黃星海， 劉海鷗， 楊愛(ài)均

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

AMT試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃星海， 劉海鷗， 楊愛(ài)均

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

文章針對(duì)自動(dòng)機(jī)械變速器試驗(yàn)臺(tái)使用發(fā)動(dòng)機(jī)存在成本高、安裝復(fù)雜以及受負(fù)載限制而出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于變頻器的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)代替發(fā)動(dòng)機(jī)作為AMT試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力源，并介紹了AMT試驗(yàn)臺(tái)以及電機(jī)的調(diào)速原理，詳細(xì)闡述了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用虛擬油門模擬油門踏板作為駕駛員意圖的輸入來(lái)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)與AMT控制單元之間的CAN通訊以及電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)速功能，并建立了自適應(yīng)PID控制器，從而對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足AMT試驗(yàn)臺(tái)的使用要求。

自動(dòng)機(jī)械變速器；AMT試驗(yàn)臺(tái)；發(fā)動(dòng)機(jī)；變頻器；電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；CAN通訊；自適應(yīng)PID控制

0 引 言

自動(dòng)機(jī)械變速器（AMT）是在傳統(tǒng)定軸式齒輪變速器的基礎(chǔ)上，控制器（ECU）根據(jù)駕駛員意圖（油門開度及其變化率）和車輛運(yùn)行狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、車速、擋位等），借助于相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)），對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器等進(jìn)行自動(dòng)協(xié)調(diào)操縱而實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)變速系統(tǒng)。它保留了傳統(tǒng)機(jī)械變速器傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有自動(dòng)變速器操縱簡(jiǎn)單、乘坐舒適性良好的特點(diǎn)。隨著AMT技術(shù)的發(fā)展，世界各大汽車廠商不再僅僅局限于自動(dòng)換擋功能的開發(fā)，開始了智能化換擋技術(shù)的研究。

AMT臺(tái)架試驗(yàn)是AMT研究開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)AMT進(jìn)行性能測(cè)試，優(yōu)化換擋規(guī)律，實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為AMT裝車打下基礎(chǔ)。由于安裝比較復(fù)雜、成本較高以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)性不易控制，在進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)一般采用感應(yīng)電機(jī)來(lái)替代發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。為協(xié)調(diào)電機(jī)和變速器的控制，需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［1－2］。

1 AMT試驗(yàn)臺(tái)的組成與原理

本試驗(yàn)臺(tái)主要用于AMT系統(tǒng)在實(shí)車上的基本性能模擬和自動(dòng)換擋功能實(shí)驗(yàn)，所涉及的AMT系統(tǒng)具有9個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋；AMT系統(tǒng)的選位、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和離合器自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)均采用電控液動(dòng)式，即通過(guò)液壓油缸來(lái)控制選位、掛擋和離合器的分離結(jié)合；同時(shí)，該AMT采用復(fù)合式變速器，由主、副箱構(gòu)成，副箱高低擋的切換通過(guò)電控氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；AMT系統(tǒng)ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過(guò)CAN總線進(jìn)行通訊，使離合器接合平順、減小換擋沖擊。試驗(yàn)臺(tái)采用交流異步電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，主要分為電控部分和機(jī)械部分，電控部分由上位機(jī)、電機(jī)控制ECU和AMT電控單元ECU組成，上位機(jī)主要是通過(guò)與AMT電控ECU的串口通訊來(lái)監(jiān)測(cè)AMT系統(tǒng)的狀態(tài)并保存、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)；電機(jī)控制ECU根據(jù)模擬油門信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速并與AMT電控ECU實(shí)現(xiàn)CAN通訊；AMT電控ECU是AMT系統(tǒng)的核心，作用是控制變速器自動(dòng)換擋、離合器自動(dòng)接合以及換擋時(shí)協(xié)同控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。機(jī)械部分主要包括三相交流異步電機(jī)、變頻器、油源、氣源、變速器、離合器總成、慣量、測(cè)功機(jī)以及各種相關(guān)傳感器等，其工作原理如圖1所示［3］。

圖1 AMT試驗(yàn)臺(tái)工作原理圖

2 電機(jī)控制需求分析與變頻調(diào)速原理

本試驗(yàn)臺(tái)采用異步電機(jī)代替實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)作為臺(tái)架的動(dòng)力源，需要電機(jī)具有發(fā)動(dòng)機(jī)隨油門、負(fù)載改變轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的功能。因此，要求電機(jī)控制必須快速響應(yīng)模擬油門的變化，當(dāng)模擬油門變大或變小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速能快速、平滑地增大或減小，并穩(wěn)定在某一個(gè)值；在換擋過(guò)程中，AMT電控ECU通過(guò)CAN通訊向電機(jī)控制ECU發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制應(yīng)能快速地對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使離合器結(jié)合得更平順、更快捷，調(diào)速結(jié)束后，電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)由模擬油門控制；在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)控制ECU必須實(shí)時(shí)向AMT電控ECU發(fā)送油門和電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，以便AMT做出正確的決策。

對(duì)于三相異步交流電機(jī)有：

其中，Eg為氣隙磁通在定子繞組中每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；f1為定子的頻率；N1為定子繞組的匝數(shù)；KN1為繞組系數(shù)；φm為每極氣隙磁通量；Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Cm為比例系數(shù)；I2為轉(zhuǎn)子電流；cosφ2為轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)［4］。

從（1）式可以看出，在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，為了保持電機(jī)最大扭矩不變，必須維持電機(jī)每極氣隙磁通量為額定值，并保持不變，因此通過(guò)改變頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，也要改變定子的供電電壓。要保持I的恒定，當(dāng)頻率f1從額定值也就是基頻fN向下調(diào)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，使Eg／f1＝常數(shù)，即氣隙磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)。然而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)難以直接控制，忽略定子壓降，認(rèn)為定子相電壓U1≈Eg，則U1／f1＝常數(shù)，這就是恒壓頻比的控制方式，這種方式一般只用于基頻以下的調(diào)速。低頻時(shí)，由于U1、Eg都比較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較大，不能忽略，這時(shí)可以認(rèn)為把定子電壓U1抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。

3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作原理圖可以看出，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由電機(jī)、變頻器、電機(jī)控制ECU、模擬油門以及轉(zhuǎn)速傳感器等組成。

因此，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1）CAN通訊功能。在實(shí)車中，AMT控制單元與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的通訊是動(dòng)力傳動(dòng)一體化控制的關(guān)鍵，通過(guò)CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)AMT與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元之間的通訊，達(dá)到數(shù)據(jù)共享，從而提高AMT起步、換擋的品質(zhì)，因此實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的CAN通訊功能顯得十分重要。

（2）電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)速功能。調(diào)速控制器主要接收2個(gè)控制信號(hào)，一是來(lái)自AMT電控單元通過(guò)CAN總線發(fā)出的調(diào)速信號(hào)，另一個(gè)是來(lái)自虛擬油門的控制信號(hào)，其中來(lái)自AMT電控單元的調(diào)速信號(hào)優(yōu)先級(jí)更高，當(dāng)有控制信號(hào)發(fā)出時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)必須依據(jù)控制信號(hào)精確地進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

（3）電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)與模擬油門開度信號(hào)的采集，并發(fā)送給AMT系統(tǒng)ECU，以便其跟蹤電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。

3.1 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，調(diào)速控制器采用飛思卡爾MC08HC908GZ16單片機(jī)，主要利用該單片機(jī)的MSCAN08、ESCI、定時(shí)器以及A／D模塊等。本臺(tái)架使用三菱變頻器，其內(nèi)部有與外部連接的控制回路，外部控制輸入通過(guò)頻率設(shè)定器來(lái)控制輸出頻率和電壓的大小，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，該變頻器的頻率設(shè)定器由功率為0.5W、電阻為1kΩ的可變電阻組成。可變電壓由單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器模塊輸出可調(diào)的PWM方波實(shí)現(xiàn)，輸出的PWM方波經(jīng)一階低通濾波后輸入變頻器控制回路控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。該P(yáng)WM方波的占空比可以通過(guò)模擬油門或CAN接收中斷或者串口接收中斷設(shè)定，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖

從圖2可以看出，系統(tǒng)只有在變頻器處于外部工作模式下才能自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)上電啟動(dòng)后，控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有來(lái)自于CAN總線上AMT電控單元調(diào)速信號(hào)或虛擬油門的控制信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)控制指令時(shí)，控制指令確定電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，得到的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，經(jīng)PID控制算法計(jì)算后，單片機(jī)定時(shí)器通道輸出一定占空比的PWM方波，其經(jīng)電機(jī)控制電路轉(zhuǎn)化成變化的電壓輸入變頻器，進(jìn)而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。與此同時(shí)，調(diào)速控制器以20ms為周期不斷地向AMT電控系統(tǒng)發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)速和虛擬油門大?。?－7］。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)PID控制

為了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)PID控制器，其主要原理是以實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速的誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，利用模糊控制規(guī)則在線地對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修正，這樣便構(gòu)成了模糊自適應(yīng)PID控制器，如圖3所示。自適應(yīng)PID在線修正的工作原理如圖4所示。

圖3 自適應(yīng)PID控制器框圖

圖4 自適應(yīng)PID在線修正工作原理

PID參數(shù)的修正必須考慮到在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互關(guān)系，使被控對(duì)象達(dá)到動(dòng)靜態(tài)性能的最佳結(jié)合點(diǎn)［8］，并建立模糊控制規(guī)則表。然后根據(jù)模糊控制規(guī)則表和3個(gè)輸出量ΔkP、ΔkI、ΔkD的隸屬度函數(shù)，得出輸出量的查詢表。系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)不同的e和ec在線查出輸出量的修正參數(shù)，然后代入（3）式計(jì)算完成對(duì)PID參數(shù)的在線修正。

4 電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的功能，主要進(jìn)行CAN通訊和控制電機(jī)調(diào)速試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)按圖1所示原理圖連接好后（其中AMT電控系統(tǒng)不連接），用CAN卡將調(diào)速控制器與上位機(jī)連接，通過(guò)CAN－BUS測(cè)試軟件接收與發(fā)送數(shù)據(jù)。電機(jī)加、減速試驗(yàn)是通過(guò)上位機(jī)向控制器發(fā)出一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制指令，使電機(jī)加速或減速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，上位機(jī)與控制器使用CAN進(jìn)行通訊以便同時(shí)測(cè)試控制器的CAN通訊功能。

電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖5所示的電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可知，當(dāng)t＝0上位機(jī)發(fā)出調(diào)速指令時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有立即發(fā)生變化，而是在起始轉(zhuǎn)速周圍波動(dòng)，這是由于系統(tǒng)響應(yīng)延遲造成的，響應(yīng)時(shí)間大概為140ms；之后電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升或下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度和減速度相差不大，均為每秒400r／min左右；電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量很小，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在目標(biāo)轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)，而且當(dāng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越高時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的振動(dòng)加劇，導(dǎo)致系統(tǒng)所采用的磁電式傳感器精度降低，而調(diào)速控制器不斷地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，但其波動(dòng)范圍在允許的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)控制電機(jī)的加速和減速特性滿足實(shí)驗(yàn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)AMT試驗(yàn)臺(tái)的要求，設(shè)計(jì)了基于變頻器的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)控制電機(jī)，使其代替發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力源，調(diào)速系統(tǒng)采用虛擬油門模擬發(fā)動(dòng)機(jī)油門踏板，并實(shí)現(xiàn)了CAN通訊功能，同時(shí)調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)加速和減速特性良好，整個(gè)系統(tǒng)能很好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的一些基本功能，滿足AMT試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力需求。

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Design of motor speed control system on AMT test－bench

HUANG Xing－h(huán)ai， LIU Hai－ou， YANG Ai－jun
（School of Machinery and Vehicles，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Aiming at solving problems like high cost，complex installation and unstable running because of loads restriction in the engine in used automatic mechanical transmission（AMT）test－bench，a motor speed control system based on frequency converter is designed to replace engine as the power source of AMT testbench.The principles of the AMT test－bench and the speed regulation of motor are introduced，and the design scheme for the motor speed control system is elaborated.The system uses virtual accelerator to simulate the accelerator pedal as the input of the driver’s intent to control the motor，and functions such as the CANBUS communication between the speed control system and AMT control unit and the real－time motor speed control are achieved.And a self－adaptive PID controller is established，thus accomplishing the precise control of the motor speed.The experiments are done to verify the system，and the results show that the motor speed control system meets the requirements of the AMT test－bench.

automatic mechanical transmission（AMT）；AMT test－bench；engine；frequency converter；motor speed control system；CAN－BUS communication；self－adaptive PID control

U467.3

A

1003－5060（2013）02－0152－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2013.02.006

2012－05－17；

2012－10－24

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006AA110115）

黃星海（1990－），男，江西宜春人，北京理工大學(xué)碩士生；

劉海鷗（1976－），女，河北唐山人，博士，北京理工大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張 镅）