電動汽車電子差速控制策略研究

陳閣　李翔翼　趙地

摘 要：輪轂電機相較于傳統(tǒng)電機，具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點。為了保證電動汽車的安全性，使用輪轂電機驅(qū)動的汽車去掉了變速器等機械結(jié)構(gòu)。本文使用仿真MATLAB軟件建立動力學(xué)模型來進行汽車的差速研究。并且使用CARSIM軟件進行汽車參數(shù)的建模，使得到的實驗結(jié)果盡可能準確。然后使用PID調(diào)節(jié)器控制電流，其中采用電磁力矩方程和電壓方程。車輛動力學(xué)模型分兩步建立，電動車相關(guān)參數(shù)輸入軟件進行建模。采用電子差速控制和直接橫擺控制兩種控制方式。仿真和試驗結(jié)果表明，這兩種控制方式在低速下具有較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：輪轂電機 MATLAB 建模

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，燃油汽車不僅給人們帶來了舒適的體驗，但同時也帶來了許多環(huán)境問題，在這個大背景下，電動汽車被研究出來。在機械結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，必須保證電子差速器系統(tǒng)的安全性和可靠性，這是電動汽車安全的前提。

考慮到車輛扭矩中心偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響，分析了牽引質(zhì)量驅(qū)動力和車身偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響。利用CARSIM軟件建立動態(tài)模型，利用SIMULINK軟件確定控制策略，最后對系統(tǒng)進行總體仿真。傳統(tǒng)的阿克曼建模仿真有很多學(xué)者進行相關(guān)的探索。但是這個模型局限性很大，它只能在線性時不變的系統(tǒng)模型中應(yīng)用。如果要探究速度快的車輛模型，就需要再針對其他干擾因素作出更深一步的研究。

2 電動汽車電子差速控制策略研究

2.1 電動汽車轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型

2.1.1 多自由度汽車動力學(xué)模型

車輛的動態(tài)轉(zhuǎn)向性能是指車輛在駕駛員對方向盤進行輸入的情況下的響應(yīng)，評價標準是車輛是否能夠根據(jù)駕駛員的意圖，在方向盤角度輸入下，通過一系列轉(zhuǎn)向機構(gòu)改變方向盤角度，本文研究的電動問題與車輛的行駛穩(wěn)定性有關(guān)，下面就可以對汽車的七自由度模型進行建立。如圖1所示。

在建模時，本文采用了MATLAB中的simulink和CARSIM這兩個建模仿真軟件。通過simulink建立汽車的控制模型，通過CARSIM建立汽車的動力學(xué)的模型。在低速時，汽車使用電子差速器模型，將輸出扭矩分配到兩個車輪上，這是通過控制轉(zhuǎn)矩、反饋轉(zhuǎn)速以及方向盤角度來實現(xiàn)的。為了提高電動汽車的轉(zhuǎn)向性能，駕駛員可獲得所需的扭矩、轉(zhuǎn)向角、車輛的反饋速度、實時轉(zhuǎn)速和側(cè)向角。將得到的角速度與預(yù)期的值進行比較，通過控制器得到相對應(yīng)的力矩，再分配給兩個驅(qū)動車輪。這樣最終就達到改善汽車轉(zhuǎn)向性能的目的。

2.2 輪轂電機模型

2.2.1 無刷直流電機數(shù)學(xué)模型

輪轂電機是現(xiàn)代控制技術(shù)和永磁發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的新產(chǎn)品。本文選擇無刷直流發(fā)動機作為輪轂電機，以適應(yīng)方向盤的驅(qū)動力矩。由于CarSim中沒有輪轂發(fā)動機，因此有必要在Simulink中對輪轂發(fā)動機進行建模。

、表示輸入三相電壓;、表示定子電流;采用、表示三相電動勢;定子每項電阻采用R來表示;來表示為定子自感和互感的差值。

無刷電機的接線方法為Y型接線法。下面是三相電壓平衡方程

簡化后的公式為：

根據(jù)電力拖動原理，得到：

在上面采用的公式中，使用來表示電機上的負載轉(zhuǎn)矩，使用來表示輪轂電機的輸出轉(zhuǎn)矩，采用表示電動機的反電動勢系數(shù)，公式中的表示電機的轉(zhuǎn)動慣量，采用表示電機轉(zhuǎn)動角速度。

根據(jù)上式得到動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2.2 電機調(diào)速方案分析

電動機應(yīng)配備轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過在規(guī)定負載下改變給定的參數(shù)來改變發(fā)動機的機械特性，以得到恒定調(diào)速或可變調(diào)速的理想結(jié)果。

電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有三種不同的方式，本文介紹了電壓調(diào)節(jié)的方法，設(shè)計了一個單閉環(huán)電流控制系統(tǒng)來實現(xiàn)電流反饋調(diào)節(jié)。電流反饋控制器使用PID控制器實現(xiàn)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。

3 電子差速控制器設(shè)計及仿真

3.1 電動汽車的電子差速控制

在對汽車傳統(tǒng)的差速效應(yīng)進行研究時，必須對汽車的驅(qū)動輪之間的差速進行有效的控制。采用差速控制器來協(xié)調(diào)驅(qū)動輪之間不同的驅(qū)動力，這就是差速控制的核心思想。當汽車行駛在路面上時，如果車身發(fā)生轉(zhuǎn)向，這時轉(zhuǎn)向所造成的的汽車驅(qū)動輪之間的距離不同，這時就需要采用不同的補償方式，最終使汽車正常運行。但都是以不同的速度驅(qū)動車輪，協(xié)調(diào)驅(qū)動輪的速度。對于汽車差速的控制有很多方法，但核心都是利用差速器對轉(zhuǎn)向的差速進行補償，本文研究了基于Ackerman模型的轉(zhuǎn)矩控制和直接橫擺距控制。

3.2 阿克曼模型電子差速控制策略

一般來說，輪胎打滑主要是由于輪胎表面的彈性變形引起的。隨著車輪扭矩和驅(qū)動力的不斷增大，輪胎胎面向地面滑動，此時驅(qū)動力與滑轉(zhuǎn)率呈非線性關(guān)系。經(jīng)過多次實驗測試，當輪胎滑轉(zhuǎn)率以14%～21%左右在硬路面上運行時，驅(qū)動力最大。

然而，在實際路面上車輛的行駛條件非常復(fù)雜，存在很多不確定性干擾，僅僅識別不同的路面來確定汽車的具體滑轉(zhuǎn)率，這無疑是很難的。但是，如果根據(jù)經(jīng)驗公式來配置轉(zhuǎn)矩的參數(shù)，結(jié)合建立的阿克曼動力學(xué)模型，就能相對簡單的處理這類問題，最終實現(xiàn)差速的協(xié)調(diào)。建立的Simulink轉(zhuǎn)矩分配比模塊如圖3：

3.3 橫擺力矩控制模型電子差速控制策略

設(shè)定模糊控制器后，建立轉(zhuǎn)矩控制器，模糊控制器的第一個給定是實際橫擺角速度與理想角速度之差，第二個給定是質(zhì)心實際偏角與質(zhì)心理想偏角之差。根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊控制和模糊清晰處理。理想角度和傾斜角度的計算必須接收車輛轉(zhuǎn)矩和方向盤轉(zhuǎn)向角的信號。

4 電子差速控制系統(tǒng)仿真驗證

4.1 低速大角度行駛

當汽車在路面大角度轉(zhuǎn)向時，這時汽車速度18km/h。這時司機對踏板施加作用力，汽車行駛路面的黏著系數(shù)為0.76。轉(zhuǎn)動方向盤180度后保持靜止。這時觀測車身情況，觀察最終的控制效果。仿真結(jié)果如圖4所示。

4.2 中速中角度轉(zhuǎn)向行駛

當汽車在路面以稍小的角度轉(zhuǎn)向時，這時汽車的速度為58km/h。汽車形式的路面的黏著系數(shù)為0.85，轉(zhuǎn)動方向盤100度，這時再觀察車身的控制效果。中彎仿真結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)束語

采用同一車型進行實驗，采用兩種控制器對控制結(jié)果進行監(jiān)控。從結(jié)果上看，阿克曼模型的控制效果和橫擺模型的控制效果差不多。

通過對仿真結(jié)果的比較，可以得出兩種控制器在低速時的控制效果接近，所得到的的結(jié)果都差不多，車輛的某些動態(tài)參數(shù)隨車速的增加呈非線性變化。所以，和橫擺控制相比，阿克曼模型控制的轉(zhuǎn)向效果更好。

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