輪驅電動汽車轉矩協調控制研究

張 輝，呼夢穎，劉 桓

(1．西安理工大學，西安 710048；2．西安交通大學，西安 710049)

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輪驅電動汽車轉矩協調控制研究

張 輝1,2，呼夢穎1，劉 桓1

(1．西安理工大學，西安 710048；2．西安交通大學，西安 710049)

針對輪驅電動汽車轉速控制穩定性較差和動態響應時間長的問題，設計以轉矩為控制量的電子差速協調控制策略，構建仿真模型和以TMS320F28335為核心的集成化驅動裝置，實現輪驅電動汽車轉矩合理分配，驗證方案的可行性。

輪驅；電動汽車；電子差速

0 引 言

輪式驅動(簡稱輪驅)電動汽車將電機與車輪集成，省去機械傳動裝置，減輕汽車重量，提高傳動效率和續駛里程[1-2]。每個驅動電機可以獨立控制，用電子差速(以下簡稱ED)裝置取代機械差速裝置，但關鍵是必須解決各驅動輪之間的協調控制[3]。

文獻[4-5]設計基于滑模控制理論的橫擺力矩控制器分配各驅動輪轉矩，該控制策略復雜，需用傳感器或估算方法獲得橫擺角速度和質心側偏角等參數。文獻[6]采用神經網絡PID控制器計算驅動輪目標轉矩，該控制策略只能針對神經網絡訓練過的路面進行控制，通用性不強。文獻[7]中電機的轉矩控制環由電流環實現，該控制策略需通過實驗數據確定電機轉矩與電流的轉換關系，控制精度低，動態響應較差。

論文采用外轉子式無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)作為驅動電機，以普通路面行駛時兩輪附著率相等為目標，設計需求參數較少、通用性較強、易于工程化的ED與BLDCM直接轉矩控制(以下簡稱DTC)結合的轉矩協調控制策略，構建集成電子差速控制和電機控制的驅動裝置，實現轉矩合理分配。

1 結構與轉矩協調控制策略

1.1 輪驅電動汽車結構

輪驅電動汽車采用前輪轉向、雙后輪驅動結構，主要包括蓄電池、BLDCM和控制器，結構如圖1所示。控制器根據加速踏板開度和轉向盤轉角，判斷行車意圖，實時調節兩電機的輸出轉矩。因此，兩驅動電機的轉矩協調控制是算法的核心。

圖1 輪驅電動汽車結構圖

1.2 轉矩協調控制策略

轉矩協調控制策略分為上層控制和下層控制。上層控制綜合考慮加速踏板開度和轉向盤轉角，確定兩驅動輪的目標轉矩；下層控制確保電機轉矩跟隨目標轉矩，實現動力輸出。轉矩協調控制框圖如圖2所示。

協調控制策略將ED與DTC結合，構成轉速、轉矩雙閉環，外環是包含駕駛員的速度環，內環是包含DTC的轉矩環。ED控制器根據采集的加速踏板開度和轉向盤轉角，實時計算兩驅動輪的目標轉矩，作為轉矩閉環的參考值。

圖2 轉矩協調控制框圖

1) ED控制

策略采用以轉矩為控制量的ED算法，保證汽車轉向時兩驅動輪的附著率相等。

若兩驅動輪附著率相等，則左右驅動輪的轉矩比和垂直載荷比相等[9]，即：

(1)

左右驅動輪轉矩之和滿足：

(2)

(3)

2) BLDCM控制

BLDCM控制策略采用無磁鏈觀測DTC[10]，主電路拓撲采用三相全橋逆變電路，三相六狀態、兩兩導通模式[11]，電壓空間矢量分布如圖3所示。

圖3 BLDCM電壓空間矢量分布

根據定子磁鏈所處扇區和轉矩滯環比較器的輸出選擇電壓空間矢量，開關表如表1所示。

表1 電壓空間矢量開關表

2 驅動裝置構建

2.1 硬件平臺

以TMS320F28335為核心構建驅動裝置，硬件結構框圖如圖4所示。驅動裝置根據加速踏板開度和轉向盤轉角，協調控制兩驅動輪的輸出轉矩，實現電動汽車前進、后退、轉向及制動。

圖4 驅動裝置結構框圖

2.2 軟件流程

軟件程序主要包括換相、ED轉矩分配、轉矩觀測、滯環調節等模塊，主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

讀取前進/后退信號，調用相應的換相程序；采集加速踏板開度和轉向盤轉角，通過ED策略分配左右驅動輪的目標轉矩，結合觀測的反饋轉矩進行滯環調節；若發生轉子位置信號跳變，則產生換相中斷，執行換相中斷子程序。

3 仿真和實驗分析

3.1 仿真分析

在MATLAB/Simulink中構建汽車動力學與BLDCM結合的整車模型并進行仿真分析。

汽車主要參數：質量800 kg；車體質心到前軸的距離a=1 200 mm；輪距B=1 400 mm；車體質心高度h=0.3 m；車輪半徑0.255 m。

BLDCM主要參數：額定功率3 kW×2；額定電壓96 V；極對數23；額定轉速1 500 r/min。

定義汽車左轉時，轉向盤轉角和前輪轉角為正。電動汽車以20 km/h行駛，轉動轉向盤從0°至120°(前輪轉角從0°至10°)后回正，轉向盤轉角和電機轉矩波形如圖6所示。

圖6 轉向盤轉角和轉矩仿真波形

直線行駛時，兩電機轉矩相等，約為16.2 N·m；左轉時，內電機(左電機)轉矩減小，外電機(右電機)轉矩增加，當轉向盤轉角為120°時，內電機轉矩約為13 N·m，外電機轉矩約為19.4 N·m；方向盤回轉，內電機轉矩回升，外電機轉矩下降，直至轉向盤完全回正，兩電機輸出轉矩相等，恢復直線行駛。

3.2 實驗分析

以TMS320F28335為核心，構建輪驅電動汽車集成化驅動裝置，實驗參數和仿真參數一致。

輪驅電動汽車在轉向盤120°轉角行駛時，兩電機A相電流在4～4.5 s間的放大波形如圖7。由電機電流計算得出，外電機轉矩約為19.7 ，內電機轉矩約為13.8 ，外驅動輪輸出轉矩大于內驅動輪；外電機電流頻率約為13.3 Hz，內電機電流頻率約為11.8 Hz，計算得出外驅動輪轉速約為219.5 r/min，內驅動輪轉速約為197.2 r/min，外驅動輪轉速高于內驅動輪，實現差速功能。換相期間，由于關斷相(B相)電流下降速度和開通相(C相)電流上升速度不相等，恒導通相(A相)電流發生畸變，引起轉矩脈動。

圖7 轉向行駛時驅動電機A相電流波形

轉動轉向盤從0°～120°后回正，電機轉矩波形如圖8所示。汽車以20 km/h直線行駛時，內外電機轉矩相等，約為16.4 N·m；轉向行駛時，內電機轉矩減小，外電機轉矩增加，當轉向盤轉角為120°時，內電機轉矩約為13.8 N·m，外電機轉矩約為19.7 N·m，與依據電流計算出的轉矩一致；轉向盤回正后內外電機轉矩相等，恢復直線行駛。

圖8 轉矩實驗波形

4 結 語

采用ED與DTC結合的轉矩協調控制策略，以TMS320F28335為核心，構建集成電子差速控制和電機控制的輪驅電動汽車驅動裝置。仿真和實驗結果表明，控制策略可以實現轉矩合理分配，方案是可行的。

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Research on Torque Coordination Control for Electric Vehicles Driving In-Wheel

ZHANGHui1,2,HUMeng-ying1,LIUHuan1

(1.Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China；2.Xi'an Jiao Tong University, Xi'an 710049, China)

Considering poor stability and long dynamic response time of electric vehicle driving in-wheel based on speed, electronic differential coordination control strategy was designed based on torque. Simulation model and integrated drive device based on TMS320F28335 were established to achieve reasonable torque distribution. The results prove the method was feasible.

driving in-wheel; electric vehicle; electronic differential

2014-11-24

國家自然科學基金項目(51277150，51307140)；陜西省工業攻關項目(2013K07-05)；陜西省教育廳產業化培育項目(14JF020)；電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放基金項目(EIPE12209)；陜西省重點學科建設專項資金項目(105-7075X1301)

TM33

A

1004-7018(2016)08-0067-03

張輝(1963- )男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為新型電能儲存裝置與電動汽車控制等。