CN106541855A - 一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，该方法包括如下步骤：(1)建立电动汽车系统原始状态空间模型，确定电机转速ωm对电机转矩Tm的传递函数Gm(s)；(2)构造状态观测器，该状态观测器输出观测值包括观测电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ；(3)设计反馈控制器，将状态观测器输出端连接反馈控制器输入端，反馈控制器输出端连接至电机控制器输入端，形成闭环控制系统；(4)根据反馈控制器增益和状态观测器输出观测值产生电机补偿转矩；(5)将电动汽车整车控制器输出电机期望转矩减去电机补偿转矩得到闭环控制系统的电机转矩，根据此电机转矩控制电机运动。与现有技术相比，本发明控制方法简单、控制效果好。

Description

一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车起步抖动控制方法，尤其是涉及一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法。
背景技术
相较于传统汽车，以电机作为动力源输出的新能源汽车，由于其复杂的动力总成振动特性，使其面临着前所未有的NVH(Noise,Vibration and Harshness)挑战。
在起步工况下，驾驶者很容易感受到车辆前后方向的一个低频抖动，一般频率范围在2～10Hz。这是由传动系统一阶振动模型引起的，电机转矩的快速响应造成了车轮角加速度有一个欠阻尼的振动特性，而且第一个幅值较大。这会大大影响驾驶的舒适性，并可能存在一定安全隐患。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立电动汽车系统原始状态空间模型，确定电机转速ωm对电机转矩Tm的传递函数Gm(s)；
(2)根据电动汽车系统原始状态空间模型和传递函数Gm(s)极点构造状态观测器，该状态观测器输出观测值包括观测电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ；
(3)设计反馈控制器，将状态观测器输出端连接反馈控制器输入端，反馈控制器输出端连接至电机控制器输入端，形成闭环控制系统；
(4)根据反馈控制器增益和状态观测器输出观测值产生电机补偿转矩；
(5)将电动汽车整车控制器输出电机期望转矩减去电机补偿转矩得到闭环控制系统的电机转矩，根据此电机转矩控制电机运动。
步骤(2)具体为：
(201)根据电动汽车系统原始状态空间模型建立状态观测器；
(202)求取传递函数Gm(s)极点；
(203)对传递函数Gm(s)极点进行放大并作为状态观测器极点；
(204)根据确定的状态观测器极点对状态观测器确定状态观测器增益，进而完成状态观测器的构造。
步骤(203)具体为：将传递函数Gm(s)极点的实部乘以放大倍数α并保持虚部不变得到状态观测器极点，放大倍数α的取值范围为2～5。
步骤(3)中反馈控制器具体为：
其中，为电机补偿转矩，K＝[k1 k2 k3]，K为反馈控制器增益矩阵。
该方法中反馈控制器增益通过如下方式获得：
(a)根据步骤(3)中的闭环控制系统求取闭环系统的电机转速ωm对闭环控制系统的电机转矩Tm′的传递函数G′m(s)；
(b)根据设定的期望极点对传递函数G′m(s)进行配置求取对应的反馈控制器增益。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过构建状态观测器对不易测得或不可测量的状态量：电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ进行估计，从而进行状态反馈，通过反馈控制器产生电机补偿转矩，进而对电机期望转矩进行补偿，使得电动汽车起步时阶跃式的电机期望转矩得到平缓，进而减小车轮角加速度和扭转角幅值，控制汽车抖动；
(2)本发明构建状态观测器时对极点进行配置，将将传递函数Gm(s)极点的实部乘以放大倍数α并保持虚部不变得到状态观测器极点，从而使得观测器估计误差能够快速收敛到零，提高状态变量的估计精度，从而更加贴合实际，提高整个闭环系统的控制精度；
(3)本发明在确定反馈控制器增益时采用极点配置法，可以根据需要选择期望极点对传递函数G′m(s)进行配置，根据配置好反馈控制器增益的闭环系统的控制效果确定最优反馈控制器增益；
(4)本发明方法简单，实现方便。
附图说明
图1为本发明基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法的控制框图；
图2为本发明控制方法和无控制时车轮角加速度曲线对比图；
图3为本发明控制方法和无控制时扭转角曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)建立电动汽车系统原始状态空间模型，确定电机转速ωm对电机转矩Tm的传递函数Gm(s)。
以电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ建立状态空间模型，其状态空间方程为：
其中u为系统输入，u＝Tm，X为状态变量，Y为系统输出，A、B、C、D为参数矩阵，Y＝X＝[ωm ωw θ]T。
根据拉氏变换求得电机转速ωm对电机转矩Tm的传递函数Gm(s)：
式(2)中传递函数的极点为p1＝-4.845+49.733i，p2＝-4.845-49.733i。两极点位于虚轴左边，因此系统稳定。
在电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ三状态变量中，电机转速ωm是可以在不增加新的传感器的条件下通过已有传感器得到，但车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ通常是不能被实时测得的，所以无法通过这两个变量数据来调节控制，因此实施步骤(2)。
步骤(2)：根据电动汽车系统原始状态空间模型和传递函数Gm(s)极点构造状态观测器，该状态观测器输出观测值包括观测电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ。步骤(2)具体为：
(201)根据电动汽车系统原始状态空间模型建立状态观测器；
(202)求取传递函数Gm(s)极点；
(203)对传递函数Gm(s)极点进行缩放并作为状态观测器极点；
(204)根据确定的状态观测器极点对状态观测器确定状态观测器增益，进而完成状态观测器的构造。
本实施例设计状态观测器来估计不易测得或不可测量的状态量，通过状态观测器得到的状态变量经过反馈控制器输出相应的控制量，从而对电机转矩信号进行适当的反馈补偿。系统Σ0＝(A,B,C)，目前只有电机电机转速ωm可以被测量，对应观测系统中的C＝[10 0]。
观测器的状态空间的表达式为：
判断系统Σ0＝(A,B,C)的能观性，由于：
所以系统是状态完全能观测的，所以其状态观测器ΣG＝(A-GC,B,C)可以进行任意的极点配，使极点越远离虚轴，那么估计的精度也会更高。
因此，步骤(203)具体为：将传递函数Gm(s)极点的实部乘以放大倍数α并保持虚部不变得到状态观测器极点，放大倍数α的取值范围为2～5。
执行步骤(3)，设计反馈控制器，将状态观测器输出端连接反馈控制器输入端，反馈控制器输出端连接至电机控制器输入端，形成闭环控制系统；
执行步骤(4)，根据反馈控制器增益和状态观测器输出观测值产生电机补偿转矩；
执行步骤(5)，将电动汽车整车控制器输出电机期望转矩减去电机补偿转矩得到闭环控制系统的电机转矩，根据此电机转矩控制电机运动。
步骤(3)中反馈控制器具体为：
其中，为电机补偿转矩，K＝[k1 k2 k3]，K为反馈控制器增益矩阵。
该方法中反馈控制器增益通过如下方式获得：
(a)根据步骤(3)中的闭环控制系统求取闭环系统的电机转速ωm对闭环控制系统的电机转矩Tm′的传递函数G′m(s)；
(b)根据设定的期望极点对传递函数G′m(s)进行配置求取对应的反馈控制器增益。
如图1所示为基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法的控制框图，图中，为步骤(5)中所述的电动汽车整车控制器输出电机期望转矩，为根据驾驶员操作以及工况得到的电机期望转矩，和分别为电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ的观测值。
根据上述方法进行试验得到本发明控制方法和无控制时车轮角加速度曲线对比图如图2所示，本发明控制方法和无控制时扭转角曲线对比图如图3所示，可以看出采用本发明方法后车轮角加速度和扭转角振荡幅值明显减小，可以看出采用本发明方法可以有效解决电动汽车起步抖动问题。

Claims (5)

1.一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)建立电动汽车系统原始状态空间模型，确定电机转速ωm对电机转矩Tm的传递函数Gm(s)；
(2)根据电动汽车系统原始状态空间模型和传递函数Gm(s)极点构造状态观测器，该状态观测器输出观测值包括观测电机转速ωm、车轮角速度ωw以及半轴扭转角θ；
(3)设计反馈控制器，将状态观测器输出端连接反馈控制器输入端，反馈控制器输出端连接至电机控制器输入端，形成闭环控制系统；
(4)根据反馈控制器增益和状态观测器输出观测值产生电机补偿转矩；
(5)将电动汽车整车控制器输出电机期望转矩减去电机补偿转矩得到闭环控制系统的电机转矩，根据此电机转矩控制电机运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，其特征在于，步骤(2)具体为：
(201)根据电动汽车系统原始状态空间模型建立状态观测器；
(202)求取传递函数Gm(s)极点；
(203)对传递函数Gm(s)极点进行放大并作为状态观测器极点；
(204)根据确定的状态观测器极点对状态观测器确定状态观测器增益，进而完成状态观测器的构造。
3.根据权利要求2所述的一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，其特征在于，步骤(203)具体为：将传递函数Gm(s)极点的实部乘以放大倍数α并保持虚部不变得到状态观测器极点，放大倍数α的取值范围为2～5。
4.根据权利要求1所述的一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，其特征在于，步骤(3)中反馈控制器具体为：
T m b = k 1 ω m + k 2 ω w + k 3 θ ,
其中，为电机补偿转矩，K＝[k1 k2 k3]，K为反馈控制器增益矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于极点配置的电动汽车起步抖动主动控制方法，其特征在于，该方法中反馈控制器增益通过如下方式获得：
(a)根据步骤(3)中的闭环控制系统求取闭环系统的电机转速ωm对闭环控制系统的电机转矩T′m的传递函数G′m(s)；
(b)根据设定的期望极点对传递函数G′m(s)进行配置求取对应的反馈控制器增益。
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