双电机电传动车辆PID参数自整定控制算法研究

2018-05-07王剑波彭清祥吴罕奇

机电工程技术 2018年3期

王剑波，彭清祥，吴罕奇，徐阳

（三一重工股份有限公司，湖南长沙 410100）

在双侧电机独立驱动的电传动车辆中，左右两侧电机分别驱动两侧主动轮，取消了转向和变速机构，通过实施控制两侧驱动电机动力输出实现车辆直线行驶和转向[1]。由于两侧主动轮之间不存在机构约束，使得车辆在直线行驶工况下有可能两侧主动轮到转速不同而导致车辆直线跑偏。直线行驶稳定性是衡量电传动车辆的一项重要指标[2]。本文通过对左右两侧驱动电机的PID参数进行自整定，达到对双电机进行协同控制、提高车辆的直线行驶稳定性的目的。

1 采用双电机驱动系统的电传动车辆系统构成

图1为电传动车辆双电机驱动系统构成，主要由高压部分和低压部分组成[3]。高压部分由发动机-发电机组、左/右驱动电机、左/右电机控制器、动力电池组、高压配电盒、DCDC转换模块等组成；低压部分包括DC24V铅酸蓄电池、整车低压电器、整车控制器、发动机控制ECU、发电机控制器GCU、电池管理系统BMS、DCDC控制模块等，通过高速CAN总线实现各模块间的实时数据通讯。

图1 电传动车辆双电机驱动系统构成

整车控制器根据整车运行状态、电池组能量状态、操作员操作意图、高压系统安全策略等计算左右两侧驱动轮的驱动力输出，向左右驱动电机控制器发送目标转矩和目标转速，从而分别控制左右两侧驱动电机的转矩和转速。整车控制器和电池管理系统实施进行数据交换，监控整车能量状态，控制发动机和发电机控制器，实现整车高效能量管理。

2 双闭环行驶控制系统

本文采用的双电机独立驱动的电传动车辆的行驶控制系统为双闭环结构，控制框图如图2所示。整车控制器是整车的核心控制单元，它通过CAN总线，与左右两侧电机控制器进行高速数据通讯[4]。整车控制器通过采集到的加速、制动、转向、档位信号，计算出左右两侧驱动电机下一时刻的控制目标转速和旋转方向，并通过CAN总线发送给两侧驱动电机控制器；左/右驱动电机控制器分别根据接收到的控制目标转速和旋转方向，并与反馈的实际转速进行比较，通过PID实时调节车体左/右侧驱动电机的实际转矩，从而实现左/右驱动电机转速的闭环调节，确保左/右侧驱动电机转速跟随目标转速。

由于双电机驱动形式取消了传统的机械式差速器，所以保证车辆能够正常直线行驶的核心就是双电机的转速一致性。直线行驶时，整车控制器同时监控左右两侧驱动电机实际转速，当两侧驱动电机转速差超出设定范围时，通过转矩补偿控制策略，实时调整左右两侧驱动电机转矩（转速低的一侧增加转矩，转速高的另一侧减小转矩），从而实现左右两侧电机转速同步的协同控制。

3 PID参数自整定控制算法

为了进一步提高车辆的直线行驶稳定性，本文对左右两侧驱动电机的PID参数进行自整定。PID控制中一个至关重要的问题是控制器的参数整定问题，即三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定，整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外，由于现代工业控制系统中存在着非线性和不确定性，这些因素能造成模型参数或模型结构的变化，使得原来整定的参数无法保证系统继续良好工作，这就要求PID控制器具有在线修正参数的功能[5]。

本文采用基于Gauss算法的PID参数自整定控制策略[6]，比例系数P与偏差（目标值与实际值的差值）成正比关系，积分时间I与偏差成反比关系，微分时间D与偏差成反比关系，有利于加快系统的响应速度，有效降低稳态误差，提高控制精度，提高转向灵敏度和缩短恢复时间。图3为变P参数曲线图，图4为变I参数曲线图，图5为变P参数曲线图。

图2 双闭环行驶系统控制框图

图3 变P参数曲线图

图4 变I参数曲线图

图5 变D参数曲线图

采用Gauss函数构造P、I、D增益函数，得到表达式为：

式（1） - （3）中， Kp0、Ki0、Kd0为按常规PID控制器整定参数，为修正系数，主要取决于控制变量的限幅值和对象的稳定性，越大，动态响应越快，但太大容易引起过大超调；e为速度偏差。

4 试验及结果分析

本文采用的PID参数自整定控制算法在某双电机独立驱动的电传动车辆上进行试验。图6为有转矩补偿控制时双侧电机的转速响应曲线。图7为PID参数自整定后的双侧电机的转速响应曲线。左右两侧驱动电机转速基本一致，车辆能够保持直线行驶，表明采用PID参数自整定的控制算法后左右电机转速较稳定，直线行驶稳定性良好。