電動(dòng)汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)的研究

潘紹明，羅功坤，勞有蘭

PAN Shao-ming, LUO Gong-kun, LAO You-lan

(廣西工學(xué)院 電子信息與控制工程系，柳州 545006)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的提高，一方面，人們對(duì)未來汽車的安全性的期望值也越來越高，另一方面，作為一個(gè)國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車的安全性自然也成為國(guó)家工業(yè)發(fā)展過程中關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)前世界各國(guó)都在大力發(fā)展電動(dòng)汽車，其具有傳統(tǒng)燃油汽車所不具備的零排放、噪音低、純電控制等特點(diǎn)。為了使電動(dòng)汽車滿足安全性的要求，必須對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制。汽車防抱死剎車系統(tǒng)ABS（Antilock Brake System）是指汽車制動(dòng)過程中能實(shí)時(shí)判定車輪的滑移率，自動(dòng)調(diào)節(jié)作用在車輪上的制動(dòng)力矩，放置車輪抱死取得最佳效能的電子裝置[1,2]。

1 汽車防抱死剎車系統(tǒng)ABS原理

汽車通過輪胎與路面之間的相互作用，把發(fā)動(dòng)機(jī)傳至車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚽斑M(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，在制動(dòng)時(shí)把作用在車輪上的制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)力。汽車制動(dòng)時(shí)，當(dāng)?shù)孛嫣峁┑母街?duì)車輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不足以克服制動(dòng)器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)矩時(shí)，車輪就會(huì)發(fā)生制動(dòng)抱死。如果汽車此時(shí)仍未完全停車，車輪就會(huì)在路面上滑移。路面條件的變化直接影響車輪對(duì)路面的附著力，即影響附著系數(shù)。

為了使汽車在制動(dòng)過程中獲得良好的行駛性能，就要充分合理地利用輪胎與路面之間的附著力（即最大縱向、橫向作用力）。附著力的大小取決于輪胎與路面之間的垂直載荷和附著系數(shù)，即：

式中Fx為縱向附著力；Fy為橫向附著力；μx為縱向附著系數(shù)；μy為橫向附著系數(shù)；FN為垂直載荷。

附著系數(shù)與車輪的結(jié)構(gòu)、材料、氣壓和路面特性等因素有關(guān)，與車輪的滑移率S也有關(guān)系。

式中：VV為車速（車輪中心縱向速度）；VW為車輪速度（車輪瞬時(shí)圓周速度）。

車輪附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系如圖1所示。由于輪胎具有一定的彈性，當(dāng)車輪的滑移率達(dá)到20%左右時(shí)，輪胎才會(huì)相對(duì)路面發(fā)生滑移。在輪胎還沒有相對(duì)于路面發(fā)生滑移時(shí)，輪胎與路面之間的縱向附著系數(shù)μy表現(xiàn)為靜摩擦系數(shù)，即隨著相對(duì)滑移趨勢(shì)增大而增大；在輪胎相對(duì)于路面即將發(fā)生滑移時(shí)，縱向附著系數(shù)μy就達(dá)到了最大的靜摩擦系數(shù)。在滑移率S=20%附近，縱向附著系數(shù)出現(xiàn)峰值，此時(shí)的滑移率為最佳滑移率SP。

防抱死系統(tǒng)的作用是防止車輪發(fā)生制動(dòng)抱死，并將車輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，使車輪既能產(chǎn)生最大的制動(dòng)力，又具有較高的抗橫向滑移的能力。其具體過程如下：在剎車系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候監(jiān)視車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，如果車輪被抱死，控制器就發(fā)出剎車抱死信號(hào)；當(dāng)車輪重新開始轉(zhuǎn)動(dòng)就再次啟動(dòng)剎車裝置。電腦在一秒鐘內(nèi)啟動(dòng)和停止剎車幾十次，這樣就可以有效的防止車輪被抱死。比較新的防抱死系統(tǒng)還監(jiān)視所有車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是否一致，當(dāng)速度不一樣時(shí)自動(dòng)調(diào)整。此外安裝了防抱死系統(tǒng)汽車在剎車的時(shí)候還可以轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。采用了ABS后，制動(dòng)時(shí)不會(huì)抱死車輪，并且還可以利用方向盤控制正常行駛，確保了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱性[3]。

圖1 附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系

2 ABS汽車動(dòng)態(tài)模型

考慮前、后輪載荷變化對(duì)驅(qū)動(dòng)防滑的影響，取汽車前進(jìn)方向?yàn)槠囁艿孛婺Σ亮、汽車位移x、速度和加速度a的正方向，建立汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程。

其中：

式中：μ(S1)-前輪在滑移率為S1時(shí)對(duì)應(yīng)的附著系數(shù)；-μ(S1)-后輪在滑移率為S2時(shí)對(duì)應(yīng)的附著系數(shù)；FZ1-前輪所受重力；FZ2-后輪所受重力。

由式（5）得：

式中：G=mg；d為前后輪中心間距；d1為前輪中心到重心的垂直距離；d2為后輪中心到重心的垂直距離。

設(shè)汽車前后輪傳動(dòng)系等效到前后輪上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別I1、I2，前后輪的角速度分別為ω1、ω2，電機(jī)對(duì)前后輪施加的驅(qū)動(dòng)力矩大小分別為T1、T2，則前后輪的動(dòng)力學(xué)方程為：

取狀態(tài)變量x1=x、x2=x1、x3=ω1、x4=ω2，列出汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)方程：

輸出方程為

公式(9)、(10)組成汽車縱向雙輪模型的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)空間方程[4-6]。

3 基于模糊PID控制的電動(dòng)汽車ABS仿真模型

根據(jù)ABS汽車動(dòng)態(tài)模型再M(fèi)ATLAB中創(chuàng)建了汽車ABS的仿真模型，建立的SIMULINK仿真模型如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車ABS仿真模型

在模糊控制中，模糊控制的輸入變量為滑移率誤差EC和滑移率誤差變化EC-C，輸出控制參數(shù)為驅(qū)動(dòng)防滑控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)加給車輪的轉(zhuǎn)矩T。輸入與輸出變量的語言值如表1、表2所示[7]。

表1 輸入變量的語言值

表2 輸出變量的語言值

依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)建模糊控制器的模糊規(guī)則如下：

根據(jù)上述模糊PID控制算法，只考慮電動(dòng)汽車由零速度起步加速行駛的情況，創(chuàng)建電動(dòng)汽車在不同路況下的縱向雙輪驅(qū)動(dòng)仿真模型。表3為仿真實(shí)驗(yàn)中所用相關(guān)參數(shù)，圖3為基于模糊PID控制的防抱死仿真圖。

表3 仿真模型汽車參數(shù)

圖3 基于模糊PID控制的防抱死仿真圖

經(jīng)過仿真分析后，得到模糊控制方式下的輪速、車速曲線如圖4所示，以及模糊控制方式下的滑移率變化曲線如圖5所示。由仿真結(jié)果曲線可見，采用模糊PID控制可以得到較好的控制效果，在相同的參數(shù)下未采用模糊PID控制剎車完畢2.92秒，制動(dòng)距離33.4米，采用模糊PID控制剎車完畢耗時(shí)2.81秒，制動(dòng)距離為31.2米，由此可見，采用模糊PID控制算法能取得更好的結(jié)果。

圖4 模糊PID控制方式下輪速、車速曲線

圖5 模糊PID控制方式下滑移率曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的研究，并創(chuàng)建了基于模糊PID控制方式的ABS仿真模型。從仿真分析的結(jié)果可以看出，采用模糊PID控制方式的ABS能夠取得更好的剎車效果，能夠使滑移率處在最佳滑移率附近，電動(dòng)汽車能夠更加有效的利用峰值附著系數(shù)，減小了剎車時(shí)的制動(dòng)距離，提高了汽車的可操縱性和安全穩(wěn)定性。

[1]余志生.汽車?yán)碚摰?版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000(10)J:71-168.

[2]周云山,于秀敏.汽車電控系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1991:12-57.

[3]劉潥.汽車ABS仿真試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)與液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究[D],吉林工業(yè)大學(xué),2000,03.

[4]Ross Eddie.Ice,ABS,and Temperature.C.R.Eddie Engineering,Inc.SAE 940724.

[5]Alan Strickland and Ken Dagg.ABS Braking Performance and Steering Input.Royal Canadian Mounted Police,SAE 980240.

[6]Ferdinand Svaricek.Automatic Valuation and Verification of ABS Controllers by Using a Hardware-In-The-Loop Simmulation.ITT Automative Europe GmbH,SAE 980241.

[7]胡國(guó)亮.模糊控制汽車ABS防抱死系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,1998(4):27-28.