電動車用對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機驅(qū)動及防滑試驗研究

周斯加 龍江啟 儲 軍 張蔭先

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

0 引言

對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機是一種新型電動車驅(qū)動用電機。該電機所采用的驅(qū)動形式克服了傳統(tǒng)電傳動系統(tǒng)中，動力經(jīng)主減速器、差速器、半軸，然后傳到驅(qū)動車輪所造成的傳輸路徑過長的問題，減少了傳動引起的能量損失，同時它也可改善輪轂電動驅(qū)動[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)簡單、體積輕巧、控制簡便，且集驅(qū)動、差速、制動能量再生、驅(qū)動防滑等功能于一體的電驅(qū)動形式[2-3]。

在雙轉(zhuǎn)子電機應(yīng)用方面，日本橫濱大學率先開展了雙轉(zhuǎn)子電機驅(qū)動特性等的基礎(chǔ)性研究[4],但一些重要測試結(jié)果未見報道。目前，國內(nèi)也逐步開展了這方面的研究。華南理工大學等對電機運行、控制等方面進行了理論方面的研究，探討了雙轉(zhuǎn)子電機應(yīng)用于電動車輛時的某些動力特性和控制策略[5-7]。為把雙轉(zhuǎn)子電機盡快地運用到電動車產(chǎn)品中，滿足電動車對于電驅(qū)動系統(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)子電機專用測試平臺，啟動了雙轉(zhuǎn)子電機的試驗研究，為驅(qū)動系統(tǒng)裝車奠定了基礎(chǔ)。

1 雙轉(zhuǎn)子電機HIL仿真平臺的搭建

1.1 硬件在環(huán)試驗臺構(gòu)成

對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機硬件在環(huán)(HIL)試驗臺采用節(jié)能四象限電回饋封閉式試驗臺。試驗臺驅(qū)動由一臺對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機及相應(yīng)的減速裝置完成，負載采用兩臺伺服系統(tǒng)及相應(yīng)的扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器組成，試驗臺的總體構(gòu)成如圖1、圖2所示。其中，試驗用雙轉(zhuǎn)子電機為具有能量再生回饋功能且控制精準的永磁同步雙轉(zhuǎn)子電機，考慮到成本等因素，電機采用風冷散熱結(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn)子電機主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和機殼等組成[2]。

圖1 雙轉(zhuǎn)子電機HIL測試平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 HIL雙轉(zhuǎn)子電機仿真平臺

1.2 試驗臺仿真控制原理

由于試驗臺需要完成驅(qū)動防滑等精度高、響應(yīng)迅速的試驗項目，所以試驗臺控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用dSPACE多處理器模塊化HIL實時仿真計算系統(tǒng)。在仿真試驗時，扭矩儀將對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機兩側(cè)動態(tài)負載實時發(fā)送到dSPACE中，通過計算隨即可得到模擬的兩側(cè)車輪實時滑轉(zhuǎn)率情況[5-8]。數(shù)據(jù)記錄、顯示和對dSPACE的控制由計算機完成，控制參數(shù)的設(shè)定則在ControlDesk中進行。圖3為HIL試驗仿真流程圖，圖4所示為ControlDesk控制系統(tǒng)界面。

圖3 HIL試驗仿真流程圖

圖4 ControlDesk控制界面

如圖3所示，HIL仿真試驗可以構(gòu)成一個閉環(huán)的雙轉(zhuǎn)子電機驅(qū)動防滑測試試驗臺，由駕駛員油門踏板(電位器)給定一個雙轉(zhuǎn)子電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩要求，雙轉(zhuǎn)子電機控制器根據(jù)這個要求驅(qū)動雙轉(zhuǎn)子電機輸出一定的轉(zhuǎn)矩。通過調(diào)節(jié)駕駛員油門與負載電機轉(zhuǎn)矩可以對雙轉(zhuǎn)子電機進行加減速控制。在驅(qū)動防滑仿真控制時，可以同時或者只調(diào)節(jié)單側(cè)的負載電機以模擬路面的附著狀態(tài)變化。輪速跟蹤控制器按照文獻[8]提出的控制原則根據(jù)兩側(cè)負載的轉(zhuǎn)速變化率的和的變化情況計算一個修正轉(zhuǎn)矩對雙轉(zhuǎn)子電機進行轉(zhuǎn)矩抑制。在此模型中，從信號的采集到兩側(cè)負載轉(zhuǎn)速變化率的計算以及到控制器計算負反饋轉(zhuǎn)矩的大小都是在dSPACE中完成的。

2 試驗結(jié)果與分析

本HIL仿真測試平臺主要完成了兩項測試任務(wù)：①雙轉(zhuǎn)子電機驅(qū)動特性驗證；②基于輪速跟蹤控制的雙轉(zhuǎn)子電機驅(qū)動防滑控制策略研究。

2.1 驅(qū)動特性驗證

首先利用試驗平臺對雙轉(zhuǎn)子電機進行效率測試，考慮到試驗平臺設(shè)計要求，本次試驗僅就雙轉(zhuǎn)子電機輸出功率在10kW以內(nèi)數(shù)據(jù)進行測試。試驗結(jié)果如圖5所示，對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機在低負荷區(qū)域效率偏低，在載荷逐步增大接近額定功率時，電機效率也逐步提高。當電機工作在8kW以上區(qū)間時，其效率超過80%。

圖5 雙轉(zhuǎn)子電機效率曲線

其次，模擬雙轉(zhuǎn)子電驅(qū)動橋差速加速驅(qū)動試驗，模擬步驟如下：將對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機加速至70%負荷附近并調(diào)節(jié)雙轉(zhuǎn)子電機兩側(cè)負載的平衡，在第10s時刻調(diào)整左右兩側(cè)負載使其不平衡，4s后對負載進行反向操作，使得左右側(cè)負載值對換，再過4s后調(diào)整兩側(cè)負載使其同時恢復(fù)到初始值，負載變化如圖6所示。近似正弦波地調(diào)節(jié)負載的目的是為了模擬電驅(qū)動橋在轉(zhuǎn)向過程中兩側(cè)驅(qū)動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)差率峰值達到了12.6%，并位于左右側(cè)轉(zhuǎn)矩值交叉點附近。

圖6 電驅(qū)動橋左右側(cè)負載變化

圖7 轉(zhuǎn)差率變化

雙轉(zhuǎn)子電驅(qū)動橋左右側(cè)輸出轉(zhuǎn)速結(jié)果如圖8所示，試驗數(shù)據(jù)顯示，在轉(zhuǎn)動慣量差異率(兩側(cè)轉(zhuǎn)動慣量差值與單側(cè)轉(zhuǎn)動慣量的比)小于5%的情況下，兩側(cè)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動差異性非常小。在整個試驗階段，左右側(cè)轉(zhuǎn)速輸出能夠較好地跟隨控制指令，當有意調(diào)整兩側(cè)負載值并使其數(shù)值交替起伏時，雙轉(zhuǎn)子電機兩側(cè)輸出相應(yīng)地出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速差，且當負載數(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)動防滑控制策略驗證研究

模擬電驅(qū)動橋輪速跟蹤控制試驗，試驗過程為：給定雙轉(zhuǎn)子電機兩側(cè)等大的負載，啟動電機加速，在加速至20s時刻電機兩側(cè)負載同時減小，在10s后又恢復(fù)到初始水平。dSPACE采集雙轉(zhuǎn)子電機兩側(cè)轉(zhuǎn)速信號并進行微分計算，在選定的兩種K值下輸出修正電機控制信號，以抑制雙轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)矩輸出，其中K值的選擇參見文獻[8]。圖9所示為電動驅(qū)動橋的負載給定情況，圖10為電機給定的輸出轉(zhuǎn)矩和實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)動橋負載給定

圖10 電機輸出轉(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?？焖僭龃?，從而提高了車輛的驅(qū)動防滑能力。輪速跟蹤控制方式不需要知道汽車和車輪的實際平移速度就可以對汽車進行驅(qū)動防滑控制，是一種非常適用于電動車輛的防滑控制策略。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計的對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機具有和差速器同樣的差速驅(qū)動功能。在等轉(zhuǎn)矩控制下，雙轉(zhuǎn)子電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速此消彼長，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)整負載電機轉(zhuǎn)矩來模擬道路附著狀況的改變，設(shè)計了通過驟減負載模擬車輛駛經(jīng)低附著系數(shù)路面的打滑試驗，所設(shè)計的輪速跟蹤控制器有效降低了雙轉(zhuǎn)子電機轉(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。

[1] Malan J, Kamper M J. Performance of a Hybrid Electric Vehicle Using Reluctane Synchronous Machine Technology[J]. IRRR Transactions on Industry Applications, 2001,37(5):1319-1324.

[2] 周斯加，羅玉濤，黃向東．雙轉(zhuǎn)子電機混合動力汽車驅(qū)動特性研究[J]．中國機械工程，2008，19(16)：2011-2015．

[3] 羅玉濤，黃向東，周斯加,等．一種油一電混合動力汽車的多橋驅(qū)動系統(tǒng)：中國，20061003386．5[P]．2006-02-27．

[4] Kawamura A,Yokoyama T,Kume T． Anti-directional-twin-rotary Motor Drive for Electric Vehicles[C]//Conference Record of the 1994 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.New York，1994：453-459．

[5] 周斯加，羅玉濤，黃向東,等． 4WD電動車的滑轉(zhuǎn)率識別及防滑控制[J]．華南理工大學學報(自然科學版)，2008，36(6)：95-100．

[6] 羅玉濤，張桂連，曠鵬,等．四輪驅(qū)動汽車操縱穩(wěn)定性級聯(lián)式控制策略的研究[J]．汽車工程，2009(31)：807-811．

[7] 羅玉濤，譚迪，劉延偉,等． 基于軸間驅(qū)動力分配的汽車操縱穩(wěn)定性控制[J]．華南理工大學學報(自然科學版)，2009，37(7)：74-78．

[8] 鄧志君．基于對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機的電動汽車研究[D]．廣州：華南理工大學，2007．