一种电动汽车增程器转速控制方法、控制系统及电动汽车

1.本发明涉及电动汽车增程器控制领域，具体涉及一种电动汽车增程器转速控制方法、控制系统及电动汽车。


背景技术：

2.电动汽车由于具有能效高、无尾气排放及噪音小等优点，在当今世界面临的能源与环境双重危机的情况下，越来越受到人们的重视，近年来已取得重大发展。然而，纯电汽车具有收费难、续航里程短和充电慢等缺点，所以消费者倾向于购买混合动力汽车。增程式电动汽车因其驱动模式单一，全时域仅采用电机驱动，加速过程十分线性，且天生没有驱动模式切换时顿挫的可能，系统架构简单，成本也较低等优点得到了消费者的青睐。
3.增程器主要由发动机和发电机组成，是增程式电动汽车的核心关键部件。增程器一般选用排量小、气缸数低的发动机，这导致其振动性能较差，因而增加了增程器的转速波动。增程器的转速波动对其轴系及连接部件的寿命、振动噪声和工作效率有着重要影响，并且影响整车的稳定性和平顺性。当前，增程器系统仍存在较为明显的转速波动问题，主要表现为稳态工作状态下发动机的转矩波动，以及工作模式切换时发动机转矩的瞬态波动，较大的力矩波动造成增程器系统的转速波动进而影响到整车nvh性能，因此增程器扭转振动特性的研究及转速波动的控制具有重要意义。
4.目前国内外学者对增程器的研究主要集中在结构设计与布局、动态建模与模型化开发、能量管理与效率优化以及整机振动特性分析，而对增程器转速波动的研究甚少。对于增程器转速控制方面，前期学者的研究仅是对发动机自身的控制，发动机是一个复杂且具有高度非线性的系统，它的进气系统、燃油系统、曲轴和负载系统及其它执行机构都存在一定的滞后特性，转矩响应时间在秒级别，且增程器中的发动机缸数少，振动大，导致直接控制发动机转速的难度变大。
5.因此，针对增程器的振动特性，亟需开发一种增程器转速控制方法，避免增程器转速波动过大，保证车辆稳定性与整车舒适性。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种电动汽车增程器转速控制方法，以解决现有技术中增程器的转速波动大导致影响汽车平顺性的问题。
7.此目的通过以下技术方案来实现：
8.一种电动汽车增程器转速控制方法，包括以下步骤：
9.s1、建立增程器动力学模型以及增程器转速控制系统仿真模型，将电机的输出转矩作为转速控制系统的控制量，并给定转速控制系统的期望转速，分别记录在每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速；
10.s2、利用步骤s1中记录的数据，对增程器动力学模型的输出转速进行快速傅里叶变换，获得造成转速波动的发动机转矩纹波模型；
11.s3、针对发动机转矩纹波模型进行重复控制器的设计；
12.s4、将步骤s3的重复控制器应用于增程器转速控制系统的控制器，降低增程器的转速波动。
13.进一步地，所述步骤s1的具体过程为：
14.s11、建立增程器的动力学模型，同时利用反步法搭建增程器转速控制系统仿真模型，初步实现转速跟踪控制；
15.s12、在增程器仿真模型中设置喷油正时、进气参数、点火提前角和负载扭矩后，以阶跃函数形式递增期望转速，分别记录在每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速。
16.进一步地，所述步骤s11中建立的增程器的动力学模型为：
[0017][0018]
其中，j为增程器转动惯量，ω为增程器机械角速度，tm为电机输出转矩，te为发动机输出转矩，b为粘滞摩擦系数。
[0019]
进一步地，所述步骤s12中以阶跃函数形式递增期望转速时，每次设置期望转速的改变量，每间隔t时间将期望转速改变一次。
[0020]
进一步地，所述步骤s2的具体过程为：
[0021]
s21、从步骤s1记录的增程器输出转速数据中选取出部分数据进行快速傅里叶变换；
[0022]
s22、选取若干个不同幅值、频率、相角的正弦函数的组合作为发动机转矩纹波模型，根据步骤s21中快速傅里叶变换的结果，获得发动机转矩纹波模型。
[0023]
进一步地，所述步骤s21的具体过程为：从步骤s1记录的增程器输出转速数据中选取出同一期望转速区间内的数据进行快速傅里叶变换。
[0024]
进一步地，所述步骤s22中获得的发动机转矩纹波模型为：
[0025][0026]
其中，θ为增程器的角位置，ti为各谐波的幅值，为各谐波的相角，td是一个关于角位置的周期函数，位置周期为360
°
。
[0027]
进一步地，所述步骤s3中根据发动机转矩纹波模型设计的重复控制器传递函数为：
[0028][0029]
其中，k为重复控制器增益，q(z)为fir低通滤波器，n为采样频率与发动机转矩纹波信号频率之比，代表增程器旋转一个位置周期所需的步长，n0为q(z)的相位延迟补偿。
[0030]
更进一步地，所述fir低通滤波器由高斯窗函数法设计。
[0031]
本发明还有一个目的是提供一种电动汽车增程器转速控制系统，包括：
[0032]
增程器仿真模型，使用增程器仿真模型进行增程器仿真；
[0033]
反馈控制器，反馈控制器用于增程器仿真模型改变转速；
[0034]
数据处理器，将反馈控制器的输出转速进行快速傅里叶变换得到发动机转矩纹波模型；
[0035][0036]
其中，θ为增程器的角位置，ti为各谐波的幅值，为各谐波的相角，td是一个关于角位置的周期函数，位置周期为360
°
；
[0037]
重复控制器，所述重复控制器是根据发动机转矩纹波模型设计，重复控制器传递函数为：
[0038][0039]
其中，k为重复控制器增益，q(z)为fir低通滤波器，n为采样频率与发动机转矩纹波信号频率之比，代表增程器旋转一个位置周期所需的步长，n0为q(z)的相位延迟补偿。
[0040]
本发明还有一个目的是提供一种电动汽车增程器转速控制装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的增程器控制程序，所述增程器控制程序配置为实现上述的电动汽车增程器转速控制方法的步骤。
[0041]
本发明还有一个目的是提供一种存储介质，所述存储介质上存储有增程器控制程序，所述增程器控制程序被处理器执行时实现上述的电动汽车增程器转速控制方法的步骤。
[0042]
本发明还有一个目的是提供一种电动汽车，包括上述的电动汽车增程器转速控制系统。
[0043]
有益效果是：
[0044]
本发明提供的增程器转速控制方法利用反步法设计基础的增程器转速控制系统仿真模型，使增程器转速保持在期望转速附近，记录每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速并经过快速傅里叶变换得到发动机转矩纹波模型，再通过设计重复控制器来降低增程器的转速波动。与发动机相比，电机一般采用矢量控制方式，扭矩响应非常快，响应时间在毫秒级，因此本发明利用电机转矩来平衡发动机转矩纹波，保证了车辆稳定性与整车舒适性。
[0045]
经实验验证本发明提出的增程器转速控制方法用于控制增程器仿真模型，可以获得很好的控制效果。
附图说明
[0046]
图1为本发明电动汽车增程器转速控制方法的流程图；
[0047]
图2为本发明增程器转速控制系统的控制结构图；
[0048]
图3为本发明实施例1中采集的转速数据的示意图；
[0049]
图4为本发明实施例1中输出转速傅里叶变换的示意图；
[0050]
图5为本发明实施例1中在引入重复控制器前后输出转速对比图；
[0051]
图6为本发明实施例1中重复控制器调节的转速控制图。
具体实施方式
[0052]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来对本说明详细说明。
[0053]
结合图1说明本实施方式。本实施方式所述一种利用电机进行增程器转速控制的方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0054]
s1、建立增程器动力学模型以及增程器转速控制系统仿真模型，将电机的输出转矩作为转速控制系统的控制量，并给定转速控制系统的期望转速，分别记录在每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速；
[0055]
s2、利用步骤s1中记录的数据，对增程器仿真模型的输出转速进行快速傅里叶变换，获得造成转速波动的发动机转矩纹波模型；
[0056]
s3、针对发动机转矩纹波模型进行重复控制器的设计；
[0057]
s4、将步骤s3的重复控制器应用于增程器转速控制系统的控制器，降低增程器的转速波动。
[0058]
本发明提供的增程器转速控制方法解决了增程器振动性能差进而导致转速控制效果较差的问题，在软件中利用高精度仿真模型获得发动机转矩纹波模型，以此设计精确的重复控制器，具有较强的创新性和实用价值。
[0059]
在另一些实施方式中，与上述实施方式不同的是，所述步骤s1的具体过程为：
[0060]
s11、建立增程器的动力学模型，同时利用反步法搭建增程器基础转速控制系统仿真模型，初步实现转速跟踪控制；
[0061]
s12、在增程器仿真模型中设置喷油正时、进气参数、点火提前角和负载扭矩后，以阶跃函数形式递增期望转速，分别记录在每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速。
[0062]
本实施方式基于增程器工作原理搭建物理模型，该物理模型贴近真实增程器系统，对于分析发动机转矩纹波具有良好适用性。
[0063]
其它步骤及参数与上述实施方式相同。
[0064]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述步骤11中建立的增程器的动力学模型为：
[0065][0066]
其中，j为增程器转动惯量，ω为增程器机械角速度，tm为电机输出转矩，te为发动机输出转矩，b为粘滞摩擦系数。
[0067]
本实施方式中，反步法通过此动力学模型构造李雅普诺夫函数以得到反馈控制器。
[0068]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0069]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述步骤s12中以阶跃函数形式递增期望转速时，每次设置期望转速的改变量，每间隔t时间将期望转速改变一次。
[0070]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0071]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述步骤s2的具体过程为：
[0072]
s21、从步骤s1记录的增程器输出转速数据中选取出部分数据进行快速傅里叶变换；
[0073]
s22、选取若干个不同幅值、频率、相角的正弦函数的组合作为发动机转矩纹波模型，根据步骤s21中快速傅里叶变换的结果，获得发动机转矩纹波模型。
[0074]
本实施方式对仿真数据进行快速傅里叶变换，得到不同频率下谐波含量对转矩纹
波的影响，建立的发动机转矩纹波模型适用于重复控制只需得到信号频率而不需知道信号幅值的特点。
[0075]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0076]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述步骤s21的具体过程为：从步骤1记录的增程器输出转速数据中选取出同一期望转速区间内的数据进行快速傅里叶变换。
[0077]
例如，当设置的期望转速为1000r/min时，则只选取1000r/min附近的数据用于快速傅里叶变换。
[0078]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0079]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述步骤s22中获得的发动机转矩纹波模型为：
[0080][0081]
其中，θ为增程器的角位置，ti为各谐波的幅值，为各谐波的相角，可见td是一个关于角位置的周期函数，位置周期为360
°
。
[0082]
本实施方式中，获得的发动机转矩纹波模型的幅值是未知的，而频率是已知的。
[0083]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0084]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述步骤3中根据发动机转矩纹波模型设计的重复控制器传递函数为：
[0085][0086]
其中，k为重复控制器增益，q(z)为fir低通滤波器，n为采样频率与发动机转矩纹波信号频率之比，代表增程器旋转一个位置周期所需的步长，n0为q(z)的相位延迟补偿。
[0087]
本实施方式根据发动机转矩纹波模型设计重复控制器参数，并对fir低通滤波器q(z)的相位延迟n0进行补偿，实现对增程器转速波动的抑制。
[0088]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0089]
在另一些实施方式中，与上述实施方式之一不同的是，所述fir低通滤波器由高斯窗函数法设计。
[0090]
本实施方式中的高斯窗主瓣较宽，无负的旁瓣，第一旁瓣衰减达-55db，有利于截取反馈信号中较多的谐波成分，提高控制效果。
[0091]
其它步骤及参数与上述实施方式之一相同。
[0092]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明的一种基于软件平台的利用电机进行增程器转速控制的方法设计流程如图1所示。
[0093]
实施例1
[0094]
本实施例采用缸径为80.5mm、冲程为88.2mm、压缩比为10.5的四冲程双缸汽油发动机和表贴式永磁同步电机组成的增程器进行仿真建模与仿真实验。
[0095]
一种基于软件平台的利用电机进行增程器转速控制的方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0096]
s1：利用系统仿真软件amesim针对增程器工作原理和基本参数进行建模，利用
amesim的simucosim模块与matlab/simulink的ame2slcosim模块建立联合仿真模型，仿真模型如图2中框图所示。设置喷油正时、进气参数、点火提前角和负载扭矩后，进行增程器仿真并采集输入输出转速数据，设计转速控制系统并将电机输出转矩作为控制量，使增程器仿真模型在允许的转速工作范围内改变转速，设置采样频率为1000hz，记录的输出转速数据如图3所示；
[0097]
s2：利用步骤s1中记录的数据，对增程器仿真模型的输出转速进行快速傅里叶变换，获得本例中造成转速波动的发动机转矩纹波模型；
[0098][0099]
本实施例中获得的发动机转矩纹波模型的幅值是未知的，而频率是已知的；
[0100]
对输出转速进行傅里叶变换后结果如图4所示；
[0101]
s3：针对发动机转矩纹波模型进行重复控制器的设计，设计过程如下：
[0102]
s31、计算发动机转矩纹波信号频率为ω/2π，其中ω为增程器角速度；
[0103]
s32、设计fir低通滤波器，窗函数选用高斯窗，滤波器阶数设置为100，截止频率设置为60hz；
[0104]
s33、对fir低通滤波器的相位延迟进行补偿，即n0为滤波器阶数的二分之一；
[0105]
s34、设置重复控制器增益k为50，k越大则系统响应越快；
[0106]
s4：在软件平台中，建立增程器转速控制系统，将步骤s3中设置的重复控制器参数应用于转速控制系统的控制器，使增程器完成减小转速波动的控制。
[0107]
将得到的重复控制参数应用于控制器中，控制增程器进行增程器联合仿真实验，验证增程器转速控制的效果，实施例1的增程器转速控制效果如图5、图6所示。图5为增程器的输出转速曲线图，其中0-10s仅使用反步法控制，在10-20s引入了重复控制。从图5中前后10s对转速的控制效果可以看出，仅采用反步法时增程器的转速波动较大，严重偏离期望转速，在实际应用过程中，对增程器的性能和寿命影响很大，通过引入本发明提出的重复控制器，使转速波动降低了约86.7％，增程器的实际输出转速快速跟踪上期望转速，满足实际工程控制的要求。图6为重复控制器调节的转速控制图。从图6中可以看出，增程器的实际转速能够快速跟踪上期望转速，尤其是在发动机达到启动转速的极短时间后(约5s)，重复控制器开始起作用调节电机的输出转矩，其信号响应滞后目标信号响应约0.1s，在期望转速改变以及突卸负载(15s)、突加负载(25s)变化情况下，增程器转速在重复控制器作用下能较快地对期望转速进行跟随，体现了本发明在转速控制上良好的跟随性。
[0108]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种电动汽车增程器转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、建立增程器动力学模型和增程器转速控制系统仿真模型，将电机的输出转矩作为增程器转速控制系统仿真模型的控制量，并给定增程器转速控制系统仿真模型的期望转速，分别记录在每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速；s2、对增程器动力学模型的输出转速进行快速傅里叶变换获得造成转速波动的发动机转矩纹波模型为：其中，θ为增程器的角位置，t
i
为各谐波的幅值，为各谐波的相角，t
d
是关于角位置的周期函数，位置周期为360
°
；s3、根据发动机转矩纹波模型得到重复控制器，重复控制器传递函数为：其中，k为重复控制器增益，q(z)为fir低通滤波器，n为采样频率与发动机转矩纹波信号频率之比，代表增程器旋转一个位置周期所需的步长，n0为q(z)的相位延迟补偿；s4、将重复控制器用于电动汽车增程器转速控制。2.根据权利要求1所述电动汽车增程器转速控制方法，其特征在于，所述增程器的动力学模型为：其中，j为增程器转动惯量，ω为增程器机械角速度，t
m
为电机输出转矩，t
e
为发动机输出转矩，b为粘滞摩擦系数。3.根据权利要求1所述电动汽车增程器转速控制方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括如下步骤：s11、建立增程器的动力学模型，同时利用反步法搭建增程器转速控制系统仿真模型，初步实现转速跟踪控制；s12、在增程器的动力学模型中设置喷油正时、进气参数、点火提前角和负载扭矩后，以阶跃函数形式递增期望转速，分别记录在每个期望转速下增程器仿真模型所对应的输出转速。4.根据权利要求3所述电动汽车增程器转速控制方法，其特征在于，所述步骤s12中以阶跃函数形式递增期望转速时，每次设置期望转速的改变量，每间隔t时间将期望转速改变一次。5.根据权利要求4所述电动汽车增程器转速控制方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下步骤：s21、将增程器输出转速数据中选取出部分数据进行快速傅里叶变换；s22、选取若干个不同幅值、频率、相角的正弦函数的组合作为发动机转矩纹波模型，根据步骤s21中快速傅里叶变换的结果获得发动机转矩纹波模型。6.根据权利要求5所述电动汽车增程器转速控制方法，其特征在于，所述步骤s3中fir低通滤波器由高斯窗函数法设计。7.一种电动汽车增程器转速控制系统，其特征在于，包括：增程器仿真模型，使用增程器仿真模型进行增程器仿真；
反馈控制器，反馈控制器用于增程器仿真模型改变转速；数据处理器，将反馈控制器的输出转速进行快速傅里叶变换得到发动机转矩纹波模型：其中，θ为增程器的角位置，t
i
为各谐波的幅值，为各谐波的相角，t
d
是一个关于角位置的周期函数，位置周期为360
°
；重复控制器，所述重复控制器是根据发动机转矩纹波模型设计，重复控制器传递函数为：其中，k为重复控制器增益，q(z)为fir低通滤波器，n为采样频率与发动机转矩纹波信号频率之比，代表增程器旋转一个位置周期所需的步长，n0为q(z)的相位延迟补偿。8.一种电动汽车增程器转速控制装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的增程器控制程序，所述增程器控制程序配置为实现如权利要求1至6中任一项所述电动汽车增程器转速控制方法的步骤。9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有增程器控制程序，所述增程器控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述电动汽车增程器转速控制方法的步骤。10.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求7所述电动汽车增程器转速控制系统。

技术总结
本发明提供一种电动汽车增程器转速控制方法、控制系统及电动汽车，利用反步法搭建基础的增程器转速控制系统仿真模型，通过设置喷油正时、进气参数、点火提前角和负载扭矩并使增程器转速阶跃上升，记录输出转速并进行快速傅里叶变换得到发动机转矩纹波模型，再以此设计重复控制器参数以及FIR滤波器，可以很大程度上降低增程器转速波动，且设计简单，降低了控制器设计的成本，解决了增程器转速波动大且较难控制的问题，应用于增程器转速控制领域。应用于增程器转速控制领域。应用于增程器转速控制领域。


技术研发人员：高金武 孙少龙 尹海 胡云峰 陈虹
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/21