对电动汽车电机驱动系统效率控制优化的探讨

摘要：电动汽车以其节能、环保“零排放”(或少排放)等优势，逐渐成为汽车行业的新秀。电机驱动系统是电动汽车的心脏，因此，研究电动汽车的电机驱动及其控制技术成为业内技术人员一直关注的重要课题。本文结合笔者所学知识和多年工作经验，针对如何优化设计电动汽车的电机驱动系统做出探讨，仅供同行参考。

关键词：电动汽车；电机驱动；优化设计；控制策略

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

电机驱动系统及其设计控制方法，将影响到电动汽车运行各项性能指标。研究对电机驱动控制器控制系统的设计主要包括对电动汽车电机驱动控制策略的选择，建立了电机驱动控制系统的控制模型，并在确定系统PI控制参数的基础上，以增量式PI控制算法对控制功能得以实现，并设计了控制系统的主控制程序。

一、电机驱动控制系统的结构

电机驱动控制系统结构图，如图1所示。驾驶员对电机的操纵指令被转换成可变的电压信号，与电枢电流的反馈电压信号比较后，通过主控制器的控制算法输出控制电压，通过改变PWM变换电路的占空比来控制电机端电压的平均值，调节电机电流和转速。

图1 电机驱动控制系统结构图

PWM变换器的传递函数。在研究中当驾驶员发出的控制电压信号改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个方波周期方能改变，可以将PWM变换装置看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期。因此，PWM装置的近似传递函数：

（）= （1）

式中，：PWM装置的放大系数

二、电动汽车电机驱动控制策略

2.1 电机驱动控制策略的选择

目前，内燃机在主要转速范围内，输出为近似的恒力矩特性，通过驾驶员的操纵，使车辆的原动机基本保持在高效率工作区。采用电流控制策略的电动汽车具有与内燃机车辆一样的驱动特性。因此本文研究驱动电机选取调节电机输出力矩的控制策略，驾驶员的控制指令在瞬时对应于电机输出力矩，在稳态对应于输出转速的控制，并通过电流反馈实现电流闭环，从而使得电机始终工作在最大限流区内，从而获得较高的动态响应和驱动效率。驾驶员可通过对电机电枢电流的相应控制，通过调节电流的大小调节电机驱动转矩，从而可以控制汽车的行驶速度，实现驾驶员期望的行驶速度。通过驾驶员对车辆行驶速度调节就实现了电机的转速闭环控制，如果把驾驶员也看成一个控制环节，这样就形成了一个外环有驾驶员参与的转速闭环控制，内环为电机电枢电流闭环控制的双闭环控制系统，这种控制策略适合于人工操纵的车辆的驱动驾驶。

2.2 力矩控制策略

对永磁直流电机系统，可采用比例积分微分控制系统（如PID)进行调节的电流负反馈控制实现力矩控制。驱动电机系统可采用由控制踏板直接输入电流(力矩)指令的方式，通过电流传感器实时检测电枢电流构成电流闭环控制。在理想条件下，永磁直流电动机的力矩—转速特性为平行于转速轴的直线。其曲线方程为：=。式中，为驱动电机电枢电流。

三、电机驱动控制系统的控制模型

为了满足电机驱动控制系绕快速响应的要求，当电压控制信号改变时，要求电动机的转速变化能迅速跟上控制信号的改变，就要求电动机的动态过渡过程越短越好。因此，对电机驱动控制的数学模型进行研究也是很必要的。本系统永磁直流电机的动态过程是一个非常复杂的机电瞬变过程。在整个机电过渡过程中，电气过渡过程和机械过渡过程同时存在，两者交叠在一起，又相互影响。永磁直流电机的等效电路，如图2所示。

图2 永磁直流电机等效电路图

其中，：电机的反电动势；：电机电枢回路的电阻；：电枢电流；：电机两端的端电压；：电机的电感；：电机的电磁转矩；：电机的负载转矩；：电机的转速。

永磁直流电动机的动态方程如下：=；=；=++；-=。式中，：电动机在额定磁通下电动势转速比；：电动机在额定磁通下转矩转速比，且=（30/）；：电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的转动惯量。对式(3)进行拉普拉斯变换，并令全部初始条件为零，可得电机驱动时电流方程：

（）=[（）+（）]（2）

式（2）可以表示成框图，如图3所示。由图3可以看出电枢电流由电机的端电压和电机的负载转矩决定。

图3 永磁直流电机驱动控制图

3.1 电流PID控制器的传递函数

电机驱动控制系统实现串联校正的方案有比例微分(PD)、比例积分(PI)和比例积分微分(PID)三种调节环节。PID控制器是控制系统中技术比较成熟的，而且应用是最广泛的一种控制器，它结构简单，参数容易调整。一般的调速系统要求以稳核准为主，所以常用PID调节校正。电流控制器的传递函数为：

（）=（3）

式中，：比例调节系数；：积分时间常数；：微分时间常数

3.2 电机驱动控制器算法的实现

3．2.1增量式PID控制原理

因为系统主要是要获得控制量的增量，因此，可采用增量式PID控制算法。由递推原理可得：

（4）

增量式PID控制算法可得：

（5）

3．2.2增量式PID控制仿真

假设传递函数为

（）= （6）

其中 取8.0, 取0.1，取10时的增量式阶跃跟踪结果如图4所示

图4第一组PID整定参数的收敛曲线

其中 取12.0, 取0.08，取10时的增量式阶跃跟踪结果如图5所示

图5第二组整定参数的收敛曲线

由上面两组参数的比较可见，第一组参数时，驱动系统响应快，但转矩输出不平稳，有振荡；第二组参数下，驱动系统响应相对较慢，但整个升速过程平稳，转矩输出均匀，无振荡。

由此可见，不同的参数整定对系统的收敛起着重大的作用。因此参数的整定，对系统的运行效率，也有着很大的影响。

3．2.3 增量式PID控制算法的流程

电机驱动控制系统控制器PID算法模块的程序流程，如图6所示。系统在运行中，首先从CAN总线读取PI控制器的参数，通过定时器每间隔中断一次，完成一次PID控制计算，从而不断调整被控参数，LPC2119中的PWM单元根据控制参数的变化，调整PWM输出波形的占空比，完成实时控制任务。在一般序况下，输出控制增量会在一个相对较小的范围内波动最后达到平滑控制，所以在程序中对输出增量大小规定了上限值和下限值。

图6 增量式PID控制算法流程图

3.2.4 PID控制器参数的选定

PID控制器参数选择的好坏，直接影响到控制效果的好坏。PID参数的整定方法很多，归纳起来可以分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法要求已知过程的数学模型，并且计算繁琐，工作量大，可靠性不高，在现场使用中还需反复修正，因而在工程上用的不多。工程整定法无需事先知道过程的数学模型，直接在控制统中进行现场整定，方法简单，易于掌握，目前比较常用的是所谓临界比例度法。在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程，此时的比例度称为临界比例度，相邻两个波峰的时间间隔，称为临界振荡周期。这时记下比例系数、临界振荡周期为，根据Ziegler-Nichols提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数。

控制器参数，如表1所示。实际上是按衰减度为1／4得到的。通常认为1／4的衰减度能兼顾到稳定性和快速性。数字PID控制中，因为采样周期比控制对象的时间常数小得多，所以是准连续PID控制，通过上述方法得到的是模拟调节器参数整定的方法，对于数字PI调节器原则上也是适用的。

表1 选定的PID控制器参数

3.2.5控制器主程序设计

主程序中主要是进行系统的初始化工作，包括对主控制器的内核初始化，模数转换子模块的初始化，PWM输出子模块的初始化，A／D转换子模块的初始化，CAN总线子模块的初始化，系统初始化完成后进人中断循环。其主程序的设计流程图，如图7所示。

图7 控制器主程序的设计流程图

四、结束语

本文通过对电机驱动控制方案的比较，本着减少电机损耗的原则，为实现电动汽车电机驱动系统效率优化的目的，采用调节电机输出力矩的控制策略，建立了电机驱动控制系统的数学模型。实验结果表明，文中提出的方法能够显著提高电机运行效率，降低系统损耗，满足电机驱动系统高效运作的要求。

参考文献

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