电动汽车节能控制器的设计研究
2019-11-12詹慧贞范珍珍
詹慧贞 范珍珍
摘 要： 以建设资源节约型社会为目标，降低出行成本，文中设计一款电动汽车节能控制器。控制芯片采用具备节能功能的嵌入式X186单片微控制器，负责采集和处理电动汽车发动机信号，保证信号完整输出。输出控制电路对X186单片微控制器输出信号进行汇总、分析，通过调整电流传送规律，控制发动机扭矩策划最佳节能方案。模糊PID节能控制核心是模糊推理，确定模糊PID控制器隶属度函数后，增加调整因子求取模糊PID实际输出，实现电动汽车节能控制。测试结果表明，控制器节能效果显著，节能控制过程中具有稳定性强、误差率小的性能优势。
关键词： 控制器; 节能; 电动汽车; 信号输出; 模糊PID控制; 实验分析
中图分类号： TN948.2?34; TPK414.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2019）20?0099?04
Design and research of energy?saving controller for electric vehicle
ZHAN Huizhen， FAN Zhenzhen
（Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）
Abstract： An energy?saving controller for electric vehicle is designed， so as to build a resource?saving society and reduce travel costs. The embedded X186 single?chip microcontroller with energy?saving function is used as the control chip to collect and process the engine signals of electric vehicles to ensure complete signals output. The output signal of the X186 single?chip microcontroller is gathered and analysed by means of output control circuit， and the best energy?saving scheme is schemed by adjusting the law of current transmission and controlling the engine torque. The core of fuzzy?PID energy?saving control is fuzzy inference. After determining the membership function of fuzzy?PID controller， the actual output of fuzzy?PID is obtained by adding adjusting factor to realize the energy?saving control of electric vehicles. The test results show that the controller has remarkable energy?saving effect， and has the performance advantages of strong stability and low error rate in the process of energy?saving control.
Keywords： controller; resource?saving; electric vehicle; output signal; fuzzy PID control; experimental analysis
0 引 言
近年来，人们生活质量提升，汽车已成为生活必需品。随着全球能源危机爆发、大气污染逐年严重、石油能源日益枯竭，汽车节能减排逐渐成为各国汽车能源研发的重要发展方向[1]。电动汽车动力性强、响应速度快[2]，可以减少环境污染，节约石油能源，提升能量利用率，采用电动汽车代替传统汽车是目前解决能源危机的有效途径之一，也是未来汽车发展的必然趋势[3]。为了降低出行成本，设计一种电动汽车节能控制器。其控制芯片采用嵌入式X186单片微控制器，进行电动汽车发动机信号开采及处理，确保信号完整输出。嵌入式X186单片微控制器具有节能控制功能，可降低汽车能耗。其输出信号通过输出控制电路，进行汇总、分析，制定节能方案，进一步节约能耗，实现节能最大化[4]。最后，电动汽车节能控制器中的嵌入式X186单片微控制器基于模糊PID控制原理，实现节能，计算输入、输出隶属函数，运用模糊推理、模糊规则，实现电动汽车节能控制器节能控制。
1 电动汽车节能控制器总体结构
电动汽车节能控制器由电流、电压、电源采集电路、JTAG接口电源、嵌入式X186单片微控制器、输出控制电路等部分构成。电动汽车节能控制器总体结构如图1所示。
图1 电动汽车节能控制器总体结构
1.1 控制器芯片设计
电动汽车节能控制器的控制芯片采用嵌入式X186单片微控制器，针对电动汽车耗能这一特性，对电动汽车发动机信号开采及处理，确保发动机信号完整输出[5]。在电动汽车行驶过程中减速时，节能控制器确保电动汽车安全稳定行驶至关重要[6]。嵌入式X186单片微控制器控制电动汽车扭矩，电动汽车扭矩由功率、转数、行驶指令等部分构成。嵌入式X186单片微控制器控制原理如图2所示。
图2 嵌入式X186单片微控制器控制原理图
由图2可知，嵌入式X186单片微控制器控制原理是通过对所采集电动汽车发动机信号进行识别，识别的信号为电动汽车转数和电动汽车所接受到行驶指令。嵌入式X186单片微控制器分步处理已被识别出的扭矩类型，无需调节的扭矩会转入标准扭矩转换直接输出，需要调节的扭矩则会转入控制模块，通过嵌入式X186單片微控制器等比例放大扭矩，展开扭矩调节，调节过程中，嵌入式X186单片微控制器要缩小控制能量用度，提升电动汽车节能控制器的能量利用率。其中，电动汽车所接受到的行驶指令是不可控制变量，不能实施控制，将被直接输出。
1.2 基于模糊PID控制的电动汽车节能实现
1.2.1 模糊PID控制基本原理
模糊控制是一种基于模糊集合论、模糊语言变量、模糊逻辑理论的非线性智能控制的方法。图3为电动汽车节能模糊PID控制的工作原理。在电动汽车驱动系统中，采用模糊PID控制原理修正电动汽车行驶过程中获取的实际车速与需求车速间的偏差，调整相关参数，实现电动汽车在不同情况下正常运行，增强模糊PID控制器的性能。
图3 电动汽车节能模糊PID控制原理
1.2.2 电动汽车节能控制实现
模糊PID控制基本原理显示，电动汽车节能模糊PID控制核心是依据模糊推理进行PID控制器调节，实现节能控制。在电动汽车节能模糊PID控制具体实践过程中，计算PID控制的传递函数是进行模糊PID控制的基础;通过向量法取得模糊子集特点，求取子集模糊量与实际输出量的前提是进行误差加权[7?8];最后为电动汽车节能控制器添加积分环节，完成节能控制器模糊PID控制。PID控制的传递函数为：
电动汽车节能控制器依据模糊PID控制原理计算输入、输出隶属度函数，运用模糊推理和规则[9]，获取电动汽车节能控制器模糊控制过程，实现电动汽车节能控制。
2 实验分析
为验证本文设计的电动汽车节能控制器有效性，对本文控制器、异步电机控制器和复合制动控制器控制电动汽车的使用能耗情况进行对比。实验环境为Intel p4 2 GB，实验平台为Matlab 2008a，在上述环境下完成模拟实验。
对比三种电动汽车节能控制器的节能效果，单位为J，图4为三种控制器节能情况。
图4 三种控制器节能量对比
由图4可知，三种电动汽车节能控制器节能效果随汽车运行时间的增长逐渐改善，本文控制器节能量增加趋势最明显，当电动汽车运行90 h时，本文控制器节能量为402 J，异步电机控制器与复合制动控制器的最大节能量分别为102 J，117 J，均低于本文控制器。因此，本文控制器控制下的电动汽车节能效果最优。
对比三种电动汽车节能控制器的精准性D（%）、误差率Y（%）以及稳定性P（%）。对比结果如表1～表3所示。
分析表1～表3数据可知，本文控制器精准性D和稳定性P高于异步电机控制器和复合制动控器，本文控制器精准性D高达98.2%，稳定性P达到97.9%;误差率Y也比另外两种控制器小，最小误差率为0.1%。故本文控制器控制精度高、性能优，为电动汽车节能控制开辟一种高质量的节能控制方式。
3 结 论
本文设计一种电动汽车节能控制器，芯片采用配备节能功能的嵌入式X186单片微控制器，进行汽车发动机信号采集和处理，保证发动机信号低功耗完整输出，对输出信号进行汇总和分析，制定节能方案。实验结果表明，嵌入式X186单片微控制器从源头控制发动机低功耗，实现初步节能;输出控制电路基于嵌入式X186单片微控制器采集的发动机信号形成节能方案，进一步控制电动汽车的能量消耗与输出。
电动汽车是未来交通领域发展的主流方向，设计节能控制器有效降低电动汽车能量消耗，为节约交通成本、建设资源节约型社会贡献力量。
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