趙志剛，駱志偉，胡小龍，何 剛，楊松樸

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

趙志剛，駱志偉，胡小龍，何 剛，楊松樸

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于采用4個(gè)輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以通過電機(jī)反饋得出，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)車輪的獨(dú)立控制，在車輛控制策略制定、主動(dòng)控制安全和制動(dòng)能量回饋等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過驅(qū)動(dòng)力矩和和制動(dòng)力矩的合理計(jì)算和分配控制以達(dá)到提高整車經(jīng)濟(jì)性能的目的；通過輪速補(bǔ)償估算策略，使得四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的滑轉(zhuǎn)率計(jì)算更加準(zhǔn)確，對(duì)于提高車輛行駛安全性具有十分重要的價(jià)值。

四驅(qū)電動(dòng)車；轉(zhuǎn)速估算；滑轉(zhuǎn)率控制

0 引 言

四驅(qū)電動(dòng)車采用輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如每個(gè)車輪可以進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)控制、車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以測(cè)得、比傳統(tǒng)汽車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著特點(diǎn)，從而能夠更好地運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)原理，制定車輛控制策略，實(shí)現(xiàn)車輛的主動(dòng)安全控制和能量回收利用，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制逐漸成為電動(dòng)汽車發(fā)展的熱點(diǎn)。

本文簡(jiǎn)要介紹了四驅(qū)電動(dòng)車控制系統(tǒng)的組成，通過驅(qū)動(dòng)力矩和和制動(dòng)力矩的合理計(jì)算和分配控制以達(dá)到提高整車經(jīng)濟(jì)性能的目的；通過輪速補(bǔ)償估算策略，使得四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的滑轉(zhuǎn)率計(jì)算更加準(zhǔn)確，對(duì)于提高車輛行駛安全性具有十分重要的價(jià)值。

1 四驅(qū)電動(dòng)車控制系統(tǒng)

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車采用4個(gè)輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車輪可以進(jìn)行單獨(dú)控制，車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以通過電機(jī)反饋得出，在車輛控制策略制定、主動(dòng)控制安全和制動(dòng)能量回饋等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.1硬件構(gòu)成

四輪電驅(qū)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)組成。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)由驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)采集的模擬信號(hào)判斷駕駛員意圖及車輛行駛狀態(tài)，對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，給各電機(jī)控制器下發(fā)控制信號(hào)，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛控制。組成部分包括啟動(dòng)開關(guān)、油門踏板、制動(dòng)踏板、方向盤、集中控制器、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)多能量源管理、回饋制動(dòng)、智能配電、蓄電池健康管理技術(shù)等功能。組成部分包括蓄電池組、充電機(jī)、智能配電器、集中控制器、制動(dòng)控制單元等。

健康管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集整車工作狀態(tài)及故障信息。實(shí)現(xiàn)整車健康管理、安全監(jiān)視及數(shù)字儀表顯控。組成部分包括數(shù)字儀表、集中控制器、數(shù)字儀表等。

根據(jù)油門狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出功率，通過比例換算得到給定的目標(biāo)功率。根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩給定確定電機(jī)是否達(dá)到了給定功率。在沒有達(dá)到給定功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器按電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩給各電機(jī)控制器下發(fā)轉(zhuǎn)矩指令。當(dāng)達(dá)到給定功率時(shí)，以恒功率(給定功率)為限定條件，根據(jù)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)計(jì)算轉(zhuǎn)矩給定值，轉(zhuǎn)矩給定值隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大而反比減小。各電機(jī)采用以功率為控制給定的等轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)策略，考慮整車動(dòng)力性需求后期可根據(jù)軸荷不同進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。

整車功率流、信號(hào)流結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

圖1 整車功率流結(jié)構(gòu)圖

圖2 整車信號(hào)流結(jié)構(gòu)圖

1.2軟件方案

通過基于全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車極值輪速滑轉(zhuǎn)率估算方法簡(jiǎn)化了全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)滑轉(zhuǎn)率的基礎(chǔ)輪速難以選擇的問題，通過基于胎壓監(jiān)測(cè)的輪速補(bǔ)償技術(shù)解決了輪胎外徑差異帶來的計(jì)算量擾動(dòng)問題，解決了全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車滑轉(zhuǎn)率難以計(jì)算問題的方法。

若滑轉(zhuǎn)率>0.2，說明驅(qū)動(dòng)力過大，需要降低該輪的驅(qū)動(dòng)力；若滑轉(zhuǎn)率<-0.2，說明該輪被拖滑，需要增加該輪的驅(qū)動(dòng)力?；D(zhuǎn)率計(jì)算原理如圖3所示。在車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，比較四輪的轉(zhuǎn)速并求出最小值，作為計(jì)算車速的基值；在車輛處于制動(dòng)狀態(tài)是，比較四輪的轉(zhuǎn)速并求出最大值，作為計(jì)算車速的基值，從而有效地解決了滑轉(zhuǎn)率計(jì)算時(shí)車速難以選擇的問題。輪胎的胎壓是輪速一個(gè)十分重要的參數(shù)，由于胎壓的不同也會(huì)引起四輪轉(zhuǎn)速存在差異，通過檢測(cè)輪胎壓力的方法對(duì)輪速進(jìn)行修正補(bǔ)償，對(duì)于更為準(zhǔn)確估計(jì)輪胎轉(zhuǎn)速具有重要作用，補(bǔ)償原理如圖4所示。

圖3 車速及滑轉(zhuǎn)率計(jì)算框圖

圖4 基于胎壓的輪速修正計(jì)算框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

四驅(qū)電動(dòng)車的實(shí)物如圖5所示。為了驗(yàn)證路面行駛各輪力矩分配策略的有效性，進(jìn)行了路面左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)，實(shí)際的力矩分配效果如圖6、圖7所示。

圖5 四驅(qū)電動(dòng)車實(shí)物圖

圖6 左轉(zhuǎn)彎(轉(zhuǎn)向角15°)時(shí)各輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配

圖7 右轉(zhuǎn)彎(轉(zhuǎn)向角15°)時(shí)各輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在不同的轉(zhuǎn)彎工況下，電子差速控制策略在試驗(yàn)臺(tái)架上得到了驗(yàn)證，各輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩以轉(zhuǎn)向角為基準(zhǔn)，按對(duì)應(yīng)比例關(guān)系分配到內(nèi)側(cè)和外側(cè)輪轂電機(jī)，試驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，試驗(yàn)平臺(tái)行駛平順。

當(dāng)車輛行駛到附著系數(shù)不良的路面(如積水地面、冰雪地面等)，或當(dāng)駕駛?cè)诉M(jìn)行復(fù)雜操作(如高速轉(zhuǎn)向等)或因其他某種原因使四輪力矩分配不當(dāng)時(shí)，可能產(chǎn)生車輪滑轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)現(xiàn)象，因此要對(duì)車輛進(jìn)行滑轉(zhuǎn)率控制。滑轉(zhuǎn)率控制的目標(biāo)是將各輪滑轉(zhuǎn)率控制在20%以內(nèi)(從車輛動(dòng)力學(xué)的角度考慮，當(dāng)各輪滑轉(zhuǎn)率達(dá)到20%時(shí)，是輪胎相對(duì)于地面附著力開始下降的臨界點(diǎn))。正常驅(qū)動(dòng)行駛時(shí)，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率超過0.2，說明驅(qū)動(dòng)力過大，則降低該輪的驅(qū)動(dòng)力；制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率超過0.2，說明該輪被拖滑，則增加該輪的驅(qū)動(dòng)力。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了各車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)時(shí)的控制效果，圖8、圖9、圖10分別給出了各輪空轉(zhuǎn)時(shí)滑轉(zhuǎn)率控制的效果。

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)各車輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時(shí)，滑轉(zhuǎn)率控制策略生效，通過控制各輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩，各車輪轉(zhuǎn)速得到有效控制，各輪滑轉(zhuǎn)率被控制在20%以內(nèi)。

圖8 各輪滑轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制效果圖

圖9 各輪滑轉(zhuǎn)時(shí)的輪速控制效果圖

圖10 各輪滑轉(zhuǎn)時(shí)的滑轉(zhuǎn)率控制效果圖

3 結(jié) 語

本文研究了四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車轉(zhuǎn)矩分配、車輛轉(zhuǎn)速合理計(jì)算達(dá)到改善系統(tǒng)最佳運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的問題。給出了車輛速度計(jì)算的方法以及優(yōu)化措施，通過路面試驗(yàn)測(cè)試證明了該方法的有效性，對(duì)于車輛穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

[1] 趙志剛，林輝，張慶超，等.電動(dòng)舵機(jī)伺服控制器的設(shè)計(jì)與研究[J].微特電機(jī)，2013,41(9)：44-46.

[2] 王恩德，黃聲華.表貼式永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(33)：82-88.

[3] 李剛.線控四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車穩(wěn)定性與節(jié)能控制研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2013.

[4] 廖凌宵.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制策略的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2010:12.

[5] 周勇.四電動(dòng)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車ABS/ASR控制策略研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006:14.

[6] GENG C,MOSTEFAI L,MOULOUD D,et al.Direct yaw-moment control of an in-wheel-motored electric vehicle based on body slip angle fuzzy observer[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,56(5):1411-1419.

DesignandResearchoftheFour-WheelDriveElectricVehicle

ZHAOZhi-gang，LUOZhi-wei，HUXiao-long，HEGang，YANGSong-pu

(Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076，China)

Wheel independent drive electric cars thanks to four-wheel motor as the drive motor, wheel speed and torque can be obtained by the motor feedback, enables independent control of individual wheels, the vehicle control strategy development, security and active control of braking energy feedback so has obvious advantages. Reasonable and calculating the drive torque and braking torque distribution control and the vehicle to achieve improved economic performance of the object; wheel speed estimated by the compensation policy, so that four-wheel independent drive electric cars slip rate calculation more accurately, to improve vehicle security has a very important value.

four-wheel drive electric vehicle； rotational speed estimation； slip rate control

2016-05-30

TM35

：A

：1004-7018(2016)11-0051-03

趙志剛(1989-)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。