電動汽車分布式驅(qū)動穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制機理研究*

陳 斗，李翔晟

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

1 電動汽車分布式驅(qū)動的研究背景

汽車尾氣排放所導(dǎo)致的空氣污染問題日趨嚴(yán)峻，為了解決該問題，世界各國針對汽車油耗與碳排放制定的法律法規(guī)也日益嚴(yán)格。歐盟、美國和日本提出每年的減排率分別為4.4%，4.5%和3.9%，而我國也提出了到2020年實現(xiàn)乘用車5 L/100 km的油耗標(biāo)準(zhǔn)，這意味著我國乘用車每年的減排率為5.5%。由于與傳統(tǒng)燃油汽車相比，新能源汽車表現(xiàn)出先天的節(jié)能減排和減碳優(yōu)勢，因此各國政府推出了一系列措施推進(jìn)新能源汽車發(fā)展。我國于2016年發(fā)布了 《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)線路圖》，其中電動汽車是7個重要的核心細(xì)分領(lǐng)域之一。國家先后實施新能源汽車補貼政策和雙積分制度，是為了加快新能源汽車的健康發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。2019年中國新能源汽車產(chǎn)銷量超過120萬輛，盡管中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了調(diào)整期，但新能源汽車長期向好的發(fā)展態(tài)勢沒有改變。湖南省是汽車工業(yè)后起新秀，2019年湖南省12家整車企業(yè)的汽車產(chǎn)量為115.7萬輛，其中新能源汽車產(chǎn)量為9萬輛，為全省的7.8%。新能源汽車是湖南省重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)，新能源汽車相關(guān)技術(shù)研究也是湖南省自然科學(xué)基金重點支持領(lǐng)域之一。

與集中式驅(qū)動相比，分布式驅(qū)動減少了傳動系統(tǒng)所占空間，對整車布局有益，驅(qū)動電機既是執(zhí)行單元又是信息反饋單元，易于實現(xiàn)一體化控制[1]。在科技進(jìn)步和廣泛實踐中，風(fēng)險與機遇是并存的。由于分布式多自由度執(zhí)行裝置的相互影響，車輛非線性動力學(xué)系統(tǒng)中的側(cè)向-縱向耦合復(fù)雜，因此必須考慮垂直運動的作用，這給控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)增加了難度。由于分布式驅(qū)動具有過驅(qū)動控制系統(tǒng)和耦合動力學(xué)的特點，沒有舊機械系統(tǒng)的約束，因此其性能可以進(jìn)一步提高。本文對分布式驅(qū)動電動汽車穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制機理[2-4]進(jìn)行研究，提出模型預(yù)測方法，實現(xiàn)系統(tǒng)解耦，有效解決車輪轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，無論是在理論研究方面，還是在技術(shù)方面，對豐富分布式驅(qū)動電動汽車技術(shù)理論及其應(yīng)用實踐均具有現(xiàn)實意義。

2 電動汽車分布式驅(qū)動研究內(nèi)容和關(guān)鍵科學(xué)問題

2.1 電動汽車分布式驅(qū)動的研究目標(biāo)

該項目根據(jù)特定（極限轉(zhuǎn)向）行駛工況下的電動汽車分布式驅(qū)動控制特性，研究驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)控制。主要通過分析分布式驅(qū)動的特性和要求，創(chuàng)立基于模型預(yù)測的永磁同步電機 （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制法。

2.2電動汽車分布式驅(qū)動的研究內(nèi)容

1）根據(jù)特定行駛工況，研究車輪等功率分配控制、基于模糊控制的橫擺力矩控制以及車輪滑移率相近的控制策略，以提高汽車行駛穩(wěn)定性。

2）研究PMSM轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)模型預(yù)測控制法。該方法是在逆變器開關(guān)的每個采樣瞬間，根據(jù)即時測量值，在線得出有限時域的開環(huán)優(yōu)化解，起用控制序列的首個因素，在采樣瞬間循環(huán)往復(fù)，控制分布式驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之間的動態(tài)協(xié)調(diào)；以CarSim/Simulink創(chuàng)立分布式驅(qū)動仿真模型，研究分析驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制特性。電動汽車分布式驅(qū)動主要研究內(nèi)容的整體邏輯結(jié)構(gòu)見圖1。駕駛員先給出一個輸入信號（方向盤轉(zhuǎn)角或力），分別送到失穩(wěn)判斷模塊、安全目標(biāo)模塊和動態(tài)協(xié)調(diào)控制模塊。經(jīng)過失穩(wěn)判斷模塊后，如果存在失穩(wěn)可能，則根據(jù)動態(tài)協(xié)調(diào)控制模塊，依據(jù)汽車運行狀態(tài)參數(shù) （質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度）和道路狀態(tài)參數(shù) （附著系數(shù)和滑移率）計算出轉(zhuǎn)矩[5-7]，將算出的轉(zhuǎn)矩送入電機控制系統(tǒng)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化策略調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩以控制汽車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；如果滿足穩(wěn)定，則根據(jù)期望的狀態(tài)目標(biāo)值，輸入橫擺穩(wěn)定控制模塊分別協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角，以此控制車輛驅(qū)動的滑移率和轉(zhuǎn)向的質(zhì)心側(cè)偏角，保持期望的行駛狀態(tài)，完成一次循環(huán)[8-12]。

圖1 電動汽車分布式驅(qū)動主要研究內(nèi)容的整體邏輯結(jié)構(gòu)

2.3 電動汽車分布式驅(qū)動研究解決的關(guān)鍵問題

1）雙層架構(gòu)的整車控制模型 （見圖2）。由于分布式驅(qū)動控制系統(tǒng)之間具有耦合特點，因此該項目將研究建立上層為驅(qū)動力分配層、下層為基于邏輯門限的滑移率控制層的雙層架構(gòu)的整車控制模型和方法。通過上下層模型算法，在更為本質(zhì)的層面上研究雙層架構(gòu)的整車控制模型本身的特征及控制機理，為采取措施實現(xiàn)驅(qū)動穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制提供更有針對性的理論依據(jù)。這是實現(xiàn)控制系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵。

圖2 雙層架構(gòu)的整車控制模型

2）轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)預(yù)測控制方案。為解決分布式驅(qū)動系統(tǒng)中驅(qū)動/制動、轉(zhuǎn)向等耦合及制約問題，結(jié)合預(yù)測控制可處理帶約束多變量多目標(biāo)優(yōu)化問題的特點，提出了轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)預(yù)測控制方案，實現(xiàn)分布式驅(qū)動的多目標(biāo)動態(tài)解耦和協(xié)調(diào)分配，從而提高整車穩(wěn)定性能。

3）基于有限控制集模型預(yù)測控制 （Finite Control Set-Model Predictive Control， FCS-MPC） 的PMSM轉(zhuǎn)矩控制算法。研究基于FCS-MPC的PMSM轉(zhuǎn)矩控制及其之間的分配是實現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)動和控制協(xié)調(diào)精度的關(guān)鍵問題。分布式驅(qū)動穩(wěn)定性主要取決于車輪上的轉(zhuǎn)矩大小以及車輪之間的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配。

由于車用PMSM電機設(shè)計飽和程度較高，控制具有非線性和實際約束特性，因此為使底層驅(qū)動單元PMSM滿足車輛頻繁變化的動力需求，提出以逆變器開關(guān)為核心的基于FCS-MPC的PMSM轉(zhuǎn)矩控制算法，建立針對非線性、實際約束和多系統(tǒng)控制的設(shè)計方法，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確快速動態(tài)響應(yīng)和分布式驅(qū)動協(xié)調(diào)控制穩(wěn)定需求。

3 電動汽車分布式驅(qū)動的研究方案

3.1 電動汽車分布式驅(qū)動的研究方法

1）采用功率平均分配控制理論進(jìn)行分析。通過分析電子差速原理，建立車輛行駛過程的動力學(xué)方程。首先，根據(jù)駕駛員加速踏板 （節(jié)氣門開度）和踏板力，獲得駕駛員需求的總驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T；其次，根據(jù)左右驅(qū)動輪電機反饋的轉(zhuǎn)速 （n1和n2）和初始平均分配驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T/2，計算出左右車輪驅(qū)動電機的需求功率P1與P2；最后，依據(jù)驅(qū)動輪等功率分配控制策略 （見圖3）原則，運用平均分配的功率 （P1+P2）/2以及實時反饋的左右車輪電機轉(zhuǎn)速（n1和n2），對左右車輪電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整控制，輸出兩側(cè)驅(qū)動電機實際需求的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1_power與T2_power。

圖3 驅(qū)動輪等功率分配控制策略

2）橫擺力矩模糊控制。汽車穩(wěn)定控制包含汽車的機動穩(wěn)定性與軌跡保持能力，汽車的機動穩(wěn)定性通常用橫擺角速度來表示，一般用質(zhì)心側(cè)偏角表示汽車的軌跡保持能力。通過分析汽車穩(wěn)定控制目標(biāo)，選擇橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角為控制參數(shù)，采用基于模糊控制算法設(shè)計橫擺力矩模糊控制策略（見圖4）。由傳感器測得汽車狀態(tài)輸入?yún)?shù) （車速和方向盤轉(zhuǎn)角），由二自由度參數(shù)輸出汽車目標(biāo)質(zhì)心側(cè)偏角和目標(biāo)橫擺角速度，與狀態(tài)觀測器估計獲得的橫擺角速度和汽車實際質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行比較。模糊控制器的輸入量有兩個：橫擺角速度偏差值和質(zhì)心側(cè)偏角偏差值；輸出量有一個：汽車需求的附加橫擺力矩。

圖4 基于模糊控制算法的橫擺力矩模糊控制策略

3）應(yīng)用了基于邏輯門限的滑移率控制?；坡士刂仆ㄟ^調(diào)節(jié)限制驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)矩，使得車輪不發(fā)生過度滑移與滑轉(zhuǎn)。根據(jù)輪胎附著橢圓，分析車輪的縱向作用力和側(cè)向作用力，并以峰值附著系數(shù)為依據(jù)，建立考慮路面附著系數(shù)的車輪轉(zhuǎn)矩約束，進(jìn)而建立應(yīng)用了基于邏輯門限的滑移率控制層的控制方法。具體而言，通過分析PMSM與三相逆變器的系統(tǒng)機理，以轉(zhuǎn)矩跟蹤為目標(biāo)，并考慮電流安全約束和離散開關(guān)范圍約束，設(shè)計基于FCS-MPC的PMSM轉(zhuǎn)矩控制策略，控制底層驅(qū)動電機，有效實現(xiàn)整車控制器的轉(zhuǎn)矩指令協(xié)調(diào)。圖5為電機控制策略；圖6為轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制算法流程圖，描述了轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制算法的實現(xiàn)過程。

圖5 電機控制策略

3.2 電動汽車分布式驅(qū)動研究的技術(shù)路線

根據(jù)功率平均分配控制、橫擺力矩模糊控制、邏輯門限滑移率控制等研究方法，制定了電動汽車分布式驅(qū)動項目研究的技術(shù)路線 （見圖7）。

圖7 電動汽車分布式驅(qū)動項目研究的技術(shù)路線圖

1）通過車輛行駛動力學(xué)與多自由度車輛動力學(xué)模型分析，建立上層為驅(qū)動力分配層、下層為基于邏輯門限的滑移率控制層的雙層架構(gòu)的整車控制模型。

2）通過PMSM數(shù)學(xué)模型分析，設(shè)計基于FCSMPC的電機轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略；根據(jù)V模式開發(fā)流程，給出基于模型設(shè)計的PMSM預(yù)測控制的實現(xiàn)步驟與所需算法工具。

3）分別建立基于CarSim/Simulink的分布式驅(qū)動仿真和基于MATLAB/Simulink的PMSM仿真與預(yù)測控制系統(tǒng)模型。

4）根據(jù)V模式開發(fā)流程，結(jié)合實驗室硬件平臺，通過自動代碼生成，驗證PMSM轉(zhuǎn)矩控制策略的可行性。

5）基于建立的仿真和試驗平臺，對比分析不同行駛工況下的車輛性能，驗證該項目制定的整車控制策略的有效性。

3.3 電動汽車分布式驅(qū)動研究的實驗方案和手段

針對仿真與工程應(yīng)用，電動汽車分布式驅(qū)動研究采取離線仿真、在環(huán)仿真等實驗方案和手段。

3.3.1 離線仿真

在算法研究階段，采用CarSim/Simulink創(chuàng)立整車分布式驅(qū)動仿真模型，基于MATLAB/Simulink創(chuàng)立PMSM數(shù)學(xué)模型，設(shè)計整車控制策略，研究電機轉(zhuǎn)矩控制算法，通過仿真分析證明算法的理論可靠性。

3.3.2 在環(huán)仿真

通過比較實驗與仿真的結(jié)果，得到所設(shè)計模型和算法與設(shè)計目標(biāo)之間的差異，為充實理論研究指明方向，有助于完善模型和算法。其中，設(shè)法滿足在環(huán)仿真環(huán)境對模型和算法提出的特定要求，如實時性對采樣步長的限制等，是該階段研究的關(guān)鍵。

3.3.3 工程應(yīng)用

借助于機試驗平臺，探討工程應(yīng)用。

首先，將在環(huán)仿真獲得的可執(zhí)行代碼移植到作為系統(tǒng)控制核心的目標(biāo)機中，完成實際系統(tǒng)的計算機代碼下載。

其次，利用監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)運行，以驗證試驗結(jié)果。

最后，圍繞抗干擾性、實時性和穩(wěn)定性等指標(biāo)完成試驗，以進(jìn)一步完善該項目提出的理論與方法，為后續(xù)的推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

在實驗階段，在設(shè)計整車仿真模型結(jié)構(gòu)和實驗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制方案和實驗測試原理，采用所提出的控制策略和控制算法進(jìn)行行駛工況模擬實驗，從而驗證其有效性。

4 結(jié)束語

通過以上討論可知，電動汽車分布式驅(qū)動穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制機理研究具有以下特色與創(chuàng)新之處。

1）提出了雙層架構(gòu)的整車控制模型。針對分布式驅(qū)動系統(tǒng)中的驅(qū)動、制動和轉(zhuǎn)向等耦合及制約性，提出了上層為驅(qū)動力分配層、下層為基于邏輯門限的滑移率控制層的雙層架構(gòu)的整車控制模型，針對控制層中不同功能需求采用了等功率分配控制、模糊控制等不同的控制策略和控制算法，實現(xiàn)了驅(qū)動穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制。

2）提出了基于FCS-MPC的PMSM轉(zhuǎn)矩控制算法。針對車用PMSM設(shè)計飽和程度較高、系統(tǒng)中存在參數(shù)非線性等問題，提出了基于FCS-MPC的PMSM轉(zhuǎn)矩控制算法?；谠撍惴?，可實現(xiàn)解耦和多目標(biāo)優(yōu)化，提高了電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、工作區(qū)效率和分配控制。