摘要：通過(guò)ADVISOR軟件環(huán)境下建立了電機(jī)控制、換擋控制等模型，針對(duì)提升新能源汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)的動(dòng)力性能和工作效率，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)精準(zhǔn)調(diào)速調(diào)矩的控制特性，從電機(jī)和變速箱綜合控制環(huán)節(jié)提出基于輸出扭矩動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1引言

    電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)的控制在平直路面基本可以滿足車(chē)輛的運(yùn)行要求。某些特殊工況難以應(yīng)付，如：車(chē)輛下坡電機(jī)負(fù)載很小接近于零，再施加加速信號(hào)可能帶來(lái)安全隱患，須使轉(zhuǎn)速在一個(gè)較寬工作領(lǐng)域連續(xù)可調(diào)；瞬間啟動(dòng)需要較大的轉(zhuǎn)矩，易使永磁電機(jī)退磁，可通過(guò)變速機(jī)構(gòu)通過(guò)增大轉(zhuǎn)速比提高輸出轉(zhuǎn)矩。文中是將變速箱作為輸出扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速的綜合協(xié)調(diào)部件，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)包括：電機(jī)控制系統(tǒng)、變速箱控制系統(tǒng)、整車(chē)控制系統(tǒng)和一些功能子模塊。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和模型建立

    動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)在永磁同步電機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT），通過(guò)一整套電控執(zhí)行單元優(yōu)化提升車(chē)輛動(dòng)力性能，如圖1所示。電控單元（TCU）作為整個(gè)變速箱控制核心，純電動(dòng)汽車(chē)的選換擋機(jī)構(gòu)中取消了離合控制，控制單元需要采集加速、制動(dòng)踏板信號(hào)，并和換擋單元、電機(jī)控制模塊進(jìn)行通信，同時(shí)還集成整車(chē)控制器（EVCU）的功能。

    通過(guò)ADVISOR軟件進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)模型仿真，如圖2所示。由電機(jī)直驅(qū)方式加入變速器模型構(gòu)成新型總成仿真模型，并進(jìn)行仿真研究。

    電動(dòng)汽車(chē)仿真模型中動(dòng)力總成模型進(jìn)行調(diào)整之后，變速箱的選換擋電機(jī)的端電壓作為輸入量，把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度作為輸出量，進(jìn)行推導(dǎo)并建立選換擋傳遞函數(shù)：圖3所示為兩檔變速箱仿真模型。

    變速換擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流環(huán)工作狀態(tài)，通過(guò)速度、轉(zhuǎn)矩兩參數(shù)調(diào)節(jié)的方法來(lái)完成換擋控制。傳統(tǒng)的扭矩控制理論主要有以下兩種：（1）直接把扭矩降到零；（2）降扭過(guò)程有曲線過(guò)渡平滑的降到零。本文采用的降扭控制策略，換擋之前計(jì)算需求扭矩，再結(jié)合降扭曲線到達(dá)預(yù)定值，如圖4所示。

    需求扭矩Te取決于加速踏板Acc、制動(dòng)踏板信號(hào)Bra、檔位信號(hào)Ks、車(chē)速Vcar、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速Vmotor、電池組電壓水平U、電流大小I、電池負(fù)荷Qs等參量。

    扭矩函數(shù)式可以拆解成駕駛期望速度函數(shù)式Vexp和需求扭矩函數(shù)式Teneed：

    驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制采用的是內(nèi)嵌式永磁電機(jī)電流、速度閉環(huán)矢量控制。矢量控制的實(shí)質(zhì)就是建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和定子的磁場(chǎng)要相同步，其兩者相位角關(guān)系滿足：定子磁場(chǎng)滯后旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)π/2。從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳感器獲得信號(hào)反饋，計(jì)算PWM信號(hào)占空比，最終實(shí)現(xiàn)控制算法。永磁電機(jī)的有感調(diào)速方法基礎(chǔ)上提出變頻調(diào)速的方法提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。假令控制周期時(shí)間為2T，對(duì)應(yīng)的波形函數(shù)f（x），進(jìn)行傅里葉展開(kāi)研究其電流的諧波，為了簡(jiǎn)化計(jì)算令f（x）是偶函數(shù)。

    上式中

    f（x）是偶函數(shù)

    上式中，dpwm為直流分量且和占空比線性相關(guān)這也是產(chǎn)生電機(jī)扭矩的主要的電壓部分。其余諧波正弦分布，fsw為PWM的頻率，諧波的頻率滿足fsw的整數(shù)倍，諧波頻率隨基頻變化。電機(jī)屬于感性負(fù)載，電感電流特性為：通直阻交、通低頻阻高頻。越高次諧波頻率較高，電感效應(yīng)明顯。電機(jī)控制過(guò)程PWM頻率適當(dāng)降低從而降低諧波頻率，系統(tǒng)諧波分量變大，電機(jī)輸出扭矩平均值增大。利用諧波扭矩的控制策略特別適合在電機(jī)低速時(shí)增大輸出轉(zhuǎn)矩，提升電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)的動(dòng)力性能。

3系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

    如圖5所示，兩檔變速箱變比3:1，在選換擋電機(jī)模型中，部分參數(shù)取值情況如下:電樞電感L=0.8mH；電樞電阻R=0.5Ω；轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt=0.05N·m/A；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.2g·m2；反電勢(shì)常數(shù)Ke=0.05v·s/rad。設(shè)定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為700r/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩峰值為25N·m，會(huì)分別對(duì)選檔信號(hào)、換擋信號(hào)、輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行跟蹤。結(jié)合傳遞函數(shù)可知：

    圖6所示分別反映的是選檔電機(jī)、換擋電機(jī)的工作情況，在縱坐標(biāo)數(shù)值2.5處虛線表示，絲桿運(yùn)動(dòng)的歸中點(diǎn)，實(shí)線表示直流電機(jī)目標(biāo)位置，虛線表示選換擋電機(jī)動(dòng)作的實(shí)際位置，開(kāi)始階段換擋機(jī)構(gòu)處在空擋位置，0.25S處入一檔，完成進(jìn)檔后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩提升，達(dá)到換擋點(diǎn)時(shí)，一檔進(jìn)入二擋。換擋過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩降到需求轉(zhuǎn)矩，換擋成功后，再次提升轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，動(dòng)力總成的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到要求值，此時(shí)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

    對(duì)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從得到的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形，如圖7所示，可以大致看出電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不大，響應(yīng)速度快，非常靈敏而且波動(dòng)很小，整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行。

4臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

     實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架耗能較低，可以按照設(shè)定的程序進(jìn)行加載動(dòng)作，記錄變速器的輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，效率曲線等。①大功率散熱鼓風(fēng)機(jī)；②高效內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)；③集成選換擋機(jī)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)法士特變速箱；④傳動(dòng)軸；⑤扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器集成箱為驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)調(diào)速和基于扭矩的換擋控制策略，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要工作：選換擋測(cè)試、通信測(cè)試、效率測(cè)試，監(jiān)控動(dòng)力總成系統(tǒng)從起步到穩(wěn)定速度勻速運(yùn)行過(guò)程，變速箱控制器和電機(jī)控制器之間通過(guò)CAN通信協(xié)同工作，并且并生成相應(yīng)的數(shù)表。

    測(cè)試系統(tǒng)主要參數(shù)：變速器總成輸入扭矩范圍0-200Nm；扭矩測(cè)量精度±0.05%FS、輸出信號(hào)頻率60±30KHz、變速器輸入轉(zhuǎn)速范圍0-6500rpm、轉(zhuǎn)速傳感器精度±1rpm、變速比參考變速箱銘牌（1檔3.816、2檔2.15）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（額定功率16KW、最大轉(zhuǎn)矩180Nm、額定轉(zhuǎn)速1800rpm、最高轉(zhuǎn)速6000rpm）。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1800rpm，變速箱的變速比為1檔3.816、2檔2.15，進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速換算可知一檔時(shí)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)速大概在470rpm，二擋時(shí)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)速約為837rpm。將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000rpm，在動(dòng)力總成的提速踏板開(kāi)度方式恒定，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速前，對(duì)應(yīng)不同的車(chē)速，分別對(duì)一檔、二擋、加入換擋控制三種情況繪制效率曲線。

    如圖9所示，連續(xù)的自動(dòng)換擋工作曲線表明系統(tǒng)能夠正常工作，單獨(dú)某一擋位下的效率曲線在超出合理轉(zhuǎn)速工作區(qū)后明顯下降，采用本文控制策略的系統(tǒng)效率比單一某擋位工作的效率要高，而且高效率工作區(qū)明顯較大。

5結(jié)語(yǔ)

    本研究完成了對(duì)基于扭矩的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成傳動(dòng)系統(tǒng)仿真和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。永磁同步電機(jī)在矢量閉環(huán)控制算法下，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流進(jìn)行跟蹤，又利用ADVISOR軟件把汽車(chē)模型進(jìn)行調(diào)整分析；根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出動(dòng)力總成效率曲線，驗(yàn)證了動(dòng)力總成系統(tǒng)控制方案對(duì)于動(dòng)能傳遞，能量管理，增加續(xù)航里程有重要意義。