何 洋，鄧禮均，陳思宇，夏達康，李博文

汽車混合動力變速器電子油泵控制策略

何 洋1，鄧禮均1，陳思宇2，夏達康1，李博文1

（1.重慶紅宇精密工業(yè)集團有限公司，重慶 402760；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學(xué)），重慶 400044）

電子油泵是集電子、機械、液壓一體的高度集成化的車用零部件，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境需求和驅(qū)動電機種類的不同，其控制策略也不盡相同。文章針對應(yīng)用于汽車混合動力變速器的電子油泵開展其控制策略研究，梳理了電機的數(shù)學(xué)模型及矢量控制基本理論，基于Simscape搭建了電子油泵的仿真模型，仿真得出電子油泵起動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度小于200 ms，穩(wěn)態(tài)工況的轉(zhuǎn)矩脈動約為5.88%，從仿真結(jié)果來看采用雙閉環(huán)矢量控制并結(jié)合最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制以及弱磁控制算法的策略具備實現(xiàn)電子油泵功能的能力。試驗驗證證明，在整車常用工況下，電子油泵輸出高壓壓力能達到50 bar，潤滑流量最高能達到21.4 L/min，不同電子油泵的流量輸出一致性小于±4%。

電子油泵；矢量控制；永磁無刷直流電機；混合動力變速器；雙閉環(huán)PI控制

隨著混合動力汽車和純電動汽車的快速發(fā)展，對于汽車傳動系統(tǒng)零部件的需求也日漸提升，其液壓系統(tǒng)的動力源由機械油泵逐漸向電子油泵轉(zhuǎn)變。電子油泵以電動機驅(qū)動方式替代傳統(tǒng)的發(fā)動機直驅(qū)，可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的需求靈活調(diào)節(jié)油泵輸出的壓力和流量。因為電子油泵的輸出可以通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來自由改變，所以油泵的排量較傳統(tǒng)機械油泵大大減小，使得電子油泵具備體積小、質(zhì)量輕、集成度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢。本文從用戶端需求展開分析，研究了永磁直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型及其矢量控制理論，搭建電子油泵的仿真模型，從仿真結(jié)果分析該控制策略具備實現(xiàn)電子油泵功能的能力。

1 混動變速器液壓系統(tǒng)

混合動力變速器（Dedicated Hybrid Transmis- sion, DHT）是實現(xiàn)汽車的混合動力驅(qū)動方式的關(guān)鍵零部件[1]。DHT系統(tǒng)主要由變速器控制單元（Transmission Control Unit, TCU）、液壓系統(tǒng)、離合器、齒輪傳動箱等四大部件構(gòu)成。其中TCU用于對DHT總成的控制，控制各種模式的切換、控制離合器的結(jié)合與分離的時間、控制電磁閥的開關(guān)、控制液壓系統(tǒng)的壓力及流量等，而液壓系統(tǒng)則是TCU實現(xiàn)其控制策略的執(zhí)行機構(gòu)，液壓系統(tǒng)的動力源就是油泵。在傳統(tǒng)變速箱上的油泵，一般都采用機械泵，是由發(fā)動機通過皮帶傳動的方式直接驅(qū)動的。這種驅(qū)動方式導(dǎo)致油泵的工況與發(fā)動機強耦合，無法自由控制油泵的輸出，使得油泵在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時泵油量不足，高速運轉(zhuǎn)時過量泵油。因此，在DHT系統(tǒng)中，一般都采用TCU獨立控制的電子油泵作為液壓動力源，一方面使得TCU能夠更好地完成對液壓執(zhí)行系統(tǒng)的控制，另一方面可以避免傳統(tǒng)機械泵不足，進一步降低整車的能源消耗?；旌蟿恿ψ兯倨髟砣鐖D1所示。

圖1 混合動力變速器原理圖

DHT的液壓系統(tǒng)的主要作用是控制離合器的分離與結(jié)合，以及對齒輪傳動箱及其他機械構(gòu)件的潤滑和冷卻作用。由于各種混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的架構(gòu)不同，其配套DHT的結(jié)構(gòu)也不盡相同，主要體現(xiàn)為離合器的數(shù)量、齒輪傳動箱的結(jié)構(gòu)、TCU的控制軟件以及液壓系統(tǒng)的油路分配。雖然各DHT有諸多不同之處，但液壓油路至少包括兩條：一是潤滑冷卻油路，即低壓油路；二是控制執(zhí)行油路，即高壓油。針對此需求，液壓系統(tǒng)一般需要安裝兩個油泵，分別為潤滑冷卻泵和執(zhí)行泵，且根據(jù)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的需求不同，油泵驅(qū)動方式也有所不同，主要有分體式雙電子油泵形式、分體式機械油泵+電子油泵形式、以及串聯(lián)式雙泵形式。本文的研究對象就是串聯(lián)式雙泵的電驅(qū)系統(tǒng)，它是通過一臺永磁無刷直流電機同時驅(qū)動兩個油泵，一個用于為冷卻潤滑系統(tǒng)供油，另一個為高壓蓄能器系統(tǒng)供油用于換擋器和離合器的驅(qū)動，使得整個DHT的空間結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2 永磁無刷直流電機矢量控制

目前，車用電子油泵的電機通常為正弦波永磁直流無刷電機，其永磁體所形成的氣息磁場與繞組的感應(yīng)電動勢均為正弦波，所以采用矢量控制來實現(xiàn)電機驅(qū)動[2]。對于電子油泵來說，其輸出需求決定油泵電機的功率范圍一般為100～600 W，且一般乘用車的車載蓄電池電壓為9～16 V，對整個油泵電驅(qū)系統(tǒng)要求為低壓大電流形式；同時，由于對電子油泵總成的（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能有極高要求，采用矢量控制方式可以提高母線電壓利用率，降低電磁噪聲、減小電機轉(zhuǎn)矩脈動。

從需求端分析，綜合性能要求、設(shè)計開發(fā)、成本制造等因素綜合考慮，本文中電子油泵的驅(qū)動電機設(shè)計為內(nèi)嵌式，槽極數(shù)為12槽/10極。內(nèi)嵌式與表貼式最大區(qū)別在于：一是電機氣息不均勻；二是在定子耦合模型解耦的等效模型中，由于永磁體內(nèi)的磁導(dǎo)率很小，導(dǎo)致直軸磁路上的等效電感小于交軸上的，從而產(chǎn)生凸極效應(yīng)。由于內(nèi)嵌式電機的數(shù)學(xué)模型相對復(fù)雜，下面用表貼式的來推導(dǎo)內(nèi)嵌式的數(shù)學(xué)模型[3]。如圖2所示，為表貼式永磁無刷直流電機的三相坐標(biāo)系及等效物理模型。

2.1 內(nèi)嵌式永磁無刷直流電機數(shù)學(xué)模型

設(shè)m為等效勵磁電感；s為同步電感，s為相電阻，定子電流矢量為s，磁鏈矢量為s；轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈矢量為f，即有

式（1）為永磁無刷直流電機的定子磁鏈矢量方程；式中，ss為與電樞反應(yīng)對應(yīng)的電樞磁鏈矢量。式（2）為三相繞組電壓的矢量方程形式。

由于內(nèi)嵌式電機直軸磁路上的等效電感小于交軸，下面推導(dǎo)其電壓、轉(zhuǎn)矩方程。

式中，ωff為轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，即反電動勢。由s=d+q，引入內(nèi)嵌式的磁鏈方程和電壓方程：

至此，可推導(dǎo)出永磁無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩一般表達式：

e=0[fi+(L-L)ii] （7）

2.2 基于轉(zhuǎn)子磁場的矢量控制

應(yīng)用于電子油泵的矢量控制策略：通過控制器采集計算得到電機的相電流，根據(jù)磁場定向原理分別對電機的勵磁電流（即為直軸電流，i）和轉(zhuǎn)矩電流（即為交軸電流，i）進行控制，從而將三相交流電機等效為直流電機控制。其實現(xiàn)方法是通過坐標(biāo)變換的手段，將三相交流耦合的定子電流轉(zhuǎn)換為相互正交、獨立解耦的轉(zhuǎn)矩和勵磁分量，通過控制軸系中的電流矢量的幅值和相位就可以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的[4]。

定子電流空間矢量方程：

式中，m為相電流幅值。設(shè)-坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角速度r=2π，則r=2π，則有

式（9）是坐標(biāo)變換為等幅值變換時，交、直軸電流與定子三相電流相互轉(zhuǎn)換的公式。

在電機運行過程中，必須實時獲取轉(zhuǎn)子位置r的角度值來進行坐標(biāo)變換。對于電子油泵系統(tǒng)來說，一般在電機轉(zhuǎn)子軸端安裝位置磁鋼，并通過控制器（Printed Circuit Board Assembly, PCBA）上的旋轉(zhuǎn)編碼器或磁編碼器來實時觀測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。同時，由于電子油泵空間極為緊湊，其控制器PCBA直接安裝在電機后端并與之緊密貼合；而（Micro Controller Unit, MCU）控制系統(tǒng)、逆變器、采樣電路、電源管理電路、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）通信模塊等都集成在同一塊PCBA，對硬件布局及電磁兼容性能有極大挑戰(zhàn)。圖3為電子油泵控制器的控制系統(tǒng)。電子油泵系統(tǒng)通過車載CAN總線獲取上位機下發(fā)的指令以實現(xiàn)相應(yīng)功能，包括控制電機驅(qū)動。MCU將當(dāng)前時刻采集到的轉(zhuǎn)子位置信息、電機轉(zhuǎn)速、電機三相電流、母線電壓、控制器溫度等信號結(jié)合獲取到的控制目標(biāo)綜合計算，最終得到逆變電路中金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）柵極的占空比。MCU根據(jù)占空比來控制逆變電路的六個MOSFET開斷以實現(xiàn)對直流電壓的斬波，從而形成三相交流電來控制永磁無刷直流電機的輸出性能。

注：PWM：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Wldth Modulation）。

油泵電機在調(diào)速過程中，其本質(zhì)還是調(diào)壓調(diào)速。因此，如果只有轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)的話，在電機加、減速工況時，加載到定子繞組上的電壓變化率極快，而反電動勢的產(chǎn)生有一定滯后，這樣會在定子繞組上產(chǎn)生極大的脈沖電流，容易導(dǎo)致控制器驅(qū)動電路損壞，甚至威脅到MCU。其次，如果只對逆變器輸出的電壓或是電流進行簡單的限幅處理，會導(dǎo)致電子油泵系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變差，而電子油泵系統(tǒng)最終的輸出是液壓油路中的壓力和流量。由于液壓系統(tǒng)的特性，即使電子油泵系統(tǒng)運行在穩(wěn)態(tài)下，油泵的負載扭矩仍存在一定脈動，這種負載扭矩脈動在油泵啟動時最大，隨油泵轉(zhuǎn)速和壓力的提升而降低，工作在穩(wěn)態(tài)時脈動值一般在5%～30%。這對油泵電機的啟動、加減速甚至穩(wěn)態(tài)工況的控制都有較大影響。因此，電子油泵的控制系統(tǒng)需要對油泵電機的輸出扭矩有較高的控制要求，能夠抵抗負載扭矩脈動帶來的擾動。綜上所述，在轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)的后端再增加電流閉環(huán)調(diào)節(jié)是非常重要的，并且對于電流環(huán)的控制效果要求極高，需要針對電流環(huán)比例積分微分（Proportional Integral Derivative, PID）控制器作較多的優(yōu)化。

2.3 弱磁及最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

對于油泵電機的電流控制策略一般采用弱磁及最大轉(zhuǎn)矩電流比控制[5]。由于永磁電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，其轉(zhuǎn)子勵磁是不可調(diào)節(jié)的，所以其弱磁控制策略是在軸系中反向增大直軸（軸）電流值，以抵消永磁勵磁磁場，使直軸方向的磁場減小以達到弱磁擴速的效果。當(dāng)電機在額定轉(zhuǎn)速以下時，以最大轉(zhuǎn)矩電流比（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）狀態(tài)運行，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，增大輸出[6]。隨著轉(zhuǎn)速上升，電動機的端電壓達到最大值之后，繞組電流下降，輸出電磁力矩下降，無法進一步提升轉(zhuǎn)速。為繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速以上，需采用上述原理的弱磁控制算法，增大定子電流的去磁分量削弱氣隙磁通，使電機轉(zhuǎn)速提升到額定轉(zhuǎn)速以上。同時，需要根據(jù)電子油泵的實際工況在臺架上標(biāo)定MTPA及PID控制參數(shù)，并且將標(biāo)定參數(shù)以離線查表的方式寫入到電子油泵控制器中，以適應(yīng)電子油泵的各種復(fù)雜工況?；谑噶靠刂频碾娮佑捅秒娏鳝h(huán)控制框圖如圖4所示。

圖4 MTPA及弱磁控制的電子油泵矢量控制框圖

3 電子油泵系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 基于Simulink的電子油泵模型

根據(jù)矢量控制理論在Simscape環(huán)境下搭建了電子油泵系統(tǒng)的物理模型，如圖5所示，建模參數(shù)如表1所示。基于Simscape所搭建的物理模型比傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型更復(fù)雜，仿真運算量更大，但更加符合實際情況，該模型主要包括電機模塊、控制器軟件模塊、電源及驅(qū)動電路模塊、采集模塊和油泵液壓模塊。

表1 電子油泵建模參數(shù)

參數(shù)名參數(shù)值 電機槽極數(shù)12槽10極 相電阻/mΩ27 d軸電感/μH65 q軸電感/μH73.5 反電動勢系數(shù)/[V/kr/min]3 直流電壓/V13.5

圖5 基于Simscape的電子油泵模型

3.2 電子油泵模型仿真分析

仿真模型主要進行了電子油泵極限工況的仿真計算，在90 °C的油溫下，其液壓輸出極限需求為2 500 r/mim時，高壓區(qū)壓力輸出50 bar，低壓潤滑流量9.5 L/min；4 500 r/mim時，高壓區(qū)由蓄能器提供壓力，但低壓潤滑流量需要20 L/min，如圖6、圖7所示。從結(jié)果上來看，該電子油泵具備足夠的輸出能力，同時建壓時間非?？?，大約500 ms可達45 bar。

圖6 高壓區(qū)壓力曲線

圖7 低壓區(qū)流量曲線

電機端輸出如圖8、圖9所示。電機的轉(zhuǎn)速超調(diào)率只有0.45%，且啟動速度<200 ms，穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動約為5.88%。

圖8 電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖9 電機輸出扭矩曲線

電機起動時，控制器端輸出三相電流如圖10所示?？梢钥闯鲭姍C起動狀態(tài)時，控制器的輸出比較穩(wěn)定，能夠極快進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 電機起動電流曲線

4 電子油泵樣機試驗及結(jié)果分析

根據(jù)以上理論推導(dǎo)及仿真模型驗證，采用NXPS12ZVM系列的專門應(yīng)用于電子油泵驅(qū)動控制的單片機來實現(xiàn)該控制策略。制造三臺電子油泵樣機進行試驗，分別編號為1#，2#，3#。

4.1 電子油泵性能試驗

該款電子油泵為串聯(lián)式雙泵，需同時測試高、低壓兩個泵的性能，性能試驗分別測試了不同溫度下，高、低壓兩個區(qū)油路的壓力和流量結(jié)果，如表2、表3所示。

根據(jù)表2和表3顯示，性能滿足最小要求流量要求，且滿足不同油泵的流量變化小于±4%，產(chǎn)品一致性較好。因此，不同轉(zhuǎn)速、溫度下的壓力-流量測試的結(jié)果滿足客戶端需求，測試結(jié)論為合格。

表2 低壓泵流量結(jié)果

低壓泵　1#2#3#流量上差/%流量下差% 溫度/℃轉(zhuǎn)速/(r/min)壓力/bar流量/(L/min)流量/(L/min)流量/(L/min) 402 500312.512.412.60.79-0.81 404 500322.522.422.70.73-0.67 902 500310.91111.10.90-0.45 904 500320.820.421.42.49-2.45 1202 50039.89.710.22.94-2.58 1204 500319.819.720.31.81-1.52

表3 高壓泵流量結(jié)果

高壓泵1#2#3#流量上差/%流量下差/% 溫度/℃轉(zhuǎn)速/(r/min)壓力/bar流量/(L/min)流量/(L/min)流量/(L/min) 401 000500.4030.4050.4090.82-0.49 402 500500.990.961.012.36-2.54 902 500500.970.940.981.73-2.08 1202 500500.930.920.951.79-1.60

4.2 電子油泵起動性能試驗

電子油泵的起動性能試驗分別為測試低溫（-40 ℃）和常溫下的起動性能，如表4、表5所示。其中低溫起動需在保持低壓油泵輸出壓力3 bar條件下，調(diào)節(jié)高壓油泵出油口壓力達到50 bar；常溫起動需要在5 s內(nèi)輸出流量達到穩(wěn)定全流量且無明顯空氣。

表4 油泵低溫起動結(jié)果

編號轉(zhuǎn)速/(r/min)到達50 bar時間/s 1#20815.5 2#26514.5 3#34210.5

表5 常溫下的起動性能

編號溫度/℃轉(zhuǎn)速/(r/min)低壓流量/(L/min)穩(wěn)定時間/s接受準則/s 1#250～500≥2.33≤5 2#250～500≥2.33.5≤5 3#250～500≥2.33.5≤5

5 結(jié)論

1）通過仿真分析，本文研究設(shè)計的采用雙閉環(huán)矢量控制并結(jié)合MTPA以及弱磁控制算法的電子油泵控制策略能夠滿足混合動力變速器液壓系統(tǒng)的使用需求。

2）電子油泵電驅(qū)系統(tǒng)的起動速度快且起動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度<200 ms，穩(wěn)態(tài)工況下轉(zhuǎn)矩脈動約為5.88%。

3）通過樣機的臺架試驗，測試了電子油泵的性能都滿足客戶提出的需求，在整車常用工況下高壓壓力能達到50 bar，潤滑流量最高能達到21.4 L/min。

4）早期的電子油泵采用六步換相控制策略及無刷直流電機作為油泵的電驅(qū)系統(tǒng)，該形式的電子油泵系統(tǒng)的致命缺點是轉(zhuǎn)矩脈動大，NVH性能極差。采用本控制策略可以顯著降低電子油泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，以改善其NVH性能。

[1] 徐向陽.節(jié)能與新能源汽車傳動技術(shù)的發(fā)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2017,8(4):323-332.

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Control Strategy of Electronic Oil Pump for Automotive Hybrid Transmission

HE Yang1, DENG Lijun1, CHEN Siyu2, XIA Dakang1, LI Bowen1

( 1.Chongqing Hongyu Precision Industry Group Company Limited, Chongqing 402760, China;2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment &System Security and New Technology ( Chongqing University ), Chongqing 400044, China )

The electronic oil pump is a highly integrated vehicle part integrating electronics, machinery and hydraulics. Its control strategies are different according to the requirements of the application environment and the types of driving motors. This paper studies the control strategy of the electronic oil pump applied to the vehicle hybrid power transmission, combs the mathematical model of the motor and the basic theory of vector control, builds the simulation model of the electronic oil pump based on Simscape, and the simulation results show that the electronic oil pump starts smoothly, the speed response speed is less than 200ms, and the torque ripple under steady state conditions is about 5.88%. From the simulation results, it can be seen that the strategy of double closed loop vector control combined with maximum torque per ampere (MTPA) control and weak magnetic control algorithm has the ability to realize the function of electronic oil pump. The test verification proves that under the common working conditions of the vehicle, the output high-pressure pressure of the electronic oil pump can reach 50bar, the maximum lubrication flow can reach 21.4 L/min, and the consistency of flow output of different electronic oil pumps is less than±4%.

Electronic oil pump;Vector control; Permanent magnet brushless DC motor; Hybrid transmission; Double closed loop PI control

U467.1+3

A

1671-7988(2023)12-53-07

何洋（1994－），男，碩士，工程師，研究方向為汽車電子，E-mail:646180028@qq.com。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助（2021CDJJMRH-004）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.011