P2架構的高空作業平臺與電機調速扭矩控制策略

【摘" 要】高空作業車型是非道路移動機械的重要分支。基于P2架構的高空作業車有發動機與電機的雙動力源，可實現動力的累加輸出，相比傳統的單一動力源的高空作業車，P2結構的車型在整車動力性以及排放表現存在優勢，但總成結構復雜，對控制的要求較為苛刻。文章提出一項P2構型高空作業車的控制方法，從臺架與現場試驗效果來看，電機的介入能較好提升整車動力性，試驗期間，系統也可以較好實現需求轉速跟隨且整車運行較為穩定。

【關鍵詞】高空作業車；轉速跟隨；P2架構；控制策略

中圖分類號：U469.79" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0049-03

P2 Architecture of Aerial Work Platform and Motor Speed Control Torque Control Strategy

WANG Qingyun，SUN Mingfeng，LIAN Fengxia，JIANG Feng，ZHU Kaihong

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】High-altitude working vehicles are an important branch of non-road mobile machinery. The aerial work vehicle based on P2 architecture has a dual power source of the engine and the motor，which can achieve the cumulative power output. Compared with the traditional single power source aerial work vehicle，the model of P2 structure has advantages in the vehicle power performance and emission performance，but the assembly structure is complex，and the control requirements are more stringent. In this paper，a control method of P2 configuration aerial work vehicle is proposed. From the bench and field test results，the motor intervention can better improve the vehicle power，and the system can better follow the required speed and the vehicle runs stably during the test.

【Key words】aerial work vehicle；speed follow；P2 architecture；control strategy

1" 整體設計方案

高空作業平臺車廣泛應用于市政、工地、機場等建筑施工、搶救搶修、保養清潔等工作場景^[1]。基于P2架構的高空作業平臺系統架構如圖1所示。作為混動構型，該高空作業平臺系統主要由發動機、電機、離合器、液壓泵、液壓閥、液壓馬達、控制器等組成。控制器主要包括整車控制器VCU、功率分配單元PCU、電機控制器MCU、發動機控制器ECU。其中，VCU響應駕駛員操作，基于工況計算出整車需求轉速，PCU響應VCU的需求轉速與啟停指令，向ECU、MCU發出控制指令，實現發動機、電機與離合器等零部件的控制與不同工作模式的協調，MCU、ECU響應PCU的控制模式、請求轉速、請求扭矩等指令^[2-3]。

高空作業平臺的工作場景特殊，對作業安全性的要求很高。為了獲得穩定的液壓泵動力輸出，要求VCU發出的需求轉速是相對穩定的。可是高空車的負載是不可知的，負載變更后的系統轉速跟隨情況反映了負載的大小，也反映了系統零部件響應的精確性與控制策略的優劣。針對轉速跟隨，一方面要求系統需要盡快響應需求轉速，另一方面需要減少控制的超調。

該高空車有柴動、混動、純電動3種運行模式。純電動模式下，離合器斷開，電機采用轉速控控制模式，發動機不啟動。混動模式下，離合器接合，電機與發動機共同提供動力，電機采用扭矩控，發動機采用轉速控。柴動模式可認為是在高壓系統出現故障等特殊情況下的混動模式，在此模式下，離合器接合，發動機提供動力，發動機仍然采用轉速控的控制模式，期間離合器接合，電機不做控制。

2" 調速扭矩計算控制策略

比例-積分-微分控制（PID控制）是一種較為經典的閉環控制算法，其穩定性好、工作可靠、調節方便，在實際工程中應用廣泛^[4-5]。基于PID的P2混動系統調速總扭矩的計算可以表示為：

式中：K_p——比例系數；T_i——積分時間常數；T_d——微分時間常數；e（t）=r（t）-y（t）為轉速偏差信號；r（t）——設定轉速；y（t）——實際轉速；u（t）——系統調速總扭矩。

為了在提升系統收斂速度的同時盡可能提高控制精度，消除控制上的超調現象，將系統的調速過程分為3個階段：自由跟隨、過渡跟隨、設定跟隨3個階段。調速總扭矩的計算示意如圖2所示。

1）自由跟隨狀態：電機、發動機全力調速，不采用PID控制算法。此時發動機采用轉速控、電機扭矩控，請求扭矩為當前電機能提供的最大扭矩。發動機采用轉速控，PCU請求ECU的轉速即為VCU的需求轉速。此過程可理解為調速的初級階段，為了提高跟隨速度，電機與發動機盡全力進行調速。

2）過渡跟隨狀態：當需求轉速與實際轉速的差值已經低于閾值1，此時發動機與電機的實際轉速已經接近VCU需求轉速，此時，為了減少轉速跟隨的超調，不直接將VCU需求轉速作為PID的目標值r（t）。在進入該狀態時開始控制電機實際轉速以一定斜率運動到VCU需求轉速，并記錄下實時的過程值n（t），將該過程值n（t）作為PID的目標設定值r（t）。此狀態下，u（t）即為經過PID算法計算出的調速扭矩。

3）設定跟隨狀態：當需求轉速與實際轉速的差值已經低于閾值2，此時經過過渡跟隨狀態的過渡，系統表現趨于穩定，可直接將VCU需求轉速作為PID的目標值r（t）。此狀態下，u（t）即為經過PID算法計算出的調速扭矩。

3" 扭矩分配控制策略

調速階段處于自由跟隨狀態時，電機采用轉速控，發動機采用轉速控，PCU請求MCU的設定轉速即為當前電機的最大扭矩，PCU請求ECU的設定轉速即為VCU需求轉速。

調速階段處于過渡跟隨與設定跟隨狀態時，系統調速總扭矩T_S即為PID算法求出的調速扭矩u（t），此扭矩包含了發動機與電機共同的調速能力，為了對電機進行控制，需要進行扭矩分配，計算出實時的電機調速扭矩。在進行電機與發動機扭矩分配時，電機采用扭矩控，發動機采用轉速控，間接達到需求扭矩，電機調速扭矩可簡述為以下幾種情況。

1）調速總扭矩T_S大于發動機外特性扭矩T_EM（n）時，電機調速扭矩T_M=T_S-T_EM（n）。

2）調速總扭矩T_S介于發動機最佳經濟性扭矩T_EF（n）與外特性扭矩T_M（n）時，電機調速扭矩T_M=T_S-T_EF（n）。

3）調速總扭矩T_S低于發動機的最佳經濟性扭矩T_EF（n）時，此時電機提供負扭矩，進行發電，調速扭矩T_M=T_S-T_eff。

其中，T_EM（n）與 T_EF（n）分別表示一定轉速n下發動機的外特性扭矩與最佳經濟性扭矩。

4" 數據分析

為了驗證所提出的控制策略有效，搭建應用層控制策略模型與集成軟件，在現場進行實車測試。在實車試驗中，VCU根據工況設定系統的需求轉速，動力電池提供高壓，數據采用INCA與CANaLyzer進行記錄。

相關的數據如圖3所示，在時長約7min的運行中，電機與發動機的轉速可以較好地匹配VCU的設定轉速。第29s開始，發動機啟動，離合器閉合，系統開始進入混動模式，隨著離合器閉合，電機的轉速開始逐步建立并向設定轉速逼近。當駕駛工況較為穩定時，基于調速扭矩控制策略，電機實際轉速可以實現較為穩定的轉速跟隨，圖4為320～330s系統的穩態響應，此時調速階段處于設定跟隨，調速總扭矩計算階段為3。

圖5為174～175.5s區間系統出現需求轉速突變的瞬態表現，當需求轉速發生變化，實際轉速與VCU需求轉速之間的差距較大時，為了更快地逼近需求轉速，此時電機與發動機均發揮最大能力調速。此時，調速階段處于自由跟隨狀態，調速總扭矩計算階段為1。當速差逐漸變小時，為了降低超調現象，當速差低于閾值時，PCU控制調速進入過渡跟隨狀態，調速總扭矩計算階段為2。待系統穩定之后，逐漸穩定在設定跟隨狀態，調速總扭矩計算階段為3。

5" 結束語

本文提出了一種P2架構的高空作業平臺并基于PID思想設計了調速扭矩控制策略，搭建應用層模型與集成軟件，在現場進行實車驗證，數據顯示，所提出的控制策略可以有效實現需求轉速的跟隨，即提升了轉速突變時的響應速度，又可以有效防止轉速超調，測試期間，整車運行較為平穩。因為電機、發動機響應速度存在差異，控制系統的瞬態響應仍有一定的提升空間。

P2架構的動力總成在乘用車、商用車上的運用已經頗為廣泛，但在高空作業平臺這一類非道路工程車輛運用較少，考慮到國家法規的日益完善，P2混動架構在排放上的優勢將進一步體現，加之混動系統的雙動力源存在的動力性、經濟性優勢，相信相關的研究與產品將會迎來較快增長。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-20

作者簡介

王清云（1994—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為新能源動力總成控制策略。