摘 要：从整车纵向动力学集成控制角度出发，提出了一种新型的纯电动汽车速度分级调控系统。将加速踏板开度区间转化为对应的分级目标车速，建立基于模糊PID 控制的车速闭环反馈自调节整车动力控制系统，并在Matlab/Simulink中搭建系统模型，进行了仿真试验。研究结果表明，该系统克服了传统控制系统中存在的反复修正、操作繁琐等缺点，能在纯电动汽车典型行驶工况下满足车辆操控要求，具有较大的实用价值。
关键词：省级期刊论文发表,纯电动汽车,模糊PID,动力系统,自调节,目标车速
Abstract：From the perspective of complete vehicle integrated control of longitudinal dynamics， a new control scheme of PEV speed hierarchical control system was proposed. The accelerator aperture was transformed into the corresponding hierarchical target speed， anda complete vehicle power system based on the vehicle speed feedback self-regulation using fuzzy PID control was designed. Then the system model was built and carried out in Matlab/Simulink. The results of simulation demonstrated that the system overcomes the disadvantages of repeated adjustment and complicated operation in traditional control systems， met the requirements of vehicle control under some typical electric vehicle driving conditions， and hence showed great relevance to applications.
Key words：PEV; fuzzy PID; power system; self-regulation; target speed
行驶的汽车是一个由驾驶员-汽车-环境构成的闭环系统，驾驶员的操纵方式和汽车的行驶环境(外界路面环境、交通状况等)决定了汽车的行驶状态[1]。汽车纵向行驶过程中，驾驶员根据行驶环境的不同，使用感官采集汽车的行驶状态信息，通过不断地操作加速和制动踏板来实现对发动机输出转矩和整车制动力的控制，进而达到对整车车速的控制。因此，驾驶员的工作是一个不断调节、反复修正的过程，相当于一个智能反馈控制器，极易使驾驶员感到疲劳。
近年来，在增强汽车可操作性和降低驾驶疲劳方面，国内外学者做了很多研究，就电动汽车动力系统控制而言，主要有：(1)电机驱动控制[2-6]，电机输出特性优化，尤其是线性化的力矩输出特性和电机调速性能及抗扰动等方面的研究。(2)变速器换挡控制，包括换挡控制策略[7]和换挡机构优化及智能控制研究 [8-9]。(3)整车传动系控制，如整车控制策略[10-12]、匹配及协调控制的研究[13-14]等。这些研究都是在原动力控制模式基础上进行的优化改进，在一定程度上使整车性能有所提高，其意义重大，但是前述的问题仍然没有从根本上得到解决。为此，本文提出了一种新型实用的纯电动汽车速度分级调控系统，其核心思想是利用速度的分级控制以及电子系统的闭环反馈自调节，代替驾驶员完成部分加速踏板修正的操作，实现对车速的半智能控制。
1 驱动系统控制原理
1.1 纯电动汽车控制原理
纯电动汽车使用电动机代替内燃机作为主要动力源，其控制系统框图如图1所示，取消了传统汽车中的离合器结构，通过改变三相逆变器输入到电机中的电流，实现对电机输出转矩和转速的调节，而电机输出的动力经机械连接的变速器、传动机构到轮胎直接驱动汽车行驶，其动力响应相对传统汽车更加快速、高效。
目前，纯电动汽车动力控制策略依旧与传统内燃机汽车控制策略保持一致，驾驶员通过操作加速踏板开度来调节动力源的转矩输出特性，从而实现对整车驱动行驶的控制;需要制动的时候，则通过制动踏板带动制动回路，给车轮施加制动力矩，使车辆减速。这种整车控制策略使得在汽车纵向行驶的过程中，驾驶员必须不断修正加速踏板，以保证汽车以一个良好的期望车速不断行驶。驾驶员操作流程如图2(a)所示，可以看出，驾驶员在行驶过程中操作繁琐，需要反复调节加速和制动踏板，车辆控制效果不佳。
1.2 速度分级调控系统控制原理
本文提出的控制系统理想模型是通过加速踏板控制整车车速的单自由度车速控制系统模型。纯电动汽车行驶时，首先检测驾驶员输入加速踏板的开度信号，通过速度分级表转化成对应的定值目标车速，同时检测车轮的转速，形成整车车速闭环反馈控制。利用一体化控制器对电机和变速器进行耦合协调控制，协调电机和变速器转矩、转速输出并实现适时换挡，优化系统的加速性能和动力输出，最终达到电动汽车智能控速、平稳行驶的状态。改变加速踏板区间，加减速的过程自动实现，其响应速度由路况、汽车动力性及控制算法共同决定。制动减速系统仍旧是机械动力系统结构，制动时切断加速信号，其过程与传统汽车一致。
该系统利用电子系统的闭环反馈调节，代替汽车行驶过程中驾驶员的反复调节过程，在一定程度上简化了系统控制模式。不同的踏板开度对应相同的车速，随着加速踏板开度变大，从一个区间进入另一个区间，目标车速增加，系统控制车速上升，这与驾驶员的驾驶感受和习惯都是一致的。其驾驶员操作流程如图2(b)所示，避免了车速保持过程中的反复修正，大大简化了驾驶员的操作，同时增强了电动汽车的可操作性和可靠性，降低系统能耗并提升道路行驶安全性。 2 速度分级调控系统实现方案
2.1 系统方案结构
纯电动汽车速度分级调控系统结构示意图如图3所示，角度传感器9采集加速踏板4和制动踏板8开度信号输入给一体化控制器5，一体化控制器通过矢量控制方法调节逆变器7输入到永磁同步电机1的电压矢量来调整电机的输出特性，同时通过控制换挡机构10的操作实现AMT11的适时自动换挡，取消了传统汽车传动系统中的离合器部件，电机输出的力矩通过与之机械连接的变速器、传动机构3，最终传递至车轮2驱动整车行驶，通过车轮转速传感器6反馈的车轮转速信号，实现整车车速的实时反馈。
2.2 系统目标车速的制定
参照我国对于特殊路段限速的标准和法规以及关于行车安全车速研究的相关文献[15]，综合考虑良好路况的车速控制误差和驾驶员驾驶习惯等因素，人为制定了系统的目标车速分级，见表1，共分为8个区间，汽车在达到稳定状态下以下列车速稳定行驶。将加速踏板的开度百分比对应的目标车速固定化，作为整车分级调速的目标车速，简化了整车动力系统的控制和换挡策略的制定，增强了系统的抗干扰性。
2.3 系统控制方法
为了使车辆快速响应目标车速达到稳态，并保持稳定的行驶状态，系统针对不同路况输出的转矩应能够实现自动调节，以达到驱动力与行驶阻力的平衡。永磁同步电机的输出转矩调节是系统控制的核心，它是对坐标变换后产生磁通的励磁电流id和产生转矩的转矩电流iq进行解耦和独立调节，如图4所示，在转矩电流电流环的基础上，加入速度反馈形成转矩速度双闭环控制。速度环采用增量式的模糊PID控制器调节，可以使速度环具有速度脉动率小、频率响应快、调速范围宽等优点。
在速度环控制算法的选择上，因为模糊控制可以引入专家经验，而且不需要知道动力系统的精确数学模型，在速度保持和加速踏板区间变化时可以分别调节、平滑过渡，具有较好的适应性。单独使用模糊控制不易消除达到目标车速稳态偏差，且对控制器运算性能要求较高，而PID算法简单又可以较好地消除稳态偏差，但动态性能不佳，因此综合两者的优点，利用模糊控制实时修正PID参数，提高了系统的控制精度和鲁棒性，具有良好的系统控制性能。
3 仿真结果与分析
本文设计的纯电动汽车速度分级调控系统整体仿真模型如图5 所示，control模块模拟仿真行驶工况负载和输出驾驶员操作踏板开度，ECU模块执行查表获得目标车速及挡位控制，SVPWM模块实现永磁同步电机的空间矢量控制，fuzzyPID模块是针对不同路况制定的速度环和电流环反馈控制策略模块，PMSM模块包括永磁同步电机系统和信号输出检测两部分，car模块对应汽车行驶系部分建模。根据汽车行驶时的各个不同工况，选择control模块的仿真工况，设置仿真时间为10 s，分别对起步、加速、上坡、制动减速4种工况分别进行仿真。
仿真结果的整车车速和电机转矩如图6～9所示，由于电机的转矩响应迅速，采用纯电动汽车速度分级调控系统，驾驶员通过简单操作加速踏板，就能够控制整车车速，实现对与区间相对应的目标车速的跟随，达到车速的平稳控制。
(1)起步过程，模拟驾驶员制动过程操作，加速踏板保持在第3区间，车辆平地起步，车速平稳上升至目标车速29 km/h，并保持。
(2)加速过程，加速踏板从在3 s时由第3区间阶跃至第4区间，车速先保持，在3 s时逐渐由29 km/h上升到38 km/h。
(3)上坡过程，加速踏板保持在第2区间，车辆在2 s时驶上20°的斜长坡，车速小幅波动后稳定在目标车速20 km/h。
(4)制动过程，加速踏板先保持在第4区间，车辆行驶2 s后，间隔0.2 s后制动1.3 s，间隔0.2 s后，加速踏板最后保持在第2区间，车辆实现制动减速，车速由38 km/h迅速降至20 km/h并保持稳定。
4 结论
(1)本文设计的纯电动汽车速度分级调控系统形成了整车车速的反馈闭环自动调节，它采用速度分级控制的思想，通过踏板区间控制车速，使驾驶操作简便、高效。
(2)起步过程平稳快速，加速、上坡和制动减速3种典型工况下，整车车速都能在5 s内恢复到目标车速误差±3%范围内，该系统满足车辆的实际行驶需求，是一种合理可行的纯电动汽车动力系统控制方案。
(3)速度分级调控系统集成模糊PID控制，充分发挥了矢量控制电机转矩的快速响应能力，转矩响应小于0.1 s，具有实用性。
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