一種通過調(diào)節(jié)電機輸出扭矩來對電機輸出轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)的電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略，并完成相關軟件開發(fā)和參數(shù)標定。

2 電機目標轉(zhuǎn)速濾波策略開發(fā)及標定

在電機控制領域，針對電機輸出轉(zhuǎn)速的控制已有大量的相關研究積累?？紤]到電機驅(qū)動負載以及整車傳動系的動力耦合、機械間隙的必然存在等因素，針對純電動汽車整車層面駕駛性開發(fā)而開展的電機輸出轉(zhuǎn)速控制，與對單一電機部件進行輸出轉(zhuǎn)速控制的臺架標定不盡相同。

2.1 電機目標轉(zhuǎn)速濾波策略開發(fā)

由于整車傳動系各個動力傳動部件間復雜的動力耦合關系，傳動部件各自難易量化的機械特性以及無法預估的機械傳動間隙的存在，提高了通過建立整車傳動系準確模型來建立電機目標輸出轉(zhuǎn)速的難度和工作量。同時，當電機轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)非期望的轉(zhuǎn)速波動時，通過調(diào)節(jié)電機輸出扭矩抑制電機轉(zhuǎn)速的后續(xù)波動，即可達到大大降低電機轉(zhuǎn)速波動在整車層面影響的目標，提升駕駛性。

因此，本文首先通過一階RC濾波算法對當前電機轉(zhuǎn)速進行濾波，得到電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略需要閉環(huán)的電機目標轉(zhuǎn)速。當電機實際轉(zhuǎn)速保持在期望內(nèi)變化時，電機轉(zhuǎn)速濾波的結(jié)果需要快速響應電機實際轉(zhuǎn)速的變化;而當電機實際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)非期望的轉(zhuǎn)速波動時，電機轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果需要對電機實際轉(zhuǎn)速的非期望波動進行平滑處理，降低轉(zhuǎn)速抖動。

一階RC濾波算法如式（2.1）所示：

TMSpeedFilterNow=（1-Prop[x]）*TMSpeedFilterLast+Prop[x]*TMSpeed（2.1）

其中，TMSpeedFilterNow表示當前電機轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果，TMSpeedFilterLast為上一周期電機轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果，TMSpeed為電機實際轉(zhuǎn)速，Prop[x]為電機實際轉(zhuǎn)速在一階RC濾波算法所占的權重。為了達到對電機轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果的期望，Prop[x]需要根據(jù)電機實際的轉(zhuǎn)速區(qū)間和波動情況進行分段和實際標定。

2.2 電機目標轉(zhuǎn)速濾波模型仿真

根據(jù)電機一階RC濾波算法，在MATLAB/Simulink中搭建電機轉(zhuǎn)速濾波仿真模型，對其進行仿真研究，驗證所建立濾波算法的可行性，并對Prop[x]進行初步的標定。一階RC濾波算法MATLAB/Simulink仿真模型如圖2.1所示：

根據(jù)對純電動汽車駕駛性開發(fā)過程的認識，當電機實際轉(zhuǎn)速波動超過30rpm/30ms時，即會引起整車產(chǎn)生抖動問題。若該波動持續(xù)多次，則整車抖動問題明顯。因此，在電機轉(zhuǎn)速一階RC濾波模型中設置相應的電機轉(zhuǎn)速信號，調(diào)整一階RC濾波算法的權重系數(shù)，觀察濾波后的結(jié)果，如圖2.2所示：

由圖示結(jié)果可知，當前一階RC濾波算法基本滿足建立電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制所需的電機目標轉(zhuǎn)速的要求。

2.3 電機目標轉(zhuǎn)速實車標定

由于純電動車汽車驅(qū)動電機是在整車的傳動系中工作的，因此為了得到具體而有效的一階RC濾波算法的系數(shù)，還需要在實車上進行具體標定。實車標定過程中，為了達到標定結(jié)果真實有效及覆蓋性廣的目的，重點針對汽車行駛的常見工況進行標定和測試。

電機轉(zhuǎn)速一階RC濾波算法在不同行駛工況下的實車標定結(jié)果如圖2.3所示：

由圖2.3可知，電機轉(zhuǎn)速一階RC濾波算法在電機未出現(xiàn)非期望的波動時，能夠較為真實的反應電機的實際轉(zhuǎn)速，最大誤差不超過150rpm;在電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較為嚴重的轉(zhuǎn)速波動時，可以較好的對其進行濾波處理，得到相對平滑變化的電機目標轉(zhuǎn)速。因此，該電機轉(zhuǎn)速一階RC濾波算法在不同行駛工況下均符合建立電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制的目標轉(zhuǎn)速的要求。

3 電機輸出扭矩PID控制策略開發(fā)及標定

PID作為一種成熟的控制算法，在各種工業(yè)領域早已得到成熟應用，包括電機內(nèi)部對其輸出轉(zhuǎn)速的控制。經(jīng)典PID控制算法分為比例、積分、微分三個部分，比例控制的輸出量與輸入偏差成正比關系，可以減小但不能完全消除偏差;積分控制的輸出變化量與輸入偏差的積分成正比關系，用于消除偏差;微分部分輸出量與偏差微分成正比，具有超前調(diào)節(jié)的作用。

3.1 電機輸出扭矩PID控制策略開發(fā)

本文基于經(jīng)典PID算法，將電機當前轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的差值作為PID調(diào)節(jié)模塊的輸入，電機扭矩調(diào)節(jié)量作為PID調(diào)節(jié)模塊的輸出量，完成電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的電機輸出扭矩PID控制模塊的開發(fā)。

其中，電機輸出扭矩PID控制系統(tǒng)的基本算法如式3.1-3.4所示：

Pidtorquecorrect=PID_Kp_Part+PID_Ki_Part+PID_Kd_Part（3.1）

PID_Kp_Part=Kp*TMSpeedErrorNow（3.2）

PID_Ki_Part=Ki*（∑TMSpeedError-

Now）（3.3）

PID_Kd_Part=Kd*（TMSpeedError-

Now_TMSpeedErrorLast）（3.4）

其中，Pidtorquecorrect表示PID調(diào)節(jié)模塊對電機當前輸出扭矩的調(diào)節(jié)部分，PID_Kp_Part、PID_Ki_Part、PID_Kd_Part為PID算法調(diào)節(jié)模塊的比例部分、積分部分和微分部分，Kp、Ki和Kd分別為比例部分、積分部分和微分部分的標定參數(shù)。

電機扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的輸出量作為電機輸出扭矩的調(diào)節(jié)一部分，會在合適的時候介入。鑒于電機轉(zhuǎn)速波動的一般范圍不超過250rpm，因此電機輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的調(diào)節(jié)扭矩幅值不需要超過30Nm;電機輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的調(diào)節(jié)扭矩幅值經(jīng)過標定后，需要在需要的時候介入電機當前的輸出扭矩對電機轉(zhuǎn)速波動進行閉環(huán)。其中，電機輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的調(diào)節(jié)扭矩介入時機如表1所示：

3.2 電機輸出扭矩PID控制模型仿真

根據(jù)電機輸出扭矩PID控制策略的開發(fā)，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，對PID控制模塊進行仿真研究，驗證所建立控制模型的可行性，并對Kp、Ki和Kd進行初步的標定。電機輸出扭矩PID控制策略的MATLAB/Simulink仿真模型如圖3.1所示：

仿真模型中部分所需參數(shù)如表2

根據(jù)表1給出的電機輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的扭矩介入策略，在仿真模型中設置相應的轉(zhuǎn)速差及電機狀態(tài)，得到PID控制模塊的仿真結(jié)果如圖3.2所示：

根據(jù)圖示給出仿真模型的仿真結(jié)果顯示，電機輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊控制策略基本滿足建立電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制所需的電機扭矩調(diào)節(jié)作用。

4 電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略開發(fā)及標定

根據(jù)對電機轉(zhuǎn)速濾波策略的開發(fā)、仿真研究和實車標定，以及對電機輸出扭矩PID調(diào)節(jié)模塊的開發(fā)、仿真研究和實車標定，最終可以建立完整的電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制的控制策略和模型，并在實車上進行標定，以驗證該控制策略的可行性。

4.1 電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制模型

電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制MATLAB/Simulink模型如圖4.1所示：

4.2 電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制模型仿真

根據(jù)2.2節(jié)和3.2節(jié)建立的仿真模型，建立電機主動阻尼控制的仿真模型。此時可以將實車采集的電機實際轉(zhuǎn)速導入仿真模型中，對仿真模型的仿真參數(shù)進行進一步的仿真標定;也可以直接將模型集成在純電動汽車整車控制器的控制模型中進行實車標定。

4.3 電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略實車標定

根據(jù)建立的純電動汽車電機主動阻尼控制模型，在實車上展開標定，主要針對純電動汽車使用過程中的正常使用工況和常見的濫用工況進行標定和驗證，具體的結(jié)果如圖4.1-4.5所示：

根據(jù)實車標定結(jié)果，本文所建立電機輸出轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的可行性得到驗證。同時，在實車上對電機輸出轉(zhuǎn)速主動阻尼控制模型的參數(shù)進行標定，并在實車上進行應用。實車標定結(jié)果顯示，當電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動以后，電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制能夠?qū)φ嚳刂破鞯碾姍C扭矩指令進行調(diào)節(jié)，抑制電機非期望的轉(zhuǎn)速波動，進而提升純電動汽車的駕乘體驗。

然而，由于整車控制器運行周期以及與CAN總線進行通訊均需要一定時間，尤其是濾波算法固有的遲滯性，因此相對于電機轉(zhuǎn)速的實際變化趨勢，電機輸出轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的調(diào)節(jié)扭矩不可避免的存在一定延遲。并且本策略只有在電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)出現(xiàn)波動的情況下，才能對電機輸出扭矩進行相應的補償。因此，本策略只能從提升整車層面的駕駛性角度，閉環(huán)電機出現(xiàn)持續(xù)的轉(zhuǎn)速波動問題。

5 總結(jié)

本文研究了一種電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略，建立了電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制MATLAB/Simulink模型，并進行了相關的實車參數(shù)標定和驗證。1）根據(jù)一階RC濾波算法建立電機輸出轉(zhuǎn)速濾波控制模型，經(jīng)過參數(shù)的實車標定，作為電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的閉環(huán)目標;2）根據(jù)經(jīng)典PID算法建立電機輸出轉(zhuǎn)速PID控制模型，經(jīng)過參數(shù)的實車標定，作為電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的調(diào)節(jié)扭矩，用來閉環(huán)電機輸出轉(zhuǎn)速的波動;3）最終，將電機轉(zhuǎn)速濾波模型和電機輸出扭矩PID控制模型整合在實車上展開標定和驗證。標定結(jié)果驗證了電機轉(zhuǎn)速主動阻尼控制策略的可行性和有效性。4）鑒于本策略目前仍然存在著明顯的信號滯后問題，后續(xù)對其開展針對性穩(wěn)定研究仍然十分必要。

參考文獻：

[1]我國電動汽車發(fā)展狀況及前景

[2]Hany M，Muyeen S.M，Tamura J.J. “Torque ripple minimization of axial laminations switched reluctance motor provided with digital lead controller”. Energy Conver Manage 2010，51：2402 -2406.

[3]Zhang，Y.，Cheng，X.，Li，H. and Liu，W.，“Research of the Hydraulic Retarder Intelligentized Control Based on Fuzzy Logic，”Journal of Kunming University of Science and Technology （Science and Technology），2007，32（5），pp.14-17.

[4]Lu，Z.，and Cheng，X.，“Simulation Research on Constant Speed Control Strategy of Hydraulic Retarder，” Automobile Technology，2009，11，pp.1-3.

[5]Li，R.，Yan，J.，Zhang，W.，“Simulation Study of the Vehicle Hydraulic Retarder，” International Journal of Control and Automation，2015，8（2），pp.263-280.

[6]Reed W H，Hill T R. Triangular mesh methods for the neutron transport equation [J]. Los Alamos Report LA-UR -73-479，1973.

[7]Choi，Y.C.，Song H.B.，Lee J.H.，Cho H.S.，“An Experimental Study for Drivability Improvements in Vehicle Acceleration Mode”，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D： Journal of Automobile Engineering，Vol 217，No. 7，2003，doi： 10.1243/095440703322115004

[8]List，H. O.，Schoeggl，P.，“Objective Evaluation of Vehicle Driveability”，SAE Technical Paper 980204，1998，doi： 10.4271/980204.

[9]Yin，D.，Oh，S. and Hori，Y. “A Novel Traction Control for EV Based on Maximum Transmissible Torque Estimation”，IEEE TRANS. IND. ELECT. 56（6）：2086-2094，2009，doi：10.1109/TIE.2009.2016507.