周斯加 龍江啟 儲(chǔ) 軍 張蔭先

1. 溫州大學(xué)，溫州， 325035 2.深圳國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，深圳，518000

0 引言

對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是一種新型電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)。該電機(jī)所采用的驅(qū)動(dòng)形式克服了傳統(tǒng)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力經(jīng)主減速器、差速器、半軸，然后傳到驅(qū)動(dòng)車輪所造成的傳輸路徑過長(zhǎng)的問題，減少了傳動(dòng)引起的能量損失，同時(shí)它也可改善輪轂電動(dòng)驅(qū)動(dòng)[1]控制器多、成本高，以及較小的簧載質(zhì)量引起的平順性下降的不足，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積輕巧、控制簡(jiǎn)便，且集驅(qū)動(dòng)、差速、制動(dòng)能量再生、驅(qū)動(dòng)防滑等功能于一體的電驅(qū)動(dòng)形式[2-3]。

在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)應(yīng)用方面，日本橫濱大學(xué)率先開展了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性等的基礎(chǔ)性研究[4],但一些重要測(cè)試結(jié)果未見報(bào)道。目前，國(guó)內(nèi)也逐步開展了這方面的研究。華南理工大學(xué)等對(duì)電機(jī)運(yùn)行、控制等方面進(jìn)行了理論方面的研究，探討了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)車輛時(shí)的某些動(dòng)力特性和控制策略[5-7]。為把雙轉(zhuǎn)子電機(jī)盡快地運(yùn)用到電動(dòng)車產(chǎn)品中，滿足電動(dòng)車對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高的要求，本研究在之前理論分析的基礎(chǔ)上搭建了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)專用測(cè)試平臺(tái)，啟動(dòng)了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的試驗(yàn)研究，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝車奠定了基礎(chǔ)。

1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)HIL仿真平臺(tái)的搭建

1.1 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成

對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)硬件在環(huán)(HIL)試驗(yàn)臺(tái)采用節(jié)能四象限電回饋封閉式試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)由一臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)及相應(yīng)的減速裝置完成，負(fù)載采用兩臺(tái)伺服系統(tǒng)及相應(yīng)的扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器組成，試驗(yàn)臺(tái)的總體構(gòu)成如圖1、圖2所示。其中，試驗(yàn)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)為具有能量再生回饋功能且控制精準(zhǔn)的永磁同步雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，考慮到成本等因素，電機(jī)采用風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和機(jī)殼等組成[2]。

圖1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)HIL測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2 HIL雙轉(zhuǎn)子電機(jī)仿真平臺(tái)

1.2 試驗(yàn)臺(tái)仿真控制原理

由于試驗(yàn)臺(tái)需要完成驅(qū)動(dòng)防滑等精度高、響應(yīng)迅速的試驗(yàn)項(xiàng)目，所以試驗(yàn)臺(tái)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用dSPACE多處理器模塊化HIL實(shí)時(shí)仿真計(jì)算系統(tǒng)。在仿真試驗(yàn)時(shí)，扭矩儀將對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩側(cè)動(dòng)態(tài)負(fù)載實(shí)時(shí)發(fā)送到dSPACE中，通過計(jì)算隨即可得到模擬的兩側(cè)車輪實(shí)時(shí)滑轉(zhuǎn)率情況[5-8]。數(shù)據(jù)記錄、顯示和對(duì)dSPACE的控制由計(jì)算機(jī)完成，控制參數(shù)的設(shè)定則在ControlDesk中進(jìn)行。圖3為HIL試驗(yàn)仿真流程圖，圖4所示為ControlDesk控制系統(tǒng)界面。

圖3 HIL試驗(yàn)仿真流程圖

圖4 ControlDesk控制界面

如圖3所示，HIL仿真試驗(yàn)可以構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)防滑測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，由駕駛員油門踏板(電位器)給定一個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器根據(jù)這個(gè)要求驅(qū)動(dòng)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出一定的轉(zhuǎn)矩。通過調(diào)節(jié)駕駛員油門與負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行加減速控制。在驅(qū)動(dòng)防滑仿真控制時(shí)，可以同時(shí)或者只調(diào)節(jié)單側(cè)的負(fù)載電機(jī)以模擬路面的附著狀態(tài)變化。輪速跟蹤控制器按照文獻(xiàn)[8]提出的控制原則根據(jù)兩側(cè)負(fù)載的轉(zhuǎn)速變化率的和的變化情況計(jì)算一個(gè)修正轉(zhuǎn)矩對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩抑制。在此模型中，從信號(hào)的采集到兩側(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化率的計(jì)算以及到控制器計(jì)算負(fù)反饋轉(zhuǎn)矩的大小都是在dSPACE中完成的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本HIL仿真測(cè)試平臺(tái)主要完成了兩項(xiàng)測(cè)試任務(wù)：①雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性驗(yàn)證；②基于輪速跟蹤控制的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)防滑控制策略研究。

2.1 驅(qū)動(dòng)特性驗(yàn)證

首先利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行效率測(cè)試，考慮到試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，本次試驗(yàn)僅就雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出功率在10kW以內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在低負(fù)荷區(qū)域效率偏低，在載荷逐步增大接近額定功率時(shí)，電機(jī)效率也逐步提高。當(dāng)電機(jī)工作在8kW以上區(qū)間時(shí)，其效率超過80%。

圖5 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)效率曲線

其次，模擬雙轉(zhuǎn)子電驅(qū)動(dòng)橋差速加速驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，模擬步驟如下：將對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)加速至70%負(fù)荷附近并調(diào)節(jié)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩側(cè)負(fù)載的平衡，在第10s時(shí)刻調(diào)整左右兩側(cè)負(fù)載使其不平衡，4s后對(duì)負(fù)載進(jìn)行反向操作，使得左右側(cè)負(fù)載值對(duì)換，再過4s后調(diào)整兩側(cè)負(fù)載使其同時(shí)恢復(fù)到初始值，負(fù)載變化如圖6所示。近似正弦波地調(diào)節(jié)負(fù)載的目的是為了模擬電驅(qū)動(dòng)橋在轉(zhuǎn)向過程中兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪受到的地面阻力的變化情況。圖7所示為兩側(cè)轉(zhuǎn)差率(即右側(cè)轉(zhuǎn)速與左側(cè)轉(zhuǎn)速之差與右側(cè)轉(zhuǎn)速的比值)變化曲線，可見轉(zhuǎn)差率峰值達(dá)到了12.6%，并位于左右側(cè)轉(zhuǎn)矩值交叉點(diǎn)附近。

圖6 電驅(qū)動(dòng)橋左右側(cè)負(fù)載變化

圖7 轉(zhuǎn)差率變化

雙轉(zhuǎn)子電驅(qū)動(dòng)橋左右側(cè)輸出轉(zhuǎn)速結(jié)果如圖8所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異率(兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差值與單側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比)小于5%的情況下，兩側(cè)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)差異性非常小。在整個(gè)試驗(yàn)階段，左右側(cè)轉(zhuǎn)速輸出能夠較好地跟隨控制指令，當(dāng)有意調(diào)整兩側(cè)負(fù)載值并使其數(shù)值交替起伏時(shí)，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩側(cè)輸出相應(yīng)地出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速差，且當(dāng)負(fù)載數(shù)值恢復(fù)至初始值后，兩側(cè)輸出的轉(zhuǎn)矩恢復(fù)一致，轉(zhuǎn)速差也隨即消失。

圖8 兩側(cè)轉(zhuǎn)速變化

2.2 驅(qū)動(dòng)防滑控制策略驗(yàn)證研究

模擬電驅(qū)動(dòng)橋輪速跟蹤控制試驗(yàn)，試驗(yàn)過程為：給定雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩側(cè)等大的負(fù)載，啟動(dòng)電機(jī)加速，在加速至20s時(shí)刻電機(jī)兩側(cè)負(fù)載同時(shí)減小，在10s后又恢復(fù)到初始水平。dSPACE采集雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩側(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)并進(jìn)行微分計(jì)算，在選定的兩種K值下輸出修正電機(jī)控制信號(hào)，以抑制雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，其中K值的選擇參見文獻(xiàn)[8]。圖9所示為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋的負(fù)載給定情況，圖10為電機(jī)給定的輸出轉(zhuǎn)矩和實(shí)際輪速跟蹤控制修正后轉(zhuǎn)矩比較圖，圖11為無轉(zhuǎn)矩控制和有輪速跟蹤控制下的輸出轉(zhuǎn)速比較圖。

圖9 電驅(qū)動(dòng)橋負(fù)載給定

圖10 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較

圖11 輪速跟蹤控制轉(zhuǎn)速比較

通過比較可以看出，采用輪速跟蹤控制方式可以有效地抑制轉(zhuǎn)速非正常快速增大，從而提高了車輛的驅(qū)動(dòng)防滑能力。輪速跟蹤控制方式不需要知道汽車和車輪的實(shí)際平移速度就可以對(duì)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)防滑控制，是一種非常適用于電動(dòng)車輛的防滑控制策略。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)具有和差速器同樣的差速驅(qū)動(dòng)功能。在等轉(zhuǎn)矩控制下，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速此消彼長(zhǎng)，且保持了兩側(cè)輸出轉(zhuǎn)矩的平衡，其差速作用與傳統(tǒng)的車用開式差速器相同。

(2)通過調(diào)整負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩來模擬道路附著狀況的改變，設(shè)計(jì)了通過驟減負(fù)載模擬車輛駛經(jīng)低附著系數(shù)路面的打滑試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的輪速跟蹤控制器有效降低了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出，在一定程度上抑制了滑轉(zhuǎn)率的突然升高，控制效果明顯。

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