電動(dòng)汽車扭矩濾波控制策略研究

王坤俊, 歐陽智, 盧 雄, 文健峰, 楊杰君

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

扭矩控制作為電動(dòng)汽車整車控制的重要組成部分,對整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響[1-3]。扭矩濾波在扭矩控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,既要快速響應(yīng)駕駛員扭矩請求,又要保證扭矩變化平滑[4-5]。扭矩由電機(jī)經(jīng)過與之匹配的減速器降速增扭后傳遞到車輪,當(dāng)驅(qū)動(dòng)工況與制動(dòng)工況相互切換時(shí),減速器齒輪傳動(dòng)的嚙合面會(huì)發(fā)生變化,由于齒輪間隙的存在,主動(dòng)輪會(huì)經(jīng)過一個(gè)短暫的加速,然后撞擊到嚙合面,從而產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲,甚至造成車輛抖動(dòng)[6-7]。

本文提出一種扭矩濾波控制方法,既能迅速響應(yīng)駕駛員在各種操作工況下的需求扭矩,保證車輛動(dòng)力性,又能在車輛驅(qū)動(dòng)工況與制動(dòng)工況相互切換時(shí),有效降低減速器齒輪間隙帶來的打齒沖擊和噪聲,從而提升駕駛舒適性。

1 扭矩濾波控制策略

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)汽車通常將整車控制器作為整車扭矩控制的核心[8-9],整車控制器采集擋位、加速踏板、制動(dòng)踏板等硬線輸入信號(hào),接收電機(jī)控制器反饋扭矩、轉(zhuǎn)速信息,識(shí)別駕駛員操作意圖,計(jì)算駕駛員需求扭矩,經(jīng)過扭矩濾波處理后得出電機(jī)目標(biāo)扭矩,再由電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)扭矩的響應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)車輛扭矩控制[10]。扭矩濾波主要包括扭矩上升率限制、扭矩下降率限制、扭矩過零處理,以控制扭矩變化的快慢。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 扭矩上升率限制

當(dāng)駕駛員需求扭矩大于電機(jī)目標(biāo)扭矩時(shí),表明有加大車輛驅(qū)動(dòng)扭矩或減小車輛制動(dòng)扭矩的意圖。為保證扭矩變化平滑,需要限制扭矩上升率。分為以下幾種工況限制:

1) 電機(jī)目標(biāo)扭矩為正(驅(qū)動(dòng)扭矩),且蠕行功能觸發(fā)。駕駛意圖為加大蠕行驅(qū)動(dòng)扭矩,扭矩上升率為蠕行扭矩上升率,此上升率通常為一個(gè)較小的定值,可確保車輛平穩(wěn)緩慢行駛。

KR=CC1

式中:KR為扭矩上升率;CC1為蠕行扭矩上升率常數(shù),本文取值300 N·m/s。

2) 電機(jī)目標(biāo)扭矩為正(驅(qū)動(dòng)扭矩),且蠕行功能未觸發(fā)。駕駛意圖為加大踏板驅(qū)動(dòng)扭矩,扭矩上升率為踏板驅(qū)動(dòng)扭矩上升率,此上升率跟駕駛員需求扭矩與電機(jī)目標(biāo)扭矩的差值、電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。駕駛員需求扭矩與電機(jī)目標(biāo)扭矩的差值越大,上升率越大,以快速響應(yīng)駕駛員扭矩請求;電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)上升率較小,可確保車輛平穩(wěn)起步,電機(jī)轉(zhuǎn)速較高后,加大上升率,提高車輛動(dòng)力性。由于無法用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,本文通過TD和n二維查表得到踏板驅(qū)動(dòng)扭矩上升率,根據(jù)實(shí)車標(biāo)定情況調(diào)整,具體數(shù)值見表1。

表1 踏板驅(qū)動(dòng)扭矩上升率

KR=f(TD,n)

式中:TD為駕駛員需求扭矩與電機(jī)目標(biāo)扭矩的差值;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3) 電機(jī)目標(biāo)扭矩為負(fù)(制動(dòng)扭矩),且駕駛員需求扭矩為負(fù)(制動(dòng)扭矩)。駕駛意圖為減小制動(dòng)扭矩,制動(dòng)扭矩的數(shù)值實(shí)際上需要減小,扭矩上升率為制動(dòng)扭矩上升率。此上升率根據(jù)駕駛員需求扭矩與電機(jī)目標(biāo)扭矩的差值得出,駕駛員需求扭矩與電機(jī)目標(biāo)扭矩的差值越大,上升率越大。

KR=max(Kmin1,f1·TD)

式中:Kmin1為最小制動(dòng)扭矩上升率,本文取值為1 200 N·m/s;f1為制動(dòng)扭矩上升率系數(shù),本文取值5。

4)電機(jī)目標(biāo)扭矩為負(fù)(制動(dòng)扭矩),且駕駛員需求扭矩為正(驅(qū)動(dòng)扭矩)。駕駛意圖為從制動(dòng)工況切換到驅(qū)動(dòng)工況,扭矩上升率為制動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)扭矩上升率。設(shè)置一個(gè)齒輪嚙合區(qū)間[-Tm1,Tm1],當(dāng)電機(jī)目標(biāo)扭矩TT<-Tm1時(shí),處于卸載制動(dòng)扭矩階段,扭矩上升率跟制動(dòng)扭矩上升率保持一致,迅速卸載制動(dòng)扭矩;當(dāng)電機(jī)目標(biāo)扭矩TT∈[-Tm1,Tm1]時(shí),設(shè)置較小的扭矩上升率使齒輪緩慢嚙合,減小齒輪沖擊和噪聲;當(dāng)電機(jī)目標(biāo)扭矩TT>Tm1時(shí),處于增大驅(qū)動(dòng)扭矩階段,扭矩上升率跟踏板驅(qū)動(dòng)扭矩上升率保持一致,迅速增大驅(qū)動(dòng)扭矩。

式中:Tm1為減速器齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)嚙合扭矩,表示嚙合面即將發(fā)生變化,本文取值80 N·m;Cm1為制動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)工況齒輪嚙合扭矩上升率常數(shù),本文取值240 N·m/s。

1.3 扭矩下降率限制

當(dāng)駕駛員需求扭矩小于電機(jī)目標(biāo)扭矩時(shí),表明有減小車輛驅(qū)動(dòng)扭矩或加大車輛制動(dòng)扭矩的意圖,為保證扭矩平滑變化,需要限制扭矩下降率。具體分析過程跟扭矩上升率限制類似:

1) 蠕行驅(qū)動(dòng)扭矩下降率:

KF=CC2

式中:KF為扭矩下降率;CC2為蠕行扭矩下降率常數(shù),本文取值為500 N·m/s。

2) 踏板驅(qū)動(dòng)扭矩下降率根據(jù)扭矩差值和電機(jī)轉(zhuǎn)速二維查表得出,具體數(shù)值見表2。

表2 踏板制動(dòng)扭矩下降率

KF=f(TD,n)

3) 制動(dòng)扭矩下降率:

KF=max(Kmin2,f2·TD)

式中:Kmin2為最小制動(dòng)扭矩下降率,本文取值為800 N·m/s。

4) 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)扭矩下降率:

式中:f2為制動(dòng)扭矩下降率系數(shù),本文取值4;Tm2為減速器齒輪制動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)嚙合扭矩,本文取值80 N·m;Cm2為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)工況齒輪嚙合扭矩下降率常數(shù),本文取值240 N·m/s;[-Tm2,Tm2]為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)工況齒輪嚙合區(qū)間。

1.4 扭矩過零處理

經(jīng)過扭矩上升率限制、扭矩下降率限制處理后,存在由負(fù)扭矩直接切換到正扭矩、由正扭矩直接切換到負(fù)扭矩的情形。驅(qū)動(dòng)扭矩、制動(dòng)扭矩如果不經(jīng)處理直接切換,會(huì)對減速器產(chǎn)生較大的齒輪沖擊,從而影響舒適性。為此,本文設(shè)計(jì)了一種扭矩過零處理方法:檢測到由負(fù)扭矩切換到正扭矩、由正扭矩切換到負(fù)扭矩的情形時(shí),輸出最終濾波扭矩為0,確保驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)工況相互切換時(shí)短暫地輸出40 ms零扭矩,以減小齒輪沖擊。

2 實(shí)車測試

為驗(yàn)證上述扭矩濾波方法的實(shí)際效果,選取一輛10 m純電動(dòng)客車測試驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)等工況下經(jīng)過扭矩濾波后的電機(jī)目標(biāo)扭矩情況。

1) 驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)工況測試結(jié)果如圖2所示。踩加速踏板起步行駛,經(jīng)過扭矩濾波處理后的電機(jī)目標(biāo)扭矩平穩(wěn)上升,確保車輛平穩(wěn)運(yùn)行;隨后踩制動(dòng)踏板制動(dòng),對應(yīng)的原始扭矩由正到負(fù),經(jīng)過扭矩濾波處理后,電機(jī)目標(biāo)扭矩經(jīng)歷驅(qū)動(dòng)扭矩平穩(wěn)下降、齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)扭矩緩慢下降、扭矩過零、齒輪嚙合制動(dòng)扭矩緩慢上升、制動(dòng)扭矩平穩(wěn)上升5個(gè)階段,有效降低了減速器齒輪沖擊和噪聲。

圖2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)制動(dòng)工況扭矩曲線

2) 制動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)工況測試結(jié)果如圖3所示。行駛過程中踩制動(dòng)踏板制動(dòng),對應(yīng)的原始扭矩瞬間達(dá)到一個(gè)較大的負(fù)值,經(jīng)過扭矩濾波處理后電機(jī)目標(biāo)扭矩平穩(wěn)下降至目標(biāo)值;隨后踩加速踏板驅(qū)動(dòng),對應(yīng)的原始扭矩由負(fù)到正,經(jīng)過扭矩濾波處理后,電機(jī)目標(biāo)扭矩經(jīng)歷制動(dòng)扭矩平穩(wěn)下降、齒輪嚙合制動(dòng)扭矩緩慢下降、扭矩過零、齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)扭矩緩慢上升、驅(qū)動(dòng)扭矩平穩(wěn)上升5個(gè)階段,有效降低了減速器齒輪沖擊和噪聲。

圖3 制動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)工況扭矩曲線

3 結(jié)束語

本文提出了一種扭矩濾波控制方法,不僅可以快速響應(yīng)駕駛員扭矩請求,而且在車輛驅(qū)動(dòng)工況與制動(dòng)工況相互切換時(shí),通過降低扭矩上升率和下降率、扭矩過零處理,確保了扭矩平穩(wěn)變化,可以有效降低減速器齒輪間隙帶來的打齒沖擊和噪聲,從而提高了駕駛舒適性。