并联混合动力汽车起动过程中PMSM混沌现象及其控制研究

陆文昌，李赛赛，袁朝春，陈 龙，王若飞

(1.江苏大学,江苏 镇江 212013; 2.奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽 芜湖 241002)

并联混合动力汽车起动过程中PMSM混沌现象及其控制研究

陆文昌1，李赛赛1，袁朝春1，陈 龙1，王若飞2

(1.江苏大学,江苏 镇江 212013; 2.奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽 芜湖 241002)

在并联混合动力汽车以电机起动的过程中，驱动电机(永磁同步电机)处于突然加载的工况，当电机参数在一定范围内时，电机会产生混沌现象。并联混合动力汽车的驱动电机出现混沌现象，不但对自身的寿命以及输出特性产生不利影响，而且在电机与车辆传动系统结合后，也会把这种极其不稳定的输出传递到整车驱动系统中，最终会引起更加复杂、不稳定运动的产生。应用ADVISOR2002软件，在ECE-EUDC循环工况下，探讨了永磁同步电机的温度变化对电机定子电阻RS、绕组电感L、转子永磁体磁链ψr的影响。针对电机以上3个参数对整个电机混沌系统的影响，基于状态反馈和模糊控制理论设计了模糊反馈混沌控制器。仿真结果表明：整车冲击度J由最大值0.02降到0.001(m/s3)。最后通过硬件在环(HIL)试验，验证了所设计控制器的有效性。

并联混合动力汽车；永磁同步电机；混沌控制；整车冲击度；硬件在环

并联混合动力汽车的动力主要来源于内燃机、电动机以及能量储备装置，通过研发过程中的匹配和优化控制策略设计，结合传统汽车与纯电动汽车的优点，最终能够达到降低污染和保证整车动力性的目标。本文以某并联型混合动力汽车为例进行研究。该并联型混合动力汽车驱动电机为永磁同步电机(PMSM)，在由驱动电机提供启动力矩的过程中，当电机自身参数处于一定范围内时，电机会产生混沌现象。文献[1]提出了控制PMSM混沌现象的脉冲控制方法，然而此控制方法不够灵活；文献[2]提出了永磁同步电机混沌现象微分几何的控制方法，但在工程上不易实现； Jackson等[3]采用纳入轨道和强迫迁徙控制PMSM中的混沌现象，但在工程中难以实现控制目标；Ott等[4]提出OGY方法，但其中参数的调整比较繁琐，且人为因素起到了主导作用，导致无固定模式可以采用。由于电机的混沌现象导致的驱动电机不规则输出，最终会使整车在启动过程产生纵向冲击，影响整车的平顺性。目前针对驱动电机混沌现象对整车平顺性影响的研究还很少。针对上述问题，提出一种将模糊控制与状态反馈控制相结合的控制器，从电机启动提供整车启动力矩时开始控制电机混沌运动，实现了在启动过程中对驱动电机混沌现象的控制，从而改善了由于电机混沌现象而引起的整车冲击度较大的情况。以整车冲击度J评价驱动电机混沌现象的控制对整车平顺性的影响，并通过硬件在环(HIL)试验验证控制器的合理性。

1 整车以电动机启动时电机的混沌现象

并联式混合动力汽车主要有纯电动机驱动、内燃机驱动、电动机内燃机并行驱动、行车充电、能量回馈等工作运行方式。为降低整车油耗和减少尾气排放，本研究的整车动力总成协调采用逻辑门限控制策略。图1为该控制策略的逻辑流程[5-6]。

图1 整车动力总成协调控制策略的逻辑流程

在图1所示的控制策略中，首先要判断整车是否有制动信号。当整车处于启动或低载工况时，若判断出发动机需求转速低于发动机最低转速或需求转矩低于发动机最低转矩，且电池SOC高于其最小值时，为了避免发动机工作在低效率区域，整车进入纯电机模式，由电动机单独提供力矩。根据图1所示的整车动力总成协调控制策略，本文研究的并联混合动力汽车是以PMSM驱动电机提供整车启动力矩的。

为保证并联混合动力汽车以电机启动过程的平顺性，关键是能够将已经发生混沌现象的电机又快又好地控制到稳定状态。

本文整车驱动电机为表贴式永磁同步电机(PMSM)，其输入电压为幅值为220 V的三相电压Ua，Ub，UC。由A-B-C静止坐标系与d-q旋转坐标系之间的关系，并通过仿射变换和时间变换，得到电机在两相旋转d-q坐标系下的数学模型[7]：

(1)

本文所用电机参数设定如下：电机功率为58 kW，起始定子电阻Rs=0.9 Ω，Ld=Lq=0.014 25 H，J=0.000 047 kg·m2，ψr=0.031 Wb，np=1，B=0.016 2 N·m·rad/s 。根据永磁同步电机发生混沌现象的条件，当γ>γh=σ(σ+4)/(σ-2)时，电机处于混沌区域范围内，会产生混沌现象。

图2 电机启动时的混沌吸引子

图3 车辆起步时电机的d轴电流id

图4 车辆起步时电机的q轴电流iq

图5 车辆起步时电机转速ωm

从图2～5可以看出：当车辆由电动机提供启动力矩时，电机的d-q轴电流以及输出转速ωm发生不规则、无序的振荡，并且出现混沌吸引子。电机的混沌运动不会随着时间而停止，倘若没有加入控制，会一直持续运动。

2 驱动电机PMSM在ECE-EUDC循环工况下行驶时自身参数的变化

整车启动时，电机开始工作。随着电机的运行，电机自身的温度也会逐渐升高，最终会使电机自身参数σ与γ发生改变，这会对电机混沌现象的控制产生影响。本文在软件ADVISOR2002中建立该并联混合动力汽车模型，在ECE-EUDC循环工况下考察电机自身温度的变化趋势。

ADVISOR2002是以Matlab和Simulink为基础,包含一系列模型、数据和脚本文件的分析软件。在ADVISOR2002中，用户可以根据软件已经存在的模型进行模型的修改从而直接使用；也可以在此基础上进行二次开发，建立适合自己的模型进行分析[9]。在ADVISOR2002中，设定整车结构类型和行驶工况。运行仿真模型，得到如图6所示的电机运行温度结果，其中：横坐标表示电机运行时间(s)；纵坐标为电机温度(℃)。

图6 电机运行温度结果

根据图6所示的运行结果，采用最小二乘法进行曲线拟合[10]，取拟合形式为y=a0+a1x。

在永磁同步电机(PMSM)中，永磁同步电机定子电阻随温度变化的关系如式(2)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

图7 电机参数σ变化规律

图8 电机参数γ变化规律

从图7，8中可以看出：根据Routh-Hurwitz定律，由电机发生混沌现象的条件:γ>γh=σ(σ+4)/(σ-2)，可知电机处于混沌区域范围内，会产生混沌现象。

3 驱动电机混沌现象的控制

模糊控制的优点是使用自然语言，不需要被控对象的精确数学模型，鲁棒性良好，能够适应较大范围的参数变化。模糊数据和规则库、模糊器、模糊推理和解模糊器共同组成了模糊控制系统。模糊控制过程分为模糊化、模糊逻辑推理和解模糊判断3个步骤[13]，如图9所示。反馈控制和模糊控制结合在一起，其基本原理如图10所示。

图9 模糊控制器结构

图10 模糊反馈控制参数整定基本模型

模糊控制器以输出量与期望值的误差E和误差变化率EC为输入[14](各输出量id，iq，ωm的误差变化率分别表示为Did，Diq，DWm)，控制参数Kid，Kiq，KWm为输出。利用模糊控制器的输出值对反馈控制参数进行调整，便构成了模糊反馈控制器。选择误差E和误差变化率EC的语变量值为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，量化因子分别为0.04和0.01。输出语言变量为Kid，Kiq，KWm，其取值也为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，比例因子为0.5。建立Kid，Kiq，KWm的模糊规则，并给出Kid，Kiq，KWm的非线性对应关系，如图11～13所示。

图11 Kid的模糊推理规则输出曲面

图12 Kiq的模糊推理规则输出界面

图13 KW的模糊推理规则输出曲面

并联混合动力汽车以电动机起步时加入该模糊反馈控制器，整车工作在循环工况ECE-EUDC下。电机仿真结果(为方便研究，电机出现混沌现象后，在第20s时施加控制器)见图14～16。

图14 控制后的电机d轴电流id

图15 控制后的电机q轴电流iq

图16 控制后的电机转速ωm

从图14～16中看出：此混沌控制器能够使电机的混沌现象得到较好的控制，并稳定在平衡点(0，0，0)附近，大大降低了电机的混沌无规则波动，符合车辆实际运行中对驱动电机稳定性的要求。

4 电机混沌现象控制对整车启动平顺性的影响

在整车起步过程中，驱动电机提供力矩，而驱动电机的混沌输出将会对整车的启动性能产生影响。为评价对并联混合动力汽车驱动电机混沌现象的控制对整车启动平顺性的影响，本研究采用整车冲击度J作为评价指标。冲击度是整车前进加速度的变化率(m/s3)，之所以选择冲击度作为整车驾驶性能的评价指标，是因为冲击度可以把由于道路条件引起的跳跃和颠簸加速度干扰排除在外，而且容易与人体的主观感受同步，能真实地反映车辆的驾驶性能[15]。

由汽车理论可知，汽车的行驶方程为

(7)

Fj=δm·du/dt

(8)

其中：Fi为坡道阻力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fj为加速阻力；Ft为驱动动力；m为车辆质量；u为车辆行驶速度；δ为车辆旋转质量换算系数(δ>1)[16]。由冲击度J的定义

(9)

有

(10)

假设车辆启动过程中，空气阻力、滚动阻力、坡道阻力保持不变，则

(11)

其中：ig为变速箱传动比；i0为主减速比；ηT为传动系效率；r为车轮半径；Tt为变速器输出轴转矩。在Matlab/Simulink中建立如图17所示的整车电动机启动仿真模型。仿真选用车辆参数为：整车总质量m=3 900 kg，主减速比i0=4.52，变速器传动比ig=1.63，轮胎半径r=0.363 m，车辆旋转质量换算系数δ=1.05，机械效率ηT=0.90。

图17 并联混合动力汽车以电机起动时的模型

运行仿真模型，可得电机混沌现象在控制前后对整车以电机启动方式所产生冲击度J的改善情况，如图18所示。为便于研究，在20 s时进行混沌现象的控制。

由图18可以看出：由于整车是以PMSM电机起步，电机混沌现象会使其输出转矩发生不规则波动，进而影响整车起动过程中的冲击度。在电机混沌现象得到控制前后，整车起动过程中的冲击度J由最大0.02 m/s3下降到0.001 m/s3，提高了整车起动过程的平顺性。

图18 电机混沌控制前后对整车冲击度J的影响对比分析

5 硬件在环(HIL)试验验证

电机控制系统极其复杂，尤其是并联混合动力汽车在故障和极限条件下进行的测试，对于整车的性能开发尤为重要。如果采用真实的整车作为试验对象进行测试，不仅需要齐备的测试人员和硬件设备，还需要大量的资金支持，而且测试周期长，试验的可重复性差。另一方面，离线仿真受到建模技术的限制，也无法真实反映系统的实时特性[17]。

基于dSPACE的硬件在环仿真系统，其控制算法的载体是控制器实物，通过相应的接口管理系统与处理器中的数字模型联系起来，可以完全模拟整车在实际运行中所需的各种行驶工况。dSPACE 以Matlab/Simulink 为基础，完成控制系统开发过程及作为测试的工作平台，能够与Matlab/Simulink实现完全无缝连接。图19为试验平台，图20为在HIL中当电机参数采用本文设定的值时电机的转速随时间变化情况，可见这时电机已发生混沌现象。

图19 基于dSPACE的硬件在环试验平台

图20 HIL中电机运行发生混沌现象

dSPACE 实时系统主要包括可人性化试验与调试的软件环境ControlDesk，拥有快捷便利的实时代码生成与下载以及快速计算能力的硬件系统(包括处理器、I/O接口等)等。图21为基于dSPACE的硬件在环仿真平台基本原理。试验台操作软件ControlDesk能够综合管理试验过程，通过它可以建立用户虚拟仪表，实现变量和参数的可视化管理以及实时硬件图形化管理等[18-19]。实时接口RTI连接dSPACE实时系统与Matlab/Simulink。实时工作间RTW实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件代码的无缝自动下载。由图1整车动力总成协调控制策略可知，发动机在整车起步过程中并不工作，只由PMSM电机提供启动力矩。将模型下载到dSPACE组件系统中进行实时运算分析，结果如图22所示。

图21 基于dSPACE的硬件在环试验平台原理

图22 离线仿真与试验结果对比

由图22的试验与仿真结果对比表明：基于dSPACE的硬件在环试验结果与离线仿真结果有8%左右的偏差，但是偏差处在合理的范围内，且HIL试验结果显示整车冲击度J最终被控制为零。这表明本文所设计的模糊反馈控制器是合理有效的。

6 结束语

针对电机运行中因电机定子温度升高从而导致电机自身参数σ、γ发生改变的情况，结合反馈控制与模糊控制的优点，设计了模糊反馈控制器以抑制电机的混沌现象。对车辆冲击度产生的机理进行分析，以整车冲击度J作为电机混沌现象控制的评价指标。由仿真结果得知整车冲击度J由最大0.02 m/s3降到0.001 m/s3，驱动电机在提供整车启动力矩时所产生的混沌现象得到了很好的控制，提高了车辆起动过程的平顺性。硬件在环试验(HIL)结果与离线仿真结果有8%左右的偏差，但是偏差处在合理的范围内，验证了本文所设计的混沌控制器的有效性。

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(责任编辑 刘 舸)

PMSM Chaos and Its Control During Parallel Hybrid Electric Vehicle Starting Process

LU Wen-chang1, LI Sai-sai1, YUAN Chao-chun1, CHEN Long1, WANG Ruo-fei2

(1.Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Chery New Energy Automobile Technology Co., Ltd., Wuhu 241002, China)

During the start-up process of a parallel hybrid electric vehicle, if the drive motor (PMSM) is in sudden load conditions, and the motor parameters are within a certain range, then the motor will produce chaos phenomenon. Chaos phenomenon not only causes an adverse effect on the life of the motor itself, but also resulting in the occurrence of the unstable situation of the vehicle and great harm happened to its own drive parts caused by more extremely unstable and volatile output to the transmission system after being in combination with the transmission of the vehicle. In ADVISOR2002 software, with the effect of temperature changes on the rotor permanent magnet, the article discussed trends of the motor stator resistanceRS, winding inductance L and permanent magnet fluxψrunder the ECE-EUDC cycle conditions. In terms of the impact of the three parameters discussed above and based on the state feedback and fuzzy control theory, a chaos controller was to be designed in this paper, and after that we used vehicle jerkJas the indicator, and the simulation results were also be given. Simulation results show that the vehicle J dropped from a maximum of 0.02 to 0.001 (m/s3). Finally, we used hardware in the loop (HIL) test to verify the effectiveness of the controller designed by this paper.

parallel hybrid electric vehicle; PMSM; chaos control; vehicle jerk J; HIL

2015-03-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51305167)

陆文昌(1957—)，男，江苏无锡人，博士，副教授，主要从事电子控制研究；通讯作者 李赛赛(1991—)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事混合动力汽车驱动电机混沌现象的研究。

陆文昌，李赛赛，袁朝春，等.并联混合动力汽车起动过程中PMSM混沌现象及其控制研究[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(9):30-37.

format：LU Wen-chang, LI Sai-sai, YUAN Chao-chun, et al.PMSM Chaos and Its Control During Parallel Hybrid Electric Vehicle Starting Process[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(9):30-37.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.09.005

U469.72

A

1674-8425(2015)09-0030-08