電驅(qū)動機動平臺發(fā)動機電動控制研究?

蘇建強，王志和

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院自動化系，呼和浩特 010051)

前言

相比傳統(tǒng)的機械車輛，電動車輛駕駛員操縱裝置與執(zhí)行元件之間是一種柔性連接，操縱裝置只是駕駛信號的輸入接口。加速踏板行程信號不再是傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機油門位置，一般代表后功率鏈驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率，為保證后功率鏈的驅(qū)動電機功率穩(wěn)定輸出，須協(xié)調(diào)控制前功率鏈的各個能量源能量分配，且同時要保證各個能量源按照自身最優(yōu)或次優(yōu)工作模式運行[1-2]。

本文中以某電驅(qū)動機動平臺為研究對象，平臺前功率鏈采用了發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)和動力電池兩種能量源供電模式，根據(jù)后功率的驅(qū)動電機功率需求和動力電池荷電狀態(tài)SOC，通過控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機電壓來控制動力電池充放電，進而實現(xiàn)能量控制與管理。而發(fā)動機的電動控制是能量管理的前提，為此設(shè)計了步進電機控制系統(tǒng)，通過步進電機調(diào)節(jié)發(fā)動機齒桿位置實現(xiàn)電驅(qū)動平臺發(fā)動機的全自動控制。

發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)一般采用單點轉(zhuǎn)速控制、多點轉(zhuǎn)速控制和沿最佳燃油經(jīng)濟曲線功率跟蹤控制等控制方法實現(xiàn)車輛的能量控制[3-5]。本文中的系統(tǒng)采用多點轉(zhuǎn)速控制方式，根據(jù)驅(qū)動電機不同的功率需求，發(fā)動機工作在不同的轉(zhuǎn)速點。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制時，由于發(fā)動機是一個遲滯非線性系統(tǒng)，實驗中采用經(jīng)典的PID控制時，系統(tǒng)調(diào)速性能差，發(fā)動機轉(zhuǎn)速難以穩(wěn)定，文獻(xiàn)[6]中采用了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制調(diào)節(jié)參數(shù)，但實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)和推廣。本文中提出基于模糊控制PI參數(shù)調(diào)節(jié)，利用模糊控制適用范圍廣、對時變負(fù)載有一定魯棒性的特點[7-9]，并結(jié)合PI控制具有較好精度和動態(tài)響應(yīng)速度的優(yōu)勢，通過模糊控制輸出變量來實時調(diào)整PI參數(shù)，以減小發(fā)動機非線性及擾動因素的影響，從而提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制性能。

1 電驅(qū)動平臺發(fā)動機步進電機控制系統(tǒng)

電驅(qū)動平臺總體結(jié)構(gòu)和實物分別如圖1和圖2所示。能量源由發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)和動力鋰電池組共同構(gòu)成，兩者輸出共同為雙側(cè)驅(qū)動電機提供電能，同側(cè)車輪通過鏈傳動連接，8輪共同驅(qū)動平臺行駛。發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，在功率需求較小時，還為動力電池充電，當(dāng)發(fā)動機不能滿足功率需求時，由動力電池放電補充。發(fā)動機控制單元由步進電機及其控制系統(tǒng)組成，通過步進電機控制發(fā)動機齒桿位置從而調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度，發(fā)動機與發(fā)電機之間裝有電磁離合器。

圖2 平臺實物圖

1.1 發(fā)動機電動控制系統(tǒng)

電驅(qū)動機動平臺的發(fā)動機共有兩種工作方式：一種是發(fā)動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，一種是發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。發(fā)動機和發(fā)電機之間通過離合器連接，發(fā)動機在怠速狀態(tài)時與發(fā)電機離合器斷開，此時油門開度信號直接代表發(fā)動機的齒桿位置，屬于轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，發(fā)動機處于起動怠速階段。發(fā)動機由怠速切換到轉(zhuǎn)速閉環(huán)狀態(tài)時，考慮到離合器閉合時發(fā)動機的負(fù)載突增會使發(fā)動機速度驟降甚至熄火，因此在檢測到油門開度大于60%時，電磁離合器才會閉合，帶動發(fā)電機發(fā)電。此時油門開度信號代表后功率電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率。電驅(qū)動平臺發(fā)動機步進電機控制系統(tǒng)如圖3所示，發(fā)動機的兩種工作方式由綜合控制單元通過CAN總線傳輸?shù)桨l(fā)動機控制單元中。

圖3 發(fā)動機步進電機控制系統(tǒng)

1.2 步進電機DSP控制系統(tǒng)

步進電機的輸入為數(shù)字量，適合于直接使用數(shù)字電路進行控制[10]，同時為實現(xiàn)平臺上各個子系統(tǒng)控制單元的通用性，步進電機控制系統(tǒng)采用TI公司的DSP2808為主控芯片。圖4為DSP2808控制系統(tǒng)的主要控制信號，系統(tǒng)通過CAN總線與其它子系統(tǒng)和平臺綜合控制單元通信。通過2808的一路I/O方向信號控制步進電機驅(qū)動器方向信號確定步進電機前進或后退，另一路I/O脈沖信號控制步進電機驅(qū)動器脈沖個數(shù)確定步進電機的步數(shù)，從而控制發(fā)動機的齒桿位置。通過霍爾傳感器接到DSP的eCAP引腳檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

圖4 DSP2808控制框圖

1.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速模糊PI控制

電驅(qū)動平臺發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)是一個不確定、非線性時變系統(tǒng)。在實際調(diào)試控制系統(tǒng)時，采用固定參數(shù)PID控制時，系統(tǒng)難以穩(wěn)定，因此用模糊控制器輸出a(n)和b(n)來修改PI控制器參數(shù)，圖5為設(shè)計的模糊PI控制器。

圖5 模糊PI控制器

表1 模糊控制規(guī)則

式中：Ts為系統(tǒng)采樣時間；Kp為PI比例系數(shù)；Ki為PI積分系數(shù)；n?為給定發(fā)動機轉(zhuǎn)速；n為發(fā)動機反饋轉(zhuǎn)速。

模糊控制器輸入變量分別取發(fā)動機轉(zhuǎn)速誤差、誤差的微分，即

各輸入變量x1，x2和輸出變量a，b的模糊子集分布如圖6和圖7所示。

由圖5可得

圖6 輸入變量模糊子集分布

圖7 輸出變量模糊子集分布

輸入變量x1和x2劃分為“負(fù)大”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正大”5 個模糊子集，即(NB，NS，ZE，PS，PB)；輸出變量a和b劃分為“低”、“中”、“高”3個模糊子集(L代表low，M代表medium，H代表high)。當(dāng)誤差|e|較大時，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速誤差較大，為能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增大比例控制；當(dāng)誤差|e|較小時，適當(dāng)減小比例控制，通過增大積分控制消除誤差，在后功率鏈動力需求時，增強發(fā)動機的抗干擾能力。而如果誤差e為正且誤差變化率e·為正時，誤差有增大趨勢；誤差e為正且誤差變化率e·為負(fù)時，誤差有減小趨勢。根據(jù)以上原則，制定模糊規(guī)則，如表1所示。

解模糊化采用廣泛使用的加權(quán)平均法中的質(zhì)心法，根據(jù)以上規(guī)則的推理可得到模糊控制器輸出a和b查詢表，很容易在DSP中實現(xiàn)。

2 實驗驗證

對設(shè)計的發(fā)動機齒桿步進電機控制系統(tǒng)進行了測試實驗。實驗中步進電機DSP2808控制器通過CAN總線實時向上位機傳輸測試數(shù)據(jù)，上位機的數(shù)據(jù)記錄頻率f=64/s。

2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制測試實驗

在給定固定油門開度時，測試步進電機脈沖和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。油門開度由上位機通過CAN總線給定，此時步進電機處于開環(huán)控制。

圖8為步進電機在不同油門開度時由示波器得到的驅(qū)動波形。由圖可知，當(dāng)給定油門開度增大時，控制系統(tǒng)對步進電機的低電平驅(qū)動脈沖個數(shù)增加，步進電機拉動發(fā)動機齒桿位移增大。

圖8 步進電機實驗驅(qū)動波形

圖9和圖10分別為給定不同油門開度時步進電機脈沖個數(shù)計數(shù)值和發(fā)動機空載轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。發(fā)動機的初始油門開度為30%，t=0.125s時上位機通過CAN總線給定90%。經(jīng)過0.526 5s后油門開度由30%達(dá)到給定90%，步進電機系統(tǒng)響應(yīng)時間較快，發(fā)動機在t=1.75s時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到n=3200r/min(誤差小于2%)，發(fā)動機在t=3.5s之后轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

圖9 油門開度為30%～90%步進電機脈沖個數(shù)

圖10 油門開度為30%～90%發(fā)動機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

2.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實驗

發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制時，發(fā)動機由怠速狀態(tài)(發(fā)動機與發(fā)電機連接的離合器分離)起動到恒定轉(zhuǎn)速n=2450r/min，步進電機脈沖個數(shù)響應(yīng)見圖11，發(fā)動機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線見圖12。t=8.2s時，發(fā)動機-發(fā)電機離合信號給定為高，發(fā)動機與發(fā)電機連接的電磁離合器吸合，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，由于發(fā)電機剩磁的存在，發(fā)電機電壓迅速建立，如圖13所示，電壓平穩(wěn)，超調(diào)很小，不會對動力鋰電池造成沖擊。發(fā)動機由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量的變化，轉(zhuǎn)速下降，步進電機脈沖增加，t=11s時發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，發(fā)電機電壓平穩(wěn)。加速到30km/h，發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)和動力電池共同為驅(qū)動電機提供能量，動力電池電流見圖15。加速過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 450r/min上下波動，見圖16。圖15中，當(dāng)t=69s時電池輸出電流達(dá)到最大值

圖11 步進電機脈沖個數(shù)響應(yīng)

在此基礎(chǔ)上，進行了道路實驗，動力電池SOC=50%，發(fā)動機工作在轉(zhuǎn)速閉環(huán)模式，電驅(qū)動機動平臺車速從0加速到約30km/h。

圖12 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖13 發(fā)電機電壓起動波形

如圖14所示，t=65s時平臺開始加速，t=68.5s 30A，綜合控制單元給發(fā)動機控制單元發(fā)送轉(zhuǎn)速點變換指令，發(fā)動機工作在下一個轉(zhuǎn)速點，如圖16中約1.5s后發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 750r/min上下。最后在車速30km/h左右進行了油門開度變化測試，結(jié)果表明，動力電池電流明顯變化，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，實現(xiàn)了發(fā)動機的轉(zhuǎn)速多點控制，在功率瞬時變化時發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

圖14 電驅(qū)動機動平臺車速

圖15 動力電池的電流

圖16 發(fā)動機轉(zhuǎn)速

3 結(jié)論

本文中為電驅(qū)動機動平臺設(shè)計了步進電機控制系統(tǒng)，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速施行模糊PI閉環(huán)控制，有效解決了發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制難的問題。

(1)設(shè)計了步進電機DSP控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電驅(qū)動平臺發(fā)動機齒桿的電動控制，開環(huán)控制時，步進電機響應(yīng)時間短，達(dá)到平穩(wěn)無波動。

(2)實現(xiàn)了發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)模糊I控制，發(fā)動機調(diào)速穩(wěn)定，發(fā)電機輸出的電壓平穩(wěn)，滿足平臺對發(fā)動機控制的要求。

(3)在道路實驗中，發(fā)動機電動控制能響應(yīng)能量控制指令，發(fā)動機-發(fā)電機系統(tǒng)和動力電池能為驅(qū)動電機提供可靠的能量輸出。P