電助力轉(zhuǎn)向與雙后輪驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　前言

　　本文在現(xiàn)有電動(dòng)汽車動(dòng)力控制方法基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電助力轉(zhuǎn)向與雙后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的模型電動(dòng)車運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化了整車結(jié)構(gòu)大大提高了電動(dòng)汽車電氣化程度和可控制程度,充分發(fā)揮了電動(dòng)汽車高度電機(jī)一體化的優(yōu)勢(shì)。文中具體給出了系統(tǒng)各關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制方法,并通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的有效性。

　　1　模型電動(dòng)汽車系統(tǒng)總體構(gòu)成

　　設(shè)計(jì)針對(duì)電動(dòng)車( EV) 理想車況低速行駛,實(shí)現(xiàn)了一種雙后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)力由兩個(gè)后輪電機(jī)共同提供。電助力轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)使用普通直流伺服電機(jī),控制簡(jiǎn)單;兩個(gè)后輪電機(jī)為兩個(gè)輪轂式直流無(wú)刷(BLDC)電機(jī),能夠在提高效率的同時(shí)保證長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)中每個(gè)電機(jī)與電控單元( ECU)間都獨(dú)自構(gòu)成一個(gè)速度閉環(huán)和電流閉環(huán)系統(tǒng),這種設(shè)計(jì)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(jiǎn)化了整車結(jié)構(gòu),提高傳動(dòng)效率,并且能夠通過(guò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功能,和對(duì)電動(dòng)輪的電子差速控制。

　　2　雙后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　原型電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)控制主要需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題:一是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制問(wèn)題;二是對(duì)兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。

　　2. 1　助力轉(zhuǎn)向控制

　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向工作過(guò)程如下:首先,轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的操縱力矩,車速傳感器測(cè)出車輛當(dāng)前的行駛速度,然后將這兩個(gè)信號(hào)傳遞給ECU; ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略,計(jì)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(shí)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(jiàn)圖2。

　　這樣的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了實(shí)際助力特性調(diào)整的過(guò)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(dòng)輪控制

　　采用雙后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方案,每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都能獨(dú)立提供驅(qū)動(dòng)力,功率可以按需要獨(dú)立分配,其差速功能可以由軟件完成,實(shí)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(pán)轉(zhuǎn)角θ是一個(gè)重要參數(shù)。策略中引入方向盤(pán)自由行程角ε這樣一個(gè)標(biāo)志量,當(dāng)|θ| > ε時(shí),車輛電控單元(ECU)認(rèn)為駕駛意圖為轉(zhuǎn)向,否則為直駛。無(wú)論是直駛控制策略還是轉(zhuǎn)向控制策略,其關(guān)鍵點(diǎn)還是通過(guò)對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速ni1和ni2的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)電機(jī)的控制,從而達(dá)到對(duì)車體行走軌跡的操控。雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制方框圖見(jiàn)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(huì)存在一定的速度差△n (定義△n = no1 - no2 ) ,ECU需要對(duì)△n進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)△n超過(guò)系統(tǒng)允許實(shí)時(shí)速度差np時(shí),就需要根據(jù)△n和np 來(lái)對(duì)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(duì)兩側(cè)電機(jī)的累計(jì)行程差△S進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)△S超過(guò)系統(tǒng)允許實(shí)時(shí)速度Sp 時(shí),就需要根據(jù)△S和Sp對(duì)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(jì)行程差計(jì)算出nis,nis = C3 △S, C—比例常數(shù),根據(jù)試驗(yàn)確定,不能過(guò)大否則容易引起不穩(wěn)定,計(jì)算結(jié)果用于調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速消減該累計(jì)行程差,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過(guò)累計(jì)行程和速度的雙重同步,增強(qiáng)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(shí), ECU根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角θ的絕對(duì)值大小計(jì)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(dòng)系統(tǒng)中的兩個(gè)電機(jī)誰(shuí)為外側(cè)電機(jī)和誰(shuí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖4為直駛和轉(zhuǎn)向的控制流程圖。

　　3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)上述控制策略,編寫(xiě)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(yàn)測(cè)試,部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示,大致可以分為以下幾個(gè)階段:

　　1) a點(diǎn)之前,車輛直線行駛。

　　2)a、b點(diǎn)之間,駕駛員迅速向左打方向盤(pán)至一較大角度Θ,然后保持方向盤(pán)位置不變,車輛開(kāi)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(diǎn)之間,方向盤(pán)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(diǎn)之間,方向盤(pán)回到中間位置,駕駛員意圖直駛,此時(shí)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(diǎn)匯合;經(jīng)過(guò)de段的調(diào)整后在E點(diǎn)達(dá)到基本一致。

　　5) e、f點(diǎn)之間是一段加速過(guò)程,使車速達(dá)到轉(zhuǎn)向前的速度值。

　　6) f點(diǎn)之后是車輛保持直線行駛。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)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(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)駕駛員的直線行駛和轉(zhuǎn)向要求。

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種電助力轉(zhuǎn)向與雙后輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合的電動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)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(dòng)車輛的穩(wěn)定行駛問(wèn)題提供了解決方案。臺(tái)架試驗(yàn)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(jì)的有效性。