專利名稱：基于電流控制的車用電機的運動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動汽車技術(shù)領(lǐng)域，涉及電動汽車的車用電機的運動控制方法，特別 是電動汽車的具有牽引力控制功能的控制。
背景技術(shù)：
永磁無刷電機具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高的特點，其轉(zhuǎn)矩特性與直流電機一樣，具 有調(diào)節(jié)控制方便、調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，非常適合于電動汽車應(yīng)用中。車輛的運動控制，是根據(jù)車輛運行過程中車輛的滑移率對汽車動力系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn) 矩進(jìn)行控制，使得車輛運行于穩(wěn)定的狀態(tài)。目前的電動汽車用的牽引力控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng) 的內(nèi)燃機汽車的基礎(chǔ)上發(fā)展得到的。比起傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制困難、成本高 等不利因素，在電動汽車中，由于采用了電機，電機具有轉(zhuǎn)矩可控性好，而且控制簡單，控制 響應(yīng)速度快、不需要增加附加裝置等特點，因此越來越受到重視。目前的電動汽車牽引力控制系統(tǒng)其控制原理是通過檢測驅(qū)動輪以及從動輪的速 度得到汽車運行的滑移率，進(jìn)而作為控制電機控制器的參考控制量對電機的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行 控制。該方法需要先確定目標(biāo)滑移率，并根據(jù)滑移率控制電機控制器的目標(biāo)控制轉(zhuǎn)矩，再由 電機控制根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩對輸出占空比進(jìn)行控制，實現(xiàn)對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩控制。該方法需要 至少兩個以上的控制環(huán)，由于控制環(huán)節(jié)都具有慣性延時的特性，因此，該控制方法一定程度 上影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使得系統(tǒng)的動態(tài)性能受到影響。下面對牽引力控制系統(tǒng)的原理做詳細(xì)說明汽車行駛過程中牽引力的產(chǎn)生來自于車輪與路面之間的黏著傳遞，而汽車所受到 的最大牽引力又受到車輪與路面之間最大黏著系數(shù)的限制。而最大黏著系數(shù)則是由路面以 及汽車輪胎所決定的。一般來說，僅考慮路面狀態(tài)對黏著的影響。當(dāng)車輪上所發(fā)揮的牽引力 大于路面所能提供的最大黏著力時，車輪就會發(fā)生空轉(zhuǎn)(滑移)。(制動情況也是類似。) 此時，黏著摩擦將過渡到滑動摩擦，此時力的傳遞將急劇減小。對于電動汽車來說，對其車 輪進(jìn)行受力分析，如圖5所示。忽略風(fēng)阻Fm-Fd=MwdVw/dt描述車輛滑移率有λ =Vw-V/Vw其中，F(xiàn)ffl, Fd, Mw, Vw，V分別為電機提供的驅(qū)動力，路面提供的牽引力，車輪質(zhì)量，車 輪線速度和車速。而車輛的牽引力是由路面的黏著力提供，用黏著系數(shù)表示μ=fd/N
N為車輛的載荷，而黏著系數(shù)μ是由車輪的滑移率λ決定，其曲線圖如圖6所示， 對應(yīng)的不同路況下，黏著系數(shù)μ和滑移率λ的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著滑移率從ο增加，黏著系數(shù)逐漸上升，與此同時，側(cè)滑力逐漸下降，隨著黏著系數(shù)達(dá)到最大值，如果滑移 率進(jìn)一步增加，側(cè)滑力與黏著力快速下降，此時汽車處于不受控制狀態(tài)，使得安全性大大降 低。因此，需要把滑移率控制在圖示陰影部分，使得汽車具有良好的可靠性和安全特性的同 時并具有良好的加速性能。因此，為了控制滑移率，傳統(tǒng)的牽引力控制方法是通過減小電機的牽引轉(zhuǎn)矩Fm，使 得車輪轉(zhuǎn)速降低，減小輪胎與路面的滑移率，使車輛運行在穩(wěn)定區(qū)域(圖6中陰影區(qū)域)。傳統(tǒng)的牽引力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，一般地，牽引力控制系統(tǒng)根據(jù)計算得到的滑移率，與目標(biāo)滑移率(通常在0. 1-0. 3之間的某一常數(shù)，該值以最保守的路面情 況(比如冰面)作為參考量)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果通過調(diào)節(jié)器得到參考轉(zhuǎn)矩，以保證汽車 在各種路面均能安全行駛，但是以最保守的滑移率作為所有路面的滑移率的控制目標(biāo)，其 帶來的問題是性能將會受到影響。該參考轉(zhuǎn)矩作為電動汽車電機控制器的參考輸入量，經(jīng) 過反饋轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較后通過調(diào)節(jié)器得到參考電流控制量，并與反饋電流進(jìn)行比較，將比較 差值進(jìn)行調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，得到PWM占空比，最后輸出給逆變器以驅(qū)動電機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于電流控制的車用電機的運動控制方法，將電機 控制和電動汽車的運動控制相結(jié)合，該方法將牽引力控制與電機控制進(jìn)行融合，使得在 已有實現(xiàn)的牽引力控制器的控制方法上對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降 低系統(tǒng)的超調(diào)和震蕩。該方法是通過一種新的基于滑移率控制的直接PWM(Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制)的控制方法，實現(xiàn)更有效、更快速的車輛的運動控制，保證電動汽車 運行的安全性。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明是將電機控制和電動汽車的運動控制進(jìn)行了結(jié)合，具體是通過一種基于滑 移率控制的直接PWM控制方法。通過將參考滑移率作為控制對象，直接對電動汽車電機控 制器的PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了對電機的轉(zhuǎn)矩快速的控制，最終實現(xiàn)對滑移率的 快速控制。一種車用電機的運動控制方法，其包括以下步驟1)檢測車輛驅(qū)動輪及從動輪的轉(zhuǎn)速，計算車輛的滑移率及路面的黏著系數(shù)；2)根據(jù)步驟1)中的計算結(jié)果建立黏著系數(shù)-滑移率特性曲線，得出當(dāng)前路況下不 打滑最大滑移率；3)計算駕駛員需求黏著系數(shù)，根據(jù)步驟2)中的黏著系數(shù)-滑移率特性曲線，得到 對應(yīng)的駕駛員等效轉(zhuǎn)矩滑移率；4)將步驟2)中的不打滑最大滑移率和步驟3)中的駕駛員等效轉(zhuǎn)矩滑移率取小， 作為電機給定等效轉(zhuǎn)矩滑移率；5)電機給定等效轉(zhuǎn)矩滑移率與步驟1)計算得到的車輛滑移率進(jìn)行求差，差值進(jìn) 行滑移率調(diào)節(jié)器控制后得到電機的電流控制參考值，該參考值與電機電流反饋值進(jìn)行比較 后，通過電流調(diào)節(jié)器對輸出給逆變器的PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)一步，在車輛驅(qū)動輪及從動輪安裝轉(zhuǎn)速傳感器，根據(jù)淆移率λ =驅(qū)動輪速度w-從動輪速度v /駆動輪速v和 黏著系數(shù)＝從動輪單位時間速度變化量、時間間隔×g分別計算得到車輛滑移率λ和路面黏著系數(shù)μ。根據(jù)駕駛員需求黏著系數(shù)μd＝駕駛員需求轉(zhuǎn)矩Td/車輛負(fù)荷N根據(jù)
，若δ >0則說明處于穩(wěn)定區(qū)域，若δ =0說明
位于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，若δ <0則說明車輛處于不穩(wěn)定區(qū)域，從而確定步驟2)中當(dāng)前路況下 不打滑允許的最大的滑移率。由于采用了上述方案，本發(fā)明與傳統(tǒng)的電動汽車牽引力控制系統(tǒng)相比，具有以下 優(yōu)點傳統(tǒng)的牽引力控制系統(tǒng)將電動汽車牽引電機的輸出轉(zhuǎn)矩作為控制對象，實現(xiàn)對電 動汽車滑移率的控制。其具體做法是根據(jù)給定的參考滑移率，經(jīng)過滑移率調(diào)節(jié)器得到電動 汽車的參考轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)該參考轉(zhuǎn)矩作為電動汽車中的電機控制器的參考輸入對逆變器的 占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的控制達(dá)到控制滑移率的效果。而本發(fā)明則是直接 將滑移率作為控制對象對電機進(jìn)行控制，通過滑移率閉環(huán)控制直接實現(xiàn)對電機的占空比的 調(diào)節(jié)，省去中間滑移率調(diào)節(jié)器對電機控制器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的控制環(huán)，與傳統(tǒng)牽引力控制系統(tǒng)相 比，由于直接將滑移率對逆變器輸出占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，減少一個中間環(huán)節(jié)——滑移率 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，使得整個控制系統(tǒng)更加簡單，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的滑移率/附著系數(shù)計算模塊示意圖。圖3為具有滑移率_電機電流(PWM)直接控制系統(tǒng)流程圖。圖4為具有滑移率_電機電流(PWM)直接控制系統(tǒng)圖。圖5為電動汽車驅(qū)動輪受力分析圖。圖6為黏著系數(shù)_滑移率曲線圖。圖7為傳統(tǒng)牽引力控制方法控制框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本方法將運動控制與電機控制進(jìn)行結(jié)合，其具體原理是系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器2 信息通過滑移率計算模塊3得到汽車運行狀態(tài)_滑移率和黏著系數(shù)；在辨識模塊4中根 據(jù)計算結(jié)果對路況進(jìn)行辨識，得到該路況最大滑移率；駕駛員轉(zhuǎn)矩需求1通過黏著系數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊5轉(zhuǎn)換成駕駛員需求黏著系數(shù)，再根據(jù)路面辨識模塊4進(jìn)行查表6得到駕駛員轉(zhuǎn)矩 等效滑移率，在最優(yōu)滑移率決策模塊7中根據(jù)辨識模塊得到的最大滑移率進(jìn)行綜合優(yōu)化決 策，最終給出最優(yōu)滑移率；電機控制模塊8根據(jù)最優(yōu)滑移率決策模塊得到的最優(yōu)滑移率經(jīng) 過調(diào)節(jié)器得到占空比輸出給電機逆變器9。
其中，轉(zhuǎn)速傳感器2安裝在四個輪子上，滑移率、黏著系數(shù)計算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感 器的信息計算得到滑移率和黏著系數(shù)，該模塊具體實現(xiàn)如下如圖2所示為滑移率、黏著系數(shù)計算模塊3，其實現(xiàn)的功能是通過檢測驅(qū)動輪和從 動輪的轉(zhuǎn)速反饋，計算得到車輛的事實滑移率，并得到路面黏著系數(shù)的預(yù)估值。計算模塊原理具體為
滑移執(zhí)=赫輪速膨；-車執(zhí) ■動輪速戲w由于車身速度傳感器難以安裝，而且成本較高，因此采用測量從動輪速度對車身 速度進(jìn)行替代，因此上式可以變換得到
mm = mmmw -從動輪速戲 ‘‘_驅(qū)動輪速_路面的黏著系數(shù)的計算可以根據(jù)從動輪的車速得到，具體公式為
擬蟲車輛運行時路面提供的牽引麾擦力F&
mmMm =-. ^^^--
車輛而又有
—軸A絲 從動輪單位時閭速度變化呈
車輛的β 速度a =-—T^-
時閭間隔HT
車輛的加速踟=麵提供二擦機
車輛質(zhì)董M因此，黏著系數(shù)可以用以下公式求取
從動輪單位時間速度變化簠
黏看系救=--
時_隔1辨識模塊根據(jù)黏著系數(shù)、驅(qū)動輪滑移率計算得到 根據(jù)該δ的值以及滑移率λ的值進(jìn)行判斷車輛是否運行在穩(wěn)定區(qū)域，若δ >0 則說明處于穩(wěn)定區(qū)域，若δ =0說明位于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，若δ <0則說明車輛處于不穩(wěn) 定區(qū)域。并根據(jù)事先對各種路面的μ-λ實驗數(shù)據(jù)確定車輛運行在何種路況，得到黏著系 數(shù)-滑移率特性曲線，并根據(jù)前面的表格得到該路況下不打滑允許的最大的滑移率。駕駛員需求黏著系數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5計算公式如下
雜員需求顯數(shù)μ =雜=，
車輛負(fù)荷N
駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求除以車輛的負(fù)荷N得到駕駛員需求的黏著系數(shù)，該黏著系數(shù)根 據(jù)上面得到的黏著系數(shù)-滑移率特性曲線，進(jìn)行查表，進(jìn)一步得到該黏著系數(shù)對應(yīng)的滑移 率，成為駕駛員“等效轉(zhuǎn)矩”滑移率。該滑移率與不打滑允許的最大的滑移率進(jìn)行取小操作， 得到電機給定“等效轉(zhuǎn)矩”滑移率。等效轉(zhuǎn)矩滑移率與前面計算得到的車輛行駛的滑移率反饋值進(jìn)行求差，差值進(jìn)行 滑移率調(diào)節(jié)器控制后得到電機的電流控制參考值，該參考值與電機電流反饋值進(jìn)行比較 后，通過電流調(diào)節(jié)器對輸出給逆變器的PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。從而實現(xiàn)基于整車的滑移 率的運動控制。由于電機控制器的電流與電機控制器的轉(zhuǎn)矩輸出成正比，而電機控制器的 轉(zhuǎn)矩輸出又等于牽引力的大小，牽引力的大小/車重=車輛的粘著系數(shù)，而黏著系數(shù)又是 由滑移率進(jìn)行控制的。因此通過控制電機電流可以實現(xiàn)對滑移率的控制，達(dá)到改變黏著系 數(shù)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。本發(fā)明提出了一種基于以電動汽車滑移率為控制目標(biāo)的直流無刷電機驅(qū)動控制 方法和新型電機控制結(jié)構(gòu)，在該控制方法中，提出了一個轉(zhuǎn)矩等效電流的概念，并用給定轉(zhuǎn) 矩等電流的概念代替原來電機驅(qū)動控制中的給定轉(zhuǎn)矩，該概念的好處是把駕駛員的需求轉(zhuǎn) 矩與反映輪胎_路面關(guān)系和車輛運動性能的滑移率相結(jié)合，并直接通過控制電機電流(占 空比)來實現(xiàn)車輛的動力學(xué)/運動學(xué)控制。如何將駕駛員需求與車輛運動學(xué)性能的結(jié)合，涉及兩個方面的問題，(1)是將駕駛員轉(zhuǎn)矩需求轉(zhuǎn)換為駕駛員“轉(zhuǎn)矩等效”電流，(2)是車輛運行過程中滑移率的檢測(包括檢 測方法、路面黏著系數(shù)-滑移率特性的檢測)以及最大允許滑移率確定，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為最大 等效轉(zhuǎn)矩和最大滑移率等效電流。在此基礎(chǔ)上，將上述兩個等效電流綜合確定給定“等效電 流”電機參考控制量閉環(huán)控制車輛的輸出力矩。與傳統(tǒng)的牽引力控制中以轉(zhuǎn)矩作為控制量調(diào)節(jié)滑移率改善汽車打滑現(xiàn)象的方法 相比，本發(fā)明的特點是防滑控制的調(diào)節(jié)與外部轉(zhuǎn)矩指令具有同樣的響應(yīng)時間，具有更加快 速的動態(tài)響應(yīng)特性，能明顯提高電動汽車的動態(tài)性能和運動穩(wěn)定性，有效抑制車輛在加速、 低附著系數(shù)路面的車輪打滑的現(xiàn)象。上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā) 明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施 例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種車用電機的運動控制方法，其特征在于將參考滑移率作為控制對象，直接對電機控制器的PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對電機的轉(zhuǎn)矩快速的控制，實現(xiàn)對滑移率的快速控制。
2.如權(quán)利要求1所述的車用電機的運動控制方法，其特征在于其包括以下步驟1)檢測車輛驅(qū)動輪及從動輪的轉(zhuǎn)速，計算車輛的滑移率及路面的黏著系數(shù)；2)根據(jù)步驟1)中的計算結(jié)果建立黏著系數(shù)_滑移率特性曲線，得出當(dāng)前路況下不打滑 最大滑移率；3)計算駕駛員需求黏著系數(shù)，根據(jù)步驟2)中的黏著系數(shù)_滑移率特性曲線，得到對應(yīng) 的駕駛員等效轉(zhuǎn)矩滑移率；4)將步驟2)中的不打滑最大滑移率和步驟3)中的駕駛員等效轉(zhuǎn)矩滑移率取小，作為 電機給定等效轉(zhuǎn)矩滑移率；5)電機給定等效轉(zhuǎn)矩滑移率與步驟1)計算得到的車輛滑移率反饋值進(jìn)行求差，差值 進(jìn)行滑移率調(diào)節(jié)器控制后得到電機的電流控制參考值，該參考值與電機電流反饋值進(jìn)行比 較后，通過電流調(diào)節(jié)器對輸出給逆變器的PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求2所述的車用電機的運動控制方法，其特征在于在車輛驅(qū)動輪及從動 輪安裝轉(zhuǎn)速傳感器，根據(jù) 分別計算得到車輛滑移率λ和路面黏著系數(shù)μ。
4.如權(quán)利要求2所述的車用電機的運動控制方法，其特征在于根據(jù)駕駛員需求黏著系數(shù)μ = ^^ffff^計算駕駛員需求黏著系數(shù)。 軍輛負(fù)荷N
5.如權(quán)利要求2所述的車用電機的運動控制方法，其特征在于根據(jù) )計算I若δ >0則說明穩(wěn)、定g域，若δ =Oi兌明位〒臨界穩(wěn)、定狀態(tài)，若δ <0則說明車輛處于不穩(wěn)定區(qū)域，從而確定步驟2)中當(dāng)前路況下不打滑允許的最大的滑移率。
全文摘要
本發(fā)明一種基于電流控制的車用電機的運動控制方法，將電機控制和電動汽車的運動控制進(jìn)行了結(jié)合，具體是通過一種基于滑移率控制的直接PWM控制的方法，其是通過將參考滑移率作為控制對象，直接對電動汽車電機控制器的PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了對電機的轉(zhuǎn)矩快速的控制，最終實現(xiàn)對滑移率的快速控制。與傳統(tǒng)的牽引力控制中以轉(zhuǎn)矩作為控制量調(diào)節(jié)滑移率改善汽車打滑現(xiàn)象的方法相比，本發(fā)明的特點是防滑控制的調(diào)節(jié)與外部轉(zhuǎn)矩指令具有同樣的響應(yīng)時間，具有更加快速的動態(tài)響應(yīng)特性，能明顯提高電動汽車的動態(tài)性能和運動穩(wěn)定性，有效抑制車輛在加速、低附著系數(shù)路面的車輪打滑的現(xiàn)象。
文檔編號H02P6/08GK101841288SQ20101012837
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者劉峰, 徐國卿, 胡波, 胡浩 申請人:同濟(jì)大學(xué)