日产聆风驱动电机的线性控制

周泉

日产聆风驱动电机的线性控制

周泉

在日产开发聆风驱动电机的过程中，很重要的一项目标是实现纯电动汽车平稳、持续加速与顺畅感觉。实现这一目标的关键是时间常数约为2ms、响应特性相当高的驱动电机软件。驱动电机运用基于线性控制理论的算法，形成了车辆的加速性能；抑制齿隙的影响，获得了顺畅感。

纯电动汽车；驱动电机；加速；软件

日产聆风作为纯电动汽车的代表，配备了高响应速度的80kW交流驱动电机，转矩峰值可达到280Nm。与以内燃机为动力源的汽车相比，日产聆风在起步时就可以达到最大转矩，从而提供平稳、持续的加速。在中低速行驶时，其动力性能与搭载V6汽油机的车型相似。因此，从动力和驾乘乐趣的角度，日产聆风（以下称LEAF）完全可以与传统汽油发动机媲美，并且这一切都是在100%零排放的基础上实现［1］。

1 特有的加速性能

LEAF具有的顺畅感觉以及全功率时的加速性能，使其在加速、巡航等多种工况下，均具有令人吃惊的动力性、稳定性和超低的噪声。其中，小型、轻量化的驱动电机及减速器，同时具有大功率、高效率的实用特性。在深踩加速踏板急加速的时候，聆风可迅速感应到驾车者的信息，没有一丝的迟滞，非常顺畅地输出强力的转矩。与汽油机比，电动机的输出转矩几乎一直处于峰值状态，这也是聆风的一大优势所在，其中最为突出的特性如图1所示［2-3］。

1）快速的起动与加速通过精确控制只有电动机才具有的驱动转矩，可以抵消驱动系统的扭转振动，实现了相当于3L排量汽油车的起动与加速性能。

2）任意调整车速利用只有电动机才具有的响应性和控制性，根据加速器角度和车辆的速度精确地控制转矩，使加速器角度-转矩特性成线性关系的同时，赋予加速器按照车速变化改变转矩，由此可以及时地随意调整车速，并实现安全驾驶。

3）持续加速的感觉驾驶时如果超过设定值，继续踩加速踏板时，可以进入持续加速度控制状态，可以享受到犹如飞机起飞时的推背加速感觉。

LEAF的起步、加速性能不仅表现在起步快、动力足，提速过程及加速行驶也都非常平稳。为实现高响应的加速性能，开发了配套的高响应性驱动电机，并且配用了为发挥其能力的控制软件。对于顺畅感，采用抑制齿隙等干扰对驱动电机的影响。从根本上来看，电机的转矩响应性与静音性都要优于发动机。在纯电动汽车（以下简称EV）驱动电机优越的领域，明显地可以看出其与发动机的区别，这在很大程度上提高了EV的商品性。

日产公司在开发EV时，所确定的目标就有：必须提高这种车型的商品性，使客户亲身体会到其平稳、持续的加速与顺畅感觉。从产品来看，实现了这一目标。实现这一目标的关键在于控制软件的采用。控制软件可使LEAF驱动电机发挥其功能，控制软件效果的示意图如图2所示。图2a为日产聆风驱动电机的照片，其上装用了基于线性控制理论的控制软件；图2b表示EV起步时前后加速度的响应特性。LEAF车驱动电机的响应特性高于汽油车发动机，而且变动小。

控制软件构成的示意图如图3所示，大致可以分为3个部分，即决定电机转矩目标值、为实现驾驶人意愿的车辆动向、控制电机电流。本文主要对第2部分——如何实现车辆动向加以阐述。

2 EV驱动系统的线性非常高［4］

日产LEAF所采用的驱动电机为容易控制的三相交流同步电动机。其特点是：输入转矩指令值之后到实际产生转矩的响应时间短到2 ms，如图4所示，而汽油发动机的这一时间要数百毫秒。电机的响应性短至2ms左右，这样就很容易实现按照驾驶人的意愿控制车辆的动向，并且在设计控制系统时，可以忽略驱动电机的滞后。LEAF驱动电机电流的控制方法采用了普通的d-q轴矢量控制法。通过将输入至驱动电机的电流分为2个直流成分，可以提高对其的控制性能。图4中，上半部分是d轴电流，下半部分是q轴电流，电机的转速分别取2000r／min与8000r／min，在转矩大小不同的条件下，所得时间常数都短至2ms。也就是说，在电机大致全部工作范围内，都可以达到这一时间常数。

日产聆风驱动转矩传递系统的固有振动频率约为9.5 Hz。这一系统是由驱动电机、减速齿轮、驱动轴及车轮组成的，如图5a所示，将固有振动频率换算成时间常数约为17ms。图5b为车辆的模型。图5a中所计算的驱动转矩传递至车轮，基于图5b的模型预测车辆的动作。

一般来说，在实施控制算法时，与控制对象的时间常数相比，执行器要有10倍左右的响应特性时，才可以按照意愿控制作为对象的系统。因此，确实需要响应特性为2ms左右的驱动电机。日产LEAF就是在响应特性较高的电机上，采用了线性很高的控制算法。LEAF的驱动系统具有高线性，因此也高精度地实现了控制对象的建模。因为将基于理论的主要算法利用数式记录下来，就可以控制开发工时，提高可靠性。

车辆上设置的很多控制装置中，有的装置其输入与输出之间存在着很强的非线性关系，例如控制制动的电子稳定控制系统（简称ESC）就是这样，很难用简单的数学公式表示出其输入与输出之间的关系。对

此，可以采用if函数等判断表达式，或者利用事先确定的表示输入输出关系的脉谱法，但需要在进行试验的同时，还要根据行车环境等找出适当的判断表达式及输入输出值等，因此，开发时需要庞大的工时。

因为日产聆风上没有变速器，在建立算法时，只需一个必要的车辆模型，这也是减少开发工时的因素之一。在有变速器的混合动力汽车场合下，当变速器换挡时，驱动转矩传递系统的固有振动频率也将改变，所以，每一变速挡都必须找出车辆模型的常数。

此外，即便因部件的杂散性及路面状况的差别等原因，固有振动频率及衰减系数多少有些变化，仍然选用一个车辆模型可以对应的高鲁棒性控制方法。因为控制软件简单、计算量减少，所以可高速控制。

3 完全抑制共振点附近的振动

为抑制共振所建立的控制软件如图6所示，其主要由前馈（F／F）补偿器与反馈（F／B）补偿器2个系统组成。基本的思路是：车辆模型可以预测的现象利用F／F系统控制。这样，行驶状况的大部分现象可用F／F补偿器应对。另一方面，对被认为是干扰的现象，即车辆模型不可能预测的现象利用F／B补偿器加以抑制。例如：齿轮齿隙的影响等。F／B补偿器的特点是：其中设置了可用传递函数H（s）表示的带通滤波器。通过抑制齿隙的影响，希望给客户带来“顺畅感”。

从理论上来讲，只要有F／B补偿器就可以获得所期望的响应。而并用了F／F补偿器的话，则可以增大F／B补偿器的效果。具体地说是可以控制放大率，从而提高控制系统的稳定性。

对F／B补偿器采用的是普通控制理论介绍的方法。其由实现响应特性的函数（称此为规范模型）与车辆的输入、输出传递函数逆系统构成，以保证车辆的动作与意愿一致。因为驱动系统的线性非常高，所以这样简单的构成就可以应对多种状况。此外，在导出车辆的输入、输出函数时，输入确定了电机的转矩，输出决定了电机的角速度。

F／B补偿器具有修正功能，它按照电机角速度的检测值与电机转矩的输入值，与推断的目标角速度之差来修正电机的转矩。角速度的检测值是从安装在电机上的角度传感器（VR转速／解角传感器）得来的。当干扰造成目标角速度与检测值不一致时，则改动电机的转矩，以修正偏差。

日产LEAF上装用的F／B补偿器的特点是：补偿器上设置了与车辆固有振动频率相应的带通滤波器。一般来说，在选用电机的F／B补偿器时，采用的是滤除与角度传感器输出重叠的高频干扰成分的低通滤波器。

采用带通滤波器对高频成分加以隔断，这是为了保证制动等时所产生的电机角速度的缓慢变化，不会使F／B补偿器工作。如果没有这一功能的话，例如在踩制动时，电机的角速度缓慢下降的场合下，就会输出转矩，阻碍其缓慢下降。

带通滤波器的中心频率设定为约9.5 Hz，这恰好接近驱动系统的固有振动频率。这样做的目的是为了有效地抑制齿轮系统的齿隙在固有振动频率的附近产生干扰，如图7所示。通过设置F／B补偿器，可得出电机角速度对干扰的频率特性的计算值，由此可以更好地抑制固有振动频率附近的共振。如果固有振动频率附近产生干扰，就会产生较大的振动，这将损害车辆的顺畅感。

从理论上可以确认：干扰对聆风驱动电机的固有振动频率成分的影响可以为0。在控制理论上称此方法为近似零动作。仿造这一术语，日产将聆风所采用的控制方法称为“完美的零动作”。

4 优化组装VR转速／解角传感器

如上所述，控制系统是由F／F补偿器与F／B补偿器构成，装设这一控制系统来控制电机时的试验结果如图8～图11所示。图8为只用F／F补偿器进行控制的场合下，加上阶跃形转矩指令值时车辆的响应状况。为了减少齿轮系统的齿隙影响，事先向电机输入了正的初始转矩。从结果看，采用F／F补偿器就可以很好地抑

制扭转振动，在100ms之内就可以达到稳定状态。对于扭转振动，利用基于电机惯性力矩及驱动轴的扭转刚性等车辆各参数建立的模型，可以相对准确地加以预测。图8中，上图为电机转矩，下图是加在驱动轴上的转矩，没有考虑干扰的影响。

但是，如前所述，仅利用F／F补偿器，无法抑制齿隙等的影响，为此再加装F／B补偿器，加装后的试验结果如图9所示。在试验中，为了评价齿隙的影响，对电机预先加上了负的初始转矩。图9是仅有F／F补偿器与既有F／F补偿器、也有F／B补偿器两种场合的对比。从图9可以看出，在仅有F／F补偿器时，无法抑制齿隙等引发的干扰；当再增加F／B补偿器后，就可以有效地抑制干扰。

从结果来看，对只用F／F补偿器无法对应的齿隙引发的振动，通过追加F／B补偿器就可以抑制。在实际车辆上，从稍微减速的状态到缓慢加速的状况来看齿隙的影响时，其结果如图10所示，这是特别容易产生影响的状况，但前后加速度的变化很小。

要想实现顺畅感，不仅要消除齿隙的影响，而且抑制干扰的问题也很重要。驱动电机的极数是有限的（日产聆风为8极），产生与旋转同步的转矩的脉动是不可避免的。当转矩脉动的频率与驱动转矩传递系统的谐振频率一致时，在低频领域，车身就会出现不可忽视的振动；尤其是在必须较大转矩的陡坡上，这个问题更加严重。对此，聆风车选用了新发明的扭转振动控制方法，从而也可以抑制这种场合下出现的振动，如图11所示。

从聆风的开发到收尾阶段，一直对防干扰措施研究了很多方案。为了抑制齿隙的影响，若强力地发挥F／B补偿器的作用而增大放大率的话，角度传感器（VR转速／解角传感器）的噪声也将被放大。

为了达到同时抑制扰动与噪声的目的，在电机的制造工序上下了很多功夫。对VR转速／解角传感器的噪声进行了严密的控制。在实现静音与抑制扰动影响的前提下，决定F／B补偿器的增益。

5 结语

本文介绍了采用线性控制理论对日产聆风驱动电机进行控制的思路与做法，采用线性控制理论控制驱动电机，提高了聆风纯电动汽车的商品性，使客户具有满意的加速感与顺畅感。

在日产聆风上市的前2年，即5年前，也有技术人员发表文章认为：目前，由于追求永磁同步电动机的高效率与小型化，与旧式电动机相比，越来越难以控制。过去是基于线性控制理论设计汽车电动化系统，而现在电机内部磁通的磁路为非线性，所以，非线性控制的课题摆在人们的面前。

［1］陈丁跃.现代汽车控制及其智能化［M］.西安：西安交通大学出版社，2011：8-9.

［2］顾建国.透视日产聆风的电机驱动总成［OL］.第一电动月刊：［2015-06-08］.http：／／m.d1ev.com／13123.html.

［3］电子工程世界［OL］.［2012-08-07］.http：／／www.eeworld. com.cn／qcdz／2012／0807／article_5778.html.

［4］日産リーフのモータ制御.線形理論で「スムーズさ」日経Automotive Technology［Z］.

附：注释

1）if函数if函数一般是指Excel中的if函数，根据指定的条件来判断其“真”（TRUE）、“假”（FALSE），根据逻辑计算的真假值，从而返回相应的内容。可以使用if函数对数值和公式进行条件检测。

2）线性控制系统当控制系统各部件的输入／输出特性具有线性关系，系统的动态过程可以用线性微分方程来描述时，则称这种系统为线性控制系统。线性系统的特点是可以应用叠加原理；线性系统的动态过程与初始条件无关。满足叠加原理的输入输出关系相对而言非常简单，容易分析，且方便对其设计控制系统。其2个重要性质在于：①可以选择典型输入来做试验，研究系统特性。例如，单位脉冲函数，一般输入往往可以近似为单位脉冲函数的线性组合（积分）；正弦函数，可以用其傅立叶变换或者傅立叶级数近似一般函数；当然，还可以以输入变量的幂函数为典型函数，通过线性组合形成一般函数（泰勒展开）。②输入输出关系的“斜率”，delta（y）／delta（u），delta为变化量，在整个输入变化范围都恒定，所以能在整个范围内用同样的规律控制该系统，即为了补偿输出y的变化量delta（y），在任何工作点都可以用同样大的控制补偿量delta（u）。因此，应引入各种方法或者从合适的角度去研究一个系统，尽量让其行为表现为线性。例如，为了使得动态系统也能表现为线性，引入拉普拉斯变换，将其输入输出关系表现为Y（s）=G（s）×U（s）。则可以削弱动态行为的影响。所以，线性控制系统应该是一门介绍常用的线性动态系统分析和设计的课程。通过该课程的学习，可以了解自动控制系统的基本工作原理，常用的分析和设计方法。

3）非线性控制系统当控制系统中含有一个或一个以上的非线性部件时，系统要用非线性方程来描述。由非线性方程来描述的控制系统称为非线性控制系统。在控制系统中典型的非线性部件有饱和非线性、死区非线性、继电器特性非线性等。非线性系统不能应用叠加原理；而且其动态特性与初始条件有关。

任何物理系统的特性，精确地说都是非线性的，但是在误差允许范围内，可以将非线性特性线性化，近似地用线性微分方程来描述，这样可以按照线性系统来处理。非线性系统的暂态特性与初始条件有关，从这一点来看，它与线性系统有很大区别。例如，当偏差的初始值很小时，系统的暂态过程为稳定多；当偏差量的初始值较大时，则可能变为不稳定的。而线性系统的暂态过程则与初始条件无关。

（编辑 杨景）

Linear Control of Driving Motor for NISSAN LEAF

ZHOU Quan

One of the most important targets in the development of driving motor for NISSAN LEAF is to realize the stability，sustained and smooth acceleration.The key to this target is the driving motor software with 2 ms time constant and much high response characteristic.The acceleration is formed by using the algorithm based on linear control principle，which can suppress the effect of backlash and gain smooth feeling.

pure EV；driving motor；acceleration；software

U469.72

A

1003－8639（2016）04－0001－05

2015-10-27