考虑滑移特性的电动汽车驱动电机加载测试系统及方法

本发明涉及电机控制领域，特别涉及考虑滑移特性的电动汽车驱动电机加载测试系统及方法。

背景技术：

电动汽车在实际投入使用前要进行大量的验证测试，加载测试系统实验相比室外真车实验具有成本低、灵活性高、开发周期短等优点，为新技术的诞生和应用提供了有力的保障。目前常见的电动汽车ev路面负载模拟技术能够实现稳态加载或动态加载，但都未考虑轮胎与路面之间存在的相对滑移，致使模拟结果与实际加载行驶状态有一定偏差。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种考虑滑移特性的电动汽车驱动电机加载测试系统，将轮胎与路面之间的滑移特行考虑进测试系统中，提高模拟的准确度；本发明的另一个目的是提供滑移特性的电动汽车驱动电机加载测试方法。

技术方案：本发明的考虑滑移特性的电动汽车驱动电机加载测试系统，包括驱动电机、机电随动模块和仿真模块，驱动电机通过刚性轴与机电随动模块中的加载电机相连，仿真模块与机电随动模块连接，仿真模块根据机电随动模块输出的位置信号以得到转矩的参考值来控制机电随动模块，用于模拟考虑滑移特性的电动汽车负载特性。

进一步，所述仿真模块包括滑移率模型模块，机电随动模块输出的位置信号发送给速度计算模块，速度计算模块的输出端分别连接滑移率模型模块输入端和微分模块输入端，微分模块输出端连接低通滤波器输入端，低通滤波器输出端连接第一累加器的第一输入端；滑移率模型模块输出端连接机械传动转置输入端，机械传动装置输出端连接车轮半径模块输入端，车轮半径模块输出端连接第一累加器的第二输入端；第一累加器的第三输入端连接速度计算模块输出端，第一累加器输出端连接转矩闭环控制模块输入端。

进一步，所述滑移率模型模块包括纵向摩擦力模块、车轮模型模块、滑移率模块、轮速模块、ev阻力模块、1/ev质量模块、积分模块、第二累加器；轮速模块输入端连接速度计算模块输出端，轮速模块输出端连接滑移率模块输入端，滑移率模块输出端连接车轮模型输入端，车轮模型输出端连接纵向摩擦力模块输入端，纵向摩擦力的输出端分别连接机械传动装置和第二累加器第一输入端，第二累加器的输出端连接1/ev质量模块输入端，1/ev质量模块输出端连接积分模块输入端，积分模块输出端分别连接滑移率模块输入端和ev阻力模块输入端，ev阻力模块输出端连接第二累加器第二输入端。

进一步，所述机电随动模块还包括位置传感器、三相全桥变换器、驱动模块和转矩闭环控制模块，加载电机模块输出端与位置传感器输入端连接，位置传感器的输出端与仿真模块输入端连接，仿真模块输出转矩参考值控制转矩闭环控制模块，转矩闭环控制模块输出端与驱动模块输入端连接，驱动模块输出端与三相全桥变化器输入端连接，三相全桥变换器的输出端分别与加载电机输入端和转矩闭环控制模块输入端连接。

本发明的一种驱动电机加载测试方法，包括如下步骤：

(1)根据驱动电机、机械传动装置和车轮三者之间的位置关系，分别构建驱动电机转矩方程和车轮处的转矩方程；

(2)根据驱动电机角速度与车轮角速度的比例关系，对步骤1中的两个转矩方程进行合并，构建驱动电机与车轮连接后整体的转矩方程；

(3)在电动汽车实际行驶过程中，考虑其滑移特性，构建考虑滑移特性的电动汽车路面负载运动方程；

(4)将驱动电机与加载电机之间用刚性轴同轴连接，构建加载测试系统的转矩方程；

(5)为确保驱动电机在加载测试系统中与实际运行系统中具有相同的负载特性，驱动电机产生电磁转矩时，两系统转速相同，得到考虑滑移特性的加载电机转矩表达式，将得到的转矩作为加载电机的转矩参考值；

(6)利用步骤5中的转矩参考值对加载电机进行转矩闭环控制，实现考虑滑移特性的电动汽车负载模拟。

进一步，所述步骤1包括：

电动汽车驱动电机产生的电磁转矩tm通过传动轴与机械传动装置传送到车轮，同时车轮对地面产生一个纵向摩檫力fd，地面产生相对应的反作用力，驱使ev行进，即ev驱动电机的转矩方程为：

式中，tm为ev驱动电机电磁转矩；tω为车轮处的驱动转矩；jm为ev驱动电机转动惯量；ωm为ev驱动电机角速度；bm为ev驱动电机摩擦系数；g为机械传动装置总传动比；η为机械传动效率；

以车轮为研究对象，建立ev车轮处的转矩方程：

式中r为车轮半径；fd为纵向摩檫力；jω为车轮转动惯量；ωω为车轮角速度。

进一步，所述步骤2包括：

ev驱动电机角速度ωm与车轮角速度ωω的关系表示为：

ωm＝gωω

式中，g为机械传动装置总传动比；

合并后整体的转矩方程表示为：

进一步，所述步骤3包括：

ev在行驶过程中，与空气对流产生空气阻力，大小与车速成正比关系，空气阻力fw表达式为：

式中ρ是空气密度；cd为空气阻力系数；a是汽车迎风面积；v是汽车车速；

ev在加速时，由于车身质量产生阻碍加速运动的惯性力，用加速阻力fa表示，表达式为：

式中m为ev质量；是速度的变化率；

ev受到地面对车轮滚动摩擦阻力大小与滚动摩擦系数f有关，滚动摩擦阻力ff表示为：

ff＝mgf

式中g为重力加速度；

ev在驱动过程中，当车轮驱动转矩超过轮胎与路面间的附着极限，驱动轮过度滑转，定义车轮的滑移率为：

车轮模型采用三角函数的形式来描述ev在不同方向所受到各种作用力的车轮特性，车轮模型的表达式为：

μ(λ)＝dsin{carctan[bλ(1-e)+earctanbλ]}

其中：d为曲线峰值因子，代表曲线的最大值；c为曲线形状因子，用于确定曲线形状特性；b为刚度因子；e为曲线特征系数；

纵向摩擦力fd包含了非线性因素滑移特性，与滑移率λ的关系为：

fd＝μ(λ)mg

根据牛顿第二定律，建立考虑滑移特性的ev路面负载运动方程：

fd-fw-ff＝fa

其中，μ(λ)为考虑滑移特性的路面附着系数。

进一步，步骤4中的加载测试系统的转矩方程为：

其中，te为加载测试系统的驱动电机电磁转矩，tg分别加载电机电磁转矩；ωe为加载测试系统角速度；jeg为加载测试系统总转动惯量，包括驱动电机的转动惯量je、加载电机的转动惯量jg；beg为加载测试系统总阻尼系数，包括驱动电机的阻尼系数be、加载电机的阻尼系数bg。

进一步，步骤5中相同负载特性表示为：

其中，t和ω指电磁转矩、角速度，将上式带入步骤2整体矩阵方程和步骤4加载测试系统的矩阵方程，获得考虑滑移特性的加载电机转矩表达式：

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明考虑ev的滑移特性进一步丰富动态负载模拟机理，易于探究滑移率变化对动态负载模拟系统的影响；

2、ev滑移率的引入，可更准确获取考虑滑移特性的路面负载转矩；

3、将考虑滑移特性的ev路面负载模拟与转矩闭环控制相结合，更准确地在实验室条件下复现出考虑滑移特性的ev驱动电机的路面负载特性。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

图2是本发明系统框图；

图3是考虑滑移特性的电动汽车受力分析图；

图4是驱动电机和机械传动装置、车轮组成的考虑滑移特性的ev质量块等效模型图；

图5是加载测试系统平台。

具体实施方式

本实施例所述的考虑滑移特性的电动汽车驱动电机加载测试系统，图1为测试系统示意图，图2为系统框图，包括驱动电机、机电随动模块和仿真模块，驱动电机通过刚性轴与机电随动模块中的加载电机相连，仿真模块根据机电随动模块输出的位置信号以得到转矩的参考值来控制机电随动模块，用于模拟考虑滑移特性的电动汽车负载特性。

仿真模块包括滑移率模型模块，机电随动模块输出的位置信号发送给速度计算模块，速度计算模块的输出端分别连接滑移率模型模块输入端和微分模块输入端，微分模块输出端连接低通滤波器输入端，低通滤波器输出端连接第一累加器的第一输入端；滑移率模型模块输出端连接机械传动转置输入端，机械传动装置输出端连接车轮半径模块输入端，车轮半径模块输出端连接第一累加器的第二输入端；第一累加器的第三输入端连接速度计算模块输出端，第一累加器输出端连接转矩闭环控制模块输入端。

滑移率模型模块包括纵向摩擦力模块、车轮模型模块、滑移率模块、轮速模块、ev阻力模块、1/ev质量模块、积分模块、第二累加器；轮速模块输入端连接速度计算模块输出端，轮速模块输出端连接滑移率模块输入端，滑移率模块输出端连接车轮模型输入端，车轮模型输出端连接纵向摩擦力模块输入端，纵向摩擦力的输出端分别连接机械传动装置和第二累加器第一输入端，第二累加器的输出端连接1/ev质量模块输入端，1/ev质量模块输出端连接积分模块输入端，积分模块输出端分别连接滑移率模块输入端和ev阻力模块输入端，ev阻力模块输出端连接第二累加器第二输入端。

机电随动模块还包括位置传感器、三相全桥变换器、驱动模块和转矩闭环控制模块，加载电机模块输出端与位置传感器输入端连接，位置传感器的输出端与仿真模块输入端连接，仿真模块输出转矩参考值控制转矩闭环控制模块，转矩闭环控制模块输出端与驱动模块输入端连接，驱动模块输出端与三相全桥变化器输入端连接，三相全桥变换器的输出端分别与加载电机输入端和转矩闭环控制模块输入端连接。

本实施例所述的一种驱动电机加载测试方法，包括如下步骤：

(1)根据驱动电机、机械传动装置和车轮三者之间的位置关系，分别构建驱动电机转矩方程和车轮处的转矩方程；

如图3为考虑滑移特性的ev行驶受力分析图，图4为图3简化示意图，电动汽车ev驱动电机产生的电磁转矩tm通过传动轴与机械传动装置传送到车轮，同时车轮对地面产生一个纵向摩檫力fd，地面产生相对应的反作用力，驱使ev行进，ev驱动电机的转矩方程为：

式中，tm为ev驱动电机电磁转矩；tω为车轮处的驱动转矩；jm为ev驱动电机转动惯量；ωm为ev驱动电机角速度；bm为ev驱动电机摩擦系数；g为机械传动装置总传动比；η为机械传动效率；

以车轮为研究对象，根据牛顿第二定律，建立ev车轮处的转矩方程：

式中r为车轮半径；jω为车轮转动惯量；ωω为车轮角速度。

(2)根据驱动电机角速度与车轮角速度的比例关系，对步骤1中的两个转矩方程进行合并，构建驱动电机与车轮连接后整体的转矩方程；

ev驱动电机角速度ωm与车轮角速度ωω的关系表示为：

ωm＝gωω

式中，g为机械传动装置总传动比；

合并后整体的转矩方程表示为：

(3)在电动汽车实际行驶过程中，如图4所示，将驱动电机等效为一质量块，机械传动装置、车轮组成的考虑滑行特性的ev等效为另一质量块，将滑移特性考虑进去，构建实际运行过程路面负载运动方程；

ev在行驶过程中，与空气对流产生空气阻力，大小与车速成正比关系，空气阻力fw表达式为：

式中ρ是空气密度；cd为空气阻力系数；a是汽车迎风面积；v是汽车车速；

ev在加速时，由于车身质量产生阻碍加速运动的惯性力，用加速阻力fa表示，表达式为：

式中m为ev质量；是速度的变化率；

ev受到地面对车轮滚动摩擦阻力大小与滚动摩擦系数f有关，滚动摩擦阻力ff表示为：

ff＝mgf

式中g为重力加速度；

ev在驱动过程中，当车轮驱动转矩超过轮胎与路面间的附着极限，驱动轮过度滑转，定义车轮的滑移率为：

车轮模型采用三角函数的形式来描述ev在不同方向所受到各种作用力的车轮特性，车轮模型的表达式为：

μ(λ)＝dsin{carctan[bλ(1-e)+earctanbλ]}

其中：d为曲线峰值因子，代表曲线的最大值；c为曲线形状因子，用于确定曲线形状特性；b为刚度因子；e为曲线特征系数；

纵向摩擦力fd包含了非线性因素滑移特性，与滑移率λ的关系为：

fd＝μ(λ)mg

根据牛顿第二定律，建立考虑滑移特性的ev路面负载运动方程：

fd-fw-ff＝fa

其中，μ(λ)为考虑滑移特性的路面附着系数。

(4)将驱动电机与加载电机之间用刚性轴同轴连接，如图5所示，构建加载测试系统的转矩方程；

其中，te为加载测试系统的驱动电机电磁转矩，tg分别加载电机电磁转矩；ωe为加载测试系统角速度；jeg为加载测试系统总转动惯量，包括驱动电机的转动惯量je、加载电机的转动惯量jg；beg为加载测试系统总阻尼系数，包括驱动电机的阻尼系数be、加载电机的阻尼系数bg。

(5)为确保驱动电机在加载测试系统中与实际运行系统中具有相同的负载特性，驱动电机产生电磁转矩时，两系统转速相同，得到考虑滑移特性的加载电机转矩表达式，将得到的转矩作为加载电机的转矩参考值；

相同负载特性表示为：

其中，t和ω指电磁转矩、角速度，将上式带入步骤2整体矩阵方程和步骤4加载测试系统的矩阵方程，获得考虑滑移特性的加载电机转矩表达式：

(6)利用步骤5中的转矩参考值对加载电机进行转矩闭环控制，实现考虑滑移特性的电动汽车负载模拟。