電動汽車分布式驅動穩定性協調控制機理研究*

陳 斗，李翔晟

（1.湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006；2.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

1 電動汽車分布式驅動的研究背景

汽車尾氣排放所導致的空氣污染問題日趨嚴峻，為了解決該問題，世界各國針對汽車油耗與碳排放制定的法律法規也日益嚴格。歐盟、美國和日本提出每年的減排率分別為4.4%，4.5%和3.9%，而我國也提出了到2020年實現乘用車5 L/100 km的油耗標準，這意味著我國乘用車每年的減排率為5.5%。由于與傳統燃油汽車相比，新能源汽車表現出先天的節能減排和減碳優勢，因此各國政府推出了一系列措施推進新能源汽車發展。我國于2016年發布了 《節能與新能源汽車技術線路圖》，其中電動汽車是7個重要的核心細分領域之一。國家先后實施新能源汽車補貼政策和雙積分制度，是為了加快新能源汽車的健康發展和技術進步。2019年中國新能源汽車產銷量超過120萬輛，盡管中國汽車產業發展進入了調整期，但新能源汽車長期向好的發展態勢沒有改變。湖南省是汽車工業后起新秀，2019年湖南省12家整車企業的汽車產量為115.7萬輛，其中新能源汽車產量為9萬輛，為全省的7.8%。新能源汽車是湖南省重點發展產業，新能源汽車相關技術研究也是湖南省自然科學基金重點支持領域之一。

與集中式驅動相比，分布式驅動減少了傳動系統所占空間，對整車布局有益，驅動電機既是執行單元又是信息反饋單元，易于實現一體化控制[1]。在科技進步和廣泛實踐中，風險與機遇是并存的。由于分布式多自由度執行裝置的相互影響，車輛非線性動力學系統中的側向-縱向耦合復雜，因此必須考慮垂直運動的作用，這給控制系統的設計與實現增加了難度。由于分布式驅動具有過驅動控制系統和耦合動力學的特點，沒有舊機械系統的約束，因此其性能可以進一步提高。本文對分布式驅動電動汽車穩定性協調控制機理[2-4]進行研究，提出模型預測方法，實現系統解耦，有效解決車輪轉矩的協調控制，無論是在理論研究方面，還是在技術方面，對豐富分布式驅動電動汽車技術理論及其應用實踐均具有現實意義。

2 電動汽車分布式驅動研究內容和關鍵科學問題

2.1 電動汽車分布式驅動的研究目標

該項目根據特定（極限轉向）行駛工況下的電動汽車分布式驅動控制特性，研究驅動系統穩定性的協調控制。主要通過分析分布式驅動的特性和要求，創立基于模型預測的永磁同步電機 （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）轉矩協調控制法。

2.2電動汽車分布式驅動的研究內容

1）根據特定行駛工況，研究車輪等功率分配控制、基于模糊控制的橫擺力矩控制以及車輪滑移率相近的控制策略，以提高汽車行駛穩定性。

2）研究PMSM轉矩協調模型預測控制法。該方法是在逆變器開關的每個采樣瞬間，根據即時測量值，在線得出有限時域的開環優化解，起用控制序列的首個因素，在采樣瞬間循環往復，控制分布式驅動轉矩之間的動態協調；以CarSim/Simulink創立分布式驅動仿真模型，研究分析驅動系統轉矩協調控制特性。電動汽車分布式驅動主要研究內容的整體邏輯結構見圖1。駕駛員先給出一個輸入信號（方向盤轉角或力），分別送到失穩判斷模塊、安全目標模塊和動態協調控制模塊。經過失穩判斷模塊后，如果存在失穩可能，則根據動態協調控制模塊，依據汽車運行狀態參數 （質心側偏角和橫擺角速度）和道路狀態參數 （附著系數和滑移率）計算出轉矩[5-7]，將算出的轉矩送入電機控制系統，根據轉矩優化策略調節轉矩以控制汽車驅動轉矩；如果滿足穩定，則根據期望的狀態目標值，輸入橫擺穩定控制模塊分別協調轉矩和轉角，以此控制車輛驅動的滑移率和轉向的質心側偏角，保持期望的行駛狀態，完成一次循環[8-12]。

圖1 電動汽車分布式驅動主要研究內容的整體邏輯結構

2.3 電動汽車分布式驅動研究解決的關鍵問題

1）雙層架構的整車控制模型 （見圖2）。由于分布式驅動控制系統之間具有耦合特點，因此該項目將研究建立上層為驅動力分配層、下層為基于邏輯門限的滑移率控制層的雙層架構的整車控制模型和方法。通過上下層模型算法，在更為本質的層面上研究雙層架構的整車控制模型本身的特征及控制機理，為采取措施實現驅動穩定性協調控制提供更有針對性的理論依據。這是實現控制系統有效性的關鍵。

圖2 雙層架構的整車控制模型

2）轉矩協調預測控制方案。為解決分布式驅動系統中驅動/制動、轉向等耦合及制約問題，結合預測控制可處理帶約束多變量多目標優化問題的特點，提出了轉矩協調預測控制方案，實現分布式驅動的多目標動態解耦和協調分配，從而提高整車穩定性能。

3）基于有限控制集模型預測控制 （Finite Control Set-Model Predictive Control， FCS-MPC） 的PMSM轉矩控制算法。研究基于FCS-MPC的PMSM轉矩控制及其之間的分配是實現穩定驅動和控制協調精度的關鍵問題。分布式驅動穩定性主要取決于車輪上的轉矩大小以及車輪之間的轉矩協調分配。

由于車用PMSM電機設計飽和程度較高，控制具有非線性和實際約束特性，因此為使底層驅動單元PMSM滿足車輛頻繁變化的動力需求，提出以逆變器開關為核心的基于FCS-MPC的PMSM轉矩控制算法，建立針對非線性、實際約束和多系統控制的設計方法，以實現轉矩準確快速動態響應和分布式驅動協調控制穩定需求。

3 電動汽車分布式驅動的研究方案

3.1 電動汽車分布式驅動的研究方法

1）采用功率平均分配控制理論進行分析。通過分析電子差速原理，建立車輛行駛過程的動力學方程。首先，根據駕駛員加速踏板 （節氣門開度）和踏板力，獲得駕駛員需求的總驅動轉矩T；其次，根據左右驅動輪電機反饋的轉速 （n1和n2）和初始平均分配驅動轉矩T/2，計算出左右車輪驅動電機的需求功率P1與P2；最后，依據驅動輪等功率分配控制策略 （見圖3）原則，運用平均分配的功率 （P1+P2）/2以及實時反饋的左右車輪電機轉速（n1和n2），對左右車輪電機的驅動轉矩進行調整控制，輸出兩側驅動電機實際需求的驅動轉矩T1_power與T2_power。

圖3 驅動輪等功率分配控制策略

2）橫擺力矩模糊控制。汽車穩定控制包含汽車的機動穩定性與軌跡保持能力，汽車的機動穩定性通常用橫擺角速度來表示，一般用質心側偏角表示汽車的軌跡保持能力。通過分析汽車穩定控制目標，選擇橫擺角速度和質心側偏角為控制參數，采用基于模糊控制算法設計橫擺力矩模糊控制策略（見圖4）。由傳感器測得汽車狀態輸入參數 （車速和方向盤轉角），由二自由度參數輸出汽車目標質心側偏角和目標橫擺角速度，與狀態觀測器估計獲得的橫擺角速度和汽車實際質心側偏角進行比較。模糊控制器的輸入量有兩個：橫擺角速度偏差值和質心側偏角偏差值；輸出量有一個：汽車需求的附加橫擺力矩。

圖4 基于模糊控制算法的橫擺力矩模糊控制策略

3）應用了基于邏輯門限的滑移率控制。滑移率控制通過調節限制驅動車輪轉矩，使得車輪不發生過度滑移與滑轉。根據輪胎附著橢圓，分析車輪的縱向作用力和側向作用力，并以峰值附著系數為依據，建立考慮路面附著系數的車輪轉矩約束，進而建立應用了基于邏輯門限的滑移率控制層的控制方法。具體而言，通過分析PMSM與三相逆變器的系統機理，以轉矩跟蹤為目標，并考慮電流安全約束和離散開關范圍約束，設計基于FCS-MPC的PMSM轉矩控制策略，控制底層驅動電機，有效實現整車控制器的轉矩指令協調。圖5為電機控制策略；圖6為轉矩優化控制算法流程圖，描述了轉矩優化控制算法的實現過程。

圖5 電機控制策略

3.2 電動汽車分布式驅動研究的技術路線

根據功率平均分配控制、橫擺力矩模糊控制、邏輯門限滑移率控制等研究方法，制定了電動汽車分布式驅動項目研究的技術路線 （見圖7）。

圖7 電動汽車分布式驅動項目研究的技術路線圖

1）通過車輛行駛動力學與多自由度車輛動力學模型分析，建立上層為驅動力分配層、下層為基于邏輯門限的滑移率控制層的雙層架構的整車控制模型。

2）通過PMSM數學模型分析，設計基于FCSMPC的電機轉矩預測控制策略；根據V模式開發流程，給出基于模型設計的PMSM預測控制的實現步驟與所需算法工具。

3）分別建立基于CarSim/Simulink的分布式驅動仿真和基于MATLAB/Simulink的PMSM仿真與預測控制系統模型。

4）根據V模式開發流程，結合實驗室硬件平臺，通過自動代碼生成，驗證PMSM轉矩控制策略的可行性。

5）基于建立的仿真和試驗平臺，對比分析不同行駛工況下的車輛性能，驗證該項目制定的整車控制策略的有效性。

3.3 電動汽車分布式驅動研究的實驗方案和手段

針對仿真與工程應用，電動汽車分布式驅動研究采取離線仿真、在環仿真等實驗方案和手段。

3.3.1 離線仿真

在算法研究階段，采用CarSim/Simulink創立整車分布式驅動仿真模型，基于MATLAB/Simulink創立PMSM數學模型，設計整車控制策略，研究電機轉矩控制算法，通過仿真分析證明算法的理論可靠性。

3.3.2 在環仿真

通過比較實驗與仿真的結果，得到所設計模型和算法與設計目標之間的差異，為充實理論研究指明方向，有助于完善模型和算法。其中，設法滿足在環仿真環境對模型和算法提出的特定要求，如實時性對采樣步長的限制等，是該階段研究的關鍵。

3.3.3 工程應用

借助于機試驗平臺，探討工程應用。

首先，將在環仿真獲得的可執行代碼移植到作為系統控制核心的目標機中，完成實際系統的計算機代碼下載。

其次，利用監測設備監控系統運行，以驗證試驗結果。

最后，圍繞抗干擾性、實時性和穩定性等指標完成試驗，以進一步完善該項目提出的理論與方法，為后續的推廣與應用奠定基礎。

在實驗階段，在設計整車仿真模型結構和實驗結構的基礎上，根據控制方案和實驗測試原理，采用所提出的控制策略和控制算法進行行駛工況模擬實驗，從而驗證其有效性。

4 結束語

通過以上討論可知，電動汽車分布式驅動穩定性協調控制機理研究具有以下特色與創新之處。

1）提出了雙層架構的整車控制模型。針對分布式驅動系統中的驅動、制動和轉向等耦合及制約性，提出了上層為驅動力分配層、下層為基于邏輯門限的滑移率控制層的雙層架構的整車控制模型，針對控制層中不同功能需求采用了等功率分配控制、模糊控制等不同的控制策略和控制算法，實現了驅動穩定性協調控制。

2）提出了基于FCS-MPC的PMSM轉矩控制算法。針對車用PMSM設計飽和程度較高、系統中存在參數非線性等問題，提出了基于FCS-MPC的PMSM轉矩控制算法。基于該算法，可實現解耦和多目標優化，提高了電機轉矩響應、工作區效率和分配控制。