摘 要：從整車縱向動力學(xué)集成控制角度出發(fā)，提出了一種新型的純電動汽車速度分級調(diào)控系統(tǒng)。將加速踏板開度區(qū)間轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的分級目標(biāo)車速，建立基于模糊PID 控制的車速閉環(huán)反饋?zhàn)哉{(diào)節(jié)整車動力控制系統(tǒng)，并在Matlab/Simulink中搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的反復(fù)修正、操作繁瑣等缺點(diǎn)，能在純電動汽車典型行駛工況下滿足車輛操控要求，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：省級期刊論文發(fā)表,純電動汽車,模糊PID,動力系統(tǒng),自調(diào)節(jié),目標(biāo)車速

　　Abstract：From the perspective of complete vehicle integrated control of longitudinal dynamics， a new control scheme of PEV speed hierarchical control system was proposed. The accelerator aperture was transformed into the corresponding hierarchical target speed， anda complete vehicle power system based on the vehicle speed feedback self-regulation using fuzzy PID control was designed. Then the system model was built and carried out in Matlab/Simulink. The results of simulation demonstrated that the system overcomes the disadvantages of repeated adjustment and complicated operation in traditional control systems， met the requirements of vehicle control under some typical electric vehicle driving conditions， and hence showed great relevance to applications.

　　Key words：PEV; fuzzy PID; power system; self-regulation; target speed

　　行駛的汽車是一個(gè)由駕駛員-汽車-環(huán)境構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員的操縱方式和汽車的行駛環(huán)境(外界路面環(huán)境、交通狀況等)決定了汽車的行駛狀態(tài)[1]。汽車縱向行駛過程中，駕駛員根據(jù)行駛環(huán)境的不同，使用感官采集汽車的行駛狀態(tài)信息，通過不斷地操作加速和制動踏板來實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和整車制動力的控制，進(jìn)而達(dá)到對整車車速的控制。因此，駕駛員的工作是一個(gè)不斷調(diào)節(jié)、反復(fù)修正的過程，相當(dāng)于一個(gè)智能反饋控制器，極易使駕駛員感到疲勞。

　　近年來，在增強(qiáng)汽車可操作性和降低駕駛疲勞方面，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，就電動汽車動力系統(tǒng)控制而言，主要有：(1)電機(jī)驅(qū)動控制[2-6]，電機(jī)輸出特性優(yōu)化，尤其是線性化的力矩輸出特性和電機(jī)調(diào)速性能及抗擾動等方面的研究。(2)變速器換擋控制，包括換擋控制策略[7]和換擋機(jī)構(gòu)優(yōu)化及智能控制研究 [8-9]。(3)整車傳動系控制，如整車控制策略[10-12]、匹配及協(xié)調(diào)控制的研究[13-14]等。這些研究都是在原動力控制模式基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化改進(jìn)，在一定程度上使整車性能有所提高，其意義重大，但是前述的問題仍然沒有從根本上得到解決。為此，本文提出了一種新型實(shí)用的純電動汽車速度分級調(diào)控系統(tǒng)，其核心思想是利用速度的分級控制以及電子系統(tǒng)的閉環(huán)反饋?zhàn)哉{(diào)節(jié)，代替駕駛員完成部分加速踏板修正的操作，實(shí)現(xiàn)對車速的半智能控制。

　　1 驅(qū)動系統(tǒng)控制原理

　　1.1 純電動汽車控制原理

　　純電動汽車使用電動機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ矗�其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，取消了傳統(tǒng)汽車中的離合器結(jié)構(gòu)，通過改變?nèi)�相逆變器輸入到電機(jī)中的電流，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，而電機(jī)輸出的動力經(jīng)機(jī)械連接的變速器、傳動機(jī)構(gòu)到輪胎直接驅(qū)動汽車行駛，其動力響應(yīng)相對傳統(tǒng)汽車更加快速、高效。

　　目前，純電動汽車動力控制策略依舊與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車控制策略保持一致，駕駛員通過操作加速踏板開度來調(diào)節(jié)動力源的轉(zhuǎn)矩輸出特性，從而實(shí)現(xiàn)對整車驅(qū)動行駛的控制;需要制動的時(shí)候，則通過制動踏板帶動制動回路，給車輪施加制動力矩，使車輛減速。這種整車控制策略使得在汽車縱向行駛的過程中，駕駛員必須不斷修正加速踏板，以保證汽車以一個(gè)良好的期望車速不斷行駛。駕駛員操作流程如圖2(a)所示，可以看出，駕駛員在行駛過程中操作繁瑣，需要反復(fù)調(diào)節(jié)加速和制動踏板，車輛控制效果不佳。

　　1.2 速度分級調(diào)控系統(tǒng)控制原理

　　本文提出的控制系統(tǒng)理想模型是通過加速踏板控制整車車速的單自由度車速控制系統(tǒng)模型。純電動汽車行駛時(shí)，首先檢測駕駛員輸入加速踏板的開度信號，通過速度分級表轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的定值目標(biāo)車速，同時(shí)檢測車輪的轉(zhuǎn)速，形成整車車速閉環(huán)反饋控制。利用一體化控制器對電機(jī)和變速器進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)控制，協(xié)調(diào)電機(jī)和變速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速輸出并實(shí)現(xiàn)適時(shí)換擋，優(yōu)化系統(tǒng)的加速性能和動力輸出，最終達(dá)到電動汽車智能控速、平穩(wěn)行駛的狀態(tài)。改變加速踏板區(qū)間，加減速的過程自動實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度由路況、汽車動力性及控制算法共同決定。制動減速系統(tǒng)仍舊是機(jī)械動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制動時(shí)切斷加速信號，其過程與傳統(tǒng)汽車一致。

　　該系統(tǒng)利用電子系統(tǒng)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，代替汽車行駛過程中駕駛員的反復(fù)調(diào)節(jié)過程，在一定程度上簡化了系統(tǒng)控制模式。不同的踏板開度對應(yīng)相同的車速，隨著加速踏板開度變大，從一個(gè)區(qū)間進(jìn)入另一個(gè)區(qū)間，目標(biāo)車速增加，系統(tǒng)控制車速上升，這與駕駛員的駕駛感受和習(xí)慣都是一致的。其駕駛員操作流程如圖2(b)所示，避免了車速保持過程中的反復(fù)修正，大大簡化了駕駛員的操作，同時(shí)增強(qiáng)了電動汽車的可操作性和可靠性，降低系統(tǒng)能耗并提升道路行駛安全性。 　　2 速度分級調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

　　2.1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

　　純電動汽車速度分級調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，角度傳感器9采集加速踏板4和制動踏板8開度信號輸入給一體化控制器5，一體化控制器通過矢量控制方法調(diào)節(jié)逆變器7輸入到永磁同步電機(jī)1的電壓矢量來調(diào)整電機(jī)的輸出特性，同時(shí)通過控制換擋機(jī)構(gòu)10的操作實(shí)現(xiàn)AMT11的適時(shí)自動換擋，取消了傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)中的離合器部件，電機(jī)輸出的力矩通過與之機(jī)械連接的變速器、傳動機(jī)構(gòu)3，最終傳遞至車輪2驅(qū)動整車行駛，通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器6反饋的車輪轉(zhuǎn)速信號，實(shí)現(xiàn)整車車速的實(shí)時(shí)反饋。

　　2.2 系統(tǒng)目標(biāo)車速的制定

　　參照我國對于特殊路段限速的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)以及關(guān)于行車安全車速研究的相關(guān)文獻(xiàn)[15]，綜合考慮良好路況的車速控制誤差和駕駛員駕駛習(xí)慣等因素，人為制定了系統(tǒng)的目標(biāo)車速分級，見表1，共分為8個(gè)區(qū)間，汽車在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下以下列車速穩(wěn)定行駛。將加速踏板的開度百分比對應(yīng)的目標(biāo)車速固定化，作為整車分級調(diào)速的目標(biāo)車速，簡化了整車動力系統(tǒng)的控制和換擋策略的制定，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。

　　2.3 系統(tǒng)控制方法

　　為了使車輛快速響應(yīng)目標(biāo)車速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并保持穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，系統(tǒng)針對不同路況輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)，以達(dá)到驅(qū)動力與行駛阻力的平衡。永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是系統(tǒng)控制的核心，它是對坐標(biāo)變換后產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流iq進(jìn)行解耦和獨(dú)立調(diào)節(jié)，如圖4所示，在轉(zhuǎn)矩電流電流環(huán)的基礎(chǔ)上，加入速度反饋形成轉(zhuǎn)矩速度雙閉環(huán)控制。速度環(huán)采用增量式的模糊PID控制器調(diào)節(jié)，可以使速度環(huán)具有速度脈動率小、頻率響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

　　在速度環(huán)控制算法的選擇上，因?yàn)槟：�控制可以引入專家�?jīng)驗(yàn)，而且不需要知道動力系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，在速度保持和加速踏板區(qū)間變化時(shí)可以分別調(diào)節(jié)、平滑過渡，具有較好的適應(yīng)性。單獨(dú)使用模糊控制不易消除達(dá)到目標(biāo)車速穩(wěn)態(tài)偏差，且對控制器運(yùn)算性能要求較高，而PID算法簡單又可以較好地消除穩(wěn)態(tài)偏差，但動態(tài)性能不佳，因此綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用模糊控制實(shí)時(shí)修正PID參數(shù)，提高了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，具有良好的系統(tǒng)控制性能。

　　3 仿真結(jié)果與分析

　　本文設(shè)計(jì)的純電動汽車速度分級調(diào)控系統(tǒng)整體仿真模型如圖5 所示，control模塊模擬仿真行駛工況負(fù)載和輸出駕駛員操作踏板開度，ECU模塊執(zhí)行查表獲得目標(biāo)車速及擋位控制，SVPWM模塊實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的空間矢量控制，fuzzyPID模塊是針對不同路況制定的速度環(huán)和電流環(huán)反饋控制策略模塊，PMSM模塊包括永磁同步電機(jī)系統(tǒng)和信號輸出檢測兩部分，car模塊對應(yīng)汽車行駛系部分建模。根據(jù)汽車行駛時(shí)的各個(gè)不同工況，選擇control模塊的仿真工況，設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，分別對起步、加速、上坡、制動減速4種工況分別進(jìn)行仿真。

　　仿真結(jié)果的整車車速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩如圖6～9所示，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，采用純電動汽車速度分級調(diào)控系統(tǒng)，駕駛員通過簡單操作加速踏板，就能夠控制整車車速，實(shí)現(xiàn)對與區(qū)間相對應(yīng)的目標(biāo)車速的跟隨，達(dá)到車速的平穩(wěn)控制。

　　(1)起步過程，模擬駕駛員制動過程操作，加速踏板保持在第3區(qū)間，車輛平地起步，車速平穩(wěn)上升至目標(biāo)車速29 km/h，并保持。

　　(2)加速過程，加速踏板從在3 s時(shí)由第3區(qū)間階躍至第4區(qū)間，車速先保持，在3 s時(shí)逐漸由29 km/h上升到38 km/h。

　　(3)上坡過程，加速踏板保持在第2區(qū)間，車輛在2 s時(shí)駛上20°的斜長坡，車速小幅波動后穩(wěn)定在目標(biāo)車速20 km/h。

　　(4)制動過程，加速踏板先保持在第4區(qū)間，車輛行駛2 s后，間隔0.2 s后制動1.3 s，間隔0.2 s后，加速踏板最后保持在第2區(qū)間，車輛實(shí)現(xiàn)制動減速，車速由38 km/h迅速降至20 km/h并保持穩(wěn)定。

　　4 結(jié)論

　　(1)本文設(shè)計(jì)的純電動汽車速度分級調(diào)控系統(tǒng)形成了整車車速的反饋閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，它采用速度分級控制的思想，通過踏板區(qū)間控制車速，使駕駛操作簡便、高效。

　　(2)起步過程平穩(wěn)快速，加速、上坡和制動減速3種典型工況下，整車車速都能在5 s內(nèi)恢復(fù)到目標(biāo)車速誤差±3%范圍內(nèi)，該系統(tǒng)滿足車輛的實(shí)際行駛需求，是一種合理可行的純電動汽車動力系統(tǒng)控制方案。

　　(3)速度分級調(diào)控系統(tǒng)集成模糊PID控制，充分發(fā)揮了矢量控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)能力，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)小于0.1 s，具有實(shí)用性。

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