CN102072821A - 一种新型的电动汽车测试装置 - Google Patents

Abstract

一种新型的电动汽车测试装置，由实时数据采集与控制系统部分、测功系统部分、驱动系统部分组成，其中：实时数据采集与控制系统部分主要包括：上位机、测功机控制器、测功机逆变器、驱动电机控制器、驱动电机逆变器、转速编码器、电流传感器；测功系统部分主要包括：测功机、负载边飞轮；驱动系统部分主要包括：驱动电机、驱动边飞轮。该测试装置可以根据测试需要，实时产生出各种路面条件下的动态摩擦力及力矩。该测试装置可以根据测试车辆的实际情况，通过调节驱动边与负载边的飞轮数，来实现转动惯量变更。该测试装置对于验证用于实现诸如防滑控制、牵引力控制等以辅助驾驶为目的的车辆运动控制单元具有快速、准确、直观、高效的特点。

Description

一种新型的电动汽车测试装置

技术领域

本发明涉及的是一种汽车工程技术领域的测试控制系统，具体是一种电动汽车的测试装置。

背景技术

电动汽车被广泛认为是解决汽车尾气污染和石油短缺等问题的主要途径之一。目前，对于电动汽车的研究，主要集中于能量系统层面，并认为电动汽车的推广依赖于具有成本优势的高储能装置的应用。但从控制的角度看，与传统内燃机相比，电动汽车所使用的驱动电机具有非常明显的优势与特点：如电机的力矩响应速度为毫秒级，比发动机要快10-100倍；电机可以精确地控制输出力矩；电机的力矩-速度特性天然具有无级变速的特质；电机具有小尺寸、大功率的特点。这些都使得电动汽车，特别是采用轮毂电机的电动汽车具有实现更高运动性能的可能。从而，使得电动汽车不仅更加的“清洁”和“高效”，而且也可以更加“安全”和具有更加“优良”的驾驶体验。如何验证和测试电动汽车的运动控制效果，就显得非常重要。

经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN101556308A、CN101650410A、CN101241168A等专利，公开了几种电动汽车和混合动力汽车中驱动电机的测试装置，但这些测试装置均无法在整车层面上，将驾驶员给出的驱动力与地面所产生的摩擦力系统地集成在一起，进行电动汽车运动系统的测试。因此，目前尚无一种较为成熟的以电动汽车运动控制测试为目的的装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种新型的电动汽车测试装置，该测试装置由实时数据采集与控制系统实时计算出驾驶员意图产生的驱动力与路面产生的摩擦力，通过相应的控制电路，将力矩指令值转变成三相电机电流控制信号，分别赋予驱动电机和测功机，并通过连接装置实现交互，从而得到车轮转速、车体速度、滑移率等车辆动力学性能指标。同时，为了实现和验证防滑控制、牵引力控制等辅助驾驶系统的性能，可以在该测试装置中集成车辆运动控制单元，来修正驾驶员意图产生的驱动力矩。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种新型的电动汽车测试装置，由实时数据采集与控制系统部分、测功系统部分、驱动系统部分组成，其中：实时数据采集与控制系统部分主要包括：上位机、测功机控制器、测功机逆变器、驱动电机控制器、驱动电机逆变器、转速编码器、电流传感器；测功系统部分主要包括：测功机、负载边飞轮；驱动系统部分主要包括：驱动电机、驱动边飞轮。

实时数据采集与控制系统中的上位机主要用来根据输入的路面条件(如路面/轮胎附着系数等)、车辆的实时运行状态及驾驶员的驾驶意图等得到相对应的路面产生的摩擦力矩和驾驶员所期望产生的驱动力矩，分别向测功机控制器与驱动电机控制器发出力矩控制指令，由测功机控制器和驱动电机控制器再分别产生相对应的脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)信号，输出给测功机逆变器与驱动电机逆变器，从而生成出三相电流控制信号，来分别控制测功机和驱动电机产生出所对应的力矩大小。同时，测功机控制器与驱动电机控制器需要实时采集测功机与驱动电机的三相回路电流值作为反馈控制的信号，来不断调整所产生力矩。

上位机与驱动电机控制器连接并将驱动力矩指令输出给驱动电机控制器，驱动电机控制器将驱动力矩指令转变为PWM指令并输出到驱动电机逆变器，驱动电机逆变器将PWM指令生成三相电流控制信号，并控制驱动电机旋转，驱动电机上设置有电流传感器，并且所述电流传感器连接到驱动电机控制器。

具体而言，上位机将驾驶员所期望产生的驱动力矩与用于辅助驾驶的车辆运动控制单元所产生的辅助力矩相互叠加，从而产生最终的驱动力矩指令输出给驱动电机控制器，驱动电机控制器再将力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给驱动电机逆变器，再由驱动电机逆变器生成三相电流控制信号以控制驱动电机的旋转，并通过电流传感器将驱动电机的电流值反馈回驱动电机控制器，以精确控制驱动电机的驱动力矩。

同时，上位机与测功机控制器连接并将摩擦力矩指令输出给测功机控制器，测功机控制器再将摩擦力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给测功机逆变器，再由测功机逆变器转变为三相电流控制信号以控制测功机的旋转，测功机上设置有电流传感器，并且所述电流传感器连接到测功机控制器，通过电流传感器将测功机的电流值反馈回测功机控制器。

具体而言，上位机也将实时计算路面产生的动态或者稳态摩擦力矩，力矩指令被输出给测功机控制器，测功机控制器再将力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给测功机逆变器，再由测功机逆变器将其转变为三相电流控制信号以控制测功机的旋转，并通过电流传感器将测功机的电流值反馈回测功机控制器。

转速编码器将测功机和驱动电机的速度反馈给测功机控制器、驱动电机控制器，并传递给上位机。

测功机与驱动电机通过连接装置连接，测功机和驱动电机两边可分别配重有负载边飞轮和驱动边飞轮，用来调节两边的转动惯量以实现车辆的实际状态。

在实时数据采集与控制系统中，可以集成车辆运动控制单元，通过修正驾驶员意图施加的驱动力矩，来辅助驾驶员应对路面的复杂情况，从而实现诸如防滑控制、牵引力控制等。

对于地面实时摩擦力的估计，实时数据采集与控制系统可以分别采用稳态摩擦力估计法和动态摩擦力估计法。所谓稳态摩擦力估计法，即由通过专门的摩擦测试实验台测取滑移率与摩擦系数(或摩擦力)的实验数据，拟合成经验公式，一般采用应用较为广泛的“魔术公式”(Magic Formula)。但是，为了更真实的反映出摩擦力的动态特征，可以考虑采取动态摩擦力估计法。本实时数据采集与控制系统即采用了一种集总参数、并考虑弹性-塑性预滑移的动态摩擦力估计方法。

动态摩擦力F为

$F=F_n({\mathrm{\σ}}_{0}z+{\mathrm{\σ}}_1\stackrel{\·}{z}+{\mathrm{\σ}}_2{v}_r)---\left(1\right)$

其中：F_n为轮胎的垂向载荷，σ₀为刚度系数，σ₁为阻尼系数，σ₂为粘性力系数，z为内部状态变量，v_r为车轮线性速度与车体速度差。

另外：

$\stackrel{\·}{z}=v_r-\mathrm{\α}(z,v_r)\frac{{\mathrm{\σ}}_0\left|v_r\right|}{g\left(v_r\right)}z---\left(2\right)$

$g\left(v_r\right)={\mathrm{\μ}}_c+({\mathrm{\μ}}_s-{\mathrm{\μ}}_c)e^{-{|v_r/v_s|}^{\mathrm{\η}}}---\left(3\right)$

其中：μ_c正规化库仑摩擦(Normalized Coulomb Friction)，μ_s为正规化稳态摩擦(Normalized Static Friction)，v_s为贝克相对速度(Stribeck Relative Velocity)，η系数用来描述稳态滑移率/摩擦力特性(取值范围在0.5～2之间)，α(z，v_r)为描述弹性-塑性预滑移的连续函数：

$\mathrm{\&alpha;}(z,v_r)=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|z\right|\&le;z_{\mathrm{ba}},\mathrm{sgn}\left(v_r\right)=\mathrm{sgn}\left(z\right)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_m(z,v_r),& z_{\mathrm{ba}}<\left|z\right|<z_{\mathrm{ss}},\mathrm{sgn}\left(v_r\right)=\mathrm{sgn}\left(z\right)\\ 1,& \left|z\right|\&GreaterEqual;z_{\mathrm{ss}}\left(v_r\right),\mathrm{sgn}\left(v_r\right)=\mathrm{sgn}\left(z\right)\\ 0,& \mathrm{sgn}\left(v_r\right)\&NotEqual;\mathrm{sgn}\left(z\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

即，|z|≤z_ba时为纯弹性变形，z_ba＜|z|＜z_ss为弹性变形与塑性变形的混合区，|z|≥z_ss(v_r)为纯塑性变形。其中：

${\mathrm{\&alpha;}}_m(z,v_r)=\frac{1}{2}\sin \left(\mathrm{\&pi;}\frac{z-\frac{z_{\mathrm{ss}}(v_r+z_{\mathrm{ba}})}{2}}{z_{\mathrm{ss}}\left(v_r\right)-z_{\mathrm{ba}}}\right)+\frac{1}{2}---\left(5\right)$

对于不同附着水平的路面来说，引入附着系数θ(0≤θ≤1)，使得 $\tilde{g}\left(v_r\right)=\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;g\left(v_r\right).$

本发明的有益效果是：

1.该测试装置可以根据测试需要，实时产生出各种路面条件下的动态摩擦力及力矩。

2.该测试装置可以根据测试车辆的实际情况，通过调节驱动边与负载边的飞轮数，来实现转动惯量变更。

3.该测试装置对于验证用于实现诸如防滑控制、牵引力控制等以辅助驾驶为目的的车辆运动控制单元具有快速、准确、直观、高效的特点。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明实施例的测试装置示意图

图2为本发明实施例的测试台架结构框图

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种新型的电动汽车测试装置，由实时数据采集与控制系统部分、测功系统部分、驱动系统部分组成，其中：实时数据采集与控制系统部分主要包括：上位机1、测功机控制器2、测功机逆变器4、驱动电机控制器3、驱动电机逆变器9、转速编码器7、电流传感器5；测功系统部分主要包括：测功机6、负载边飞轮10；驱动系统部分主要包括：驱动电机8、驱动边飞轮12。

实时数据采集与控制系统中的上位机1主要用来根据输入的路面条件(如路面/轮胎附着系数等)、车辆的实时运行状态及驾驶员的驾驶意图等得到相对应的路面产生的摩擦力矩和驾驶员所期望产生的驱动力矩，分别向测功机控制器2与驱动电机控制器3发出力矩控制指令，由测功机控制器2和驱动电机控制器3再分别产生相对应的脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)信号，输出给测功机逆变器4与驱动电机逆变器9，从而生成出三相电流控制信号，来分别控制测功机和驱动电机产生出所对应的力矩大小。同时，测功机控制器2与驱动电机控制器3需要实时采集测功机6与驱动电机8的三相回路电流值作为反馈控制的信号，来不断调整所产生力矩。

上位机1与驱动电机控制器3连接并将驱动力矩指令输出给驱动电机控制器3，驱动电机控制器3将驱动力矩指令转变为PWM指令并输出到驱动电机逆变器9，驱动电机逆变器9将PWM指令生成三相电流控制信号，并控制驱动电机旋转，驱动电机上设置有电流传感器5，并且所述电流传感器5连接到驱动电机控制器3。

具体而言，上位机1将驾驶员所期望产生的驱动力矩与用于辅助驾驶的车辆运动控制单元所产生的辅助力矩相互叠加，从而产生最终的驱动力矩指令输出给驱动电机控制器3，驱动电机控制器3再将力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给驱动电机逆变器9，再由驱动电机逆变器9生成三相电流控制信号以控制驱动电机8的旋转，并通过电流传感器5将驱动电机8的电流值反馈回驱动电机控制器3，以精确控制驱动电机8的驱动力矩。

同时，上位机1与测功机控制器2连接并将摩擦力矩指令输出给测功机控制器2，测功机控制器2再将摩擦力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给测功机逆变器4，再由测功机逆变器4转变为三相电流控制信号以控制测功机的旋转，测功机上设置有电流传感器5，并且所述电流传感器5连接到测功机控制器2，通过电流传感器5将测功机的电流值反馈回测功机控制器2。

具体而言，上位机1也将实时计算路面产生的动态或者稳态摩擦力矩，力矩指令被输出给测功机控制器2，测功机控制器2再将力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给测功机逆变器4，再由测功机逆变器4将其转变为三相电流控制信号以控制测功机6的旋转，并通过电流传感器5将测功机的电流值反馈回测功机控制器2。转速编码器7将测功机6和驱动电机8的速度反馈给测功机控制器2、驱动电机控制器3，并传递给上位机1。

转速编码器7将测功机和驱动电机的速度反馈给测功机控制器2、驱动电机控制器3，并传递给上位机1。

测功机6与驱动电机8通过连接装置11连接，测功机6和驱动电机8两边可分别配重有负载边飞轮10和驱动边飞轮12，用来调节两边的转动惯量以实现车辆的实际状态。

如图2所示，测功机6、转速编码器7、驱动电机8、连接装置11、负载边飞轮10、驱动边飞轮12。负载边飞轮10用来调节测功机端的转动惯量，驱动边飞轮12用来调节驱动边的转动惯量，连接装置11用来连接测功机端和驱动电机端。转速编码器7用来测量旋转系的旋转速度。

在实时数据采集与控制系统中，可以集成车辆运动控制单元，通过修正驾驶员意图施加的驱动力矩，来辅助驾驶员应对路面的复杂情况，从而实现诸如防滑控制、牵引力控制等。

对于地面实时摩擦力的估计，实时数据采集与控制系统可以分别采用稳态摩擦力估计法和动态摩擦力估计法。所谓稳态摩擦力估计法，即由通过专门的摩擦测试实验台测取滑移率与摩擦系数(或摩擦力)的实验数据，拟合成经验公式，一般采用应用较为广泛的“魔术公式”(Magic Formula)。但是，为了更真实的反映出摩擦力的动态特征，可以考虑采取动态摩擦力估计法。本实时数据采集与控制系统即采用了一种集总参数、并考虑弹性-塑性预滑移的动态摩擦力估计方法。

动态摩擦力F为

$F=F_n({\mathrm{\&sigma;}}_{0}z+{\mathrm{\&sigma;}}_1\stackrel{\&CenterDot;}{z}+{\mathrm{\&sigma;}}_2{v}_r)---\left(1\right)$

其中：F_n为轮胎的垂向载荷，σ₀为刚度系数，σ₁为阻尼系数，σ₂为粘性力系数，z为内部状态变量，v_r为车轮线性速度与车体速度差。

另外：

$\stackrel{\&CenterDot;}{z}=v_r-\mathrm{\&alpha;}(z,v_r)\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0\left|v_r\right|}{g\left(v_r\right)}z---\left(2\right)$

$g\left(v_r\right)={\mathrm{\&mu;}}_c+({\mathrm{\&mu;}}_s-{\mathrm{\&mu;}}_c)e^{-{|v_r/v_s|}^{\mathrm{\&eta;}}}---\left(3\right)$

其中：μ_c正规化库仑摩擦(Normalized Coulomb Friction)，μ_s为正规化稳态摩擦(Normalized Static Friction)，v_s为贝克相对速度(Stribeck Relative Velocity)，η系数用来描述稳态滑移率/摩擦力特性(取值范围在0.5～2之间)，α(z，v_r)为描述弹性-塑性预滑移的连续函数：

$\mathrm{\&alpha;}(z,v_r)=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|z\right|\&le;z_{\mathrm{ba}},\mathrm{sgn}\left(v_r\right)=\mathrm{sgn}\left(z\right)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_m(z,v_r),& z_{\mathrm{ba}}<\left|z\right|<z_{\mathrm{ss}},\mathrm{sgn}\left(v_r\right)=\mathrm{sgn}\left(z\right)\\ 1,& \left|z\right|\&GreaterEqual;z_{\mathrm{ss}}\left(v_r\right),\mathrm{sgn}\left(v_r\right)=\mathrm{sgn}\left(z\right)\\ 0,& \mathrm{sgn}\left(v_r\right)\&NotEqual;\mathrm{sgn}\left(z\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

即，|z|≤z_ba时为纯弹性变形，z_ba＜|z|＜z_ss为弹性变形与塑性变形的混合区，|z|≥z_ss(v_r)为纯塑性变形。其中：

${\mathrm{\&alpha;}}_m(z,v_r)=\frac{1}{2}\sin \left(\mathrm{\&pi;}\frac{z-\frac{z_{\mathrm{ss}}(v_r+z_{\mathrm{ba}})}{2}}{z_{\mathrm{ss}}\left(v_r\right)-z_{\mathrm{ba}}}\right)+\frac{1}{2}---\left(5\right)$

对于不同附着水平的路面来说，引入附着系数θ(0≤θ≤1)，使得 $\tilde{g}\left(v_r\right)=\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;g\left(v_r\right).$

本发明的有益效果是：

1.该测试装置可以根据测试需要，实时产生出各种路面条件下的动态摩擦力及力矩。

2.该测试装置可以根据测试车辆的实际情况，通过调节驱动边与负载边的飞轮数，来实现转动惯量变更。

3.该测试装置对于验证用于实现诸如防滑控制、牵引力控制等以辅助驾驶为目的的车辆运动控制单元具有快速、准确、直观、高效的特点。

Claims (3)

1.一种新型的电动汽车测试装置，由实时数据采集与控制系统部分、测功系统部分、驱动系统部分组成，其中：实时数据采集与控制系统部分主要包括：上位机、测功机控制器、测功机逆变器、驱动电机控制器、驱动电机逆变器、转速编码器、电流传感器；测功系统部分主要包括：测功机、负载边飞轮；驱动系统部分主要包括：驱动电机、驱动边飞轮；

其特征在于，上位机与驱动电机控制器连接并将驱动力矩指令输出给驱动电机控制器，驱动电机控制器将驱动力矩指令转变为PWM指令并输出到驱动电机逆变器，驱动电机逆变器将PWM指令生成三相电流控制信号，并控制驱动电机旋转，驱动电机上设置有电流传感器，并且所述电流传感器连接到驱动电机控制器；

同时，上位机与测功机控制器连接并将摩擦力矩指令输出给测功机控制器，测功机控制器再将摩擦力矩指令转变为电机控制所需的PWM指令，输出给测功机逆变器，再由测功机逆变器转变为三相电流控制信号以控制测功机的旋转，测功机上设置有电流传感器，并且所述电流传感器连接到测功机控制器，通过电流传感器将测功机的电流值反馈回测功机控制器。

2.根据权利要求1所述的一种新型的电动汽车测试装置，其特征在于，转速编码器将测功机和驱动电机的速度反馈给测功机控制器、驱动电机控制器，并传递给上位机。

3.根据权利要求1所述的一种新型的电动汽车测试装置，其特征在于，测功机与驱动电机通过连接装置连接，测功机和驱动电机两边可分别配重有负载边飞轮和驱动边飞轮。

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