電動汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

陳立峰

摘要：探究電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計原理，對電動汽車電驅(qū)動技術(shù)長足發(fā)展具有深遠意義。其中包含電動汽車電機驅(qū)動控制策略的選擇分析、電動汽車動力源的要求以及電動機的幾種主要調(diào)速策略。按照所選擇電機的特征，設(shè)立了驅(qū)動控制系統(tǒng)的操縱模型。基于增量式PI控制算法的理論之上，選擇出合理的工程方案，進而擇取出PI控制系統(tǒng)主要參數(shù)值，設(shè)計出系統(tǒng)的主要控制程序。

關(guān)鍵詞：電動汽車；驅(qū)動電機；控制系統(tǒng)

載燃料汽車擁有量的不斷增長趨勢下，汽車給人類帶來了一系列環(huán)境污染和石油資源匱乏的問題。由于電動汽車使用過程具有零排放、噪聲低，以及綜合利用能源等優(yōu)勢，電動汽車將為我國節(jié)能環(huán)保方面做出巨大貢獻。電動汽車驅(qū)動控制技術(shù)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1電動汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)

最近幾年來，在電動汽車研發(fā)和革新上雖然取得一定成就，但仍然遺留急需解決的技術(shù)難點。

1）電動車的電池使用年限很短，更新更換頻率大。

2）電池充電過程歷時時常較長，一次充電完成需要耗時610h。

3）電動汽車一次充電完成后，行駛范圍太短。這主要是由于電池比能量低造成的。

4）電動車動力遠遠沒有達到理想效果，技術(shù)還不成熟，需要在電動車電機技術(shù)以及電機驅(qū)動控制系統(tǒng)繼續(xù)深入研究。

電力驅(qū)動系統(tǒng)、電機、電池等是制約電動汽車長久發(fā)展的重要因素。動力傳動系統(tǒng)能夠有效保障車輛的動力性、里程和安全性。尤其現(xiàn)階段電池創(chuàng)新技術(shù)尚未得到有效突破的情況下，為了提升電動汽車的里程數(shù)，需要在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)多下功夫，使電動汽車更具實用價值。

2控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)內(nèi)容

電動汽車的最核心部分是電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，駕駛員的主要職責(zé)是操縱驅(qū)動系統(tǒng)，讓電動車電能充分高效能地轉(zhuǎn)換為汽車的動能，克服行駛過程路面的摩擦阻力。見下圖所示，從功能角度分析，電氣和機械兩大系統(tǒng)都是電動汽車的電機驅(qū)動系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)是電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)由電動機、功率變換器和控制器三個關(guān)鍵器件組合而成。

3電動汽車電機驅(qū)動控制策略

3.1電壓控制策略

如下式直流電機調(diào)速系統(tǒng)的特點為（忽略電池內(nèi)阻情況下）：

Te=CmUdo-Cen[]R

壓力調(diào)節(jié)器在最大輸出電流極限下呈現(xiàn)機械特性。因受到電壓模式牽制，電壓大的電動車電機輸出功率較大，所需的電樞電流較大。為了保證電機效率有效提升，電樞電路的電阻R小而Ce、Cm大，因此，傾斜角度就越大，代表Te值越大。同時在此種模式下，最大限流區(qū)域也就是控制系統(tǒng)的工作集中區(qū)域，此外，加速踏板對應(yīng)控制不同的電壓。另外，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電壓值超過電機反電動勢，控制系統(tǒng)就會向限流控制區(qū)域傾斜。電車汽車通常憑借最大扭矩運作行駛，這有別于傳統(tǒng)駕駛特性。

3.2限速策略

傳統(tǒng)的閉環(huán)內(nèi)燃機車控制不同于電動車電機調(diào)速，內(nèi)燃機車面對的行駛摩擦阻力不盡相同，在不同的節(jié)氣門開啟時，可以達到最大速度檔位，并利用閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)踏板的不同位置，以保證行駛速度的變化。

另外，系統(tǒng)在控制速度模式下的現(xiàn)實情況，盡管電動汽車自身屬于大型的慣性系統(tǒng)，但為了保障電機輸出轉(zhuǎn)速的快慢能到跟上輸入指令節(jié)奏，最大力矩是電機的輸出力和力臂的乘積。當(dāng)車輛處在行駛狀態(tài)時，司機調(diào)控命令的輸入以便限制旋轉(zhuǎn)角度的更多踏板變化形式。當(dāng)電動車正常運行過程中，由于路面的振動顛簸導(dǎo)致踏板發(fā)生輕微錯位。這種輕度的錯位避免不了地導(dǎo)致車輛以加速度和減速度繼續(xù)運行，同時客戶乘坐舒適度感覺會大大削弱。此外，在窄小道路行駛需要緩慢進行或者需要駕駛員微調(diào)接近于零的電動機速度方可通過，此時會受到駕駛員的反應(yīng)速度和現(xiàn)有的操縱限制，并且閉環(huán)速度控制難以完成。

3.3力矩限制戰(zhàn)略

對于永磁直流電機系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩控制電流負反饋系統(tǒng)。電動汽車的驅(qū)動電機系統(tǒng)可以直接輸入轉(zhuǎn)矩從而掌控踏板指令，且電流傳感器能及時檢查電樞電流的閉環(huán)控制。在理想功率條件下，永磁直流電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性與線速度軸平行。

它的曲線方程是：

Te=CmId

式子中：Id——電動機電樞電流。

4電機驅(qū)動器的軟件設(shè)計方案

軟件系統(tǒng)是EV電機驅(qū)動控制器設(shè)計的重點，它將控制算法、控制邏輯和整個硬件系統(tǒng)資源結(jié)合起來，實現(xiàn)控制功能。該軟件完成了各種控制算法、控制策略和運行過程。電機驅(qū)動控制器軟件的設(shè)計包括PI控制算法和PI控制參數(shù)設(shè)計，PWM輸出編程，主控制程序設(shè)計和中斷程序設(shè)計。

4.1完成實現(xiàn)PI控制算法

上圖是電機控制系統(tǒng)控制器PI算法模塊的程序流程。

系統(tǒng)運行時，首先從CAN總線采集PI控制器的參數(shù)數(shù)據(jù)，每秒鐘中斷一次定時器完成PI控制計算，控制參數(shù)繼續(xù)調(diào)整。通過對PWM控制單元的參數(shù)變化，LPC2119調(diào)整輸出PWM波形的占空比，完成實時控制任務(wù)。在正常情況下，輸出控制增量在相對較小的范圍內(nèi)波動，最終實現(xiàn)穩(wěn)定控制。因此，程序指定輸出增量的上限Umax數(shù)值和下限Umin數(shù)值。

4.2調(diào)整PI控制器的參數(shù)值

PI控制器參數(shù)的選取直接關(guān)系到控制效果的好壞。建立PI參數(shù)的方法有多種，可分為工程設(shè)定法和計算整定法。理論計算的調(diào)整方法需要已知過程的數(shù)學(xué)模型，計算復(fù)雜，工作量大，可靠性低，需要重復(fù)現(xiàn)場標(biāo)定。所以這個項目沒什么用。項目調(diào)整方法不需要預(yù)先知道數(shù)學(xué)模型的過程，可以直接在控制系統(tǒng)中進行調(diào)整。這種方法簡單，易于操作。所謂的臨界比例法是常用的。在一個封閉的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器處于一個純比例的作用下，逐漸從調(diào)節(jié)器改變振蕩過程，這個比值被稱為臨界值，相鄰兩個峰之間的間隔稱為振蕩臨界周期。此時應(yīng)注意比值系數(shù)k和臨界振蕩周期r。根據(jù)ZieglerNichols提供的經(jīng)驗公式，可以用不同類型的控制器參數(shù)獲得兩個參考參數(shù)。

表中的控制器參數(shù)是通過實際衰減1/4獲得的。一般認為1/4衰減可以認為是速度快和穩(wěn)定性能好。數(shù)字PI控制是一種準(zhǔn)連續(xù)PI控制，采樣周期遠小于控制對象的時間參數(shù)。基于此，得到了模擬調(diào)節(jié)器的整定方法。原則上，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器也是適用的。

5結(jié)語

工作人員通過實驗研究電機系統(tǒng)設(shè)計方案，電機驅(qū)動控制的電樞電流閉環(huán)控制策略。開始成立驅(qū)動控制系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模子。基于此模型的基礎(chǔ)之上，確立PI控制算法，抉擇出PID控制器的參數(shù)，規(guī)劃主控制模板的主要程序。

參考文獻：

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