電動汽車運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0　前言

      本文在現(xiàn)有電動汽車動力控制方法基礎(chǔ)上,設(shè)計并實現(xiàn)了一種電助力轉(zhuǎn)向與雙后輪獨立驅(qū)動相結(jié)合的模型電動車運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將電助力轉(zhuǎn)向與雙后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動結(jié)合,省略了傳統(tǒng)的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件,大大簡化了整車結(jié)構(gòu)大大提高了電動汽車電氣化程度和可控制程度,充分發(fā)揮了電動汽車高度電機(jī)一體化的優(yōu)勢。文中具體給出了系統(tǒng)各關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計和控制方法,并通過臺架實驗證明了設(shè)計的有效性。

1　模型電動汽車系統(tǒng)總體構(gòu)成

      設(shè)計針對電動車（ EV） 理想車況低速行駛,實現(xiàn)了一種雙后輪獨立驅(qū)動運動模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
      模型車前輪控制采用電助力轉(zhuǎn)向（ EPS）系統(tǒng),動力由兩個后輪電機(jī)共同提供。電助力轉(zhuǎn)向驅(qū)動使用普通直流伺服電機(jī),控制簡單;兩個后輪電機(jī)為兩個輪轂式直流無刷（BLDC）電機(jī),能夠在提高效率的同時保證長期運行的可靠性。系統(tǒng)中每個電機(jī)與電控單元（ ECU）間都獨自構(gòu)成一個速度閉環(huán)和電流閉環(huán)系統(tǒng),這種設(shè)計可以在保持傳統(tǒng)汽車駕感的基礎(chǔ)上,省略傳統(tǒng)車輛的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件,大大簡化了整車結(jié)構(gòu),提高傳動效率,并且能夠通過控制技術(shù)實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功能,和對電動輪的電子差速控制。

2　雙后輪驅(qū)動電動汽車運動控制系統(tǒng)設(shè)計

      原型電動汽車運動控制主要需要解決以下兩個問題:一是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制問題;二是對兩個獨立驅(qū)動輪的協(xié)調(diào)控制問題。

2. 1　助力轉(zhuǎn)向控制

      電動助力轉(zhuǎn)向工作過程如下:首先,轉(zhuǎn)矩傳感器測出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的操縱力矩,車速傳感器測出車輛當(dāng)前的行駛速度,然后將這兩個信號傳遞給ECU; ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略,計算出理想的目標(biāo)助力力矩,轉(zhuǎn)化為電流指令給電機(jī);然后,電機(jī)產(chǎn)生的助力力矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)放大作用在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上,和駕駛員的操縱力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩,實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。
      助力電機(jī)控制策略采用助力電機(jī)電流的閉環(huán)給定控制,其控制功能結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

這樣的控制結(jié)構(gòu)簡化了實際助力特性調(diào)整的過程,控制參數(shù)調(diào)整方便和直觀,在滿足控制要求的基礎(chǔ)上保證了經(jīng)濟(jì)性。

2. 2　兩驅(qū)動輪控制

      采用雙后輪獨立驅(qū)動方案,每個驅(qū)動輪都能獨立提供驅(qū)動力,功率可以按需要獨立分配,其差速功能可以由軟件完成,實現(xiàn)電子式差速。
      要判斷駕駛員的駕駛意圖是直駛還是轉(zhuǎn)向,方向盤轉(zhuǎn)角θ是一個重要參數(shù)。策略中引入方向盤自由行程角ε這樣一個標(biāo)志量,當(dāng)|θ| > ε時,車輛電控單元（ECU）認(rèn)為駕駛意圖為轉(zhuǎn)向,否則為直駛。無論是直駛控制策略還是轉(zhuǎn)向控制策略,其關(guān)鍵點還是通過對目標(biāo)轉(zhuǎn)速ni1和ni2的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對兩側(cè)電機(jī)的控制,從而達(dá)到對車體行走軌跡的操控。雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制方框圖見圖3。

1） 直駛控制策略
      在直線行駛中,兩側(cè)的電機(jī)速度no1 和no2很難達(dá)到完全一致,總是會存在一定的速度差△n （定義△n = no1 - no2 ） ,ECU需要對△n進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)△n超過系統(tǒng)允許實時速度差np時,就需要根據(jù)△n和np 來對目標(biāo)轉(zhuǎn)速ni1和ni2進(jìn)行一定的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)量為nin;為了保證直線行駛的穩(wěn)定, ECU還需要對兩側(cè)電機(jī)的累計行程差△S進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)△S超過系統(tǒng)允許實時速度Sp 時,就需要根據(jù)△S和Sp對目標(biāo)轉(zhuǎn)速ni1和ni2也進(jìn)行一定的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)量為nis。根據(jù)累計行程差計算出nis,nis = C3 △S, C—比例常數(shù),根據(jù)試驗確定,不能過大否則容易引起不穩(wěn)定,計算結(jié)果用于調(diào)節(jié)兩個電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速消減該累計行程差,實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過累計行程和速度的雙重同步,增強了車輛穩(wěn)定直線行駛的可靠性。
      2） 轉(zhuǎn)向控制策略
      轉(zhuǎn)向控制時, ECU根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角θ的絕對值大小計算兩側(cè)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速差m, 根據(jù)θ的正負(fù),確定驅(qū)動系統(tǒng)中的兩個電機(jī)誰為外側(cè)電機(jī)和誰為內(nèi)側(cè)電機(jī),外側(cè)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速保持當(dāng)前速度不變,而內(nèi)側(cè)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速則應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前目標(biāo)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上下調(diào)m,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖4為直駛和轉(zhuǎn)向的控制流程圖。

3　實驗結(jié)果

      根據(jù)上述控制策略,編寫了車輛控電子控制單元（ ECU）的控制程序并進(jìn)行了架起試驗測試,部分實驗結(jié)果如圖5 所示,大致可以分為以下幾個階段:
      1） a點之前,車輛直線行駛。
      2）a、b點之間,駕駛員迅速向左打方向盤至一較大角度Θ,然后保持方向盤位置不變,車輛開始向左轉(zhuǎn)向。電機(jī)1轉(zhuǎn)速n1保持不變,電機(jī)2轉(zhuǎn)速n2向下調(diào)整,直至達(dá)到目標(biāo)速差。
      3） b、c點之間,方向盤位置保持上一階段的位置不變,電機(jī)1和電機(jī)2保持穩(wěn)定速差,車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向。
      4） c、e點之間,方向盤回到中間位置,駕駛員意圖直駛,此時電機(jī)1轉(zhuǎn)速n1向下調(diào)整,電機(jī)2轉(zhuǎn)速n2向上調(diào)制,兩者在d點匯合;經(jīng)過de段的調(diào)整后在E點達(dá)到基本一致。
      5） e、f點之間是一段加速過程,使車速達(dá)到轉(zhuǎn)向前的速度值。
      6） f點之后是車輛保持直線行駛。

 實驗結(jié)果表明,通過以角度和速度為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制策略,車輛電控單元（ ECU）可以較好的控制兩側(cè)電機(jī),及時準(zhǔn)確的實現(xiàn)駕駛員的直線行駛和轉(zhuǎn)向要求。

4　結(jié)語

      設(shè)計實現(xiàn)了一種電助力轉(zhuǎn)向與雙后輪驅(qū)動技術(shù)結(jié)合的電動車輛運動控制模型,提出以角度、速度控制為基礎(chǔ)的雙輪轂電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略,為使用雙后驅(qū)電動車輛的穩(wěn)定行駛問題提供了解決方案。臺架試驗結(jié)果表明:該控制策略可以較好的滿足車輛的直線行駛和轉(zhuǎn)向行駛控制要求,證明了設(shè)計的有效性。