纯电动汽车驱动控制策略研究.docx

纯电动汽车驱动控制策略研究针对纯电动汽车运行环境复杂多变、难以预测，驾驶员驾驶意图随意性强的特点，本文采用车速电流双闭环调速系统控制纯电动汽车的车速，其中采用模糊自适应整定PID控制策略对车速进行控制，采用Bang-Bang控制策略对电流进行控制。在Mat1ab/Simu1ink环境下建立了纯电动汽车车速电流双闭环调速系统仿真模型，基于该模型对电动汽车匀速行驶运行工况和爬坡行驶运行工况进行仿真研究，比较PID控制策略和模糊自适应整定PID控制策略系统的动态特性。仿真结果表明：采用基于模糊PID控制策略的车速电流双闭环调速系统能够在驱动过程中实现车速无静差和阻抗行驶阻力突变，使得控制系统具有良好的动、静态特性。纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多样化、能量利用率高等优点，是解决能源短缺、环境污染和气候变暖等资源环境问题的重要途径驱动控制系统是电动汽车的核心部件，控制策略是驱动控制系统的灵魂，其性能的好坏直接关系着电动汽车整车性能和传输效率。为了使电动汽车达到理想的性能，采用优良的控制方法可以大大改善驱动电机的性能，弥补电机设计的不足。目前，国内外学者对其进行深入研究，将传统PID控制，闭环调速控制、变结构和鲁棒控制等方法移植到电动汽车的驱动系统中，并取得了良好的效果。纯电动汽车驱动控制系统应具有精确控制车速、阻抗行驶阻力突变和适应不同驾驶习惯的作用，针对这一特点本文采用车速电流双闭环调速系统控制车速4。考虑到纯电动汽车运行状况复杂、控制精度要求高、难以建立精确的数学模型等特点，因此采用模糊自适应整定PID控制策略对车速进行控制，采用Bang-Bang控制策略对电流进行调节。1纯电动汽车驱动控制系统建模在纯电动汽车驱动控制系统中，根据被控对象的不同，可以把控制方式分为：车速单闭环控制和车速电流双闭环控制。采用车速单闭环控制方式，可以在保证驱动系统稳定的前提下实现车速无静差，但是难以满足快速起步、急加速、行驶阻力突变等复杂道路情况。在行驶阻力突然增加时，应充分利用电机的过载能力，使电动机输出最大允许转矩，即电流达到最大值。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，因此采用电流负反馈保证恒流控制过程。因此，为了在驱动过程中实现车速无静差和阻抗行驶阻力突变,采用车速电流双闭环调速系统控制纯电动汽车的车速，使其达到电动汽车的驱动要求。图1为纯电动汽车车速电流双闭环驱动调速系统框图。根据车辆运行环境和运行状况，驾驶员操作执行机构，控制器根据执行机构的动作判断驾驶员驾驶意图，然后根据驾驶意图制定需求车速。需求车速与实际车速反馈信号比较后得到车速偏差值，车速调节器根据输入的车速偏差值输出电机的参考电流，参考电流与电机电枢电流比较后得到电流偏差值，电流偏差值经过电流调节器输出PWM信号，控制功率变换器的通断时间，从而控制纯电动汽车车速。图1纯电动汽车车速电流双闭环驱动调速系统框图11车速控制模块根据纯电动汽车运行环境的特点，本文采用模糊自适应整定PID控制策略对车速进行控制。图2为车速控制模块模型图，该模块输入为需求车速与实际车速的偏差值，经模糊控制器输出参考电流值。图2车速控制模块1.2 电流控制模块Bang-Bang控制具有响应速度快、自适应能力强、鲁棒性好等优点。本文采用Bang-Bang控制策略对电机电枢电流进行调节。电流控制模块模型图如图3所示，输入为参考电流与实际电流的偏差值,输出为控制功率变换器通断时间的PWM信号。当电流偏差值大于上限值时，功率变换器关断；当电流偏差值小于下限值时，功率变换器打开。设定合适的边界值，实际电流将良好的跟踪参考电流，实现电流闭环控制。口!.givenMemory-Iactud-CBBang-B(U1gPWM图3电流控制模块1.3 车速电流双闭环控制系统模型为了使纯电动汽车驱动系统具有良好的动、静态特性，即在保证驱动系统稳定的前提下实现车速无静差，在快速起步、急加速和行驶阻力突变过程中，应充分利用电机的过载能力，使电动机输出最大允许转矩，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使电机输出转矩与负载转矩平衡，从而进入稳态运行工况，因此纯电动汽车驱动控制系统采用车速电流双闭环控制系统。图4为在Mat1ab/Simu1ink环境下建立的纯电动汽车车速电流双闭环控制系统模型图，该系统由加速踏板模型、电机模型、蓄电池模型、超级电容模型、功率模块模型、传动系统模型、整车模型、车速控制模块、电流控制模块组成。图4纯电动汽车车速电流双闭环调速系统模型2模糊自适应整定PID的车速控制策略考虑到纯电动汽车运行环境复杂、道路工况多变、控制精度要求高、行驶环境干扰大、难以建立精确的数学模型等特点，因此本文采用模糊自适应整定PID控制策略对车速进行控制，这样既具有模糊控制算法适应性强和鲁棒性好的优点，同时又具有传统PID控制无稳态误差的特点。以参考车速与实际车速的偏差值e以及偏差值的变化率ec作为模糊自适应整定PID控制器的输入变量；PID参数比例系数Kp,积分系数Ki、微分系数Kd是模糊控制器的输出变量。2.1 变量模糊化（D输入变量模糊化定义偏差值e和偏差值的变化率ec的变化范围为模糊集上的论域-3,2,1,0,1,2,3,对应的模糊集为：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）O（2）输出变量模糊化输出变量为PID参数，比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数KdoAKi、AKd的模糊量隶属度函数图。Kp=KpO+Kp（1）Ki=KiO+Ki（2）Kd=KdO+Kd（3）式中，KpO=0.4,KiO=1.0,KdO=Oo对AKp、AKi、AKd进行模糊化，其变化范围定义为模糊集上的论域分别为：一03,0.2,0.1,O,0.1,0.2,0.3,-0.06,0.04,0.02,0,0.02,0.04,0.06,-3,-2,1,0,1,2,3o对应的模糊集为：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）o2.2 隶属度函数2.3 隶属度函数是把论域上的每个点映射到0,1区间的隶属度,用来反映对象属于某个模糊概念或具有某个模糊性质的程度。图5为变量e、ec、Kp>Ki.Kd的模糊量隶属度函数图。2.4 模糊控制规则与反模糊化模糊控制器的核心是模糊控制规则，对AKp、AKi、Kd设计模糊规则表，如表1表3所示。表1AKP模糊控制规则表eceNBNMNSZPSPMPBNBPBPBPMPMPSZZNMPBPBPMPSPSZNSNSPMPMPMPSZNSNSZPMPMPSZNSNMNMPSPSPSZNSNSNMNMPMPSZNSNMNMNMNBPBZZNMNMNMNBNB表2A人：模糊控制规则表eceNBNMNSZPSPMPBNBNBNBNMNMNSZZNMNBNBNMNSNSZNSNSNBNMNSNSZPSPSZNMNMNSZPSPMPMPSNM,NSZPSPSPMPBPMZZPSPSPMPBPBPBZZPSPMPMPBPB表3A5模糊控制规则表eceNBNMNSZPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZNSZNSNMNMNSNSZZZNSNSNSNSNSZPSZZZZZZZPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB反模糊化是把模糊控制器输出的模糊语言转化成精确数值，从而控制执行机构动作，本文选用加权平均法实现反模糊化。纯电动汽车驱动系统仿真分析在Mat1ab/Simu1ink环境下对纯电动汽车驱动系统车速电流双闭环控制系统建立的仿真模型如图4所示。整车参数、直流电机参数如表4、表5所示。仿真试验车辆选用陕西骊山汽车厂生产的1S6600C1中型汽车，电机选用包头永磁电机研究所生产的ZYCD-45永磁直流电机。表4试验车辆参数参数名称符号单位取值允许最大质量kg4700改装后整车质量irkg3750轮胎半径rm0.363迎风面积CDA23.48旋转质量换算系数81.05主减速器传动比tO6.175.568（1档）2.832（2档）变速器传动比1.634（3档）1.000（4档）0.814（5档）表5包头永安ZYCDY5电机参数参数名称符号单位取值额定电压V214额定电流KMA200额定转速nOmr/m3000额定功率C40额定转矩TnitmNm124最大功率PMkW60最高电压UmaxV288最高转速r/m4000最大转矩TaNm300电枢电阻Ra0.0265电枢电感1H0.00019电机质量mMkg145电机最高效率小1%93外形尺寸Vmm"294×580为了验证纯电动汽车驱动系统车速电流双闭环控制系统的动、静态特性，进行了匀速行驶运行工况仿真和爬坡行驶运行工况仿真。匀速行驶运行工况仿真控制加速踏板，使纯电动汽车在平直道路上以4档从停止状态加速到40km/h,然后匀速行驶。通过图6比较PID控制策略和模糊自适应整定PID控制策略对车速、电机电枢电流、汽车输出转矩的调节。比较PID控制策略和模糊自适应整定PID控制策略的系统动态性能，该系统稳态值为40km/h,误差带为二±2%,根据车速仿真曲线可以看出，PID控制策略对系统进行调节时，最大超调量op=2.45%,调节时间ts=4.34s;模糊自适应整定PID控制策略对系统进行调节时，最大超调量。P=0.85%,调节时间ts=3.87S0因此模糊自适应整定PID控制策略对纯电动汽车车速控制时的系统动态性能明显优于PID控制策略。3.2爬坡行驶运行工况仿真当纯电动汽车在平直道路上以4档、40km/h匀速行驶，在仿真时间7s时突加3%的道路坡度，8s时突变为平直道路。通过图7比较PID控制策略和模糊自适应整定PID控制策略在突然加载和突然卸载状态下对车速、电机电枢电流、汽车输出转矩的调节。图7PTD控制策略与模糊PTD控制策略对比在突然加载和突然卸载状态下，比较PID控制策略和模糊自适应整定PID控制策略系统的动态特性，该系统稳态值为40kmh,误差带为=±2%,根据车速仿真曲线可以看出，PID控制策略对系统进行调节时，最大超调量