CN102750422B - 一种电动车驱动系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电动车的驱动系统技术,特别是一种电动车驱动系统的设计方法,首先根据车型需求确定驱动电机指标,将确定的驱动电机指标输入用于匹配驱动电机的数据库,通过所述数据库筛选出功率等级相等或相近的驱动电机,根据匹配出的驱动电机建立驱动电机模型并确定控制系统参数、系统PID控制器设计、控制器参数校准、控制器设计结果设置和电机驱动控制程序烧写;本发明整个设计流程目标明确,层次清晰,可以实现从车型与整车要求的选择到设计出与其相匹配的驱动控制系统;而且不仅在车型和电机参数的整定方法上更加科学,更使设计的过程变得清晰便捷,提高了设计效率,还进一步可以减少设计人员繁琐的调试、整定。
Description
技术领域
本发明涉及电动车的驱动系统技术,特别是一种电动车驱动系统的设计方法。
背景技术
能源紧缺和环境污染都是全球正面临着的越来越严重的问题,作为人们日常生活中常用的交通工具—汽车,其能源消耗和环境污染的问题也逐渐受到重视。现代汽车行业中电动车的发展已经成为必然趋势。
在电动车的研究过程中,关键的技术内容包括:驱动电池技术,电机技术,驱动系统控制与集成技术,电池监视与管理系统技术,充电系统技术,电动车整车布置及匹配技术。其中,电动车驱动系统设计作为电动车研发过程中最重要的内容之一,对电机参数的要求很高,通常在设计的过程中当控制策略制定之后,目标车型发生变化,或是电机参数变化,驱动控制系统中控制参数的设定也会随之改变。
电动车驱动系统的优劣直接影响着电动车整体的部分重要性能指标,其控制策略直接影响着整车启动性能,加速性能和调速性能,其驱动控制效率也影响着整车的功耗,所以在驱动系统的设计过程中需要考虑与电机和整车的高匹配度。
传统的电动车驱动系统设计理念是:与其所服务的电机和车型以及控制要求相匹配的,当这些设计指标发生变化时,驱动控制系统的相应控制参数也需要随之改变。为了使驱动控制策略能够灵活适应部分硬件设施的改变,也为了提高整个设计的效率,使参数整定方式更科学。
发明内容
本发明为解决传统电动车驱动系统的设计方法存在的技术问题,提出了一种新的高效的电动车驱动系统的设计方法,可以实现从车型与整车要求的选择到设计出与其相匹配的驱动控制系统,这种设计方法不但在车型和电机参数的整定方法上更加科学,更使设计的过程变得清晰便捷,提高了设计效率。
本发明的具体技术方案如下:
一种电动车驱动系统的设计方法,其特征在于设计步骤如下:首先根据车型需求确定驱动电机指标,将确定的驱动电机指标输入用于匹配驱动电机的数据库,通过所述数据库筛选出功率等级相等或相近的驱动电机,根据匹配出的驱动电机建立驱动电机模型并确定控制系统参数、系统PID控制器设计、控制器参数校准、控制器设计结果设置和电机驱动控制程序烧写。
所述数据库是通过功率、转矩等电机指标来匹配电机的数据库,该数据库包含了国内外生产的用于电动车型的已知参数的电机。
所述根据车型需求确定的驱动电机指标是指:在明确电动车的车型(车重、迎风面积、滚动车轮半径等)和动力特性要求(爬坡能力、加速能力、最高车速、能耗性能、电池要求等)后,确定的驱动电机指标依次包括:(1)汽车的滚动阻力 ,空气阻力,坡度阻力和附着力判断汽车是否满足行驶条件,即汽车行驶的附着条件;(2)根据最高车速确定驱动电机额定功率,对行驶状态下的电动车作受力分析得出驱动电机的加速功率和爬坡功率,峰值功率为所述额定功率、加速功率和爬坡功率中的最大值;(3)根据常规车速确定电机额定转速,根据额定功率和额定转速确定额定转矩。
根据匹配出的驱动电机建立电机模型并确定控制系统参数是指:匹配出驱动电机后,得到电机参数,用确定的电机参数建立出电机在两相旋转坐标系下的数学模型,以矢量控制原理为基本的控制策略,利用转子磁场定向和解耦控制将交流电机模型的控制分解为励磁电流环和转矩电流环的控制,分别求出励磁电流环和转矩电流环的输入电压和输出电流之间的传递函数。
所述系统PID控制器设计是指:将求得的励磁电流环和转矩电流环的传递函数导入单输入单输出系统的PID(比例、积分、微分控制)控制器设计工具箱,通过调整PID参数使加入控制器的系统的单位阶跃响应和波特图符合系统的技术指标要求,技术指标以超调量,响应时间,截止频率来衡量。
所述控制器参数校准是指:对设计出的PID控制参数进行校准:在上述建立的理想电机模型中加入延时环节和白噪声,得到新的电机模型,然后以贴近实际电机的运行情况,在新的电机模型的基础上对系统控制参数进行校准,直到仿真效果达到预期目标,最终得到一组电机控制参数。
所述控制器设计结果设置是指:将电机控制参数写入标准的参数C文件中,用写好的参数C文件替换掉原电机控制程序中的参数文件,得到匹配电动车车型和控制要求的电机驱动控制程序。
所述电机驱动控制程序烧写:电机驱动控制程序编译成功后,将编译生成的二进制bin文件利用串口通信下载到驱动控制板DSP的flash中,完成驱动系统的设计。
本发明的有益效果如下:
本发明中电机技术指标的计算和电机矢量控制模型的传递函数的计算均为一种科学的控制器参数整定方法,整个设计流程目标明确,层次清晰,可以实现从车型与整车要求的选择到设计出与其相匹配的驱动控制系统;而且不仅在车型和电机参数的整定方法上更加科学,更使设计的过程变得清晰便捷,提高了设计效率,还进一步可以减少设计人员繁琐的调试、整定。
附图说明
图1为本发明的驱动系统设计流程图
图2为本发明的驱动系统设计主界面示意图
图3为本发明的异步电机在旋转坐标系上的物理模型示意图
图4为控制参数配置界面示意图
图5为编译下载工程界面示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种电动车驱动系统的设计方法,设计步骤如下:首先根据车型需求确定驱动电机指标,将确定的驱动电机指标输入用于匹配驱动电机的数据库,通过所述数据库筛选出功率等级相等或相近的驱动电机,根据匹配出的驱动电机建立驱动电机模型并确定控制系统参数、系统PID控制器设计、控制器参数校准、控制器设计结果设置和电机驱动控制程序烧写。
所述数据库是通过功率、转矩等电机指标来匹配电机的数据库,该数据库包含了国内外生产的用于电动车型的已知参数的电机。
所述根据车型需求确定的驱动电机指标是指:在明确电动车的车型(车重、迎风面积、滚动车轮半径等)和动力特性要求(爬坡能力、加速能力、最高车速、能耗性能、电池要求等)后,确定的驱动电机指标依次包括:(1)汽车的滚动阻力,空气阻力,坡度阻力和附着力判断汽车是否满足行驶条件,即汽车行驶的附着条件;(2)根据最高车速确定驱动电机额定功率,对行驶状态下的电动车作受力分析得出驱动电机的加速功率和爬坡功率,峰值功率为所述额定功率、加速功率和爬坡功率中的最大值;(3)根据常规车速确定电机额定转速,根据额定功率和额定转速确定额定转矩。
根据匹配出的驱动电机建立电机模型并确定控制系统参数是指:匹配出驱动电机后,得到电机参数,用确定的电机参数建立出电机在两相旋转坐标系下的数学模型,以矢量控制原理为基本的控制策略,利用转子磁场定向和解耦控制将交流电机模型的控制分解为励磁电流环和转矩电流环的控制,分别求出励磁电流环和转矩电流环的输入电压和输出电流之间的传递函数。
所述系统PID控制器设计是指:将求得的励磁电流环和转矩电流环的传递函数导入单输入单输出系统的PID(比例、积分、微分控制)控制器设计工具箱,通过调整PID参数使加入控制器的系统的单位阶跃响应和波特图符合系统的技术指标要求,技术指标以超调量,响应时间,截止频率来衡量。
所述控制器参数校准是指:对设计出的PID控制参数进行校准:在上述建立的理想电机模型中加入延时环节和白噪声,得到新的电机模型,然后以贴近实际电机的运行情况,在新的电机模型的基础上对系统控制参数进行校准,直到仿真效果达到预期目标,最终得到一组电机控制参数。
所述控制器设计结果设置是指:将电机控制参数写入标准的参数C文件中,用写好的参数C文件替换掉原电机控制程序中的参数文件,得到匹配电动车车型和控制要求的电机驱动控制程序。
所述电机驱动控制程序烧写:电机驱动控制程序编译成功后,将编译生成的二进制bin文件利用串口通信下载到驱动控制板DSP的flash中,完成驱动系统的设计。
本发明的驱动系统的设计步骤均在同一软件中执行,其中涉及到的计算过程,如匹配电机技术指标的计算,电机传递函数的计算均由软件自行计算;另外软件对PID控制器的设计提供波特图(开环与闭环),系统阶跃响应曲线(离散与连续)作为设计参考;用户通过简单的按钮和选择操作便可以实现将最终得出的电机控制参数自动更新到标准C文件中,对完成参数设置的驱动控制程序进行编译,以及下载编译结果至DSP中等操作。
其中电机技术指标的计算原理如下:
电动车受力分析:电动车在水平路面上直线等速行驶,必须克服滚动阻力,空气阻力。当汽车爬坡行驶时,还必须克服其重力沿坡道的坡度阻力。汽车如加速行驶时,还要克服汽车本身的加速阻力。因此,汽车直线行驶时的总阻力为滚动阻力,空气阻力,坡度阻力和加速阻力之和。其中,滚动阻力是轮胎内部摩擦产生的迟滞损失。
汽车的功率平衡:即电动机输出功率也与行驶阻力功率平衡,即电动机输出功率乘以传动系统总效率等于滚动阻力功率,空气阻力功率,坡度阻力功率和加速阻力功率之和。
对与由电动机驱动的电动汽车来说,电动机的输出转矩经传动系统的传递带动驱动轮,驱动轮所得到的转矩使得车轮产生一个对地面的圆周力,同时地面对驱动轮产生一个切向反作用力,其方向与相反,这个力就是驱动车辆行驶的汽车驱动力。
汽车行驶的驱动附着条件(充要条件):
其中为附着系数,为附着力(地面对轮胎切向反作用力的极限值)。
计算需求电机的技术指标:
额定功率,用电机的额定工况计算电动车的最高车速,以最高车速确定额定功率。最高车速时考虑电动车在水平路面上直线等速行驶,则只考虑滚动阻力和空气阻力,设为最高车速,那么电机的额定功率等于与之和乘上再除以传动系统总效率。
加速过程输出功率,电动机在加速过程中受滚动阻力,空气阻力和加速阻力,则加速过程输出功率为,,之和乘上再除以传动系统总效率。
爬坡性能功率,电动车爬坡时受滚动阻力,空气阻力和坡度阻力,因此爬坡性能功率为,,之和乘上再除以传动系统总效率。
峰值功率为电机额定功率,加速过程输出功率和爬坡功率三者的最大值。
额定转速,以常规车速确定电机额定转速,设为传动比,为主减速比,为滚动车轮半径, 为常规车速,则电机额定转速为:;
额定转矩,以额定功率与额定转速之比来确定:;
峰值转矩,以最大爬坡度工况下短时工作低速转矩确定,根据车辆驱动力与电机输出转矩关系式,可得爬坡转矩为:。
根据功率,转矩和转速等技术指标由所述数据库筛选出匹配电机,界面如图2所示,确定电机型号后,电机参数也将显示在界面,包括有定子电阻,转子电阻,定子自感系数,转子自感系数,漏感系数,转子时间常数和电机极对数。
接下来用电机参数计算系统在矢量控制策略下的传递函数,异步电机在三相静止坐标系上的数学模型比较复杂,而且互相耦合,选择在旋转坐标系上建立模型,将模型简化,如图3所示,用d轴和q轴的电压分量实现对转矩和励磁的分离控制,其中为定子电压在轴的分量,为转子电压在轴的分量,为定子电压在轴的分量,为定子电压在轴的分量。
计算得出的d环,q环系统参数将显示在界面,按键分别选择设计d环和q环的控制器,设计过程中考虑系统的幅值裕度,相角裕度,截止频率,单位阶跃响应的超调量和上升时间的值在系统稳定性要求范围内。设计出一组控制参数后,将其带入电驱动控制系统(根据实际情况考虑了白噪声等干扰和延迟)中仿真,这里以设计PI控制器为例,控制参数为d环的比例系数d-Kp,积分系数d-Ki与q环的比例系数q-Kp,积分系数q-Ki。观察仿真的结果,如果d环和q环的控制效果不理想(这里指上升时间,超调量,静差以及振幅等稳定性能指标),调整或重新设计d环和q环的控制器参数,将校准后的控制参数继续代入电驱动系统进行仿真,观察仿真结果,如果控制效果没有达到要求,继续重复“校准—仿真”的步骤,直到在仿真中达到预期控制要求,得到最终的控制参数。
如图4所示,左端表格显示控制参数的配置值与实际值,右端为配置执行键;将控制参数导出至界面显示选择好驱动控制程序的路径,点击设置控制参数按钮完成对目标路径下驱动控制程序中参数C文件的修改以及参数的设置。点击编译按钮,系统将自动编译目标路径下的工程文件,界面如图5所示,左侧显示框显示编译实时内容与串口通信实时数据,编译成功后将自动生成二进制bin文件,右端为串口通信操作执行键与工程编译下载执行键。选择下载,如果PC与控制板已通过串口线连接,bin文件将通过串口下载到控制板的DSP中。此时整个驱动系统的设计便完成了。
Claims (3)
1.一种电动车驱动系统的设计方法,其特征在于设计步骤如下:首先根据车型需求确定驱动电机指标,将确定的驱动电机指标输入用于匹配驱动电机的数据库,通过所述数据库筛选出功率等级相等或相近的驱动电机,根据匹配出的驱动电机建立驱动电机模型并确定控制系统参数、系统PID控制器设计、控制器参数校准、控制器设计结果设置和电机驱动控制程序烧写;
所述根据车型需求确定的驱动电机指标是指:在明确电动车的车型和动力特性要求后,确定的驱动电机指标依次包括:(1)汽车的滚动阻力 ,空气阻力,坡度阻力和附着力判断汽车是否满足行驶条件,即汽车行驶的附着条件;(2)根据最高车速确定驱动电机额定功率,对行驶状态下的电动车作受力分析得出驱动电机的加速功率和爬坡功率,峰值功率为所述额定功率、加速功率和爬坡功率中的最大值;(3)根据常规车速确定电机额定转速,根据额定功率和额定转速确定额定转矩;
根据匹配出的驱动电机建立电机模型并确定控制系统参数是指:匹配出驱动电机后,得到电机参数,用确定的电机参数建立出电机在两相旋转坐标系下的数学模型,以矢量控制原理为基本的控制策略,利用转子磁场定向和解耦控制将交流电机模型的控制分解为励磁电流环和转矩电流环的控制,分别求出励磁电流环和转矩电流环的输入电压和输出电流之间的传递函数;
所述系统PID控制器设计是指:将求得的励磁电流环和转矩电流环的传递函数导入单输入单输出系统的PID控制器设计工具箱,通过调整PID参数使加入控制器的系统的单位阶跃响应和波特图符合系统的技术指标要求,技术指标以超调量,响应时间,截止频率来衡量;
所述控制器参数校准是指:对设计出的PID控制参数进行校准:在上述建立的理想电机模型中加入延时环节和白噪声,得到新的电机模型,然后以贴近实际电机的运行情况,在新的电机模型的基础上对系统控制参数进行校准,直到仿真效果达到预期目标,最终得到一组电机控制参数。
2.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于:所述控制器设计结果设置是指:将电机控制参数写入标准的参数C文件中,用写好的参数C文件替换掉原电机控制程序中的参数文件,得到匹配电动车车型和控制要求的电机驱动控制程序。
3.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于:所述电机驱动控制程序烧写:电机驱动控制程序编译成功后,将编译生成的二进制bin文件利用串口通信下载到驱动控制板DSP的flash中,完成驱动系统的设计。
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