電動(dòng)汽車電子差速控制策略淺議
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摘要：輪轂電機(jī)相較于傳統(tǒng)電機(jī)，具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。為了保證電動(dòng)汽車的安全性，使用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車去掉了變速器等機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文使用仿真MATLAB軟件建立動(dòng)力學(xué)模型來進(jìn)行汽車的差速研究。并且使用CARSIM軟件進(jìn)行汽車參數(shù)的建模，使得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)模型分兩步建立，電動(dòng)車相關(guān)參數(shù)輸入軟件進(jìn)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(yàn)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(jī)；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(yàn)，但同時(shí)也帶來了許多環(huán)境問題，在這個(gè)大背景下，電動(dòng)汽車被研究出來。在機(jī)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)模型，利用SIMULINK軟件確定控制策略，最后對系統(tǒng)進(jìn)行總體仿真。傳統(tǒng)的阿克曼建模仿真有很多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的探索。但是這個(gè)模型局限性很大，它只能在線性時(shí)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。
2.1電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型
2.1.1多自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型。車輛的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向性能是指車輛在駕駛員對方向盤進(jìn)行輸入的情況下的響應(yīng)，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)改變方向盤角度，本文研究的電動(dòng)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(jìn)行建立。如圖1所示。在建模時(shí)，本文采用了MATLAB中的simulink和CARSIM這兩個(gè)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(dòng)力學(xué)的模型。在低速時(shí)，汽車使用電子差速器模型，將輸出扭矩分配到兩個(gè)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(shí)現(xiàn)的。為了提高電動(dòng)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(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和側(cè)向角。將得到的角速度與預(yù)期的值進(jìn)行比較，通過控制器得到相對應(yīng)的力矩，再分配給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪。這樣最終就達(dá)到改善汽車轉(zhuǎn)向性能的目的。
2.2輪轂電機(jī)模型
2.2.1無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型。輪轂電機(jī)是現(xiàn)代控制技術(shù)和永磁發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的新產(chǎn)品。本文選擇無刷直流發(fā)動(dòng)機(jī)作為輪轂電機(jī)，以適應(yīng)方向盤的驅(qū)動(dòng)力矩。由于CarSim中沒有輪轂發(fā)動(dòng)機(jī)，因此有必要在Simulink中對輪轂發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模。aU、bU表示輸入三相電壓;ai、bi表示定子電流;采用ae、be表示三相電動(dòng)勢;定子每項(xiàng)電阻采用R來表示;smL?來表示為定子自感和互感的差值。無刷電機(jī)的接線方法為Y型接線法。下面是三相電壓平衡方程在上面采用的公式中，LT使用來表示電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使用eT來表示輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，采用ek表示電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢系數(shù)，公式中的J表示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用w表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。根據(jù)上式得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。2.2.2電機(jī)調(diào)速方案分析。電動(dòng)機(jī)應(yīng)配備轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過在規(guī)定負(fù)載下改變給定的參數(shù)來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)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(jī)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(jì)了一個(gè)單閉環(huán)電流控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電流反饋調(diào)節(jié)。電流反饋控制器使用PID控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。
3電子差速控制器設(shè)計(jì)及仿真
3.1電動(dòng)汽車的電子差速控制
在對汽車傳統(tǒng)的差速效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，必須對汽車的驅(qū)動(dòng)輪之間的差速進(jìn)行有效的控制。采用差速控制器來協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)輪之間不同的驅(qū)動(dòng)力，這就是差速控制的核心思想。當(dāng)汽車行駛在路面上時(shí)，如果車身發(fā)生轉(zhuǎn)向，這時(shí)轉(zhuǎn)向所造成的的汽車驅(qū)動(dòng)輪之間的距離不同，這時(shí)就需要采用不同的補(bǔ)償方式，最終使汽車正常運(yùn)行。但都是以不同的速度驅(qū)動(dòng)車輪，協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行補(bǔ)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(dòng)力的不斷增大，輪胎胎面向地面滑動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力與滑轉(zhuǎn)率呈非線性關(guān)系。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)輪胎滑轉(zhuǎn)率以14%～21%左右在硬路面上運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)力最大。然而，在實(shí)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(yàn)公式來配置轉(zhuǎn)矩的參數(shù)，結(jié)合建立的阿克曼動(dòng)力學(xué)模型，就能相對簡單的處理這類問題，最終實(shí)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(gè)給定是實(shí)際橫擺角速度與理想角速度之差，第二個(gè)給定是質(zhì)心實(shí)際偏角與質(zhì)心理想偏角之差。根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊控制和模糊清晰處理。理想角度和傾斜角度的計(jì)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(yàn)證
4.1低速大角度行駛
當(dāng)汽車在路面大角度轉(zhuǎn)向時(shí)，這時(shí)汽車速度18km/h。這時(shí)司機(jī)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(dòng)方向盤180度后保持靜止。這時(shí)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(dāng)汽車在路面以稍小的角度轉(zhuǎn)向時(shí)，這時(shí)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(dòng)方向盤100度，這時(shí)再觀察車身的控制效果。
5結(jié)束語
采用同一車型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用兩種控制器對控制結(jié)果進(jìn)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(shí)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(dòng)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。
參考文獻(xiàn)：
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作者:陳閣 李翔翼 趙地 單位:江鈴汽車股份有限公司
