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1、 汽车混合动力变速器电子油泵控制策略 何 洋，邓礼均，陈思宇，夏达康，李博文汽车混合动力变速器电子油泵控制策略何 洋1，邓礼均1，陈思宇2，夏达康1，李博文1（1.重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学），重庆 400044）电子油泵是集电子、机械、液压一体的高度集成化的车用零部件，根据应用环境需求和驱动电机种类的不同，其控制策略也不尽相同。文章针对应用于汽车混合动力变速器的电子油泵开展其控制策略研究，梳理了电机的数学模型及矢量控制基本理论，基于Simscape搭建了电子油泵的仿真模型，仿真得出电子油泵起动平稳，转速响应速度小
2、于200 ms，稳态工况的转矩脉动约为5.88%，从仿真结果来看采用双闭环矢量控制并结合最大转矩电流比（MTPA）控制以及弱磁控制算法的策略具备实现电子油泵功能的能力。试验验证证明，在整车常用工况下，电子油泵输出高压压力能达到50 bar，润滑流量最高能达到21.4 L/min，不同电子油泵的流量输出一致性小于4%。电子油泵；矢量控制；永磁无刷直流电机；混合动力变速器；双闭环PI控制随着混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展，对于汽车传动系统零部件的需求也日渐提升，其液压系统的动力源由机械油泵逐渐向电子油泵转变。电子油泵以电动机驱动方式替代传统的发动机直驱，可以根据液压系统的需求灵活调节油泵输出的
3、压力和流量。因为电子油泵的输出可以通过调节电机转速来自由改变，所以油泵的排量较传统机械油泵大大减小，使得电子油泵具备体积小、质量轻、集成度高、能量转换效率高等优势。本文从用户端需求展开分析，研究了永磁直流无刷电机的数学模型及其矢量控制理论，搭建电子油泵的仿真模型，从仿真结果分析该控制策略具备实现电子油泵功能的能力。1 混动变速器液压系统混合动力变速器（Dedicated Hybrid Transmis- sion, DHT）是实现汽车的混合动力驱动方式的关键零部件1。DHT系统主要由变速器控制单元（Transmission Control Unit, TCU）、液压系统、离合器、齿轮传动箱等四
4、大部件构成。其中TCU用于对DHT总成的控制，控制各种模式的切换、控制离合器的结合与分离的时间、控制电磁阀的开关、控制液压系统的压力及流量等，而液压系统则是TCU实现其控制策略的执行机构，液压系统的动力源就是油泵。在传统变速箱上的油泵，一般都采用机械泵，是由发动机通过皮带传动的方式直接驱动的。这种驱动方式导致油泵的工况与发动机强耦合，无法自由控制油泵的输出，使得油泵在发动机转速较低时泵油量不足，高速运转时过量泵油。因此，在DHT系统中，一般都采用TCU独立控制的电子油泵作为液压动力源，一方面使得TCU能够更好地完成对液压执行系统的控制，另一方面可以避免传统机械泵不足，进一步降低整车的能源消耗。
5、混合动力变速器原理如图1所示。图1 混合动力变速器原理图DHT的液压系统的主要作用是控制离合器的分离与结合，以及对齿轮传动箱及其他机械构件的润滑和冷却作用。由于各种混合动力驱动系统的架构不同，其配套DHT的结构也不尽相同，主要体现为离合器的数量、齿轮传动箱的结构、TCU的控制软件以及液压系统的油路分配。虽然各DHT有诸多不同之处，但液压油路至少包括两条：一是润滑冷却油路，即低压油路；二是控制执行油路，即高压油。针对此需求，液压系统一般需要安装两个油泵，分别为润滑冷却泵和执行泵，且根据混合动力驱动系统的需求不同，油泵驱动方式也有所不同，主要有分体式双电子油泵形式、分体式机械油泵+电子油泵形式、以
6、及串联式双泵形式。本文的研究对象就是串联式双泵的电驱系统，它是通过一台永磁无刷直流电机同时驱动两个油泵，一个用于为冷却润滑系统供油，另一个为高压蓄能器系统供油用于换挡器和离合器的驱动，使得整个DHT的空间结构更加紧凑。2 永磁无刷直流电机矢量控制目前，车用电子油泵的电机通常为正弦波永磁直流无刷电机，其永磁体所形成的气息磁场与绕组的感应电动势均为正弦波，所以采用矢量控制来实现电机驱动2。对于电子油泵来说，其输出需求决定油泵电机的功率范围一般为100600 W，且一般乘用车的车载蓄电池电压为916 V，对整个油泵电驱系统要求为低压大电流形式；同时，由于对电子油泵总成的（Noise, Vibrati
7、on, Harshness, NVH）性能有极高要求，采用矢量控制方式可以提高母线电压利用率，降低电磁噪声、减小电机转矩脉动。从需求端分析，综合性能要求、设计开发、成本制造等因素综合考虑，本文中电子油泵的驱动电机设计为内嵌式，槽极数为12槽/10极。内嵌式与表贴式最大区别在于：一是电机气息不均匀；二是在定子耦合模型解耦的等效模型中，由于永磁体内的磁导率很小，导致直轴磁路上的等效电感小于交轴上的，从而产生凸极效应。由于内嵌式电机的数学模型相对复杂，下面用表贴式的来推导内嵌式的数学模型3。如图2所示，为表贴式永磁无刷直流电机的三相坐标系及等效物理模型。2.1 内嵌式永磁无刷直流电机数学模型设m为等
8、效励磁电感；s为同步电感，s为相电阻，定子电流矢量为s，磁链矢量为s；转子励磁磁链矢量为f，即有式（1）为永磁无刷直流电机的定子磁链矢量方程；式中，ss为与电枢反应对应的电枢磁链矢量。式（2）为三相绕组电压的矢量方程形式。由于内嵌式电机直轴磁路上的等效电感小于交轴，下面推导其电压、转矩方程。式中，ff为转子磁场旋转产生的感应电动势，即反电动势。由s=d+q，引入内嵌式的磁链方程和电压方程：至此，可推导出永磁无刷直流电机的电磁转矩一般表达式：e=0fi+(L-L)ii （7）2.2 基于转子磁场的矢量控制应用于电子油泵的矢量控制策略：通过控制器采集计算得到电机的相电流，根据磁场定向原理分别对电机
9、的励磁电流（即为直轴电流，i）和转矩电流（即为交轴电流，i）进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电机控制。其实现方法是通过坐标变换的手段，将三相交流耦合的定子电流转换为相互正交、独立解耦的转矩和励磁分量，通过控制轴系中的电流矢量的幅值和相位就可以达到控制转矩的目的4。定子电流空间矢量方程：式中，m为相电流幅值。设-坐标系旋转的角速度r=2，则r=2，则有式（9）是坐标变换为等幅值变换时，交、直轴电流与定子三相电流相互转换的公式。在电机运行过程中，必须实时获取转子位置r的角度值来进行坐标变换。对于电子油泵系统来说，一般在电机转子轴端安装位置磁钢，并通过控制器（Printed Circuit B
10、oard Assembly, PCBA）上的旋转编码器或磁编码器来实时观测转子转角。同时，由于电子油泵空间极为紧凑，其控制器PCBA直接安装在电机后端并与之紧密贴合；而（Micro Controller Unit, MCU）控制系统、逆变器、采样电路、电源管理电路、控制器局域网（Controller Area Network, CAN）通信模块等都集成在同一块PCBA，对硬件布局及电磁兼容性能有极大挑战。图3为电子油泵控制器的控制系统。电子油泵系统通过车载CAN总线获取上位机下发的指令以实现相应功能，包括控制电机驱动。MCU将当前时刻采集到的转子位置信息、电机转速、电机三相电流、母线电压、控制
11、器温度等信号结合获取到的控制目标综合计算，最终得到逆变电路中金属氧化物半导体场效应管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）栅极的占空比。MCU根据占空比来控制逆变电路的六个MOSFET开断以实现对直流电压的斩波，从而形成三相交流电来控制永磁无刷直流电机的输出性能。注：PWM：脉冲宽度调制（Pulse Wldth Modulation）。油泵电机在调速过程中，其本质还是调压调速。因此，如果只有转速闭环调节的话，在电机加、减速工况时，加载到定子绕组上的电压变化率极快，而反电动势的产生有一定滞后，这样会在定子绕组上产生极
12、大的脉冲电流，容易导致控制器驱动电路损坏，甚至威胁到MCU。其次，如果只对逆变器输出的电压或是电流进行简单的限幅处理，会导致电子油泵系统的动态响应变差，而电子油泵系统最终的输出是液压油路中的压力和流量。由于液压系统的特性，即使电子油泵系统运行在稳态下，油泵的负载扭矩仍存在一定脉动，这种负载扭矩脉动在油泵启动时最大，随油泵转速和压力的提升而降低，工作在稳态时脉动值一般在5%30%。这对油泵电机的启动、加减速甚至稳态工况的控制都有较大影响。因此，电子油泵的控制系统需要对油泵电机的输出扭矩有较高的控制要求，能够抵抗负载扭矩脉动带来的扰动。综上所述，在转速闭环调节的后端再增加电流闭环调节是非常重要的，
13、并且对于电流环的控制效果要求极高，需要针对电流环比例积分微分（Proportional Integral Derivative, PID）控制器作较多的优化。2.3 弱磁及最大转矩电流比控制对于油泵电机的电流控制策略一般采用弱磁及最大转矩电流比控制5。由于永磁电机的转子是永磁体，其转子励磁是不可调节的，所以其弱磁控制策略是在轴系中反向增大直轴（轴）电流值，以抵消永磁励磁磁场，使直轴方向的磁场减小以达到弱磁扩速的效果。当电机在额定转速以下时，以最大转矩电流比（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）状态运行，充分利用磁阻转矩，增大输出6。随着转速上升，电动机的端电压达到最
14、大值之后，绕组电流下降，输出电磁力矩下降，无法进一步提升转速。为继续提升转速到额定转速以上，需采用上述原理的弱磁控制算法，增大定子电流的去磁分量削弱气隙磁通，使电机转速提升到额定转速以上。同时，需要根据电子油泵的实际工况在台架上标定MTPA及PID控制参数，并且将标定参数以离线查表的方式写入到电子油泵控制器中，以适应电子油泵的各种复杂工况。基于矢量控制的电子油泵电流环控制框图如图4所示。图4 MTPA及弱磁控制的电子油泵矢量控制框图3 电子油泵系统建模与仿真分析3.1 基于Simulink的电子油泵模型根据矢量控制理论在Simscape环境下搭建了电子油泵系统的物理模型，如图5所示，建模参数如
15、表1所示。基于Simscape所搭建的物理模型比传统数学模型更复杂，仿真运算量更大，但更加符合实际情况，该模型主要包括电机模块、控制器软件模块、电源及驱动电路模块、采集模块和油泵液压模块。表1 电子油泵建模参数参数名参数值 电机槽极数12槽10极 相电阻/m27 d轴电感/H65 q轴电感/H73.5 反电动势系数/V/kr/min3 直流电压/V13.5图5 基于Simscape的电子油泵模型3.2 电子油泵模型仿真分析仿真模型主要进行了电子油泵极限工况的仿真计算，在90 C的油温下，其液压输出极限需求为2 500 r/mim时，高压区压力输出50 bar，低压润滑流量9.5 L/min；4
16、 500 r/mim时，高压区由蓄能器提供压力，但低压润滑流量需要20 L/min，如图6、图7所示。从结果上来看，该电子油泵具备足够的输出能力，同时建压时间非常快，大约500 ms可达45 bar。图6 高压区压力曲线图7 低压区流量曲线电机端输出如图8、图9所示。电机的转速超调率只有0.45%，且启动速度图8 电机转速响应曲线图9 电机输出扭矩曲线电机起动时，控制器端输出三相电流如图10所示。可以看出电机起动状态时，控制器的输出比较稳定，能够极快进入稳定状态。图10 电机起动电流曲线4 电子油泵样机试验及结果分析根据以上理论推导及仿真模型验证，采用NXPS12ZVM系列的专门应用于电子油泵驱动控制的单片机来实现该控制策略。制造三台电子
