關(guān)于電子油泵中PI控制的應(yīng)用

劉義強(qiáng)，Kim Choonghyeo，黃偉山，孫家振，李軍，王瑞平，2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315336）

關(guān)于電子油泵中PI控制的應(yīng)用

劉義強(qiáng)1，Kim Choonghyeo1，黃偉山1，孫家振1，李軍1，王瑞平1，2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315336）

文章主要介紹PI控制對(duì)電子油泵中的應(yīng)用，并認(rèn)為通過PI控制能精準(zhǔn)地控制電子油泵轉(zhuǎn)速，從而有效改善變速器性能與使用壽命。在7速濕式雙離合變速器中（7DCT）[1]，離合器的冷卻和摩擦副的潤滑主要通過電子油泵供油來完成，而電子油泵的轉(zhuǎn)速直接影響供油量，所以PI 控制對(duì)電子油泵有著重要意義。電子油泵由一個(gè)直流無刷電機(jī)[2]驅(qū)動(dòng)，而直流無刷電機(jī)通過兩個(gè)串聯(lián)的PI控制環(huán)控制[3]。數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)PI環(huán)的P、I參數(shù)可以獲得比無PI控制的系統(tǒng)更好的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而能夠更加精準(zhǔn)地控制變速器油流量，有效保護(hù)變速器并延長其使用壽命。

濕式雙離合變速器；離合器；電子油泵；PI控制

Abstract:This paper is mainly focusing on the application of PI control in the electronic oil pump and promoting the idea that PI control can effectively improve the transmission performance and service life through accurate control of electronic pump speed. In seven-speed wet dual-clutch transmission (DCT), the main task of cooling clutch and lubrication is finished by electronic oil pump, and the speed of electronic oil pump directly affect the oil supply, so the PI control is very important for the electronic oil pump. Electronic oil pump is driven by a brushless dc motor, brushless dc motor is controlled by two series of PI control loop. The data comparison shows that adjusting the parameters P and I can get better response than no PI control system dynamic response speed, which can control the transmission oil flow more accurately, protect the transmission and increase the service life.

Keywords: Wet dual-clutch transmission; clutch; electronic oil pump; PI control

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-161-04

引言

由于變速器油的流量對(duì)變速器摩擦副的潤滑和冷卻有著直接影響，所以準(zhǔn)確控制油流量能夠有效改善和提高變速器性能，并延長其使用壽命。

在吉利7DCT變速器中，電子油泵中的直流無刷電機(jī)控制直接控制變速器油的流量。電子油泵會(huì)根據(jù)離合器溫度、變速器油溫、以及是否處于換擋同步過程來決定當(dāng)前變速器油的目標(biāo)流量。而TCU會(huì)根據(jù)目標(biāo)流量計(jì)算出無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電子油泵控制中，有兩個(gè)串聯(lián)的PI控制環(huán)，內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)控制電機(jī)電流，外環(huán)負(fù)責(zé)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過調(diào)整兩個(gè)控制環(huán)的PI增益參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的轉(zhuǎn)速控制，從而獲得更加精準(zhǔn)的變速器油流量。

1 PI控制介紹

在模擬系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)器可以描述為：[4]

將上式離散化得到：

式中：Kp為比例系數(shù)，T為采樣時(shí)間，P(n)為調(diào)節(jié)器第n次輸出值，e(n)為第n次給定與反饋偏差。顯然式（2）在使用過程中，需保存第n次偏差值累加和。用微處理器實(shí)現(xiàn)此算法時(shí)，很容易發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，以此須對(duì)該式作適當(dāng)處理。按式（2），n-1次輸出量為：

與式（2）相減，整理可得：[5]

對(duì) PI算法離散化后，可以很容易用軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器功能。但在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到一些具體情況，還需對(duì)PI調(diào)節(jié)加以一定的限制，針對(duì)不同的情況采取最佳控制方法。

對(duì)PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)偏差值輸入較大時(shí)，輸出值會(huì)很大。對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)，就是給定電流太大，使電機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊電流，可能造成系統(tǒng)損壞。所以需對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)的PI調(diào)節(jié)輸出限幅，即當(dāng)

2 PI控制邏輯

電子油泵是由一個(gè)直流無刷電機(jī)控制，并通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來獲得目標(biāo)變速器油流量。而電機(jī)的控制由兩個(gè)串聯(lián)的PI控制環(huán)組成，內(nèi)環(huán)是電機(jī)電流PI控制環(huán)，外環(huán)是電機(jī)轉(zhuǎn)速PI控制環(huán)[6]。

電流環(huán)PI控制策略如下圖：

圖1 電流環(huán)PI控制策略圖

電流PI控制環(huán)的P值、I值可以通過查表獲得，不同的電流差值（目標(biāo)電流減去實(shí)際電流）對(duì)應(yīng)不同的P值、I值。

輸出電壓為p gain和I gain之和，P gain和I gain的電壓計(jì)算是請(qǐng)求電流和實(shí)際電流的差值分別乘以 P值、I值然后求和。積分部分有一個(gè)抗飽和系數(shù)，當(dāng)輸出電壓超過最大限制，積分部分就會(huì)減小增長。

電池為電機(jī)提供電壓，所以請(qǐng)求電壓不能超過電池電壓。

轉(zhuǎn)速環(huán)的PI控制邏輯如下圖：

圖2 轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制邏輯圖

轉(zhuǎn)速PI控制環(huán)的P值、I值也是通過查表獲得的，橫軸為溫度，縱軸為轉(zhuǎn)速差值（目標(biāo)轉(zhuǎn)速減去實(shí)際轉(zhuǎn)速）。不同的溫度與轉(zhuǎn)速差值對(duì)應(yīng)不同的P值、I值。

輸出電流p gain和I gain之和，P gain和I gain的電流計(jì)算是請(qǐng)求轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值分別乘以P值、I值然后求和。積分部分有一個(gè)抗飽和系數(shù)，當(dāng)輸出電流超過最大限制，積分部分就會(huì)減小增長。

最終的油泵電流請(qǐng)求經(jīng)過一個(gè)最大/最小限制邏輯控制得到。

3 PI參數(shù)設(shè)置

由于無刷電機(jī)由兩個(gè)PI環(huán)控制，所以需要確定兩個(gè)環(huán)的PI值來獲得更好的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。下圖為兩個(gè)PI控制環(huán)的輸入輸出關(guān)系圖：

圖3 兩個(gè)PI控制環(huán)的輸入輸出關(guān)系圖

根據(jù)圖3可知，整個(gè)控制系統(tǒng)中，電流PI控制環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速PI控制環(huán)為外環(huán)。為了避免兩個(gè)PI控制環(huán)的相互干擾，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)目標(biāo)電流，先確定電流環(huán)P值、I值，清除轉(zhuǎn)速PI控制環(huán)對(duì)電流PI控制環(huán)的影響。

在調(diào)節(jié)P、I值的過程中，如果同時(shí)調(diào)節(jié)P值與I值，目的性不明確且工作量巨大。先設(shè)置P=0，再調(diào)節(jié)I會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際值無法達(dá)到目標(biāo)值。下面幾幅圖是其他調(diào)節(jié)PI值方法遇到的問題：

圖4 設(shè)I=0，調(diào)節(jié)P使超調(diào)為10%后固定P調(diào)節(jié)I得到的最佳結(jié)果

圖5 設(shè)I=0，調(diào)節(jié)P使超調(diào)為20%后固定P調(diào)節(jié)I得到的最佳結(jié)果

圖6 設(shè)I=0，調(diào)節(jié)P使超調(diào)為30%后固定P調(diào)節(jié)I得到的最佳結(jié)果

圖7 設(shè)I=0，調(diào)節(jié)P使超調(diào)為40%后固定P調(diào)節(jié)I得到的最佳結(jié)果

綜上所述，確定P值、I值的方法大致如下：

1）把P參數(shù)設(shè)置為0，盡量利用I值使實(shí)際電流超過目標(biāo)值30%。

2）I值保持不變, 利用P值調(diào)整補(bǔ)償值，調(diào)整之后的實(shí)際電流應(yīng)盡可能與目標(biāo)值一致。

3）P值和I值同比例增加或減少，直到找到最優(yōu)結(jié)果（無超調(diào)，響應(yīng)快）。

圖8 P參數(shù)設(shè)置為0，盡量利用I值使實(shí)際電流超過目標(biāo)值30%

圖9 I值保持不變，調(diào)節(jié)P值減小超調(diào)

圖10 P值和I值同比例增加或減少，尋找最優(yōu)結(jié)果

通過對(duì)比可找到最佳P值、I值，使無刷電機(jī)的電流響應(yīng)快，超調(diào)小。將電流環(huán)P值、I值確定之后，用同樣方法尋找轉(zhuǎn)速環(huán)的最佳P值、I值，使轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，超調(diào)小。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1 電流環(huán)中開環(huán)控制和PI控制下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

表 1為開環(huán)控制下的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從表中可以看出這幾種電流變化下均無超調(diào)出現(xiàn)，但響應(yīng)時(shí)間差異比較大，分布在43ms~348ms之間，且隨電流變化量增加而增大。

表 2為 PI控制下的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以看出電流響應(yīng)時(shí)間在10ms-22ms之間。除了1A升2A時(shí)出現(xiàn)了14%的超調(diào)（在可接受范圍內(nèi)），其他情況均無超調(diào)。

表1 開環(huán)控制下的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)

表 2 PI控制下的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖10 開環(huán)控制和PI控制下電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

圖10為開環(huán)控制和PI控制下電流的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比。在保證超調(diào)量在一定范圍以內(nèi)， PI控制大大減小了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)中開環(huán)控制和PI控制下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

表3和表4分別為開環(huán)控制下和PI控制下的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

表3 開環(huán)控制下的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)

表4 PI控制下的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖11 開環(huán)控制和PI控制下轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

圖11為開環(huán)控制和PI控制下轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比，以及不同流量請(qǐng)求時(shí)的響應(yīng)時(shí)間。通過對(duì)比可知，開環(huán)控制下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間普遍高于PI控制下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，且隨流量變化增加而更加明顯。開環(huán)控制下均無超調(diào)發(fā)生，而 PI控制下的超調(diào)均較小且滿足要求。

5 結(jié)語

綜上所述，PI控制較開環(huán)控制可以極大地縮短動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，并且隨流量變化量的增加，效果更加明顯。通過調(diào)整電子油泵直流無刷電機(jī)中兩個(gè)控制環(huán)的PI增益參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的轉(zhuǎn)速控制，從而更加精準(zhǔn)的控制變速器油流量。在較大流量變化需求時(shí)，PI控制優(yōu)勢(shì)尤其明顯，能夠更加迅速地執(zhí)行流量請(qǐng)求，從而達(dá)到增強(qiáng)對(duì)摩擦副的冷卻和潤滑效果。

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The application of PI control in the electronic oil pump

Liu Yiqiang1, Kim Choonghyeo1, Huang Weishan1, Sun Jiazhen1, Li Jun1, Wang Ruiping1,2
（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315336; 2. Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315336）

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-161-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.056

劉義強(qiáng)，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司。