專(zhuān)利名稱(chēng)：用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，應(yīng)用在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架上，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)量時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況的控制。
背景技術(shù)：
在發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性測(cè)量中，有時(shí)需要把發(fā)動(dòng)機(jī)保持在設(shè)定的轉(zhuǎn)速才能開(kāi)始測(cè)量(參見(jiàn)國(guó)標(biāo)GB/T 18297)，因此恒速就是為測(cè)控提供試驗(yàn)的工況依據(jù)。
通常，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的測(cè)試是在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的，臺(tái)架的執(zhí)行器件主要就是一個(gè)交流電機(jī)，在總體機(jī)械結(jié)構(gòu)上，基本上可以理解為執(zhí)行器交流電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸。因此為了得到被測(cè)物發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性性能，就只要控制好執(zhí)行器交流電機(jī)即可。而根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18297，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的恒速，試驗(yàn)臺(tái)架基本上需要電機(jī)運(yùn)行在恒扭矩運(yùn)行段，就靠電機(jī)的恒扭矩輸出控制以實(shí)現(xiàn)臺(tái)架系統(tǒng)的恒速運(yùn)行。
現(xiàn)今汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)重新匹配后，存在動(dòng)力輸出雙最大扭矩輸出點(diǎn)，甚至多最大扭矩輸出點(diǎn)的最終匹配結(jié)果。這樣在采用電機(jī)做加載負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制中，就存在必須高動(dòng)態(tài)的響應(yīng)轉(zhuǎn)速與扭矩的情況。在電機(jī)的一般控制方法中，多半直接采用PID誤差控制方法。它的重大缺點(diǎn)是1、只根據(jù)轉(zhuǎn)速的誤差值來(lái)決定電機(jī)的加減載荷，對(duì)于每次誤差之間的變化斜率大小不考慮。這樣對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩變化不大但轉(zhuǎn)速變化很大的情況，就無(wú)法很好的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。
2、PID基本的思想是根據(jù)反饋量決定給定量的單方向的增加或是減小。舉例用PID算法控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前轉(zhuǎn)速增加，就要增大扭矩將轉(zhuǎn)速壓低；發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速減小，就要減小扭矩提高轉(zhuǎn)速。但是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線描述，存在轉(zhuǎn)速增加，扭矩同時(shí)也增加；轉(zhuǎn)速減小扭矩同時(shí)也減小的運(yùn)行工況。這樣單純的PID控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙最大扭矩輸出或多最大扭矩輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。
3、基于PID的控制算法對(duì)于每次產(chǎn)生的誤差值是非常關(guān)鍵的。它關(guān)系到每次調(diào)節(jié)的PID基本參數(shù)的自整定幅值及其超調(diào)幅度。那么對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出外特性控制需要速度點(diǎn)取樣相差很大的情況，每次取樣點(diǎn)轉(zhuǎn)速差大于500轉(zhuǎn)/分，那么完全依賴(lài)PID根據(jù)每次調(diào)節(jié)的誤差量來(lái)整定就遠(yuǎn)遠(yuǎn)來(lái)不及了，會(huì)造成超調(diào)量很大，以至于振蕩失控。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的直接采用PID誤差控制方法所帶來(lái)的一系列的問(wèn)題，提供一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，在電機(jī)控制器控制交流電機(jī)在恒扭矩工況下，高速適應(yīng)外界受力情況調(diào)節(jié)交流電機(jī)的扭矩輸出以達(dá)到轉(zhuǎn)速的恒定運(yùn)行。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，其特征是包括如下步驟(A)測(cè)量電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；(B)計(jì)算實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的誤差值e；(C)計(jì)算所述誤差值的斜率e-ei，即，誤差值的誤差值；其中ei為前次的誤差值；(D)根據(jù)誤差量e和誤差斜率e-ei進(jìn)行PID算法，計(jì)算調(diào)節(jié)的給定輸出U(k)；(E)根據(jù)該給定輸出U(k)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明還包括如下特征在所述步驟(D)中計(jì)算調(diào)節(jié)給定輸出U(k)的方法為如果誤差值e＝0，則輸出U(k)保持不變；如果誤差值e＞0且e＞ei，則執(zhí)行PID算法增大輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則減小輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時(shí)間不變，保持一段時(shí)間后如果還滿足上述判據(jù)，則執(zhí)行PID算法增大U(k)輸出將轉(zhuǎn)速壓下來(lái)；如果e＜0且e＜ei，則執(zhí)行PID調(diào)節(jié)，減小輸出U(k)；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則增加U(k)輸出如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時(shí)間不變，保持一段時(shí)間后如果還滿足上述判據(jù)，則執(zhí)行PID算法減小U(k)輸出將轉(zhuǎn)速升上來(lái)；
其中l(wèi)ength rate是接近設(shè)定值時(shí)根據(jù)e-ei的幅度需要提前預(yù)判的閥值。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明進(jìn)一步包括如下特征如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則在減小輸出U(k)時(shí)進(jìn)行PID微調(diào)；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則在增加U(k)輸出時(shí)進(jìn)行PID微調(diào)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明進(jìn)一步包括如下特征先將油門(mén)執(zhí)行器開(kāi)到一定比例的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，再由電機(jī)控制整體速度達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行該開(kāi)氣門(mén)開(kāi)度條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)量；然后再將油門(mén)執(zhí)行器開(kāi)到另一比例的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，再由電機(jī)控制整體速度達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行該開(kāi)氣門(mén)開(kāi)度條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)量；依此類(lèi)推，進(jìn)行不同比例節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下外特性的測(cè)控。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明進(jìn)一步包括步驟(F)——誤差值細(xì)分根據(jù)誤差量e和誤差斜率e-ei的情況，將每次的設(shè)定值與原始設(shè)定值的差值情況分步給出。
由于本發(fā)明采用了上述方案，在PID調(diào)節(jié)算法的基礎(chǔ)上增加誤差變化斜率的判斷以及誤差值的細(xì)分的情況下動(dòng)態(tài)的響應(yīng)電機(jī)外部受力的變化情況。該方法控制能夠滿足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架速度特性控制要求。

圖1是本發(fā)明的應(yīng)用對(duì)象——汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)電路方框示意圖。
圖2是本發(fā)明總體流程示意圖。
圖3是本發(fā)明PID算法流程示意圖。
具體實(shí)施方式圖1所示為本發(fā)明的應(yīng)用對(duì)象——汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)方框圖，虛線框內(nèi)是與本發(fā)明相關(guān)的硬件系統(tǒng)。具體的信號(hào)流程如下首先，模塊6在模塊4的控制情況下調(diào)節(jié)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)恒定；由模塊1檢測(cè)并輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)，模塊2將其調(diào)理為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，被模塊3采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后由模塊4處理，得出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)值；由模塊4根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的轉(zhuǎn)速情況通過(guò)算法調(diào)節(jié)模塊5的扭矩輸出情況以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定輸出。其中，模塊3采用了National Instrument的6025采集卡，它具有12位精度，200k的采樣速率，16路模擬輸入通道，2路模擬輸出通道和8路數(shù)字輸入/輸出通道。模塊4的編程語(yǔ)言是National Instrument開(kāi)發(fā)的LabVIEW。
模塊2的角色就是實(shí)現(xiàn)外圍模擬電量處理成NI卡能夠接口的形式，進(jìn)入NI的數(shù)據(jù)采集卡?！罢{(diào)理”的意思就是處理，將外圍眾多模擬電量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，使得NI系統(tǒng)能夠直接使用。
模塊4將轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊2的電信號(hào)調(diào)理進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。然后通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。這里談到的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速就是指依賴(lài)于計(jì)算機(jī)的高性能運(yùn)算速度，進(jìn)行小于10mS的高速測(cè)速以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的連續(xù)輸出。
由于電機(jī)在加載控制柜的裝機(jī)情況下處于恒扭矩運(yùn)行狀態(tài)，由數(shù)據(jù)采集卡控制其扭矩的輸出狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的扭矩輸出。具體的算法就是下面所介紹的PID算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。
如圖2、3所示，本發(fā)明控制方法由7個(gè)基本組成實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速取樣、轉(zhuǎn)速取樣間隔、轉(zhuǎn)速誤差值的誤差值(變化斜率)、誤差值細(xì)分幅度、PID基本值、PID調(diào)節(jié)速度、PID微調(diào)。實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速取樣是決定每次轉(zhuǎn)速取樣的累計(jì)時(shí)間，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)，這是一個(gè)毫秒級(jí)的時(shí)間。轉(zhuǎn)速取樣間距是調(diào)節(jié)每次轉(zhuǎn)速的取樣間隔的取樣次數(shù)，這是由于轉(zhuǎn)速對(duì)于控制器的扭矩輸出響應(yīng)存在延遲而必要產(chǎn)生的調(diào)節(jié)指標(biāo)。誤差值細(xì)分是根據(jù)每次基本誤差值的情況進(jìn)行細(xì)分，降低每次超調(diào)幅度。PID基本值、PID調(diào)節(jié)速度與PID微調(diào)是一起配合使用的。每次控制循環(huán)都有PID的基本值從前一次控制循環(huán)產(chǎn)生的PID基本值，再跟據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的誤差與轉(zhuǎn)速的變化斜率共同決定PID的調(diào)節(jié)速度，產(chǎn)生新的PID輸出參數(shù)，經(jīng)過(guò)最后微調(diào)的處理，輸出給電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)速度特性的精準(zhǔn)控制。該控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，完全能夠滿足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性測(cè)量的需要。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，其控制思路如下一、e＝0，U(k)保持不變輸出二、e＞0；表示當(dāng)前速度大于設(shè)定速度1、e＞ei；e是最新的誤差量，表示在持續(xù)升速U(k)需要執(zhí)行PID算法增大輸出2、e＜＝ei(1)ei-e＞length rate表示在向設(shè)定值靠近，但是靠的太快了。此時(shí)需要讓它不要那么快，需要減小一點(diǎn)U(k)輸出，或是讓它調(diào)節(jié)的慢一點(diǎn)U(k)-微調(diào)值0.00025×(e-ei)/0.6這種處理可稱(chēng)為PID微調(diào)。其中系數(shù)0.00025需要每更換一款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行初步試驗(yàn)，根據(jù)接近設(shè)定值時(shí)e-ei的值的幅度進(jìn)行設(shè)定。也就是每換一款發(fā)動(dòng)機(jī)需要簡(jiǎn)單的建模。微調(diào)是為了在接近設(shè)定值的情況下防止調(diào)節(jié)過(guò)沖。
(2)ei-e＜＝length rate向設(shè)定值靠的很慢，并且還有可能是保持在一個(gè)與設(shè)定值比較接近的速度上。此時(shí)保持U(k)輸出2s，如果還這樣，執(zhí)行PID算法增大U(k)輸出將轉(zhuǎn)速壓下來(lái)。
三、e＜0；表示當(dāng)前速度小于設(shè)定速度1、e＜ei；表示持續(xù)減速U(k)執(zhí)行PID調(diào)節(jié)，減小輸出2、e＞＝ei(1)e-ei＞length rate；向設(shè)定值靠近，但是太快，需要增加一點(diǎn)U(k)，不要讓它升的那么快，需要增大一點(diǎn)U(k)輸出，或是讓它調(diào)節(jié)的慢一點(diǎn)U(k)+微調(diào)值0.00025×(e-ei)/0.5(2)e-ei＜＝length rate；不向設(shè)定值靠近，并且可能保持在一個(gè)與設(shè)定值比較接近的速度上。此時(shí)保持U(k)輸出2s，如果還這樣，執(zhí)行PID算法減小U(k)輸出將轉(zhuǎn)速升上來(lái)。
其中，在執(zhí)行PID算法增大或減小U(K)輸出時(shí)，如果誤差斜率較大，需要進(jìn)行誤差值細(xì)分，即把預(yù)定的總調(diào)節(jié)量細(xì)分成多個(gè)，一步一步調(diào)節(jié)到位，而不是一次調(diào)節(jié)到位。這是一個(gè)為了防止變化量太大進(jìn)行的細(xì)分。比如設(shè)定值從2000轉(zhuǎn)設(shè)定到5000轉(zhuǎn)，就會(huì)有這樣的處理，會(huì)100轉(zhuǎn)的遞增而不是一下從2000轉(zhuǎn)沖到5000轉(zhuǎn)。主要用于保護(hù)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)。
上述實(shí)施例只是為了說(shuō)明問(wèn)題，不能理解為對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。例如，實(shí)施例中提到的數(shù)值的公式，對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)就需要不同的取舍。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，其特征是包括如下步驟(A)測(cè)量電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；(B)計(jì)算實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的誤差值e；(C)計(jì)算所述誤差值的斜率e-ei，即，誤差值的誤差值；其中ei為前次的誤差值；(D)根據(jù)誤差量e和誤差斜率e-ei進(jìn)行PID算法，計(jì)算調(diào)節(jié)的給定輸出U(k)；(E)根據(jù)該給定輸出U(k)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，其特征是所述步驟(D)中計(jì)算調(diào)節(jié)給定輸出U(k)的方法為如果誤差值e＝0，則輸出U(k)保持不變；如果誤差值e＞0且e＞ei，則執(zhí)行PID算法增大輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則減小輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時(shí)間不變，保持一段時(shí)間后如果還滿足上述判據(jù)，則執(zhí)行PID算法增大U(k)輸出將轉(zhuǎn)速壓下來(lái)；如果e＜0且e＜ei，則執(zhí)行PID調(diào)節(jié)，減小輸出U(k)；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則增加U(k)輸出如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時(shí)間不變，保持一段時(shí)間后如果還滿足上述判據(jù)，則執(zhí)行PID算法減小U(k)輸出將轉(zhuǎn)速升上來(lái)；其中l(wèi)ength rate是接近設(shè)定值時(shí)根據(jù)e-ei的幅度需要提前預(yù)判的閥值。
3.如權(quán)利要求2所述的用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，其特征是如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則在減小輸出U(k)時(shí)進(jìn)行PID微調(diào)；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則在增加U(k)輸出時(shí)進(jìn)行PID微調(diào)。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，其特征是先將油門(mén)執(zhí)行器開(kāi)到一定比例的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，再由電機(jī)控制整體速度達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行該開(kāi)氣門(mén)開(kāi)度條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)量；然后再將油門(mén)執(zhí)行器開(kāi)到另一比例的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，再由電機(jī)控制整體速度達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行該開(kāi)氣門(mén)開(kāi)度條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)量；依此類(lèi)推，進(jìn)行不同比例節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下外特性的測(cè)控。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，其特征是還包括步驟(F)——誤差值細(xì)分根據(jù)誤差量e和誤差斜率e-ei的情況，將每次的設(shè)定值與原始設(shè)定值的差值情況分步給出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架的交流電機(jī)速度特性控制方法，在PID調(diào)節(jié)算法的基礎(chǔ)上增加誤差變化斜率的判斷以及誤差值的細(xì)分的情況下動(dòng)態(tài)的響應(yīng)電機(jī)外部受力的變化情況。該方法控制在電機(jī)控制器控制交流電機(jī)在恒扭矩工況下，高速適應(yīng)外界受力情況調(diào)節(jié)交流電機(jī)的扭矩輸出以達(dá)到轉(zhuǎn)速的恒定運(yùn)行，能夠滿足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架速度特性控制要求。
文檔編號(hào)H02P6/06GK1937392SQ20051002173
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者葉強(qiáng), 龍光展 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司