基于PID控制的電動汽車直流驅動電機調速研究

摘 要：無刷直流電機作為驅動電機廣泛應用于電動汽車中，具有結構簡單，使用壽命長，可靠性高等特點。電動汽車電機功率的控制一般是通過駕駛員加速踏板位置計算所需功率，VCU依據功率計算出電機轉速。PID控制廣泛應用于工業(yè)控制領域，具有算法簡單，魯棒性好的特點。文章通過設置PID的參數(shù)，探討電動汽車直流電機調速響應狀態(tài)。

關鍵詞：無刷直流電機;PID控制;整定

中圖分類號：TM33 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-106-03

Study of PID Control System Based on DC Traction Motor Speed Control Systemfor Electric Vehicle^*

Wang Lufeng

（?Shaanxi College of Communication Technology， Shaanxi Xian 710018?）

Abstract：?Brushless DC motor is widely used in electric vehicles as a driving motor， which has the characteristics of simple structure， long service life and high reliability. The control of electric vehicle motor power is generally based on the driver's accelerator pedal position to calculate the required power， and VCU calculates the motor speed based on the power. PID control is widely used in the field of industrial control， with the characteristics of simple algorithm and good robustness. This paper discusses the response state of DC motor speed regulation of electric vehicle by setting PID parameters.

Keywords：?Brushless DC motor;?PID control;?Setting

CLC NO.： TM33 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-106-03

引言

無刷直流電機采用的是位置傳感器采集位置信息，通過電機控制器選擇勵磁空間矢量，并通過PWM控制電機的電扭的方式來電機調速，功率的控制是使用調速器控制IGBT占空比實現(xiàn)對HESS總線供電調節(jié)。

1 電動汽車驅動電機工作特點

電動汽車驅動電機工作在轉速變化多變，轉矩變化范圍廣的區(qū)間。無刷直流電機系統(tǒng)具有非線性、多變量、強耦合的時域變化特點。為了能準確的理解駕駛員的意圖將電門位置傳感器采集到的數(shù)據分解為穩(wěn)態(tài)意圖和瞬態(tài)意圖。穩(wěn)態(tài)意圖反映了當前位置的一般功率需求，瞬態(tài)意圖主要通過駕駛員踩下電門踏板的速度判斷的，主要體現(xiàn)了所需功率變化的速率。電機控制器不斷調整穩(wěn)態(tài)數(shù)據和瞬態(tài)數(shù)據在VCU中計算所得功率，使之與實際需求相匹配。其控制原理如圖1所示。

2 PID控制器

2.1 PID控制器控制原理

PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元?P、積分單元?I 和微分單元?D 組成。通過Kp，Ki和Kd三個參數(shù)的設定。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。

PID 控制器是一種常用于工業(yè)控制領域的反饋回路部件。這個控制器的控制原理是：設定一個參考值，把收集到的數(shù)據和這個參考值進行比較得到差別，并把此差別當做新的輸入值。如圖2所示。最終可使得系統(tǒng)的數(shù)據達到或保持在參考值。

相比于其他簡單的控制運算，PID控制器可根據歷史數(shù)據及差別的出現(xiàn)率來調整輸入值，這樣可使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。其控制比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大則輸出越大。偏差的比例、積分、微分線性組合在一起構成控制量，并對PWM控制器的占空參數(shù)進行控制，其控制傳遞函數(shù)可以表達成：

根據圖2控制器原理圖，推導PID控制參數(shù)K_P、K_I、K_D自調整公式：

其中：

K_P0、K_I0、K_D0分別為控制器初始控制參數(shù)。

K_P、K_I、K_D分別為控制器的輸出參數(shù)。

u_P、u_I、u_I分別為控制器的比例系數(shù)。

2.2 PID控制器參數(shù)整定

參數(shù)整定是PID控制器控制系統(tǒng)設計的核心內容。依據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的主要有理論計算整定法和工程整定方法。理論計算整定法，主要是依據系統(tǒng)的數(shù)學模型，經過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法得到的計算數(shù)據必須通過工程實際進行調整和修改才可以使用;工程整定方法，主要依據工程經驗，可直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，非常簡單、易于掌握，廣泛用于工程實際中。

工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。雖然這三種方法各有特點，其共同點是控制器的最終參數(shù)在實際應用中進行整定。也就是說，無論采用哪一種方法，都需要在實際運行中進行調整與完善。

本文采用的是臨界比例法。整定步驟如下：（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

3?仿真模型建立

選取某型驅動電機為研究對象，其參數(shù)如下表1所示。

在Simulink仿真環(huán)境中建立仿真模型，動力電網選擇380V電池組，電機選擇系統(tǒng)自帶的直流無刷電機模塊。其模型如圖3所示。

模型中電機選取直流無刷電機，電機采用轉矩參數(shù)輸入，PWM跟蹤控制勵磁強度從而實現(xiàn)轉速控制。st模塊是從工作空間讀取的車輪速度時域信號;Gain模塊參數(shù)為主減速傳動比;Net為車輪作用于地面的驅動力矩。主要控制原理：通過Add模塊對比傳動系轉速和電機轉速，將結果送入PID控制器，如果轉速差距大，PID控制器降低PWM Generator的占空比，以此增加IGBT的開打時間。當轉速差距小時候，提高PWM Generator的占空比實現(xiàn)對HESS總線輸電功率的控制。PID以此圍繞轉矩-轉速曲線調節(jié)電機供電。

4 仿真結果

驅動電機功率目標為WLTP_class_3循環(huán)工況，Simulink選取連續(xù)模塊，仿真步長0.0001秒，使用obt45求解器求解，仿真時間36。通過實驗湊試法調整各參數(shù)。當u_P=5，u_I=10，u_D=0.8時仿真結果如圖4所示;當u_P=0.9，u_I=50，u_D=0.01時仿真結果如圖5所示。

5 結論

圖中紅色曲線為車輛的目標轉速，藍色曲線為經過PID控制后的電機實際轉速。PID控制參數(shù)整定對控制靈敏度及誤差有至關重要的影響，通過仿真可以看出，在第一組數(shù)據下PID控制器在第一個誤差處發(fā)生了超調，第二個誤差處發(fā)生了響應不夠及時的問題。通過試湊法將參數(shù)調整為第二組后曲線得到了明顯的改善。誤差主要發(fā)生在轉速突變較大的區(qū)域，比如汽車起步，急加速等工況。而在一般工況兩組調節(jié)參數(shù)都能較好的控制電機。通過多次試湊能將控制調整至較好的工作條件。

參考文獻

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