新能源电机扭矩控制—振动抑制控制

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1、新能源电机扭矩控制一振动抑制控制（1）上一讲中，笔者对电机扭矩控制中的车轮旋转控制 进行了详细介绍，详见“谈谈新能源电机扭矩控制一 车轮旋转控制”，从本讲开始，笔者将分4次对电机扭矩控制中的振动抑制控制进行详细介绍！对于新能源电机扭矩控制，除了电流控制、电流谐 波重叠控制、振动隔离处理控制、弱磁场控制、PDU端 平均流入电流推测、电机转速F/B控制、DQ轴变换控 制、车轮转速控制外，还包括：振动抑制控制。今天，笔者将继续对电机扭矩控制的其他模块进行 详细介绍，接着车轮旋转控制谈谈电机扭矩控制中的振 动抑制控制技术。首先，我们还是一起回顾下电机扭矩控制功能的整 体控制框图，如下图所示：亦”以整车

2、控制器 （VCU） 输出的扭矩目标值为起点，虚 线框图表示电机 MCU 扭矩处理的整体控制流程简图， 具体控制流程如下：当电机 MCU 获取 VCU 的扭矩目标指令值后，扭矩 控制模块会根据扭矩推测值输出电流指令值给弱磁场控 制模块，弱磁场控制模块会综合考虑效率和能耗将电流 目标值输出给电流控制模块，然后电流控制模块会结合 电流目标值以及电流实际值，将电压指令值输出给电压 控制模块，最后，电压控制模块会将 Gate 信息给到 IGBT 模块，由 IGBT 控制模块对通道进行打开和关闭控 制。此外，电机 MCU 内置模式控制方式，根据车辆不 同的工况和负荷，分别对扭矩控制模块、弱磁场控制模 块、

3、电流控制模块以及电压控制模块的控制参数进行调 整；同时，扭矩推测模块根据电流实际值以及电压指令 值，通过内部算法将扭矩推测值输出给扭矩控制模块， 对电流指令值的正确发出起到一个非常核心的参考作 用。因此，对于电机扭矩控制，由上图可以看出： VCU 的动作要求 （扭矩要求 ）可能使轴产生共振从而引起车 体共振的发生，因此需要对共振进行抑制控制。对于以上振动抑制控制的核心目标，很显然，首先 需要考虑电机轮胎的共振原理，找出共振的条件 （比 如转速、频率等 ），从而提出需求并得出解决方案。同样的，在提出需求前，首先对核心的振动原理 （电机一轮胎系统）进行详细的描述和原理分析，如下 图所示：轮胎血荷）

4、电机转子和驱动轴示意图hlOm电机由上图可以看出，电机转子主要特性可以用电机转 动惯量、电机角速度、电机转角等进行表示；而与电机 轴耦合的齿轮组特性可以用齿轮转速和齿轮转角等进行 表示；轮胎特性也可以用轮胎转动惯量、轮胎转速以及 转速转角等进行表示。此外，连接电机与轮胎的轴系可 以用刚度为K的弹簧系统进行表示。很显然，以上参 数能够在一定程度上模拟实际的轴系传动系统。因此，可以将上图构成看作从电机到轮胎的整体弹 簧质量系统，并且根据弹簧质量系统模型的特点，一定 会在特定频率下产生振动，如下图所示：振动频率特性（例）2010-10-20-30-40-50 L-10_11ID从振动频率特性示例中可

5、以看出，在频率为 2. 6Hz 范围附近时，振幅较大。一般情况下，通过建立弹簧质量系统并根据数值计 算方法或者仿真方法可以计算得出振幅较大的特定振动 的频率；同时，根据不同企业的实际情况 （比如有振动 试验台的条件等 ），在企业有条件的情况下，最好对数 值计算或者仿真计算得出的频率结果应用试验的方法进 行验证，这样得出的振动频率结果最有说服力。根据振动原理 （电机轮胎系统 ）的详细描述和原 理分析，初步弄清楚了弹簧质量系统的频率特性，因 此，对于车辆系统而言，为了应对 VCU 的动作要求 （扭 矩要求）可能使轴产生共振从而引起车体共振的发生， 需要对振动进行抑制控制。综上，根据以上对振动抑制控

6、制的认识和理解，笔 者提出以下基本需求：1、抑制因对应 VCU 动作要求 （扭矩要求）的轴产生 的振幅较大的特定振动频率；2、根据电机系统对应齿轮系统的状态，判定振动 抑制控制的实施；3、在扭矩限制范围内进行动作 （不同档位，扭矩 限制不同，动作范围不同 ）；4、当有电池端电功率等保护需求时，为优先对电 池电功率进行保护，需要对振动抑制控制的功能进行解 除或者屏蔽；5、需要计算得出振动抑制输入扭矩指令值以及振 动抑制扭矩。然后，根据振动抑制控制的总体需求，可以初步整 理出振动抑制控制的整体控制架构框图，如下图所示：振动抑制控制整体框图振动抑制控制功能VCU指示 外部停止指示 变連箱齿轮段*抿动

7、抑制 控制实施 判左模块:P制扭矩计算模块增益计倉 适用3滤波增益计策 （适用$呵娠动抑制扭矩（limit 前）邑吒站速度rLBP卜振动抑制扭矩limit处理懂块（包括振动抑制）扭矩指令碩（振动抑制控制前） 扭矩限制（MAX） 扭矩限制（MIN）振动抑制扭矩imit 后）从以上振动抑制控制的整体框图可以看出:1、振动抑制控制主要分为三个核心模块，包括振 动抑制控制实施判定模块、振动抑制扭矩计算模块以及 振动抑制扭矩限制处理模块，还包括BPF滤波模块；2、振动抑制控制实施判定模块的主要功能是接收 VCU指令、外部调停指令以及变速箱齿轮相关信息指 令，然后根据内部算法逻辑判定振动抑制控制的实施状

8、态并输出给振动抑制扭矩计算模块，此外，还将滤波限 制指示输出给BPF模块；3 、 BPF 模块接收电机的电气角速度，并结合振动 抑制控制实施判定模块输出的滤波限制指令值，将电气 角速度进行滤波处理后输出给振动抑制扭矩计算模块；4、振动抑制扭矩计算模块的主要功能是接收来自 于振动抑制控制实施判定模块的振动抑制实施状态信 号，并结合变速箱齿轮信息以及滤波后的电气角速度， 经过内部算法逻辑演算得出振动抑制扭矩（各种限制 前）；5、振动抑制扭矩限制处理模块的主要功能是接收 来自于振动抑制扭矩计算模块的振动抑制扭矩 （各种限 制前 ）的信号，并结合扭矩限制的最大 /最小值以及扭 矩值指令值 （VCU 发

9、出 ），计算得出最终的扭矩指令值 （振动抑制控制、限制处理后 ）。最后，通过以上 15 点，将振动抑制控制框图的 核心功能进行了划分并对各个模块的主要输入 /输出信 号进行了详细解释，可以看出，为了抑制振动，从需求 提出到整体框图的构建，均体现了思考的过程，需要对 VCU 发出的扭矩进行合理的管理，并经过振动抑制控制 模块处理后输出最终的振动抑制控制扭矩，从而使车辆 满足一定的商品性要求。以上为笔者今天分享的内容，在后续 3 讲中，会 根据振动抑制控制的思想方法和整体控制框架讨论振动抑制控制的详细需求，并将细化后的详细需求与振动抑 制控制的模型框架进行一一对应，同时也会对各个框架 模块的物理动

10、作进行详细介绍，将物理动作与控制模 块、需求建立起关联！新能源电机扭矩控制 振动抑制控制 (2)上一讲，笔者对振动抑制控制的控制方法、基本需求、控制整体架构进行了详细介绍。本讲笔者将接着上一讲的内容，基于对振动抑制控制整体框架以及基本需 求的认识，根据整体控制框架和基本需求，对基本需求 以及控制框架的功能分别进行细化。首先，对基本需求进行细化，在细化之前，我们先 来回顾下振动抑制控制的整体基本需求，如下所示：需求：抑制因对应 VCU动作要求（扭矩要求）的 轴产生的振幅较大的特定振动频率；需求：根据电机系统对应齿轮系统的状态，判定 振动抑制控制的实施；需求：在扭矩限制范围内进行动作（不同档位，

11、扭矩限制不同，动作范围不同 ）；需求：当有电池端电功率等保护需求时，为优先 对电池电功率进行保护，需要对振动抑制控制的功能进 行解除或者屏蔽；需求：需要计算得出振动抑制输入扭矩指令值以 及振动抑制扭矩。其次，回顾振动抑制控制的整体控制框架，如下图 所示：振动抑制控制整体框图振动抑餵振动抑剖控制功能电吒角速度1it1 JBIFqrdBPF制扭矩计諄模块I増益计算 陡用壬记）增益计聲（适用1吟VCUJ示*抿动抑制控制实能判左標块滤彼夕网停止指示一* 变速箱齿蛇段十-珈状态振动抑制扭矩 （limil 前）*振功抑制扭矩limit处理牍块（包括振动抑制）扭矩指令億悵动抑制控制罰） 扭矩限制（MAX）

12、扭矩限制（ME）強动抑制扭矩 诟）然后，我们对振动抑制控制的基本需求进行细化,分别对以上需求进行细化并深度思考，如下所示。细化需求的深度考虑：1. 1、计算振动抑制扭矩计算模块需求的角加速度 的BPF值；12、对来自于VCU指示、外部停止指示、以及变 速箱齿轮段等对应的振动抑制控制状态进行逻辑判定；13、计算对应振动抑制控制状态的增益系数，且 不同档位系数不同；1.4、计算1st和3rd速比下的振动抑制控制扭矩 并能根据齿轮信息进行切换；1.5、综合考虑扭矩限制limit处理，计算振动抑 制输入的扭矩指示值以及振动抑制控制扭矩。深度思考后，笔者将以上详细思考的内容汇总成如 下表格：振动抑制控制

13、目的模块框 架详细需求BP F计算 模块1.1、计算振动抑制扭矩计算模块需 求的角加速度的BPF值。抑制 对应 VCU 等外 部指 示和 齿轮 轴共 振 动抑制 控制实 施判定 模块2. 1、对来自于VCU指示、外部停止 指示、以及变速箱齿轮段等对应的 振动抑制控制状态进行逻辑判定。 增 益模块3.1、计算对应振动抑制控制状态的 增益系数，且不同档位系数不同。振产 生的 车体 振动 振 动抑制 扭矩计 算模块4. 1、计算1st和3rd速比下的振动 抑制控制扭矩并能根据齿轮信息进 行切换。 振 动抑制 扭矩限 制处理5. 1、综合考虑扭矩限制limit处 理，计算振动抑制输入的扭矩指示 值以及

14、振动抑制控制扭矩。模块接下来，根据振动抑制控制的整体框架以及细化的 需求关联，对整体控制框架的功能进行细化和拆分，如下图所示:振动抑制控制功能细化框图制脂示电气角速度夕停止指巫BPFBPF振测制振动抑制控制功建丿X施牧态 包劇1抑制栢縮计算|增益计算I （诟妊 Is1）振动抑制亠去 控制宴施-f 判走樹夬血计算（适用刑旅血】制扭矩 小卫前） I瞬抑 制扭矩 limit 处理 模块扭矩扌旨令値（振动抑制控制前） 扭矩限制I i m it（MAX） 扭矩限制I i m it（M IN）-扭矩f詡盲（包括振动抑制）-振励抑制扭矩 （limit 后）其中，整体控制框架的功能细化如下:1、振动抑制控制实

15、施判定模块细化为和两个 主要功能模块，分别为输入量处理和振动抑制控制实施 判断；2、振动抑制控制扭矩计算模块细化为和两个 主要功能模块，分别为考虑目前齿轮段同时与转速 BPF 后的振动抑制增益相乘和控制增益系数切换；3、振动抑制扭矩限制处理模块细化为一个主要 功能模块，即振动抑制控制限制；4、BPF模块细化为和两个主要功能模块，分 别对应1档/3档（不同档位下）的振动抑制控制转速滤 波处理。以上为笔者本次分享的内容，在下一讲中会对各个 模块的物理动作进行详细介绍，将物理动作与控制模 块、需求建立起关联！新能源电机扭矩控制一振动抑制控制（3）上一讲，笔者对振动抑制控制的需求和模型框架进 行了细化

16、。本讲会对各个模块的物理动作进行详细介 绍，将物理动作与控制模块、需求建立起关联！首先，我们一起回顾下振动抑制控制的整体框架， 如下图所示：振动抑制控制整体框架示意图* ,振动抑制判走檯块抵动抑制控制功鏗裏施狀态 心后夕振咖制師 肝嚮洋埠一 控制实丽才 XS卢判呼块I专指示増益计算电气角速度EPFEPF矩前）制扭矩limit处理模块-扭距扌訐値（包括振动抑制）f振励抑制扭拒（limit 司扭矩扌昶値（振动抑制控制前）扭姮限制I i m it（MAX）扭拒限制I i m it（M IN）由于需求与物理动作对应，且物理动作较复杂，因 此，笔者将分 2 次对物理动作进行详细介绍，首先看 下振动抑制控

17、制的详细需求汇总，如下表所示：振动抑制控详细需求项目目的模块框 架详细需求BPF 计算模 块1. 1、计算振动抑制扭矩 计算模块需求的角加速度 的BPF值。振动 抑制 控制抑制对应VCU 等外部指示和 振 动抑制 控制实 施判定 模块2. 1、对来自于VCU指 示、外部停止指示、以及 变速箱齿轮段等对应的振 动抑制控制状态进行逻辑 判定。齿轮轴共振产 生的车体振动 增 益模块3. 1、计算对应振动抑制 控制状态的增益系数，且 不同档位系数不同。 振 动抑制 扭矩计 算模块4.1、计算1st和3rd速 比下的振动抑制控制扭矩 并能根据齿轮信息进行切 换。 振5. 1、综合考虑扭矩限制 limit

18、处理，计算振动抑动抑制 扭矩限 制处理 模块制输入的扭矩指示值以及 振动抑制控制扭矩。本次先详细介绍需求1.1、2.1的物理动作。对于详细需求11:计算振动抑制扭矩计算模块需 求的角加速度的BPF值，本质是对电气角速度的滤波 作用，也就是通常所说的滤波器，物理动作与模型关联 如下图所示：带通滤波器示意图电气角加速度振动抑制滤波昏贰耍求4电气角加速度BPF値由上图可知，电气角加速度和振动抑制滤波 reset要求，经过带通滤波器处理后得出 BPF模块控制策略中相应的积分项和微分项，且不同档位下的BPF值不同。BPF输入/输出示意图BPF输入/输出例150：2LUJlifli50：i1U:1.U；1

19、.J7U2815旳1U5-500抽出希望抑制的當用频率带由上图可知：计算电气各角速度对应的 BPF的P 项和D项与上次值的差，此外，重置要求为1时，BPF 值reset等于0。对于需求2. 1：对来自于VCU指示、外部停止指 示、以及变速箱齿轮段等对应的振动抑制控制状态进行 逻辑判定，物理动作与模型关联如下图所示：振动抑制控制实施判定流程示意图于振动抑制实ife状态VfU指示外部停止指示壹速箱齿轮段上次振动抑知氐本次振砌卬制有要濡STARTYESVCUtf二禁11外咅曜求=篤止齿轮霞=2or4or6NO鯉倚Et更求无VCUJLi=氓动抑制无夕卜部要娥二停It齿縛-5or7=振动抑制有YE5VCUJi.YES振动HP制实施状态- 振前抑制有健常）Ik列F卬制实施状态- 停止磁即制实施状态-上图清晰的表达出振动抑制控制实施判定的流程,思路很清晰，不在赘述，大家可以根据不同的项目，对 流程进行适应性变更。以上为笔者本次分享的内容，在下一讲中会对剩余需求3.1、需求4.1以及需求5.1的物理动作进行详细介绍，将物理动作与控制模块、需求建立起关联！