纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究

第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究 李 勇”，Mehrdad Kazerani2,马飞) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)滑铁卢大学电气与计算机系，滑铁卢N2L3G1 ☒通信作者，E-mail:yeke@ustb.edu.cm 摘要为研究纯电动汽车车载电源性能，提出并搭建了由异步电动机和直流电动机组成的在环测试平台.异步电动机用来 模拟纯电动汽车的牵引电动机，直流电动机用来模拟汽车行驶时的阻力和惯量，对异步电动机和直流电动机分别实施转速控 制和转矩控制.分析了电动汽车行驶工况，给出了简单循环工况下参考转速、转距和功率.设计了异步电动机调速系统转速 控制器和电流控制器，建立了异步电动机调速系统的数学模型，提出了基于自适应模糊神经网络控制的异步电动机调速系 统。仿真和实验结果表明，基于自适应模糊神经网络控制的调速系统明显优于PD控制的交流调速系统，在环测试平台能够 较好跟踪参考转速和参考转距的变化. 关键词电动汽车：复合电源：在环测试：自适应：模糊控制：神经网络 分类号U469.72 Hardware-in-the-oop test bench research of hybrid energy storage systems in electric vehicles LI Yong,Mehrdad KAZERANP,MA Fei 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Department of Electrical and Computer Engineering,University of Waterloo,Waterloo N2L 3G1,Canada Corresponding author,E-mail:yeke@ustb.edu.cn ABSTRACT Hybrid energy storage systems (HESS)play an important role in electric vehicles.This paper mainly focuses on a hardware-in-the-oop (HIL)test bench for testing the performance of HESS.The scenario of an induction motor and a DC motor was proposed.The induction motor was used as a traction motor while the DC motor worked as the load and moment of inertia of the vehi- cle.Speed control was implemented on the induction motor while torque control was applied to the DC motor.The speed,torque and power of the traction motor were obtained from a simple drive cycle based on real parameters.The motor speed was given as a reference of the induction motor while the load torque was used as a reference of the DC motor.The speed control system of the induction motor and the torque control of the DC motor were analyzed and designed.Meanwhile,the speed control system of the induction motor was modeled.Adaptive fuzzy neural-network control was proposed to achieve high accuracy due to the low accuracy of PID control.Simula- tion and experimental results agreed with the proposal.The test bench follows the reference speed and reference torque well. KEY WORDS electric vehicles;hybrid energy storage systems;hardware-in-theoop tests;adaptive:fuzzy control:neural networks 随着电动汽车技术的发展，车载电源的性能逐 电源作为电动汽车能量存储装置，一方面为电动汽 渐成为决定整车性能的关键因素.电池作为电动汽 车提供驱动能量，同时为车辆辅助系统提供电能，其 车的动力源泉，始终制约着电动汽车的发展，电动汽 应具备优良的充放电特性、稳定的使用性能以及较 车的未来关键在于能否研发出高能量密度、高功率 长的使用寿命.锂离子电池和超级电容均可作为电 密度和使用寿命长的高效电池·-刀.电动汽车车载 源使用，但任何一种单一的能量源都不能满足电动 收稿日期：2013-12-24 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2011AA060403):北京市科技计划资助项目(Z121100003012016) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.014:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究 李 勇1) ，Mehrdad Kazerani2) ，马 飞1)  1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 滑铁卢大学电气与计算机系，滑铁卢 N2L 3G1  通信作者，E-mail: yeke@ ustb． edu． cn 摘 要 为研究纯电动汽车车载电源性能，提出并搭建了由异步电动机和直流电动机组成的在环测试平台． 异步电动机用来 模拟纯电动汽车的牵引电动机，直流电动机用来模拟汽车行驶时的阻力和惯量，对异步电动机和直流电动机分别实施转速控 制和转矩控制． 分析了电动汽车行驶工况，给出了简单循环工况下参考转速、转距和功率． 设计了异步电动机调速系统转速 控制器和电流控制器，建立了异步电动机调速系统的数学模型，提出了基于自适应模糊神经网络控制的异步电动机调速系 统． 仿真和实验结果表明，基于自适应模糊神经网络控制的调速系统明显优于 PID 控制的交流调速系统，在环测试平台能够 较好跟踪参考转速和参考转距的变化． 关键词 电动汽车; 复合电源; 在环测试; 自适应; 模糊控制; 神经网络 分类号 U 469. 72 Hardware-in-the-loop test bench research of hybrid energy storage systems in electric vehicles LI Yong1) ，Mehrdad KAZEＲANI2) ，MA Fei1)  1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Department of Electrical and Computer Engineering，University of Waterloo，Waterloo N2L 3G1，Canada  Corresponding author，E-mail: yeke@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Hybrid energy storage systems ( HESS) play an important role in electric vehicles． This paper mainly focuses on a hardware-in-the-loop ( HIL) test bench for testing the performance of HESS． The scenario of an induction motor and a DC motor was proposed． The induction motor was used as a traction motor while the DC motor worked as the load and moment of inertia of the vehi￾cle． Speed control was implemented on the induction motor while torque control was applied to the DC motor． The speed，torque and power of the traction motor were obtained from a simple drive cycle based on real parameters． The motor speed was given as a reference of the induction motor while the load torque was used as a reference of the DC motor． The speed control system of the induction motor and the torque control of the DC motor were analyzed and designed． Meanwhile，the speed control system of the induction motor was modeled． Adaptive fuzzy neural-network control was proposed to achieve high accuracy due to the low accuracy of PID control． Simula￾tion and experimental results agreed with the proposal． The test bench follows the reference speed and reference torque well． KEY WOＲDS electric vehicles; hybrid energy storage systems; hardware-in-the-loop tests; adaptive; fuzzy control; neural networks 收稿日期: 2013--12--24 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2011AA060403) ; 北京市科技计划资助项目( Z121100003012016) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 随着电动汽车技术的发展，车载电源的性能逐 渐成为决定整车性能的关键因素． 电池作为电动汽 车的动力源泉，始终制约着电动汽车的发展，电动汽 车的未来关键在于能否研发出高能量密度、高功率 密度和使用寿命长的高效电池［1 － 2］． 电动汽车车载 电源作为电动汽车能量存储装置，一方面为电动汽 车提供驱动能量，同时为车辆辅助系统提供电能，其 应具备优良的充放电特性、稳定的使用性能以及较 长的使用寿命． 锂离子电池和超级电容均可作为电 源使用，但任何一种单一的能量源都不能满足电动

·1370 北京科技大学学报 第36卷 汽车对车载电源的需求.针对单一电源供电存在的 动汽车车载电源的性能研究尤为重要 不足，将锂电池和超级电容器有机结合，组成复合电 1 源加以解决.因为复合电源能够充分发挥高能量密 车载电源性能在环测试平台 度和高功率密度的特点，故复合电源的模式越来越 为了使搭建的在环测试平台更贴近实际车辆， 得到人们的认可B- 选择一辆由异步电动机驱动的ZENN纯电动汽车作 国外对电动汽车车载复合电源性能的研究起步 为试验用车，以该车的各项参数为基础构建测试 比较早，并且积累了丰富的经验.Wong和Idis搭 平台. 建了电源试验台，其中直流电动机作为驱动电动机 搭建的在环测试平台结构如图1所示.该平台 使用，发电机作为负载电动机使用，该测试平台实现 由电源模块、驱动电动机模块及负载和整车惯量模 了对复合电源性能测试的目的因：国内高校、科研 块三部分组成.驱动电动机模块中，异步电动机用 院所及汽车企业对电动汽车车载电源性能测试的研 来模拟ZENN电动汽车的牵引电动机：负载和惯量 究起步较晚，技术尚未成熟.北京理工大学的何洪 模块中，直流电动机用来模拟ZENN电动汽车在正 文等开发了基于CAN总线的复合电源在环测试试 常行驶过程中的阻力和整车惯量.而对于电源模 验台，该试验台以电子负载作为负载.但是，该测试 块，在本文研究中用铅酸蓄电池替代了复合电源，因 平台中的能量流动是单向的，不能实现反馈制 为本文研究的重点是在环测试平台的合理配置和电 动因.车载电源性能测试平台是研究电动汽车车载 动机的控制策略.通过观察蓄电池直流总线上的电 电源性能的必要条件.车载电源性能测试平台质量 压、电流和功率变化，来优化测试平台的构成以及验 和性能的好坏直接影响到车载电源的后续研究.因 证控制策略的可行性，进而为下一步复合电源的组 此，搭建一个综合性能优良的在环测试平台对纯电 成、功率分配以及工作模式的研究奠定基础可 转速传感器 转矩传感器 AC/DC 异步电机 直流电机 负载 双向变换器 控制器 控制器 电池 异步电机 联轴器 直流电机 电源模块 2 驱动电机模块 负载和整车惯量模块 图1交流电动机一直流电动机测试平台结构图 Fig.1 Scenario of the test bench with an AC motor and a DC motor 2 ZENN电动汽车行驶工况 速度，ms1:t为车辆行驶时间，s. ZENN汽车牵引电动机输出轴与变速箱连接， 为了模拟ZENN电动汽车在道路上的行驶状 变速箱输出轴与驱动桥相连接，故 况，必须获得ZENN汽车在道路上运动时所受到的 T.=FD 2, (2) 驱动力、各种阻力、行驶时的功率消耗等圆.由汽车 T=T./B:, (3) 行驶方程可知： w,=2rn/60, (4) F=F+F +F +F=mgfcos 6+ P=@T. (5) 1 dv pA Co()+mgsin+m (1) 式中，T为车轮转矩，N·m;D为车轮直径，m;T为 牵引电动机输出轴转矩，N·mB,为变速箱传动比； 式中：F,为电动汽车行驶时的驱动力：F,为电动汽 w,为牵引电动机角速度，ad·s;n为牵引电动机 车行驶时的滚动阻力；F为电动汽车行驶时的空气 转速，rmin-1;P为牵引电动机功率，kW 阻力；F为电动汽车行驶时的坡度阻力；F,为电动 由式(1)~(5)可得功率平衡方程： 汽车行驶时的加速阻力：m为电动汽车质量，kgg 为重力加速度，kg·m2:f为滚动阻力系数：δ为坡度 P=2an[ 60 gms8+2p4G,(e+,)户+ 角，()；p为空气密度，kgm3;A为迎风面积，m2: dv l D Cn为空气阻力系数；v,为风速，ms-1;v为车辆行驶 mgsinδ+md]2邛 (6)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 汽车对车载电源的需求． 针对单一电源供电存在的 不足，将锂电池和超级电容器有机结合，组成复合电 源加以解决． 因为复合电源能够充分发挥高能量密 度和高功率密度的特点，故复合电源的模式越来越 得到人们的认可［3 － 4］． 国外对电动汽车车载复合电源性能的研究起步 比较早，并且积累了丰富的经验． Wong 和 Idris 搭 建了电源试验台，其中直流电动机作为驱动电动机 使用，发电机作为负载电动机使用，该测试平台实现 了对复合电源性能测试的目的［5］; 国内高校、科研 院所及汽车企业对电动汽车车载电源性能测试的研 究起步较晚，技术尚未成熟． 北京理工大学的何洪 文等开发了基于 CAN 总线的复合电源在环测试试 验台，该试验台以电子负载作为负载． 但是，该测试 平台中的能量流动是单向的，不能实现反馈制 动［6］． 车载电源性能测试平台是研究电动汽车车载 电源性能的必要条件． 车载电源性能测试平台质量 和性能的好坏直接影响到车载电源的后续研究． 因 此，搭建一个综合性能优良的在环测试平台对纯电 动汽车车载电源的性能研究尤为重要． 1 车载电源性能在环测试平台 为了使搭建的在环测试平台更贴近实际车辆， 选择一辆由异步电动机驱动的 ZENN 纯电动汽车作 为试验用车，以该车的各项参数为基础构建测试 平台． 搭建的在环测试平台结构如图 1 所示． 该平台 由电源模块、驱动电动机模块及负载和整车惯量模 块三部分组成． 驱动电动机模块中，异步电动机用 来模拟 ZENN 电动汽车的牵引电动机; 负载和惯量 模块中，直流电动机用来模拟 ZENN 电动汽车在正 常行驶过程中的阻力和整车惯量． 而对于电源模 块，在本文研究中用铅酸蓄电池替代了复合电源，因 为本文研究的重点是在环测试平台的合理配置和电 动机的控制策略． 通过观察蓄电池直流总线上的电 压、电流和功率变化，来优化测试平台的构成以及验 证控制策略的可行性，进而为下一步复合电源的组 成、功率分配以及工作模式的研究奠定基础［7］． 图 1 交流电动机--直流电动机测试平台结构图 Fig． 1 Scenario of the test bench with an AC motor and a DC motor 2 ZENN 电动汽车行驶工况 为了模拟 ZENN 电动汽车在道路上的行驶状 况，必须获得 ZENN 汽车在道路上运动时所受到的 驱动力、各种阻力、行驶时的功率消耗等［8］． 由汽车 行驶方程可知: Ft = Ff + Fw + Fi + Fj = mgfcos δ + 1 2 ρAfCD( v + vw ) 2 + mgsin δ + m dv dt ． ( 1) 式中: Ft 为电动汽车行驶时的驱动力; Ff 为电动汽 车行驶时的滚动阻力; Fw 为电动汽车行驶时的空气 阻力; Fi 为电动汽车行驶时的坡度阻力; Fj 为电动 汽车行驶时的加速阻力; m 为电动汽车质量，kg; g 为重力加速度，kg·m － 2 ; f 为滚动阻力系数; δ 为坡度 角，( °) ; ρ 为空气密度，kg·m － 3 ; Af 为迎风面积，m2 ; CD为空气阻力系数; vw 为风速，m·s － 1 ; v 为车辆行驶 速度，m·s － 1 ; t 为车辆行驶时间，s． ZENN 汽车牵引电动机输出轴与变速箱连接， 变速箱输出轴与驱动桥相连接，故 Tw = FtD /2， ( 2) T = Tw /βi， ( 3) ωt = 2πn /60， ( 4) P = ωT． ( 5) 式中，Tw 为车轮转矩，N·m; D 为车轮直径，m; T 为 牵引电动机输出轴转矩，N·m; βi 为变速箱传动比; ωt 为牵引电动机角速度，rad·s － 1 ; n 为牵引电动机 转速，r·min － 1 ; P 为牵引电动机功率，kW． 由式( 1) ～ ( 5) 可得功率平衡方程: P = 2πn [ 60 mgfcos δ + 1 2 ρAfCD ( v + vw ) 2 + mgsin δ + m dv d ] t D 2βi ． ( 6) · 0731 ·

第10期 李勇等：纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究 ·1371· ZENN电动汽车的各项参数如表1所示.将表 其实施转矩控制.直流电动机转矩控制器的数学 1数据代入式(2)~(6)，可获得简单循环工况过程 模型： 中ZENN汽车的转速、转矩及电动机功率曲线，如图 dωdc T。=Tk-Jdt (7) 2所示.在本文的仿真和实验中，将图2中的电动机 转速作为异步电动机的参考转速，将电动机转矩作 Tc=λl (8) 为直流电动机的参考转矩 式中，T,为直流电动机输出轴转矩，N·m;T为直流 表1ZENN汽车各项参数 电动机电磁转矩，N·m;J为直流电动机转动惯量， Table 1 Parameters of ZENN car J。=0.2kg“m2;wa为直流电动机角速度，rad·s, 术语 含义 数值 其数值与牵引电动机角速度ω相等；t为时间，s;A中 m 质量 544.8kg 为直流电动机常数，其中入为量纲一的常数，中为每 g 重力加速度 9.8kg*m2 极磁通量，二者乘积入中=0.3；I为直流电动机电枢 f 滚动阻力系数 0.012 电流，A 空气密度 1.202kgm-3 由式(7)和式(8)可计算出与负载转矩对应的 A 迎风面积 1.8204m2 电枢电流，对直流电动机转矩的控制其实就是对其 CD 空气阻力系数 0.26 电枢电流的控制.在仿真过程中，将负载转矩作为 路面坡度 0°→10°0°5°0°→-50°+-50 直流电动机的参考转矩，直流电动机转矩控制器采 风速 Ims-1 用比例一积分一微分(PD)控制策略.对直流电动机 车轮直径 0.522m 进行转矩控制的仿真结果如图3所示.由图3看 衫mg 最大车速 40km-h-1 出，直流电动机输出轴上的转矩较好地跟踪了参考 B 变速箱传动比 11 转矩，误差很小，故本文不再对直流电动机转矩控制 策略做深入研究 1500 20 1000 10 参考转矩 反馈转矩 -10 0 50 100 150 200 250 00 10 200 250 时间/s 时间s 图3直流电动机转矩控制仿真结果 Fig.3 Simulation results of the DC motor with torque control 20 4异步电动机转速矢量控制系统 4.1异步电动机数学模型 50 100 150 200 250 时间/s 本文测试平台中，将异步电动机用作牵引电动 机.因三相异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合 的多变量系统回，所以对异步电动机采用转子磁链 定向矢量控制.电压源型转差频率矢量控制系统框 图如图4所示. 50 100 150 200 250 在图4中，w为异步电动机参考转速，rads1: 时间s o为异步电动机反馈转速，ads;,为定子电流i, 图2ZENN驱动电动机转速、转矩及功率曲线 在旋转坐标系q轴上的分量，A;为定子电流i,在 Fig.2 Demand motor speed,torque and power of the ZENN car 旋转坐标系d轴上的分量，A;u,为定子电压u,在q 3 直流电动机转矩控制系统 轴上的分量，V;u为定子电压u,在d轴上的分量， V:0为磁场定向角，()：Q.=L/R;L为转子绕组 本文将直流电动机作为负载电动机使用，用来 的等效自感，L;R,为转子绕组的电阻，2：ASR为转 实现对电动汽车行驶时的阻力和惯量的模拟，故对 速控制器：ACR为电流控制器

第 10 期 李 勇等: 纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究 ZENN 电动汽车的各项参数如表 1 所示． 将表 1 数据代入式( 2) ～ ( 6) ，可获得简单循环工况过程 中 ZENN 汽车的转速、转矩及电动机功率曲线，如图 2 所示． 在本文的仿真和实验中，将图 2 中的电动机 转速作为异步电动机的参考转速，将电动机转矩作 为直流电动机的参考转矩． 表 1 ZENN 汽车各项参数 Table 1 Parameters of ZENN car 术语 含义 数值 m 质量 544. 8 kg g 重力加速度 9. 8 kg·m － 2 f 滚动阻力系数 0. 012 ρ 空气密度 1. 202 kg·m － 3 Af 迎风面积 1. 8204 m2 CD 空气阻力系数 0. 26 δ 路面坡度 0°→10°→0°→5°→0°→ － 5°→0°→ － 5°→0° vw 风速 1 m·s － 1 D 车轮直径 0. 522 m vmax 最大车速 40 km·h － 1 βi 变速箱传动比 11 图 2 ZENN 驱动电动机转速、转矩及功率曲线 Fig． 2 Demand motor speed，torque and power of the ZENN car 3 直流电动机转矩控制系统 本文将直流电动机作为负载电动机使用，用来 实现对电动汽车行驶时的阻力和惯量的模拟，故对 其实施转矩控制． 直流电动机转矩控制器的数学 模型: To = Tdc － Jdc dωdc dt ， ( 7) Tdc = λIa ． ( 8) 式中，To为直流电动机输出轴转矩，N·m; Tdc为直流 电动机电磁转矩，N·m; Jdc为直流电动机转动惯量， Jdc = 0. 2 kg·m2 ; ωdc为直流电动机角速度，rad·s － 1， 其数值与牵引电动机角速度 ω 相等; t 为时间，s; λ 为直流电动机常数，其中 λ 为量纲一的常数， 为每 极磁通量，二者乘积 λ = 0. 3; Ia为直流电动机电枢 电流，A． 由式( 7) 和式( 8) 可计算出与负载转矩对应的 电枢电流，对直流电动机转矩的控制其实就是对其 电枢电流的控制． 在仿真过程中，将负载转矩作为 直流电动机的参考转矩，直流电动机转矩控制器采 用比例--积分--微分( PID) 控制策略． 对直流电动机 进行转矩控制的仿真结果如图 3 所示． 由图 3 看 出，直流电动机输出轴上的转矩较好地跟踪了参考 转矩，误差很小，故本文不再对直流电动机转矩控制 策略做深入研究． 图 3 直流电动机转矩控制仿真结果 Fig． 3 Simulation results of the DC motor with torque control 4 异步电动机转速矢量控制系统 4. 1 异步电动机数学模型 本文测试平台中，将异步电动机用作牵引电动 机． 因三相异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合 的多变量系统［9］，所以对异步电动机采用转子磁链 定向矢量控制． 电压源型转差频率矢量控制系统框 图如图 4 所示． 在图 4 中，ω* 为异步电动机参考转速，rad·s － 1 ; ω 为异步电动机反馈转速，rad·s － 1 ; i * sq 为定子电流 is 在旋转坐标系 q 轴上的分量，A; i * sd 为定子电流 is在 旋转坐标系 d 轴上的分量，A; u* sq 为定子电压 us在 q 轴上的分量，V; u* sd 为定子电压 us在 d 轴上的分量， V; θ 为磁场定向角，( °) ; Qr = Lrd /Ｒr; Lrd为转子绕组 的等效自感，L; Ｒr为转子绕组的电阻，Ω; ASＲ 为转 速控制器; ACＲ 为电流控制器． · 1731 ·

·1372 北京科技大学学报 第36卷 直流电源 ACR SPWM 三相 正弦 电压 脉宽 源型 ACR 控制器 逆变器 a.b.c 异步 速度传感器 电动机 图4电压源型转差频率矢量控制系统 Fig.4 Voltage-controlled field orientation control system 由于转速调节器和电流调节器都对异步电动机 d轴电流控制器 调速系统的精度有着较大的影响，故对二者做重点 G 研究. Ls+R 4.1.1转速控制器设计 转速环是异步电动机控制系统的外环，其作用 ?轴电流控制器 是控制电动机的转速，使其达到调速和稳速的目 的o.为使转速无静态误差，转速控制器采用PD 4 控制. 异步电动机转速控制系统如图5所示.图中 图6电流控制器 G,(s)为速度控制器的传递函数：G(s)为g轴电流 Fig.6 Current controller 控制系统的闭环传递函数；t,为时间常数：M为转矩 图6中，i4,i,电流控制器的输出u:和u。分 系数；T为异步电动机电磁转矩，Nm;T为负载转 别为： 矩，N·m.对于异步电动机而言，图中g轴电流为定 子电流的q轴分量i:异步电动机速度控制系统的 =人1+)位-， (10) 开环传递函数G(s)为： 1）1,M 5=k1+)低- G(s)=H,（1+本，+1灰s (9) 式中，K和Kp分别为d轴和q轴电流控制器的比 式中：H。为转速控制器的比例系数；H为转速控制 例增益，K=Kptu和tn分别为d轴和q轴电流控 制器的积分时间，ta=ta=L,R。,L,为定子绕组电感 器的积分系数：J为异步电动机转动惯量，kgm2. (L.=2.52×10-5H),R为定子绕组电阻(6.67× 速度控制器 电流控制器 10-32). 为使调速系统具有极好的稳定性和快速性，将 电流控制器的闭环传递函数简化成较为简单的积分 环节，如下式所示： G G(s)= 1 图5速度控制器 L Fig.5 Speed controller s+1 (11) 1 4.1.2电流控制器设计 Gin (s)=- 电流反馈控制对异步电动机的快速反应有着较 L5+1 大的影响0.电流控制器采用PD控制，其方框图 4.2基于PD控制的交流调速系统仿真 如图6所示. 以图2简单循环工况作为参考输入，基于PD

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 4 电压源型转差频率矢量控制系统 Fig． 4 Voltage-controlled field orientation control system 由于转速调节器和电流调节器都对异步电动机 调速系统的精度有着较大的影响，故对二者做重点 研究． 4. 1. 1 转速控制器设计 转速环是异步电动机控制系统的外环，其作用 是控制电动机的转速，使其达到调速和稳速的目 的［10］． 为使转速无静态误差，转速控制器采用 PID 控制． 异步电动机转速控制系统如图 5 所示． 图中 Gω( s) 为速度控制器的传递函数; Gc iq ( s) 为 q 轴电流 控制系统的闭环传递函数; tq为时间常数; M 为转矩 系数; Tac为异步电动机电磁转矩，Nm; TL为负载转 矩，N·m． 对于异步电动机而言，图中 q 轴电流为定 子电流的 q 轴分量 iqs． 异步电动机速度控制系统的 开环传递函数 Go ω( s) 为: Go ω( s) = Hp ( 1 + 1 Hi ) s 1 tq s + 1·M Jac s ． ( 9) 式中: Hp为转速控制器的比例系数; Hi 为转速控制 器的积分系数; Jac为异步电动机转动惯量，kg·m2 ． 图 5 速度控制器 Fig． 5 Speed controller 4. 1. 2 电流控制器设计 电流反馈控制对异步电动机的快速反应有着较 大的影响［10］． 电流控制器采用 PID 控制，其方框图 如图 6 所示． 图 6 电流控制器 Fig． 6 Current controller 图 6 中，id，iq 电流控制器的输出 u'd 和 u'q 分 别为: u'd = Kidp ( 1 + 1 tid ) s ( i * d － id ) ， u'q = Kiqp ( 1 + 1 tiq ) s ( i * q － iq { ) ． ( 10) 式中，Kidp和 Kiqp分别为 d 轴和 q 轴电流控制器的比 例增益，Kidp = Kiqp ; tid和 tiq分别为 d 轴和 q 轴电流控 制器的积分时间，tid = tiq = Ls /Ｒs，Ls为定子绕组电感 ( Ls = 2. 52 × 10 － 5 H) ，Ｒs为定子绕组电阻( 6. 67 × 10 － 3 Ω) ． 为使调速系统具有极好的稳定性和快速性，将 电流控制器的闭环传递函数简化成较为简单的积分 环节，如下式所示: Go id ( s) = 1 Ls Kidp s + 1 ， Go iq ( s) = 1 Ls Kiqp s + 1        ． ( 11) 4. 2 基于 PID 控制的交流调速系统仿真 以图 2 简单循环工况作为参考输入，基于 PID · 2731 ·

第10期 李勇等：纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究 ·1373· 控制的交流调速系统的仿真结果如图7(a)所示. 大，如图7(b)所示. 为便于观察，将图7(a)中虚线内的区域进行局部放 1400 参考转速 1200 1100F间 反馈转速 一参考转速 1000 1090 …反馈转速 800 1080 600 1070 400 1060 200 0 1050 0 50 100 150 200 250 32 333435363738 时间s 时间s 图7交流调速系统PD控制仿真结果.(a)完整循环工况：(b)部分循环工况 Fig.7 Simulation results of the speed control system with PID control:(a)whole drive cycle:(b)partial drive cycle 由图7看出，采用PD控制的异步电动机调速 (电动机转速)的实时变化趋势对增益调整因子 系统己取得了较好的控制效果，但是反馈转速仍在 进行调节，减小电动机参数变化对系统性能的影 速度变化较快的时刻与参考转速存在着细微的偏 响3-17 差，主要原因是PD控制动态特性差，且对被控对象 (1)模糊控制器的设计.模糊控制器的输入量 数学模型要求较高. 分别为转速偏差e以及偏差变化率△e,其计算公 4.3基于自适应模糊神经网络控制的交流调速系统 式为 为了克服上述PD控制存在的不足，入自适 e=k.(w-w), (12) 应模糊神经网络控制器. 4.3.1自适应模糊控制器 .=k出 (13) 自适应模糊控制器可根据调速系统的运行状 式中，e为参考转速与反馈转速的差值，即e=w- 态，给出合适的控制量，同时根据调速系统的运行效 果，对控制器的控制决策进一步改进，以获得更好的 e的论域为[-2,2]，定义五个语言变量值{负 控制效果1-切.采用自适应模糊控制的异步电动 大(NB),负小(NS),零(Z),正小(PS),正大 机速度调节器结构如图8所示 (PB).△e的论域为[-3,3]，定义七个语言变量 值{负大(NB),负中(NM),负小(NS),零(Z),正小 (PS),正中(PM),正大(PB)}.u的论域为[-2， 2],定义五个语言变量值{负大(NB),负小(NS),零 (Z),正小(PS),正大(PB)}.控制规则用e、△e.和 u描述，模糊推理采用Mamdani推理方法，解模糊采 自适应机构 用加权平均法.模糊控制器的模糊规则如表2 所示 被控对象 表2模糊控制器的模糊控制规则表 图8自适应模糊速度控制器结构 Table 2 Fuzzy rules of the fuzzy controller Fig.8 Adaptive fuzzy neural network controller ew 在图8中，自适应模糊控制器由模糊控制器和 NB NM NS Z PS PM PB 自适应机构组成，其输入信号为给定参考转速信号 NB NBNB NB NB NS NS Z ω与反馈转速信号w的差值.k是误差调整量化 NS NB NS NS NS NS 因子，k是误差变化率调整量化因子，”是模糊控制 △eu Z NS NS NSNS NS Z PS 输出，k是比例因子，y是控制器输出信号.模糊控 S NS NS NS Z PS 制器为二维模糊控制器，其输入是转速误差以及误 PB NSNS Z PS PS PBPB 差的变化率.自适应机构的作用是根据输入变量 (2)模糊自适应机构的设计.模糊自适应机构

第 10 期 李 勇等: 纯电动汽车车载电源性能在环测试平台研究 控制的交流调速系统的仿真结果如图 7 ( a) 所示． 为便于观察，将图 7( a) 中虚线内的区域进行局部放 大，如图 7( b) 所示． 图 7 交流调速系统 PID 控制仿真结果． ( a) 完整循环工况; ( b) 部分循环工况 Fig． 7 Simulation results of the speed control system with PID control: ( a) whole drive cycle; ( b) partial drive cycle 由图 7 看出，采用 PID 控制的异步电动机调速 系统已取得了较好的控制效果，但是反馈转速仍在 速度变化较快的时刻与参考转速存在着细微的偏 差，主要原因是 PID 控制动态特性差，且对被控对象 数学模型要求较高． 4. 3 基于自适应模糊神经网络控制的交流调速系统 为了克服上述 PID 控制存在的不足，引入自适 应模糊神经网络控制器． 4. 3. 1 自适应模糊控制器 自适应模糊控制器可根据调速系统的运行状 态，给出合适的控制量，同时根据调速系统的运行效 果，对控制器的控制决策进一步改进，以获得更好的 控制效果［11 － 12］． 采用自适应模糊控制的异步电动 机速度调节器结构如图 8 所示． 图 8 自适应模糊速度控制器结构 Fig． 8 Adaptive fuzzy neural network controller 在图 8 中，自适应模糊控制器由模糊控制器和 自适应机构组成，其输入信号为给定参考转速信号 ω* 与反馈转速信号 ω 的差值． ke是误差调整量化 因子，kc是误差变化率调整量化因子，u 是模糊控制 输出，ku是比例因子，y 是控制器输出信号． 模糊控 制器为二维模糊控制器，其输入是转速误差以及误 差的变化率． 自适应机构的作用是根据输入变量 ( 电动机转速) 的实时变化趋势对增益调整因子 α 进行调节，减小电动机参数变化对系统性能的影 响［13 － 17］． ( 1) 模糊控制器的设计． 模糊控制器的输入量 分别为转速偏差 eω以及偏差变化率 Δeω，其计算公 式为 eω = ke ( ω* － ω) ， ( 12) Δeω = kc de dt ． ( 13) 式中，e 为参考转速与反馈转速的差值，即e = ω* － ω． eω的论域为［－ 2，2］，定义五个语言变量值{ 负 大( NB) ，负 小 ( NS ) ，零 ( Z) ，正 小 ( PS ) ，正 大 ( PB) } ． Δeω的论域为［－ 3，3］，定义七个语言变量 值{ 负大( NB) ，负中( NM) ，负小( NS) ，零( Z) ，正小 ( PS) ，正中( PM) ，正大( PB) } ． u 的论域为［－ 2， 2］，定义五个语言变量值{ 负大( NB) ，负小( NS) ，零 ( Z) ，正小( PS) ，正大( PB) } ． 控制规则用 eω、Δeω和 u 描述，模糊推理采用 Mamdani 推理方法，解模糊采 用加权 平 均 法． 模糊控制器的模糊规则如表 2 所示． 表 2 模糊控制器的模糊控制规则表 Table 2 Fuzzy rules of the fuzzy controller u eω NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NB NB NS NS Z NS NB NS NS NS NS Z Z Δeω Z NS NS NS NS NS Z PS PS NS NS NS Z Z PS PS PB NS NS Z PS PS PB PB ( 2) 模糊自适应机构的设计． 模糊自适应机构 · 3731 ·