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        基于弱磁控制的EPS模式切換中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制?

        2019-04-11 05:57:10趙林峰張銳陳謝有浩張榮蕓
        汽車工程 2019年3期
        關(guān)鍵詞:同步電機(jī)觀測(cè)器永磁

        趙林峰,張銳陳,謝有浩,張榮蕓,申 雪

        (1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,合肥 230009; 2.安徽獵豹汽車有限公司,滁州 239064;3.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,蕪湖 241000)

        前言

        永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、易于實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為EPS系統(tǒng)主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁同步電機(jī)經(jīng)擴(kuò)速后,可有效解決快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)EPS電機(jī)的響應(yīng)速度,克服EPS系統(tǒng)快速操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)轉(zhuǎn)向沉重的缺陷。另外,可使基于EPS的車道保持系統(tǒng)等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)具有更加優(yōu)越的性能。

        文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中提出將弱磁控制加入到EPS控制策略中,擴(kuò)大電機(jī)調(diào)速范圍,解決了駕駛員快速操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)手感沉重的問(wèn)題,但它忽略了在控制策略切換過(guò)程中的負(fù)載擾動(dòng)與轉(zhuǎn)矩突變,引起轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩劇烈波動(dòng);文獻(xiàn)[3]中針對(duì)弱磁控制算法本身的一些缺陷會(huì)降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度的問(wèn)題,分別提出了高速和低速轉(zhuǎn)矩控制器,并設(shè)計(jì)了切換法則,提高了控制器對(duì)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性能,但它只進(jìn)行了仿真分析,并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;文獻(xiàn)[4]中提出了帶有負(fù)載擾動(dòng)滑模觀測(cè)器的電流滑??刂品?,該方法不僅提高了趨近滑模面的速度,還降低了系統(tǒng)的抖振,其不足之處在于降低了系統(tǒng)的魯棒性;文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中應(yīng)用轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)與補(bǔ)償,從而提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的抑制能力,但是該方法降低了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度;文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中在永磁同步電機(jī)矢量控制中應(yīng)用滑??刂?,提高了系統(tǒng)的魯棒性,但為滿足滑動(dòng)模態(tài)的可達(dá)性和存在性條件,要求切換增益隨外部干擾的增大而增大,這會(huì)加劇系統(tǒng)的抖振;文獻(xiàn)[9]中提出了終端吸引與指數(shù)混合趨近律,能夠很好地解決滑??刂茖?dǎo)致的抖振問(wèn)題,且提高了趨近律的趨近速度,但該趨近律引入了許多未知參數(shù),這些參數(shù)的選取較為困難,不利于工程應(yīng)用;文獻(xiàn)[10]中應(yīng)用擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償,切換增益幅值明顯減小,但由于模糊算法的復(fù)雜性,實(shí)踐應(yīng)用效果較差。

        本文中提出了EPS用永磁同步電機(jī)在id=0控制與弱磁控制相互切換的過(guò)程中,通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器進(jìn)行負(fù)載前饋補(bǔ)償,并增加轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊,抑制了切換過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),改善了系統(tǒng)的操縱性能。運(yùn)用電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)對(duì)本文中提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

        1 采用永磁同步電機(jī)的EPS模型

        1.1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[11-12]

        表貼式永磁同步電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的定子電壓方程為

        dq軸坐標(biāo)系下的磁鏈方程為

        式中:ud為d軸電壓;uq為q軸電壓;id為d軸電流;iq為q軸電流;L為d軸、q軸電感;ψd為d軸磁鏈;ψq為q軸磁鏈;ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度;Rs為定子相電阻;ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

        忽略定子電阻的影響,在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),式(1)可改寫為

        電磁轉(zhuǎn)矩方程為

        將式(2)代入式(5)得

        運(yùn)動(dòng)方程為

        式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;p為磁極對(duì)數(shù);Bm為摩擦系數(shù);ω為電機(jī)角速度。

        所用的電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

        表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

        1.2 EPS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

        EPS主要由轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)矩傳感器、齒輪齒條、助力電機(jī)和電子控制單元等組成,其模型包括輸入輸出軸、齒輪齒條和助力電機(jī)模型,如圖1所示。

        圖1 EPS動(dòng)力學(xué)模型

        EPS 動(dòng)力學(xué)方程[13-14]為

        式中:Td為轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩;Ts為轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)矩;Ks為轉(zhuǎn)矩傳感器的扭轉(zhuǎn)剛度;Js為轉(zhuǎn)向盤和輸入軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bs為輸入軸阻尼系數(shù);θs為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;θe為輸出軸轉(zhuǎn)角;gm為減速機(jī)構(gòu)的減速比;Tp為輸出軸作用在齒輪上的轉(zhuǎn)矩;Je為輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Be為輸出軸的黏性摩擦系數(shù);Fr為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)齒輪齒條拉力;rp為小齒輪節(jié)圓半徑;mr為齒條質(zhì)量;xr為齒條位移;br為齒輪齒條阻尼系數(shù)。EPS仿真參數(shù)如表2所示?!?/p>

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        表2 EPS系統(tǒng)仿真模型中的參數(shù)

        利用CarSim軟件中的整車模型,搭建CarSim與Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái),如圖2所示。在CarSim中,可進(jìn)行整車參數(shù)、外部環(huán)境和工況的設(shè)置。在聯(lián)合仿真模型中,將齒條位移折算為左、右前輪轉(zhuǎn)角,作為CarSim整車模型的輸入,而CarSim整車模型輸出的左、右前輪回正力矩則作為EPS模型中轉(zhuǎn)向阻力的輸入。

        圖2 CarSim與Simulink聯(lián)合仿真模型

        2 EPS控制策略

        在EPS系統(tǒng)一般使用工況中,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速以上,為獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩,提升永磁同步電機(jī)運(yùn)行效率,常常在矢量控制中采取id=0的控制方式。此時(shí),電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與其交軸電流iq呈線性關(guān)系,通過(guò)對(duì)iq的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)控制,磁場(chǎng)定向矢量控制具體流程如圖3所示。

        圖3 永磁同步電機(jī)矢量控制框圖

        在緊急避障等需要快轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤的工況下,一般需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩不是很大,而需要較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速,這時(shí)就要使永磁同步電機(jī)的控制策略切換為弱磁控制以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

        基于PMSM的EPS控制系統(tǒng)一般由決策層和PMSM驅(qū)動(dòng)層兩部分組成,如圖4所示。決策層主要負(fù)責(zé)接收外部傳感器信號(hào),如轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車速等信號(hào);PMSM驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本文中PMSM驅(qū)動(dòng)層主要包括矢量控制中的id=0控制和電壓負(fù)反饋法弱磁控制。

        圖4 EPS系統(tǒng)雙層控制架構(gòu)

        3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器

        當(dāng)駕駛員快速操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí),若EPS系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速環(huán),則執(zhí)行弱磁控制,此時(shí)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為主要跟蹤對(duì)象,而忽略對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。在EPS控制模式切換過(guò)程中,負(fù)載擾動(dòng)特別大,利用負(fù)載觀測(cè)器進(jìn)行前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性。

        利用式(6)和式(7)構(gòu)造負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器,并假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL在采樣周期內(nèi)為定值,即d TL/d t=0,定義電磁轉(zhuǎn)矩Te為輸入變量,以電機(jī)轉(zhuǎn)速ω與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為狀態(tài)變量,定義輸出量y為電機(jī)角速度ω,即y=ω,構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

        根據(jù)式(12)和式(13),以負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和電機(jī)角速度ω為觀測(cè)對(duì)象,構(gòu)建負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器為

        式中k1和k2為反饋增益系數(shù)。

        將式(14)與式(12)相減,得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的誤差方程為

        由轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的特征方程det[sI-A]=0可得到k1和k2的值。

        根據(jù)式(15)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器如圖5所示。

        圖5 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖

        4 轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊設(shè)計(jì)

        對(duì)于本文中的EPS控制策略,在轉(zhuǎn)矩環(huán)中執(zhí)行id=0時(shí)的q軸電流值iqt是由設(shè)定的助力曲線獲得,即iqt=f(Td,v),v為車速;而在轉(zhuǎn)速環(huán)中執(zhí)行弱磁控制時(shí)q軸電流值為這就造成在模式切換的過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生突變,導(dǎo)致EPS工作時(shí)操縱轉(zhuǎn)矩波動(dòng),影響駕駛員手感。為解決此問(wèn)題,根據(jù)式(16)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊。

        式中:ωwheel為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速,ωwheel=ω/gm;ωh-ωl為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速過(guò)渡區(qū)間,ωh和ωl分別為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速過(guò)渡區(qū)間上、下限值。

        本文中設(shè)置 ωh-ωl=100 r/min,且 ωb=gm(ωh+ωl)/2,ωb為電機(jī)的轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速,它與所承受負(fù)載有關(guān),須由試驗(yàn)確定。

        圖6為加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊的PMSM驅(qū)動(dòng)控制框圖。

        5 仿真分析

        為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的準(zhǔn)確性和前饋補(bǔ)償方案的可行性,基于Matlab/Simulink搭建了轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的仿真模型。圖7為負(fù)載轉(zhuǎn)矩由0突變至4 N·m和負(fù)載轉(zhuǎn)矩由4 N·m突變至0時(shí)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩和觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩??梢钥闯?,所設(shè)計(jì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器具有良好的跟蹤特性。

        圖6 PMSM底層控制框圖

        圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)結(jié)果

        圖8 和圖9為在有無(wú)加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償?shù)膬煞N情況下,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí),突然增加和減小負(fù)載(1 N·m)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形。可以看出,未進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)劇烈,且恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng);而加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后,電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度較小,且恢復(fù)時(shí)間明顯縮短。說(shuō)明加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后,系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有很強(qiáng)的魯棒性。

        圖8 突然增加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速波形

        圖9 突然減小負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速波形

        為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊對(duì)駕駛員快速操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)手感的影響,仿真時(shí)以階躍信號(hào)模擬駕駛員快速操縱轉(zhuǎn)向盤,在車速為60和30 km/h時(shí)轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示??梢钥闯?,在兩種車速下,所提出的控制策略解決了模式切換過(guò)程中由于轉(zhuǎn)矩突變帶來(lái)的操縱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題,改善了駕駛員手感。圖10中本文方法指加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊,傳統(tǒng)方法指沒有加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊,下同。

        圖10 轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩仿真

        圖11 PMSM測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

        6 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證本文中提出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊在EPS實(shí)際應(yīng)用中的效果,進(jìn)行了負(fù)載轉(zhuǎn)矩測(cè)試和硬件在環(huán)試驗(yàn)。

        搭建的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。主要包括永磁同步電機(jī)、撓性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x與顯示設(shè)備、磁粉制動(dòng)器及其加載設(shè)備、開發(fā)的無(wú)刷電機(jī)EPS控制器、霍爾式電流鉗、示波器、直流電源和筆記本電腦等,可用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償試驗(yàn),待電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后,突然調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的負(fù)載,測(cè)試系統(tǒng)記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。電流鉗主要用來(lái)測(cè)量母線電流并通過(guò)示波器顯示,用以觀測(cè)弱磁試驗(yàn)時(shí)母線電流。

        負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償試驗(yàn)分別進(jìn)行了增加和減小負(fù)載試驗(yàn),其中減小負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。可以看出,在負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小1 N·m工況下,未進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)劇烈(轉(zhuǎn)速突然升高約120 r/min),且恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)(接近2 s);而加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后,電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度較小(約30 r/min),且恢復(fù)時(shí)間明顯縮短(約1 s),電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值減小約75%。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小2 N·m工況下,未進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值約132 r/min,且恢復(fù)時(shí)間約2.3 s;而加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后,電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度約35 r/min,且恢復(fù)時(shí)間約1.2 s,電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值減小約73.4%。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小3 N·m工況下,未進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值約142 r/min,且恢復(fù)時(shí)間約2.5 s;而加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后,電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度約43 r/min,且恢復(fù)時(shí)間約1.38 s,電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值減小約69.7%。

        圖12 負(fù)載轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)

        綜上所述,加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后,PMSM控制系統(tǒng)抗負(fù)載干擾能力增強(qiáng),可削弱因轉(zhuǎn)向負(fù)載變化引起的電機(jī)速度波動(dòng)幅度,從而改善EPS系統(tǒng)的操縱手感。

        為驗(yàn)證提出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法,進(jìn)行了EPS硬件在環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)臺(tái)如圖13所示。主要包括EPS管柱總成與臺(tái)架部分、開發(fā)的基于PMSM的控制器、轉(zhuǎn)向阻力矩模擬伺服電機(jī)、電源、開發(fā)的轉(zhuǎn)向機(jī)器人和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。硬件在環(huán)系統(tǒng)采用基于CarSim整車模型的仿真環(huán)境,聯(lián)合LabVIEW進(jìn)行了硬件在環(huán)試驗(yàn)。上位機(jī)采用一臺(tái)計(jì)算機(jī),進(jìn)行Carsim整車模型參數(shù)和仿真環(huán)境的建立、基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)顯示并監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程的操縱轉(zhuǎn)矩等參數(shù)變化。下位機(jī)采用NI公司的PXI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),將編好的動(dòng)力學(xué)模型下載到該主機(jī)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)編譯運(yùn)行,實(shí)時(shí)輸出整車的轉(zhuǎn)向阻力矩。同時(shí),利用數(shù)據(jù)采集卡和CAN通信接口系統(tǒng)采集并交換轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速、操縱轉(zhuǎn)矩等信息,并將上述數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器和PXI主機(jī)。

        圖13 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)

        試驗(yàn)時(shí)快速操縱轉(zhuǎn)向盤,將它由0°轉(zhuǎn)到180°,采集轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩信號(hào)。圖14為車速為30和60 km/h時(shí)有無(wú)加入本文控制算法的轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩的時(shí)間歷程變化曲線??梢钥闯?,加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器與轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊后,轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)情況明顯減輕且恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短。

        圖14 轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)圖

        7 結(jié)論

        在PMSM弱磁控制模式中加入了負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償,并在id=0控制與弱磁控制相互切換的過(guò)程中加入了轉(zhuǎn)矩平滑切換模塊,通過(guò)仿真、電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和硬件在環(huán)試驗(yàn),表明此方法可增強(qiáng)采用PMSM的EPS系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性,降低快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的操縱轉(zhuǎn)矩,從而減輕快速操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),有效改善系統(tǒng)性能。

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