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第49章 陷波滤波器与模型预测

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第一次整车联调失败的阴霾,在深入的问题溯源和针对性改进中逐渐被驱散。研发中心如同一个高速运转的精密实验室,各个小组按照陈北玄制定的方案,全力攻坚。

电子实验室里,小张和小李带领团队,对FpGA逻辑进行了近乎苛刻的优化。他们将电机控制的核心任务——电流环和速度环计算——设置为最高优先级,并采用了硬件中断的方式,确保其执行周期严格锁定在100微秒,不受任何其他任务干扰。同时,他们重新设计了FpGA与Sic功率模块之间的驱动接口,将原本的串行通信改为并行数据传输,进一步缩短了指令输出延迟。

总线小组则对Vdb-1.0协议进行了打补丁式的升级。他们为关键的控制指令(如扭矩设定值、紧急停机)分配了独占的、周期固定的高优先级通信时隙,类似于在繁忙的公路上开辟了一条永不堵车的“应急车道”。他们还改进了总线驱动芯片的外围电路,提升了信号质量。

机械小组在几位老师傅的带领下,利用千分表和激光对中仪,对验证平台的整个传动链进行了精细的调整,消除了几个微米级的安装间隙和不对中问题,并在变速箱与车体的连接处加装了特制的减震垫,以吸收高频振动。

然而,陈北玄深知,硬件和协议的优化只能减少问题的诱因,无法从根本上消除机械传动系统固有的扭转振动。这就像一个人的肌腱,天生就具有一定的弹性。关键在于,如何让“大脑”(控制器)能够预见并主动抑制这种振动。

他的解决方案是双管齐下:陷波滤波器(Notch Filter) 与 模型预测控制(mpc)的初步探索。

陷波滤波器是他首先引入的“急救措施”。在仔细分析了失败时采集的振动数据后,他准确识别出了传动系统几个主要的固有振动频率点。随后,他在控制器的速度环和扭矩指令输出端,加入了数字式的陷波滤波器。

“所谓陷波滤波器,”陈北玄在给控制组讲解时,在白板上画出了其频率响应曲线,“就像一把精准的音叉,它会在特定的频率点(也就是我们识别出的扭振频率)产生极大的衰减,从而‘过滤’掉控制信号中可能激发振动的成分,而对其他频率的正常指令影响很小。”

这个措施效果立竿见影。在后续的台架测试中,加入了陷波滤波器后,电机在启动和变速过程中,转矩的波动幅度显着降低,那种刺耳的啸叫声几乎消失了。

但陈北玄并不满足于此。陷波滤波器是被动的、基于事后分析的补偿,它无法适应系统参数的变化(比如磨损导致固有频率偏移),也无法处理更复杂的动态过程。

于是,他开始了更具前瞻性的模型预测控制(mpc) 探索。这在当时国内的工程界,尤其是在实时性要求极高的电机控制领域,堪称大胆的尝试。

mpc的核心思想,是利用被控对象的数学模型,来预测其未来一段时间内的行为,并通过优化算法,计算出当前时刻最优的控制指令。

陈北玄首先需要为电传动系统建立一个简化的、但能反映其主要动态特性的数学模型。这个模型需要包含电机的电磁方程、传动系统的二质量模型(将电机转子和车辆惯量视为两个由弹性轴连接的质量块)、以及负载扰动。

推导模型的过程涉及大量的数学演算和参数辨识实验。陈北玄带着小张等人,通过频率响应测试和阶跃响应测试,反复修正模型中的关键参数,如传动轴的刚度和阻尼系数。

然后,他将这个离散化的模型嵌入到FpGA中,编写了简化版的mpc算法。由于FpGA资源有限,他无法实现复杂的在线优化,而是采用了预先计算好的控制律查询表的方式,虽然损失了一些最优性,但保证了计算的实时性。

当这套融合了陷波滤波器和简化mpc的新一代控制算法,被下载到控制器中,再次进行整车联调测试时,效果令人震撼。

驾驶员老刘推动电传驾驶杆,验证平台平稳、安静地开始移动,加速过程如丝般顺滑,没有丝毫的犹豫或抖动。即使在模拟的崎岖路面上行驶,通过数据也能看到,控制器仿佛能“预见”到负载的变化,提前调整扭矩输出,使得车速异常稳定。

“太……太稳了!”老刘从驾驶舱里探出头,脸上充满了难以置信的兴奋,“感觉就像在开高级轿车,完全不像个坦克!”

测试场上爆发出热烈的欢呼和掌声!所有人都明白,他们不仅仅解决了一个技术难题,更是实现了一次控制理念的跨越。陷波滤波器扫清了眼前的障碍,而模型预测控制的初步应用,则为“麒麟”的电驱动系统装上了能够“前瞻”的“智慧之眼”。

陈北玄看着那平稳运行的验证平台,心中涌起一股豪情。他知道,这套控制策略的成功,其意义远超一次联调的成功。它标志着719厂在电传动这一尖端领域,已经不仅仅是在追赶,而是开始在某些细分方向上,触摸到了世界前沿的水平。

“麒麟”的筋骨,正在这一次次的失败与突破中,被打磨得愈发强健和聪慧。通往未来的道路,虽然依旧漫长,但方向已经无比清晰,脚步也愈发坚定。

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