本发明涉及汽车动力系统测试技术领域，尤其涉及一种电动力测试用负载模拟装置及其系统的控制方法。
背景技术：
随着人民生活需求的日益增高，能源也日益紧缺，能源问题已经成为国民经济发展的战略性问题。从国家的安全角度出发，能源资源已经和经济发展、国家安全紧密的联系在了一起，能源的稳定供应是国家所关注的重点，也是我国能源安全战略的核心内容。所以面对资源紧缺与环境保护问题，发展电动汽车成为了汽车工业发展的主流趋势。
纯电动汽车的结构包括电动力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分，除电动力驱动控制系统外，其余部分的功能及结构基本与传统汽车相似，所以电动力驱动控制系统决定了整个纯电动汽车的结构组成及性能特征。
目前有一种汽车动力系统测试的动态负载模拟装置，包括控制计算机、控制器、变频器、交流电力测功机和带控制器的扭矩法兰；采用基于虚拟汽车模型的控制算法，用实测转矩驱动虚拟汽车模型，在不需要计算测功机角加速度的情况下实现车辆滚动阻力、风阻和惯性阻力的模拟。其动态负载模拟装置及方法稳定性好，模拟精度高，有利于缩短汽车动力系统的开发周期，为动力系统的开发提供了便利的试验环境；计算过程中避免了对汽车动力系统的转数进行微分得到车辆加速度的过程，滤波防止了由于对转速作微分的过程中带来较大的噪声。虽然采用滤波的方法可以消除离散化时带来的噪音，但是这样却改变了系统的极点，当电力测功机系统作为某个闭环系统的一部分时，将会使整个系统的特性发生变化，使负载模拟失去意义，采用了滤波其目的并不是为了获得对于机械负载动态特性的精确模拟，而是获得开环模拟情况下比较好的时域影响。
另一种汽车动力系统是具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验，包括操作控制台、台架控制与测量中心管理器、试验模型控制系统单元、动态模拟系统单元、驾驶功能控制器单元、测功机控制器单元、数据采集系统单元和试验条件控制系统单元。利用该系统模拟车辆的动力系统，可是电动汽车的工况和惯性模拟实际是一个相当复杂的系统，它受到各种因素的影响和制约，例如车轮与钢轨之间的摩擦，内部传动机械的摩擦，车辆运行的线路条件和车辆的重量、空气阻尼等都会对它产生很大的影响。而且列车在起动、恒速、惰行以及制动等各个阶段的阻尼都有较大的差别。
负载模拟技术是指在实验室条件下通过一定的技术手段为模拟加载对象的负载力或负载力矩，负载模拟技术的主要优点在于避免了必须在实际环境中使用实际的加载对象进行研究，能够在一些环境复杂研究方案、在实际实验环境难以实现的情况下进行复杂，模拟实验。有利于创新性研究与理论探讨。大大降低了研发试验成本、减去了整车改装的工作量，人工设定自动控制、可消除路试人员实车驾驶操作的不可避免的控制差异，控制准确、试验条件控制严格，可在室内再现设定路试，确保了试验结果的同一性、可比性；加之可以采用在户外路试难以采用的仪器，排除了户外路试的种种外界干扰，增加了研发所需数据参数的采集量及其准确性，这就极大地提高了研发试验水平。
目前各类纯电动汽车动力系统测试存在以下不足：
1、在动力汽车开发过程中需要进行大量的实验。目前由于条件所限，往往只能在室内进行以稳态试验为主的单项总成部分实验，虽然传统的发动机动态试验台已日渐普及，但它无法完成动力汽车动力总成的特有试验。另外，混合动力总成或某个部件的改进效果均需在整车平台上及整个系统内考核，也使研发改进受到局限。天气和操纵的差异，道路现场问题的处理等等都有很大局限性，研发质量的提高也受到限制，试验人员的工作条件和安全性也难以保证。
2、台架试验是进行纯汽车动力系统开发的重要手段，在进行发动机试验或者集成了发动机和变速箱的动力系统的测试的时候，都需要利用测功机进行负载的模拟和控制。传统的测功设备有水力测功机、电涡流测功机等，但水力测功机控制精度低，电涡流测功机不能倒拖动力系统，其应用都受到一定限制。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种电动力测试用负载模拟装置及其系统的控制方法，其针对小惯量、自身惯量与阻力难以准确建模的特点，使用负载电机速度闭环的间接控制法进行负载的模拟加载，从而自动进行力矩补偿；其根据电动汽车驱动电机的驱动力矩及汽车的负载模型计算出系统的目标模拟速度，以此作为与驱动电机轴联的负载电机的目标转速，对负载电机进行速度控制。其解决了台架试验中水力测功机控制精度低、电涡流测功机不能倒拖动力系统限制问题以及天气环境对室外行车的影响问题，提高了纯动力汽车动力总成及其关键技术的研发试验水平，并可大大缩短动力总成及相关零部件的研发周期，并减少了资金投入。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电动力测试用负载模拟装置，其特征在于，其包括相互连接的驱动电机及控制模块、电动汽车速度控制模块、负载电机及控制模块；所述驱动电机及控制模块包括驱动电机、控制器和驱动控制器，所述电动汽车速度控制模块为汽车负载数学模型，所述负载电机及控制模块包括负载电机、控制器和驱动控制器；所述驱动电机为永磁同步电机，所述驱动电机按照实际电动汽车驱动电机的驱动方式进行速度闭环控制；所述负载电机为直流电机，所述负载电机以汽车负载数学模型计算的目标模拟速度进行转速转矩双闭环控制。
当驱动电机驱动汽车在道路上行驶时，驱动电机的负载随着汽车运行状态的改变而不断改变。若用一负载电机与驱动电机相轴联，通过不断调控负载电机的输出转矩，就能模拟实际汽车行驶时驱动电机的动态负载。负载电机与驱动电机直接用联轴器相连，上位机实时采集转速转矩数据，一方面对驱动电机速度闭环控制，一边不断调节负载电机的负载大小。为实现模拟电动汽车动力系统动态负载，对负载电机进行转速控制法。
所述汽车负载数学模型是通过分析汽车行驶的驱动力、行驶阻力、并对汽车进行惯量折算、确定汽车行驶的约束条件而建立的。电动汽车动态负载模拟系统是为了模拟真实的电动汽车在实际道路上行驶时的负载特性，因此首先必须对驶工况下的电动汽车进行动力学分析。由于汽车动力负载是对驱动电机而言，故需要综合分析汽车在行驶工况下的驱动力、行驶阻力、传动系统和汽车惯量，并找到相应的换算关系。汽车的动力性主要由以下三个指标来评定：最高车速，加速时间和最大坡度。即：根据动力学分析，再加上三个指标如果满足即可，这就是负载的数学模型。
本发明还提供了一种电动力测试用负载模拟系统的控制方法，其包括以下步骤：
s1、确定电动汽车的驱动力、行驶阻力，确定行驶条件；
s2、建立汽车的负载数学模型；
s3、汽车负载数学模型通过驱动电机的输出转矩计算电动汽车实际行驶时的速度，确定系统的目标模拟速度；
s4、以系统的目标模拟速度作为负载电机的目标转速，对负载电机进行模拟控制。
优选的方案，所述驱动电机为永磁同步电机，所述驱动电机按照实际电动汽车驱动电机的驱动方式进行速度闭环控制。所述负载电机为直流电机，所述负载电机以汽车负载数学模型计算的目标模拟速度进行转速转矩双闭环控制。
进一步优选的方案，所述电动汽车的驱动力的确定方法为：
纯电动汽车的驱动力仅由驱动电机所提供，驱动电机的输出转矩te经机械传动机构传至车轮，给地面一个圆周力f0，则地面将给车轮反作用力ft，显然ft＝f0，即为车辆的驱动力；设电机经机械传动机构传传递到动力轮的转矩为tt，车轮半径为r，则有：
若总减速比为ig，效率为ηt，则电机的输出转矩te和驱动轮的驱动力矩tt满足以下关系：teigηt＝tt，从而电动汽车的驱动力为：
所述行驶阻力的确定方法为：假定汽车在平坦的干、硬路面上直线行驶，受到的行驶阻力有滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力；其中，各阻力的确定方法为：
滚动阻力：当汽车轮胎在干、硬的路面上直线滚动时，轮胎将会产生形变，并且与路面之间纵向和侧向产生相对的部分滑动，它们分别对轮胎等效为与滚动方向相反的弹性迟滞阻力和摩擦阻力，将它们等效为一个力，用滚动阻力ff来表示；影响滚动阻力的因素有轮胎负荷、轮胎的结构和材料和路面状况，实际分析中认为滚动阻力与汽车压力成正比，即：ff＝frgcosα；
空气阻力：汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力即为空气阻力fw，空气阻力的计算公式为：
坡道阻力：当汽车沿坡道向上行驶时，汽车重力沿坡道方向的分力即为坡道阻力fi，则：fi＝gsinα；
加速阻力：当汽车加速时，需要克服自身惯性的惯性力，即为加速阻力fj；考虑到车辆不仅有平移运动，还有车轮等转动部件，因此将车的质量分为平移质量和转动质量；为便于分析计算，将转动质量折算到平移质量，则加速阻力为：
汽车行驶条件的确定方法为：当汽车行驶时，驱动力总是与阻力平衡，即ft＝ff+fw+fi+fj；若要汽车能在路面上直线匀速行驶，则驱动力必须满足以下行驶条件：
ft≥ff+fw+fi
上式只是汽车行驶的必要条件；将路面能提供给车轮的反作用力的极限值称为附着力，记做
式中φ为附着系数，φ与轮胎和路面状均有关；当轮胎为普通轮胎，路面为干燥的沥青或混凝土路面时，取φ＝0.7～0.8，故汽车行驶还应满足以下条件：
所述永磁同步电机采用空间矢量调制，对电机进行转速、电流双环控制；在电流控制环中，采用最大效率转矩比控制策略，并通过迭代计算出较为准确的数值解。
所述负载电机的目标转速
其中，tfb为pi控制器的反馈输出，tff为对试验台惯量和摩擦力的补偿转矩，te为驱动电机的输出转矩，在仿真中，试验台惯量即为电机的总惯量，摩擦力矩即为电机的总摩擦力矩。
通过采用以上技术方案，本发明一种电动力测试用负载模拟装置及其系统的控制方法与现有技术相比，其有益效果为：
1、本发明建立的电动汽车动力测试用负载模拟系统的控制方法解决了台架试验中水力测功机控制精度低、电涡流测功机不能倒拖动力系统限制的问题，解决了天气环境对室外行车的影响，可针对某一参数或结构、程序的改变无需搭载于整车而随时在室内进行试验，与以往的研发试验手段相比，该试验系统提高了纯动力汽车动力总成及其关键技术的研发试验水平，并可大大缩短动力总成及相关零部件的研发周期。能够很好地模拟汽车的各种行驶状态，为电动汽车动力系统的测试提供准确可靠的测试平台，从而缩短电动汽车的研发周期及减少资金投入。
2、利用该系统可以进行纯动力汽车动力总成的性能开发试验；可以替代产品开发过程中的大部分道路实验；同时，对于纯动力汽车动力系统的早期开发，可将动力系统的总成部件灵活搭配，组成不同的电机和发动机的耦合形成进行开发研究。
附图说明
图1为本发明一种电动力测试用负载模拟装置结构示意图；
图2为本发明电动力测试用负载模拟系统的控制结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明对电动汽车负载模拟测试平台进行分析，针对其小惯量、自身惯量与阻力难以准确建模的特点，使用负载电机速度闭环的间接控制法进行负载的模拟加载，从而自动进行力矩补偿。其工作原理为根据电动汽车驱动电机的驱动力矩及汽车的负载模型计算出系统的目标模拟速度，以此作为与驱动电机轴联的负载电机的目标转速，对负载电机进行速度控制。
本发明涉及一种用于汽车动力系统测试的动态负载模拟装置及其模拟系统的控制方法，动态负载模拟装置如附图1所示，包括：驱动电机及控制模块、电动汽车速度计算模块和负载电机及控制模快。汽车负载数学模型通过驱动电机的输出转矩计算电动汽车实际行驶时的速度，然后换算成负载电机的目标转速。建立汽车负载数学模型的精度，将直接影响到负载模拟的准确性。驱动电机按照实际电动汽车驱动电机的驱动方式进行速度闭环控制。负载电机以汽车负载数学模型计算的目标速度进行速度闭环控制。
本发明首先分析了电动汽车行驶时的驱动力、滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力；然后对汽车进行惯量折算，确定汽车行驶的约束条件，最终建立电动汽车行驶时的数学模型。再以永磁同步电机作为电动汽车的驱动电机；根据永磁同步电机定子铜耗和定子电流间的关系，以满足转矩要求和约束条件的前提下、用最小的电流来驱动电机作为控制目标，建立了最大效率转矩比控制策略和控制模型。建立电动汽车动态负载模拟系统的控制结构。
本发明的动态负载模拟系统额控制方法包括：电动汽车速度计算：汽车负载数学模型通过驱动电机的输出转矩计算电动汽车实际行驶时的速度，然后换算成负载电机的目标转速。建立汽车负载数学模型。驱动电机及控制：驱动电机使用永磁同步电机，按照实际电动汽车驱动电机的驱动方式进行速度闭环控制。负载电机及控制：负载电机采用直流电机，以汽车负载数学模型计算的目标速度进行速度闭环控制。
电动汽车动态负载模拟系统是为了模拟真实的电动汽车在实际道路上行驶时的负载特性，因此首先必须对行驶工况下的电动汽车进行动力学分析。由于汽车动力负载是对驱动电机而言，故需要综合分析汽车在行驶工况下的驱动力、行驶阻力、传动系统和汽车惯量，并找到相应的换算关系。汽车的动力性主要由以下三个指标来评定：最高车速，加速时间和最大坡度。
汽车行驶工况下的受力平衡：
当电动汽车在道路上行驶时，驱动力应与总阻力相平衡，即：
ft＝∑f
其中，ft为驱动力，∑f为各种阻力之和，且有：
∑f＝ff+fw+fi+fj
即总阻力由ff(滚动阻力)，fw(空气阻力)，fi(坡道阻力)和fj(加速阻力)所组成。当车辆行驶时，总会受到滚动阻力ff和空气阻力fw；当车辆沿坡道向上行驶时，还需克服车辆重力的分量gsinα，即坡道阻力fi；当车辆加速时，还需要一部分力用于克服惯性加速，即等效为加速阻力fj。
1、汽车的驱动力分析
纯电动汽车的驱动力仅由驱动电机所提供。驱动电机的输出转矩te经机械传动机构传至车轮，给地面一个圆周力f0，则地面将给车轮反作用力ft。显然ft＝f0，即为车辆的驱动力。
设电机经机械传动机构传传递到动力轮的转矩为tt，车轮半径为r，则有：
相对于内燃机，电机具有更为理想的转矩特性曲线和更宽的调速范围，因此目前大多数纯电动汽车并不配备变速箱，只安装固定减速比的减速器。若总减速比为ig，效率为ηt，则电机输出转矩te和驱动轮的驱动力矩tt满足以下关系：
teigηt＝tt
从而有：
2、汽车的行驶阻力分析
汽车在行驶过程中受到的阻力相当复杂，此处假设汽车在平坦的干、硬路面上直线行驶，受到的阻力有滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力。
(1)滚动阻力
当汽车轮胎在干、硬的路面上直线滚动时，轮胎将会产生形变，并且与路面之间纵向和侧向产生相对的部分滑动。它们分别对轮胎等效为与滚动方向相反的弹性迟滞阻力和摩擦阻力，通常将它们等效为一个力，用滚动阻力ff来表示。影响滚动阻力的因素有很多，主要有轮胎负荷、轮胎的结构和材料和路面状况，实际分析中通常认为滚动阻力与汽车压力成正比，即：ff＝frgcosα。
(2)空气阻力
汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力即为空气阻力fw。空气阻力的计算公式为：
(3)坡道阻力
当汽车沿坡道向上行驶时，汽车重力沿坡道方向的分力即为坡道阻力fi，则：
fi＝gsinα。
(4)加速阻力
当汽车加速时，需要克服自身惯性的惯性力，即为加速阻力fj。考虑到车辆不仅有平移运动，还有车轮等转动部件，因此将车的质量分为平移质量和转动质量。为便于分析计算，通常将转动质量折算到平移质量，则加速阻力为：
3、汽车的行驶条件
当汽车行驶时，驱动力总是与阻力平衡，即ft＝ff+fw+fi+fj。若要汽车能在路面上直线匀速行驶，则驱动力必须满足以下行驶条件：
ft≥ff+fw+fi
然而，上式只是汽车行驶的必要条件。路面能提供给车轮的反作用力的极限值称为附着力，记做
式中
4、驱动用pmsm的最大效率转矩比控制
本发明首先建立永磁同步电机的数学模型，确定约束条件下的电机特性；以空间矢量调制作为控制手段，建立最大效率转矩比控制的策略与算法，实现在满足电机转矩需求和调速需求前提下的效率最优化控制系统。本发明基于永磁同步电机的特性曲线进行最大效率工作点的选取，并对非线性的特性曲线运用迭代法进行数值求解，在保证计算量较小的同时求取较为准确的解，从而实现一种在满足转矩需求的同时，具有高效率与转矩快速动态响应的永磁同步电机最大效率转矩比控制策略。
5、动态负载模拟系统的控制
本发明的动态负载模拟系统的控制结构如图2所示。其中，驱动电机的控制采用最大效率转矩比控制策略，直流电机采用转速转矩双闭环控制，因此永磁同步电机电磁转矩的负值才是对直流电机的负载转矩。故可得出以下补偿公式：
式中：
本发明的控制流程装置主要包括直流电源，三相桥逆变器，速度控制器，永磁同步电机，和直流电机等。其中永磁同步电机采用空间矢量调制，对电机进行转速、电流双环控制。其中，在电流控制环中采用最大效率转矩比控制策略，在满足转矩请求的同时，使电机获得最大的工作效率；并通过迭代计算出较为准确的数值解，获得优秀的动态响应性能和输出转矩稳定性。直流电机采用转速转矩双闭环控制，而预估直流电机的负载并对目标转矩进行补偿能有效提高系统的动态响应。
利用该系统可以进行纯动力汽车动力总成的性能开发试验；可以替代产品开发过程中的大部分道路实验；同时，对于纯动力汽车动力系统的早期开发，可将动力系统的总成部件灵活搭配，组成不同的电机和发动机的耦合形成进行开发研究；与以往的研发试验手段相比，该试验系统可大大提高混合动力汽车动力总成及其关键技术的研发试验水平，并可大大缩短动力总成及相关零部件的研发周期。
上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。