電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

邱斌斌，朱紹鵬，馬浩軍，方光明，應(yīng)振有，寧曉斌

（1.浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車(chē)輛工程研究所，浙江 杭州310027；2.眾泰控股集團(tuán)有限公司，浙江 永康321300；3.浙江工業(yè)大學(xué) 車(chē)輛工程研究所，浙江 杭州310014）

電動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)形式可分為單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)和包含輪轂電機(jī)在內(nèi)的多動(dòng)力源獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；按功能則可分為基本驅(qū)動(dòng)力控制、電子差速控制、驅(qū)動(dòng)防滑控制等.因此，電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)多樣、功能復(fù)雜等特點(diǎn).

當(dāng)前，很多學(xué)者都對(duì)電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)展了深入研究并進(jìn)行了樣車(chē)試驗(yàn)［1-4］.但是，在控制策略設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證階段多采用基于MAT-LAB／Simulink建立的理想車(chē)輛模型.理想的車(chē)輛模型忽略了車(chē)輛多自由度、風(fēng)阻及路面條件等因素，同時(shí)較少考慮電機(jī)類(lèi)型的差異化特性，因此，其仿真測(cè)試結(jié)果往往較為理想，并不能有效地驗(yàn)證復(fù)雜甚至極限工況下的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制效果.此外，由于電動(dòng)汽車(chē)仍處于研發(fā)及小批量生產(chǎn)階段，尚未達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)定型階段，不同車(chē)型往往采用不同的驅(qū)動(dòng)方式，匹配不同類(lèi)型的電機(jī)及電池.若沒(méi)有一個(gè)適用于不同車(chē)型的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)，就需不斷構(gòu)建整車(chē)、電機(jī)等模型，反復(fù)匹配驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，這將大大延長(zhǎng)研發(fā)周期，增加測(cè)試成本.

為了充分利用軟件仿真測(cè)試速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服以往針對(duì)不同車(chē)型進(jìn)行反復(fù)建模、匹配的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)面向電動(dòng)車(chē)輛、通用的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái).基于MATLAB／Simulink 和CarSim 兩個(gè)軟件搭建的仿真測(cè)試平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，集成了CarSim 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模塊庫(kù)、整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)及“人-車(chē)-路”觀測(cè)模塊.另外，利用該仿真測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了前輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了多種危險(xiǎn)工況下的仿真測(cè)試.

1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)

1.1 設(shè)計(jì)方案

在仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須綜合考慮系統(tǒng)約束，根據(jù)仿真需求確定的平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.該仿真測(cè)試平臺(tái)由MATLAB／Simulink、Car-Sim 軟件及2個(gè)軟件的數(shù)據(jù)交換通道構(gòu)成，集成了CarSim 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模塊庫(kù)、整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)及“人-車(chē)-路”觀測(cè)模塊.采用模塊化的結(jié)構(gòu)使得當(dāng)單一模塊需重新配置時(shí)，只需修改相應(yīng)模塊內(nèi)的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同仿真環(huán)境的快速配置.設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)具有可配置性、可重用性及通用性.

1.2 仿真測(cè)試平臺(tái)模塊庫(kù)

CarSim 軟件的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模塊庫(kù)具有多種高精度、可配置的車(chē)輛模型，還提供了各種復(fù)雜的外部道路環(huán)境，其參數(shù)化的建模方式、豐富的整車(chē)模型及子系統(tǒng)模塊庫(kù)降低了動(dòng)力學(xué)建模的復(fù)雜度，被廣泛運(yùn)用于車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性及平順性等分析［5-7］.

圖1 電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simulation and test platform for EV’s drive control system

利用MATLAB／Simulink 建立的整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制模塊庫(kù)目前包括總驅(qū)動(dòng)力制定模塊、電子差速模塊、驅(qū)動(dòng)防滑模塊、協(xié)調(diào)控制模塊.建立的電機(jī)模塊庫(kù)體現(xiàn)了電機(jī)模型的差異化，目前包括無(wú)刷直流電機(jī)模塊和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模塊，其他電機(jī)模型的添加工作正在進(jìn)行中.電機(jī)模塊主要由電機(jī)動(dòng)態(tài)模型及驅(qū)動(dòng)控制部分組成，其中電機(jī)動(dòng)態(tài)模型是對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)建模，驅(qū)動(dòng)控制部分模擬了電機(jī)控制算法.“人-車(chē)-路”觀測(cè)模塊主要用來(lái)獲得和傳遞駕駛員操作、車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)及路面參數(shù)等信息.

2 基于仿真測(cè)試平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，利用建立的電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)，并進(jìn)行多工況下的仿真測(cè)試.圖中，F(xiàn)zi是各輪垂直載荷，ui為路面附著系數(shù)，Di為失效因子，ni為各輪轉(zhuǎn)速，i代表各輪，δsw為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入，v為反饋車(chē)速，γ 為車(chē)輛實(shí)際橫擺角速度，β為質(zhì)心側(cè)偏角，Vfl、Vfr分別為左前輪和右前輪輪轂電機(jī)的目標(biāo)電壓；Tfl＿true、Tfr＿true分別為左前輪和右前輪輪轂電機(jī)輸出的真實(shí)轉(zhuǎn)矩.

圖2 基于仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)框架圖Fig.2 Framework diagram of driving force hierarchical control system based on test platform

根據(jù)車(chē)輛參數(shù)（見(jiàn)表1）修改CarSim 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模塊.同時(shí)，調(diào)用整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制模塊庫(kù)的總驅(qū)動(dòng)力制定模塊、驅(qū)動(dòng)防滑模塊及協(xié)調(diào)控制模塊，設(shè)計(jì)整車(chē)驅(qū)動(dòng)力分層控制器.另外，選取無(wú)刷直流電機(jī)模塊作為前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī).

表1 前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛參數(shù)Tab.1 Parameters of EV with front-in-wheel-motors

2.1 整車(chē)驅(qū)動(dòng)力分層控制器

整車(chē)驅(qū)動(dòng)力分層控制策略的本質(zhì)是直接橫擺力矩控制，具有較好的動(dòng)力學(xué)控制效果，且可補(bǔ)償電機(jī)輸出誤差.如圖3所示，設(shè)計(jì)的整車(chē)驅(qū)動(dòng)力分層控制策略包括決策層、分配層、穩(wěn)定層［1］.

決策層的車(chē)輛參考模型根據(jù)來(lái)自“人-車(chē)-路”觀測(cè)器的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入δsw、反饋車(chē)速v計(jì)算出期望橫擺角速度γd和期望質(zhì)心側(cè)偏角；決策層將期望值γd、βd 與反饋的車(chē)輛實(shí)際橫擺角速度γ 和質(zhì)心側(cè)偏角β 進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)模糊控制得出期望橫擺力矩Mzd；此外，調(diào)用的總驅(qū)動(dòng)力制定模塊依據(jù)油門(mén)踏板開(kāi)度θd及設(shè)定的駕駛感受估算出車(chē)輛的期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td.分配層考慮一定的約束條件，計(jì)算并分配前兩輪的轉(zhuǎn)矩Tfl、Tfr；穩(wěn)定層則調(diào)用驅(qū)動(dòng)防滑模塊及協(xié)調(diào)控制模塊，對(duì)轉(zhuǎn)矩Tfl、Tfr進(jìn)行修正及轉(zhuǎn)換，最終算出前輪無(wú)刷直流電機(jī)的電壓Vfl、Vfr.

圖3 整車(chē)驅(qū)動(dòng)力分層控制器設(shè)計(jì)框架圖Fig.3 Framework diagram of vehicle driving force hierarchical controller

2.1.1 決策層 當(dāng)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與理想狀態(tài)之間存在偏差時(shí)，決策層根據(jù)模糊規(guī)則計(jì)算出修正車(chē)輛行駛的期望橫擺力矩Mzd.采用雙輸入單輸出的控制結(jié)構(gòu)，輸入為橫擺角速度誤差e（γ）＝γdγ和質(zhì)心側(cè)偏角誤差e（β）＝βd-β，輸出為期望橫擺力矩Mzd.當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)較大不足轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)車(chē)輛施加一個(gè)正向的橫擺力矩來(lái)減小不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，反之亦然.反模糊化方法選取面積重心法，經(jīng)過(guò)輸入變量的模糊化、模糊規(guī)則制定、清晰化，最后得到確定的輸出變量Mzd，圖4是制定的模糊邏輯規(guī)則三維視圖，具體不再贅述［9］.

圖4 模糊邏輯規(guī)則三維視圖Fig.4 3Dview of fuzzy rule

2.1.2 分配層 驅(qū)動(dòng)力分配層的輸入是期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td與期望橫擺力矩Mzd（由車(chē)輪縱向力產(chǎn)生的修正橫擺力矩），根據(jù)驅(qū)動(dòng)力約束條件式（1）、轉(zhuǎn)矩關(guān)系式（2）和基于3自由度的車(chē)輛模型［8］推出的橫擺力矩關(guān)系式（3），可求得前輪理想轉(zhuǎn)矩Tfl、Tfr，具有良好的實(shí)時(shí)性.

式中：Fxi、Fzi分別為各輪的縱向驅(qū)動(dòng)力和垂直載荷；Tmax為電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；Di為失效因子，表示電機(jī)、電機(jī)控制器或輪胎的狀態(tài)，出故障時(shí)為0，正常為1.

2.1.3 穩(wěn)定層 穩(wěn)定層調(diào)用了驅(qū)動(dòng)防滑模塊及協(xié)調(diào)控制模塊，驅(qū)動(dòng)防滑采用滑轉(zhuǎn)率差值的PI控制，協(xié)調(diào)控制則采用橫擺角速度差值的PI控制.獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)防滑控制會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛產(chǎn)生非期望的橫擺力矩，削弱車(chē)輛橫向穩(wěn)定性，在高速行駛尤其危險(xiǎn)，因此，需要增加協(xié)調(diào)控制進(jìn)一步控制車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性［10］.

2.2 無(wú)刷直流電機(jī)模型

根據(jù)車(chē)輛參數(shù)及動(dòng)力性能要求進(jìn)行動(dòng)力匹配，選用2個(gè)額定電壓為72V、額定功率為5kW 的無(wú)刷直流輪轂電機(jī).調(diào)用的無(wú)刷直流電機(jī)電流閉環(huán)控制模型［11-12］如圖5，電機(jī)及其控制系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2.

圖5 無(wú)刷直流電機(jī)模型Fig.5 BLDCM model

表2 電機(jī)及控制系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of motor and control system

3 仿真測(cè)試分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的整車(chē)驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)及仿真測(cè)試平臺(tái)的有效性，分別進(jìn)行了前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)高速移線(xiàn)及在對(duì)開(kāi)路面上的驅(qū)動(dòng)防滑仿真測(cè)試.

3.1 高速移線(xiàn)仿真測(cè)試

模擬車(chē)輛在良好路面上高速做較大幅度車(chē)道變換的極限工況.假設(shè)車(chē)輛在附著系數(shù)為0.85路面上以95km／h穩(wěn)定行駛后，對(duì)方向盤(pán)施加周期為12s、100°往復(fù)轉(zhuǎn)向操作.仿真結(jié)果如圖6所示.

由圖6可以看出，左前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩在方向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化期間，由80N·m 上升至94N·m，之后下降到最小值74N·m，最后再回到80N·m；右前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩則由80N·m 下降至最小值68N·m，之后增加到88N·m，最后再回到80N·m，得到了理想的橫擺力矩.同時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化，驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際切向速度有小幅變化，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械差速來(lái)說(shuō)，更能使車(chē)輛穩(wěn)定完成移線(xiàn)換道.表明了驅(qū)動(dòng)分層控制策略在良好路面上以高速做較大幅度車(chē)道變換工況的有效性.

3.2 對(duì)開(kāi)路面驅(qū)動(dòng)防滑仿真測(cè)試

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)防滑＋協(xié)調(diào)控制的控制策略的有效性，進(jìn)行了對(duì)開(kāi)路面工況下的仿真分析.模擬車(chē)輛以45km／h的時(shí)速加速行駛，遭遇低附著系數(shù)對(duì)開(kāi)路面，即出現(xiàn)單輪滑轉(zhuǎn)（僅右前輪滑轉(zhuǎn)）工況，并與未受控制的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.

具體設(shè)定：路面縱向0 m 到50 m 的路面附著系數(shù)為0.38，50 m 之后車(chē)輛左側(cè)路面附著系數(shù)不變，右側(cè)路面附著系數(shù)降為0.1.路面信息及仿真結(jié)果如圖7所示.

針對(duì)僅右前輪滑轉(zhuǎn)這一工況，分層驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)右前輪采用單輪驅(qū)動(dòng)防滑控制，對(duì)左前輪進(jìn)行基于理想橫擺角速度的協(xié)調(diào)控制.由圖7可知，僅帶驅(qū)動(dòng)防滑未帶協(xié)調(diào)控制的車(chē)輛在50 m 之前，車(chē)輛還能保持直線(xiàn)穩(wěn)定行駛；在50m 之后，橫擺角速度迅速變化，車(chē)輛發(fā)生較大橫向側(cè)滑而不斷偏離直線(xiàn)行駛軌道.帶驅(qū)動(dòng)防滑＋協(xié)調(diào)控制的車(chē)輛由于前兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩被實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑的同時(shí)，很好地控制了車(chē)輛橫向側(cè)滑，保證了行駛的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了該方法的有效性.

總結(jié)以上仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、有效地對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了差速、驅(qū)動(dòng)防滑及協(xié)調(diào)控制等基本控制功能.同時(shí)，也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)的有效性.

4 結(jié) 論

圖6 高速移線(xiàn)工況Fig.6 Line change in high speed condition

基于搭建的電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)，并在多種復(fù)雜工況下進(jìn)行了仿真測(cè)試.仿真結(jié)果表明：

（1）搭建的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)具有可配置性、可重用性及通用性.

（2）設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力分層控制系統(tǒng)能夠在不同工況下對(duì)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配，較好地實(shí)現(xiàn)了電子差速功能.另外，該控制系統(tǒng)在防止驅(qū)動(dòng)輪過(guò)度滑轉(zhuǎn)的同時(shí)，較好地控制了整車(chē)的橫擺角速度，保證了車(chē)輛的動(dòng)力性及穩(wěn)定性.

圖7 對(duì)開(kāi)路面仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result on bisectional road

今后，該仿真測(cè)試平臺(tái)的完善工作主要集中在改善人機(jī)交互界面、不斷擴(kuò)充模塊庫(kù)，進(jìn)一步方便電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及測(cè)試.

（

）：

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