P2架構(gòu)的高空作業(yè)平臺與電機(jī)調(diào)速扭矩控制策略

【摘" 要】高空作業(yè)車型是非道路移動機(jī)械的重要分支。基于P2架構(gòu)的高空作業(yè)車有發(fā)動機(jī)與電機(jī)的雙動力源，可實(shí)現(xiàn)動力的累加輸出，相比傳統(tǒng)的單一動力源的高空作業(yè)車，P2結(jié)構(gòu)的車型在整車動力性以及排放表現(xiàn)存在優(yōu)勢，但總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對控制的要求較為苛刻。文章提出一項(xiàng)P2構(gòu)型高空作業(yè)車的控制方法，從臺架與現(xiàn)場試驗(yàn)效果來看，電機(jī)的介入能較好提升整車動力性，試驗(yàn)期間，系統(tǒng)也可以較好實(shí)現(xiàn)需求轉(zhuǎn)速跟隨且整車運(yùn)行較為穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】高空作業(yè)車；轉(zhuǎn)速跟隨；P2架構(gòu)；控制策略

中圖分類號：U469.79" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0049-03

P2 Architecture of Aerial Work Platform and Motor Speed Control Torque Control Strategy

WANG Qingyun，SUN Mingfeng，LIAN Fengxia，JIANG Feng，ZHU Kaihong

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】High-altitude working vehicles are an important branch of non-road mobile machinery. The aerial work vehicle based on P2 architecture has a dual power source of the engine and the motor，which can achieve the cumulative power output. Compared with the traditional single power source aerial work vehicle，the model of P2 structure has advantages in the vehicle power performance and emission performance，but the assembly structure is complex，and the control requirements are more stringent. In this paper，a control method of P2 configuration aerial work vehicle is proposed. From the bench and field test results，the motor intervention can better improve the vehicle power，and the system can better follow the required speed and the vehicle runs stably during the test.

【Key words】aerial work vehicle；speed follow；P2 architecture；control strategy

1" 整體設(shè)計(jì)方案

高空作業(yè)平臺車廣泛應(yīng)用于市政、工地、機(jī)場等建筑施工、搶救搶修、保養(yǎng)清潔等工作場景^[1]?；赑2架構(gòu)的高空作業(yè)平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。作為混動構(gòu)型，該高空作業(yè)平臺系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、電機(jī)、離合器、液壓泵、液壓閥、液壓馬達(dá)、控制器等組成?？刂破髦饕ㄕ嚳刂破鱒CU、功率分配單元PCU、電機(jī)控制器MCU、發(fā)動機(jī)控制器ECU。其中，VCU響應(yīng)駕駛員操作，基于工況計(jì)算出整車需求轉(zhuǎn)速，PCU響應(yīng)VCU的需求轉(zhuǎn)速與啟停指令，向ECU、MCU發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)、電機(jī)與離合器等零部件的控制與不同工作模式的協(xié)調(diào)，MCU、ECU響應(yīng)PCU的控制模式、請求轉(zhuǎn)速、請求扭矩等指令^[2-3]。

高空作業(yè)平臺的工作場景特殊，對作業(yè)安全性的要求很高。為了獲得穩(wěn)定的液壓泵動力輸出，要求VCU發(fā)出的需求轉(zhuǎn)速是相對穩(wěn)定的?？墒歉呖哲嚨呢?fù)載是不可知的，負(fù)載變更后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟隨情況反映了負(fù)載的大小，也反映了系統(tǒng)零部件響應(yīng)的精確性與控制策略的優(yōu)劣。針對轉(zhuǎn)速跟隨，一方面要求系統(tǒng)需要盡快響應(yīng)需求轉(zhuǎn)速，另一方面需要減少控制的超調(diào)。

該高空車有柴動、混動、純電動3種運(yùn)行模式。純電動模式下，離合器斷開，電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控控制模式，發(fā)動機(jī)不啟動?；靹幽Ｊ较?，離合器接合，電機(jī)與發(fā)動機(jī)共同提供動力，電機(jī)采用扭矩控，發(fā)動機(jī)采用轉(zhuǎn)速控。柴動模式可認(rèn)為是在高壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障等特殊情況下的混動模式，在此模式下，離合器接合，發(fā)動機(jī)提供動力，發(fā)動機(jī)仍然采用轉(zhuǎn)速控的控制模式，期間離合器接合，電機(jī)不做控制。

2" 調(diào)速扭矩計(jì)算控制策略

比例-積分-微分控制（PID控制）是一種較為經(jīng)典的閉環(huán)控制算法，其穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛^[4-5]?；赑ID的P2混動系統(tǒng)調(diào)速總扭矩的計(jì)算可以表示為：

式中：K_p——比例系數(shù)；T_i——積分時(shí)間常數(shù)；T_d——微分時(shí)間常數(shù)；e（t）=r（t）-y（t）為轉(zhuǎn)速偏差信號；r（t）——設(shè)定轉(zhuǎn)速；y（t）——實(shí)際轉(zhuǎn)速；u（t）——系統(tǒng)調(diào)速總扭矩。

為了在提升系統(tǒng)收斂速度的同時(shí)盡可能提高控制精度，消除控制上的超調(diào)現(xiàn)象，將系統(tǒng)的調(diào)速過程分為3個(gè)階段：自由跟隨、過渡跟隨、設(shè)定跟隨3個(gè)階段。調(diào)速總扭矩的計(jì)算示意如圖2所示。

1）自由跟隨狀態(tài)：電機(jī)、發(fā)動機(jī)全力調(diào)速，不采用PID控制算法。此時(shí)發(fā)動機(jī)采用轉(zhuǎn)速控、電機(jī)扭矩控，請求扭矩為當(dāng)前電機(jī)能提供的最大扭矩。發(fā)動機(jī)采用轉(zhuǎn)速控，PCU請求ECU的轉(zhuǎn)速即為VCU的需求轉(zhuǎn)速。此過程可理解為調(diào)速的初級階段，為了提高跟隨速度，電機(jī)與發(fā)動機(jī)盡全力進(jìn)行調(diào)速。

2）過渡跟隨狀態(tài)：當(dāng)需求轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值已經(jīng)低于閾值1，此時(shí)發(fā)動機(jī)與電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近VCU需求轉(zhuǎn)速，此時(shí)，為了減少轉(zhuǎn)速跟隨的超調(diào)，不直接將VCU需求轉(zhuǎn)速作為PID的目標(biāo)值r（t）。在進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)開始控制電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以一定斜率運(yùn)動到VCU需求轉(zhuǎn)速，并記錄下實(shí)時(shí)的過程值n（t），將該過程值n（t）作為PID的目標(biāo)設(shè)定值r（t）。此狀態(tài)下，u（t）即為經(jīng)過PID算法計(jì)算出的調(diào)速扭矩。

3）設(shè)定跟隨狀態(tài)：當(dāng)需求轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值已經(jīng)低于閾值2，此時(shí)經(jīng)過過渡跟隨狀態(tài)的過渡，系統(tǒng)表現(xiàn)趨于穩(wěn)定，可直接將VCU需求轉(zhuǎn)速作為PID的目標(biāo)值r（t）。此狀態(tài)下，u（t）即為經(jīng)過PID算法計(jì)算出的調(diào)速扭矩。

3" 扭矩分配控制策略

調(diào)速階段處于自由跟隨狀態(tài)時(shí)，電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控，發(fā)動機(jī)采用轉(zhuǎn)速控，PCU請求MCU的設(shè)定轉(zhuǎn)速即為當(dāng)前電機(jī)的最大扭矩，PCU請求ECU的設(shè)定轉(zhuǎn)速即為VCU需求轉(zhuǎn)速。

調(diào)速階段處于過渡跟隨與設(shè)定跟隨狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)速總扭矩T_S即為PID算法求出的調(diào)速扭矩u（t），此扭矩包含了發(fā)動機(jī)與電機(jī)共同的調(diào)速能力，為了對電機(jī)進(jìn)行控制，需要進(jìn)行扭矩分配，計(jì)算出實(shí)時(shí)的電機(jī)調(diào)速扭矩。在進(jìn)行電機(jī)與發(fā)動機(jī)扭矩分配時(shí)，電機(jī)采用扭矩控，發(fā)動機(jī)采用轉(zhuǎn)速控，間接達(dá)到需求扭矩，電機(jī)調(diào)速扭矩可簡述為以下幾種情況。

1）調(diào)速總扭矩T_S大于發(fā)動機(jī)外特性扭矩T_EM（n）時(shí)，電機(jī)調(diào)速扭矩T_M=T_S-T_EM（n）。

2）調(diào)速總扭矩T_S介于發(fā)動機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性扭矩T_EF（n）與外特性扭矩T_M（n）時(shí)，電機(jī)調(diào)速扭矩T_M=T_S-T_EF（n）。

3）調(diào)速總扭矩T_S低于發(fā)動機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)性扭矩T_EF（n）時(shí)，此時(shí)電機(jī)提供負(fù)扭矩，進(jìn)行發(fā)電，調(diào)速扭矩T_M=T_S-T_eff。

其中，T_EM（n）與 T_EF（n）分別表示一定轉(zhuǎn)速n下發(fā)動機(jī)的外特性扭矩與最佳經(jīng)濟(jì)性扭矩。

4" 數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證所提出的控制策略有效，搭建應(yīng)用層控制策略模型與集成軟件，在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)車測試。在實(shí)車試驗(yàn)中，VCU根據(jù)工況設(shè)定系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)速，動力電池提供高壓，數(shù)據(jù)采用INCA與CANaLyzer進(jìn)行記錄。

相關(guān)的數(shù)據(jù)如圖3所示，在時(shí)長約7min的運(yùn)行中，電機(jī)與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以較好地匹配VCU的設(shè)定轉(zhuǎn)速。第29s開始，發(fā)動機(jī)啟動，離合器閉合，系統(tǒng)開始進(jìn)入混動模式，隨著離合器閉合，電機(jī)的轉(zhuǎn)速開始逐步建立并向設(shè)定轉(zhuǎn)速逼近。當(dāng)駕駛工況較為穩(wěn)定時(shí)，基于調(diào)速扭矩控制策略，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速跟隨，圖4為320～330s系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，此時(shí)調(diào)速階段處于設(shè)定跟隨，調(diào)速總扭矩計(jì)算階段為3。

圖5為174～175.5s區(qū)間系統(tǒng)出現(xiàn)需求轉(zhuǎn)速突變的瞬態(tài)表現(xiàn)，當(dāng)需求轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，實(shí)際轉(zhuǎn)速與VCU需求轉(zhuǎn)速之間的差距較大時(shí)，為了更快地逼近需求轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)與發(fā)動機(jī)均發(fā)揮最大能力調(diào)速。此時(shí)，調(diào)速階段處于自由跟隨狀態(tài)，調(diào)速總扭矩計(jì)算階段為1。當(dāng)速差逐漸變小時(shí)，為了降低超調(diào)現(xiàn)象，當(dāng)速差低于閾值時(shí)，PCU控制調(diào)速進(jìn)入過渡跟隨狀態(tài)，調(diào)速總扭矩計(jì)算階段為2。待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，逐漸穩(wěn)定在設(shè)定跟隨狀態(tài)，調(diào)速總扭矩計(jì)算階段為3。

5" 結(jié)束語

本文提出了一種P2架構(gòu)的高空作業(yè)平臺并基于PID思想設(shè)計(jì)了調(diào)速扭矩控制策略，搭建應(yīng)用層模型與集成軟件，在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示，所提出的控制策略可以有效實(shí)現(xiàn)需求轉(zhuǎn)速的跟隨，即提升了轉(zhuǎn)速突變時(shí)的響應(yīng)速度，又可以有效防止轉(zhuǎn)速超調(diào)，測試期間，整車運(yùn)行較為平穩(wěn)。因?yàn)殡姍C(jī)、發(fā)動機(jī)響應(yīng)速度存在差異，控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)仍有一定的提升空間。

P2架構(gòu)的動力總成在乘用車、商用車上的運(yùn)用已經(jīng)頗為廣泛，但在高空作業(yè)平臺這一類非道路工程車輛運(yùn)用較少，考慮到國家法規(guī)的日益完善，P2混動架構(gòu)在排放上的優(yōu)勢將進(jìn)一步體現(xiàn)，加之混動系統(tǒng)的雙動力源存在的動力性、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，相信相關(guān)的研究與產(chǎn)品將會迎來較快增長。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-20

作者簡介

王清云（1994—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉磩恿偝煽刂撇呗浴?/p>