基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制设计

魏敦烈

(东风汽车有限公司东风日产乘用车公司，广东广州 510800)

0 引言

纯电动乘用车(pure electric vehicle，PEV)主要靠电力驱动车辆，而电能属于可再生能源，用车的成本要远远低于传统燃油车，随着政府的补贴以及新能源汽车在很多方面具有的优势，对于日常有刚需城市通勤的人来说，这些都非常有吸引力。电动车相对燃油车在动力响应上要快，但是其在提高动力性能的同时会增加明显的冲击抖动感，导致乘坐舒适性降低。因此减少其加减速过程中的冲击抖动是PEV研究的核心之一，其中PEV加减速过程中的电机转速变化是影响其冲击抖动的关键因素之一。

PEV城市运行过程中，与匀速过程相比，变加速过程扭矩存在突变，其加速度变化也更大。由于在实际道路行驶时，PEV经常需要加减速，在整个加减速过程中较大的加速度变化也会导致冲击抖动。国内外学者多通过传动机构优化和整车控制策略及扭矩控制的方法，来改变车辆的工作点。

为此，文中以某款PEV为研究对象，提出了基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制方法。目的是在整车传动机构以及整车控制器扭矩控制策略确定的条件下，通过该方法来考虑转速波动与冲击抖动之间的关系，对转速进行滤波和电机控制的输出扭矩进行补偿优化设计，降低加减速过程中的冲击抖动。该方法不需要调整车辆传动结构以及明确整车模态和振动模型，从而减少了开发难度。

1 PEV加减速冲击抖动原理

1.1 PEV加减速过程分析

根据PEV运行特点可知，在车辆加减速过程中由于传动系统并非是纯刚性且无间隙的，在这种工作状态下，它所需转矩随着加减速过程变化时，存在明显的冲击抖动，这个过程主要与其转速波动有关。文中以某款纯电动车为例，图1是其动力传动系统基本原理。由图可知，该系统主要由动力电池、驱动电机、变速器(减速器)、差速器及车轮组成，同时还包括固定驱动电机和减速器的悬置等固定机构。

图1 PEV动力传动系统基本原理

当在水平良好的路面加速行驶时，不计坡度阻力，根据行驶动力学方程，PEV加速过程中所需外力可表示为：

=--，

(1)

式中：为车辆加速所需外力；为车辆的驱动力；为车辆滚动阻力；为车辆空气阻力。

将式(1)展开可得PEV加速过程的加速度表达式为：

(2)

式中：为车辆行驶加速度；

为电机输出转矩；

、分别为变速箱、主减速器传动比；

为整车质量；

为滚动阻力系数；

为旋转质量换算系数；

为车速；

为空气阻力系数；

为车辆前部迎风面积；

为传动系统机械效率。

由式(2)可知，在其他因素不变时，电机输出不同的转矩，将使PEV具有不同的加速度，从而产生不同的加速过程。不同的转矩变化导致的加速度变化也不同，从而影响了电机转速波动以及整车的冲击抖动。

系统运行时，电机转矩响应灵敏，在驱动转矩及扰动的快速、大幅激励下极易发生传动系扭转振动。同时，电机低速转矩纹波也会加剧抖振幅度，严重影响整车驾乘舒适性。不同加速过程加速度随时间变化曲线如图2所示。

图2 不同加速过程加速度随时间变化曲线

由图2可知，在第一次急踩加速踏板时，加速度突变很大，然后有一个明显的突降，导致明显的冲击抖动，影响舒适性；除了第一次抖动，后续的急加速也有加速度变化，虽然比第一次抖动不明显，但是同样会影响舒适性。

1.2 PEV加减速转速波动与整车冲击抖动的关系

整车系统抖动是一个比较复杂的课题，在很多情况下属于电机、减速器以及整车整个传动系统方面等的内容。因此根据电动汽车概论，其第时刻的整车需求驱动力(,)可表示为：

(3)

式中：为路面倾斜角。

在已知传动比的情况下，可得车速与电机转速的关系如下：

=0377。

(4)

结合式(2)至式(4)可以看出，加速度的变化除了与驱动力有关之外，还与转速有关，同时加速度的变化又会导致冲击抖动的变化。若能够减少转速波动，可以减少加速度，进而减少冲击抖动。

因此，为解决加减速过程中动力响应快与转速波动之间的矛盾，应对其加减速过程中的扭矩进行优化设计。

2 基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制

为了实现PEV在满足动力学条件下降低转速波动，根据扭矩和加速度的关系，提出基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制优化设计方法。其基本思路是：以最小的转速波动作为目标对象，对转速进行监控，采用滤波算法，以转速波动大小进行扭矩补充。该方法不需要考虑整车模态和振动模型，只需要对转速波动进行分析。

优化的目标是使转速波动最小，由电动汽车基本原理可推出防抖模型。防抖控制示意如图3所示。

图3 防抖控制示意

该模型不需要对现有结构进行调整，也不需要考虑整车模态和振动模型，只需要对转速波动进行分析。由于不同转速段的RC低通滤波截止频率不同，因此需要根据转速分段，优化不同转速段的截止频率。

3 优化仿真设计与分析

以某款PEV为研究对象，运用基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制优化设计方法，对其加减速过程中转速波动进行优化设计，得到优化后的滤波系数和扭矩补偿。

在整车起步运行过程当中，电机和减速器之间的间隙、电机安装、共振等机械问题都有可能产生扭矩振动，通过逆变器的控制，在请求扭矩的基础上主动叠加一个反向力矩，减少整车系统在传动过程中引起的扭矩脉动。

按照基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制设计方法，结合研究对象，利用MATLAB软件，建立PEV防抖控制仿真模型。其基本框架结构主要由整车扭矩、电机转速和防抖使能等输入模块以及防抖扭矩计算模块组成。其工作原理是：以转速滤波前后的转波动量为目标输入量，再由防抖扭矩计算模块按转速波动量通过PID，计算出整车需求防抖扭矩；然后，将防抖扭矩输入到电机实际输出扭矩计算模块，经其计算与查表处理，可先后得到电机输出和。若转速波动大则补偿扭矩变大，如此循环以减少转速波动，从而起到减少抖动的效果。

4 实车测试验证

根据PEV防抖控制模型，以不同转速段的波动和滤波为输入，运用MATLAB软件对PEV防抖控制优化仿真设计，并通过代码生成转换为MCU可以编译的代码，导入控制器中进行实车标定，该系数随着车辆质量、传动系统惯量和转速段不同而需要调整。

未打开防抖控制之前，电机的请求扭矩、输出扭矩与转速波动如图4所示。

图4 未加防抖控制的电机扭矩与转速的变化曲线

可以看到输出扭矩由于有采样延迟，与请求扭矩有10 ms的偏差，但是输出扭矩完全跟随请求扭矩，这种情况下电机转速波动明显。

打开防抖控制之后，电机的请求扭矩、输出扭矩与转速波动如图5所示，可以看到加防抖控制后，由于输出扭矩在请求扭矩的基础上，加上了根据转速波动补偿的防抖扭矩，导致输出扭矩并不完全跟随请求扭矩，这种情况下电机转速在刚开始时有波动，但是波动马上就被抑制，波动明显减少，达到了降低抖动、提高舒适性的目标。

图5 加防抖控制的电机扭矩与转速的变化曲线

5 结论

(1)在加减速过程中，不同的需求扭矩对PEV的冲击抖动影响规律不一样，以转速波动最小为设计目标，提出基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制优化方法，该方法巧妙地根据转速波动对需求扭矩进行补偿，通过合理地改变电动机输出扭矩，对PEV加减速过程中的转速波动进行优化设计，来解决加减速过程中在满足动力响应前提下的舒适性问题，同时不需要对现有结构进行调整，不需要考虑整车模态和振动模型，只需要对转速波动进行分析，降低了成本。

(2)以某型号的PEV为研究对象，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用MATLAB进行优化求解，得到优化后的转速滤波系数。仿真实验表明，基于电机转速波动补偿的电动车防抖控制在满足动力响应前提下的舒适性有了很大提高，改善后的转速波动可以减少到60 r/min以下，加速度波动可以减少到0.2 g以下。因此，它为PEV的加减速过程冲击抖动提供了一种可行的控制方法。