四輪獨立驅(qū)動電動汽車驅(qū)動防滑控制仿真研究

廖自力 蔡立春 劉春光

摘 要：為解決車輛在起步或加速過程中車輪容易打滑的問題，本文以單輪車輛為研究對象，在Matlab/Simulink中建立了車輛模型、輪胎模型和電機模型。設(shè)計了模糊控制器，并對建立的汽車驅(qū)動防滑控制模型進行仿真研究，得出仿真曲線。結(jié)果表明，建立的汽車模型符合實際，設(shè)計的模糊控制算法能夠?qū)崟r對車輛轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，從而有效控制汽車滑移率，提高汽車驅(qū)動穩(wěn)定性，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，具有較高實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電動汽車；滑移率；防滑控制；模糊控制；PID控制

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0041-03

Simulation Research on Anti-skid Control of Electric Vehicle Driven by Four

Wheel Independent Drive

LIAO Zili，CAI Lichun，LIU Chunguang

（Armorde Forces Academy of PLA Army，Beijing 100072，China）

Abstract：In order to solve the problem that the wheel slips easily during the starting or accelerating process of the vehicle.In this paper，a single wheel vehicle is taken as the research object.A vehicle model，a tire model and a motor model are established in Matlab/Simulink.The fuzzy controller is designed，and the simulation research on the model of automobile driving anti slip control is carried out，and the simulation curve is obtained.The results show that the vehicle model is consistent with the actual，the fuzzy control algorithm to design of real-time vehicle torque adjustment，so as to effectively control the vehicle slip rate，improve vehicle driving stability，its performance is better than the traditional PID controller，it has the practical application value.

Keywords：electric vehicle；slip rate； antiskid control；fuzzy control；PID control

0 引 言

汽車在起步或加速時車輪容易發(fā)生打滑，這時就需要對驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)。汽車的驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（ASR）能在汽車起步或加速時通過控制驅(qū)動輪上的力矩來調(diào)節(jié)車輪的滑移率，以維持車輛行駛的穩(wěn)定性[1]。ASR是車輛防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的延伸，也是對ABS系統(tǒng)的完善和補充[2]。對ASR裝置而言，控制算法是其核心。目前應(yīng)用比較多的算法是邏輯門限控制[3]，其他的還有PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。本文根據(jù)車輛啟動加速的特點和其對穩(wěn)定性的要求，選取了模糊控制算法應(yīng)用于汽車的ASR系統(tǒng)。該算法不依賴于車輛精確的數(shù)學(xué)模型，與傳統(tǒng)的PID控制相比，控制精度高且穩(wěn)定性好，對于車輛的驅(qū)動防滑控制具有十分理想的效果。

1 汽車ASR系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 車輛動力學(xué)模型

本課題討論的電動汽車由四個完全相同的輪轂電機獨立驅(qū)動，防滑控制是通過各個控制器獨立控制每個車輪。在達到實驗要求的情況下，合理簡化車輛模型，忽略車輛行駛過程中的俯仰、側(cè)傾、空氣阻力、滾動阻力以及四輪的相互作用等因素，假設(shè)車輛載荷為常數(shù)，將車輛簡化為單輪車輛模型，即由一個平移質(zhì)量和一個旋轉(zhuǎn)車輪組成的二自由度四分之一車輛模型[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單輪輛動力學(xué)模型

取車輪運動為正方向，則該模型的動力學(xué)方程為：

（1）

（2）

其中，Iw——車輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg/m2）；Fx——輪胎對地面的縱向作用力（N）；R——車輪半徑（m）；m——車身質(zhì)量（kg）。

1.2 滑移率定義

滑移率是指車輛的理論速度與實際速度的差與理論速度的比值[5]，是描述車輪打滑程度的物理量，滑移率大，車輪打滑越嚴重。其定義為：

（3）

1.3 輪胎數(shù)學(xué)模型

輪胎模型指的是輪胎的附著力與其他各種因素之間的函數(shù)關(guān)系式，其數(shù)學(xué)模型有很多，本文采用的是應(yīng)用比較廣泛的魔術(shù)公式輪胎模型[6]，其表達式如下：

（4）

1.4 電機數(shù)學(xué)模型

本車采用的是永磁無刷直流電機。電機的轉(zhuǎn)矩模型可簡化成一階動態(tài)系統(tǒng)模型，其表達式為：

（5）

2 模糊控制器設(shè)計

2.1 設(shè)定輸入輸出

本課題采用雙輸入—單輸出模糊控制器。輸入變量有兩個，分別為滑移率差偏差E和滑移率偏差的變化率EC；輸出變量有一個，為電機轉(zhuǎn)矩變化量U。

（1）偏差E的設(shè)定。定義滑移率與最優(yōu)滑移率的偏差E的論域是[-0.2，0.8]，采用三角型隸屬度函數(shù)，將滑移率差值E在論域上分為五檔，分別為NB（-0.2，-0.2，-0.1）、NS（-0.2，-0.1，0）、ZE（-0.1，0，0.1）、PS（0，0.1，0.2）、PB（0.1，0.2，0.8，0.8）。

（2）滑移率偏差變化率EC的設(shè)定。定義滑移率偏差的變化率EC的論域為[-1，1]，采用三角型隸屬度函數(shù)。將滑移率差值的變化率EC在論域上分為五檔，分別為NB（-1.5，-1.0，-0.5）、NS（-1.0，-0.5，0）、ZE（-0.5，0，0.5）、PS（0，0.5，1.0）、PB（0.5，1.0，1.5）。

（3）電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量U的設(shè)定。定義U的論域為[-3，3]，釆用三角型隸屬函數(shù)。將U的集合取七檔，分別為NL（-4，-3，-2）、NM（-3，-2，-1）、NS（-2，-1，0）、ZE（-1，0，1）、PS（0，1，2）、PM（1，2，3）、PL（2，3，4）。

2.2 確定模糊規(guī)則

為滿足車輛滑移率的控制要求，保證車輛行駛的穩(wěn)定性，依據(jù)相關(guān)知識和反復(fù)試驗，確定的模糊控制規(guī)則如表1所示：

2.3 清晰化

本文采用的清晰化方法為工業(yè)上常用的重心法，重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積的重心，作為模糊推理的最終輸出值。

2.4 與控制對象對接

確定比例因子和量化因子，把模糊控制器與對象模型進行匹配。經(jīng)過計算和調(diào)試，本實驗最終確定的比例因子為60，量化因子為200。

3 汽車ASR系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

3.1 建立模糊防滑控制算法的整車模型

模糊控制算法的模型如圖2，其主要由電機模型、輪胎模型、車輛動力學(xué)模型、模糊控制器等組成，其量化因子和比例因子通過計算確定，通過仿真實驗進行調(diào)節(jié)，從而達到最佳的防滑效果。

3.2 汽車ASR系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

（1）驗證模型是否正確。在建立模型之后，首先應(yīng)當驗證模型是否與實際相吻合，我們選擇典型路面為干瀝青路面（最大附著系數(shù)0.95，最優(yōu)滑移率μ=0.22）來驗證模型是否正確。給定電機輸入的轉(zhuǎn)矩信號分別為25Nm，50Nm，100Nm，經(jīng)減速機構(gòu)傳遞給驅(qū)動輪，減速比為5，車輛初速度為0，在不加防滑控制下進行仿真，得到如圖3的仿真結(jié)果。

圖3 不加防滑控制下的滑移率仿真圖形

仿真結(jié)果表明：1）當電機轉(zhuǎn)矩較小時，車輪滑移率也較小，車輪基本不發(fā)生打滑，車速輪速大致相等；當電機轉(zhuǎn)矩增大，車輪打滑越來越嚴重。2）同一路面，無防滑控制的情況下，在某一恒定轉(zhuǎn)矩下車輪的滑移率趨于恒定值。上述實驗結(jié)果與實際情況相符，從而驗證了模型的正確性。

（2）驗證驅(qū)動防滑控制的控制效果。給定電機輸入的轉(zhuǎn)矩信號都為100Nm，其他實驗條件與上文相同，分別在 PID控制和模糊控制情況下進行仿真，得到如圖4的仿真結(jié)果。

從圖3，4可以看出，在無防滑控制的條件下，給電機施加一定轉(zhuǎn)矩，車輪滑移率迅速增大，且大部分的能量通過與地面摩擦消耗，車輛最后達到的速度并不高。PID控制和模糊控制都能很好地控制車輪滑轉(zhuǎn)，但模糊控制調(diào)節(jié)時間更短，滑移率控制更加精確，車輛最后到達的速度更高，因此模糊控制相比于PID控制而言能更好地發(fā)揮車輛的驅(qū)動性能，效果更佳理想。

4 結(jié) 論

本文針對車輛驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink建立單輪車輛模型，設(shè)計了模糊控制器，通過仿真實驗驗證其防滑控制效果，并與傳統(tǒng)PID控制器運行效果進行對比，驗證了所設(shè)計的模糊控制器的有效性[7]。對比結(jié)果表明：模糊控制算法均能快速地對車輛打滑進行閉環(huán)控制，精度較高，超調(diào)量小，可以有效控制車輪滑移率，保證車輛行駛的穩(wěn)定性，較PID控制器而言，具有更加理想的控制效果，具有一定的實際應(yīng)用價值。

參考文獻：

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