詹慧貞 范珍珍

摘 ?要： 以建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)為目標(biāo)，降低出行成本，文中設(shè)計(jì)一款電動(dòng)汽車節(jié)能控制器?？刂菩酒捎镁邆涔?jié)能功能的嵌入式X186單片微控制器，負(fù)責(zé)采集和處理電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)，保證信號(hào)完整輸出。輸出控制電路對(duì)X186單片微控制器輸出信號(hào)進(jìn)行匯總、分析，通過調(diào)整電流傳送規(guī)律，控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩策劃最佳節(jié)能方案。模糊PID節(jié)能控制核心是模糊推理，確定模糊PID控制器隸屬度函數(shù)后，增加調(diào)整因子求取模糊PID實(shí)際輸出，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車節(jié)能控制。測(cè)試結(jié)果表明，控制器節(jié)能效果顯著，節(jié)能控制過程中具有穩(wěn)定性強(qiáng)、誤差率小的性能優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 控制器; 節(jié)能; 電動(dòng)汽車; 信號(hào)輸出; 模糊PID控制; 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)： TN948.2?34; TPK414.3 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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

近年來，人們生活質(zhì)量提升，汽車已成為生活必需品。隨著全球能源危機(jī)爆發(fā)、大氣污染逐年嚴(yán)重、石油能源日益枯竭，汽車節(jié)能減排逐漸成為各國(guó)汽車能源研發(fā)的重要發(fā)展方向[1]。電動(dòng)汽車動(dòng)力性強(qiáng)、響應(yīng)速度快[2]，可以減少環(huán)境污染，節(jié)約石油能源，提升能量利用率，采用電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車是目前解決能源危機(jī)的有效途徑之一，也是未來汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。為了降低出行成本，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器。其控制芯片采用嵌入式X186單片微控制器，進(jìn)行電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)開采及處理，確保信號(hào)完整輸出。嵌入式X186單片微控制器具有節(jié)能控制功能，可降低汽車能耗。其輸出信號(hào)通過輸出控制電路，進(jìn)行匯總、分析，制定節(jié)能方案，進(jìn)一步節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化[4]。最后，電動(dòng)汽車節(jié)能控制器中的嵌入式X186單片微控制器基于模糊PID控制原理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，計(jì)算輸入、輸出隸屬函數(shù)，運(yùn)用模糊推理、模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車節(jié)能控制器節(jié)能控制。

1 ?電動(dòng)汽車節(jié)能控制器總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車節(jié)能控制器由電流、電壓、電源采集電路、JTAG接口電源、嵌入式X186單片微控制器、輸出控制電路等部分構(gòu)成。電動(dòng)汽車節(jié)能控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?電動(dòng)汽車節(jié)能控制器總體結(jié)構(gòu)

1.1 ?控制器芯片設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的控制芯片采用嵌入式X186單片微控制器，針對(duì)電動(dòng)汽車耗能這一特性，對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)開采及處理，確保發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)完整輸出[5]。在電動(dòng)汽車行駛過程中減速時(shí)，節(jié)能控制器確保電動(dòng)汽車安全穩(wěn)定行駛至關(guān)重要[6]。嵌入式X186單片微控制器控制電動(dòng)汽車扭矩，電動(dòng)汽車扭矩由功率、轉(zhuǎn)數(shù)、行駛指令等部分構(gòu)成。嵌入式X186單片微控制器控制原理如圖2所示。

圖2 ?嵌入式X186單片微控制器控制原理圖

由圖2可知，嵌入式X186單片微控制器控制原理是通過對(duì)所采集電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別的信號(hào)為電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)數(shù)和電動(dòng)汽車所接受到行駛指令。嵌入式X186單片微控制器分步處理已被識(shí)別出的扭矩類型，無需調(diào)節(jié)的扭矩會(huì)轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)扭矩轉(zhuǎn)換直接輸出，需要調(diào)節(jié)的扭矩則會(huì)轉(zhuǎn)入控制模塊，通過嵌入式X186單片微控制器等比例放大扭矩，展開扭矩調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中，嵌入式X186單片微控制器要縮小控制能量用度，提升電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的能量利用率。其中，電動(dòng)汽車所接受到的行駛指令是不可控制變量，不能實(shí)施控制，將被直接輸出。

1.2 ?基于模糊PID控制的電動(dòng)汽車節(jié)能實(shí)現(xiàn)

1.2.1 ?模糊PID控制基本原理

模糊控制是一種基于模糊集合論、模糊語言變量、模糊邏輯理論的非線性智能控制的方法。圖3為電動(dòng)汽車節(jié)能模糊PID控制的工作原理。在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用模糊PID控制原理修正電動(dòng)汽車行駛過程中獲取的實(shí)際車速與需求車速間的偏差，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在不同情況下正常運(yùn)行，增強(qiáng)模糊PID控制器的性能。

圖3 ?電動(dòng)汽車節(jié)能模糊PID控制原理

1.2.2 ?電動(dòng)汽車節(jié)能控制實(shí)現(xiàn)

模糊PID控制基本原理顯示，電動(dòng)汽車節(jié)能模糊PID控制核心是依據(jù)模糊推理進(jìn)行PID控制器調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。在電動(dòng)汽車節(jié)能模糊PID控制具體實(shí)踐過程中，計(jì)算PID控制的傳遞函數(shù)是進(jìn)行模糊PID控制的基礎(chǔ);通過向量法取得模糊子集特點(diǎn)，求取子集模糊量與實(shí)際輸出量的前提是進(jìn)行誤差加權(quán)[7?8];最后為電動(dòng)汽車節(jié)能控制器添加積分環(huán)節(jié)，完成節(jié)能控制器模糊PID控制。PID控制的傳遞函數(shù)為：

電動(dòng)汽車節(jié)能控制器依據(jù)模糊PID控制原理計(jì)算輸入、輸出隸屬度函數(shù)，運(yùn)用模糊推理和規(guī)則[9]，獲取電動(dòng)汽車節(jié)能控制器模糊控制過程，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車節(jié)能控制。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車節(jié)能控制器有效性，對(duì)本文控制器、異步電機(jī)控制器和復(fù)合制動(dòng)控制器控制電動(dòng)汽車的使用能耗情況進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel p4 2 GB，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Matlab 2008a，在上述環(huán)境下完成模擬實(shí)驗(yàn)。

對(duì)比三種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的節(jié)能效果，單位為J，圖4為三種控制器節(jié)能情況。

圖4 ?三種控制器節(jié)能量對(duì)比

由圖4可知，三種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器節(jié)能效果隨汽車運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸改善，本文控制器節(jié)能量增加趨勢(shì)最明顯，當(dāng)電動(dòng)汽車運(yùn)行90 h時(shí)，本文控制器節(jié)能量為402 J，異步電機(jī)控制器與復(fù)合制動(dòng)控制器的最大節(jié)能量分別為102 J，117 J，均低于本文控制器。因此，本文控制器控制下的電動(dòng)汽車節(jié)能效果最優(yōu)。

對(duì)比三種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的精準(zhǔn)性D（%）、誤差率Y（%）以及穩(wěn)定性P（%）。對(duì)比結(jié)果如表1～表3所示。

分析表1～表3數(shù)據(jù)可知，本文控制器精準(zhǔn)性D和穩(wěn)定性P高于異步電機(jī)控制器和復(fù)合制動(dòng)控器，本文控制器精準(zhǔn)性D高達(dá)98.2%，穩(wěn)定性P達(dá)到97.9%;誤差率Y也比另外兩種控制器小，最小誤差率為0.1%。故本文控制器控制精度高、性能優(yōu)，為電動(dòng)汽車節(jié)能控制開辟一種高質(zhì)量的節(jié)能控制方式。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)一種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器，芯片采用配備節(jié)能功能的嵌入式X186單片微控制器，進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集和處理，保證發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)低功耗完整輸出，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行匯總和分析，制定節(jié)能方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嵌入式X186單片微控制器從源頭控制發(fā)動(dòng)機(jī)低功耗，實(shí)現(xiàn)初步節(jié)能;輸出控制電路基于嵌入式X186單片微控制器采集的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)形成節(jié)能方案，進(jìn)一步控制電動(dòng)汽車的能量消耗與輸出。

電動(dòng)汽車是未來交通領(lǐng)域發(fā)展的主流方向，設(shè)計(jì)節(jié)能控制器有效降低電動(dòng)汽車能量消耗，為節(jié)約交通成本、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋國(guó)鵬，謝偉東，付志軍，等.電動(dòng)汽車行駛穩(wěn)定性模糊控制器設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（1）：146?150.

SONG Guopeng， XIE Weidong， FU Zhijun， et al. Study on fuzzy controller of electric vehicle stability [J]. Computer simulation， 2016， 33（1）： 146?150.

[2] 魏潔菲，易映萍.電動(dòng)汽車中異步電機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2016，40（10）：2055?2057.

WEI Jiefei， YI Yingping. Hardware circuit design of asynchronous motor controller for electric vehicle [J]. Chinese journal of power sources， 2016， 40（10）： 2055?2057.

[3] 鐘斌，嵌入式電子節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017，25（12）：228?231.

ZHONG Bin. Design and implementation of embedded electronic energy saving controller [J].Computer measurement & control， 2017， 25（12）： 228?231.

[4] 張利鵬，李亮，祁炳楠.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性解耦控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（16）：108?118.

ZHANG Lipeng， LI Liang， QI Bingnan. Decoupled roll stability control of in?wheel motor drive electric vehicle [J]. Journal of mechanical engineering， 2017， 53（16）： 108?118.

[5] 黃永杰，電鍍生產(chǎn)中的PLC節(jié)能控制模型的設(shè)計(jì)研究[J].電鍍與精飾，2016，38（3）：38?41.

HUANG Yongjie. Design and research of PLC energy?saving control model in electroplating production [J]. Plating & finishing， 2016， 38（3）： 38?41.

[6] ZHOU B， ZHANG S， YE W， et al. Energy?saving benefits from plug?in hybrid electric vehicles： perspectives based on real?world measurements [J]. Mitigation & adaptation strategies for global change， 2018， 23（14）： 1?22.

[7] 王傳軍，李懷珍，姚金生.電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2016，43（5）：69?72.

WANG Chuanjun， LI Huaizhen， YAO Jinsheng. Discussion on electric motor and controller fault diagnosis expert system [J]. Electric machines & control application， 2016， 43（5）： 69?72.

[8] 孫杰，王青春.異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究與設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2017，38（4）：72?76.

SUN Jie， WANG Qingchun. Research and design on energy?saving controller for induction motors [J]. Microprocessors， 2017， 38（4）： 72?76.

[9] 潘盛輝，宋仲達(dá)，王系朋.純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略的研究[J].控制工程，2017，24（2）：309?314.

PAN Shenghui， SONG Zhongda， WANG Xipeng. Control strategy for electro?mechanical braking of electric vehicle [J]. Control engineering of China， 2017， 24（2）： 309?314.

[10] 楊濤，李浙昆，王治軍，等.微型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].電源技術(shù)，2016，40（7）：1441?1443.

YANG Tao， LI Zhekun， WANG Zhijun， et al. Design and research of power system for micro electric vehicle [J]. Chinese journal of power sources， 2016， 40（7）： 1441?1443.