（交通信息工程及控制专业论文）电动汽车驱动控制系统的研究与设计.pdf

摘要 在电动汽车的研究中，驱动控制技术是制约其发展的关键技术之一。在电池技术未 取得突破的背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点。对电动汽 车驱动控制系统的研究与设计，不但能够优化电动汽车驱动系统效率，满足对电机控制 的要求，而且可以通过与能量系统的相互补充，相互协调，提高了电动汽车的行驶里程， 这对电动汽车的商业化推广和应用有着重要的意义。 本文针对传统的线性控制，如p i d 控制等，不能满足高性能电动机驱动的特点，以 电动汽车行驶时的车速与电动机的转速之间的偏差e 以及偏差变化率e c 作为系统的输 入变量，以满足不同时刻偏差和偏差变化率对p i d 参数自整定的要求，进而论述了电动 汽车驱动系统的自整定模糊p i d 控制，在对电动汽车驱动电机进行数学分析和建模的基 础上，建立了驱动系统的双闭环控制仿真模型。仿真结果表明，该控制方法在加速性能、 转速超调等方面比传统的p i d 控制有着显著的改善。 最后，在考虑电动汽车驱动系统运行特点和电机调速控制器发展的背景下，以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心、以i g b t 作为功率模块，以永磁直流电 机为控制对象，从硬件和软件两个方面介绍了电机驱动控制系统的设计方案。完成了相 关电路的设计，包括主回路及其保护电路、串行通信电路、电源电路、存储电路、信号 采集调理电路等；在软件方面，主要编写了主程序、转速检测程序、通信程序等相关程 序。在实验室完成了相关的调试工作，结果表明：控制器设计符合设计要求。 关键词：电动汽车，d s p ，模糊p i d ，电机 a b s t r a c t i nt h er e s e a r c ho fe v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) ，i t sd e v e l o p m e n ti sr e s t r i c t e db yd r i v i n gc o n t r o l t e c h n i q u e b e c a u s eo fn o th a v i n gg o tab r e a k t h r o u g hi nb a t t e r yt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho f m o t o rd r i v i n gs y s t e mh a sb e c o m et h em a i nf o c u si nt h es t u d i e so fe v t ot h ed r i v i n gc o n t r o l t e c h n i c a lr e s e a r c h , i tw a sn o to n l yt oo p t i m i z ed r i v i n gs y s t e me f f i c i e n c yo fe v , a n ds a t i s f yt h e n e e do fd r i v i n gs y s t e mo fe v , b u ta l s ot ol e n g t h e nt h et r a v e lm i l e a g eb yc o m p l e m e n t i n ga n d h a r m o n i z i n ge a c ho t h e rb e t w e e nt h em o t o rc o n t r o lt e c h n i q u ea n de n e r g ys y s t e m ，a l lw h i c h h a v ei m p o r t a n tm e a n i n gt ot h ec o m m e r c i a le x p a n s i o na n d a p p l i c a t i o no fe v s i n c et r a d i t i o n a ll i n e a rc o n t r o l ，s u c ha sp i d ，c a l l ts a t i s f yt h er i g o rd e m a n do f d r i v i n gt h e 1 1 i g hp e r f o r m a n c em o t o r , d e v i a t i o nn a m e dea n dd e v i a t i o nr a t eo fc h a n g en a m e de cb e t w e e n s p e e do fe va n dm o t o rs p e e do fr o t a t i o n ，a r et a k e na st h ei n p u tv a r i a b l eo fs y s t e m ，s a t i s f i et h e r e q u e s to fd i f f e r e n tt i m ew h i c hd e c i d et h ep i dp a r a m e t e rs e l fr e g u l a t i n g ，t h es e l f - a d a p t i n g f u z z yp i d c o n t r o lm e t h o dw a sp u tf o r w a r d ，a n db a s e do nt h em a t h e m a t i c sa n a l y s i sa n dm o d e l b u i l d i n go fd r i v i n gm o t o ro fe v , t h ed o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o lm o d e lo fd r i v i n gs y s t e mw a s b u i l t t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es e l f - a d a p t i n gf u z z yp i dc o n t r o lm e t h o dh a s m o r en o t a b l ei m p r o v e m e n tt h a nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o li na c c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n d o v e r s h o o to fr o t a t i o n a ls p e e d f i n a l l y , u n d e rt h eb a c k g r o u n dt h a tc o n s i d e r a t i o nt h ed r i v i n gs y s t e mo fe v sp e r f o r m a n c e a n dt h ed e v e l o p m e n to fe v sc o n t r o l l e r , b yt ic o r p o r a t i o n sd s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12a st h e c o n t r o lc o r e ，b yi g b ta st h ep o w e rm o d u l e ，b yp e r m a n e n tm a g n e t i s md ca sc o n t r o l l e d m e m b e r , t h ed r i v i n gc o n t r o l l e ro fs y s t e mw a sd e s i g n e df r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h i c h i sb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 812 t h er e l a t e de l e c t r i cc i r c u i tw a sc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gm a i n c i r c u i ta n di t sp r o t e c t i v ec i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，m e m o r y c i r c u i t ，s i g n a lc o l l e c ta n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，e t c w h e ni tc a m et ot h es o r w a r e ，s o m e p r o g r a m si sw r i t t e n ，s u c h a sm a i np r o g r a m ，m e a s u r i n gp r o g r a mo fr o t a t i o n a l s p e e d ， c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，e t c a n dt h ed e b u gi nt h el a bi sd o n e ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h e d e s i g no fc o n t r o l l e rc a nr e a c ht h ed e s i g nt a r g e t s k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，d s p , f u z z yp i d ，m o t o r i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：尹趟2 “声罗月2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 砂净罗月z 7 日 z 叩年5 月z 7 日 迢气 解老艺 一 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 随着燃油汽车保有量的不断增长，汽车给人类带来了环境污染和石油资源短缺等一 系列问题。电动汽车因具有低噪声、零排放、综合利用能源等突出优点，成为当今汽车 工业解决能源和环保等突出问题的重要途径。电动汽车驱动控制技术是制约其发展的关 键技术之一。 1 1 电动汽车的研究背景和意义 电动汽车英文缩写为e v ，即e l e c t r i cv e h i c l e 。电动汽车是指以车载电源为动力，用 电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。在外型上，电动汽车 与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力和驱动系统【。 从汽车发展的历史来看，电动汽车其实比燃油汽车还要早诞生几年，但受电池和驱 动控制技术的局限，其发展却远远落后于燃油汽车。燃油汽车虽给国民经济带来了发展、 给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害，目前世界汽车工业可持续发展所面 临的两大难题为环境污染和石油资源匮乏。4 2 的环境污染是来源于燃油汽车的排放， 8 0 的城市噪声是由交通工具产生的，同时当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是 消耗石油的大户。因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方 向。有鉴于此，上世纪六七十年代，电动汽车开始复苏。现在随着电力电子、控制、材 料等技术的发展在世界各国激发了研究、开发、应用电动汽车的热潮。 电动汽车不仅是以电动机、控制器和电源组成的以电驱动系统为基础的车辆，而且 是实现清洁、高效、智能的道路运输系统的一个全新系统，是一个便于和现代交通网络 结合的智能系统。无论从环保角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都需要有一个 大的发展，其开发关系到众多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。 1 2 电动汽车的国内外发展现状 近十几年来，现代电力电子、微电子、新材料和计算机技术的飞速发展为电动汽车 的研究开发提供了基础，极大的促进了电动汽车的发展【2 ，4 ，6 ，7 1 。 1 2 1国外电动汽车的发展现状 目前，在世界范围内，美国、日本和欧洲在电动汽车的研究和应用方面处于世界先 进水平。 美国的通用e v - 1 两座轿车、通用s 一1 0 两座皮卡、福特r a n g a 两座皮卡，日本的 第一章绪论 丰田r a v - 4 五座轿车、本田p l u s 四座轿车、日产l u n n e t 五座轿车、大发h i - j e t 微型面 包，法国研制的标志雪铁龙p 1 0 6 四座轿车等都投入了商业运行。在2 0 0 0 年，日本公 路上就已运行着1 0 0 0 多辆纯电动汽车，美国商业化运行的纯电动汽车己达到6 0 0 0 辆， 欧共同体主要城市基本上都有试运行的电动公交车。 1 2 2 我国电动汽车的发展现状 国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力及实现我国工业的 跨越式发展的战略高度考虑，2 0 0 1 年9 月，中国科技部在“十五 期间的国家“8 6 3 计划中，特别设立了电动汽车重大专项，提出了“三纵三横研究开发布局( “三横” 是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，“三纵 是指电池、电机和控 制系统的关键零部件) 。专项将从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动 汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、 产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。力争在电动汽车关键单元技术、系统集成 技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代电动汽车的制高点。 我国电动汽车重大科技专项实施几年来，经过2 0 0 多家企业、高校和科研院所的 2 0 0 0 多名技术骨干的努力，目前已取得了重大进展。如燃料电池轿车累计运行4 0 0 0 k m ， 燃料电池客车累计运行8 0 0 0 k m ；混合动力汽车正在一些地方的公交线路上试验运行， 运行超过1 4 万k m ；纯电动轿车和纯电动客车已通过国家有关认证试验【3 8 】。 1 3 电动汽车驱动控制系统 1 3 1电动汽车驱动系统基本结构 电动汽车的基本结构如图1 1 所示，主要由电力驱动子系统、主能源子系统和辅助 控制子系统等组成。 图1 1 典型电动汽车的基本结构 2 长安大学硕士学位论文 电力驱动子系统的结构如图1 2 所示。主要由电控单元、功率转换器、电动机、机 械传动装置和驱动车轮组成，它的主要任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的 能量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。从功能的角度看，电动汽 车的电机驱动系统可以分为电气和机械两大系统。电气系统由电机、功率转换器和电子 控制器等三个子系统组成；而机械系统主要包括机械传动装置( 可选的) 和车轮【2 1 。 l 电动机 c a d 类型 f 刚 d c e m i m 力s r m 热p m s m 朋i 法 p m b m p m 晰 图1 2电动汽车的电力驱动系统结构框图 其中电子控制器分为三个功能单元：传感器、中间连接电路与处理器。传感器把测 得的数据，如电流、电压、温度、速度、转矩以及电磁通等，转变为电信号，通过连接 电路把这些电信号调整倒合适的值后，然后输入到处理器。处理器的输出信号通常经过 中间电路放大，驱动功率转换器的半导体器件。本课题研究的重点就是电机驱动子系统 中的电子控制器的设计，并以此为中心展开的。 1 3 2电动汽车驱动电机选型 本课题选用客车最大总质量( 含蓄电池和电动机) 为5 6 0 0 k g ，车轮半径：0 3 6 7 m ， 传动系统效率是0 9 0 ，主减速器传动比：i o = 6 1 7 ，一挡传动比：i 。l = 5 5 6 8 ，最高档传动 比：i 9 4 = 0 8 1 4 ，由于在城市良好路面行使，所以滚动阻力系数取f = - 0 0 1 3 ，风阻参数 c d a = 3 4 8 m 2 ，由于该课题所设计和开发的电动客车主要应用于城市公交线路，最高车速 是7 0 k m h ，所以根据最高车速计算，忽略坡道阻力，此时加速阻力为零，可得p m = 3 2 8 k w 。 考虑到永磁直流电动机具有结构简单、维护方便、运行可靠、损耗较小、效率和功 率因数比较高等特点，并且在各种电动汽车驱动系统中的广泛应用，所以选取永磁直流 电机作为本课题的驱动电机。 结合目前设计的实际情况，初步拟选取包头永磁电机研究所额定功率为3 5 k w 的永 磁直流电机，其相关参数为： 额定功率：3 5 k w ， 额定电压：2 1 0 v ，额定转速：3 0 0 0 r p m 3 第一章绪论 额定电流：1 7 4 a ，工作制：s 2 9 0 m i n ，换向火花： = 2 0 0 m ，电枢电阻：0 0 2 5 6 ( 2 2 度) 耐压：1 5 0 0 v ，质量：1 2 5 k g 同时在设计时应能考虑到电动汽车在立交桥坡道上原地起步的工况，因此在城市公 交线路上电动汽车能克服的坡度不应低于1 5 。 在利用最大爬坡度计算时，可忽略空气阻力和加速阻力，可得p m 4 4 4 k w ，拟选 取的电动机的最大功率6 0 k w 。 最后还要考虑该电动车在城市公交线路上行驶时应能在城市立交坡道上以一较低 车速稳定行驶，以车速为2 0 k m h 在坡度为5 的道路上匀速行驶时，由于车速较低可忽 略空气阻力，此时加速阻力为零，可得p m = 2 1 3 k w ，小于拟选取电动机的额定功率3 5 k w 。 通过以上论述和计算，拟选取的永磁直流电动机满足课题的控制系统设计和汽车行 驶动力性能的要求。 1 4 电动汽车驱动控制系统的选题意义 电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车、信息技术等多种高新技术的集成， 是典型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。目前研制和开发 的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、整车设计，以及能量管理技术等。近年 来，电动汽车的研究和开发取得了一定的进展，但还存在如下的一些技术难题亟待解决： ( 1 ) 一次充电续驶里程太短。这主要是由于电池的比能量低； ( 2 ) 电池的循环寿命短、更换率高； ( 3 ) 电池充电时间长，通常需要乱1 0 小时才能完成； ( 4 ) 电动汽车的动力性还不够理想，电机的调速控制系统和蓄电池能量管理系统 技术还不成熟。 由此可见，制约电动汽车发展的瓶颈是电池和电机驱动控制系统。电机驱动控制系 统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。其输出特性决定了电动汽车的动力特 性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。目前，在电池技术未取得突破的 背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点，也是提高续驶里程并 使之实用化的关键，目的是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及行驶方便性、可靠 性等【2 ，5 1 。电机驱动子系统的研究以驱动电机的研究为中心，辅以各种新型控制技术而展 开。 4 长安大学硕士学位论文 美国太阳电公司、通用公司、日本丰田公司、我国中科院电工研究所以及其它国内 外多个科研机构都一直致力于电动汽车电机驱动控制技术的开发。 目前，从国外引进的电动汽车电机控制器存在以下几个特点：( 1 ) 采用的核心控制 芯片落后，例如太阳电公司采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 ，没有采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 等最新的控制芯片，使得某些更优化的算法无法实现；( 2 ) 控制器价格 昂贵，2 2 k w 的驱动系统( 电机、减速器、电机控制器) 需要1 5 万元一套，限制了我国 电动汽车的产业化；( 3 ) 对我国的用户不提供源程序，缺乏自主知识产权，不能很好地 与汽车进行匹配。国内电动汽车研究情况如下：( 1 ) 装车用的电机控制器大多采用国外 的成品，不拥有自主知识产权；( 2 ) 电机控制器的研究与汽车研究分离，整车匹配效果 不好；( 3 ) 针对电动汽车的电机控制理论研究不深入，产品性能不完善，未形成一只成 熟的研发队伍。因此，我国当前应该努力提高自主研发能力，形成具有自主知识产权的 产品【1 2 1 。 本课题就是在考虑电动汽车驱动系统运行特点和电机调速控制器发展的背景下，以 德州仪器的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心、以i g b t 作为功率模块，设计出硬 件控制平台，采用永磁直流电机，并根据电动汽车的运行工况作出一些灵活应用，设计 出一套性能优越的电动汽车驱动系统。 本课题涉及了电动汽车领域的一些重要内容，对电动汽车的开发和研制具有理论和 工程上的参考价值。目前，电动汽车己经作为全世界的研究开发热点，我国也已经把电 动汽车列入一系列国家重大科技专项中。因此本课题的选向符合社会需求和技术发展趋 势。 1 5 本课题的研究内容 本论文以电动汽车电机控制器的工程研究项目为背景，以设计出高可靠性、高效率、 高性能指标并且具有自主知识产权的电动汽车电机控制器及相应的驱动系统硬件软件 为目的。具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 参考了国内外相关文献，对电动汽车的概念以及国内外电动汽车的发展情况 进行了全面地学习和研究，阐述了发展电动汽车的重要意义； ( 2 ) 对永磁直流电机的模糊p i d 控制理论进行了详细的探讨和研究； ( 3 ) 参考国内外相关设计和项目设计要求，确定仪器的总体设计方案； ( 4 ) 以t i 公司生产的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，设计了电动汽车的调速控 制系统的硬件电路； 5 第一章绪论 ( 5 ) 在硬件电路的基础上，使用d s p 集成开发环境c c s 3 1 ，采用c 语言和d s p 汇编语言混合编程技术，完成了电动汽车电机控制器的软件设计，实现了控制器的基本 功能； ( 6 ) 在实验室条件下进行相关测试，验证控制器的功能和性能。 6 长安大学硕士学位论文 第二章电动汽车电机驱动系统控制策略研究 随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控 制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或 结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单，响应迅速，抗 干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，从而大大提高了整个系统的综合性能。 2 1 驱动控制系统模型 在车辆行驶过程中，驾驶员获取环境信息、车辆状况信息后，根据自己的驾驶经验， 通过操纵系统，对车辆输入自己的驾驶指令，使车辆按照自己的意图行驶。在这里，把 这样的一个系统称为人车路系统，如图2 1 所示。 园 r i 控制结果i l 一 车辆 一一 车辆状态信息 -j 图2 1 人- 车- 路系统 和传统燃油汽车一样，在电动汽车的行驶过程中，其动力输出也是通过加速踏板来 控制的。从人的感官出发，驾驶员直观的控制对象并不是驱动系统输出的动力，而是车 辆行驶速度。如果车速不能达到驾驶员的预期车速，驾驶员就会继续改变加速踏板位置， 直至达到控制目标为止。因此本文把电动汽车看作一个整体，以车辆行驶速度为最终的 控制目标，通过控制驱动系统的输出转矩来实现驾驶员的驾驶意图【l o 】。 由车辆行驶平衡方程可知，驱动系统的动力输出与车辆的行驶状态之间存在着对应 关系。在平直良好路面、无风环境下，这种对应关系是一一映射的关系。驾驶员可以通 过操纵加速踏板控制驱动系统的动力输出，由于非线性因素对车辆行驶状况的影响，系 统必须采取闭环控制。因此，本文建立了如图2 2 所示的模型，以此作为电动汽车电机 驱动系统的控制模型。即以实际车速u 与目标车速l l o b i 之间的偏差e 作为输入量，其输 出为转矩给定值t g ，直接转矩控制模块按照这个转矩给定值控制驱动电机的动力输出。 m 曼还 图2 2电动汽车驱动系统控制模型原理图 7 第二章电动汽车电机驱动系统控制策略研究 2 2 电机驱动控制策略 车辆在行驶过程中，环境阻力的变化具有不可预知性和非线性变化的特点，因此常 规的p i d 控制算法在驱动系统控制中较难取得满意的控制效果【1 0 川。因此，本驱动系统 的控制策略考虑采用模糊p i d 控制来实现。 2 2 1 模糊p i d 控制原理 模糊理论是由美国加州大学l a z a d e h 教授在1 9 6 5 年创立的模糊集合理论的数学 基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的 内容，这一理论为描述和处理事物的模糊性和系统的不确定性、为模拟人的模糊思维和 决策推理功能，提供了一个十分有效的工具。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础 的一种智能控制方法，它从行为上模拟人的模糊推理和决策过程。其最大的特点是将专 家的经验和知识表示为语言控制规则，并用这些控制规则去控制系统，这样它可以不依 赖于被控制对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控制对象的参数具 有较强的鲁棒性 1 7 , 1 8 】。其基本原理如图2 3 所示。 精确孽：o 一； i。一一 一一 图2 3 模糊控制原理 p i d 控制器是工业控制过程中应用最多的一种控制方式，其原因有二：一是由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的工作范围内都能保持较好的鲁棒性；二是给设 计人员提供了一种简单而直接的调节方式。然而常规p i d 控制器难以满足高精度、快响 应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。 如果能够实现p i d 控制器的参数在线自整定，那么就能进一步完善p i d 控制器的性 能，以适应控制系统的参数变化和工作条件变化。目前较多采用的是被控对象的在线辨 识，然后根据一定的控制要求或目标函数，对p i d 控制器的三个参数k p 、k i 、k d 进 行在线调整。这种方法建立在被控对象的精确数学模型的基础上，因此有一定的局限性， 尤其是当被控对象具有本质非线性、参数时变性以及模型不确定性时，辨识方法往往不 一定有效 1 6 , 1 9 , 2 0 ，2 2 1 。在线自整定模糊p i d 控制器以电动汽车行驶时的车速与电动机的转 长安大学硕士学位论文 速之间的偏差e 以及偏差变化率e c 作为系统的输入变量，可以满足不同时刻误差e 和误 差变化率e c 对p i d 参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修改， 便构成了在线自整定模糊p i d 控制器，如图2 4 所示： _ 趣囹 冬一| | i , j 图2 4 模糊p i d 控制器结构图 p i d 参数自整定的实现思想是先找出p i d 的三个参数与误差e 和误差变化率c c 之 间的模糊关系，在运行中通过不断检测e 和e c ，再根据模糊控制原理来对三个参数进行 在线修改，以满足不同e 和e c 时对控制器参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、 静态性能。 2 2 2 模糊控制系统参数整定原则 p i d 参数模糊自整定是找出p i d 三个参数与e 和e c 之间的模糊关系，在运行中通 过不断检测e 和e c ，根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，以满足不同要求，而 使被控对象有良好的动，静态性能。根据参数k p 、k i 、k d 的作用，在不同的e 和e c 下，对p i d 控制器参数k p 、k i 、k d 的整定要求如下。 ( 1 ) 当偏差较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的k p ；为了避免开始时 可能出现的过饱和，取较小的k d ；防止出现较大的超调，对积分作用加以限制，通常 取k i = o o 。 ( 2 ) 当偏差处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，k p 应取得小些，k i 取值要适当。这时k d 的取值对系统影响较大，要大小适中，以保证系统的响应速度。 ( 3 ) 当偏差较小即接近设定值时，应增加k p 和减小k i 的取值，为了避免出现振 荡，应增强系统的抗干扰性能。当偏差变化量较小时，k d 可取值大些；当偏差变化量 较大时，k d 应取值小些。 p i d 参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。 2 2 3 模糊控制系统建模 2 2 3 1 输入量的模糊化 确定系统中连续变量e ，e c 的变化范围，本系统中速度变化范围为( 0 3 0 0 0 r m i n ) 。 9 第二章电动汽车电机驱动系统控制策略研究 那么速度误差e 范围是( - 3 0 0 0 ，3 0 0 0 ) ：而误差变化率e c 的变化范围可以设定为( - 5 0 0 0 ， 5 0 0 0 ) 。将e ，e c 的变化范围整定到模糊论域e - _ ( - 7 ，7 ) 内： 由此，可以得到速度误差及误差变化率的整定公式为( 2 1 ) ，( 2 2 ) ： e - _ 土e( 2 1 ) 3 0 0 0 e c - l e c( 2 2 ) 5 0 0 0 这样就得到模糊量e ，e c 。在模糊论域内，分别定义七个模糊集合，对应的语言变 量为：负大( n b ) 、负中( n m ) 、负小( n s ) 、零( z e ) 、正小( p s ) 、正中( p m ) 、正 大( p b ) 。 2 2 3 2 输出量的模糊化 确定输出量k p 、k i 、k d 的变化范围，统一设定为 7 ，7 】。然后对模糊控制器的 三个输出分别乘以量化因子。此量化因子可以根据不同的控制对象，通过实验的方法进 行临时调整。 对参数k p 、k i 、k d 也分别定义七个模糊集合即：负大( n b ) 、负中( n m ) 、负 小( ns ) 、零( z e ) 、正小( p s ) 、正中( p m ) 、正大( p b ) 。 2 2 3 3 隶属函数 经典集合的特征函数只能取0 ，1 两个值，而模糊集合的特征函数的取值范围扩展 到在 o ，1 区间内连续取值，为了把两者区分开来，就把模糊集合的特征函数称为隶属 函数。常用的隶属函数有如下几种：z 函数、s 函数、i i 函数、列举函数、等分函数等。 本文隶属函数选择z ( z m f ) 型函数、三角函数和s ( s i g m o i d a l ) 型函数的组合。变量 e 、e c 、k p 、k i 、k d 。的隶属函数如下图所示： a ) 输入变量e 的隶属函数 1 0 长安大学硕士学位论文 0 o5 o e g 0 b ) 输入变量卵，的隶属函数 c ) 输出变量k p t 的隶属函数 d ) 输出变量k i 的隶属函数 e ) 输出变量胁的隶属函数 图2 5 变量e 、，、k p 、妯的隶属函数 第二章电动汽车电机驱动系统控制策略研究 2 2 3 4 模糊规则 在选定模糊变量的隶属函数，并划分好模糊论域之后，就可以确定模糊控制器的规 则了。模糊规则是基于专家知识，或手动熟练操作人员长期积累的经验，它是按人的直 觉推理的一种语言表示形式。模糊规则的确定是模糊控制器设计的关键一步，它是模糊 控制器的工作依据，是专家经验的体现。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，最 常用的关系词为i f - t h e n , a n d ，o r 等。本文模糊控制器的输出为k p 、k i 、k d ，由一组模 糊规则来决定： 表2 1k p 的模糊控制规则表 l e g 7 j k p 划 n bn mn sz ep sp mp b n b p bp bp m p mp sz ez e n mp bp bp mp sp sz en s n sp m p m p mp sz en sn s z ep m p mp sz en sn m n m p sp s p sz en sn sn mn m p mp sz en sn mn mn mn b p bz ez en m n m n mn b n b 表2 2k i 的模糊控制规则表 e c k i ， 刈 n bn mn s z ep sp mp b n bn bn bn m n mn sz ez e n mn bn bn mn s n sz ez e n sn bn mn sn sz ep sp s z en mn mn sz e p sp mp m p sn mn sz ep sp sp mp b p mz ez ep s p sp mp bp b p bz ez ep sp m p mp bp b 表2 3k d t 的模糊控制规则表 ie c t l k d l 划 n bn mn sz ep sp mp b n bp sn sn bn b n bn m p s n m p sn sn bn mn mn sz e 1 2 k 安大学硕学位论文 惑 n s nz en sn sn sn sn s p mn腭p sp sp sn k p 、t 、k d 嘟各有4 9 条规则。模糊控制规则见表2l ，2 2 ，2 3 。根据表2i ， 2 2 2 3 可以得出以下4 9 条模糊控制规则( 注：为表示方便，规则中将五个变量分别表 示为e 、e c 、k p 、k i 、k d ，但都表示整定值，相当于文等) ： i i f ( e i s n b ) a n d ( c e i s n b ) t h e n ( k p i s p b ) ( k i i s n b ) ( k d i s p s ) 2i f 扣i s n b ) a n d ( e c i s n m ) t h e n ( k p i s p b ) i s n 3 ) ( k d i s n s ) 3i f ( e i s n b ) a n d ( c c i s n s ) t h e n ( k p i s p l y 0 ( k i i s n m ) ( k d i s n b ) 4 9i f ( e i s p b ) a n d i s p b ) t h e n ( k p i s n b ) ( i o i s p b ) ( k d i s p b ) 根据m a m d a n i 模糊推理方法，模糊控制的输出曲面如图2 6 所示： i ) k p 的输出曲面 第= 章电动汽车电机驱动系统控制策略研究 5 o c ) k d 的输出曲面 圈2 6m a m d a n i 模糊推理规则输出曲面 2 2 3 5 模糊控制器总体结构 用m a t l a b 为上述模糊推理过程进行仿真。反模糊化方法采用质心法。根据 m a m d a n i 模糊推理方法设计的模糊控制器的整体结构见图27 ： 圈2 7 模糊控制器整体结构图 长安大学硕士学位论文 2 3 电动汽车驱动系统模糊p i d 控制仿真与分析 2 3 1电动汽车仿真环境介绍 由于受试验技术及试验条件的限制和计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术在汽 车技术中应用越来越广。电动汽车是一个包括许多子系统的复杂系统，技术涉及许多学 科领域。电动汽车的计算机仿真研究不仅可以完成设计任务，而且可以对系统进行优化。 为减少仿真计算编程的工作量，缩短研究和开发周期，使精力主要集中于系统建模 的合理性与正确性上，大多数的采用通用仿真工具，如m a t l a b s 嗍，肿( 等。 m a t l a b 是目前世界上最为流行的软件之一，它提供一个专门用于控制系统模型输入 与仿真工具- - s i m u l i n k ，它是一个用来对动态系统建模、仿真和分析的软件包，支持 连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样频率的系统，与传统的仿 真软件( 用微分方程和差分方程建模) 相比，具有更直观、方便、灵活等特点【2 8 】。 2 3 2电动汽车双闭环调速系统的模糊p i d 仿真 2 3 2 1 电动汽车电机模型 1 ) 电机数学模型 直流电机的等效原理图如图2 8 所示，e 为电机的反电动势，r 为电机电枢回路的 电阻，i d 为电枢电流，u d 0 为电机两端的端电压，l 为电机的电感，n 为电机转速【1 4 】。 + 国 u d o 叫 r 丁一面爹i i i i ! i i i 箩 n ，t e l 一j 图2 8 直流电机等效电路 直流电机电枢回路电压平衡方程式为： u d o - - 一e + i d r + l 等 由式( 2 3 ) 得： u d o - - e = r ( i d + 王百d i d ) 式中：t l = l r 为电枢回路电磁时间； e = c e 毒n 为额定励磁下电动机的反电动势； 在零初始条件下对式( 2 4 ) 进行拉氏变换得 1 5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章电动汽车电机驱动系统控制策略研究 u d o ( s ) 一e ( s ) = r i d ( s ) ( 1 + 王s ) ( 2 5 ) 整理后，可得传递函数： 丽i d ( s ) = 旦t (26)js+iu d o ( s ) 一e ( s ) 、7 忽略粘性摩擦，转矩平衡方程式为： t c 一玉= 罢面d n ( 2 7 ) 式中：t c = c m + i d 为额定励磁下的电磁转矩； t i = c m * i l 是包括电机空载转矩在内的负载转矩，il 为负载电流； g d 2 为电力拖动系统部分折算到电动机轴上的飞轮惯量； c m = t j i d = 3 0 * c j p i 为电动机额定励磁下的转矩电流比； 把t c 、t l 代入上式并整理得： 卜卜瓦g d 2 罢= 器1 r d e d t = l r d e d t ( 2 8 ) 蛔) q 丁t m = 暴舳批躲躺舭帅撇 在零初始条件下对上式进行拉式变换得： 里盟：旦 ( 2 9 ) 一= 一 izy - i d ( s ) 一i i ( s ) t m s 、 7 将式( 2 6 ) ，式( 2 9 ) 的输入输出量连接起来，并考虑到n _ e c 。，则可得到额定励磁 下直流电动机的数学模型。 2 ) s i m u l i n k 下电机仿真模型的建立 根据上述数学模型及给定参数，建立如图2 9 所示的仿真模型。 c 图2 9 电机仿真模型 3 ) 电机仿真模型正确性的验证 电机额定电压为2 2 0 v ，所以如果给电机加上2 2 0 v 的阶跃信号，电机转速为3 0 0 0 r m i n 左右，仿真结果如图2 1 0 所示。 1 6 忙宣大学硕学位论文 图2 1 0 额定电压下电机的转速 所以该电机模型是正确的。 2 3 2 2 整流装置的传递函数 晶闸管整流装置的输入量是触发电路的控制电压，输出量是电枢电压。如果在一定 的范围内将非线性特性线性化，就可以把它看成一个滞后时间较小的纯滞后环节，因此， 一般情况下，把它近似成一阶惯性环节 w r s l ；! ! l ( 21 0 ) i + 1 式中：t s ：晶闸管整流装簧的失控时间 b ：整流装置的放大系数 2 3 2 3 模糊p i d 控制器 模糊p i d 控制器的设计以s i m u l i n k 的模糊工具箱f i se d i t o r 为基础，通过对k p 、 k i 、k d 参数的修改来实现的，其中输入、输出变量隶属函数的选择和模糊规则的确定 已在2 23 节做了详细的说明。模糊p i d 控制器的结构如图21 1 所示。 厂唯下_ 习zh 斗 一岜兰裂；j 卜【 图2 1 l 模糊p 控制器结构图 第= 帝电动汽车电机动系统控制策略研究 2 3 2 4 双闭环调速系统模糊p i d 控制模型 根据经典的直流电动机双闭环调节系统的结构，考虑到外环转速环是决定控制系统 的根本因素，而内环屯流环主要起改变电机运行特性以利于外环控制的作用f 1 2 , i s ，本文 在建立直流电机取闭环调速系统的模糊控制模型中，转速环采用模糊p i d 控制器而内 环仍然采用传统的p i d 调节器。 基于模糊p i d 控制的整个调速系统的模型如图21 2 所示。 广专纛卜_ _ 翅_ 图2 1 2 双闭环直流调速系统的控制模型 2 3 3电动汽车驱动控制系统仿真结果分析 模型建好之后，输入相应的参数，就可以在s i m u l i n k 中进行仿真了。由图21 3 ， 可以看出，模糊p i d 双闭环调速系统在无负载情况f 输出的电机转速与电机模型的理想 转速基本一致，但响应时m 较长。在t 两s 时突加负载( 如圈2 1 4 所示) ，转速发生突降， 但又能迅速恢复到平衡状态，稳态运行时无静差，这证明了模糊p i d 控制簧略的有效性。 存奉仿真中对常规p 1 d 双闭环系统和模糊p i d 双闭环系统进行了对比。图21 5 给 出了电机启动转速变化的仿真结果，从结果柬看，采用模糊p i d 控制器的控制效果明显 好于常规p i d 控制器的控制效果。模糊p i d 烈闭环调速系统的快速性好，并且超调量小。 圈21 3 无负载时电机转速变化曲线 长安大学硕学位论文 圉2 】5 启动性能比较 仿真结果表明，模糊p 1 d 控制器与常规p i e ) 控苇0 器相比，由于模糊规则推理中蕴涵 了人的经验和智慧，通过模糊p i d 控制器来自动调节k p ，k i