基于SIMULINK的輪轂電機(jī)電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

田字

摘要：基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車可單獨(dú)控制驅(qū)動(dòng)輪，所以在保障靈活性時(shí)，進(jìn)一步提高了電機(jī)電子控制要求。據(jù)此文章基于SIMULINK設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，以特殊試驗(yàn)工況檢驗(yàn)了控制系統(tǒng)具體效果，即以Matlab軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建Simulink仿真模型，以此針對(duì)仿真結(jié)果與系統(tǒng)實(shí)際控制效果做了對(duì)比。得出結(jié)論，電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)可快速有效辨別路面狀況與行駛工況，在直線行駛于對(duì)接路面狀態(tài)是，系統(tǒng)可控制兩驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)率于理想范圍，從而切實(shí)發(fā)揮汽車驅(qū)動(dòng)力;系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)兩驅(qū)動(dòng)輪差速控制，兩輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向模型的轉(zhuǎn)速要求相符，誤差可控制于要求標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

關(guān)鍵詞：SIMULINK;輪轂電機(jī);電子差速旋轉(zhuǎn)控制

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0142-04

0引言

在車輛直線運(yùn)行狀態(tài)下，車輪沒(méi)有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象時(shí)，左側(cè)與右側(cè)輪胎轉(zhuǎn)矩相等。機(jī)械差速控制系統(tǒng)可有效解決車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的內(nèi)輪與外輪轉(zhuǎn)速不一致，然而此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在一定缺陷。電動(dòng)汽車中縮減大量不必要機(jī)械裝置，且驅(qū)動(dòng)輪可基于電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)。而以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)為載體的電動(dòng)汽車集中電機(jī)于車輪，在懸架固定電機(jī)主軸，通過(guò)外轉(zhuǎn)子電機(jī)帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。所以本文面向電動(dòng)汽車，進(jìn)行了電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)總框架

在車輛行駛時(shí)，都會(huì)經(jīng)過(guò)直線行駛與轉(zhuǎn)彎行駛，就直線行駛有效發(fā)揮汽車驅(qū)動(dòng)力，轉(zhuǎn)彎行駛保障車身轉(zhuǎn)向穩(wěn)定作為目標(biāo)，同時(shí)顧及車輛行駛時(shí)的橫擺運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了變滑轉(zhuǎn)率與橫擺運(yùn)動(dòng)相結(jié)合控制的電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。其中基于模糊控制算法設(shè)計(jì)變滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)，基于PI控制算法設(shè)計(jì)橫擺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)總框架具體如圖1所示。

變滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)通過(guò)辨別路面參數(shù)，獲取車輛行駛兩驅(qū)動(dòng)輪目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率于地面縱向峰值附著系數(shù)，內(nèi)控系統(tǒng)就行駛工況、路面狀況、驅(qū)動(dòng)輪行駛形態(tài)為依據(jù)，面向滑轉(zhuǎn)率作出正確決策以控制車輪，且以模糊控制器為載體進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量計(jì)算;橫擺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)車輛二自由度理想模型進(jìn)行車輛行駛理想橫擺角速度計(jì)算，對(duì)比角速度與整車模型所反饋橫擺角速度，基于PI控制算法獲得所需增加于質(zhì)心的橫擺控制力矩，以適度調(diào)整橫擺運(yùn)動(dòng);差動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合前兩者系統(tǒng)，通過(guò)特制轉(zhuǎn)矩分配算法合理分配驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，促使所輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足車輛行駛差速不滑轉(zhuǎn)要求，并保障車輛行駛平穩(wěn)性，從而確保了車輛操縱穩(wěn)定性與可靠性。

2電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要為上位機(jī)一下位機(jī)，基于傳感器總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)主程序初始化處理器，即處理器引腳設(shè)置、初始化芯片與變量、獲取速度與轉(zhuǎn)向角信息、數(shù)據(jù)傳輸處理。主程序流程具體如圖2所示。

在程序運(yùn)行初始階段，先初始化芯片與變量。一旦程序發(fā)生錯(cuò)誤則快速報(bào)錯(cuò)，而程序無(wú)誤時(shí)則持續(xù)獲取變量，即行駛速度與方向盤轉(zhuǎn)向角，以模糊規(guī)則表為輔助模糊化變量，基于模糊控制算法對(duì)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，就傳感器總線傳送所獲處理之后的數(shù)據(jù)于下位機(jī)。下位機(jī)負(fù)責(zé)就系統(tǒng)主程序所傳輸數(shù)據(jù)信息，調(diào)節(jié)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入于功率電路的PwM波占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸入電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整。在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，上位機(jī)就車輛速度、方向盤轉(zhuǎn)向角，計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪所需轉(zhuǎn)速，同時(shí)傳輸于下位機(jī)實(shí)施。下位機(jī)以雙閉環(huán)控制模式加以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?；诨魻杺鞲衅鞣讲ㄐ盘?hào)頻率進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算，即：

3系統(tǒng)仿真分析

3.1構(gòu)建仿真模型

電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)包含變滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)、橫擺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、差動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)3模塊。變滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)基于Matlab Fcun.tion模塊進(jìn)行程序代碼編寫;橫擺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PI控制器環(huán)節(jié)基于Simulink Liabray模塊庫(kù)的PID控制器構(gòu)建。

3.2結(jié)果分析討論

3.2.1突變路面識(shí)別與響應(yīng)能力試驗(yàn)

設(shè)定對(duì)接路面為工況，進(jìn)行突變路面識(shí)別與響應(yīng)能力試驗(yàn)。所謂對(duì)接路面即車輛由高轉(zhuǎn)到低附著系數(shù)路面行駛，以此工況試驗(yàn)電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的突變路面快速識(shí)別與響應(yīng)能力。其中，高附著系數(shù)路面最大縱向附著系數(shù)即0.9;低附著系數(shù)路面最大縱向附著系數(shù)即0.3;車輛先于高附著系數(shù)路面啟動(dòng)，直線行駛，在2.5s時(shí)，突然轉(zhuǎn)入低附著系數(shù)路面;仿真時(shí)間為5s。仿真結(jié)果具體如圖4、圖5、圖6所示。

由于直線行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩變化一致，所以只分析一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。由圖可知，在系統(tǒng)不發(fā)揮作用時(shí)，車輛從高附著系數(shù)路面突然轉(zhuǎn)向低附著系數(shù)路面的時(shí)候，車輪滑轉(zhuǎn)率快速變化，車輪瞬時(shí)滑轉(zhuǎn)，這時(shí)一旦側(cè)向擾動(dòng)出現(xiàn)，就會(huì)導(dǎo)致車輛方向失穩(wěn)，極易造成側(cè)滑甩尾現(xiàn)象。在系統(tǒng)充分發(fā)揮作用時(shí)，車輛從高附著系數(shù)路面突然轉(zhuǎn)向低附著系數(shù)路面的時(shí)候，在2.5s時(shí)車輪滑轉(zhuǎn)率突然出現(xiàn)巨大浮動(dòng)，然而大概在0.5s之后，浮動(dòng)幅度緩緩縮減，且快速將其穩(wěn)定于理想范圍。

由圖可以看出，在系統(tǒng)不發(fā)揮作用時(shí)，路面發(fā)生突然變化，其中地面的縱向附著系數(shù)明顯迅速下降，這就代表驅(qū)動(dòng)力沒(méi)有得到有效發(fā)揮。在系統(tǒng)充分發(fā)揮作用時(shí)，在大約2.5s時(shí)，地面縱向附著系數(shù)出現(xiàn)較大的明顯低谷期，這主要是因?yàn)樾旭倳r(shí)路面驟然改變，車輪行駛力超過(guò)地面附著力，車輪滑轉(zhuǎn)率迅速增大，導(dǎo)致車輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率與目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率出現(xiàn)過(guò)大誤差，造成系統(tǒng)輸出過(guò)大轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量，使得驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩迅速下降，但是系統(tǒng)同時(shí)快速調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)矩，在大約0.5s之后，地面縱向附著系數(shù)穩(wěn)定于最大系數(shù)區(qū)域內(nèi)，短時(shí)間有效調(diào)節(jié)，所以對(duì)于車輛穩(wěn)定性能影響并不突出。

由圖可知，系統(tǒng)未控制時(shí)，右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩為輸入轉(zhuǎn)矩的一半。在系統(tǒng)加以控制時(shí)，在2.5s路面驟變時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始減量控制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，只耗費(fèi)了1s便實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)向系統(tǒng)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變，這就說(shuō)明系統(tǒng)可有效辨別外界路面變化狀況，可迅速調(diào)節(jié)車輪滑轉(zhuǎn)率，響應(yīng)能力良好。

在轉(zhuǎn)向角是常數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速在車速影響下呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速誤差較小，這就表明系統(tǒng)與設(shè)計(jì)要求相符。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章基于sIMuuNK設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，并以Matlab軟件為載體進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，電子差速旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)可快速有效辨別路面狀況與行駛工況，在直線行駛于對(duì)接路面狀態(tài)是，系統(tǒng)可控制兩驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)率于理想范圍，從而切實(shí)發(fā)揮汽車驅(qū)動(dòng)力;系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)兩驅(qū)動(dòng)輪差速控制，兩輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向模型的轉(zhuǎn)速要求相符，誤差可控制于要求標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。