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雙電機電傳動車輛PID參數自整定控制算法研究

2018-05-07 05:40:22王劍波彭清祥吳罕奇

機電工程技術 2018年3期

王劍波，彭清祥，吳罕奇，徐陽

（三一重工股份有限公司，湖南長沙 410100）

在雙側電機獨立驅動的電傳動車輛中，左右兩側電機分別驅動兩側主動輪，取消了轉向和變速機構，通過實施控制兩側驅動電機動力輸出實現車輛直線行駛和轉向[1]。由于兩側主動輪之間不存在機構約束，使得車輛在直線行駛工況下有可能兩側主動輪到轉速不同而導致車輛直線跑偏。直線行駛穩定性是衡量電傳動車輛的一項重要指標[2]。本文通過對左右兩側驅動電機的PID參數進行自整定，達到對雙電機進行協同控制、提高車輛的直線行駛穩定性的目的。

1 采用雙電機驅動系統的電傳動車輛系統構成

圖1為電傳動車輛雙電機驅動系統構成，主要由高壓部分和低壓部分組成[3]。高壓部分由發動機-發電機組、左/右驅動電機、左/右電機控制器、動力電池組、高壓配電盒、DCDC轉換模塊等組成；低壓部分包括DC24V鉛酸蓄電池、整車低壓電器、整車控制器、發動機控制ECU、發電機控制器GCU、電池管理系統BMS、DCDC控制模塊等，通過高速CAN總線實現各模塊間的實時數據通訊。

圖1 電傳動車輛雙電機驅動系統構成

整車控制器根據整車運行狀態、電池組能量狀態、操作員操作意圖、高壓系統安全策略等計算左右兩側驅動輪的驅動力輸出，向左右驅動電機控制器發送目標轉矩和目標轉速，從而分別控制左右兩側驅動電機的轉矩和轉速。整車控制器和電池管理系統實施進行數據交換，監控整車能量狀態，控制發動機和發電機控制器，實現整車高效能量管理。

2 雙閉環行駛控制系統

本文采用的雙電機獨立驅動的電傳動車輛的行駛控制系統為雙閉環結構，控制框圖如圖2所示。整車控制器是整車的核心控制單元，它通過CAN總線，與左右兩側電機控制器進行高速數據通訊[4]。整車控制器通過采集到的加速、制動、轉向、檔位信號，計算出左右兩側驅動電機下一時刻的控制目標轉速和旋轉方向，并通過CAN總線發送給兩側驅動電機控制器；左/右驅動電機控制器分別根據接收到的控制目標轉速和旋轉方向，并與反饋的實際轉速進行比較，通過PID實時調節車體左/右側驅動電機的實際轉矩，從而實現左/右驅動電機轉速的閉環調節，確保左/右側驅動電機轉速跟隨目標轉速。

由于雙電機驅動形式取消了傳統的機械式差速器，所以保證車輛能夠正常直線行駛的核心就是雙電機的轉速一致性。直線行駛時，整車控制器同時監控左右兩側驅動電機實際轉速，當兩側驅動電機轉速差超出設定范圍時，通過轉矩補償控制策略，實時調整左右兩側驅動電機轉矩（轉速低的一側增加轉矩，轉速高的另一側減小轉矩），從而實現左右兩側電機轉速同步的協同控制。

3 PID參數自整定控制算法

為了進一步提高車輛的直線行駛穩定性，本文對左右兩側驅動電機的PID參數進行自整定。PID控制中一個至關重要的問題是控制器的參數整定問題，即三參數（比例系數、積分時間、微分時間）的整定，整定的好壞不但會影響到控制質量，而且還會影響到控制器的魯棒性。此外，由于現代工業控制系統中存在著非線性和不確定性，這些因素能造成模型參數或模型結構的變化，使得原來整定的參數無法保證系統繼續良好工作，這就要求PID控制器具有在線修正參數的功能[5]。

本文采用基于Gauss算法的PID參數自整定控制策略[6]，比例系數P與偏差（目標值與實際值的差值）成正比關系，積分時間I與偏差成反比關系，微分時間D與偏差成反比關系，有利于加快系統的響應速度，有效降低穩態誤差，提高控制精度，提高轉向靈敏度和縮短恢復時間。圖3為變P參數曲線圖，圖4為變I參數曲線圖，圖5為變P參數曲線圖。

圖2 雙閉環行駛系統控制框圖

圖3 變P參數曲線圖

圖4 變I參數曲線圖

圖5 變D參數曲線圖

采用Gauss函數構造P、I、D增益函數，得到表達式為：

式（1） - （3）中， Kp0、Ki0、Kd0為按常規PID控制器整定參數，為修正系數，主要取決于控制變量的限幅值和對象的穩定性，越大，動態響應越快，但太大容易引起過大超調；e為速度偏差。

4 試驗及結果分析

本文采用的PID參數自整定控制算法在某雙電機獨立驅動的電傳動車輛上進行試驗。圖6為有轉矩補償控制時雙側電機的轉速響應曲線。圖7為PID參數自整定后的雙側電機的轉速響應曲線。左右兩側驅動電機轉速基本一致，車輛能夠保持直線行駛，表明采用PID參數自整定的控制算法后左右電機轉速較穩定，直線行駛穩定性良好。