四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車建模與聯(lián)合仿真

葛平淑，張 濤，趙秀春，崔艷秋

(大連民族大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.信息與通信工程學(xué)院,遼寧 大連 116605)

四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車建模與聯(lián)合仿真

葛平淑a，張 濤a，趙秀春a，崔艷秋b

(大連民族大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.信息與通信工程學(xué)院,遼寧 大連 116605)

利用Carsim和Matlab/Simulink搭建駕駛員閉環(huán)控制的四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車仿真模型；根據(jù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車特點(diǎn)，建立輪轂電機(jī)模型、速度控制模型和整車模型；設(shè)計(jì)橫擺力矩控制器和力矩分配控制策略，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真的接口設(shè)置；最后利用雙移線工況驗(yàn)證了所開發(fā)模型的正確性和轉(zhuǎn)矩分配策略的有效性。

輪轂電機(jī)；電動(dòng)汽車；模型；轉(zhuǎn)矩分配；聯(lián)合仿真

Abstract:To develop stability control algorithm and torque distribution strategy, a simulation model of in-wheel-motor-driven electric vehicles with closed-loop control of driver was established based on co-simulation of Carsim and Matlab/Simuink. According to the characteristics of in-wheel-motor-driven electric vehicles, the in-wheel-motor model, driver speed control model and the vehicle model was established respectively. The yaw moment controller and the torque distribution strategy were designed based on slide control theory, and the interface of co-simulation was set. Finally, the performance of the model and the torque distribution strategy were evaluated by double lane change test.

Keywords:in-wheel-motor; electric vehicle; model; torque distribution; co-simulation

四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，其主要結(jié)構(gòu)特征是將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)，具有輸出力矩獨(dú)立可控、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出可以單獨(dú)控制，其各車輪轉(zhuǎn)矩可在電機(jī)能力范圍內(nèi)按照任意比例分配，實(shí)現(xiàn)滑移率和橫擺力矩的控制。在動(dòng)力性、穩(wěn)定性及安全性方面具有更大的技術(shù)潛力[1-2]，可以顯著提高其適應(yīng)惡劣道路環(huán)境的通過能力，其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方式和巨大的發(fā)展?jié)摿κ艿綇V泛研究和關(guān)注。

由于四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，一些在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上開發(fā)成熟、應(yīng)用廣泛的汽車安全和智能控制技術(shù)并不能直接應(yīng)用在該類型電動(dòng)汽車上[3-4]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的穩(wěn)定控制和轉(zhuǎn)矩分配策略的研究，有必要建立能夠真實(shí)地反映其運(yùn)行狀態(tài)的仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所開發(fā)算法的仿真與驗(yàn)證，減少前期研究開發(fā)的時(shí)間和費(fèi)用。靳立強(qiáng)等[5]利用Simulink建立了考慮汽車垂向運(yùn)動(dòng)的18個(gè)自由度四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的動(dòng)力學(xué)仿真模型，便于開展四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制研究；宗長(zhǎng)富等[6]利用Simulink搭建了四輪驅(qū)動(dòng)/四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的電動(dòng)汽車仿真模型，但該模型沒有考慮汽車的垂向運(yùn)動(dòng)且對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)模型的簡(jiǎn)化較大，仿真工況設(shè)置復(fù)雜。為了更好地體現(xiàn)車輛的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究人員采用系統(tǒng)建模軟件與汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真的方式開展相應(yīng)研究，其中Carsim汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件能全面反映汽車縱向、側(cè)向和垂向的動(dòng)力學(xué)特性，方便構(gòu)建快速原型和硬件在回路的仿真。熊璐等[7]基于Carsim/Simulink開發(fā)了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)仿真模塊；馬高峰等[8]采用Carsim/Simulink聯(lián)合仿真的方式建立四輪輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車仿真模型。但上述模型在建立過程中都未能充分考慮駕駛員控制模型的影響，且未給出各輪的力矩分配策略來驗(yàn)證所建立模型的有效性。

針對(duì)上述問題，根據(jù)四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車特點(diǎn)，結(jié)合Carsim傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力學(xué)仿真建模方法，在Simulink中建立輪轂電機(jī)模型、駕駛員控制模型，實(shí)現(xiàn)Simulink和Carsim對(duì)四輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的聯(lián)合仿真，并設(shè)計(jì)橫擺力矩控制器和力矩分配控制策略，用于驗(yàn)證仿真模型的正確性和可行性。

1 四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車模型

1.1 輪轂電機(jī)建模

采取轉(zhuǎn)矩控制的方式可以直接控制輪胎與地面間的作用力，更利于實(shí)現(xiàn)汽車的牽引力、滑移率和橫擺力矩等控制。因此本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制的方式對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行建模，運(yùn)用查表的方式使得輸出力矩滿足電機(jī)外部特性的要求。電機(jī)實(shí)際輸出力矩與輸入力矩指令之間的關(guān)系可簡(jiǎn)化為傳遞函數(shù)：

式中，Tm表示輪轂電機(jī)實(shí)際輸出力矩；Tmd為控制器輸入電機(jī)的指令轉(zhuǎn)矩即期望轉(zhuǎn)矩；ξ為電機(jī)常數(shù)，由電機(jī)自身的特性決定。

輪轂電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩特性圖如圖1，在Simulink中建立輪轂電機(jī)模型如圖2。

圖1 輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性圖

圖2 輪轂電機(jī)模型圖

1.2 Carsim傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車模型改進(jìn)

Carsim是一款商用汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件，其建模方式為參數(shù)化建模，它提供的傳動(dòng)系統(tǒng)僅僅針對(duì)傳統(tǒng)汽車，并沒有四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的Carsim與Simulink聯(lián)合仿真，需要對(duì)Carsim中的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行修改。本文選取Carsim中的D級(jí)SUV車型，保留原有轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、懸架系統(tǒng)和輪胎模型，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行修改。將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、差速器改為外部輸入形式，中斷傳動(dòng)系與車輪之間的所有動(dòng)力傳輸，將Simulink中電機(jī)模型的輸入力矩直接作用于四個(gè)車輪上，改進(jìn)示意圖如圖3。

圖3 Carsim傳動(dòng)系改進(jìn)示意圖

1.3 速度控制建模

由于所建立的仿真模型的動(dòng)力來源于四個(gè)車輪的輪轂電機(jī)，因此Carsim自帶的駕駛員速度控制模型不適用于四輪輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改。采用Simulink建立外部駕駛員速度控制模型和Carsim自帶的駕駛員軌跡跟蹤模型，駕駛員速度控制模型如圖4。

圖4 速度控制模型

其工作思路為：將理想車速與實(shí)際車速的差值輸入到PID控制器，PID控制器輸出電子節(jié)氣門開度；然后將電子節(jié)氣門的開度輸入到提前編制好的電子節(jié)氣門工作特性圖，進(jìn)行查表，輸出當(dāng)前節(jié)氣門開度下對(duì)應(yīng)的輸出力矩；輸出力矩作用到四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其速度的調(diào)節(jié)。

1.4 橫擺力矩控制器建模

利用滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法設(shè)計(jì)橫擺力矩控制器，這種控制算法已在傳統(tǒng)車上得到驗(yàn)證[9]，橫擺力矩控制器產(chǎn)生理想的橫擺力矩來控制汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的滑模面和滑模條件為

s=γ-γd；

(2)

(3)

理想的橫擺力矩

(4)

式中，Iz為汽車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K為滑?？刂破鲄?shù)；δf為前輪轉(zhuǎn)角；Fy1,Fy2,Fy3,Fy4分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪所受到的側(cè)向力；lf為前軸到質(zhì)心的距離；lr為后軸到質(zhì)心的距離；γ為實(shí)際的橫擺角速度；γd為理想的橫擺角速度。

1.5 力矩分配策略

假設(shè)同側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩始終相同。當(dāng)橫擺力矩控制器不工作時(shí)，駕駛員的輸入力矩平均分配到四個(gè)車輪；當(dāng)橫擺力矩控制器工作時(shí)，通過調(diào)整兩側(cè)車輪的力矩差值來達(dá)到產(chǎn)生理想橫擺力矩的目的。

當(dāng)橫擺力矩控制器不工作時(shí)，四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩相同，用公式表示為

(5)

式中，T1,T2,T3,T4分別為四個(gè)輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；Tdriver為駕駛員輸入的力矩指令。

當(dāng)橫擺力矩控制器工作時(shí)，假設(shè)橫擺力矩控制器計(jì)算所得的理想橫擺力矩Mdesire，同軸左右車輪的力矩差值ΔT=Tright-Tleft，汽車輪距為lw，四個(gè)車輪的工作半徑為r。車輪間力矩差值產(chǎn)生的橫擺力矩等于橫擺力矩控制器產(chǎn)生的橫擺力矩，可表示為

(6)

選擇Mdesire/4為基準(zhǔn)力矩，在基準(zhǔn)力矩的基礎(chǔ)上對(duì)四個(gè)車輪的力矩進(jìn)行調(diào)整，使得四個(gè)車輪既能滿足駕駛員要求的驅(qū)動(dòng)力矩，又能產(chǎn)生需要的力矩差值，調(diào)整公式為

(7)

(8)

2 基于Carsim和Simulink的聯(lián)合仿真

2.1 輸入輸出接口設(shè)置

為了實(shí)現(xiàn)Carsim與Simulink的聯(lián)合仿真，接口設(shè)置是必不可少的環(huán)節(jié)。Carsim中通過外部加載車輪轉(zhuǎn)矩的方案有兩種，分別是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案和輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案[7]，其輸入接口設(shè)置分別為IMP_MYUSM_L1和IMP_MY_OUT_D1_L。在Carsim中，IMP_MYUSM_L1的定義為來自非簧載質(zhì)量作用到車輪的力矩；IMP_MY_OUT_D1_L的定義為來自差速器的作用到車輪的力矩(通過半軸輸入到車輪)。為了實(shí)現(xiàn)四輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的仿真，選擇第一種輸入接口設(shè)置方法。此外，Carsim模型需要將車速和四個(gè)車輪的速度反饋到Simulink中的駕駛員速度控制模型和電機(jī)模型。輸入輸出接口設(shè)置見表1。

表1 輸入輸出接口設(shè)置表

在Simulink中搭建駕駛員速度控制模型、四個(gè)輪轂電機(jī)模型以及力矩分配策略模型。輪轂電機(jī)根據(jù)力矩分配策略輸出力矩到Carsim中的四個(gè)車輪，同時(shí)Carsim將車速信號(hào)、車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)以及控制器需要的其他信號(hào)輸送到Simulink中，這就形成了完整的駕駛員閉環(huán)控制的四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車仿真模型。

2.2 整體模型的建立

基于前面對(duì)輪轂電機(jī)模型、駕駛員速度控制模型以及傳動(dòng)系模型的分析，建立整車仿真模型如圖5。

圖5 聯(lián)合仿真框圖

3 典型工況仿真分析

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性和可行性，對(duì)所開發(fā)的四輪輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車模型進(jìn)行典型工況的仿真分析，整車參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 汽車模型仿真參數(shù)

3.1 仿真工況設(shè)置

雙移線工況是驗(yàn)證汽車穩(wěn)定性的典型工況，利用該仿真工況可以綜合驗(yàn)證所建立聯(lián)合仿真模型的動(dòng)力性和操縱的穩(wěn)定性。地面摩擦系數(shù)為0.5，汽車在進(jìn)入入口前以恒定的車速65km·h-1的速度向前行駛，進(jìn)入入口后駕駛員始終保持車速不變，行駛軌跡如圖6。

圖6 雙移線工況汽車軌跡圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

雙移線工況下基于Carsim與Simulink聯(lián)合仿真的四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的響應(yīng)特性曲線如圖7，包括：汽車目標(biāo)軌跡與實(shí)際軌跡對(duì)比圖、目標(biāo)車速與實(shí)際車速對(duì)比圖、理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度對(duì)比圖以及汽車實(shí)際輸出的質(zhì)心側(cè)偏角變化圖。

(a)目標(biāo)軌跡與實(shí)際軌跡對(duì)比圖

(b)目標(biāo)車速與實(shí)際車速對(duì)比圖

(c)理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度對(duì)比圖

(d)汽車質(zhì)心側(cè)偏角

由這些響應(yīng)圖可以看出，仿真模型運(yùn)行軌跡與理想軌跡的偏差很小，說明所建立模型的轉(zhuǎn)向性能很好。汽車的縱向車速與理想車速的偏差保持在0.2 km·h-1范圍內(nèi)，說明所建立的駕駛員速度控制模型合理，同時(shí)說明所建立模型的動(dòng)力性很好。汽車的橫擺角速度變化曲線與理想橫擺角速度曲線圖幾乎是重合的，汽車的質(zhì)心側(cè)偏角最大值為1.2°，說明所建立模型的具有良好的橫向穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文利用Carsim和Simulink搭建了駕駛員閉環(huán)控制的四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車模型，詳細(xì)給出了一套簡(jiǎn)單有效的各輪力矩分配控制策略，仿真結(jié)果表明，本文所建立的四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車模型具有良好的操縱穩(wěn)定性和動(dòng)力性，其運(yùn)行軌跡、車速、質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度與理想值都非常接近，模型精確度高，力矩分配控制策略有效，為四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車穩(wěn)定性控制算法的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。以后的研究可在該仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行汽車主動(dòng)安全控制算法的開發(fā)與驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯 趙環(huán)宇)

ModelingandCo-simulationforFour-in-wheel-motor-drivenElectricVehicle

GEPing-shua,ZHANGTaoa,ZHAOXiu-chuna,CUIYan-qiub

(a. School of Electromechanical Engineering b. School of Information and Communication Engineering,Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

U469.72

A

2017-03-28；

2017-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575079)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201502010306，DC201502060408，DCPY2016095，DCPY2017010)。

葛平淑(1983-), 女,山東五蓮人，講師, 博士，主要從事智能車輛、汽車動(dòng)力學(xué)與控制的研究。

2096-1383(2017)05-0451-05