CN100449930C

CN100449930C - 用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法

Info

Publication number: CN100449930C
Application number: CNB2005100217353A
Authority: CN
Inventors: 叶强; 龙光展
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: CN1937392A

Abstract

本发明公开一种用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，在PID调节算法的基础上增加误差值的误差值的判断以及误差值的细分的情况下动态的响应电机外部受力的变化情况。该方法控制在电机控制器控制交流电机在恒扭矩工况下，高速适应外界受力情况调节交流电机的扭矩输出以达到转速的恒定运行，能够满足汽车发动机性能试验台架速度特性控制要求。

Description

用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，应用在汽车发动机性能试验台架上，用于在发动机外特性测量时实现发动机的运行工况的控制。

【背景技术】

在发动机的外特性测量中，有时需要把发动机保持在设定的转速才能开始测量(参见国标GB/T 18297)，因此恒速就是为测控提供试验的工况依据。

通常，发动机外特性的测试是在发动机性能试验台架上进行的，台架的执行器件主要就是一个交流电机，在总体机械结构上，基本上可以理解为执行器交流电机与发动机同轴。因此为了得到被测物发动机的外特性性能，就只要控制好执行器交流电机即可。而根据国标GB/T 18297，为了实现发动机的恒速，试验台架基本上需要电机运行在恒扭矩运行段，就靠电机的恒扭矩输出控制以实现台架系统的恒速运行。

现今汽车发动机经过发动机管理系统重新匹配后，存在动力输出双最大扭矩输出点，甚至多最大扭矩输出点的最终匹配结果。这样在采用电机做加载负荷的发动机台架控制中，就存在必须高动态的响应转速与扭矩的情况。在电机的一般控制方法中，多半直接采用PID误差控制方法。它的重大缺点是：

1、只根据转速的误差值来决定电机的加减载荷，对于每次误差之间的变化斜率大小不考虑。这样对于汽车发动机输出扭矩变化不大但转速变化很大的情况，就无法很好的实现转速的稳定控制。

2、PID基本的思想是根据反馈量决定给定量的单方向的增加或是减小。举例：用PID算法控制发动机转速，发现当前转速增加，就要增大扭矩将转速压低；发现转速减小，就要减小扭矩提高转速。但是根据发动机的外特性曲线描述，存在转速增加，扭矩同时也增加；转速减小扭矩同时也减小的运行工况。这样单纯的PID控制无法实现双最大扭矩输出或多最大扭矩输出的发动机转速控制。

3、基于PID的控制算法对于每次产生的误差值是非常关键的。它关系到每次调节的PID基本参数的自整定幅值及其超调幅度。那么对于发动机动力输出外特性控制需要速度点取样相差很大的情况，每次取样点转速差大于500转/分，那么完全依赖PID根据每次调节的误差量来整定就远远来不及了，会造成超调量很大，以至于振荡失控。

【发明内容】

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的直接采用PID误差控制方法所带来的一系列的问题，提供一种用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，在电机控制器控制交流电机在恒扭矩工况下，高速适应外界受力情况调节交流电机的扭矩输出以达到转速的恒定运行。

为实现上述目的，本发明提出一种用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，其特征是包括如下步骤：

步骤A：测量电机或发动机的实时转速；

步骤B：计算实测转速与设定转速之间的误差值e；

步骤C：计算所述误差值的误差值e-ei；其中ei为前次的误差值；

步骤D：根据误差值e和误差值的误差值e-ei进行PID算法，计算调节的给定输出U(k)；

步骤E：根据该给定输出U(k)调节电机转速。

根据本发明的优选方案，本发明还包括如下特征：

在所述步骤D中计算调节给定输出U(k)的方法为：

如果误差值e＝0，则输出U(k)保持不变；

如果误差值e＞0且e＞ei，则执行PID算法增大输出U(k)；

如果误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，则减小输出U(k)；

如果误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，则保持输出U(k)一段时间不变，保持一段时间后如果还满足e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，则执行PID算法增大U(k)输出将转速降下来；

如果e＜0且e＜ei，则执行PID调节，减小输出U(k)；

如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，则增加U(k)输出

如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，则保持输出U(k)一段时间不变，保持一段时间后如果还满足e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，则执行PID算法减小U(k)输出将转速升上来；

其中length rate是接近设定值时根据e-ei的幅度需要提前预判的阈值。

根据本发明的优选方案，本发明进一步包括如下特征：

如果误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，则在减小输出U(k)时进行PID微调；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，则在增加U(k)输出时进行PID微调。

根据本发明的优选方案，本发明进一步包括步骤F误差值细分：根据误差值e和误差值的误差值e-ei的情况，将每次的设定值与原始设定值的差值情况分步给出。

由于本发明采用了上述方案，在PID调节算法的基础上增加误差值的误差值的判断以及误差值的细分的情况下动态的响应电机外部受力的变化情况。该方法控制能够满足汽车发动机性能试验台架速度特性控制要求。

【附图说明】

图1是本发明的应用对象——汽车发动机台架测试系统电路方框示意图。

图2是本发明总体流程示意图。

图3是本发明PID算法流程示意图。

【具体实施方式】

图1所示为本发明的应用对象——汽车发动机台架测试系统方框图，虚线框内是与本发明相关的硬件系统。具体的信号流程如下：首先，模块6在模块4的控制情况下调节被测发动机的节气门恒定；由模块1检测并输出实时转速测量信号，模块2将其调理为标准信号后，被模块3采集转换为数字信号，最后由模块4处理，得出实时转速测量数值；由模块4根据实时测量的转速情况通过算法调节模块5的扭矩输出情况以实现交流电机的转速恒定输出。其中，模块3采用了National Instrument的6025采集卡，它具有12位精度，200k的采样速率，16路模拟输入通道，2路模拟输出通道和8路数字输入/输出通道。模块4的编程语言是National Instrument开发的LabVIEW。

模块2的角色就是实现外围模拟电量处理成NI卡能够接口的形式，进入NI的数据采集卡。“调理”的意思就是处理，将外围众多模拟电量经过转换，使得NI系统能够直接使用。

模块4将转速传感器的信号经过模块2的电信号调理进入数据采集卡。然后通过脉冲计数的方式进行实时测量。这里谈到的实时转速就是指依赖于计算机的高性能运算速度，进行小于10mS的高速测速以实现实时转速的连续输出。

由于电机在加载控制柜的装机情况下处于恒扭矩运行状态，由数据采集卡控制其扭矩的输出状态就可以实现控制电机的扭矩输出。具体的算法就是下面所介绍的PID算法实现转速闭环控制。

如图2、3所示，本发明控制方法由7个基本组成：实时转速取样、转速取样间隔、转速误差值的误差值、误差值细分幅度、PID基本值、PID调节速度、PID微调。实时转速取样是决定每次转速取样的累计时间，为了实现动态的响应，这是一个毫秒级的时间。转速取样间距是调节每次转速的取样间隔的取样次数，这是由于转速对于控制器的扭矩输出响应存在延迟而必要产生的调节指标。误差值细分是根据每次基本误差值的情况进行细分，降低每次超调幅度。PID基本值、PID调节速度与PID微调是一起配合使用的。每次控制循环都有PID的基本值从前一次控制循环产生的PID基本值，再跟据当前转速的误差与转速的误差值的误差值共同决定PID的调节速度，产生新的PID输出参数，经过最后微调的处理，输出给电机控制器实现速度特性的精准控制。该控制方法动态响应好，完全能够满足汽车发动机速度特性测量的需要。

在一个具体实施例中，其控制思路如下：

一、e＝0，U(k)保持不变输出

二、e＞0；表示当前速度大于设定速度

1、e＞ei；e是最新的误差值，表示在持续升速

U(k)需要执行PID算法增大输出

2、e＜＝ei

(1)ei-e＞length rate：表示在向设定值靠近，但是靠的太快了。此时需要让它不要那么快，需要减小一点U(k)输出，或是让它调节的慢一点

U(k)-微调值0.00025×(e-ei)/0.6

这种处理可称为PID微调。其中系数0.00025需要每更换一款发动机进行初步试验，根据接近设定值时e-ei的值的幅度进行设定。也就是每换一款发动机需要简单的建模。微调是为了在接近设定值的情况下防止调节过冲。

(2)ei-e＜＝length rate：向设定值靠的很慢，并且还有可能是保持在一个与设定值比较接近的速度上。此时保持U(k)输出2s，如果还这样，执行PID算法增大U(k)输出将转速降下来。

三、e＜0；表示当前速度小于设定速度

1、e＜ei；表示持续减速

U(k)执行PID调节，减小输出

2、e＞＝ei

(1)e-ei＞length rate；向设定值靠近，但是太快，需要增加一点U(k)，不要让它升的那么快，需要增大一点U(k)输出，或是让它调节的慢一点

U(k)+微调值0.00025×(e-ei)/0.5

(2)e-ei＜＝length rate；不向设定值靠近，并且可能保持在一个与设定值比较接近的速度上。此时保持U(k)输出2s，如果还这样，执行PID算法减小U(k)输出将转速升上来。

其中，在执行PID算法增大或减小U(K)输出时，如果误差值的误差值较大，需要进行误差值细分，即：把预定的总调节量细分成多个，一步一步调节到位，而不是一次调节到位。这是一个为了防止变化量太大进行的细分。比如设定值从2000转设定到5000转，就会有这样的处理，会100转的递增而不是一下从2000转冲到5000转。主要用于保护被测发动机。

上述实施例只是为了说明问题，不能理解为对本发明的保护范围的限制。例如，实施例中提到的数值的公式，对于不同的发动机就需要不同的取舍。

Claims

1、一种用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，其特征是包括如下步骤：

步骤A：测量电机或发动机的实时转速；

步骤B：计算实测转速与设定转速之间的误差值e；

步骤E：根据该给定输出U(k)调节电机转速。

2、如权利要求1所述的用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，其特征是所述步骤D中计算调节给定输出U(k)的方法为：

如果误差值e＝0，则输出U(k)保持不变；

如果误差值e＞0且e＞ei，则执行PID算法增大输出U(k)；

如果误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，则减小输出U(k)；

如果误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，则保持输出U(k)一段时间不变，保持一段时间后如果还满足误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，则执行PID算法增大U(k)输出将转速降下来；

如果e＜0且e＜ei，则执行PID调节，减小输出U(k)；

如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，则增加U(k)输出；

如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，则保持输出U(k)一段时间不变，保持一段时间后如果还满足误差值e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，则执行PID算法减小U(k)输出将转速升上来；

3、如权利要求2所述的用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，其特征是：如果误差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，则在减小输出U(k)时进行PID微调；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，则在增加U(k)输出时进行PID微调。

4、如权利要求1或2或3所述的用于发动机性能试验台架的交流电机速度特性控制方法，其特征是还包括步骤F误差值细分：根据误差值e和误差值的误差值e-ei的情况，将每次的设定值与原始设定值的差值情况分步给出。