CN110077241A - 一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法 - Google Patents

一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，所述调试方法包括步骤：S1、测量转速环电机转动惯量J；S2、根据转速环电机转动惯量，计算PI调节环节的比例系数，将摩擦阻力‑转速曲线离散化处理，形成转速‑摩擦阻力的一维表；S3、根据转速环电机输出扭矩的计算公式，和转速‑摩擦阻力的一维表，标定PI调节环节的积分系数。本发明在计算转速环电机的输出扭矩时综合考虑转速环电机的摩擦阻力、实际负载扭矩的估计值及转速环PI调节输出；同时基于转速环电机平均转动惯量的测量结果，通过计算直接得出PI调节环节的比例系数Kp，因此在实际应用过程上仅需标定速度PI调节环节的积分系数Ki，参数标定时间短，实际应用效果较好。

Description

一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法
技术领域
本发明涉及电动汽车电驱动系统控制技术领域，特别涉及一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法。
背景技术
电驱动系统作为电动汽车的重要组成部分，是实现机械能与电能相互转化的关键，其可靠性要求非常严格。根据《GBT 29307电动汽车用电驱动系统可靠性试验方法》中的规定，被测电驱动系统需进行402小时耐久测试。目前，电驱动系统耐久测试多数采用对拖台架形式，其中转速环电机控制器控制转速环电机提供稳定的测试转速来拖动转矩环电机(被测电机)，转矩环电机控制器控制转矩环电机输出扭矩，转速环电机控制器与扭矩环电机控制器通过CAN总线进行通讯。
耐久测试中需根据《GBT 29307电动汽车用电驱动系统可靠性试验方法》中规定的路谱进行测试工况的切换，在每一特定运行工况下转速环电驱动系统必须在扭矩环输出扭矩的情况下维持转速的稳定性，同时在工况切换时也对转速环电驱动系统的转速响应速度提出了较高的要求。
与此之外，电动汽车在坡道辅助起步、定速巡航等特殊工况下同样要求电驱动系统具有转速环。整车厂家基于驾驶性和动力性指标也对电机转速环控制的稳定性和响应速度提出了较高要求。
转速环调试方法为根据期望转速与实际转速的转速差输入PI环节调节出扭矩指令，然后根据该扭矩指令进行转速环电机控制。
式中，Ki为积分参数，Kp为比例参数，ωreq为期望转速，ωact为实际转速，Tcmd为PI环节调节出的扭矩指令；
现有技术的关键在于PI参数的确定，主要方法有：
(1)间接整定法：根据理论电机模型计算得出用于转速控制的PI参数；缺点在于理论电机模型与电机的实际模型不可避免的会存在差异，这种差异的存在将会不可避免的导致理论计算得出的用于转速控制的PI参数与满足实际转速控制要求的PI参数存在偏差；
(2)直接整定法：根据对实际标定效果得出用于转速控制的PI参数；缺点在于实际测试需要花费大量的时间和资源标定用于转速控制的PI参数。
专利公开文献(公开号：CN 106533291 A)中提出的一种基于惯量辨识和负载转矩观测的速度环响应提升方法，其通过最小二乘法对电机恒转矩加速和自由减速的运动曲线进行拟合进而得到转动惯量及摩擦信息，并基于离线辨识的转动惯量信息根据速度闭环传递函数优化理论来得到速度PI调节器的理论参数设定值，最后再结合实际对PI参数进行调整。本专利文献方法相对复杂，对工程应用的适合性较差。
本发明方案与公开专利文献相比不同之处在于：转速PI调节器的比例系数和积分系数计算方式不同，本文通过电机自由减速的运动曲线进行计算得到平均转动惯量，根据该平均转动惯量通过简单计算直接得到转速PI调节器的比例系数，仅需结合实际标定积分系数。本专利方法相对更为简易，适合工程应用。
另外，本发明方案将阻力-转速曲线通过离散化存储入转速环电机控制器，通过电机转速实时查询得到摩擦阻力，并结合实际负载扭矩的估计值，在速度PI调节器的输出形成前馈补偿，提高转速指令的响应速度。该方法尤为适用于电驱动系统对托台架转速环电机的调试过程。
发明内容
本发明目的是：提供一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，在计算转速环电机的输出扭矩时综合考虑转速环电机的摩擦阻力、实际负载扭矩的估计值及转速环PI调节输出。同时基于转速环电机平均转动惯量的测量结果，通过计算直接得出PI调节环节的比例系数Kp，在实际应用过程上仅需标定速度PI调节环节的积分系数Ki。
本发明的技术方案是：
一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，上位机通过CAN总线与转速环电机控制器连接，传递扭矩和转速指令；转速环电机控制器通过三相线连接至转速环电机，三相线上安装有开关；转速环电机输出轴安装有扭矩传感器和转速传感器，所述调试方法包括步骤：
S1、测量转速环电机转动惯量J；
S2、根据转速环电机转动惯量，计算PI调节环节的比例系数，将摩擦阻力-转速曲线离散化处理，形成转速-摩擦阻力的一维表Tlookup(ω)；
S3、根据转速环电机输出扭矩的计算公式，和转速-摩擦阻力的一维表Tlookup(ω)，标定PI调节环节的积分系数。
优选的，所述步骤S1中，测量转速环电机转动惯量的方法为：
首先，操作上位机发送扭矩指令T至转速环电机控制器，转速环电机控制器控制转速环电机输出扭矩，使得转速环电机转速增加到ω1；然后断开转速环电机与控制器连接三相线上的开关，使得转速环电机在摩擦阻力的作用下自由停止；记录转速环电机转速由ω1降低至0的整个过程的传感器扭矩值、转速值及时间，绘制为扭矩-转速曲线和转速-时间曲线；
其次，在扭矩-转速曲线和转速-时间曲线上选取转速ω2和ω3计算平均转动惯量J，计算过程为：
(1)根据扭矩-转速曲线计算得到转速ω2和ω3分别对应的阻力值T2和T3；
(2)根据转速-时间曲线计算得到转速ω2和ω3分别对应的加速度值a2和a3；
(3)计算转速ω2和ω3下的转动惯量：J2＝-T2/a2，J3＝-T3/a3；
(4)计算平均转动惯量J＝(J2+J3)/2。
进一步的，所述步骤S1中，上位机发送的扭矩指令T根据电机不同进行标定确定，扭矩范围为2～10Nm，转速ω1、ω2和ω3根据电机不同进行标定确定。
进一步的，所述步骤S1中，在扭矩-转速曲线和转速-时间曲线上选取n个转速点计算平均转动惯量J，n＞2，共计算得到n个转动惯量，在n个转动惯量累加后取平均得到平均转动惯量J。
优选的，所述步骤S2中，计算PI调节环节的比例系数的公式为：其中Δt为转速环软件任务周期，k为范围0～1的实数。
进一步的，所述步骤S2中，Δt＝1ms，k＝0.5。
优选的，所述步骤S2中，摩擦阻力曲线按照转速步长Δω进行离散化处理，形成转速-摩擦阻力的一维查表Tlookup(ω)。
进一步的，所述步骤S2中，Δω＝100rpm。
优选的，所述步骤S3中，标定PI调节环节的积分系数的方法为：
将转速环电机控制器的软件控制模式切换至转速模式，转速环电机输出扭矩的计算公式为：
其中，Tlookup为根据转速环电机当前实际转速查询转速-摩擦阻力一维表Tlookup(ω)得出的摩擦阻力；T*为转速环电机实际负载扭矩的估计值，为PI环节调节出的扭矩项；
根据转速环的转矩响应时间和转速稳定误差标定积分系数Ki。
本发明的优点是：
本发明调试方法在计算转速环电机的输出扭矩时综合考虑转速环电机的摩擦阻力、实际负载扭矩的估计值及转速环PI调节输出。同时基于转速环电机平均转动惯量的测量结果，通过计算直接得出PI调节环节的比例系数Kp，因此在实际应用过程上仅需标定速度PI调节环节的积分系数Ki，本发明提案相较现有技术，参数标定时间短，实际应用效果较好。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于转动惯量的电驱动系统转速环调试原理图。
图2为扭矩-转速曲线；
图3为转速-时间曲线；
图4为本发明电驱动系统转速环调试流程图；
图5为电驱动系统耐久对拖台架示意图；
图6为对拖台架测量转速环电机的转动惯量示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，上位机通过CAN总线与转速环电机控制器连接，传递扭矩和转速指令；转速环电机控制器通过三相线连接至转速环电机，三相线上安装有开关；转速环电机输出轴安装有扭矩传感器和转速传感器。
如图5所示，电驱动系统耐久测试多数采用对拖台架形式，其中转速环电机控制器控制转速环电机提供稳定的测试转速来拖动转矩环电机(被测电机)，转矩环电机控制器控制转矩环电机输出扭矩，转速环电机控制器与扭矩环电机控制器通过CAN总线进行通讯。
如图6所示，为对拖台架测量转速环电机的转动惯量示意图，断开转速环电机与扭矩环电机之间的联轴器，同时在转速环电机控制器与转速环电机之间的三相线上增加开关。增加操作上位机通过CAN总线与转速环电机控制器连接。
本发明的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，如图4所示，包括三个步骤。
S1、测量转速环电机转动惯量J。
将转速环电机控制器的软件控制模式切换至扭矩模式，通过操作上位机发送扭矩指令T至转速环电机控制器，转速环电机控制器控制转速环电机输出扭矩，使得转速环电机转速增加到ω1，然后断开转速环电机与控制器连接三相线上的开关，使得转速环电机在摩擦阻力的作用下自由停止。记录转速环电机转速由ω1降低至0的整个过程的传感器扭矩值、转速值及时间，绘制为扭矩-转速曲线和转速-时间曲线，如图2、3所示。
在扭矩-转速曲线和转速-时间曲线上选取转速ω2和ω3计算平均转动惯量J，具体计算过程为：
(1)根据扭矩-转速曲线计算得到转速ω2和ω3分别对应的阻力值T2和T3；
(2)根据转速-时间曲线计算得到转速ω2和ω3分别对应的加速度值a2和a3；
(3)计算转速ω2和ω3下的转动惯量：J2＝-T2/a2，J3＝-T3/a3；
(4)计算平均转动惯量J＝(J2+J3)/2；
上位机发送的扭矩指令T需根据电机不同进行标定确定；优选的，T的范围为2～10Nm；转速ω1、ω2和ω3需根据电机不同进行标定确定。
更好的，可以所述步骤S 1中，在扭矩-转速曲线和转速-时间曲线上选取n个转速点计算平均转动惯量J，n＞2，共计算得到n个转动惯量，在n个转动惯量累加后取平均得到平均转动惯量J。n的选取根据电机不同进行标定确定。
S2、根据转速环电机转动惯量，计算PI调节环节的比例系数，将摩擦阻力-转速曲线离散化处理，形成转速-摩擦阻力的一维表Tlookup(ω)。
PI调节环节的比例系数Kp计算公式为：其中Δt为转速环软件任务周期，k为范围0～1的实数；优选的，Δt选取1ms，k选取0.5；
将图2的摩擦阻力曲线按照转速步长Δω进行离散化处理，形成转速-摩擦阻力的一维查表Tlookup(ω)；优选的，Δω选取100rpm；
S3、根据转速环电机输出扭矩的计算公式，和转速-摩擦阻力的一维表Tlookup(ω)，标定PI调节环节的积分系数。
将转速环电机控制器的软件控制模式切换至转速模式，转速环电机输出扭矩的计算方法为：
其中，Tlookup为根据转速环电机当前实际转速查询转速-摩擦阻力一维表Tlookup(ω)得出的摩擦阻力；T*选择为通过CAN总线传递至转速环电机控制器的扭矩环电机控制器扭矩指令，为PI环节调节出的扭矩项。
由于Tlookup、T*、Kp均可计算得到，因此根据转速环的转矩响应时间和转速稳定误差标定积分系数Ki即可。
整车在坡道辅助起步、定速巡航等特殊工况下要求电驱动系统具有转速环，标定方法与前述方案描述中的叙述一致，但T*选择为转速环电机实际负载扭矩的观测值，具体观测方法有卡尔曼滤波器、模型参考自适应、伦伯格观测器等。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，上位机通过CAN总线与转速环电机控制器连接，传递扭矩和转速指令；转速环电机控制器通过三相线连接至转速环电机，三相线上安装有开关；转速环电机输出轴安装有扭矩传感器和转速传感器，所述调试方法包括步骤：
S1、测量转速环电机转动惯量J；
S2、根据转速环电机转动惯量，计算PI调节环节的比例系数，将摩擦阻力-转速曲线离散化处理，形成转速-摩擦阻力的一维表Tlookup(ω)；
S3、根据转速环电机输出扭矩的计算公式，和转速-摩擦阻力的一维表Tlookup(ω)，标定PI调节环节的积分系数。
2.根据权利要求1所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S1中，测量转速环电机转动惯量的方法为：
首先，操作上位机发送扭矩指令T至转速环电机控制器，转速环电机控制器控制转速环电机输出扭矩，使得转速环电机转速增加到ω1；然后断开转速环电机与控制器连接三相线上的开关，使得转速环电机在摩擦阻力的作用下自由停止；记录转速环电机转速由ω1降低至0的整个过程的传感器扭矩值、转速值及时间，绘制为扭矩-转速曲线和转速-时间曲线；
其次，在扭矩-转速曲线和转速-时间曲线上选取转速ω2和ω3计算平均转动惯量J，计算过程为：
(1)根据扭矩-转速曲线计算得到转速ω2和ω3分别对应的阻力值T2和T3；
(2)根据转速-时间曲线计算得到转速ω2和ω3分别对应的加速度值a2和a3；
(3)计算转速ω2和ω3下的转动惯量：J2＝-T2/a2，J3＝-T3/a3；
(4)计算平均转动惯量J＝(J2+J3)/2。
3.根据权利要求2所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算PI调节环节的比例系数的公式为：其中Δt为转速环软件任务周期，k为范围0～1的实数。
4.根据权利要求3所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S2中，摩擦阻力曲线按照转速步长Δω进行离散化处理，形成转速-摩擦阻力的一维查表Tlookup(ω)。
5.根据权利要求4所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S3中，标定PI调节环节的积分系数的方法为：
将转速环电机控制器的软件控制模式切换至转速模式，转速环电机输出扭矩的计算公式为：
其中，Tlookup为根据转速环电机当前实际转速查询转速-摩擦阻力一维表Tlookup(ω)得出的摩擦阻力；T*为转速环电机实际负载扭矩的估计值，为PI环节调节出的扭矩项；
根据转速环的转矩响应时间和转速稳定误差标定积分系数Ki。
6.根据权利要求2所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S1中，上位机发送的扭矩指令T根据电机不同进行标定确定，扭矩范围为2～10Nm，转速ω1、ω2和ω3根据电机不同进行标定确定。
7.根据权利要求2所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S1中，在扭矩-转速曲线和转速-时间曲线上选取n个转速点计算平均转动惯量J，n＞2，共计算得到n个转动惯量，在n个转动惯量累加后取平均得到平均转动惯量J。
8.根据权利要求3所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S2中，Δt＝1ms，k＝0.5。
9.根据权利要求4所述的基于转动惯量的电驱动系统转速环调试方法，其特征在于，所述步骤S2中，Δω＝100rpm。
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