電動汽車主動減振控制方法與流程
本發明涉及一種電動汽車主動減振控制方法。
背景技術：
隨著全球汽車保有量不斷增加，汽車尾氣排放引起的環境污染越來越嚴重，同時燃油大量消耗也加速了石油資源的枯竭，而在能源緊缺、環境惡化的形勢下,加快發展節能環保的新能源汽車已迫在眉睫。新能源汽車作為傳統汽車的一種替代產品已是大勢所趨,并受到世界各國政府與車企的認可與重視。新能源汽車一般有多個動力源，以混合動力汽車為例，車輛的驅動力來自發動機和電動機，二者既可以單獨驅動也可以聯合驅動。為了降低排放，提高燃油經濟性，發動機需要怠速停機，而在進入發動機高效區后，則需要啟動發動機，在這種起動和停機過程中就可能會造成車輛抖動，導致舒適性下降。另一方面，由于驅動電機的轉矩響應速度明顯高于發動機，當較大的轉矩階躍施加到動力傳動系上時也可能造成共振，導致車輛抖動。
因此，專利“一種純電動汽車消除車輛抖動的控制方法”(申請號：201410435003.8)提出基于轉速濾波和變參數PID的控制算法以解決純電動汽車抖動問題，具體方法是對電機實際轉速信號MotSpd和濾波后的轉速MotSpdFil做差，然后對該轉速差進行PID控制，生成轉矩補償信號TqCorr并疊加到需求轉矩TqDrvReq上，通過抑制電機轉速波動從而達到整車防抖動目的。該專利從原理上可以達到消除車輛抖動的目的，但問題是其轉矩補償信號TqCorr是通過整車控制器計算的，它需要接收轉速信號并發送轉矩指令給電機控制器，由于電機轉速是快速變化的信號，整車控制器與電機控制器間的通信周期以及轉矩補償運算造成的延時將導致控制效果大打折扣；另外，傳動系的共振頻率一般較低，抖動多發生在低車速范圍，因此，低車速范圍的抖動抑制是必要的，但是該專利并未對轉速范圍進行限定，所以在高車速段將導致電機轉矩的高頻波動，影響整車舒適性，導致電機損耗增加和系統效率降低。
專利“一種扭矩補償方法及裝置”(申請號：201410274023.1)提出一種根據電機轉速變化率正負計算補償扭矩的控制方法，該方法對100ms內的轉速變化率進行計算，然后判斷變化率正負和閾值，如果變化率的絕對值超過1200則相應補償2～5Nm。該專利的控制目標是電機的加速度為零，在加速度不為零的情況下則施加補償扭矩，因此其只適用于固定轉速工作點的應用場合，而不適用于頻繁加減速的整車工況。
專利“一種純電動汽車起步抖動的抑制方法”(申請號：201410274023.1)提出一種增大電機響應整車期望力矩的步長，同時增加轉速反饋環節對整車期望力矩進行修正方法，達到抑制起步抖動并兼顧整車加速性的目的。該專利的轉速反饋環節需要通過整車阻力力矩和牽引力矩來計算整車加速力矩，恰恰是整車阻力力矩是難以計算和測量的，導致整個傳動系統模型不可用。另外，該方法需建立準確的傳動系數學模型，由于傳動系部件較多，各部件參數和特性與工作環境以及使用時間有關，難以建立適用于整個生命周期的準確模型。因此，這種方法對整車抖動的抑制作用將由于整車阻力力矩無法估算以及傳動系數學模型不準確而大打折扣。
專利“消除電機驅動車輛低速抖動的控制系統”(申請號：201210561297.X)提出一種將車輛特性描述成一階阻尼積分環節，電機控制器輸出信號疊加擾動信號后輸入到整車特性模型，根據整車速度信號和濾波后的信號計算抖動補償力矩，與接收到的整車控制指令疊加后輸入到電機控制器形成閉環控制，達到抑制車輛低速抖動的問題。該專利的控制方法關鍵在于車輛的轉動慣量和阻尼系數的識別與測量，而整車的動力傳動系部件多、離合器結合或分開或者不同檔位下慣量和阻尼均變化，因此該方法在實際使用中將存在較大的限制，將影響抖動抑制的效果。
專利“用于直驅電動車的主動減震系統及方法”(申請號：201410082343.7)提出在整車上安裝加速度傳感器實時采集整車加速度，通過PID控制整車加速度在參考加速度附件，從而獲得各驅動輪的補償力矩，疊加到原始力矩上達到主動減震的目的。該專利的問題在于需要增加額外的加速度傳感器，增加了整車的成本。
以上專利都針對整車抖動提出了解決方案，但是有的受限于通信時間延遲、有的受限于工況、有的受限于精確的傳動系數學模型和參數、有的受限于成本都使整車抖動抑制作用不能有效發揮，未能解決發動機頻繁起停或者大扭矩階躍造成的電動汽車傳動系共振問題。
技術實現要素：
本發明提出一種電動汽車主動減振控制方法，解決發動機頻繁起停或者大扭矩階躍造成的電動汽車傳動系共振問題，有效改善低速抖動。
本發明的目的通過以下技術方案實現：
一種電動汽車主動減振控制方法，包括電控系統、主動減振控制模塊、加法模塊、電流控制模塊、逆變器、能量系統、電流傳感器、電機、位置傳感器和轉速計算模塊，所述的能量系統提供電能和電壓給逆變器以驅動電機；其步驟如下：
第一步：位置傳感器檢測電機轉子的絕對位置θ，轉速計算模塊根據位置傳感器的輸出信號θ計算電機轉速ω；
第二步：主動減振控制模塊接收電控系統發出的Enable使能信號和轉速計算模塊輸出的速度信號ω，判定是否進行主動減振控制，根據補償轉矩初值Tci和定標因數f的乘積計算補償轉矩Tc，由加法模塊和電控系統接收；
第三步：加法模塊對電控系統發出的轉矩指令T*和主動減振控制模塊輸出的補償轉矩Tc進行疊加得到轉矩參考Tref，輸出到電流控制模塊；
第四步：電流控制模塊根據轉矩參考Tref生成電流指令，根據電流傳感器輸出的電機的相電流ia和ib以及位置信號θ進行電流閉環控制，最后輸出低壓信號級脈沖寬度調制信號到逆變器。
所述的主動減振控制模塊包括速增益模塊、低通濾波器模塊、加減法模塊、補償轉矩初值計算模塊和定標因數模塊；
所述的轉速增益模塊的輸入是電機轉速ω，根據增益系數k對電機轉速ω進行等比例放大或者縮小生成轉速ωk，見公式(1)，然后分別輸入到低通濾波器模塊和加減法模塊中。
ωk＝k*ω (1)
所述的低通濾波器模塊對ωk進行低通濾波生成轉速信號ωlpf，濾波器的截止頻率設定應不大于傳動系的共振頻率，且是一個可標定量；
所述的加減法模塊用ωlpf和ωk做差生成轉速差信號ωe，該信號本身是一個波動的信號，輸出到補償轉矩初值計算模塊，見公式(2)。
ωe＝ωlpf-ωk (2)
所述的補償轉矩初值計算模塊根據轉速差信號ωe計算補償轉矩初值Tci并限幅，補償轉矩初值計算可以是線性等比例方式，見公式(3)。
其中，B為補償轉矩初值的限幅值，當轉速差信號ωe大于等于A或者小于-A時，補償轉矩初值Tci被分別被限定為B和-B，限幅值B是一個可標定的量。當轉速差信號ωe在A和-A之間時，補償轉矩初值Tci與轉速差信號ωe呈線性正比例關系，比例系數是B/A。
所述的定標因數模塊根據電機轉速ω和定標因數f計算補償轉矩初值Tc，在0到ωlow轉速范圍內定標因數f等于1，從ωlow到ωhigh轉速范圍內定標因數f由1線性下降到0，大于ωhigh轉速后定標因數f等于0，具體的轉速閾值ωlow和ωhigh根據實車驗證效果進行標定，見公式(4)。
所述的逆變器由功率電子器件和相應的驅動構成，并提供高壓功率級PWM給電機定子繞組，其中，功率電子器件可以是絕緣柵型場效應管(IGBT)或金屬氧化物場效應管。
所述的電控系統包括不同的傳感器、電控單元或者至少有一個可以執行運算指令的處理器或者存儲器，電控系統也可以和其他的車輛控制單元相連接。電控系統的功能是生成轉矩指令T*和Enable使能信號，接收主動減振控制模塊發出的補償轉矩Tc，轉矩指令T*用于控制電機輸出轉矩，Enable使能信號用于控制是否使能主動減振控制模塊，接收補償轉矩Tc的目的在于對下一輪輸出轉矩T*進行閉環計算。
所述的主動減振控制模塊接收電控系統發出的Enable使能信號和轉速計算模塊輸出的速度信號ω，判定是否進行主動減振控制，計算補償轉矩Tc并根據定標因數f對其進行限制。
所述的加法模塊功能是根據公式(5)對電控系統發出的轉矩指令T*和主動減振控制模塊輸出的補償轉矩Tc進行疊加得到轉矩參考Tref，輸出到電流控制模塊。
Tref＝T*+Tc (5)
所述的電流控制模塊根據轉矩參考Tref生成電流指令，根據電機的相電流ia和ib以及位置信號θ進行電流閉環控制，最后輸出低壓信號級脈沖寬度調制信號(Pulse Width Modulation，PWM)到逆變器。
所述的能量系統提供電能和電壓給逆變器以驅動電機，能量源可以是電池、燃料電池、超級電容或者其他形式的電源。
所述的電流傳感器用于檢測電機相電流，電流傳感器類型可以是非接觸式的磁感應電流傳感器、也可以是接觸式測量的電阻式電流傳感器。
所述的電機是一個三相交流電機或者其他多相電機，具備定轉子，電機類型可以是永磁同步電機、交流異步電機或開關磁阻電機。
所述的位置傳感器用于檢測電機轉子的絕對位置θ，位置傳感器類型可以是旋轉變壓器，也可以是能夠測量轉子絕對位置的光電編碼器或者霍爾位置傳感器。
所述的轉速計算模塊根據位置傳感器的輸出信號θ計算電機轉速ω。
本發明的有益效果如下：
一般情況下，整車的傳動系共振頻率較低且在低車速范圍內的共振對舒適性影響較大，因此，有必要根據不同轉速范圍選擇定標因數f，在低速區定標因數f設定為1，將對整車實施較強的抖動抑制作用，可以有效改善低速抖動問題；相反在高速區不易引起整車共振，因此，定標因數f設定為0，即使產生共振經過傳動系濾波后其影響也可接受；另外，在低速和高速的過渡區，定標因數f線性下降可使轉矩補償過程平滑過渡，不至于產生振蕩。在補償轉矩計算方面是通過轉速差ωe計算獲得的，一方面是補償轉矩和轉速差信號形成跟蹤補償作用，通過不同的計算公式可以使轉速差與補償轉矩形成正比例對應關系，另一方面，也可以形成非線性的對應關系，給整車系統的抖動標定提供便利；補償轉矩通過單獨的模塊計算并對幅值進行限制以保證轉矩安全，然后疊加到轉矩指令上獲得轉矩參考用于轉矩的閉環控制，在不改變基于磁場定向的矢量控制框架的情況下，實現了電流閉環控制，因此，易于集成和平臺化。
附圖說明
圖1是本發明的電動汽車主動減振控制方法原理框圖；
圖2是本發明的電動汽車主動減振控制方法的補償轉矩計算框圖；
圖3是本發明的電動汽車主動減振控制方法的補償轉矩計算流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，電動汽車主動減振控制系統包括電控系統1、主動減振控制模塊2、加法模塊3、電流控制模塊4、逆變器5、能量系統6、電流傳感器7、電機8、位置傳感器9和轉速計算模塊10，電控系統1輸出轉矩指令T*到加法模塊3，輸出Enable使能信號到主動減振控制模塊2；主動減振控制模塊2輸出補償轉矩Tc到加法模塊3；加法模塊3輸出轉矩參考Tref到電流控制模塊4；電流控制模塊4接收電流傳感器7輸出的相電流信號，接收位置傳感器9輸出的電機轉子的絕對位置θ，輸出電機控制信號到逆變器5；逆變器5輸出高壓功率級PWM給電機定子繞組；能量系統6輸出電能到逆變器5；電流傳感器7用于檢測電機相電流；電機8通過電機三相線與逆變器5相連，位置傳感器9安裝于電機8上，并輸出電機轉子的絕對位置θ到轉速計算模塊10；轉速計算模塊10輸出電機轉速ω到主動減振控制模塊2。
本發明的電動汽車主動減振控制方法，具體步驟如下：
第一步：位置傳感器檢測9電機8轉子的絕對位置θ，轉速計算模塊10根據位置傳感器的輸出信號θ計算電機轉速ω；
第二步：主動減振控制模塊2接收電控系統1發出的Enable使能信號和轉速計算模塊輸出的速度信號ω，判定是否進行主動減振控制，根據補償轉矩初值Tci和定標因數f的乘積計算補償轉矩Tc，由加法模塊3和電控系統1接收；
第三步：加法模塊3對電控系統1發出的轉矩指令T*和主動減振控制模塊2輸出的補償轉矩Tc進行疊加得到轉矩參考Tref，輸出到電流控制模塊4；
第四步：電流控制模塊4根據轉矩參考Tref生成電流指令，根據電流傳感器7輸出的電機8的相電流ia和ib以及位置信號θ進行電流閉環控制，最后輸出低壓信號級脈沖寬度調制信號到逆變器5。
所述的主動減振控制模塊2包括速增益模塊21、低通濾波器模塊22、加減法模塊23、補償轉矩初值計算模塊24和定標因數模塊25；
所述的轉速增益模塊21的輸入是電機轉速ω，根據增益系數k對電機轉速ω進行等比例放大或者縮小生成轉速ωk，見公式(1)，然后分別輸入到低通濾波器模塊和加減法模塊中。
所述的低通濾波器模塊22對ωk進行低通濾波生成轉速信號ωlpf，濾波器的截止頻率設定應不大于傳動系的共振頻率，且是一個可標定量；
所述的加減法模塊23用ωlpf和ωk做差生成轉速差信號ωe，該信號本身是一個波動的信號，輸出到補償轉矩初值計算模塊，見公式(2)。
所述的補償轉矩初值計算模塊24根據轉速差信號ωe計算補償轉矩初值Tci并限幅，補償轉矩初值計算可以是線性等比例方式，見公式(3)。
其中，B為補償轉矩初值的限幅值，當轉速差信號ωe大于等于A或者小于-A時，補償轉矩初值Tci被分別被限定為B和-B，限幅值B是一個可標定的量。當轉速差信號ωe在A和-A之間時，補償轉矩初值Tci與轉速差信號ωe呈線性正比例關系，比例系數是B/A。
所述的定標因數模塊25根據電機轉速ω和定標因數f計算補償轉矩初值Tc，在0到ωlow轉速范圍內定標因數f等于1，從ωlow到ωhigh轉速范圍內定標因數f由1線性下降到0，大于ωhigh轉速后定標因數f等于0，具體的轉速閾值ωlow和ωhigh根據實車驗證效果進行標定，見公式(4)。
所述的逆變器5由功率電子器件和相應的驅動構成，并提供高壓功率級PWM給電機定子繞組，其中，功率電子器件可以是絕緣柵型場效應管(IGBT)或金屬氧化物場效應管。
所述的電控系統1包括不同的傳感器、電控單元或者至少有一個可以執行運算指令的處理器或者存儲器。電控系統1其他的車輛控制單元相連接，電控系統1生成轉矩指令T*和Enable使能信號，接收主動減振控制模塊2發出的補償轉矩Tc，轉矩指令T*用于控制電機輸出轉矩，Enable使能信號用于控制是否使能主動減振控制模塊2，接收補償轉矩Tc的目的在于對下一輪輸出轉矩T*計算進行閉環控制；主動減振控制模塊2的主要功能是接收電控系統1發出的Enable使能信號和轉速計算模塊輸出的速度信號ω，判定是否進行主動減振控制，計算補償轉矩Tc并根據定標因數f對其進行限制。加法模塊3功能是根據公式(4)對電控系統1發出的轉矩指令T*和主動減振控制模塊2輸出的補償轉矩Tc進行疊加得到轉矩參考Tref，輸出到電流控制模塊4。電流控制模塊4根據轉矩參考Tref生成電流指令，根據電機的相電流ia和ib以及位置信號θ進行電流閉環控制，最后輸出低壓信號級脈沖寬度調制信號(Pulse Width Modulation，PWM)到逆變器5。逆變器5由功率電子器件和相應的驅動構成并提供高壓功率級PWM給電機定子繞組，其中，功率電子器件可以是絕緣柵型場效應管(IGBT)或金屬氧化物場效應管。能量系統6提供電能和電壓給逆變器5以驅動電機8，能量源可以是電池、燃料電池、超級電容或者其他形式的電源。電流傳感器7用于檢測電機相電流，電流傳感器類型可以是非接觸式的磁感應電流傳感器、也可以是接觸式測量的電阻式電流傳感器。電機8是一個三相交流電機或者其他多相電機，具備定轉子，電機類型可以是永磁同步電機、交流異步電機或開關磁阻電機。位置傳感器9用于檢測電機轉子的絕對位置θ，位置傳感器9的類型可以是旋轉變壓器也可以是能夠測量轉子絕對位置的光電編碼器或者霍爾位置傳感器。轉速計算模塊10根據位置傳感器9的輸出信號θ計算電機轉速ω。
如圖2所示，所述的主動減振控制模塊2包括轉速增益模塊21、低通濾波器模塊22、加減法模塊23、補償轉矩初值計算模塊24和定標因數模塊25。
所述的轉速增益模塊21的輸入是電機轉速ω，其功能是對電機轉速ω乘以增益系數k進行等比例放大或者縮小生成增益后的轉速ωk，具體見公式(1)，輸出到低通濾波器模塊22和加減法模塊23中。
低通濾波器模塊22對ωk進行低通濾波，生成濾波后的轉速信號ωlpf，濾波器的截止頻率設定應不大于傳動系的共振頻率，且是一個可標定量。
加減法模塊23用ωlpf和ωk做差生成轉速差信號ωe，該信號本身是一個波動的信號，輸出到補償轉矩初值計算模塊24，具體見公式(2)。
補償轉矩初值計算模塊24功能是根據轉速差信號ωe計算補償轉矩初值Tci并限幅，補償轉矩初值計算可以是線性等比例方式，如公式(3)，也可以是其他類型非線性計算方式；其中，B為補償轉矩初值的限幅值，當轉速差信號ωe大于等于A或者小于-A時，補償轉矩初值Tci被分別限定為B和-B，限幅值B是一個可標定的量。當轉速差信號ωe在A和-A之間時，補償轉矩初值Tci與轉速差信號ωe呈線性正比例關系，比例系數是B/A。
定標因數模塊25功能是根據電機轉速ω和定標因數f計算補償轉矩初值Tc，在0到ωlow轉速范圍內定標因數f等于1，從ωlow到ωhigh轉速范圍內定標因數f由1線性下降到0，大于ωhigh轉速后定標因數f等于0，具體的轉速閾值可以根據實車驗證效果進行標定，見公式(4)。
如圖3所示，本發明首先根據電機轉速范圍決策是否采取主動減振控制避免高速區的轉矩波動及效率降低的問題；其次，主動減振控制由單獨的模塊進行計算，計算出的補償轉矩與轉矩指令進行疊加得到最終的轉矩參考，獨立的功能模塊便于集成及維護，同時轉速采集及補償轉矩計算在同一控制器中完成，避免通信延遲問題。另外，補償轉矩計算通過轉速波動信號計算，不需要復雜的傳動系模型，易于實現和標定。實施步驟如下：
第一步：轉速計算模塊10根據位置傳感器9的輸出信號θ計算電機轉速ω；
第二步：主動減振控制模塊2接收轉矩指令T*和Enable使能信號；
第三步：主動減振控制模塊2判斷Enable使能信號是否等于1，如是，進入第四步；如否令Tref等于T*，返回第一步；
第四步：在主動減振控制模塊2的轉速增益模塊21中利用電機轉速ω和增益系數k計算轉速ωk；
第五步：利用低通濾波器模塊22對ωk進行低通濾波，生成轉速信號ωlpf；
第六步：根據公式(1)計算轉速差ωe；
第七步：在補償轉矩初值計算模塊24中，根據轉速差ωe計算補償轉矩初值Tci；
第八步：在定標因數模塊25中，根據轉速ω和定標因數f計算補償轉矩Tc；
第九步：加法模塊3根據轉矩指令T*和補償轉矩Tc計算轉矩參考Tref，返回第一步。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！