基于DSP的混合动力摩托车控制系统

图 1 内燃机运行高效率区域 如图 2 所示 ,在混合动力车中增加虚线所包含的部 分 ,当内燃机输出功率大于负载所需功率时 ,此时电动机 作为发电机 ,逆变器通过控制功率器件的开关状态作为
收稿日期 :2001 10 24
图 2 HEV 中能量流 基于 DSP 的混合动力摩托车控制系统 25
如图 4 所示 , 控制系统单元包括混合 ECU、发动机 ECU 、蓄电池 ECU 和电动机/ 发电机 ECU 等四个控制单 元 ,每个控制单元各自完成相应的信号和数据定时检测 和按照相应控制策略得到优化数值控制输出 ,并且每个 控制系统单元之间实现相互协调和数据通讯 ,各部分能 量投入和流向改变的过渡过程中使系统平滑运行 。
(2) 在低负载区域电机辅助驱动 低负载意味着内燃机工作于效率比较差的区域 ,如 图 1 所示中 D 点 。如前面所介绍的可通过发电机将内燃 机的运行点调整至油耗效率最佳工作点 ,但是此时采用 先前储存于蓄电池的能量通过电动机驱动机车是一个更 好的选择 ,可以得到更佳的燃油经济性 。蓄电池在机车 的运行过程中 ,不断充电和放电 ,使蓄电池的 SOC 维持在 一定范围内 ,无需外部充电 。 (3) 尽量减少内燃机处于怠速状态 (图 1 中 E 点) 。 2. 2 能量回馈 提高燃油经济性的另一方法是在机车下坡和刹车时 将机车的动能回馈蓄电池 ,蓄电池补充能量越多 ,电动驱 动状态时间增加 ,即可使内燃机节省燃油 。 以下方法可增加将动能转换为电能 : (1) 当下坡和减速时 ,内燃机与传动系统的摩擦力矩 成为负载 ,降低摩擦力有利于提高转换效率 。 (2) 电机能量回馈工作点应设置为高效率 。 3 系统运行模式 图 3 所示是一个并联驱动的系统能量流图 。机车从 静止状态起动 ,由电机驱动机车 ,内燃机起动 ,内燃机驱 动机车 ,内燃机驱动机车对蓄电池充电 ,全速加速 、减速 和能量回馈 ,系统共有六种运行模式 。
图 3 六种系统运行模式能量流图 (1) 起动/ 低速运行 (A1) : 由蓄电池提供能量 ,通过 电动机驱动机车 。 (2) 内燃机起动 (B) : 当电机持续驱动机车后 ,内燃 机由起动电动机起动 。 (3) 内燃机驱动 ( C) : 一旦内燃机起动 ,控制内燃机 和电动机之间的转矩/ 转速同步 ,以减少冲击 。 (4) 行驶中充电 (C + A2) :内燃机工作点设置为高效 率区域 ,其输出功率大于负载功率部分通过电机 、逆变器 向蓄电池充电 ,储存多余能量 。 (5) 机车全速加速 (A1 + C) : 如果机车突然全速加 速 ,充电过程暂停 ,所有内燃机输出功率驱动机车 ,同时 蓄电池能量也通过电动机辅助加速 。 26 微特电机 2002 年第 2 期
2 提高燃油经济性能
我们考虑的系统是并联型混合动力摩托车 ,系统由 蓄电池 、直流无刷永磁电机 、发动机 、CVT、减速齿轮等组 成 ,其中直流无刷永磁电机既作为电动机驱动车轮 ,又在 运行中 、下坡减速和刹车时作为发电机使用 ,对蓄电池进 行充电 ,使蓄电池保持在良好的工作状态 ,无需专门充电
和延长使用寿命 ,CVT 和减速齿轮能够增加机车的动态 加速性能 。
Kd —控制器微分增益 。
为实现数字 PID 技术的 DSP 控制 ,需对上述 PID 算法
进行离散化处理 。位置式 PID 控制算法的控制精度较
高 ,但考虑到位置式 PID 控制算法每一次输出都是全量
输出 ,一旦出现故障可能会导致 M ( k) 有较大幅度的输出
变化 ,可能对驱动系统造成损害 。为此 ,采用下述增量式
周期 T 的合理选择决定其控制品质 ,专家知识库根据反
馈回的电枢绕组的电流值 、电机转速 ,根据知识库内已有
的信息 ,自动进行选择调整 。对于象直流无刷电动机这
为实现数字PID控制 ,要对连续PID算法离散化 。 传统连续 PID 控制方程 :
t
∫ M ( t)
=
Kp e ( t)
+ Ki
e( t) d t
+
Kd
de( t) dt
0
式中 : M ( t) —控制器输出信号 ;
e ( t) —控制器输入信号 ;
Kp —控制器比例增益 ;
Ki —控制器积分增益 ;
(6) 能量回馈 (A2) :当机车减速或刹车时 ,电机变为 发电机将 机 车 动 能 转 换 为 电 能 通 过 逆 变 器 向 蓄 电 池 充 电。 4 混合动力电动车控制系统
控制系统由多个控制单元组成 ,根据驾驶者的操作 指令 (油门位置和刹车) 、不同的性能要求 (如油耗和驱动 性能) ,控制系统应最优控制能量驱动和充电之间的能量 流向 ,以及两个能源之间的能量分配 ,并且使每一控制系 统单元按照目标值确定其初始值投入运行 。以下是控制 系统各单元说明 。
图 4 ECU 结构 (1) 混合 ECU 混合 ECU 功能是系统全部能量管 理 ,包括车速和油门手柄 、刹车手柄位置的检测 、决定允 许/ 禁止内燃机运行 、内燃机/ 电机能量分配 、计算充电电 量 、油门节流阀开度以及各 ECU 的控制目标等 ,然后将这 些信息发送至相应 ECU 。 (2) 发动机 ECU 根据混合 ECU 提供的车速 、内燃 机转速和负载转矩 ,控制内燃机节流阀 、喷油量和点火时 间等参数 。 (3) 蓄电池 ECU 蓄电池 ECU 检测蓄电池的电压 、 电流和温度 ,计算蓄电池的剩余容量 ,得到蓄电池驱动可 提供能量或能量再生可充入能量 ,使蓄电池处于良好工 作状态 ,延长其使用寿命 ,提高蓄电池的使用效率 。 (4) 电动机/ 发电机 ECU 电动机/ 发电机控制模块 主要根据混合动力控制模块提供的转矩和内燃机转速等 数据控制逆变驱动器的工作状态 % %驱动电机或能量回 馈 ,使电机处于电动或发电状态 。在电动驱动状态下按 照驾驶者的指令和实际功率输出决定是恒转矩调速或是 恒功率调速 ,调节 PWM 的占空比来调节电机的转矩 ; 在 能量再生状态下根据蓄电池的状况和机车返回动能的大 小通过调节 PWM 的占空比可调整充电电流 。 系统实现采用 TI 公司的 TMS320F240 作为控制器 ,其 中直流无刷电机的驱动采用 MOS 管 ,控制信号由 DSP 的 六路全比较 PWM 输出 ,三路转子位置传感器信号由捕
(1) 增加内燃机高效率区域运行频率 内燃机的特性是低负载区域效率较低 ,而高负载区 域效率较高 ,因此 ,为了达到提高燃油经济性能 ,必须尽 可能使内燃机工作于高效区域 。 传统机车中内燃机的输出是由驾驶者的驱动指令和 路况决定的 ,内燃机工作点由传动系统的减速齿轮传动 比决定 , 如图 1 中 A 点 。采 用 了 有 连 续 可 调 的 传 动 比 CVT ,调整 CVT 的输出特性 ,使内燃机的工作点改进到效 率更高区域 B 点 。但是不管如何 ,由于齿轮变速比的限 制 ,无法将内燃机运行于最佳效率区域 。
1 前 言
世界许多国家都在代用燃料汽车 、电动车和混合动 力电动车领域进行了大量的研究与开发工作 ,将清洁型 交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重 要组成部分 。目前电动车用蓄电池在能量密度 、比功率 、 寿命和续驶里程等方面的不足是电动车全面走向市场的 瓶颈问题 。与电动车和燃油汽车相比 ,混合动力电动车 具有高性能 、低能耗和低污染的特点以及技术 、经济和环 境等方面的综合优势 。混合动力电动车无须专用充电电 站 ,节省了大量的充电基础设施投资 ;对电池的比能量要 求降低 ,大幅度降低了电池组的成本和重量 ;优化了内燃 机的工作状况 ,大大降低了 CO2 、CO 、HC、NOx 等尾气的排 放 。混合动力电动车是一种既考虑环保 、性能又接近传 统汽车的新型交通工具 ,极具开发和推广前景 。
ΔMi ( k) = Ki e ( k)

ΔMd ( k) = Kd[ e ( k) - 2 e ( k - 1) + e ( k - 2) ]
得 : ΔM ( k) = ΔMp ( k) +ΔMi ( k) +ΔMd ( k)
参数自适应数字 PID 控制器的过程如图 3 所示 。
参数自适应数字 PID 控制器增益 Kp 、Kd 、Ki 和采样
数字 PID 控制算法 。
ΔM ( k) = M ( k) - M ( k - 1) =
Kp [ e ( k) - e ( k - 1) ] + Ki e ( k) +
Kd[ e ( k) - 2 e ( k - 1) + e ( k - 2) ]
令:
ΔMp ( k) = Kp [ e ( k) - e ( k - 1) ]
驱动控制
基于 DSP 的混合动力摩托车控制系统
邵定国 ,崔 巍 ,汪信尧 ,江建中
( 上海大学 ,上海 200072)
The Control System of Hybrid Power Motorcycle Based on DSP
SHAO Ding - guo , CUI Wei , WANG Xin - yao , JIANG Jian - zhong (Shanghai University ,Shanghai 200072 ,China)
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3 应用实例
下面举例说明参数自适应数字化 PID 在直流无刷电 机中的应用 。
摘 要 :讨论了混合动力电动摩托车提高燃油经济性的 原理 、系 统 运 行 的 六 种 模 式 、控 制 系 统 各 组 成 单 元 , 和 用 TMS320F240DSP 实现的控制系统 。
关键词 :混合动力摩托车 ; 永磁直流无刷电机 ; 发动机 ; DSP ;控制系统
中图分类号 :TM346 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 7018( 2002) 02 - 0025 - 02 Abstract :The principle of improving the economy of fuel oil for the hybrid power electric motorcycle ,the six models of the operation system ,the units of the control system and the control system using TMS320F240 DSP are discussed in this passage. Keywords : hybrid power motorcycle ; permanent magnetic DC brushless motor ;engine ;DSP ;control system