CN106849823A - 电动汽车主动减振控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车主动减振控制方法,步骤如下:位置传感器检测电机转子的绝对位置θ,转速计算模块计算电机转速ω;主动减振控制模块Enable使能信号和转速计算模块输出速度信号ω,根据补偿转矩初值Tci和定标因数f乘积计算补偿转矩Tc,由加法模块和电控系统接收;加法模块对转矩指令T*和补偿转矩Tc叠加得到转矩参考Tref,输出到电流控制模块;电流控制模块根据转矩参考Tref生成电流指令,根据相电流ia和ib、位置信号θ进行电流闭环控制,输出低压信号级脉冲宽度调制信号到逆变器。解决发动机频繁起停或者大扭矩阶跃造成的电动汽车传动系共振问题,有效改善低速抖动。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车主动减振控制方法。
背景技术
随着全球汽车保有量不断增加,汽车尾气排放引起的环境污染越来越严重,同时燃油大量消耗也加速了石油资源的枯竭,而在能源紧缺、环境恶化的形势下,加快发展节能环保的新能源汽车已迫在眉睫。新能源汽车作为传统汽车的一种替代产品已是大势所趋,并受到世界各国政府与车企的认可与重视。新能源汽车一般有多个动力源,以混合动力汽车为例,车辆的驱动力来自发动机和电动机,二者既可以单独驱动也可以联合驱动。为了降低排放,提高燃油经济性,发动机需要怠速停机,而在进入发动机高效区后,则需要启动发动机,在这种起动和停机过程中就可能会造成车辆抖动,导致舒适性下降。另一方面,由于驱动电机的转矩响应速度明显高于发动机,当较大的转矩阶跃施加到动力传动系上时也可能造成共振,导致车辆抖动。
因此,专利“一种纯电动汽车消除车辆抖动的控制方法”(申请号:201410435003.8)提出基于转速滤波和变参数PID的控制算法以解决纯电动汽车抖动问题,具体方法是对电机实际转速信号MotSpd和滤波后的转速MotSpdFil做差,然后对该转速差进行PID控制,生成转矩补偿信号TqCorr并叠加到需求转矩TqDrvReq上,通过抑制电机转速波动从而达到整车防抖动目的。该专利从原理上可以达到消除车辆抖动的目的,但问题是其转矩补偿信号TqCorr是通过整车控制器计算的,它需要接收转速信号并发送转矩指令给电机控制器,由于电机转速是快速变化的信号,整车控制器与电机控制器间的通信周期以及转矩补偿运算造成的延时将导致控制效果大打折扣;另外,传动系的共振频率一般较低,抖动多发生在低车速范围,因此,低车速范围的抖动抑制是必要的,但是该专利并未对转速范围进行限定,所以在高车速段将导致电机转矩的高频波动,影响整车舒适性,导致电机损耗增加和系统效率降低。
专利“一种扭矩补偿方法及装置”(申请号:201410274023.1)提出一种根据电机转速变化率正负计算补偿扭矩的控制方法,该方法对100ms内的转速变化率进行计算,然后判断变化率正负和阈值,如果变化率的绝对值超过1200则相应补偿2~5Nm。该专利的控制目标是电机的加速度为零,在加速度不为零的情况下则施加补偿扭矩,因此其只适用于固定转速工作点的应用场合,而不适用于频繁加减速的整车工况。
专利“一种纯电动汽车起步抖动的抑制方法”(申请号:201410274023.1)提出一种增大电机响应整车期望力矩的步长,同时增加转速反馈环节对整车期望力矩进行修正方法,达到抑制起步抖动并兼顾整车加速性的目的。该专利的转速反馈环节需要通过整车阻力力矩和牵引力矩来计算整车加速力矩,恰恰是整车阻力力矩是难以计算和测量的,导致整个传动系统模型不可用。另外,该方法需建立准确的传动系数学模型,由于传动系部件较多,各部件参数和特性与工作环境以及使用时间有关,难以建立适用于整个生命周期的准确模型。因此,这种方法对整车抖动的抑制作用将由于整车阻力力矩无法估算以及传动系数学模型不准确而大打折扣。
专利“消除电机驱动车辆低速抖动的控制系统”(申请号:201210561297.X)提出一种将车辆特性描述成一阶阻尼积分环节,电机控制器输出信号叠加扰动信号后输入到整车特性模型,根据整车速度信号和滤波后的信号计算抖动补偿力矩,与接收到的整车控制指令叠加后输入到电机控制器形成闭环控制,达到抑制车辆低速抖动的问题。该专利的控制方法关键在于车辆的转动惯量和阻尼系数的识别与测量,而整车的动力传动系部件多、离合器结合或分开或者不同档位下惯量和阻尼均变化,因此该方法在实际使用中将存在较大的限制,将影响抖动抑制的效果。
专利“用于直驱电动车的主动减震系统及方法”(申请号:201410082343.7)提出在整车上安装加速度传感器实时采集整车加速度,通过PID控制整车加速度在参考加速度附件,从而获得各驱动轮的补偿力矩,叠加到原始力矩上达到主动减震的目的。该专利的问题在于需要增加额外的加速度传感器,增加了整车的成本。
以上专利都针对整车抖动提出了解决方案,但是有的受限于通信时间延迟、有的受限于工况、有的受限于精确的传动系数学模型和参数、有的受限于成本都使整车抖动抑制作用不能有效发挥,未能解决发动机频繁起停或者大扭矩阶跃造成的电动汽车传动系共振问题。
发明内容
本发明提出一种电动汽车主动减振控制方法,解决发动机频繁起停或者大扭矩阶跃造成的电动汽车传动系共振问题,有效改善低速抖动。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种电动汽车主动减振控制方法,包括电控系统、主动减振控制模块、加法模块、电流控制模块、逆变器、能量系统、电流传感器、电机、位置传感器和转速计算模块,所述的能量系统提供电能和电压给逆变器以驱动电机;其步骤如下:
第一步:位置传感器检测电机转子的绝对位置θ,转速计算模块根据位置传感器的输出信号θ计算电机转速ω;
第二步:主动减振控制模块接收电控系统发出的Enable使能信号和转速计算模块输出的速度信号ω,判定是否进行主动减振控制,根据补偿转矩初值Tci和定标因数f的乘积计算补偿转矩Tc,由加法模块和电控系统接收;
第三步:加法模块对电控系统发出的转矩指令T*和主动减振控制模块输出的补偿转矩Tc进行叠加得到转矩参考Tref,输出到电流控制模块;
第四步:电流控制模块根据转矩参考Tref生成电流指令,根据电流传感器输出的电机的相电流ia和ib以及位置信号θ进行电流闭环控制,最后输出低压信号级脉冲宽度调制信号到逆变器。
所述的主动减振控制模块包括速增益模块、低通滤波器模块、加减法模块、补偿转矩初值计算模块和定标因数模块;
所述的转速增益模块的输入是电机转速ω,根据增益系数k对电机转速ω进行等比例放大或者缩小生成转速ωk,见公式(1),然后分别输入到低通滤波器模块和加减法模块中。
ωk=k*ω (1)
所述的低通滤波器模块对ωk进行低通滤波生成转速信号ωlpf,滤波器的截止频率设定应不大于传动系的共振频率,且是一个可标定量;
所述的加减法模块用ωlpf和ωk做差生成转速差信号ωe,该信号本身是一个波动的信号,输出到补偿转矩初值计算模块,见公式(2)。
ωe=ωlpf-ωk (2)
所述的补偿转矩初值计算模块根据转速差信号ωe计算补偿转矩初值Tci并限幅,补偿转矩初值计算可以是线性等比例方式,见公式(3)。
其中,B为补偿转矩初值的限幅值,当转速差信号ωe大于等于A或者小于-A时,补偿转矩初值Tci被分别被限定为B和-B,限幅值B是一个可标定的量。当转速差信号ωe在A和-A之间时,补偿转矩初值Tci与转速差信号ωe呈线性正比例关系,比例系数是B/A。
所述的定标因数模块根据电机转速ω和定标因数f计算补偿转矩初值Tc,在0到ωlow转速范围内定标因数f等于1,从ωlow到ωhigh转速范围内定标因数f由1线性下降到0,大于ωhigh转速后定标因数f等于0,具体的转速阈值ωlow和ωhigh根据实车验证效果进行标定,见公式(4)。
所述的逆变器由功率电子器件和相应的驱动构成,并提供高压功率级PWM给电机定子绕组,其中,功率电子器件可以是绝缘栅型场效应管(IGBT)或金属氧化物场效应管。
所述的电控系统包括不同的传感器、电控单元或者至少有一个可以执行运算指令的处理器或者存储器,电控系统也可以和其他的车辆控制单元相连接。电控系统的功能是生成转矩指令T*和Enable使能信号,接收主动减振控制模块发出的补偿转矩Tc,转矩指令T*用于控制电机输出转矩,Enable使能信号用于控制是否使能主动减振控制模块,接收补偿转矩Tc的目的在于对下一轮输出转矩T*进行闭环计算。
所述的主动减振控制模块接收电控系统发出的Enable使能信号和转速计算模块输出的速度信号ω,判定是否进行主动减振控制,计算补偿转矩Tc并根据定标因数f对其进行限制。
所述的加法模块功能是根据公式(5)对电控系统发出的转矩指令T*和主动减振控制模块输出的补偿转矩Tc进行叠加得到转矩参考Tref,输出到电流控制模块。
Tref=T*+Tc (5)
所述的电流控制模块根据转矩参考Tref生成电流指令,根据电机的相电流ia和ib以及位置信号θ进行电流闭环控制,最后输出低压信号级脉冲宽度调制信号(Pulse WidthModulation,PWM)到逆变器。
所述的能量系统提供电能和电压给逆变器以驱动电机,能量源可以是电池、燃料电池、超级电容或者其他形式的电源。
所述的电流传感器用于检测电机相电流,电流传感器类型可以是非接触式的磁感应电流传感器、也可以是接触式测量的电阻式电流传感器。
所述的电机是一个三相交流电机或者其他多相电机,具备定转子,电机类型可以是永磁同步电机、交流异步电机或开关磁阻电机。
所述的位置传感器用于检测电机转子的绝对位置θ,位置传感器类型可以是旋转变压器,也可以是能够测量转子绝对位置的光电编码器或者霍尔位置传感器。
所述的转速计算模块根据位置传感器的输出信号θ计算电机转速ω。
本发明的有益效果如下:
一般情况下,整车的传动系共振频率较低且在低车速范围内的共振对舒适性影响较大,因此,有必要根据不同转速范围选择定标因数f,在低速区定标因数f设定为1,将对整车实施较强的抖动抑制作用,可以有效改善低速抖动问题;相反在高速区不易引起整车共振,因此,定标因数f设定为0,即使产生共振经过传动系滤波后其影响也可接受;另外,在低速和高速的过渡区,定标因数f线性下降可使转矩补偿过程平滑过渡,不至于产生振荡。在补偿转矩计算方面是通过转速差ωe计算获得的,一方面是补偿转矩和转速差信号形成跟踪补偿作用,通过不同的计算公式可以使转速差与补偿转矩形成正比例对应关系,另一方面,也可以形成非线性的对应关系,给整车系统的抖动标定提供便利;补偿转矩通过单独的模块计算并对幅值进行限制以保证转矩安全,然后叠加到转矩指令上获得转矩参考用于转矩的闭环控制,在不改变基于磁场定向的矢量控制框架的情况下,实现了电流闭环控制,因此,易于集成和平台化。
附图说明
图1是本发明的电动汽车主动减振控制方法原理框图;
图2是本发明的电动汽车主动减振控制方法的补偿转矩计算框图;
图3是本发明的电动汽车主动减振控制方法的补偿转矩计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,电动汽车主动减振控制系统包括电控系统1、主动减振控制模块2、加法模块3、电流控制模块4、逆变器5、能量系统6、电流传感器7、电机8、位置传感器9和转速计算模块10,电控系统1输出转矩指令T*到加法模块3,输出Enable使能信号到主动减振控制模块2;主动减振控制模块2输出补偿转矩Tc到加法模块3;加法模块3输出转矩参考Tref到电流控制模块4;电流控制模块4接收电流传感器7输出的相电流信号,接收位置传感器9输出的电机转子的绝对位置θ,输出电机控制信号到逆变器5;逆变器5输出高压功率级PWM给电机定子绕组;能量系统6输出电能到逆变器5;电流传感器7用于检测电机相电流;电机8通过电机三相线与逆变器5相连,位置传感器9安装于电机8上,并输出电机转子的绝对位置θ到转速计算模块10;转速计算模块10输出电机转速ω到主动减振控制模块2。
本发明的电动汽车主动减振控制方法,具体步骤如下:
第一步:位置传感器检测9电机8转子的绝对位置θ,转速计算模块10根据位置传感器的输出信号θ计算电机转速ω;
第二步:主动减振控制模块2接收电控系统1发出的Enable使能信号和转速计算模块输出的速度信号ω,判定是否进行主动减振控制,根据补偿转矩初值Tci和定标因数f的乘积计算补偿转矩Tc,由加法模块3和电控系统1接收;
第三步:加法模块3对电控系统1发出的转矩指令T*和主动减振控制模块2输出的补偿转矩Tc进行叠加得到转矩参考Tref,输出到电流控制模块4;
第四步:电流控制模块4根据转矩参考Tref生成电流指令,根据电流传感器7输出的电机8的相电流ia和ib以及位置信号θ进行电流闭环控制,最后输出低压信号级脉冲宽度调制信号到逆变器5。
所述的主动减振控制模块2包括速增益模块21、低通滤波器模块22、加减法模块23、补偿转矩初值计算模块24和定标因数模块25;
所述的转速增益模块21的输入是电机转速ω,根据增益系数k对电机转速ω进行等比例放大或者缩小生成转速ωk,见公式(1),然后分别输入到低通滤波器模块和加减法模块中。
所述的低通滤波器模块22对ωk进行低通滤波生成转速信号ωlpf,滤波器的截止频率设定应不大于传动系的共振频率,且是一个可标定量;
所述的加减法模块23用ωlpf和ωk做差生成转速差信号ωe,该信号本身是一个波动的信号,输出到补偿转矩初值计算模块,见公式(2)。
所述的补偿转矩初值计算模块24根据转速差信号ωe计算补偿转矩初值Tci并限幅,补偿转矩初值计算可以是线性等比例方式,见公式(3)。
其中,B为补偿转矩初值的限幅值,当转速差信号ωe大于等于A或者小于-A时,补偿转矩初值Tci被分别被限定为B和-B,限幅值B是一个可标定的量。当转速差信号ωe在A和-A之间时,补偿转矩初值Tci与转速差信号ωe呈线性正比例关系,比例系数是B/A。
所述的定标因数模块25根据电机转速ω和定标因数f计算补偿转矩初值Tc,在0到ωlow转速范围内定标因数f等于1,从ωlow到ωhigh转速范围内定标因数f由1线性下降到0,大于ωhigh转速后定标因数f等于0,具体的转速阈值ωlow和ωhigh根据实车验证效果进行标定,见公式(4)。
所述的逆变器5由功率电子器件和相应的驱动构成,并提供高压功率级PWM给电机定子绕组,其中,功率电子器件可以是绝缘栅型场效应管(IGBT)或金属氧化物场效应管。
所述的电控系统1包括不同的传感器、电控单元或者至少有一个可以执行运算指令的处理器或者存储器。电控系统1其他的车辆控制单元相连接,电控系统1生成转矩指令T*和Enable使能信号,接收主动减振控制模块2发出的补偿转矩Tc,转矩指令T*用于控制电机输出转矩,Enable使能信号用于控制是否使能主动减振控制模块2,接收补偿转矩Tc的目的在于对下一轮输出转矩T*计算进行闭环控制;主动减振控制模块2的主要功能是接收电控系统1发出的Enable使能信号和转速计算模块输出的速度信号ω,判定是否进行主动减振控制,计算补偿转矩Tc并根据定标因数f对其进行限制。加法模块3功能是根据公式(4)对电控系统1发出的转矩指令T*和主动减振控制模块2输出的补偿转矩Tc进行叠加得到转矩参考Tref,输出到电流控制模块4。电流控制模块4根据转矩参考Tref生成电流指令,根据电机的相电流ia和ib以及位置信号θ进行电流闭环控制,最后输出低压信号级脉冲宽度调制信号(Pulse Width Modulation,PWM)到逆变器5。逆变器5由功率电子器件和相应的驱动构成并提供高压功率级PWM给电机定子绕组,其中,功率电子器件可以是绝缘栅型场效应管(IGBT)或金属氧化物场效应管。能量系统6提供电能和电压给逆变器5以驱动电机8,能量源可以是电池、燃料电池、超级电容或者其他形式的电源。电流传感器7用于检测电机相电流,电流传感器类型可以是非接触式的磁感应电流传感器、也可以是接触式测量的电阻式电流传感器。电机8是一个三相交流电机或者其他多相电机,具备定转子,电机类型可以是永磁同步电机、交流异步电机或开关磁阻电机。位置传感器9用于检测电机转子的绝对位置θ,位置传感器9的类型可以是旋转变压器也可以是能够测量转子绝对位置的光电编码器或者霍尔位置传感器。转速计算模块10根据位置传感器9的输出信号θ计算电机转速ω。
如图2所示,所述的主动减振控制模块2包括转速增益模块21、低通滤波器模块22、加减法模块23、补偿转矩初值计算模块24和定标因数模块25。
所述的转速增益模块21的输入是电机转速ω,其功能是对电机转速ω乘以增益系数k进行等比例放大或者缩小生成增益后的转速ωk,具体见公式(1),输出到低通滤波器模块22和加减法模块23中。
低通滤波器模块22对ωk进行低通滤波,生成滤波后的转速信号ωlpf,滤波器的截止频率设定应不大于传动系的共振频率,且是一个可标定量。
加减法模块23用ωlpf和ωk做差生成转速差信号ωe,该信号本身是一个波动的信号,输出到补偿转矩初值计算模块24,具体见公式(2)。
补偿转矩初值计算模块24功能是根据转速差信号ωe计算补偿转矩初值Tci并限幅,补偿转矩初值计算可以是线性等比例方式,如公式(3),也可以是其他类型非线性计算方式;其中,B为补偿转矩初值的限幅值,当转速差信号ωe大于等于A或者小于-A时,补偿转矩初值Tci被分别限定为B和-B,限幅值B是一个可标定的量。当转速差信号ωe在A和-A之间时,补偿转矩初值Tci与转速差信号ωe呈线性正比例关系,比例系数是B/A。
定标因数模块25功能是根据电机转速ω和定标因数f计算补偿转矩初值Tc,在0到ωlow转速范围内定标因数f等于1,从ωlow到ωhigh转速范围内定标因数f由1线性下降到0,大于ωhigh转速后定标因数f等于0,具体的转速阈值可以根据实车验证效果进行标定,见公式(4)。
如图3所示,本发明首先根据电机转速范围决策是否采取主动减振控制避免高速区的转矩波动及效率降低的问题;其次,主动减振控制由单独的模块进行计算,计算出的补偿转矩与转矩指令进行叠加得到最终的转矩参考,独立的功能模块便于集成及维护,同时转速采集及补偿转矩计算在同一控制器中完成,避免通信延迟问题。另外,补偿转矩计算通过转速波动信号计算,不需要复杂的传动系模型,易于实现和标定。实施步骤如下:
第一步:转速计算模块10根据位置传感器9的输出信号θ计算电机转速ω;
第二步:主动减振控制模块2接收转矩指令T*和Enable使能信号;
第三步:主动减振控制模块2判断Enable使能信号是否等于1,如是,进入第四步;如否令Tref等于T*,返回第一步;
第四步:在主动减振控制模块2的转速增益模块21中利用电机转速ω和增益系数k计算转速ωk;
第五步:利用低通滤波器模块22对ωk进行低通滤波,生成转速信号ωlpf;
第六步:根据公式(1)计算转速差ωe;
第七步:在补偿转矩初值计算模块24中,根据转速差ωe计算补偿转矩初值Tci;
第八步:在定标因数模块25中,根据转速ω和定标因数f计算补偿转矩Tc;
第九步:加法模块3根据转矩指令T*和补偿转矩Tc计算转矩参考Tref,返回第一步。
Claims (7)
1.电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:包括电控系统、主动减振控制模块、加法模块、电流控制模块、逆变器、能量系统、电流传感器、电机、位置传感器和转速计算模块,所述的能量系统提供电能和电压给逆变器以驱动电机,其步骤如下,
第一步:位置传感器检测电机转子的绝对位置θ,转速计算模块根据位置传感器的输出信号θ计算电机转速ω;
第二步:主动减振控制模块接收电控系统发出的Enable使能信号和转速计算模块输出的速度信号ω,判定是否进行主动减振控制,根据补偿转矩初值Tci和定标因数f的乘积计算补偿转矩Tc,由加法模块和电控系统接收;
第三步:加法模块对电控系统发出的转矩指令T*和主动减振控制模块输出的补偿转矩Tc进行叠加得到转矩参考Tref,输出到电流控制模块;
第四步:电流控制模块根据转矩参考Tref生成电流指令,根据电流传感器输出的电机的相电流ia和ib以及位置信号θ进行电流闭环控制,最后输出低压信号级脉冲宽度调制信号到逆变器。
2.如权利要求1所述的电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:所述的主动减振控制模块包括速增益模块、低通滤波器模块、加减法模块、补偿转矩初值计算模块和定标因数模块;
所述的转速增益模块的输入是电机转速ω,根据增益系数k对电机转速ω进行等比例放大或者缩小生成转速ωk,见公式(1),然后分别输入到低通滤波器模块和加减法模块中;
ωk=k*ω (1)
所述的低通滤波器模块对ωk进行低通滤波生成转速信号ωlpf,滤波器的截止频率设定应不大于传动系的共振频率,且是一个可标定量;
所述的加减法模块用ωlpf和ωk做差生成转速差信号ωe,该信号本身是一个波动的信号,输出到补偿转矩初值计算模块,见公式(2);
ωe=ωlpf-ωk (2)
所述的补偿转矩初值计算模块根据转速差信号ωe计算补偿转矩初值Tci并限幅,补偿转矩初值计算可以是线性等比例方式,见公式(3);
其中,B为补偿转矩初值的限幅值,当转速差信号ωe大于等于A或者小于-A时,补偿转矩初值Tci被分别被限定为B和-B,限幅值B是一个可标定的量。当转速差信号ωe在A和-A之间时,补偿转矩初值Tci与转速差信号ωe呈线性正比例关系,比例系数是B/A,
所述的定标因数模块根据电机转速ω和定标因数f计算补偿转矩初值Tc,在0到ωlow转速范围内定标因数f等于1,从ωlow到ωhigh转速范围内定标因数f由1线性下降到0,大于ωhigh转速后定标因数f等于0,具体的转速阈值ωlow和ωhigh根据实车验证效果进行标定,见公式(4)。
3.如权利要求1所述的电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:所述的逆变器由功率电子器件和相应的驱动组成,所述的功率电子器件可以是绝缘栅型场效应管或金属氧化物场效应管。
4.如权利要求1所述的电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:所述的电控系统包括不同的传感器、电控单元或者至少有一个可以执行运算指令的处理器或者存储器。
5.如权利要求1所述的电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:所述的能量系统为电池、燃料电池或超级电容。
6.如权利要求1所述的电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:所述的位置传感器为旋转变压器、光电编码器或霍尔位置传感器。
7.如权利要求1所述的电动汽车主动减振控制方法,其特征在于:所述的电流传感器为非接触式的磁感应电流传感器或接触式测量的电阻式电流传感器。
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