第４１卷第１期２００７年１月电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２００７
定稿日期：２００６－０６－０５
作者简介：王宝瑛（１９７６－），女，河北人，工程师，硕士
生，研究方向为电力电子技术。
１
引言
当今世界环境污染日益严重，石油资源危机亦
已迫在眉睫。汽车作为引起这两方面问题的主要因素已引起人们广泛关注。电动汽车以其无污染、噪声低、能源效率高且多样化、结构简单、使用维修方便成为汽车工业推出的新型交通工具［１］。但由于动力电源使用成本高且续驶里程短，严重阻碍了电动汽车的商品化，电池性能不佳也是电动汽车难以普及的关键因素。再生制动技术在一定程度上可解决续驶里程短的问题，并且可节约能源，降低成本。在电动汽车驱动及再生制动系统中，双向ＤＣ／ＤＣ变换器和电机驱动器作为能量流动的重要环节，其基本 —降压斩波电路和升压斩波电路的研究，对充分发挥电动汽车的性能有着重要的意义。
２ＤＣ／ＤＣ变换器在电动汽车中应用
图１给出电动汽车驱动及再生制动系统功能示
意图。主电源是蓄电池，输出功率与电动汽车平均行驶功率需求相当；辅助电源是超级电容或超高速飞轮，输出功率高于平均功率需求，并可以吸收再生能量。系统工作原理为：在车辆起动和加速时，要求电机转矩增大，辅助电源通过双向ＤＣ／ＤＣ变换器和蓄电池并联，同时向电机提供能量；在车辆正常行驶时，蓄电池通过电机驱动器向电机提供能量；在车辆
减速或制动时，电机工作于发电机工况，再生制动回
馈的能量经过双向ＤＣ／ＤＣ变换器向辅助电源充电，若辅助电源已充满电，则再生制动回馈的能量经过电机驱动器向蓄电池充电。
图１电动汽车驱动及再生制动系统功能示意图
电动汽车中主要采用双向ＤＣ／ＤＣ变换器和电机驱动器。双向ＤＣ／ＤＣ变换器控制蓄电池与辅助电源之间的功率分配，并在车辆低功率行驶时，限制蓄电池对辅助电源的充电率。电机驱动器根据直流电机、交流电机的不同可以是ＤＣ／ＤＣ变换器或ＤＣ／ＡＣ变换器。分析电动汽车驱动及再生制动过程可知，在不同的电机工况下，双向ＤＣ／ＤＣ变换器和电机驱动器可简化为一个降压斩波电路或升压斩波电路。 ３ＤＣ／ＤＣ变换器实验台设计
图２示出搭建的实验台主电路，功率开关管
ＶＴ１～
ＶＴ４组成桥的４个臂。实验台用软件完成控制调节，输出ＰＷＭ信号驱动主电路４个ＩＧＢＴ，通过控制占空比的改变实现电压的升降。表１给出实验台主电路工作状态。
实验台的控制电路包括控制板和驱动板。图３示出实验台控制板硬件结构示意图。控制板采用
电动汽车用DC/DC 变换器模糊自整定ＰＩ控制
王宝瑛，朱方明，曹秉刚，白志峰
（西安交通大学，陕西西安７１００４９）
摘要：以提高电动汽车控制性能为目标，对电动汽车控制系统的双向ＤＣ／ＤＣ变换器和电机驱动器的基本组成
电路──降压斩波电路和升压斩波电路进行了研究，搭建了ＤＣ／ＤＣ变换器实验台，设计了模糊自整定ＰＩ控制器，并通过实验验证了该控制器的良好控制效果。 关键词：变换器；模糊控制；电动车辆／自整定中图分类号：ＴＭ４６；Ｕ４６９．２２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１００Ｘ（２００７）０１－００４８－０３
ＳｔｕｄｙｏｎＦｕｚｚｙＳｅｌｆ－ＴｕｒｎｉｎｇＰＩＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＤＣ／ＤＣＣｏｎ
ｖｅｒｔｅｒｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ
ＷＡＮＧＢａｏ－ｙｉｎｇ，ＺＨＵＦａｎｇ－ｍｉｎｇ，ＣＡＯＢｉｎｇ－ｇａｎｇ，ＢＡＩＺｈｉ－ｆｅｎｇ
（Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，
ｔｈｅＢｕｃｋｃｈｏｐｐｅｒａｎｄＢｏｏｓｔｃｈｏｐｐｅｒｗｈｉｃｈａｒｅｔｈｅｂａｓｉｃｃｉｒｃｕｉｔｓｏｆｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｒｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．ＴｈｅｔｅｓｔｂｅｄｏｆＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｕｚｚｙｓｅｌｆ－ｔｕｒｎｉｎｇＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｗｏｎｄｅｒｆｕｌ
ｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ／ｓｅｌｆ－ｔｕｒｎｉｎｇ
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ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片作为系统的控制器，
完成信号采样、数据处理及输出控制与监测等功能［２］。控制电路包括ＤＳＰ外围电路、故障信号处理电路、ＰＷＭ输出隔离电路、信号调理电路。采样信号包括蓄电池电压、变换器输出电压、电感电流、升降压指令共计４路信号。４路ＰＷＭ控制信号控制４个ＩＧＢＴ，并采用４个发光二极管实现显示故障信号的报警功能。电压反馈信号经隔离放大送给ＤＳＰ内ＡＤＣ，构
成电压闭环。
图
２ＤＣ／ＤＣ变换器实验台主电路
图中Ｕｂ──蓄电池
Ｒ──负载电阻
Ｌ──储能电感Ｃ──滤波电容
图３实验台控制板硬件结构示意图４
模糊自整定ＰＩ控制器的设计
４．１
模糊自整定ＰＩ控制原理
在系统参数变化及非线性情况下，传统ＰＩＤ控制很难保持设计时的性能指标，而模糊控制器不需要对象精确的数学模型，在一定程度上克服了系统变参数及非线性等不利因素，其动态响应具有较快的收敛性，但稳态时系统会出现震颤现象［３］。本文将ＰＩ控制和模糊控制有机地结合起来，
构成模糊自整定ＰＩ控制器。利用模糊技术对Ｋｐ，Ｋｉ进行在线调
整，以满足不同工况下对控制器参数的不同ｅ要求，这样既能改善模糊控制器的稳态性能，又能在一定程度上提高ＰＩ控制器的自适应性。
图４示出模糊自整定ＰＩ控制器原理。模糊控制器的输入语言变量为电压误差ｅ和电压误差变化率ｄｅ／ｄｔ，输出语言变量为ＰＩ控制器的两个参数Ｋｐ，Ｋｉ的变化量ΔＫｐ，Δ
Ｋｉ。４．２确定模糊语言变量及其隶属函数
设Ｅ，ＥＣ，ΔＫｐ，ΔＫｉ的模糊子集均为｛ＮＢ，ＮＭ，
ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，各语言变量的论域分别为：Ｅ，ＥＣ＝｛－３，－２，－１，０，１，２，３｝，ΔＫｐ＝｛－１，－０．６６，－０．３３，０，０．３３，０．６６，１｝，ΔＫｉ＝｛－０．１，－０．０６６，－０．０３３，０，０．０３３，０．０６６，０．１｝。除各语言变量的模糊子集ＮＢ采用Ｚ型
隶属函数、ＰＢ采用Ｓ型隶属函数外，其它选用连续型三角形隶属函数。４．３
确定量化因子和比例因子
在模糊控制中，采用固定的一组量化因子和比例因子难以达到预期的控制效果。本文采用两组量化因子和比例因子调整控制的不同阶段。
（１）量化因子：当ｅ＞２时，Ｋｅ＝０．５，Ｋｅｃ＝０．０００１；当ｅ≤２时，Ｋｅ＝０．２，Ｋｅｃ＝０．００１。
（２）比例因子：当ｅ＞２时，Ｋｋｐ＝Ｋｋｉ＝０．００１５；
当ｅ≤２时，Ｋｋｐ＝０．０００３，Ｋｋｉ＝０．０００１。４．４
建立ＰＩ参数模糊自整定的规则
通过对系统的分析结合专家经验和反复试验，构造出ΔＫｐ，ΔＫｉ模糊控制规则，
如表２，表３所示。表２
ΔＫｐ的模糊控制规则
ＥＣ!ＫｐＥ
ＮＢＮＭＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
ＮＢＰＢＰＢＰＭＰＭＰＳＺＯＺＯＮＭＰＢＰＢＰＭＰＳＰＳＺＯＰＳＮＳＰＭＰＭＰＭ
ＰＳＺＯＰＳＰＳＺＯＰＳＰＳＰＳＺＯＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＺＯＰＳＰＳＰＭＰＭＰＭＰＳＰＳＰＭＰＭＰＭＰＭ
ＰＢＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
图４模糊自整定ＰＩ控制器原理图
开关管
电路
工作状态
ＶＴ１ＶＴ２ＶＴ３ＶＴ４正向升压导通截止斩波截止正向降压斩波截止截止截止反向升压截止导通截止斩波反向降压
截止
斩波
截止
截止
表１
ＤＣ／ＤＣ变换器实验台主电路工作状态电动汽车用ＤＣ／ＤＣ变换器模糊自整定ＰＩ控制
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第４１卷第１期２００７年１月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２００７
ＥＣ!ＫｉＥＮＢＮＭＮＳ
ＺＯＰＳＰＭＰＢＮＢＮＳＮＳＺＯＺＯＰＳＰＭＰＭＮＭＮＳＮＳＺＯＰＳＰＳ
ＰＭＰＭ
ＮＳＮＳＺＯＰＳＰＳＰＭＰＢＰＢＺＯＺＯＺＯＰＳＰＭＰＢ
ＰＢＰＢＰＳＺＯＰＳＰＭＰＢＰＢＰＢＰＢＰＭＰＭＰＭＰＭ
ＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ表３
ΔＫｉ的模糊控制规则
４．５模糊合成推理、解模糊和确定ＰＩ控制器参数
根据模糊理论进行算法合成可求出相应的ΔＫｐ
和ΔＫｉ。然后采用重心法解模糊，根据参数调整算式确定ＰＩ控制器参数。参数预整定采用Ｚｉｅｇｌｅｒ－
Ｎｉｃｈｏｌｓ方法求解Ｋｐ，Ｋｉ的初始值Ｋｐ０，Ｋｉ０：
Ｋｐ＝Ｋｐ０＋Ｅ，Ｅ!"
ＣＫｐ＝Ｋｐ０＋ΔＫｐＫｉ＝Ｋｉ０＋Ｅ，Ｅ!"
ＣＫｉ＝Ｋｉ０＋ΔＫｉ!
（１）
５
实验
通过ＰＩ控制和模糊自整定ＰＩ控制对比了两种
控制方法的控制效果。模糊自整定ＰＩ控制器实验参数初始值与ＰＩ控制器参数相同。图５为实验波形。图５ａ，ｂ为输入电压ｕｉｎ由６０Ｖ发生约３０％跳变过程的升压变换实验结果。负载电阻为４０Ω，控制输出电压ｕｏ＝１２０Ｖ，ＰＩ控制器参数Ｋｐ＝Ｋｉ＝０．００１。实验结果表明，当输入电压变化时，模糊自整定ＰＩ控制的调节时间和超调量均明显优于ＰＩ控制，其输出电压波动变化小，稳定性好。图５ｃ，ｄ为负载电阻调整为２０Ω后输入电压由６０Ｖ发生约３０％跳变过程的升压变换实验结果。控制ｕｏ＝１２０Ｖ，Ｋｐ＝Ｋｉ＝０．００１。实验结果表明，当调整负载电阻后ｕｉｎ变化
时，模糊自整定ＰＩ控制的调节时间和超调量均明显
优于ＰＩ控制。图５ｅ，ｆ为负载电阻由４０￣２０Ω之间多次跳变的降压变换实验结果。设定ｕｉｎ＝１２０Ｖ，控制ｕｏ＝６０Ｖ，Ｋｐ＝０．００１，Ｋｉ＝０．０００３。实验结果表明，
当负载电阻跳变时，模糊自整定ＰＩ控制的输出电压ｕｏ波形更加平整，鲁棒性和自适应性好于ＰＩ控制。
６
结论
针对电动汽车驱动及再生制动系统中双向ＤＣ／ＤＣ变换器及电机驱动器的基本组成电路——
—降压斩波电路和升压斩波电路进行了研究，搭建了双向ＤＣ／ＤＣ变换器实验台，设计了模糊自整定ＰＩ控制器。实验结果表明，当控制对象工作点发生变化时，模糊自整定ＰＩ控制比ＰＩ控制的控制效果好，主要体现在调节时间短，超调量小，控制精度高，稳定性好等方面。说明模糊控制规则发挥了对ＰＩ参数的在线调整功能，可满足不同工况下对控制器参数的不同要求，提高了控制器的自适应性，使ＤＣ／ＤＣ变换器的输出电压具有良好的动态和静态性能。
参考文献
［１］陈清泉，
孙逢春，祝嘉光．现代电动汽车技术［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００２．
［２］刘和平，严利平，张学锋，等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ结构、原理及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００２．
［３］诸静．模糊控制原理与应用［Ｍ］．北京：
机械工业出版社，２００３．
图５实验参数
随着信息、通信、微电子、电力电子及电力传动技术在国民经济（包括国防）各部门的广泛应用，电力电子装置（系统）对电磁环境造成的污染和因之对其周边其它电子设备造成的干扰，已经引起国内外研究开发和工程技术人员的密切关注。欧洲共同体国家已经根据８９／３３６／ＥＥＣ电磁兼容指令，开始对进入欧
洲的大多数电工、电子产品强制执行
ＥＭＣ论证，
我国也相应地从２００３年５月１日起对部分产品强制执行３Ｃ
（ＣｈｉｎａＣｏｍｐｕｌｓｏｒｙＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）论证，
其中包括了部分ＥＭＣ论证的内容。
可以预见，随着我国工业、国防现代化进程的加速和高技术电子产品（设备）更广泛的应用，对电力电子及电力传动
装置进行强制ＥＭＣ论证是势在必行的事，而电力电子及电力传动技术对社会经济可持续发展具有重大的技术经济效益也是不争的事实，所以电力电子电磁兼容技术关系到电力电子及电力传动的发展，对提高经济增长质量和效益，减少电磁环境污染，保障国民经济持续、快速、健康发展具有重要（下转第６６页）
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