英语原文共 172 页
巴尔干摩擦学协会杂志Vol。22，No 3-II，2805-2827（2016）
摩擦系统控制策略的管理。
汽车底盘测功机控制策略研究
刘婷婷，陈凯*，志刚燕，蒙清华
机械工程学院，
杭州电子科技大学，310018杭州电子邮件：kchen@hdu.edu.cn
摘要
本文研究了车辆底盘测功机及其加载装置的控制策略。基于在测功机和路面上行驶的驱动轮的动态特性分析，建立模拟惯性和行驶阻力的机电数学模型，用永磁同步电动机（PMSM）补偿平移惯性。在PMSM控制策略上，提出了一种采用空间矢量调制（DTC-SVM）的直接转矩控制策略。基于PMSM的数学模型建立双闭环磁链和转矩PI控制算法，以磁通和转矩作为控制变量。仿真和实验结果表明，与传统的直接转矩控制相比，磁链和转矩脉动大大减小，系统的静，动态性能得到改善。采用DTC-SVM策略，输出转矩随目的转矩快速变化，获得了车辆底盘测功机的精确控制。
关键词：汽车底盘测功机，惯性仿真，PMSM，DTC-SVM，仿真模型。
目的和背景
车辆底盘测功机是一种不分解测试车辆性能的实验室测试设备，用滚轮代替路面，用飞轮组件加载滚轮和加载装置来模拟车辆的驱动力，这意味着抵抗底盘测功机上的车辆等于相应道路测试的车辆，检测和测试将接近实际驾驶条件1,2。正确模拟道路行驶阻力对底盘测功机至关重要，包括两个方面：车辆惯性质量的准确模拟和行驶阻力，测功机加载装置的精确控制。本文中，底盘测功机主要针对大型混合动力电动公交车，其基础惯性较大（11-15吨），因此，惯性模拟基于固定的机械惯性和可变惯性，固定的机械惯性当PMSM提供可变惯性和时变电阻时，由飞轮组件和滚子提供。
在可变惯性和行驶阻力的模拟中，惯性模拟理论基于驱动轮的动态特性，与基于动能的惯性模拟相比更准确，并且车辆的平移惯性由PMSM3。
在加载装置的控制策略上，PMSM具有高功率密度，高扭矩，快速响应等突出优点，这些特性使PMSM广泛应用于测功机加载领域。为了提高PMSM的控制效果，国内外学者进行了长期的努力。矢量控制可以实现高精度，高动态响应和宽范围的速度控制，但控制性能很容易受到电机参数变化的影响4,5;单神经元PID控制优化了电机的启动性能，但控制效果更依赖于神经元的学习速率6,7。传统的直接转矩控制（DTC）克服了矢量控制系统的缺点，两个磁滞回线用于控制电机的定子磁链和转矩，滞后宽度的偏差是稳定的，但逆变器的频率是不是恒定的，这会导致不可避免的扭矩波动。为了解决传统DTC的问题，如传递转矩波动大，开关频率不固定，许多改进的DTC控制方案应运而生，如改进的直接转矩控制8,9，无差拍直接转矩控制10，基于停止空间矢量调制的直接转矩控制11和基于模糊神经网络的直接转矩控制12。本文提出了一种带有空间矢量调制的直接转矩控制方案（DTC-SVM），带有磁链。以转矩作为控制变量，采用空间电压矢量调制策略，大大降低了转矩脉动，改善了电流和磁链，使系统具有良好的动静态性能。
测功机上车辆惯性质量的数学模型
惯性模拟的根本目的是确保由发动机节气门开度（输出扭矩）的变化引起的驱动轮的速度变化与道路上的速度变化相同。在本节中，分析了路面和测功机上驱动轮的动态特性，建立了车辆惯性和行驶阻力的机电数学模型，并用PMSM补偿了平移惯性。
道路驱动轮动态特性分析：根据汽车理论1，当汽车在平坦的道路上以恒定速度行驶时，如果驱动力变化为Delta;Ft，那么汽车的质量为m，这是由输出发动机扭矩的变化引起的，驱动轮的瞬时角加速度可用公式（1）表示：
其中delta;是车辆的旋转质量转换系数，m - 车辆总质量（kg），R - 驱动轮的滚动半径（m）。
测功机驱动轮动态特性分析。单轴前轮驱动车，单轴前轮驱动车辆，运行在单滚子底盘测功机上，其结构和受力分析如图1所示。
图1中符号的含义如下：Tt是驱动轮的驱动扭矩（N m）;Tr - 滚轮上驱动轮的滚动阻力矩（N m）;Te 是测功机的负载扭矩（N m）;Fn和Fq是作用在驱动轮（N）上的法向力和切向力;Tf 是滚子的机械摩擦和空气摩擦阻力矩（N m）;F1和F3是在水平方向上施加在从动轮和驱动轮上的车辆固定装置的力(N);F2和F2#39; 是驱动轮在水平方向和反作用力（N）上施加在从动轮上的力;Z1和Z2是驱动轮和从动轮的垂直载荷（N）;N2和X2是作用在从动轮上的法向力和切向力（N）;r 是车轮半径（m）;omega;和omega;w1 是滚子和驱动轮的角速度（rad / s）。发动机和传动系统到驱动轮的等效转动惯量为Jw1 (kg m2);将转鼓、测功机转子和飞轮的转动惯量转化为滚轮，等效惯性矩为J (kg m2);以驱动轮为对象，力与力矩的平衡方程为13-15:
（a）结构图 （b）驱动轮的应力分析
图1.测功机驱动轮的结构和应力分析图
其中驱动轮的角加速度，滚轮的角加速度
根据汽车理论中的滚动阻力系数的定义1，假设轮胎在测功机和道路上的滚动阻力系数相同，即定义为fr，则滚动阻力矩为：
（3）
考虑式(2)和式(3)，测功机的加载扭矩可表示为:
基于驱动轮动态特性的电惯量仿真数学模型。惯性模拟方法基于驱动轮动态特性的相同原理。当车辆在测功机上运行时，确保由发动机节气门开度（输出扭矩）的变化引起的驱动轮的速度变化与道路上的速度变化相同。在本节中，分析了在道路和测功机上驱动轮的动态特性，以反映惯性矩。
如果驱动轮和滚轮不滑动,在以一个速度测试,驱动轮的速度变化是Delta;Ft,驱动车轮的瞬时角加速度作为一个测试速度,Delta;Ft驱动车轮的速度变化,给出了驱动轮的瞬时角加速度：
考虑到方程（2）和（3），如果在相同的Delta;Ft下，道路上和测功机上的驱动轮的动态特性也是相同的。驱动轮上道路行驶的动态特性和测功器也是一样的,假设,此时,鼓的等效惯性矩J,测功器转子和飞轮必须满足方程（6）
在保持速度，等效惯性和速度变化的条件下改变测功机的负载转矩，产生增量Delta;Te，可以得到驱动轮的瞬时角加速度：
为了保证驱动轮的动态特性是一致的，，那么测力计的加载转矩增量必须满足如下方程（8）。
根据旋转质量系数delta;，，把delta;带入方程(8),我们可以得到电惯量模拟的数学模型,测功机的加载转矩增量可以表示为：
由于驱动轮的转动惯量远小于驱动轮平移惯性，即Jlt;lt;Mr^2, 在实际的惯性模拟测功机控制中，将式(9)简化为式(10)。
上述推导过程证明只要加载转矩增量Delta;Te跟踪驱动力Delta;Ft的变化即可。遵循等式（9）或等式（10）的定律，我们可以确保驱动轮的动态特性的一致性。等式（10）是电惯性仿真模型。
测功机车辆行驶阻力的数学模型
车辆行驶阻力方程。根据汽车理论1，车辆在行驶过程中的总阻力表示为：
由式(11)可知，滚动阻力和空气阻力均与车速有关，可近似表示为车速的函数
因此方程式（11）可表示为
A，B，C作为未确定的驱动阻力系数，可以通过道路滑行试验16获得。
车辆行驶阻力的数学模型。内阻是由汽车传动系统的损失引起的，道路上和测功机上的值是相同的。当在测功机上行驶时，仅驱动轮和滚轮进行相对旋转运动，车辆相对于滚轮静止且速度为零。外部阻力小于道路上的阻力，不存在空气阻力，斜坡阻力，从动轮的滚动阻力和一些加速阻力。所有这些外部阻力都需要通过测功机加载装置进行模拟，车辆的应力状态与道路上的应力状态相同，从而保证了车辆动力和燃油经济性测试的准确性。
加载测功机时，总电阻F_drum可写如下：
其中，Fe是测功机对辊子（N）的加载力;Floss是测功机的总机械阻力（N）;Ff - 驱动轮和滚子之间的滚动阻力（N）;Fj - 旋转部件如转子，飞轮和测功机（N）的滚轮产生的惯性力。
滚轮上驱动轮的滚动阻力和动力计的机械阻力随速度而变化，可以大致表示为二次函数如下：
作为未确定系数的#39;，B#39;，C#39;可以通过道路滑行试验16获得。测试方法类似于A#39;B#39;C的测量。根据等式（13）和（14），可以获得测功机上运行的总电阻：
为了反映实际的路况，在相同的速度下，测功机上车辆的总行驶阻力等于道路上的行驶阻力，有Froad= Fdrum，测力计的负荷力Fe可以如下计算：
对于不同的模型，系数A，B，C，A#39;，B#39;，C#39;可以通过道路滑行试验获得。假设a = A-A#39;，b = B-B#39;，c = C-C#39;，各种模型及其对应的系数a#39;，b#39;，c存储在计算机中并在需要时直接调用。
方程（16）是测功机电气模拟的函数公式，为车辆行驶阻力的实时生成提供了理论依据。对于一种车辆，测功机Fe的加载力与车辆的速度ua和加速度dua/ dt密切相关。通过测量速度和加速度，根据需要设置倾斜角度，然后进行计算以获得时变电模拟。
PMSM驱动系统的控制方案
PMSM在本文中用作加载设备。对车辆惯性质量和行驶阻力进行了电气仿真的理论分析，本节分析了永磁同步电动机的控制策略，确保了底盘测功机的加载装置得到了精确控制。
PMSM的DTC方案
在传统的DTC方案中，通过选择适当的电压矢量来实现磁链和转矩的直接控制。传统DTC方案的框图如图2所示。
传统的DTC方案是基于PMSM的两相静止坐标系（alpha;-beta;）建立的。检测母线电压和定子电流，根据PMSM模型的方程计算通量和转矩，然后计算磁链扇区theta;i。比较给定的磁通和转矩的计算,生成的偏差是由迟滞比较器得到控制的转矩控制状态tau;和通量控制状态。
图2. PMSM的DTC方案的框图
通过三个控制信号tau;，ouml;，theta;i，从开关表中选择电压矢量，输出变频器驱动控制信号，实现定子磁链和转矩的解耦控制，以及磁链和转矩的偏差。被控制在滞后宽度内。PMSM的电磁转矩Te可用下式表示:
其中，Te是电磁转矩（Nm）;ms - 功率相数;np - 极对数;Ls - 定子电感（H）;psi;s - 定子磁通（Wb）;psi;f - 转子磁通（Wb）;omega;amp; - 定子磁通相对于转子磁通的角速度（rad / s）;delta; -前一时刻扭矩角的初始值（rad）。
0
根据式（17），当转子磁链和定子磁链的振幅保持恒定时，转矩角从-90°变化到90°，电机转矩随转矩角的增大而增大，当角度为90°时达到最大值。转子磁通量变化比定子磁通慢得多，通常认为是静止的。因此，相对角度只能通过定子磁通改变，定子磁通由定子电压调节。（alpha;-beta;）坐标系中的定子通量公式表示为：
其中，Us是定子电压（V）;Rs - 定子电阻（Omega;）;is - 定子电流（A）。在高速时，如果省略定子绕组的电阻和漏电感，则等式（18）可以转换成以下形式：
其中,psi;s0是定子磁通（Wb）的初始值。考虑方程式（19），我们可以得到：定子磁通psi;s与逆变器产生的电压矢量Us有关。在Us的函数时间内，psi;s将沿Us的方向移动，从而产生增量。所需的电压矢量由磁通，转矩滞后回路控制器和扇区选择信号确定。例如，当区域I中的psi;s时，为了使psi;s顺时针旋转，我们应该选择U5（001）和U6（101）。
根据图3，通过选择适当的电压矢量，可以将磁通量的大小控制在给定值和允许偏差的范围内，从而得到平均值。通量可以保持不变。允许定子磁通幅度偏差处于磁通滞后控制器的磁滞宽度。显然，转矩脉动是由磁通量引起的。
图3.定子磁通轨迹
脉冲源是磁滞比较器，为了减小脉冲，必须放弃磁滞比较器并引入新的控制算法。
PMSM的DTC-SVM方案
本文中，测功机的加载装置为PMSM，按DTC-SVM方案加载。传统的DTC方案，在一个开关周期内只有一个电压矢量，而这个矢量必须同时控制磁通和转矩，通常不能达到理想值。如果我们想要在每个周期补偿磁链和转矩偏差，必须产生任意电压空间矢量，这可以通过SVM技术实现。为了克服传统直接转矩控制的缺点，本文设计了DTC-SVM方案。通过选择相邻的非零矢量和零矢量来计算每个矢量的动作时间，并合成任意电压矢量。
DTC-SVM方案的框图如图4所示。基本思路是：根据定子磁链和转矩的偏差，对定子磁链和转矩的幅值进行实时控制，并保持不变。在一定的公差范围内。基于此，可以使用两个PI控制器来调节定子磁通的幅度和转矩，以获得合成目标的空间电压矢量。
DTC-SVM方案以定子磁通坐标（d，q）表示，轴的旋转速度等于定子磁通omega;e的速度。PI磁通和转矩控制器的输出产生参考定子电压分量
图4. PMSM的DTC-SVM方案的框图
Usd和U平方。将这些分量转换为静止坐标（alpha;，beta;），得到指令值Ualpha;和Ubeta;，然后传递给SVM，产生切换信号Sa，Sb，Sc用于逆变器的功率晶体管。
PMSM在定子磁链坐标系中的数学模型。根据PMSM在三相坐标系中的电压，磁链和转矩方程，可以通过坐标变换得到定子磁链定向坐标（d，q）的方程。
电压方程如下所示：
其中，isd和isq是（d，q）（A）中的定子电流; p是导数算子;Rr - 转子电阻（Omega;）;i路，irq是（d，q）（A）中的转子电流;psi;路，psi;rq - 转子磁通量（d，q）（Wb）;omega;r是转子磁通角速度（rad / s）。
磁通量方程如下：
电磁转矩方程式可写如下：
其中TL是负
资料编号：[3504]
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