基于PID控制的電動(dòng)汽車直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速研究

摘 要：無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車中，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，可靠性高等特點(diǎn)。電動(dòng)汽車電機(jī)功率的控制一般是通過駕駛員加速踏板位置計(jì)算所需功率，VCU依據(jù)功率計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。PID控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有算法簡單，魯棒性好的特點(diǎn)。文章通過設(shè)置PID的參數(shù)，探討電動(dòng)汽車直流電機(jī)調(diào)速響應(yīng)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī);PID控制;整定

中圖分類號(hào)：TM33 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-106-03

Study of PID Control System Based on DC Traction Motor Speed Control Systemfor Electric Vehicle^*

Wang Lufeng

（?Shaanxi College of Communication Technology， Shaanxi Xian 710018?）

Abstract：?Brushless DC motor is widely used in electric vehicles as a driving motor， which has the characteristics of simple structure， long service life and high reliability. The control of electric vehicle motor power is generally based on the driver's accelerator pedal position to calculate the required power， and VCU calculates the motor speed based on the power. PID control is widely used in the field of industrial control， with the characteristics of simple algorithm and good robustness. This paper discusses the response state of DC motor speed regulation of electric vehicle by setting PID parameters.

Keywords：?Brushless DC motor;?PID control;?Setting

CLC NO.： TM33 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-106-03

引言

無刷直流電機(jī)采用的是位置傳感器采集位置信息，通過電機(jī)控制器選擇勵(lì)磁空間矢量，并通過PWM控制電機(jī)的電扭的方式來電機(jī)調(diào)速，功率的控制是使用調(diào)速器控制IGBT占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)HESS總線供電調(diào)節(jié)。

1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作特點(diǎn)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速變化多變，轉(zhuǎn)矩變化范圍廣的區(qū)間。無刷直流電機(jī)系統(tǒng)具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合的時(shí)域變化特點(diǎn)。為了能準(zhǔn)確的理解駕駛員的意圖將電門位置傳感器采集到的數(shù)據(jù)分解為穩(wěn)態(tài)意圖和瞬態(tài)意圖。穩(wěn)態(tài)意圖反映了當(dāng)前位置的一般功率需求，瞬態(tài)意圖主要通過駕駛員踩下電門踏板的速度判斷的，主要體現(xiàn)了所需功率變化的速率。電機(jī)控制器不斷調(diào)整穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)在VCU中計(jì)算所得功率，使之與實(shí)際需求相匹配。其控制原理如圖1所示。

2 PID控制器

2.1 PID控制器控制原理

PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元?P、積分單元?I 和微分單元?D 組成。通過Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。

PID 控制器是一種常用于工業(yè)控制領(lǐng)域的反饋回路部件。這個(gè)控制器的控制原理是：設(shè)定一個(gè)參考值，把收集到的數(shù)據(jù)和這個(gè)參考值進(jìn)行比較得到差別，并把此差別當(dāng)做新的輸入值。如圖2所示。最終可使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或保持在參考值。

相比于其他簡單的控制運(yùn)算，PID控制器可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。其控制比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大則輸出越大。偏差的比例、積分、微分線性組合在一起構(gòu)成控制量，并對(duì)PWM控制器的占空參數(shù)進(jìn)行控制，其控制傳遞函數(shù)可以表達(dá)成：

根據(jù)圖2控制器原理圖，推導(dǎo)PID控制參數(shù)K_P、K_I、K_D自調(diào)整公式：

其中：

K_P0、K_I0、K_D0分別為控制器初始控制參數(shù)。

K_P、K_I、K_D分別為控制器的輸出參數(shù)。

u_P、u_I、u_I分別為控制器的比例系數(shù)。

2.2 PID控制器參數(shù)整定

參數(shù)整定是PID控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。依據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的主要有理論計(jì)算整定法和工程整定方法。理論計(jì)算整定法，主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法得到的計(jì)算數(shù)據(jù)必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改才可以使用;工程整定方法，主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，非常簡單、易于掌握，廣泛用于工程實(shí)際中。

工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。雖然這三種方法各有特點(diǎn)，其共同點(diǎn)是控制器的最終參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行整定。也就是說，無論采用哪一種方法，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行調(diào)整與完善。

本文采用的是臨界比例法。整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;（3）在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

3?仿真模型建立

選取某型驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，其參數(shù)如下表1所示。

在Simulink仿真環(huán)境中建立仿真模型，動(dòng)力電網(wǎng)選擇380V電池組，電機(jī)選擇系統(tǒng)自帶的直流無刷電機(jī)模塊。其模型如圖3所示。

模型中電機(jī)選取直流無刷電機(jī)，電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩參數(shù)輸入，PWM跟蹤控制勵(lì)磁強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。st模塊是從工作空間讀取的車輪速度時(shí)域信號(hào);Gain模塊參數(shù)為主減速傳動(dòng)比;Net為車輪作用于地面的驅(qū)動(dòng)力矩。主要控制原理：通過Add模塊對(duì)比傳動(dòng)系轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速，將結(jié)果送入PID控制器，如果轉(zhuǎn)速差距大，PID控制器降低PWM Generator的占空比，以此增加IGBT的開打時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)速差距小時(shí)候，提高PWM Generator的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)HESS總線輸電功率的控制。PID以此圍繞轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線調(diào)節(jié)電機(jī)供電。

4 仿真結(jié)果

驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率目標(biāo)為WLTP_class_3循環(huán)工況，Simulink選取連續(xù)模塊，仿真步長0.0001秒，使用obt45求解器求解，仿真時(shí)間36。通過實(shí)驗(yàn)湊試法調(diào)整各參數(shù)。當(dāng)u_P=5，u_I=10，u_D=0.8時(shí)仿真結(jié)果如圖4所示;當(dāng)u_P=0.9，u_I=50，u_D=0.01時(shí)仿真結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)論

圖中紅色曲線為車輛的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，藍(lán)色曲線為經(jīng)過PID控制后的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。PID控制參數(shù)整定對(duì)控制靈敏度及誤差有至關(guān)重要的影響，通過仿真可以看出，在第一組數(shù)據(jù)下PID控制器在第一個(gè)誤差處發(fā)生了超調(diào)，第二個(gè)誤差處發(fā)生了響應(yīng)不夠及時(shí)的問題。通過試湊法將參數(shù)調(diào)整為第二組后曲線得到了明顯的改善。誤差主要發(fā)生在轉(zhuǎn)速突變較大的區(qū)域，比如汽車起步，急加速等工況。而在一般工況兩組調(diào)節(jié)參數(shù)都能較好的控制電機(jī)。通過多次試湊能將控制調(diào)整至較好的工作條件。

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