CN101841288A - 基于电流控制的车用电机的运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于电流控制的车用电机的运动控制方法，将电机控制和电动汽车的运动控制进行了结合，具体是通过一种基于滑移率控制的直接PWM控制的方法，其是通过将参考滑移率作为控制对象，直接对电动汽车电机控制器的PWM占空比进行调节，从而达到了对电机的转矩快速的控制，最终实现对滑移率的快速控制。与传统的牵引力控制中以转矩作为控制量调节滑移率改善汽车打滑现象的方法相比，本发明的特点是防滑控制的调节与外部转矩指令具有同样的响应时间，具有更加快速的动态响应特性，能明显提高电动汽车的动态性能和运动稳定性，有效抑制车辆在加速、低附着系数路面的车轮打滑的现象。

Description

基于电流控制的车用电机的运动控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，涉及电动汽车的车用电机的运动控制方法，特别是电动汽车的具有牵引力控制功能的控制。

背景技术

永磁无刷电机具有结构简单、功率密度高的特点，其转矩特性与直流电机一样，具有调节控制方便、调速范围宽、动态响应快等优点，非常适合于电动汽车应用中。

车辆的运动控制，是根据车辆运行过程中车辆的滑移率对汽车动力系统的输出转矩进行控制，使得车辆运行于稳定的状态。目前的电动汽车用的牵引力控制系统是在传统的内燃机汽车的基础上发展得到的。比起传统内燃机汽车的发动机转矩控制困难、成本高等不利因素，在电动汽车中，由于采用了电机，电机具有转矩可控性好，而且控制简单，控制响应速度快、不需要增加附加装置等特点，因此越来越受到重视。

目前的电动汽车牵引力控制系统其控制原理是通过检测驱动轮以及从动轮的速度得到汽车运行的滑移率，进而作为控制电机控制器的参考控制量对电机的输出转矩进行控制。该方法需要先确定目标滑移率，并根据滑移率控制电机控制器的目标控制转矩，再由电机控制根据目标转矩对输出占空比进行控制，实现对驱动电机的转矩控制。该方法需要至少两个以上的控制环，由于控制环节都具有惯性延时的特性，因此，该控制方法一定程度上影响了系统的响应速度，使得系统的动态性能受到影响。

下面对牵引力控制系统的原理做详细说明：

汽车行驶过程中牵引力的产生来自于车轮与路面之间的黏着传递，而汽车所受到的最大牵引力又受到车轮与路面之间最大黏着系数的限制。而最大黏着系数则是由路面以及汽车轮胎所决定的。一般来说，仅考虑路面状态对黏着的影响。当车轮上所发挥的牵引力大于路面所能提供的最大黏着力时，车轮就会发生空转(滑移)。(制动情况也是类似。)此时，黏着摩擦将过渡到滑动摩擦，此时力的传递将急剧减小。对于电动汽车来说，对其车轮进行受力分析，如图5所示。忽略风阻：

$F_m-F_d=M_w\frac{{\mathrm{dV}}_w}{\mathrm{dt}}$

描述车辆滑移率有：

$\mathrm{\λ}=\frac{V_{\mathrm{\ω}}-V}{V_w}$

其中，F_m，F_d，M_w，V_w，V分别为电机提供的驱动力，路面提供的牵引力，车轮质量，车轮线速度和车速。

而车辆的牵引力是由路面的黏着力提供，用黏着系数表示

$\mathrm{\μ}=\frac{F_d}{N}$

N为车辆的载荷，而黏着系数μ是由车轮的滑移率λ决定，其曲线图如图6所示，对应的不同路况下，黏着系数μ和滑移率λ的关系。从图中可以看出，随着滑移率从0增加，黏着系数逐渐上升，与此同时，侧滑力逐渐下降，随着黏着系数达到最大值，如果滑移率进一步增加，侧滑力与黏着力快速下降，此时汽车处于不受控制状态，使得安全性大大降低。因此，需要把滑移率控制在图示阴影部分，使得汽车具有良好的可靠性和安全特性的同时并具有良好的加速性能。

因此，为了控制滑移率，传统的牵引力控制方法是通过减小电机的牵引转矩Fm，使得车轮转速降低，减小轮胎与路面的滑移率，使车辆运行在稳定区域(图6中阴影区域)。

传统的牵引力控制系统的结构框图如图7所示，一般地，牵引力控制系统根据计算得到的滑移率，与目标滑移率(通常在0.1-0.3之间的某一常数，该值以最保守的路面情况(比如冰面)作为参考量)进行比较，将比较结果通过调节器得到参考转矩，以保证汽车在各种路面均能安全行驶，但是以最保守的滑移率作为所有路面的滑移率的控制目标，其带来的问题是性能将会受到影响。该参考转矩作为电动汽车电机控制器的参考输入量，经过反馈转矩进行比较后通过调节器得到参考电流控制量，并与反馈电流进行比较，将比较差值进行调节器调节后，得到PWM占空比，最后输出给逆变器以驱动电机。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于电流控制的车用电机的运动控制方法，将电机控制和电动汽车的运动控制相结合，该方法将牵引力控制与电机控制进行融合，使得在已有实现的牵引力控制器的控制方法上对系统结构进行简化，提高系统的响应速度，降低系统的超调和震荡。该方法是通过一种新的基于滑移率控制的直接PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)的控制方法，实现更有效、更快速的车辆的运动控制，保证电动汽车运行的安全性。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明是将电机控制和电动汽车的运动控制进行了结合，具体是通过一种基于滑移率控制的直接PWM控制方法。通过将参考滑移率作为控制对象，直接对电动汽车电机控制器的PWM占空比进行调节，从而达到了对电机的转矩快速的控制，最终实现对滑移率的快速控制。

一种车用电机的运动控制方法，其包括以下步骤：

1)检测车辆驱动轮及从动轮的转速，计算车辆的滑移率及路面的黏着系数；

2)根据步骤1)中的计算结果建立黏着系数-滑移率特性曲线，得出当前路况下不打滑最大滑移率；

3)计算驾驶员需求黏着系数，根据步骤2)中的黏着系数-滑移率特性曲线，得到对应的驾驶员等效转矩滑移率；

4)将步骤2)中的不打滑最大滑移率和步骤3)中的驾驶员等效转矩滑移率取小，作为电机给定等效转矩滑移率；

5)电机给定等效转矩滑移率与步骤1)计算得到的车辆滑移率进行求差，差值进行滑移率调节器控制后得到电机的电流控制参考值，该参考值与电机电流反馈值进行比较后，通过电流调节器对输出给逆变器的PWM的占空比进行调节。

进一步，在车辆驱动轮及从动轮安装转速传感器，根据

分别计算得到车辆滑移率λ和路面黏着系数μ。

根据

计算驾驶员需求黏着系数。

根据

计算δ，若δ＞0则说明处于稳定区域，若δ＝0说明位于临界稳定状态，若δ＜0则说明车辆处于不稳定区域，从而确定步骤2)中当前路况下不打滑允许的最大的滑移率。

由于采用了上述方案，本发明与传统的电动汽车牵引力控制系统相比，具有以下优点：

传统的牵引力控制系统将电动汽车牵引电机的输出转矩作为控制对象，实现对电动汽车滑移率的控制。其具体做法是根据给定的参考滑移率，经过滑移率调节器得到电动汽车的参考转矩，再根据该参考转矩作为电动汽车中的电机控制器的参考输入对逆变器的占空比进行调节，最终实现对电机转矩的控制达到控制滑移率的效果。而本发明则是直接将滑移率作为控制对象对电机进行控制，通过滑移率闭环控制直接实现对电机的占空比的调节，省去中间滑移率调节器对电机控制器转矩调节的控制环，与传统牵引力控制系统相比，由于直接将滑移率对逆变器输出占空比进行调节控制，减少一个中间环节——滑移率转矩调节器，使得整个控制系统更加简单，提高了系统的响应速度以及稳定性。

附图说明

图1为本发明方法的系统结构图。

图2为本发明的滑移率/附着系数计算模块示意图。

图3为具有滑移率-电机电流(PWM)直接控制系统流程图。

图4为具有滑移率-电机电流(PWM)直接控制系统图。

图5为电动汽车驱动轮受力分析图。

图6为黏着系数-滑移率曲线图。

图7为传统牵引力控制方法控制框图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本方法将运动控制与电机控制进行结合，其具体原理是：系统根据转速传感器2信息通过滑移率计算模块3得到汽车运行状态-滑移率和黏着系数；在辨识模块4中根据计算结果对路况进行辨识，得到该路况最大滑移率；驾驶员转矩需求1通过黏着系数转换模块5转换成驾驶员需求黏着系数，再根据路面辨识模块4进行查表6得到驾驶员转矩等效滑移率，在最优滑移率决策模块7中根据辨识模块得到的最大滑移率进行综合优化决策，最终给出最优滑移率；电机控制模块8根据最优滑移率决策模块得到的最优滑移率经过调节器得到占空比输出给电机逆变器9。

其中，转速传感器2安装在四个轮子上，滑移率、黏着系数计算模块根据转速传感器的信息计算得到滑移率和黏着系数，该模块具体实现如下：

如图2所示为滑移率、黏着系数计算模块3，其实现的功能是通过检测驱动轮和从动轮的转速反馈，计算得到车辆的事实滑移率，并得到路面黏着系数的预估值。

计算模块原理具体为：

由于车身速度传感器难以安装，而且成本较高，因此采用测量从动轮速度对车身速度进行替代，因此上式可以变换得到

路面的黏着系数的计算可以根据从动轮的车速得到，具体公式为

而又有

因此，黏着系数可以用以下公式求取

辨识模块根据黏着系数、驱动轮滑移率计算得到

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\Δ\λ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{k+1}-{\mathrm{\μ}}_k}{{\mathrm{\λ}}_{k+1}-{\mathrm{\λ}}_k}$

根据该δ的值以及滑移率λ的值进行判断车辆是否运行在稳定区域，若δ＞0则说明处于稳定区域，若δ＝0说明位于临界稳定状态，若δ＜0则说明车辆处于不稳定区域。并根据事先对各种路面的μ-λ实验数据确定车辆运行在何种路况，得到黏着系数-滑移率特性曲线，并根据前面的表格得到该路况下不打滑允许的最大的滑移率。

驾驶员需求黏着系数转换模块5计算公式如下

驾驶员的转矩需求除以车辆的负荷N得到驾驶员需求的黏着系数，该黏着系数根据上面得到的黏着系数-滑移率特性曲线，进行查表，进一步得到该黏着系数对应的滑移率，成为驾驶员“等效转矩”滑移率。该滑移率与不打滑允许的最大的滑移率进行取小操作，得到电机给定“等效转矩”滑移率。

等效转矩滑移率与前面计算得到的车辆行驶的滑移率反馈值进行求差，差值进行滑移率调节器控制后得到电机的电流控制参考值，该参考值与电机电流反馈值进行比较后，通过电流调节器对输出给逆变器的PWM的占空比进行调节。从而实现基于整车的滑移率的运动控制。由于电机控制器的电流与电机控制器的转矩输出成正比，而电机控制器的转矩输出又等于牵引力的大小，牵引力的大小/车重＝车辆的粘着系数，而黏着系数又是由滑移率进行控制的。因此通过控制电机电流可以实现对滑移率的控制，达到改变黏着系数。

整个系统的结构图如图4所示。

本发明提出了一种基于以电动汽车滑移率为控制目标的直流无刷电机驱动控制方法和新型电机控制结构，在该控制方法中，提出了一个转矩等效电流的概念，并用给定转矩等电流的概念代替原来电机驱动控制中的给定转矩，该概念的好处是把驾驶员的需求转矩与反映轮胎-路面关系和车辆运动性能的滑移率相结合，并直接通过控制电机电流(占空比)来实现车辆的动力学/运动学控制。

如何将驾驶员需求与车辆运动学性能的结合，涉及两个方面的问题，(1)是将驾驶员转矩需求转换为驾驶员“转矩等效”电流，(2)是车辆运行过程中滑移率的检测(包括检测方法、路面黏着系数-滑移率特性的检测)以及最大允许滑移率确定，进一步转化为最大等效转矩和最大滑移率等效电流。在此基础上，将上述两个等效电流综合确定给定“等效电流”电机参考控制量闭环控制车辆的输出力矩。

与传统的牵引力控制中以转矩作为控制量调节滑移率改善汽车打滑现象的方法相比，本发明的特点是防滑控制的调节与外部转矩指令具有同样的响应时间，具有更加快速的动态响应特性，能明显提高电动汽车的动态性能和运动稳定性，有效抑制车辆在加速、低附着系数路面的车轮打滑的现象。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种车用电机的运动控制方法，其特征在于：将参考滑移率作为控制对象，直接对电机控制器的PWM占空比进行调节，从而对电机的转矩快速的控制，实现对滑移率的快速控制。

2.如权利要求1所述的车用电机的运动控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)检测车辆驱动轮及从动轮的转速，计算车辆的滑移率及路面的黏着系数；

2)根据步骤1)中的计算结果建立黏着系数-滑移率特性曲线，得出当前路况下不打滑最大滑移率；

3)计算驾驶员需求黏着系数，根据步骤2)中的黏着系数-滑移率特性曲线，得到对应的驾驶员等效转矩滑移率；

4)将步骤2)中的不打滑最大滑移率和步骤3)中的驾驶员等效转矩滑移率取小，作为电机给定等效转矩滑移率；

5)电机给定等效转矩滑移率与步骤1)计算得到的车辆滑移率反馈值进行求差，差值进行滑移率调节器控制后得到电机的电流控制参考值，该参考值与电机电流反馈值进行比较后，通过电流调节器对输出给逆变器的PWM的占空比进行调节。

3.如权利要求2所述的车用电机的运动控制方法，其特征在于：在车辆驱动轮及从动轮安装转速传感器，根据

分别计算得到车辆滑移率λ和路面黏着系数μ。

4.如权利要求2所述的车用电机的运动控制方法，其特征在于：根据

计算驾驶员需求黏着系数。

5.如权利要求2所述的车用电机的运动控制方法，其特征在于：根据

计算δ，若δ＞0则说明处于稳定区域，若δ＝0说明位于临界稳定状态，若δ＜0则说明车辆处于不稳定区域，从而确定步骤2)中当前路况下不打滑允许的最大的滑移率。

Images