模拟工况下电动汽车驱动系统控制方法研究

第５２卷第１期

２０１９年１月

ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ

Ｖｏｌ􀆰５２.Ｎｏ􀆰１

Ｊａｎ􀆰２０１９

模拟工况下电动汽车驱动系统控制方法研究

王鹏博ꎬ卢秀和ꎬ初　明

(长春工业大学ꎬ长春１３００１２)

摘　要:电动汽车的动力性能取决于驱动电机的控制性能和方法ꎬ为检验在模拟工况下驱动电机的电气性能和简洁可行的控制方法ꎬ基于电机性能试验台架ꎬ以永磁同步电机为控制对象ꎬ构建一个基于电机矢量模型下的模糊ＰＩ控制转速电流双闭环系统ꎬ并对减速状态下的模拟工况性能进行了仿真实验测试分析ꎮ结果表明:所采用的控制方法有效可行ꎬ且系统有效的降低驱动电机转矩脉动ꎬ提高了转速响应速度与精度ꎮ关键词:试验台架ꎻ减速工况ꎻ模糊ＰＩ控制ꎻ模拟工况

中图分类号:ＴＰ２７３　　　　文献标志码:Ａ　　　　文章编号:１００１￣６８４８(２０１９)０１￣００３６￣０５

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＤｒｉｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍＵｎｄｅｒ

ＳｉｍｕｌａｔｅｄＷｏｒｋｉｎｇＣｏｎｄｉｔｉｏｎ

ＷＡＮＧＰｅｎｇｂｏꎬＬＵＸｉｕｈｅꎬＣＨＵＭｉｎｇ

(ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｔｏｄｒｉｖｅｍｏ￣ｔｏｒꎬｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｓｉｍｐｌｅａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅｍｏｔｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｂｅｎｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｂｊｅｃｔꎬｃｏｎｓｔｒｕｃｔａｆｕｚｚｙｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＰＩｍｏｔｏｒｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｐｅｅｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅꎬａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｍｏｔｏｒｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅꎬｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄａｎｄａｃｃｕｒａｃｙ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｅｓｔｂｅｎｃｈꎻｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎꎻｆｕｚｚｙＰＩｃｏｎｔｒｏｌꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

０　引　言

电动汽车以其自身环保节能的优势逐渐取代传统汽车ꎬ走进了人们的视野ꎮ永磁同步电机的体积小ꎻ性能强ꎻ结构简单ꎬ非常适用于电动汽车ꎬ但其驱动电机的控制问题还丞待解决ꎮ文献[１]基于ＤＳＰ采用模糊ＰＩＤ的控制方法改善了电机调速超调量大ꎬ响应慢的问题ꎻ文献[２]采用模糊自适应的控制方法提高了系统的响应速度以及抗干扰能力ꎬ并验证了该控制系统的鲁棒性高ꎻ文献[３]设计了一种模糊ＰＩＤ控制系统ꎬ建立了模糊规则ꎬ取得了

很好的控制效果ꎻ文献[４]搭建了一种电动汽车用永磁同步电机模糊ＰＩＤ控制系统ꎬ解决了电动汽车驱动电机转矩脉动大ꎬ转速控制精度低的问题ꎻ文献[５]设计了一种转速模糊ＰＩＤ控制系统和基于Ｔ－Ｓ模糊系统的鲁棒Ｈ∞控制器ꎬ提高了驱动电机的稳定性ꎻ文献[６]设计了一种电动汽车用双模糊ＰＩＤ控制系统ꎬ解决了传统ＰＩＤ控制系统转速响应慢ꎬ系统抗干扰能力差的问题ꎮ文献[８]建立了永磁同步电机模糊ＰＩＤ控制系统ꎬ有效的提高了驱动系统的鲁棒性ꎻ文献[１２]提出了一种基于模糊控制的永磁同步电机控制方法ꎬ有效的解决了驱动电机调速

收稿日期:２０１８０４０３ꎬ修回日期:２０１８０５０７基金项目:吉林省科技发展计划项目(２０１７０２０４０３８ＳＦ)

作者简介:王鹏博(１９９３)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为数字传动控制与电气节能技术ꎮ

卢秀和(１９６２)ꎬ男ꎬ教授ꎬ研究方向为数字传动控制与电气节能技术ꎮ初　明(１９７７)ꎬ男ꎬ讲师ꎬ研究方向为信号检测处理与计算机控制ꎮ

　１期王鹏博等:模拟工况下电动汽车驱动系统控制方法研究

􀅰３７􀅰

过程中超调量大ꎬ转速调节精度低等问题ꎮ

本文提出了一种模拟工况下电动汽车驱动系统控制方法ꎬ利用电机性能试验台架模拟电动汽车的减速工况ꎬ建立了模糊ＰＩ控制系统ꎮ通过仿真验证了在减速工况的研究背景下ꎬ该系统能有效的降低驱动电机的转矩脉动ꎬ提高电动汽车制动性能ꎬ减小转速超调量ꎮ

１　电动汽车工况的分析与模拟方法

图３　不同工况下转速、转矩曲线图

汽车在道路上的行驶工况复杂多变ꎬ其中最为典型的汽车工况为:加速行驶、怠速行驶、上坡行驶、下坡行驶以及减速工况ꎬ在加速工况与上坡行驶时ꎬ电动汽车的转速增大ꎬ电磁转矩正向增大ꎻ怠速工况下ꎬ电动汽车匀速行驶ꎬ转速与转矩保持稳定ꎻ在下坡行驶与减速工况时ꎬ电机转速减小ꎬ电磁转矩反向增大ꎬ如图１所示ꎬ本文重点以电动汽车的减速工况下的控制方法及性能展开分析ꎮ

图１　电动汽车行驶工况图

　室搭建了电机性能试验台架　为了准确的模拟电动汽车的减速工况ꎮ该试验台架包括永磁ꎬ在实验同步电机模块、转速测量仪、转矩测量仪、稳定电流源、可控负载以及磁粉制动器ꎮ实验中通过稳定电流源对驱动电机施加可控负载模拟减速工况ꎬ从而改变电机的转速与转矩ꎬ通过转速、转矩测量仪实时收集转速与转矩的变化ꎬ并输入ＰＩ控制器ꎬ再经ＳＶＰＷＭ输出ＰＷＭ信号控制驱动电机ꎬ如图２所示ꎮ

图２　电机性能试验台架结构图

　行驶工况以及行驶性能指标　由于驱动电机的转速与转矩决定着电动汽车的ꎬ基于驱动电机的转速以及转矩变化ꎬ利用电机性能试验台架模拟了电动汽车的工况ꎮ具体转速－转矩－工况如图３所示:

２　基于模糊ＰＩ的系统构建

２􀆰１ＰＭＳＭ的数学模型分析

电动汽车在减速工况下ꎬ电机的转矩与转速的关系是准确模拟减速工况的关键ꎬ因此对永磁同步电机的数学模型进行了分析ꎬ得到转速与转矩等参数的关系ꎮ在分析过程中ꎬ忽略铁心饱和现象ꎻ忽略电机绕组漏感ꎻ转子绕组无阻尼ꎻ不计涡流和磁滞损耗ꎻ忽略磁场的高次谐波ꎻ定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势ꎮ利用变换矩阵将ＡＢＣ坐标系中三相静止定子绕组的电流变量变换到ｄｑ转子坐标系中两相旋转绕组中的电流变量:

é

éｉＡùêｉêｄùëｉúｑúû＝Ｃêú２ｓ→２ｒ􀅰Ｃ３ｓ→２ｓ􀅰êêｉＢúëｉＣúû

(１)

得到永磁同步电机在(１)电压方程ｄ－ｑ坐标系的数学模型ꎮ

{

Ｕ:

ｄ＝ｐψｄ－ωψｑ＋Ｒ１ｉｄꎬＵＵｄ＝ｐψｑ＋ωψｄ＋Ｒ１ｉｑ

(２)

式中ꎬＵｄｑ分别为ｄꎬｑ轴的定子电压ꎬｉｄ别为ｄꎬｑ轴的电流分量ꎻω为转子旋转电角速度ꎬｉｑ分ꎻ

Ψｄꎬ(２)Ψｑ为磁链方程ｄꎬｑ轴的定子磁链:

ꎻｐ为微分算子ꎮ

ψｄ＝Ｌｄｉｄ＋ψｆ

ψｑ＝Ｌｑｉｑ

式中ꎬＬ(３)

ｄꎬＬｑ为ｄꎬｑ轴的等效电枢电感ꎻΨｆ为永磁体产生的磁链(３)电磁转矩方程ꎮ

Ｔｅｍ＝１􀆰５ｎｐ(ψ:

ｄｉｑ－ψｑｉｄ)＝１􀆰５ｎｐ(ψｆｉｑ＋(Ｌｄ－Ｌｑ)ｉｄｉｑ)

(４)运动平衡方程:

(４)Ｔｅ－Ｔ１＝

ｎＪｐｄ(５)

式中ꎬＴｅｍ为电机的电磁转矩ꎻｎｄω

ｔ

ｐ为磁极对数ꎻＪ为转动惯量ꎻＴ１为负载转矩ꎮ

􀅰３８􀅰

２􀆰２　减速工况模糊ＰＩ控制器的设计

减速工况模糊ＰＩ控制器采用模糊ＰＩ控制方法ꎬ利用对电机施加可控负载的方法模拟减速工况ꎮ在减速工况下驱动电机转速降低ꎬ转速测量仪将该转速输入到工况识别系统ꎬ识别该转速和转矩是否为制动工况ꎬ再将该工况下的转速ｎ与给定转速ｎ∗进行比较ꎬ由此得到转速偏差ｅ与转速偏差变化ｅｃ作为模糊控制器系统的输入ꎬ利用模糊控制器调整ＰＩ控制的参数实时调节电动汽车驱动电机的转速ꎬ达到控制驱动电机转速的目的ꎮ该方法较传统ＰＩＤ控制方法的控制精度更高、转速响应快ꎬ其结构图如图４所示ꎮ

表１　Ｋｐ模糊控制规则表

ｅｃ　　ＮＢＮＭＮＳＺＯＰＳＰＭＰＢ　　ｅＮＢＮＭＮＳＺＯＰＳ

图４　减速工况模糊ＰＩ控制器结构图

ＰＭＰＢ　　ｅ

ＮＢＰＢＰＢＰＭＰＭＰＳＰＳＺＯ

ＮＭＰＢＰＢＰＭＰＭＰＳＺＯＺＯ

ＮＳＰＭＰＭＰＭＰＳＺＯＮＭＮＳ

ＺＯＰＭＰＭＰＳＺＯＮＳＮＭＮＭ

ＰＳＰＳＰＳＺＯＮＳＮＳＮＭＮＭ

ＰＭＺＯＺＯＮＳＮＭＮＭＮＭＮＳ

ＰＢＮＳＮＳＮＳ

５２卷

ＮＭＮＭＮＢＮＢ

表２　Ｋｉ模糊控制规则表

ｅｃ　　ＮＢＮＢＮＢＮＢＮＭＮＭＺＯＺＯ

ＮＭＮＢＮＢＮＭＮＭＮＳＺＯＺＯ

ＮＳＮＭＮＭＮＳＮＳＺＯＰＳＰＳ

ＺＯＮＭＮＳＮＳＺＯＰＳＰＳＰＭ

ＰＳＮＳＮＳＺＯＰＳＰＳＰＭＰＭ

ＰＭＺＯＺＯＰＳＰＭＰＭＰＢＰＢ

ＰＢＺＯＺＯＰＳＰＭＰＢＰＢＰＢ

２􀆰３　模糊控制规则的制定

模糊规则决定着模糊控制的性能ꎬ具体规则主要根据误差ｅ的大小来确定的ꎮ当误差ｅ较大时ꎬ为了使系统有良好的跟踪能力ꎬ通常忽略ｅ的变化趋势ꎬＫｐ、Ｋｉ取最大值ꎮ误差ｅ大小适当时ꎬ为了避免过大的超调ꎬＫｐ、Ｋｉ应取适当值ꎮ当误差ｅ较小时ꎬ只需保证系统的稳定性ꎬ故Ｋｐ较大值ꎬＫｉ去较小值ꎮ

根据转速偏差ｅ大小ꎬ定义ｅ和ｅｃ模糊子集为{ＮＢꎬＮＭꎬＮＳꎬＺＯꎬＰＳꎬＰＭꎬＰＢ}ꎬ并将模糊子集映射到论域[－６ꎬ６]上ꎮ从模糊控制器输出的Ｋｐ、Ｋｉ作为ＰＩＤ控制器的修正输入量重新参与系统ＰＳꎬＰＭꎬＰＢ}ꎬ将其论域映射到[－６ꎬ６]上ꎬ模糊规则表如表１~表２所示ꎮ

的控制ꎬ定义其模糊子集为{ＮＢꎬＮＭꎬＮＳꎬＺＯꎬ

２􀆰４　减速工况模糊ＰＩ控制系统的结构

为了能够高精度的控制电动汽车的驱动电机ꎬ建立了制动工况模糊ＰＩ控制系统结构ꎬ其结构由实验台架可控负载、工况识别系统、ＰＭＳＭ永磁同步电机模块、转速测量仪、转矩测量仪、ＳＶＰＷＭ模块、Ｐａｒｋ逆变换模块、Ｃｌａｒｋｅ逆变换模块、三相全桥式逆变器模块、电流ＰＩ控制器、转速ＰＩ控制器等组成ꎮ在控制结构中ꎬ可控负载用于改变电机转速和转矩来模拟制动工况ꎮ采用工况识别系统根据检测到的转速与转矩ꎬ判定当前工况是否为制动工况ꎮ转速、转矩测量仪用于检测驱动电机的转速、转矩变化ꎬ具体结构如图５所示ꎮ

图５　减速工况模糊ＰＩ控制系统结构图

　１期王鹏博等:模拟工况下电动汽车驱动系统控制方法研究

　　为了能够高精度的控制驱动电机ꎬ搭建了电流转速双闭环模糊ＰＩ控制系统ꎬ该系统内环为电流环ꎬ外环为转速环ꎬ并在转速外环增加模糊ＰＩ控制器ꎬ对转速进行模糊控制ꎮ整个系统的控制过程为:实验台架的稳定电流源给受控负载稳态电流信号Ｉｓꎬ由于受控负载改变引起驱动电机转速变化ꎬ转速测量仪将信号传递给工况识别系统ꎬ工况识别系统根据电机当前转速与转矩确定当前工况ꎬ将给定转速ｎ与电机的实际转速ｎ进行对比ꎬ生成转速差ꎬ将转速偏差ｅ与转速偏差率ｅｃ作为输入量经模糊ＰＩ控

∗ｑ

∗ｄ

∗

􀅰３９􀅰

换后得到αβ轴电压ꎮ最后ꎬ经ＳＶＰＷＭ输出ＰＷＭ信号驱动电流ꎬ驱动ＰＭＳＭ电机ꎬ使电动汽车快速地达到减速工况下的车速ꎮ

３　减速工况模糊ＰＩ控制系统的仿真与

对比

为了验证本文所提出的模拟工况下电动汽车驱动系统模糊ＰＩ控制方法ꎬ在Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建了常规永磁同步电机ＰＩＤ控制系统、模糊ＰＩ控制系统进行仿真对比ꎬ系统仿真结构图如图６、图７所示ꎮ

制器后输出ｑ轴电流Ｉꎬ同时设定直轴电流Ｉ＝０ꎬ与经过Ｐａｒｋ逆变换后得到的电流Ｉｑ进行比较ꎬ通过电流ＰＩ控制器后ꎬ输出交轴电压Ｖｑꎬ经Ｐａｒｋ逆变

图６　常规ＰＩＤ控制系统结构图

图７　模糊ＰＩ控制系统结构图

　　设置永磁同步驱动电机的额定参数为:电机电阻Ｒ＝２􀆰８７５Ωꎬ交直轴定子电感均为０􀆰００８５Ｈꎬ电机转动惯量Ｊ＝０􀆰０００８ｋｇ􀅰ｍ２ꎬ电机极对数Ｐｎ＝４ꎮ仿真时间设为０􀆰１ｓꎬ系统启动负载转矩为０Ｎｍꎮ

当系统启动到０􀆰０３ｓ时ꎬ增加负载转矩到７５Ｎｍꎬ当系统启动到０􀆰０５ｓ时ꎬ增加负载转矩到１５０Ｎｍꎮ仿真结果如图８~图１１所示ꎮ

􀅰４０􀅰

图８　传统ＰＩＤ控制系统转速响应曲线

图９　模糊ＰＩＤ控制系统转速响应曲线

图１０　传统ＰＩＤ控制系统转矩响应曲线

图１１　模糊ＰＩＤ控制系统转矩响应曲线

　统可在　由图０􀆰００８８、图ｓ内使电机达到给定转速９的仿真结果可知:模糊ꎬ超调量ＰＩ控制系０􀆰４％ꎬ而传统ＰＩＤσ＝

给定转速ꎬ超调量σ控制系统在加速后＝４􀆰２％ꎻ突加负载转矩使其减０.０２ｓ达到速时ꎬ模糊ＰＩ控制系统在０􀆰００３ｓ内完成减速且无抖动ꎬ而传统ＰＩＤ控制方法则在０􀆰０１４ｓ完成减速且５２卷

抖动剧烈ＰＩ控制系统相比于传统ꎮ由图１２、图１３ＰＩＤ的仿真结果可知控制系统转矩脉动小:模糊控制精度高ꎻ突加负载转矩减速时ꎬ模糊ＰＩ控制系、

统能够在０􀆰０２５ｓ内恢复平稳ꎬ较传统ＰＩＤ控制系统的转矩恢复时间短、抗干扰能力强ꎮ

４　结　语

本文在模拟工况下对电动汽车驱动系统控制方法进行了研究并建立了模糊ＰＩ控制系统ꎬ解决了常规ＰＩＤ控制系统存在的驱动电机转矩脉动大、制动性能差Ｍａｔｌａｂ系统进行了仿真对比/、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ抗干扰能力弱对常规、转速响应慢等问题ꎮ使用ꎬＰＩＤ实验结果表明控制系统与模糊ꎬ该控制方法ＰＩ控制可以使电动汽车快速响应减速工况ꎬ减小了驱动电机的转矩脉动ꎬ有效提高了控制系统的抗干扰能力ꎮ

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