陳立峰

摘要：探究電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，對(duì)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)技術(shù)長足發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。其中包含電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略的選擇分析、電動(dòng)汽車動(dòng)力源的要求以及電動(dòng)機(jī)的幾種主要調(diào)速策略。按照所選擇電機(jī)的特征，設(shè)立了驅(qū)動(dòng)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(jìn)而擇取出PI控制系統(tǒng)主要參數(shù)值，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的主要控制程序。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；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(dòng)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(dòng)汽車將為我國節(jié)能環(huán)保方面做出巨大貢獻(xiàn)。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

最近幾年來，在電動(dòng)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(diǎn)。

1）電動(dòng)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(shí)時(shí)常較長，一次充電完成需要耗時(shí)610h。

3）電動(dòng)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(dòng)車動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想效果，技術(shù)還不成熟，需要在電動(dòng)車電機(jī)技術(shù)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)繼續(xù)深入研究。

電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、電池等是制約電動(dòng)汽車長久發(fā)展的重要因素。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能夠有效保障車輛的動(dòng)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(dòng)汽車的里程數(shù)，需要在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)多下功夫，使電動(dòng)汽車更具實(shí)用價(jià)值。

2控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)內(nèi)容

電動(dòng)汽車的最核心部分是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，駕駛員的主要職責(zé)是操縱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓電動(dòng)車電能充分高效能地轉(zhuǎn)換為汽車的動(dòng)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(jī)械兩大系統(tǒng)都是電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、功率變換器和控制器三個(gè)關(guān)鍵器件組合而成。

3電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略

3.1電壓控制策略

如下式直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)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(jī)械特性。因受到電壓模式牽制，電壓大的電動(dòng)車電機(jī)輸出功率較大，所需的電樞電流較大。為了保證電機(jī)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(shí)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(duì)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(jī)反電動(dòng)勢，控制系統(tǒng)就會(huì)向限流控制區(qū)域傾斜。電車汽車通常憑借最大扭矩運(yùn)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(jī)車控制不同于電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速，內(nèi)燃機(jī)車面對(duì)的行駛摩擦阻力不盡相同，在不同的節(jié)氣門開啟時(shí)，可以達(dá)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(shí)情況，盡管電動(dòng)汽車自身屬于大型的慣性系統(tǒng)，但為了保障電機(jī)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(jī)的輸出力和力臂的乘積。當(dāng)車輛處在行駛狀態(tài)時(shí)，司機(jī)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(dòng)車正常運(yùn)行過程中，由于路面的振動(dòng)顛簸導(dǎo)致踏板發(fā)生輕微錯(cuò)位。這種輕度的錯(cuò)位避免不了地導(dǎo)致車輛以加速度和減速度繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)客戶乘坐舒適度感覺會(huì)大大削弱。此外，在窄小道路行駛需要緩慢進(jìn)行或者需要駕駛員微調(diào)接近于零的電動(dòng)機(jī)速度方可通過，此時(shí)會(huì)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(duì)于永磁直流電機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩控制電流負(fù)反饋系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電樞電流。

4電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)方案

軟件系統(tǒng)是EV電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它將控制算法、控制邏輯和整個(gè)硬件系統(tǒng)資源結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)控制功能。該軟件完成了各種控制算法、控制策略和運(yùn)行過程。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器軟件的設(shè)計(jì)包括PI控制算法和PI控制參數(shù)設(shè)計(jì)，PWM輸出編程，主控制程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)。

4.1完成實(shí)現(xiàn)PI控制算法

上圖是電機(jī)控制系統(tǒng)控制器PI算法模塊的程序流程。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)器完成PI控制計(jì)算，控制參數(shù)繼續(xù)調(diào)整。通過對(duì)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(shí)時(shí)控制任務(wù)。在正常情況下，輸出控制增量在相對(duì)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，最終實(shí)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(jì)算整定法。理論計(jì)算的調(diào)整方法需要已知過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)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(gè)項(xiàng)目沒什么用。項(xiàng)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(jìn)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(gè)封閉的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器處于一個(gè)純比例的作用下，逐漸從調(diào)節(jié)器改變振蕩過程，這個(gè)比值被稱為臨界值，相鄰兩個(gè)峰之間的間隔稱為振蕩臨界周期。此時(shí)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(yàn)公式，可以用不同類型的控制器參數(shù)獲得兩個(gè)參考參數(shù)。

表中的控制器參數(shù)是通過實(shí)際衰減1/4獲得的。一般認(rèn)為1/4衰減可以認(rèn)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(yuǎn)小于控制對(duì)象的時(shí)間參數(shù)?；诖?，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(shí)驗(yàn)研究電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的電樞電流閉環(huán)控制策略。開始成立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模子?；诖四Ｐ偷幕A(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(xiàn)：

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