雷顯國(guó)

摘 要：目前我國(guó)汽車保有量在不斷增加，滿足了人們出行需求的同時(shí)，也造成了一系列問(wèn)題。如汽車尾氣就對(duì)空氣造成了污染等等，因此電能替代作為一種解決方案日益受到社會(huì)重視。本文就電動(dòng)汽車的核心部件之一——電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng); PI控制; 電動(dòng)汽車

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)機(jī)車相比，電動(dòng)汽車在環(huán)保方面占據(jù)了很大的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車以蓄電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的油箱，在不產(chǎn)生廢氣的基礎(chǔ)上，釋放了更多的內(nèi)部空間，因此電動(dòng)汽車一經(jīng)問(wèn)世就受到了人們的廣泛關(guān)注。而想要保證電動(dòng)汽車正常運(yùn)行，就要對(duì)其內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，在確保安全的前提下提升操控能力以及駕駛體驗(yàn)。

一、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)介紹

作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得是否合理，對(duì)于車輛的性能有著非常重要的影響。該系統(tǒng)最重要的功能就是在司機(jī)駕駛車輛的過(guò)程中，將蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輛行駛的動(dòng)能，盡可能降低車輛行駛過(guò)程中所遇到的阻力[1]。從宏觀層面上來(lái)看，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框架可以分為兩個(gè)板塊。第一個(gè)板塊是電器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制器、功率轉(zhuǎn)換機(jī)以及電動(dòng)機(jī)三個(gè)主要部分組成，是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車區(qū)別最大的地方。第二個(gè)板塊是機(jī)械系統(tǒng)，主要包括充電器、剎車踏板、加速踏板、差速器以及傳動(dòng)軸等。

二、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件可以將控制算法、控制邏輯和汽車的整個(gè)硬件資源進(jìn)行高效連接。從微觀層面上來(lái)講，軟件設(shè)計(jì)部分主要包括PI算法設(shè)定以及PI控制參數(shù)的整定工作，此外，還涉及到PWN輸出系統(tǒng)以及中控/中斷程序的設(shè)計(jì)。

（一）PI控制算法設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)思路。在完整的PID控制器當(dāng)中，主要分為比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)，其中比例模塊的主要功能是對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的偏差瞬間進(jìn)行及時(shí)反映，通過(guò)比例的調(diào)節(jié)來(lái)減少偏差，比例的系數(shù)越高，則代表PID控制系統(tǒng)的控制能力越強(qiáng)。而積分模塊的主要作用是將偏差的積累作為輸出，借助這種累計(jì)輸出來(lái)消除系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差。這里需要注意的是，積分模塊雖然可以避免靜態(tài)誤差對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，但也會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。積分常數(shù)的增加會(huì)減少超調(diào)量，讓整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定。而微分模塊的主要功能是防止系統(tǒng)中的偏差出現(xiàn)變化，通過(guò)減少超調(diào)量的方式來(lái)解決振蕩問(wèn)題，讓該系統(tǒng)的運(yùn)行變得更加平穩(wěn)[2]。利用PI系統(tǒng)來(lái)對(duì)電動(dòng)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行滯后—超前的校正工作有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。第一是可以提升整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;第二是可以在消除靜差和快速響應(yīng)之間尋找到巧妙的平衡。

2.算法實(shí)現(xiàn)與整定。對(duì)于PI算法的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，從CAN總線處接收PI控制參數(shù)，利用系統(tǒng)中的定時(shí)器每間隔一段時(shí)間就自動(dòng)中斷一次，以此來(lái)完成針對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整。在LPC2119系統(tǒng)中的PWN單元，可以通過(guò)改變輸出波形的方式來(lái)靈活調(diào)控波形占空比，進(jìn)而完成對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。PI參數(shù)的整定方式目前主要有兩種，第一種是理論計(jì)算整定，這種方式要利用已知過(guò)程數(shù)學(xué)模型，計(jì)算過(guò)程十分繁瑣，工作量巨大，可靠性比較低。第二種是工程整定法，這種整定方式的特點(diǎn)是不需要已知數(shù)學(xué)模型，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中直接進(jìn)行整定。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算量小，方法簡(jiǎn)便，是目前比較流行的一種整定方法。

（二）主程序與中斷程序設(shè)計(jì)

主程序的主要任務(wù)是對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化、PWN輸出模塊初始化以及LPC2119內(nèi)核的初始化等工作，控制系統(tǒng)在完成初始化之后自動(dòng)進(jìn)入中斷程序。當(dāng)傳感器傳輸?shù)男盘?hào)輸入到LPC2119中以后，最先開(kāi)始的就是對(duì)該信號(hào)進(jìn)行AD采樣工作，采樣結(jié)束之后進(jìn)行數(shù)字濾波[3]?？刂葡到y(tǒng)中的判斷子系統(tǒng)先對(duì)制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢查，如果存在制動(dòng)信號(hào)，就要啟動(dòng)再生制動(dòng)控制程序，如果沒(méi)有制動(dòng)信號(hào)，就檢查有無(wú)加速信號(hào)，如果存在加速信號(hào)，那么就啟動(dòng)電流調(diào)節(jié)算法。反之則結(jié)束中斷系統(tǒng)。

三、驅(qū)動(dòng)控制裝置硬件設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)需求

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制裝置硬件的過(guò)程中，主要考慮的需求包括以下幾個(gè)方面。第一，在司機(jī)踩下加速踏板之后，可以對(duì)加速踏板的操縱變化做出及時(shí)的反饋，在確保操作準(zhǔn)確的前提下，盡可能快速做出對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。第二，硬件系統(tǒng)要收集與電機(jī)操縱相關(guān)的各種信號(hào)，對(duì)汽車運(yùn)行中所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查。主要包括蓄電池的電壓，電樞電流，加速踏板、制動(dòng)踏板信號(hào)等數(shù)據(jù)。第三，硬件系統(tǒng)要保證與汽車外部設(shè)備之間順暢的溝通，做好信號(hào)的檢測(cè)工作。第四，要保證硬件的穩(wěn)定性，任何零件在振動(dòng)狀態(tài)下都要保持緊固，可以在極端溫度下進(jìn)行正常工作。第五，當(dāng)車輛由于某種原因而出現(xiàn)過(guò)電壓或者過(guò)電流故障的時(shí)候，控制裝置可以自動(dòng)切斷主控制回路，同時(shí)向司機(jī)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

（二）主控回路硬件設(shè)計(jì)

目前，主控回路在硬件層面的設(shè)計(jì)以PWM調(diào)速系統(tǒng)為主，其具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)[4]。LPC2119主控芯片可以同時(shí)支持6個(gè)PWM控制單元。這里需要注意的是，在車輛行駛過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)前進(jìn)以及倒退等功能，因?yàn)樵诓捎脙?nèi)燃機(jī)變速器的情況下，電動(dòng)汽車可以通過(guò)倒擋來(lái)實(shí)現(xiàn)倒車。PWM控制裝置的另一個(gè)特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這種組合模式中電樞電流無(wú)法實(shí)現(xiàn)逆向流動(dòng)，因此其無(wú)法在制動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行工作，因此只能作為單象限使用。電動(dòng)汽車的興起對(duì)于緩解能源壓力以及環(huán)境保護(hù)工作都具有重要的意義，人們對(duì)于這種清潔環(huán)保的出行方式也越發(fā)認(rèn)可，為了保證電動(dòng)汽車能夠穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，為該行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁榮軍，劉侃.新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望[J]中國(guó)工程科學(xué)，2019（3）

[2]范常勝.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障檢測(cè)與維修[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2017（6）：111-112

[3]陳睿.電動(dòng)汽車電機(jī)控制技術(shù)研究[J]山東工業(yè)技術(shù)，2018（15）：52-52

[4]黃新宇.電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)研究[J]科學(xué)與信息化，2017（23）：116-117