吳浩 田曉川 趙子亮

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

電動轉(zhuǎn)向油泵總成參數(shù)匹配及控制策略研究

吳浩 田曉川 趙子亮

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

電動轉(zhuǎn)向油泵總成的參數(shù)匹配及控制策略是電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。以CA6121URBEV2型純電動客車為平臺，依據(jù)轉(zhuǎn)向泵的基本參數(shù)及工作特性確定了油泵電機(jī)的額定工作扭矩、峰值工作扭矩、額定工作轉(zhuǎn)速等，從保障整車高壓電氣安全性、行駛安全性和降低總成能量消耗的角度出發(fā)，開發(fā)了電動泵總成的高壓上下電策略、轉(zhuǎn)速控制策略和故障處理策略，并通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了該電動泵總成參數(shù)匹配的合理性和控制策略的可行性。

1 前言

深度混合動力汽車與純電動商用車存在純電動行駛工況，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型必須是發(fā)動機(jī)獨(dú)立的電動液壓轉(zhuǎn)向或電動助力轉(zhuǎn)向。目前商用車循環(huán)球電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)還不成熟，因此深度混合動力汽車與純電動商用車多以電動液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)為主。

電動轉(zhuǎn)向油泵（下稱電動泵）總成的參數(shù)匹配及其控制策略是電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。本文以CA6121URBEV2型純電動客車為平臺，依據(jù)轉(zhuǎn)向泵的基本參數(shù)及工作特性確定油泵電機(jī)的額定工作扭矩、峰值工作扭矩、額定工作轉(zhuǎn)速等，從保障整車高壓電氣安全性、行駛安全性和降低總成能量消耗的角度出發(fā)，制定了電動泵總成的高壓上下電策略、轉(zhuǎn)速控制策略和故障處理策略，并通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了電動泵總成參數(shù)匹配方法的合理性和控制策略的可行性。

2 電動泵總成參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

2.1 電動泵總成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電動泵總成由轉(zhuǎn)向泵、彈性聯(lián)軸器、油泵驅(qū)動電機(jī)及逆變器等構(gòu)成，需要接受整車KL15、KL30的低壓供電和直流高壓供電，通過CANBus與整車通訊。

2.2 轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向泵參數(shù)

該電動客車轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向泵參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向泵參數(shù)

2.3 轉(zhuǎn)向泵工作特性

流量特性是轉(zhuǎn)向泵的基本工作特性，圖2是該電動客車轉(zhuǎn)向泵在負(fù)載為0～13.6 MPa時(shí)的流量特性曲線。轉(zhuǎn)向泵的實(shí)際流量q是理論流量qt和泄漏量Δq的差[1]：

式中，V為轉(zhuǎn)向泵排量；n為泵軸轉(zhuǎn)速；p為工作壓力；k1為泄漏系數(shù)。

動力轉(zhuǎn)向泵必須保證在較快的轉(zhuǎn)向速度下能為轉(zhuǎn)向器提供足夠的工作流量，因此油泵電機(jī)必須維持一定的轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)向泵能夠輸出穩(wěn)定的流量。但流量過大將導(dǎo)致油泵消耗功率過多和油溫過高，因此在滿足轉(zhuǎn)向器工作流量需求的前提下應(yīng)限制油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以防止不必要的能量消耗。

轉(zhuǎn)向泵工作壓力取決于負(fù)載，實(shí)車轉(zhuǎn)向阻力越大，工作壓力則越大，驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵所需扭矩也就越大，因此轉(zhuǎn)向泵的工作壓力與驅(qū)動扭矩特性是油泵電機(jī)輸出扭矩指標(biāo)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果不考慮液壓泵在能量轉(zhuǎn)換過程中的損失，則驅(qū)動液壓泵軸的機(jī)械功率等于液壓泵輸出的液壓功率[1]（理論功率）Pt為：

式中，Tt為驅(qū)動扭矩；ω為角速度。

由式（2）可知，理論上轉(zhuǎn)向泵的驅(qū)動扭矩與工作壓力成正比，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

考慮到液壓泵在能量轉(zhuǎn)化過程中的功率損失，利用試驗(yàn)方法來測定在轉(zhuǎn)速為600～1 050 r/min時(shí)轉(zhuǎn)向泵驅(qū)動扭矩與工作壓力關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列，試驗(yàn)曲線如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果也表明，電動客車轉(zhuǎn)向泵的驅(qū)動扭矩與工作壓力成正比，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

表2 轉(zhuǎn)向泵在不同轉(zhuǎn)速下工作壓力與驅(qū)動扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù) N·m

2.4 油泵驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向泵原地轉(zhuǎn)向最大工作壓力（13.5 MPa）為峰值工作壓力，取車速為10 km/h時(shí)最大工作壓力8 MPa為額定工作壓力，由壓力與驅(qū)動扭矩特性曲線可以確定在峰值工作壓力和額定工作壓力下轉(zhuǎn)向泵的驅(qū)動扭矩分別為43 N·m和24 N·m；考慮彈性聯(lián)軸器扭矩傳遞效率和一定的設(shè)計(jì)余量，取油泵電機(jī)峰值工作扭矩和額定工作扭矩分別為50 N·m和30 N·m。

根據(jù)轉(zhuǎn)向泵滿載開啟轉(zhuǎn)速967±50 r/min并考慮一定設(shè)計(jì)余量，取油泵電機(jī)的額定工作轉(zhuǎn)速為1 050 r/min，這樣可以確保電動泵總成在不同的工作壓力下都能為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量。

電動泵逆變器標(biāo)稱供電電壓為384 V，臺架試驗(yàn)測得逆變器額定母線電流、峰值母線電流分別為9.3 A和17.0 A。表3為油泵電機(jī)及逆變器參數(shù)。

表3 油泵電機(jī)及逆變器參數(shù)

3 電動泵總成控制策略

電動泵總成控制策略包括高壓上下電策略、轉(zhuǎn)速控制策略和故障處理策略等，集成于整車VCU控制策略中。

3.1 高壓上下電策略

電動泵總成高壓電氣原理如圖4所示，整個高壓電氣系統(tǒng)主要包括動力電池、高壓配電箱和電動泵總成。高壓配電箱內(nèi)有高壓負(fù)繼電器、高壓預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻、高壓正繼電器等，高壓繼電器受整車VCU控制。

合理設(shè)計(jì)VCU輸入信號和控制信號邏輯時(shí)序是電動泵高壓上下電控制的關(guān)鍵。電動泵高壓上下電邏輯時(shí)序如圖5所示。

根據(jù)圖5，電動泵總成的上電流程為：首先，當(dāng)整車點(diǎn)火開關(guān)置ON檔時(shí)，逆變器接受KL15、KL30低壓供電，同時(shí)電池管理系統(tǒng)和逆變器通過CANBus上傳電池電壓和逆變器電壓給整車控制器，VCU控制高壓負(fù)繼電器閉合；然后高壓預(yù)充繼電器閉合，逆變器電壓在預(yù)充電阻作用下逐漸上升，當(dāng)逆變器電壓與動力電池電壓差值小于30 V時(shí)預(yù)充過程完成，高壓正繼電器閉合；最后高壓預(yù)充繼電器斷開，電動泵上電過程完成，VCU向逆變器發(fā)送的使能信號置1，電動油泵開始工作。

電動泵總成的下電流程為：首先，當(dāng)整車點(diǎn)火開關(guān)置LOCK檔時(shí)，整車給逆變器提供KL30電，VCU向逆變器發(fā)送的使能信號置0，逆變器停止工作；然后高壓正繼電器和高壓負(fù)繼電器相繼斷開，逆變器電壓開始下降；當(dāng)逆變器母線電壓下降到60 V以下的安全電壓后，逆變器內(nèi)部將KL30電切斷，逆變器下電過程結(jié)束。

電動油泵總成上電時(shí)序?yàn)橄鹊蛪荷想姾蟾邏荷想?，下電時(shí)序?yàn)橄雀邏合码姾蟮蛪合码姡码娗跋韧瓿蓪Ω邏合到y(tǒng)的卸載，避免了因錯誤上下電流程造成的逆變器和高壓回路的損害[2，3]。另外，其高壓上電包含預(yù)充電過程，有效防止了高壓電路上電瞬態(tài)的電流沖擊[4]；其工作啟動受VCU使能信號的控制，避免了逆變器通過預(yù)充回路工作產(chǎn)生的大電流燒壞預(yù)充電阻。

3.2 轉(zhuǎn)速控制策略

電動泵總成轉(zhuǎn)速控制策略包括目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速的確定和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略兩部分。VCU采用轉(zhuǎn)速模式對油泵電機(jī)進(jìn)行控制，依據(jù)轉(zhuǎn)向器工作流量要求、轉(zhuǎn)向泵的流量特性和整車車速確定電動泵目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速。通過油泵電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速保持一致，使得轉(zhuǎn)向泵為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出穩(wěn)定合適的工作流量。

3.2.1 目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速確定

依據(jù)表1轉(zhuǎn)向器最小工作流量要求并考慮液壓回路的流量損失，轉(zhuǎn)向泵滿載開啟流量14.5 L/min相當(dāng)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所要求最小工作流量，因此合理設(shè)計(jì)電動泵工作轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)向泵輸出流量維持在滿載開啟流量，既可以滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量需求又能降低總成能量消耗，防止油溫過高。

由表1可知，轉(zhuǎn)向泵最大工作壓力隨車速的增加而降低；由式（1）可知，在轉(zhuǎn)向泵排量和泄漏系數(shù)不變的前提下，隨最大工作壓力的降低，工作轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低也能使轉(zhuǎn)向泵輸出滿載開啟流量。因此首先設(shè)定電動泵目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速隨車速的增加而降低，然后依據(jù)轉(zhuǎn)向泵流量特性曲線初步確定工作壓力分別為13.5 MPa、8 MPa、4 MPa時(shí)轉(zhuǎn)向泵輸出滿載開啟流量所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，最終由不同車速V區(qū)間內(nèi)的實(shí)車標(biāo)定結(jié)果確定電動泵的目標(biāo)轉(zhuǎn)速n：

3.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略

圖6為油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速工作模式控制策略框圖，為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程為：外環(huán)將VCU發(fā)送的目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速ω*與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ω的差值輸入速度調(diào)節(jié)器，輸出q軸電流指令值I*q；內(nèi)環(huán)采用I*d=0控制策略，通過d軸和q軸電流控制器使實(shí)際Id、Iq跟蹤指令值和，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

圖6中，速度調(diào)節(jié)器、d軸電流控制器、q軸電流控制器都是PI調(diào)節(jié)器。Clark變換為三相平面坐標(biāo)系UVW向兩相平面直角坐標(biāo)系α β的轉(zhuǎn)換；Park變換及其逆變換是兩相靜止直角坐標(biāo)系α β與兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系dq之間的轉(zhuǎn)換[5]。油泵電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中采用的脈寬調(diào)制技術(shù)是空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。此外，油泵電機(jī)控制系統(tǒng)還需要對旋轉(zhuǎn)變壓器信號進(jìn)行解析，其解算輸出的轉(zhuǎn)子位置信號用于坐標(biāo)變換，實(shí)際轉(zhuǎn)速信號用于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

3.3 故障處理策略

油泵電機(jī)及逆變器的故障碼和故障等級通過CAN?Bus上傳給整車控制器VCU和整車儀表，在油泵電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行功率限制或發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，整車能采取合理的處理策略以保障行駛的安全性和高壓電氣安全。

表4為油泵電機(jī)及逆變器故障類型及整車處理機(jī)制，由表4可知，逆變器通過CANBus上傳給VCU的故障有12種，按照故障等級可分為一般故障和嚴(yán)重故障。發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)油泵電機(jī)及逆變器將停機(jī)，出現(xiàn)一般故障時(shí)油泵電機(jī)及逆變器將降功率運(yùn)行。

表4 油泵電機(jī)及逆變器故障類型及整車處理機(jī)制

依據(jù)具體故障造成的后果，整車將采取如下故障處理策略：

a.針對電機(jī)及逆變器過溫報(bào)警，逆變器自身已經(jīng)進(jìn)行了功率限制，此時(shí)整車液壓助力轉(zhuǎn)向能力受限制，整車通過儀表提示駕駛員謹(jǐn)慎操作；

b.針對硬件檢測相電流過流、母線欠壓、母線過壓、逆變器過溫故障、CAN通訊故障、堵轉(zhuǎn)、過載、電機(jī)過溫故障等，油泵電機(jī)及逆變器停機(jī)，整車失去液壓助力轉(zhuǎn)向能力，通過VCU進(jìn)行車速限制并提醒駕駛員謹(jǐn)慎行駛；

c.針對母線過流、功率模塊故障，考慮到對逆變器自身和高壓回路的保護(hù)，整車通過VCU對逆變器立即采取高壓下電處理，同時(shí)限制車速并提醒駕駛員謹(jǐn)慎行駛。

4 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證電動泵總成性能，在轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺（圖7）上進(jìn)行了加載試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：驅(qū)動油泵電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，將液壓擺動油缸（簡稱擺缸）載荷分別調(diào)整為1 000 N·m、2 000 N·m、3 000 N·m、4 000 N·m、5 000 N·m、6 000 N·m，以角速度分別為20°/s、40°/s、60°/s、80°/s驅(qū)動轉(zhuǎn)向傳動軸進(jìn)行幅值為900°的正弦轉(zhuǎn)向。通過臺架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向扭矩、轉(zhuǎn)向器進(jìn)油口壓力；通過CANBus采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、逆變器母線電流、母線電壓。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8和圖9為擺缸載荷為6 000 N·m、自動轉(zhuǎn)向裝置最大轉(zhuǎn)向角速度為80（°）/s、電動泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 050 r/min試驗(yàn)條件下，1個轉(zhuǎn)向周期內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖8和圖9可看出：

a.轉(zhuǎn)向泵工作壓力為14 MPa左右，達(dá)到實(shí)車原地轉(zhuǎn)向最大工作壓力；加載過程中，逆變器母線電壓（380 V）、母線電流（17 A）、電機(jī)驅(qū)動扭矩（50 N·m）、轉(zhuǎn)速（1 050 r/min）持續(xù)60 s以上保持不變，因此電動油泵能夠滿足液壓動力轉(zhuǎn)向器最大扭矩輸出能力要求。

b.因自動轉(zhuǎn)向裝置直接測量轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)動扭矩，且中間傳動軸安裝方位與實(shí)車會存在一定差異，所以轉(zhuǎn)向扭矩存在一定的波動，但其數(shù)值保持在8～10 N·m范圍內(nèi)，可滿足駕駛員原地轉(zhuǎn)向力矩要求。

c.油泵電機(jī)在轉(zhuǎn)向泵滿載工況下以1 050 r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60 s以上，轉(zhuǎn)向泵輸出流量為滿載開啟流量，因此電動泵總成可以滿足滿載工況下轉(zhuǎn)向器流量要求。

5 結(jié)束語

a.依據(jù)轉(zhuǎn)向泵額定工作壓力、峰值工作壓力、壓力與驅(qū)動扭矩特性曲線、滿載開啟轉(zhuǎn)速等，可確定油泵電機(jī)額定工作扭矩、峰值工作扭矩、額定工作轉(zhuǎn)速。

b.為保障整車高壓電氣安全，電動泵上電時(shí)序應(yīng)為先低壓上電后高壓上電，下電時(shí)序應(yīng)為先高壓下電后低壓下電，下電前應(yīng)先完成高壓系統(tǒng)的卸載；高壓上電應(yīng)包含預(yù)充電過程，預(yù)充電完成后才能啟動總成工作。

c.在滿足轉(zhuǎn)向器流量要求的前提下，可以隨車速的增加適當(dāng)降低電動泵工作轉(zhuǎn)速，以減少總成能量消耗，降低轉(zhuǎn)向油溫。

d.在電動泵總成發(fā)生一般故障時(shí)，整車應(yīng)及時(shí)通過儀表提醒駕駛員謹(jǐn)慎行駛；情況嚴(yán)重時(shí)整車控制器還應(yīng)采取限制車速、下高壓電等措施來保障整車行駛安全和高壓電氣安全。

1 王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

2 肖巖，何彬.插電式四驅(qū)強(qiáng)混汽車整車控制策略開發(fā).汽車科技，2012（4）:20～26.

3 王晨，張彤，于海生.混合動力汽車上下電控制策略研究.汽車電器，2011（10）:14～17.

4 宋炳雨.純電動汽車高壓電安全管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].淄博：山東理工大學(xué),2011.

5 王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制（第2版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年1月12日。

Study On Assembly Parameter Matching and Control Strategy of Electric Steering Pump

Wu Hao,Tian Xiaochuan,Zhao Ziliang
（China FAW Corporation R&D Center）

Parameter matching and control strategy of electric steering pump are critical technologies of electrohydraulic steering system.In this paper,CA6121URBEV2 pure electric bus serves as a platform,rated torque,peak torque and rated speed of the driven motor are defined according to basic parameters and working characteristics of the steering pump.The power ON-OFF strategy,speed control strategy and fault handling strategy of the electric pump assembly are developed to assure the safety of high voltage electrical system,vehicle driving safety and reduction of energy consumption of the assembly.Bench tests have been carried out,which verify that parameter matching of the electric steering pump assembly is reasonable and the control strategies are feasible.

Electric steering pump,Parameter matching,Control strategy

電動轉(zhuǎn)向油泵總成 參數(shù)匹配 控制策略

U463.4

A

1000-3703（2015）06-0026-05