CN102336191B - 一种基于模型的电机驱动车辆的防抖控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型的电机驱动车辆的防抖控制方法，包括电机扭矩请求步骤、电机转速几根估算步骤、转速误差阻力扭矩负反馈估算步骤以及低通滤波步骤，其解决了电力驱动车辆由于电机抖动引起的车辆抖动问题。通过基于模型的转速反馈控制方法，以闭环控制的方式对电机的请求扭矩进行扭矩补偿，从而抑制或减轻车辆在特定工况下的车辆抖动和振动问题，提高车辆的驾驶舒适性。减少甚至消除了在启动加速及低速急加速、低速急减速、车速穿越动力系统共振频率对应的车速区间时的车辆抖动问题三种工况下的车辆抖动问题。给出了一种在不牺牲车辆动力性与制动性的前提下解决车辆抖动问题的途径。

Description

一种基于模型的电机驱动车辆的防抖控制方法

技术领域

本发明涉及一种增加整车驾驶舒适性的防抖控制方法，更具体地，涉及一种提高由电机驱动的车辆整车驾驶舒适性的防抖控制方法，在车辆低速急加速、低速急减速时以及处于特定转速区间时通过基于模型的扭矩补偿反馈控制来抑制或者减轻电机引起的车辆抖动问题。

背景技术

驱动电机作为混合动力以及纯电动车的一个重要的动力来源，往往由于设计、制造以及控制等原因存在输出转矩的波动,不仅影响电机性能、引起振动，而且也会引起整车动力总成的振动，汽车的振动直接作用在人体上，对汽车的舒适性产生直接的影响。

试验证明由电机驱动的车辆驾驶过程中，在以下三种工况下车辆抖动明显，驾驶员及乘客感觉明显不适：

(1)为追求加速性能，在车辆起步或低速时突然急踩油门，此时对电机的扭矩需求会迅速上升，伴随电机转速的波动和振荡，若没有合适的电机扭矩控制方法，驾驶员能明显感觉到车辆抖动和振动。

(2)低车速工况下，当驾驶员为了急减速而猛踩制动踏板时，电机需求扭矩的迅速下降也会给驾驶员带来车辆抖动和振动的感觉。

(3)每辆汽车在制造、组装完成之后，动力系统的共振频率就固定下来了，电机驱动的车辆当电机转速达到转速区间(V_min,V_max)内，转速的振动频率接近动力系统的共振频率，从而引发车辆的振动，本专利中，把此转速称为临界电机转速，此转速对应的车速为临界车速。对于A级及以下的小型车该临界转速对应的车速在10公里每小时以内(V_max <10公里每小时),因此驾驶员会感觉到明显的车辆振动。

对于工况(1)和(2)，可通过降低扭矩变化率使抖动减轻，但是驾驶员的驾驶意图将被滞后，从而降低车辆的动力性（加速工况）或增加制动距离（制动工况）从而带来潜在危险。工况(1)、(2)和(3)也可通过合理匹配动力系统悬置的阻尼和刚度，使得共振频率对应的车速提高到中高速区，从而减轻驾驶员不舒适的感觉，但如此会带来开发成本的增加，以及对其他车辆振动噪声问题的解决带来负面影响。

发明内容

本发明通过基于模型的转速反馈控制方法，以闭环控制的方式对电机的请求扭矩进行扭矩补偿，从而抑制或减轻车辆在特定工况下的车辆抖动和振动问题，提高车辆的驾驶舒适性。此处所指的特定工况，包括低速急加速、低速急减速，以及车速穿越动力系统共振频率对应的车速区间3种工况。

    本发明公开了一种抑制电机驱动的车辆在低速急加速、低速急减速以及车速穿越动力系统共振频率对应的车速区间3种工况下，由电机抖动引起的整车振动的控制方法，以提高车辆在这3种工况下的车辆舒适性。

    本发明所述的控制方法可在电机驱动的车辆的整车控制器中实现，也可以在驱动电机控制器中实现。

    为了捕捉电机的抖动，首先采用离线仿真的方式对采集到的转速信号进行分析，并根据转速信号的波动特性进行控制器的设计。然后采用离线分析得到的控制器从实时采集到的电机转速信号中将电机的波动信号(电机转速的高频分量)分离出来。最后根据实时的转速波动信号进行力矩反馈补偿控制，从而降低转速波动频率及幅值，达到抑制车辆抖动的目的。

本发明采用的技术方案为：一种电机驱动车辆的防抖控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、电机扭矩请求：根据加速踏板信号获得驾驶员原始的扭矩请求T_r，并对该请求扭矩进行上下限T_min,T_max限制后得到最终的电机扭矩请求；

第二步、电机转速积分估算：将车辆受到的阻力等效为电机的外界负载，通过第一步的电机扭矩减去当前的负载扭矩得到有效加速扭矩，有效加速扭矩与电机的加速度成正比例关系，因此加速度的积分乘以一个固定的比例系数即为电机转速，由此通过一个积分环节再乘以相应的比例系数即可得到电机的估算转速值；即：                                                

，其中T表示有效加速扭矩，A1为整车惯量，为估算车速；

第三步、转速误差阻力扭矩负反馈估算：将第二步的估算转速减去电机实际转速作为转速误差得到估算阻力扭矩并作为当前的负载扭矩反馈到第二步；即：

,其中，f表示当前阻力，A2表示比例系数，

表示当前车速，

表示有第二步得到的估算车速；

第四步、低通滤波:采用一个低通滤波器对第三步所述的转速误差滤波得到转速估计的稳态误差值，并用第三步所述的转速误差减去该稳态误差值，得到仅包含动态分量的电机转速估计误差值；即：

，其中

表示转速误差瞬态值，

表示转速误差；

第五步、转速差扭矩补偿输出：根据第四步所述的电机转速估计值乘上一个与电机转速误差相关的增益，计算得到电机扭矩补偿值，即：，其中

表示转速误差瞬态值，

表示瞬态误差，T2表示补偿扭矩，最后将该补偿值与驾驶员请求的电机扭矩值算术相加，通过控制器局域网络CAN送给电机控制器作为最终的电机扭矩请求指令。 

本发明可分别用于以下三种场合：

工况(1)、车辆起步加速或低速急加速：

必要的输入信号包括：电机转速信号、制动踏板信号(模拟量)或制动灯信号（开关量）、加速踏板信号。

工况(2)、车辆低速急减速：

必要的输入信号包括：电机转速信号、制动踏板信号(模拟量)

工况(3)、车速穿越动力系统共振频率对应的车速区间：

由于整车各个零部件在制造及组装环节存在着差异，因此不同车辆的临界转速不尽相同，并且在临界转速的测量过程中也存在着误差，为了使得提高电机在临界转速下的控制效果，可以遵循以下原则选取扭矩补偿功能开启的转速区间：

(a).该区间覆盖所有该车型的临界转速

(b).该区间范围应尽可能小，因为扭矩补偿方法从扭矩需求角度上来讲还是改变了驾驶者意图。

一旦电机转速进入上述设置的转速区间，且驾驶员有扭矩需求时，扭矩补偿功能开启，否则该功能关闭。

与现有技术相比，本发明解决了电力驱动车辆由于电机抖动引起的车辆抖动问题。通过基于模型的转速反馈控制方法，以闭环控制的方式对电机的请求扭矩进行扭矩补偿，从而抑制或减轻车辆在特定工况下的车辆抖动和振动问题，提高车辆的驾驶舒适性。

附图说明

图1为转速波动补偿扭矩计算逻辑框图。

具体实施方式

本发明的主要处理逻辑及技术方案如图1所示：

电机扭矩请求：根据加速踏板信号获得驾驶员原始的扭矩请求T_r，并对该请求扭矩进行上下限T_min,T_max限制后得到最终的电机扭矩请求。

电机转速积分估算：本模块通过基于模型的方法来估计电机转速，即将车辆受到的阻力等效为电机的外界负载，通过建立电机的等效动力学模型来估算电机转速。模块的输入信号为有效加速扭矩，其可以通过当前的电机驱动扭矩减去当前的负载扭矩得到。有效加速扭矩与电机的加速度成正比例关系，因此加速度的积分乘以一个固定的比例系数即为电机转速。由此通过一个积分环节再乘以相应的比例系数即可得到估算的电机转速值。即：

，其中T表示有效加速扭矩，A1为整车惯量，为估算车速。

转速误差阻力扭矩负反馈估算：考虑开环系统，估计转速是未考虑车辆阻力的影响，此时估计转速与实际转速的误差都是由于阻力引起的。且两者的变换趋势相同。阻力越大，误差越大。因此可以通过转速误差估算当前的阻力扭矩作为负反馈值，使系统有开环变为闭环，增加系统的稳定性。

,其中，f表示当前阻力，A2表示比例系数，

表示当前车速，表示有第二步得到的估算车速；

低通滤波:若整个反馈系统是稳定系统，则通过模型估算得到的阻力扭矩将基本等于车辆的实际阻力扭矩，这意味着，电机转速的估计值和实际值之间，始终存在一个不为零的稳态误差。当根据估计的电机转速来计算补偿扭矩时，必须将这一部分稳态误差从估计信号中分离出来。因此采用一个低通滤波器来得到转速估计的稳态误差值，最终用估计的电机转速减去该稳态误差值，得到仅包含动态分量的电机转速估计值。，其中

表示转速误差瞬态值，表示转速误差； 

转速差扭矩补偿输出：根据估计的电机转速误差动态分量乘上一个与电机转速相关的增益，计算得到电机扭矩补偿值，并将该补偿值与驾驶员请求的电机扭矩值算术相加，通过控制器局域网络CAN送给电机控制器作为最终的电机扭矩请求指令。补偿扭矩，其中

表示转速误差瞬态值，表示瞬态误差。

下面介绍一种上述方案的具体实施细节：

扭矩补偿控制使能条件：

以下任何一个条件成立时该功能开启：

（1）车辆起步加速或低速急加速工况：

(a).电机转速接近于零同时制动踏板松开；或电机转速小于某一门限值同时加速踏板变化率超过某一标定值

(b).保证控制的稳定性和连续性, 一旦扭矩补偿功能使能，将延时至少一段可标定的时间。

（2）车辆低速急减速：

(a).电机转速小于某一门限值同时制动踏板变化率超过某一标定值(b).保证控制的稳定性和连续性, 一旦扭矩补偿功能使能，将延时至少一段可标定的时间。

（3）车速穿越动力系统共振频率对应的车速区间：

(a).电机转速小于某一特定车速区间上限值，且大于该特定区间的下限值。

电机扭矩请求计算：

T_r= T_avai*(V-V0)/(V_max- V₀), 且Tr∈[T_min,T_max],

T_r表示电机扭矩请求，Tavai表示由电机端输入的当前电机转速下的可用扭矩，V₀表示加速踏板初始位置时的电压值， Vmax表示加速踏板满行程时的电压值，V表示当前加速踏板位置信号的电压值。Tmax分别表示传动系统所能传递的最大可用扭矩。若Tmin小于零，表示传动系统可收回扭矩，否则该项直接设置为零。

电机速度积分估算：本发明采用一个简单的比例积分器，此处的比例系数可通过试验方式得到：首先关闭电机防抖控制功能，然后在水平路面上做整车恒扭矩加速试验，得到扭矩车速曲线，该曲线在低速时为近似直线。通过该直线的斜率以及当前施加的扭矩并多次试验画出曲线，通过该曲线可得到积分比例因子。积分的初始值为防抖功能开启时刻的电机转速。以上得到的积分比例因子是在档位不变即传动比不变的情况下得到的，对于两档以上的车辆，该方式同样适用，只要在不同的档位下通过上述方法分别得到对应的积分比例系数即可。

低通滤波器：可采用二阶低通滤波器，滤波器的截止频率选取为1HZ（系统的采样周期为10ms）。对于截止频率的选择可通过离线仿真的方法得到，以最终得到的扭矩补偿正好与转速波动相对应为选取原则。

转速误差反馈阻力扭矩估算：为了模块的简单并有利于标定，采用简单的比例反馈，在操作上，将估算得到的电机转速减去电机反馈的实际转速，该差值乘上一个和转速相关的可调增益，作为阻力扭矩或者负载扭矩的估计值。并将该值作为电机转速积分估算模块的负反馈值。

转速波动补偿扭矩输出：只有在扭矩补偿功能开启时补偿扭矩才需要输出，否则该补偿扭矩置零。最简单的方式即将得到的转速波动高频分量乘以比例系数直接作为补偿扭矩输出。以上转速差补偿扭矩输出模块得到的扭矩补偿可能与转速误差存在相位差，因此需要根据实际情况决定是否添加相位补偿器。

Claims (1)

1.一种电机驱动车辆的防抖控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、电机扭矩请求：根据加速踏板信号获得驾驶员原始的扭矩请求Tr，并对该请求扭矩进行上下限Tmin,Tmax限制后得到最终的电机扭矩请求；

第二步、电机转速积分估算：将车辆受到的阻力等效为电机的外界负载，通过第一步的限制后得到最终的电机扭矩减去当前的负载扭矩得到有效加速扭矩，有效加速扭矩与电机的加速度成正比例关系，因此加速度的积分乘以一个固定的比例系数即为电机转速，由此通过一个积分环节再乘以相应的比例系数即可得到电机的估算转速；即：                                                

，其中T表示有效加速扭矩，A1为整车惯量，

为估算转速；

第三步、转速误差阻力扭矩负反馈估算：将第二步的估算转速与电机实际转速之间的差作为转速误差得到估算阻力扭矩并作为当前的负载扭矩反馈到第二步；即：

,其中，

表示当前阻力，A2表示比例系数，

表示当前转速， 

表示有第二步得到的估算转速；

第四步、低通滤波:采用一个低通滤波器对第三步所述的转速误差滤波得到转速估计的稳态误差值，并用第三步所述的转速误差减去该稳态误差值，得到仅包含动态分量的转速误差瞬态值；即：

，其中

表示转速误差瞬态值，

表示转速误差；

第五步、转速差扭矩补偿输出：根据第四步所述的转速误差瞬态值乘上一个与电机转速误差相关的增益，计算得到电机扭矩补偿值，即：

，其中

表示转速误差瞬态值，

还表示与电机转速相关的增益，T2表示补偿扭矩，或者将转速误差瞬态值乘以比例系数直接作为电机扭矩补偿值；最后将该补偿值与驾驶员请求的限制后得到最终的电机扭矩算术相加，通过控制器局域网络CAN送给电机控制器作为最终的电机扭矩请求指令。

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