電動汽車節(jié)能控制器的設(shè)計研究

詹慧貞 范珍珍

摘 ?要： 以建設(shè)資源節(jié)約型社會為目標(biāo)，降低出行成本，文中設(shè)計一款電動汽車節(jié)能控制器?？刂菩酒捎镁邆涔?jié)能功能的嵌入式X186單片微控制器，負(fù)責(zé)采集和處理電動汽車發(fā)動機(jī)信號，保證信號完整輸出。輸出控制電路對X186單片微控制器輸出信號進(jìn)行匯總、分析，通過調(diào)整電流傳送規(guī)律，控制發(fā)動機(jī)扭矩策劃最佳節(jié)能方案。模糊PID節(jié)能控制核心是模糊推理，確定模糊PID控制器隸屬度函數(shù)后，增加調(diào)整因子求取模糊PID實際輸出，實現(xiàn)電動汽車節(jié)能控制。測試結(jié)果表明，控制器節(jié)能效果顯著，節(jié)能控制過程中具有穩(wěn)定性強、誤差率小的性能優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 控制器; 節(jié)能; 電動汽車; 信號輸出; 模糊PID控制; 實驗分析

中圖分類號： TN948.2?34; TPK414.3 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）20?0099?04

Design and research of energy?saving controller for electric vehicle

ZHAN Huizhen， FAN Zhenzhen

（Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract： An energy?saving controller for electric vehicle is designed， so as to build a resource?saving society and reduce travel costs. The embedded X186 single?chip microcontroller with energy?saving function is used as the control chip to collect and process the engine signals of electric vehicles to ensure complete signals output. The output signal of the X186 single?chip microcontroller is gathered and analysed by means of output control circuit， and the best energy?saving scheme is schemed by adjusting the law of current transmission and controlling the engine torque. The core of fuzzy?PID energy?saving control is fuzzy inference. After determining the membership function of fuzzy?PID controller， the actual output of fuzzy?PID is obtained by adding adjusting factor to realize the energy?saving control of electric vehicles. The test results show that the controller has remarkable energy?saving effect， and has the performance advantages of strong stability and low error rate in the process of energy?saving control.

Keywords： controller; resource?saving; electric vehicle; output signal; fuzzy PID control; experimental analysis

0 ?引 ?言

近年來，人們生活質(zhì)量提升，汽車已成為生活必需品。隨著全球能源危機(jī)爆發(fā)、大氣污染逐年嚴(yán)重、石油能源日益枯竭，汽車節(jié)能減排逐漸成為各國汽車能源研發(fā)的重要發(fā)展方向[1]。電動汽車動力性強、響應(yīng)速度快[2]，可以減少環(huán)境污染，節(jié)約石油能源，提升能量利用率，采用電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車是目前解決能源危機(jī)的有效途徑之一，也是未來汽車發(fā)展的必然趨勢[3]。為了降低出行成本，設(shè)計一種電動汽車節(jié)能控制器。其控制芯片采用嵌入式X186單片微控制器，進(jìn)行電動汽車發(fā)動機(jī)信號開采及處理，確保信號完整輸出。嵌入式X186單片微控制器具有節(jié)能控制功能，可降低汽車能耗。其輸出信號通過輸出控制電路，進(jìn)行匯總、分析，制定節(jié)能方案，進(jìn)一步節(jié)約能耗，實現(xiàn)節(jié)能最大化[4]。最后，電動汽車節(jié)能控制器中的嵌入式X186單片微控制器基于模糊PID控制原理，實現(xiàn)節(jié)能，計算輸入、輸出隸屬函數(shù)，運用模糊推理、模糊規(guī)則，實現(xiàn)電動汽車節(jié)能控制器節(jié)能控制。

1 ?電動汽車節(jié)能控制器總體結(jié)構(gòu)

電動汽車節(jié)能控制器由電流、電壓、電源采集電路、JTAG接口電源、嵌入式X186單片微控制器、輸出控制電路等部分構(gòu)成。電動汽車節(jié)能控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?電動汽車節(jié)能控制器總體結(jié)構(gòu)

1.1 ?控制器芯片設(shè)計

電動汽車節(jié)能控制器的控制芯片采用嵌入式X186單片微控制器，針對電動汽車耗能這一特性，對電動汽車發(fā)動機(jī)信號開采及處理，確保發(fā)動機(jī)信號完整輸出[5]。在電動汽車行駛過程中減速時，節(jié)能控制器確保電動汽車安全穩(wěn)定行駛至關(guān)重要[6]。嵌入式X186單片微控制器控制電動汽車扭矩，電動汽車扭矩由功率、轉(zhuǎn)數(shù)、行駛指令等部分構(gòu)成。嵌入式X186單片微控制器控制原理如圖2所示。

圖2 ?嵌入式X186單片微控制器控制原理圖

由圖2可知，嵌入式X186單片微控制器控制原理是通過對所采集電動汽車發(fā)動機(jī)信號進(jìn)行識別，識別的信號為電動汽車轉(zhuǎn)數(shù)和電動汽車所接受到行駛指令。嵌入式X186單片微控制器分步處理已被識別出的扭矩類型，無需調(diào)節(jié)的扭矩會轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)扭矩轉(zhuǎn)換直接輸出，需要調(diào)節(jié)的扭矩則會轉(zhuǎn)入控制模塊，通過嵌入式X186單片微控制器等比例放大扭矩，展開扭矩調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中，嵌入式X186單片微控制器要縮小控制能量用度，提升電動汽車節(jié)能控制器的能量利用率。其中，電動汽車所接受到的行駛指令是不可控制變量，不能實施控制，將被直接輸出。

1.2 ?基于模糊PID控制的電動汽車節(jié)能實現(xiàn)

1.2.1 ?模糊PID控制基本原理

模糊控制是一種基于模糊集合論、模糊語言變量、模糊邏輯理論的非線性智能控制的方法。圖3為電動汽車節(jié)能模糊PID控制的工作原理。在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，采用模糊PID控制原理修正電動汽車行駛過程中獲取的實際車速與需求車速間的偏差，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)電動汽車在不同情況下正常運行，增強模糊PID控制器的性能。

圖3 ?電動汽車節(jié)能模糊PID控制原理

1.2.2 ?電動汽車節(jié)能控制實現(xiàn)

模糊PID控制基本原理顯示，電動汽車節(jié)能模糊PID控制核心是依據(jù)模糊推理進(jìn)行PID控制器調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能控制。在電動汽車節(jié)能模糊PID控制具體實踐過程中，計算PID控制的傳遞函數(shù)是進(jìn)行模糊PID控制的基礎(chǔ);通過向量法取得模糊子集特點，求取子集模糊量與實際輸出量的前提是進(jìn)行誤差加權(quán)[7?8];最后為電動汽車節(jié)能控制器添加積分環(huán)節(jié)，完成節(jié)能控制器模糊PID控制。PID控制的傳遞函數(shù)為：

電動汽車節(jié)能控制器依據(jù)模糊PID控制原理計算輸入、輸出隸屬度函數(shù)，運用模糊推理和規(guī)則[9]，獲取電動汽車節(jié)能控制器模糊控制過程，實現(xiàn)電動汽車節(jié)能控制。

2 ?實驗分析

為驗證本文設(shè)計的電動汽車節(jié)能控制器有效性，對本文控制器、異步電機(jī)控制器和復(fù)合制動控制器控制電動汽車的使用能耗情況進(jìn)行對比。實驗環(huán)境為Intel p4 2 GB，實驗平臺為Matlab 2008a，在上述環(huán)境下完成模擬實驗。

對比三種電動汽車節(jié)能控制器的節(jié)能效果，單位為J，圖4為三種控制器節(jié)能情況。

圖4 ?三種控制器節(jié)能量對比

由圖4可知，三種電動汽車節(jié)能控制器節(jié)能效果隨汽車運行時間的增長逐漸改善，本文控制器節(jié)能量增加趨勢最明顯，當(dāng)電動汽車運行90 h時，本文控制器節(jié)能量為402 J，異步電機(jī)控制器與復(fù)合制動控制器的最大節(jié)能量分別為102 J，117 J，均低于本文控制器。因此，本文控制器控制下的電動汽車節(jié)能效果最優(yōu)。

對比三種電動汽車節(jié)能控制器的精準(zhǔn)性D（%）、誤差率Y（%）以及穩(wěn)定性P（%）。對比結(jié)果如表1～表3所示。

分析表1～表3數(shù)據(jù)可知，本文控制器精準(zhǔn)性D和穩(wěn)定性P高于異步電機(jī)控制器和復(fù)合制動控器，本文控制器精準(zhǔn)性D高達(dá)98.2%，穩(wěn)定性P達(dá)到97.9%;誤差率Y也比另外兩種控制器小，最小誤差率為0.1%。故本文控制器控制精度高、性能優(yōu)，為電動汽車節(jié)能控制開辟一種高質(zhì)量的節(jié)能控制方式。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計一種電動汽車節(jié)能控制器，芯片采用配備節(jié)能功能的嵌入式X186單片微控制器，進(jìn)行汽車發(fā)動機(jī)信號采集和處理，保證發(fā)動機(jī)信號低功耗完整輸出，對輸出信號進(jìn)行匯總和分析，制定節(jié)能方案。實驗結(jié)果表明，嵌入式X186單片微控制器從源頭控制發(fā)動機(jī)低功耗，實現(xiàn)初步節(jié)能;輸出控制電路基于嵌入式X186單片微控制器采集的發(fā)動機(jī)信號形成節(jié)能方案，進(jìn)一步控制電動汽車的能量消耗與輸出。

電動汽車是未來交通領(lǐng)域發(fā)展的主流方向，設(shè)計節(jié)能控制器有效降低電動汽車能量消耗，為節(jié)約交通成本、建設(shè)資源節(jié)約型社會貢獻(xiàn)力量。

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