新能源电驱系统标准解读与拓展：转矩响应时间

导语：我们之前已讨论过电动汽车动力总成中的“转矩控制精度”，按照GB/T 18488.2标准所述，这主要针对的是转矩静态特性，那转矩动态特性怎么衡量？这就是我们本次的话题：转矩响应时间。它同样直接影响了整车的驾驶性，以及遇到紧急情况时的反应速度。究竟怎么定义转矩响应时间？如何测试？转矩响应时间和系统哪些参数相关？控制方式对转矩响应时间的影响？这些问题是我们这次讨论的重点。

我们结合相关标准按以下逻辑进行解读：

1. 什么是转矩响应时间？

2. 转矩响应时间的测试方法

3. 转矩响应时间的影响因素

4. 控制方式对转矩响应时间的影响

1. 什么是转矩响应时间

在《GB/T 18488.1-2015-电动汽车用电机及其控制器第1部分-技术条件》3.13中给出了转矩响应时间的定义：

解读：我们以下图为示意，说明一个典型的转矩响应历程。

其中，Trq_Req为需求转矩；Trq_Real为实际转矩。

T0时刻系统接收到Trq_Req的指令信息，经过一段延迟时间T_Delay，Trq_Real达到了Trq_Req的10%；再经过一段的上升时间T_Rise，Trq_Real达到了Trq_Req的90%；转矩再继续上升到最大值后开始减小（其中，最大值和最小值之间是转矩动态偏差Trq_Dynamic_Dev），如此，Trq_Real沿着Trq_Req上下波动，经过T_Dyn，到达T1时刻，Trq_Real的波动范围在容差范围内，这个容差范围也就是转矩静态误差Trq_Steady_Dev。这个过程中，转矩响应时间为T_Delay+T_Rise+T_Dyn。

图1 转矩响应历程示意图

2. 转矩响应时间的测试

《GB/T 18488.2-2015-电动汽车用电机及其控制器第2部分-实验方法》7.4.2 中已经具体地写明了转矩响应时间测试的方法：

解读：重点已经标记出，测试步骤很好理解，不作赘述。 这里重点说一下"堵转"，这个状态笔者认为是有BUG的，它忽视了转速传感器，也就是旋变的影响，系统测试应该考虑全面，应该分段定义转速。我们在《新能源电驱系统标准解读与拓展：转矩控制精度》中已经分析过，旋变的精度影响了转矩的精度，也就是影响了容差计算。 那么，哪些变量对转矩响应时间产生影响？我们第3节中分析。

关于"堵转"的定义、机理和影响因素，已做过解读，可参考《新能源电驱系统标准解读与拓展：堵转》。

3. 转矩响应时间的影响因素

我想大家已经猜到， 影响转矩控制精度的因素当然也影响转矩的响应时间 ，我们已经把转矩精度的影响因素分为三类：

a. 控制器的计算延迟与传感器采样延迟

b. 传感器精度（电流、电压、旋变）

c. 电机参数

不过在分析时候，我们假设电机驱动器的设计与传感器的使用都是基于磁场定向控制 （ FOC) 理论（在"转矩控制精度"一文中已经提过，链接：）。

这个理论最初于上世纪70年代由德国西门子的工程师提出，它是基于转子磁链定向的非直接转矩控制，注意是"非"，那"是不是有直接控制方法让转矩更快一点呢?" 当然是肯定的！直接转矩控制(DTC)在FOC出现后十几年，于上世纪80年代中期由德国教授Depenbrock提出。

我们在第4节看看这个控制方式是怎么降低转矩响应时间的。

4. 控制方式对转矩响应时间的影响

我们还是看图说话，先看下DTC的控制流程图：

图2 DTC控制流程图

从框图我们可以看到，转矩差和磁链差通过滞环控制器，输出信号通过查表触发IGBT，控制器再根据电机的三相电流、IGBT触发方式和母线电压，得到在两相静止坐标系下的电压和电流：uα、uβ、iα、iβ。然后根据这4个量，对转矩和磁链进行计算，与需求转矩和磁链进行比较，形成闭环。 D TC控制相关资料非常多，详细了解 可自行百度。

通过与FOC的控制图比较，我们可以发现DTC控制：

1. 不需要角度传感器，即旋变，因此没有了旋变的精度和延迟误差。

2. 不需要PI调节模块，只需要滞环比较器，响应速度非常快。

3. 没有反Clark-Park变换，节省计算时间。

4. 没有SVPWM模块，节省计算时间。

对某一款电机分别用FOC和DTC进行控制，下图3是转矩响应的结果[1]：

图3 FOC和DTC转矩控制响应时间对比

我们从图纸可以粗略得到FOC和DTC转矩响应时间，列出比较：

由此可见，DTC在转矩响应时间上的优越性一目了然。通常，DTC的转矩响应时间在1~2ms，而FOC转矩响应时间只能控制在20ms以内。所以，DTC控制有更好的转矩动态特性。

5. 总结

本文分析了影响电动车驾驶性的另一重要指标：转矩响应时间。依据转矩响应时间的影响因素，其相关测试规范还需完善。最后，控制方式也是影响转矩的响应时间的重要因素，DTC控制相对于最广泛使用的FOC控制有更好的扭矩动态特性，当然，如果考虑扭矩波动和开关频率不可控等方面，DTC还是不完美，但是结合FOC与DTC两者的优点，基于SVPWM的DTC控制已经被研发出来，感兴趣的读者可以深入研究下。