基于模糊控制的電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究*

張克玲，錢祥忠

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州32503)

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基于模糊控制的電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究*

張克玲，錢祥忠*

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州32503)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)在具有良好的剎車性能的前提下，降低能源的消耗量和延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程，論文提出了一種新穎的再生制動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于無(wú)刷直流電機(jī)的控制特性和電動(dòng)汽車剎車時(shí)的制動(dòng)特性，直流無(wú)刷電機(jī)采用傳統(tǒng)的PID控制，剎車力采用模糊邏輯控制，剎車力矩由PID控制器實(shí)控制。通過(guò)MATLAB/Simulink軟件，仿真分析了電池的充電狀態(tài)、制動(dòng)力和直流側(cè)線電流。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;再生制動(dòng)系統(tǒng);模糊控制; PID控制;無(wú)刷直流電機(jī)

由于受到資源環(huán)境的制約，電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽車將是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)［1］。隨著電池和電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)將會(huì)取代內(nèi)燃機(jī)［2－5］。此外，電動(dòng)汽車自帶電池，它可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的功率系統(tǒng)進(jìn)行充電［4］。由于電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，即使電動(dòng)機(jī)不比內(nèi)燃機(jī)好，在電動(dòng)汽車上電動(dòng)機(jī)也會(huì)取代內(nèi)燃機(jī)。再生制動(dòng)系統(tǒng)可以用于電動(dòng)汽車上，但是不可以用于內(nèi)燃機(jī)上。

再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)外界使電機(jī)處于發(fā)電模式時(shí)，即汽車剎車時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)可以將能量從電機(jī)處反饋到電池里。此時(shí)，電池就可以看為負(fù)載，因此可以從中獲得剎車力［6－7］。相對(duì)于那些沒(méi)有使用再生剎車系統(tǒng)的電動(dòng)汽車，使用了再生剎車系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的行駛里程可以提高15%［3］。當(dāng)電池電量為最大值時(shí)，再生剎車系統(tǒng)將會(huì)被停用。這個(gè)時(shí)候剎車的能量將會(huì)通過(guò)電阻負(fù)載消耗掉。因此，在電動(dòng)汽車上，機(jī)械剎車系統(tǒng)也是保留的。此外，機(jī)械剎車系統(tǒng)可以在非常情況下確保汽車的安全［6，8］。這兩個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的踏板進(jìn)行控制［9］。

1　電機(jī)和控制

由于無(wú)刷直流電機(jī)的特性，它非常適用于電動(dòng)汽車。無(wú)刷直流電機(jī)一個(gè)典型的同步電機(jī)，其定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的頻率是一樣的，永磁部分固定在轉(zhuǎn)子上，而繞組則處于定子上，轉(zhuǎn)子的位置通過(guò)霍爾傳感器或者通過(guò)繞線的EMF測(cè)量得到［2，10］。電刷的控制采用典型的H橋如圖1所示。無(wú)刷直流電機(jī)的電壓空間矢量可以被劃分為6個(gè)扇區(qū)，與霍爾傳感器的6個(gè)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。每相繞組產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)［11］如圖2所示。MOSFET和IGBT是最常用的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件［12］。

圖1　H橋逆變電路

圖2　無(wú)刷直流電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)

1.1再生系統(tǒng)的MOSFET控制

在剎車時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電流逆向流入電池從而實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。在合適的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，通過(guò)如圖2所示的電路可以將其實(shí)現(xiàn)。一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方法的獨(dú)立的開(kāi)關(guān)它們從而實(shí)現(xiàn)高效的剎車控制［4］。然而，在無(wú)刷直流電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，繞線的反電動(dòng)勢(shì)較低。這時(shí)不能實(shí)現(xiàn)充電功能。由于繞線電感的存在，電機(jī)的電感可以構(gòu)成一個(gè)升壓電路系統(tǒng)。當(dāng)電壓經(jīng)過(guò)該電感升壓器時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能量回饋。圖3顯示了反電動(dòng)勢(shì)，繞線電流和控制雙向DC/AC轉(zhuǎn)化器的開(kāi)關(guān)信號(hào)之間的關(guān)系。這里，在每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下只有一個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)發(fā)生了變化。每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)［13］的等效電路圖如圖4所示。

圖3　單個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下再生剎車情況

圖4　一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路圖

2　再生自動(dòng)系統(tǒng)

2.1控制結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過(guò)踏板傳感器，我們可以獲得所需的剎車力。根據(jù)前后輪剎車力的分布調(diào)節(jié)，前后輪的剎車力可以計(jì)算出來(lái)。經(jīng)過(guò)模糊控制器，我們可以得到再生制動(dòng)力的大小數(shù)值。然后，可以得到前輪的剎車制動(dòng)力、再生剎車制動(dòng)力和后輪的剎車制動(dòng)力［14－15］。最后，通過(guò)方程(1)，整個(gè)剎車力可以用電流表示。

這里，剎車電流Icom正比于剎車力Freg。k1是一個(gè)比例因子［16］。

2.2模糊控制

在具有再生系統(tǒng)的電動(dòng)汽車中，剎車力的分布受到諸多因素的影響。通常模糊控制對(duì)再生系統(tǒng)具有很好的控制效果。模糊控制的3個(gè)輸入量分別是電動(dòng)汽車后輪剎車力，速度和電池充電狀態(tài)［17－19］。

圖5　系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

(1)輸入變量后輪剎車力。剎車力的大小在一定程度上代表剎車距離和剎車時(shí)間的要求。論域設(shè)置為［0，2000］，模糊控制的隸屬函數(shù)如圖6(a)所示。電池充電狀態(tài):當(dāng)電池的充電量小于10%時(shí)，電池的內(nèi)部電阻值將會(huì)很大。這個(gè)時(shí)候不適合充電。這個(gè)時(shí)候剎車力的大小應(yīng)該成比例的減小。當(dāng)電池的電量在10%到90%之間時(shí)，電池可以通過(guò)大電流充電。這個(gè)時(shí)候再生制動(dòng)力也應(yīng)該成比例的增加。當(dāng)當(dāng)電池的電量在90%以上時(shí)，充電電流應(yīng)該減小以防止過(guò)充的情況出現(xiàn)。這個(gè)時(shí)候剎車力的大小也應(yīng)該減小。電池的充電狀態(tài)可以設(shè)置為低、中、高3種狀態(tài)。論域設(shè)置為［0，1］，該隸屬函數(shù)如圖6(b)所示。對(duì)速度而言，當(dāng)速度較低時(shí)，為了確保剎車安全和遵守交通規(guī)則，這個(gè)時(shí)候剎車力的大小應(yīng)該成處于小比例的區(qū)域;當(dāng)速度處于中間大小時(shí)，剎車力也應(yīng)該增加;當(dāng)處于高速時(shí)，再生剎車力的比值應(yīng)該處于最大值。我們期望速度設(shè)置是低速和高速。整個(gè)論域設(shè)置成［0，500］，它的隸屬函數(shù)如圖6(c)所示。

圖6　模糊控制隸屬函數(shù)

(2)輸出變量我們采用mandani型的模糊控制方式。在后輪剎車力上，輸出變量是一個(gè)比值，它正比于再生剎車力。該比值={MF0，MF1，MF2，MF3，MF4，MF5，MF6，MF7，MF8，MF9，MF10} ={0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0}。該隸屬函數(shù)如圖6(d)所示。

(3)控制規(guī)則剎車力表示為L(zhǎng)，M，H，電池充電狀態(tài)表示為L(zhǎng)，M，H，速度是L，H，其規(guī)則如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則

(4)PID控制PID控制主要用于確保剎車力的恒定。可以通過(guò)不同的PWM來(lái)獲取不同的剎車力。PID控制器通過(guò)調(diào)節(jié)PWM來(lái)控制剎車力的恒定。在模糊推理時(shí)，剎車力可以保持為定值。由于模糊控制的速度遠(yuǎn)小于PID的響應(yīng)速度，因此，剎車力矩可以通過(guò)PID控制器實(shí)時(shí)的控制［20］。

3　仿真與實(shí)驗(yàn)

通過(guò)MATLAB/Simulink軟件建立系統(tǒng)模型，并使用該軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。我們根據(jù)市內(nèi)交通情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下。

3.1模擬電動(dòng)汽車的速度曲線

電動(dòng)汽車的速度曲線有3個(gè)加速部分，4個(gè)減速部分和兩個(gè)停止?fàn)顟B(tài)構(gòu)成，如圖7所示。

圖7　電動(dòng)汽車的速度曲線

3.2剎車力的分布

剎車力的分布如圖8所示:從中我們可以看到，后輪的機(jī)械剎車力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于再生系統(tǒng)的剎車力。

圖8　制動(dòng)力的分布

在減速時(shí)，后輪的剎車力主要由電動(dòng)汽車的再生系統(tǒng)產(chǎn)生。速度越高，再生系統(tǒng)獲得的比例越高。這說(shuō)明再生剎車系統(tǒng)更適用于高速情況。

4　能源回收效率

在汽車的運(yùn)行期間，有4個(gè)階段能夠使回收能源。如圖9所示，回收率是50%。但是該回收率和汽車的速度，交通情況，電池充電狀態(tài)和駕駛?cè)藛T的習(xí)慣等因素有關(guān)。

圖9　制動(dòng)時(shí)，能源回收情況

5　無(wú)刷直流電機(jī)直流側(cè)電流曲線

如圖10所示:無(wú)刷直流電機(jī)直流側(cè)電流和速度有關(guān)。當(dāng)電動(dòng)汽車剎車時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠通過(guò)PID控制器控制無(wú)刷直流電機(jī)的電流，從而確保剎車力矩的恒定。PID控制器通過(guò)調(diào)節(jié)PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。

圖10　PID控制作用下，無(wú)刷直流電機(jī)的電流曲線

6　電池的充電狀態(tài)

如圖11所示，在電動(dòng)汽車的運(yùn)行期間，相對(duì)于其他過(guò)程，加速度期間將會(huì)消耗更多的能量。在剎車時(shí)，電池的能量有所回升。這表明再生制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮了作用。

圖11　電池的充電狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的控制芯片為TMS320F2812，控制電機(jī)參數(shù)如表2所示。本系統(tǒng)采用TMS320F2812為控制芯片?？刂齐姍C(jī)參數(shù)如表2所示。

表2　電機(jī)參數(shù)

圖12　轉(zhuǎn)速相同，PWM不同情況下直流側(cè)電壓值變化曲線

將電機(jī)的速度控制為固定值，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比可以獲得不同的反電動(dòng)勢(shì)，如圖12所示。同理，在不同的轉(zhuǎn)速下，同樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)PWM來(lái)獲得不同的電壓，如圖13所示，當(dāng)速度為60 km/h。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比，直流側(cè)電壓可以達(dá)到甚至超過(guò)額定值，當(dāng)速度為30 km/h時(shí)，50%的PMW占空比，就能夠是電壓達(dá)到額定值。如果增大PWM的占空比(可以調(diào)節(jié)達(dá)到70%)，對(duì)應(yīng)的直流側(cè)電壓可以達(dá)到更大。電壓變化曲線如圖13所示。

圖13　相同速度下，直流側(cè)電壓變化曲線

圖14顯示的是在制動(dòng)時(shí)，電壓、電流和速度變化曲線。當(dāng)電動(dòng)汽車的速度由70 km/h下降到30 km/s時(shí)，在再生自動(dòng)時(shí)，直流側(cè)電壓可以保持為較大值。當(dāng)速度過(guò)低時(shí)，電動(dòng)汽車將會(huì)有機(jī)械剎車系統(tǒng)自動(dòng)。同時(shí)，在速度為0的情況下，直流側(cè)電流也為0。

圖14　制動(dòng)時(shí)，電壓、電流和速度變化曲線

4　結(jié)論

論文講述的是基于無(wú)刷直流電機(jī)的電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了論文中提出的控制方法的有效性。通過(guò)將模糊控制和PID控制相結(jié)合，該再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)械剎車力和電動(dòng)剎車力。PID控制在電動(dòng)汽車上使用比較廣泛。但是要想精確的控制制動(dòng)電流還是比較困難的。剎車力受到電池充電狀態(tài)、速度、剎車強(qiáng)度等諸多因素的影響。本文選取3個(gè)影響最大的因素——電池充電狀態(tài)、速度、剎車強(qiáng)度，作為模糊控制器的輸入。我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)合適的控制剎車電流可以產(chǎn)生期望的制動(dòng)力矩。同時(shí)，通過(guò)PID控制器控制PWM的占空比可以獲得恒定的制動(dòng)力矩。PID控制的響應(yīng)速度比模糊控制要快的多。因此，兩種方法的配合使用可以震蕩過(guò)程更加平滑。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效的證實(shí)了該再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠在不同的運(yùn)行狀況下有效的回收能源和實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的安全制動(dòng)。

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張克玲(1989－)，女，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事電氣傳動(dòng)及其智能控制，電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真等方面的研究，keling2163@163.com;

Military Air Combat Communication Anti-Jamming Methods Based on Harr-SCML*

MIAO Yingkai*
(Puyang Vocational and Technical College，Puyang Henan 457000，China)

Abstract:Due to the specific interference such as the electromagnetic wave of enemy，such wave can cause signalto-noise to reduce military communication signals.A kind of learning algorithm based on Harr wavelet and strong military air classifier machine is proposed for use as communication anti-jamming methods.The communication antijamming model has been estahlished for judging the communication waveform in the kinds of feature points; samples are classified by using Harr feature classfier.This samples for Harr characteristics，using decision tree algorithm for training，and to be able to gradually train are classified eventually to make military communication perform accurately.Experimental results show that the improved method can obtain accurate communication signals，bit error rate was reduced by 45% than that of the traditional methods.

Key words:strong classifier machine learning; the air combat; Harr wavelet; anti-interference

doi:EEACC:7930; 797010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.033

收稿日期:2014－09－10修改日期:2014－10－23

中圖分類號(hào):U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0876－06

項(xiàng)目來(lái)源:浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2012R10006－12)