輪轂電機多輪獨立驅動車輛機電聯合制動控制策略

燕玉林，廖自力，劉春光，李立宇

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

輪轂電機多輪獨立驅動車輛機電聯合制動控制策略

燕玉林，廖自力，劉春光，李立宇

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

為了提高輪轂電機多輪獨立驅動車輛的能量利用率，針對某型車輛的機電聯合制動系統(tǒng)設計了一套模糊控制策略，用于分配制動力據，回收部分制動能量，并進行了Matlab離線仿真實驗，實驗結果表明，該控制策略可有效分配制動力矩，提高制動效能并回收能量。

機電聯合制動，模糊控制，輪轂電機

0 引言

當車輛機械制動時，動能以摩擦的方式消耗，影響機械制動系統(tǒng)的使用壽命。輪轂電機驅動的車輛，動力由電氣系統(tǒng)直接傳遞完成。在車輛制動時也可利用電機的制動特性，回收部分制動能量到動力電池和超級電容中，即再生制動。電機高速運轉時，制動響應快，低速時制動穩(wěn)定性較差、且能量回饋效率很低；機械制動在低速時效能穩(wěn)定，高速時容易失效。因此，通過再生制動和機械制動的機電聯合制動方案是一種較好的選擇。

為實現車輛的制動安全性和高效制動能量回收，有必要對整車制動力進行合理分配，保證車輛制動性能的同時，提高能量回饋率［1］。本文以機電聯合制動力分配為控制目標，以某型輪轂電機多輪獨立驅動的電傳動車輛為實例，研究了基于模糊控制的機電聯合制動控制策略，并進行了建模仿真。

1 機電聯合制動控制系統(tǒng)設計

車輛制動時，輪轂電機運行于再生制動模式，輸出制動力矩實現車輛減速，產生的電能由超級電容和動力電池回收，電壓泵升超過設定閾值時由制動電阻消耗。機械制動系統(tǒng)采用儲能式電控液壓中心站+盤式制動器結構。駐車制動采用常閉式液壓解脫駐車方式。

從保證制動安全的角度考慮，采用制動控制器完成機械、電氣制動力矩的分配，以及機械制動系統(tǒng)的直接控制，其優(yōu)先級高于車輛中央控制器，可減少控制環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)可靠性。

聯合制動系統(tǒng)主要包括線控指令機構（電子踏板）、制動控制器、電控液壓蓄能站、機械摩擦制動器、輪轂電機制動單元、超級電容與動力電池并聯儲能裝置、制動電阻等，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 機電聯合制動系統(tǒng)結構

2 模糊邏輯控制策略實現

2.1 模糊控制策略分析

想要尋求好的制動控制策略，首先要明確車輛的制動目標。車輛的制動性能主要從制動距離、制動時間、制動減速度、制動器的熱負荷等幾個方面進行評價［2］。由于輸入量包括踏板行程，車速，電池SOC等多個時變參數且系統(tǒng)有嚴重的非線性，本文采用模糊邏輯控制，使控制系統(tǒng)不再依賴精確的數學模型，保持較強的魯棒性［3］。

車輛總的制動力矩等于機械液壓制動力矩與再生制動力矩之和［4］，為提高制動的可靠及安全性能，當車速低于10 km/h時，完全采用機械液壓系統(tǒng)進行制動。車輛速度較高時，采用機電聯合制動，為提高能量回收，首先使用電機再生制動，當前電機轉速下提供的最大制動轉矩不能滿足總制動需求時，不足部分由機械制動補充，需求制動轉矩小于當前電機轉速下提供的最大制動轉矩時，則直接調節(jié)電機轉矩滿足制動性能要求。

圖2 能量最大回收制動力矩分配

根據圖2，電機再生制動力矩與機械液壓制動力矩之和等于總需求制動力矩：

式中，TC_ref為總需求制動力矩，TG_ref為需求電制動力矩，TM_ref為需求機械制動力，TC_max為最大制動力矩。

當需求制動轉矩超出電機的最大制動轉矩時，施加機械制動，機械制動力矩為：

由此可以設計，在車輛制動時，通過線控指令機構發(fā)送對制動力矩的總量需求，由模糊控制器結合車速、制動工況（踏板行程）、SOC信號，控制力矩分配以及機電聯合制動工作方式：

①中輕度制動下減速工況采用聯合制動，通過一定的控制策略合理分配輪轂電機、機械制動器兩者的力矩大小和工作時機；

②停車工況和緊急制動工況以機械制動器為主；

③下緩坡等弱強度制動以輪轂電機發(fā)電回饋制動方式為主，必要時以機械制動器進行力矩補充。

圖3 機電聯合制動模糊控制策略

考慮到系統(tǒng)安全性，增加手動駐車應急備用工作方式。為使駕駛員在制動時具有與傳統(tǒng)燃油車一樣的平順感，將制動踏板的信號解釋為制動力矩，制動控制器根據工況和制動要求，控制機械制動系統(tǒng)和電機協(xié)同工作，以獲得期望的總制動力矩。

2.2 模糊控制器設計

本文通過Matlab中的模糊邏輯工具箱搭建此控制器。輸入分別是動力電池荷電狀態(tài)（SOC），制動踏板角度（alpha），車速（carspeed），輸出為電機制動力矩比例系數（K）?？紤]到車輛實際的制動情況，變量alpha，carspeed和輸出K分別包含5個模糊子集（‘verylow’‘low’‘middle’‘high’‘verhigh’），隸屬度函數采用梯形覆蓋，表達式為：

輸入輸出模糊量的模糊子集隸屬度函數如圖4所示。

圖4 輸入輸出變量的隸屬度函數

根據機電聯合制動控制策略，完成了模糊控制規(guī)則的編寫，表1中列出了部分控制規(guī)則。推理方法采用Mamdani類型，and運算采用最小算子，清晰化方法采用質心法。

表1 部分模糊控制規(guī)則

圖5 模糊規(guī)則輸出

3 機電聯合制動仿真建模

3.1 永磁同步電機建模

本文研究的輪轂電機采用永磁同步電機，搭建的理想狀態(tài)模型使其在基速以下保持恒轉矩，基速以上保持恒功率，有理想的驅動-制動特［4］。模型采用轉自磁場定向d-q坐標系中的狀態(tài)空間模型，表達式如下：

3.2 動力電池建模

動力電池掛接在母線上，通過控制器的指令來吸收再生制動產生的電能，并反饋當前的電池荷電狀態(tài)（SOC）。本文中，電池的荷電狀態(tài)由電源管理模塊采用按時計數法進行估算，如式（9）：

3.3 機械制動建模

本文采用臺架實驗的方法，通過有延時的一階慣性環(huán)節(jié)模擬制動缸壓力，方程為式（10）根據制動踏板信號按階躍輸入，幅值取Δη，增益K可按式（11）計算，整個液壓盤式機械制動系統(tǒng)的模型為式（12）：

3.4 控制系統(tǒng)模型

出于驗證控制策略的目的，本文在模型搭建過程中簡化了部分輸入信號的采集過程，由于機械制動控制相對比較成熟，因此，建模過程中認為所需的機械力矩可以由理想狀態(tài)穩(wěn)定提供。搭建的模型如下頁圖6所示。

4 仿真結果

設置實驗初速度30 km/h，制動踏板角度分別給定為輕度制動，中度制動和緊急制動3種工況進行仿真，分別得到在3種工況下制動轉矩的分配曲線和輪轂電機轉速輸出曲線。

圖6 控制系統(tǒng)模型

從圖7可以看出，輕度制動工況下，車速較高時，總制動力矩全部由電制動提供，當車速降低于10 km/h時，電制動失效，由機械制動提供制動力矩。

圖7 30 km/h輕度制動強度下

圖8 表明，中強度制動時，總制動力矩無法由電制動單獨提供，由機械制動補充，隨著車速下降，電制動力矩逐漸減小，由機械制動提供制動力至停車。

圖8 30 km/h中度制動強度下

圖9 表明，緊急制動時，制動力矩僅由機械制動提供。

圖9 30 km/h緊急制動

5 結論

本文驗證了輪轂電機多倫獨立驅動電傳動車輛運用機電聯合制動的可行性。通過輕微制動，中度制動和緊急制動3種工況下的實驗，可以說明運用模糊邏輯控制策略可以有效的實現車輛制動，體現出了良好的制動效能，與實際運行狀態(tài)相符。

本文只作了車輛制動的底層控制研究，有很強的基礎性，可以為下一步做多輪制動力分配控制和頂層設計提供好的依據。

［1］石辛民，郝整清.模糊控制及其Matlab仿真［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［2］李峰，谷中麗，劉曉星.混合動力履帶車輛機電聯合制動模糊控制策略研究［J］.汽車工程學報，2012，26（3）：221-227.

［3］周秋軍，谷中麗，孫逢春.履帶車輛電傳動系統(tǒng)電氣機械聯合制動仿真［J］.計算機仿真，2005，21（11）：226-229.

［4］謝成祥.關于MARLAB5.3電氣系統(tǒng)模塊庫中永磁同步電機模型的討論［J］.電氣傳動，2003，44（2）：51-52.

Control Strategy Study on Combined Mechanical and Electrical Braking of Several Rounds of Independent Wheel Hub Motor Driven Vehicles

YAN Yu-lin，LIAO Zi-li，LIU Chun-guang，LI Li-yu
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

In order to improve the energy utilization of several rounds of independent wheel hub motor driven vehicles，based on the type of the vehicle mechanical and electrical brake system，this paper designs a set of fuzzy control strategy，used to allocate power and recycle part of the braking energy.And Matlab off-line simulation experiment is carried out，the experiment results show that the control strategy can effectively distribute brake torque，increase the efficiency of the brake and recycling of energy.

mechanical and electrical brake，fuzzy control，wheel hub motor

TP271

A

1002-0640（2015）05-0120-04

2014-03-15

2014-04-28

軍隊“十二五”裝備預研基金項目（40402050101）

燕玉林（1989- ），男，山東泰安人，碩士研究生。研究方向：控制理論與控制工程。