電動汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計方法

雷顯國

摘 要：目前我國汽車保有量在不斷增加，滿足了人們出行需求的同時，也造成了一系列問題。如汽車尾氣就對空氣造成了污染等等，因此電能替代作為一種解決方案日益受到社會重視。本文就電動汽車的核心部件之一——電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法進行探討。

關(guān)鍵詞：電機驅(qū)動控制系統(tǒng); PI控制; 電動汽車

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機機車相比，電動汽車在環(huán)保方面占據(jù)了很大的優(yōu)勢。電動汽車以蓄電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的油箱，在不產(chǎn)生廢氣的基礎(chǔ)上，釋放了更多的內(nèi)部空間，因此電動汽車一經(jīng)問世就受到了人們的廣泛關(guān)注。而想要保證電動汽車正常運行，就要對其內(nèi)部的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行科學(xué)合理的設(shè)計，在確保安全的前提下提升操控能力以及駕駛體驗。

一、電機驅(qū)動控制系統(tǒng)介紹

作為電動汽車的核心部件之一，電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計得是否合理，對于車輛的性能有著非常重要的影響。該系統(tǒng)最重要的功能就是在司機駕駛車輛的過程中，將蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輛行駛的動能，盡可能降低車輛行駛過程中所遇到的阻力[1]。從宏觀層面上來看，電機驅(qū)動控制框架可以分為兩個板塊。第一個板塊是電器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制器、功率轉(zhuǎn)換機以及電動機三個主要部分組成，是電動汽車與傳統(tǒng)汽車區(qū)別最大的地方。第二個板塊是機械系統(tǒng)，主要包括充電器、剎車踏板、加速踏板、差速器以及傳動軸等。

二、驅(qū)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的軟件可以將控制算法、控制邏輯和汽車的整個硬件資源進行高效連接。從微觀層面上來講，軟件設(shè)計部分主要包括PI算法設(shè)定以及PI控制參數(shù)的整定工作，此外，還涉及到PWN輸出系統(tǒng)以及中控/中斷程序的設(shè)計。

（一）PI控制算法設(shè)計

1.設(shè)計思路。在完整的PID控制器當(dāng)中，主要分為比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)，其中比例模塊的主要功能是對汽車運動中產(chǎn)生的偏差瞬間進行及時反映，通過比例的調(diào)節(jié)來減少偏差，比例的系數(shù)越高，則代表PID控制系統(tǒng)的控制能力越強。而積分模塊的主要作用是將偏差的積累作為輸出，借助這種累計輸出來消除系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差。這里需要注意的是，積分模塊雖然可以避免靜態(tài)誤差對于驅(qū)動系統(tǒng)的影響，但也會影響到驅(qū)動系統(tǒng)的反應(yīng)速度。積分常數(shù)的增加會減少超調(diào)量，讓整個驅(qū)動控制系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定。而微分模塊的主要功能是防止系統(tǒng)中的偏差出現(xiàn)變化，通過減少超調(diào)量的方式來解決振蕩問題，讓該系統(tǒng)的運行變得更加平穩(wěn)[2]。利用PI系統(tǒng)來對電動車的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行滯后—超前的校正工作有兩個優(yōu)勢。第一是可以提升整個控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性;第二是可以在消除靜差和快速響應(yīng)之間尋找到巧妙的平衡。

2.算法實現(xiàn)與整定。對于PI算法的實現(xiàn)，該系統(tǒng)在運行的過程中，從CAN總線處接收PI控制參數(shù)，利用系統(tǒng)中的定時器每間隔一段時間就自動中斷一次，以此來完成針對控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整。在LPC2119系統(tǒng)中的PWN單元，可以通過改變輸出波形的方式來靈活調(diào)控波形占空比，進而完成對于驅(qū)動控制系統(tǒng)的實時控制。PI參數(shù)的整定方式目前主要有兩種，第一種是理論計算整定，這種方式要利用已知過程數(shù)學(xué)模型，計算過程十分繁瑣，工作量巨大，可靠性比較低。第二種是工程整定法，這種整定方式的特點是不需要已知數(shù)學(xué)模型，在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)運行過程中直接進行整定。這種方式的優(yōu)勢在于計算量小，方法簡便，是目前比較流行的一種整定方法。

（二）主程序與中斷程序設(shè)計

主程序的主要任務(wù)是對整個控制系統(tǒng)進行初始化，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化、PWN輸出模塊初始化以及LPC2119內(nèi)核的初始化等工作，控制系統(tǒng)在完成初始化之后自動進入中斷程序。當(dāng)傳感器傳輸?shù)男盘栞斎氲絃PC2119中以后，最先開始的就是對該信號進行AD采樣工作，采樣結(jié)束之后進行數(shù)字濾波[3]?？刂葡到y(tǒng)中的判斷子系統(tǒng)先對制動信號進行檢查，如果存在制動信號，就要啟動再生制動控制程序，如果沒有制動信號，就檢查有無加速信號，如果存在加速信號，那么就啟動電流調(diào)節(jié)算法。反之則結(jié)束中斷系統(tǒng)。

三、驅(qū)動控制裝置硬件設(shè)計

（一）設(shè)計需求

在設(shè)計驅(qū)動控制裝置硬件的過程中，主要考慮的需求包括以下幾個方面。第一，在司機踩下加速踏板之后，可以對加速踏板的操縱變化做出及時的反饋，在確保操作準(zhǔn)確的前提下，盡可能快速做出對于電機轉(zhuǎn)速的調(diào)控。第二，硬件系統(tǒng)要收集與電機操縱相關(guān)的各種信號，對汽車運行中所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行篩查。主要包括蓄電池的電壓，電樞電流，加速踏板、制動踏板信號等數(shù)據(jù)。第三，硬件系統(tǒng)要保證與汽車外部設(shè)備之間順暢的溝通，做好信號的檢測工作。第四，要保證硬件的穩(wěn)定性，任何零件在振動狀態(tài)下都要保持緊固，可以在極端溫度下進行正常工作。第五，當(dāng)車輛由于某種原因而出現(xiàn)過電壓或者過電流故障的時候，控制裝置可以自動切斷主控制回路，同時向司機發(fā)出警報信號。

（二）主控回路硬件設(shè)計

目前，主控回路在硬件層面的設(shè)計以PWM調(diào)速系統(tǒng)為主，其具有電路設(shè)計簡單，零件數(shù)量少，反應(yīng)速度快等特點[4]。LPC2119主控芯片可以同時支持6個PWM控制單元。這里需要注意的是，在車輛行駛過程中，需要實現(xiàn)前進以及倒退等功能，因為在采用內(nèi)燃機變速器的情況下，電動汽車可以通過倒擋來實現(xiàn)倒車。PWM控制裝置的另一個特點就是結(jié)構(gòu)簡單。這種組合模式中電樞電流無法實現(xiàn)逆向流動，因此其無法在制動狀態(tài)下進行工作，因此只能作為單象限使用。電動汽車的興起對于緩解能源壓力以及環(huán)境保護工作都具有重要的意義，人們對于這種清潔環(huán)保的出行方式也越發(fā)認可，為了保證電動汽車能夠穩(wěn)定運行，設(shè)計人員要對電機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行科學(xué)合理的設(shè)計，為該行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展保駕護航。

參考文獻：

[1]丁榮軍，劉侃.新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望[J]中國工程科學(xué)，2019（3）

[2]范常勝.汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)故障檢測與維修[J]汽車實用技術(shù)，2017（6）：111-112

[3]陳睿.電動汽車電機控制技術(shù)研究[J]山東工業(yè)技術(shù)，2018（15）：52-52

[4]黃新宇.電動汽車控制系統(tǒng)研究[J]科學(xué)與信息化，2017（23）：116-117