崔 方， 劉芳華， 邱忠華， 魏玉平

(1. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2. 南京軍區(qū)，江蘇 南京 210016)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源危機(jī)與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)汽車(chē)工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，研制新型節(jié)能環(huán)保電動(dòng)汽車(chē)成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。由于受電池技術(shù)的限制，純電動(dòng)汽車(chē)的使用場(chǎng)合仍不夠廣泛。優(yōu)越的電動(dòng)汽車(chē)控制器和控制算法不僅可提高能量回饋過(guò)程中的制動(dòng)效果，且可有效提高能量利用率，從而延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程，故有必要對(duì)電機(jī)的控制器進(jìn)行研究。永磁無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)以其體積小、重量輕、控制簡(jiǎn)單、效率和能量密度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)中，本文以BLDCM為研究對(duì)象。目前，BLDCM控制系統(tǒng)廣泛采用傳統(tǒng)PID控制策略，由于BLDCM控制系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的特點(diǎn)，使其控制精度不高。為提高BLDCM的控制性能，以傳統(tǒng)PID與智能控制算法構(gòu)造成的復(fù)合控制算法成為BLDCM控制領(lǐng)域研究的新方向，其中模糊PID是研究熱點(diǎn)之一[1-3]。王葳等提出使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的控制，但只局限于仿真研究，缺少試驗(yàn)驗(yàn)證[1]。耿田軍等提出模糊PID算法對(duì)BLDCM在能量回饋狀態(tài)下的控制[3]，但考慮變量較少，控制效果不理想。

針對(duì)目前對(duì)模糊PID研究的不足，在分析BLDCM原理的基礎(chǔ)上，研制一種新型BLDCM控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)雙閉環(huán)控制器，一個(gè)控制BLDCM的電動(dòng)運(yùn)行，另一個(gè)控制BLDCM發(fā)電制動(dòng)。兩個(gè)雙閉環(huán)均采用電流內(nèi)環(huán)與速度外環(huán)的結(jié)構(gòu)，其中速度環(huán)采用模糊自適應(yīng)PI控制算法，電流環(huán)采用增量式PI控制算法。系統(tǒng)采用電機(jī)專(zhuān)用控制芯片dsPIC30F4012為主體進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，通過(guò)CAN總線(xiàn)與電動(dòng)車(chē)其他控制單元進(jìn)行組網(wǎng)通信。系統(tǒng)在不增加硬件的前提下，通過(guò)軟件對(duì)橋式逆變電路的控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電制動(dòng)。將研制的控制器進(jìn)行上車(chē)試驗(yàn)，結(jié)果表明： 在電動(dòng)狀態(tài)下，該系統(tǒng)控制的電機(jī)具有速度調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差小、自適應(yīng)能力強(qiáng)、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)；在回饋制動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)具有制動(dòng)時(shí)間短、速度變化平穩(wěn)、能量回饋效率高的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所研制的控制器具有良好的控制性能。

1 系統(tǒng)控制策略

1.1 脈沖寬度調(diào)制方式

在BLDCM電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，脈沖寬度調(diào)制(Pluse Width Modulation, PWM)方式主要有6種[4]，分別是H_PWM-L_PWM、PWM-ON、ON-PWM、H_PWM-L_ON、H_ON-L_PWM和PWM-ON-PWM。綜合6種調(diào)制方式的調(diào)制效果、功率損耗、系統(tǒng)復(fù)雜度及成本因素，本文選用PWM-ON調(diào)制方式。

當(dāng)BLDCM處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)回饋能量進(jìn)行升壓斬波控制。目前，有兩種升壓斬波方法，一種是在逆變器與電源之間加Boost變換器[5]，另一種是通過(guò)軟件對(duì)逆變器的控制產(chǎn)生一種類(lèi)似于Boost電路的功能[6-7]。由于第二種方法不需要增加硬件電路，不增加系統(tǒng)成本就可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，故本文采用第二種升壓斬波方式。第二種升壓斬波方式的PWM調(diào)制方式分全橋調(diào)制[6]和半橋調(diào)制[7]兩種，全橋調(diào)制對(duì)制動(dòng)及能量回饋的控制性能優(yōu)于半橋調(diào)制，故采用全橋調(diào)制方式。

1.2 系統(tǒng)控制算法

根據(jù)BLDCM電動(dòng)運(yùn)行與能量回饋制動(dòng)的原理[5]，該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。其中，電流環(huán)使用增量式PI控制算法，速度環(huán)采用模糊自適應(yīng)PI控制算法。

本文設(shè)計(jì)的BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速控制器和電流控制器，其中轉(zhuǎn)速控制器由增量式PI控制器和模糊控制器共同構(gòu)成。電動(dòng)運(yùn)行模式下，轉(zhuǎn)速控制器的輸入e=nref-n，電流控制器的輸入Δi=i*-i；發(fā)電制動(dòng)模式下，轉(zhuǎn)速控制器的輸入e=-nref+n，電流控制器的輸入Δi=-i*+i。其中，nref為給定轉(zhuǎn)速；n為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；i*為轉(zhuǎn)速控制器輸出的電流值；i為電機(jī)實(shí)際電流

電流環(huán)的增量式PI算法表達(dá)式如式(1)～(3)所示為

(1)

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

(2)

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)T

(3)

式中：T——微控制器的采樣周期；

e(k)——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；

kp——比例系數(shù)；

ki——積分系數(shù)，ki=kp/Ti；

u(k)——第k次采樣電流環(huán)的輸出值。

為防止電機(jī)繞組中電流過(guò)大，系統(tǒng)設(shè)置電流環(huán)輸出的最大值，即對(duì)PWM占空比進(jìn)行限制。

圖1中，模糊控制器的輸入為給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差e及其變化率ec，輸出為PI控制器比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki的整定變化量Δkp、Δki。系統(tǒng)采用{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}7個(gè)模糊狀態(tài)，電動(dòng)運(yùn)行模式下的論域C={-6，-4，-2，0，2，4，6}，能量回饋模式下的論域C={-3，-2，-1，0，1，2，3}。控制器隸屬度函數(shù)采用識(shí)別性較高的三角函數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家知識(shí)，建立Δkp、Δki的模糊規(guī)則，分別如表1、表2所示。

圖1 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)速誤差e轉(zhuǎn)速誤差變化率ecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPSPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNBNBPBPBPMPMPSZOZO

表2 Δki的模糊控制規(guī)則表

采用Mamdani模糊邏輯推理，加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊，求出模糊控制輸出的精確量{ek,ecj}。再根據(jù)式(4)得出kp和ki為

(4)

式中，kp0，ki0分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)的初始值。

在運(yùn)行中對(duì)e和ec進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將其量化到相應(yīng)的論域中，然后到控制表中查找各個(gè)參數(shù)的相應(yīng)修正值，完成對(duì)kp和ki的在線(xiàn)自整定。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了以DSP為核心的電動(dòng)車(chē)用BLDCM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。上電時(shí)，整車(chē)控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)向電機(jī)控制器發(fā)送指令報(bào)文，電機(jī)控制器定時(shí)回傳電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(包括電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng))，檢測(cè)電路檢測(cè)霍爾位置傳感器的狀態(tài)，根據(jù)PWM調(diào)制方式，產(chǎn)生當(dāng)前狀態(tài)下的各路驅(qū)動(dòng)的邏輯信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路放大，對(duì)橋式逆變電路進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制。邏輯保護(hù)電路起到對(duì)控制系統(tǒng)的硬件保護(hù)作用，當(dāng)DSP受到干擾出現(xiàn)執(zhí)行指令不正確時(shí)，仍可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件保護(hù)。

圖2逆變電路中的功率管Q1～Q6是NMOS管。逆變電路中的RCD吸收電路，雖降低了系統(tǒng)效率，但可對(duì)由高頻開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的du/dt或di/dt起到限制作用，并將NMOS管的功耗轉(zhuǎn)移到R，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。柵漏極間的穩(wěn)壓二極管與電阻組成的懸浮電路可將柵極電壓拉到低電位，保證功率管可靠關(guān)斷。

圖2 電動(dòng)車(chē)用BLDCM控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，將控制系統(tǒng)分為若干模塊。本控制系統(tǒng)軟件由主程序和若干中斷服務(wù)子程序組成。主程序主要完成上電自檢，對(duì)芯片、變量的初始化及發(fā)送CAN指令報(bào)文等。中斷服務(wù)子程序包括霍爾電平變化中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序、CAN中斷服務(wù)子程序和定時(shí)器中斷服務(wù)子程序等。

霍爾電平變化中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的換相控制和當(dāng)前轉(zhuǎn)速計(jì)算。A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序的功能是將手柄電壓和電機(jī)母線(xiàn)電流采樣值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的手柄電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速。CAN中斷服務(wù)子程序完成總線(xiàn)報(bào)文的接收。在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中完成CAN報(bào)文的發(fā)送，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)完成相應(yīng)的控制算法計(jì)算。定時(shí)器中斷流程圖如圖3所示?？刂破鞲鶕?jù)表3所示的關(guān)系導(dǎo)通MOS管。

圖3 定時(shí)器中斷流程圖

霍爾信號(hào)電動(dòng)運(yùn)行發(fā)電制動(dòng)001V1_PWM-V4_ONV2_PWM-V3_PWM010V1_ON-V6_PWMV2_PWM-V5_PWM011V3_PWM-V6_ONV4_PWM-V5_PWM100V3_ON-V2_PWMV4_PWM-V1_PWM101V5_PWM-V2_ONV6_PWM-V1_PWM110V5_ON-V4_PWMV6_PWM-V3_PWM

3 試驗(yàn)結(jié)果

將所研制的控制器安裝在BLDCM試驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)其進(jìn)行功能有效性驗(yàn)證。其試驗(yàn)用BLDCM的技術(shù)參數(shù)： 額定功率1kW，額定電壓48V，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，最大效率點(diǎn)電流43A，相電阻0.2Ω，相電感8.5mH。

電機(jī)在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)，分別如圖4所示。其中實(shí)線(xiàn)是使用模糊PI控制器控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)，虛線(xiàn)是使用PI控制器控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)。由圖4(a)可知，在模糊PI控制器控制下，電機(jī)具有速度響應(yīng)快、系統(tǒng)超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小等特點(diǎn)。由圖4(b)可知，與采用PI控制策略的普通控制器相比，模糊PI控制器具有速度變化平穩(wěn)、制動(dòng)時(shí)間短等特點(diǎn)。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n為1800r/min時(shí)，切換成發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)能量回饋效率為0.75，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的模糊PI控制器具有能量回饋效率高的特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明所研制的控制器對(duì)電機(jī)具有良好的控制性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以dsPIC30F4012為控制核心的電動(dòng)車(chē)用BLDCM控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)本設(shè)計(jì)方案研制的控制器對(duì)電動(dòng)車(chē)用BLDCM具有良好的控制性能，具體如下：

(1) 在電動(dòng)模式下，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)量小，系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。

(2) 在回饋制動(dòng)模式下，電機(jī)速度下降平穩(wěn)、制動(dòng)時(shí)間短、能量回饋效率高。

該控制器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行、能量利用率高、單次充電行駛里程長(zhǎng)的目標(biāo)。目前該控制器已通過(guò)樣車(chē)試驗(yàn)。

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