電動汽車電子差速控制策略研究

陳閣　李翔翼　趙地

摘 要：輪轂電機相較于傳統電機，具有響應速度快、能量轉化率高等優點。為了保證電動汽車的安全性，使用輪轂電機驅動的汽車去掉了變速器等機械結構。本文使用仿真MATLAB軟件建立動力學模型來進行汽車的差速研究。并且使用CARSIM軟件進行汽車參數的建模，使得到的實驗結果盡可能準確。然后使用PID調節器控制電流，其中采用電磁力矩方程和電壓方程。車輛動力學模型分兩步建立，電動車相關參數輸入軟件進行建模。采用電子差速控制和直接橫擺控制兩種控制方式。仿真和試驗結果表明，這兩種控制方式在低速下具有較好的控制效果。

關鍵詞：輪轂電機 MATLAB 建模

1 引言

隨著汽車工業的發展，燃油汽車不僅給人們帶來了舒適的體驗，但同時也帶來了許多環境問題，在這個大背景下，電動汽車被研究出來。在機械結構變化的基礎上，必須保證電子差速器系統的安全性和可靠性，這是電動汽車安全的前提。

考慮到車輛扭矩中心偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響，分析了牽引質量驅動力和車身偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響。利用CARSIM軟件建立動態模型，利用SIMULINK軟件確定控制策略，最后對系統進行總體仿真。傳統的阿克曼建模仿真有很多學者進行相關的探索。但是這個模型局限性很大，它只能在線性時不變的系統模型中應用。如果要探究速度快的車輛模型，就需要再針對其他干擾因素作出更深一步的研究。

2 電動汽車電子差速控制策略研究

2.1 電動汽車轉向動力學模型

2.1.1 多自由度汽車動力學模型

車輛的動態轉向性能是指車輛在駕駛員對方向盤進行輸入的情況下的響應，評價標準是車輛是否能夠根據駕駛員的意圖，在方向盤角度輸入下，通過一系列轉向機構改變方向盤角度，本文研究的電動問題與車輛的行駛穩定性有關，下面就可以對汽車的七自由度模型進行建立。如圖1所示。

在建模時，本文采用了MATLAB中的simulink和CARSIM這兩個建模仿真軟件。通過simulink建立汽車的控制模型，通過CARSIM建立汽車的動力學的模型。在低速時，汽車使用電子差速器模型，將輸出扭矩分配到兩個車輪上，這是通過控制轉矩、反饋轉速以及方向盤角度來實現的。為了提高電動汽車的轉向性能，駕駛員可獲得所需的扭矩、轉向角、車輛的反饋速度、實時轉速和側向角。將得到的角速度與預期的值進行比較，通過控制器得到相對應的力矩，再分配給兩個驅動車輪。這樣最終就達到改善汽車轉向性能的目的。

2.2 輪轂電機模型

2.2.1 無刷直流電機數學模型

輪轂電機是現代控制技術和永磁發動機技術發展的新產品。本文選擇無刷直流發動機作為輪轂電機，以適應方向盤的驅動力矩。由于CarSim中沒有輪轂發動機，因此有必要在Simulink中對輪轂發動機進行建模。

、表示輸入三相電壓;、表示定子電流;采用、表示三相電動勢;定子每項電阻采用R來表示;來表示為定子自感和互感的差值。

無刷電機的接線方法為Y型接線法。下面是三相電壓平衡方程

簡化后的公式為：

根據電力拖動原理，得到：

在上面采用的公式中，使用來表示電機上的負載轉矩，使用來表示輪轂電機的輸出轉矩，采用表示電動機的反電動勢系數，公式中的表示電機的轉動慣量，采用表示電機轉動角速度。

根據上式得到動態結構圖如圖2所示。

2.2.2 電機調速方案分析

電動機應配備轉速控制系統，通過在規定負載下改變給定的參數來改變發動機的機械特性，以得到恒定調速或可變調速的理想結果。

電機轉速的調節有三種不同的方式，本文介紹了電壓調節的方法，設計了一個單閉環電流控制系統來實現電流反饋調節。電流反饋控制器使用PID控制器實現閉環轉矩控制。

3 電子差速控制器設計及仿真

3.1 電動汽車的電子差速控制

在對汽車傳統的差速效應進行研究時，必須對汽車的驅動輪之間的差速進行有效的控制。采用差速控制器來協調驅動輪之間不同的驅動力，這就是差速控制的核心思想。當汽車行駛在路面上時，如果車身發生轉向，這時轉向所造成的的汽車驅動輪之間的距離不同，這時就需要采用不同的補償方式，最終使汽車正常運行。但都是以不同的速度驅動車輪，協調驅動輪的速度。對于汽車差速的控制有很多方法，但核心都是利用差速器對轉向的差速進行補償，本文研究了基于Ackerman模型的轉矩控制和直接橫擺距控制。

3.2 阿克曼模型電子差速控制策略

一般來說，輪胎打滑主要是由于輪胎表面的彈性變形引起的。隨著車輪扭矩和驅動力的不斷增大，輪胎胎面向地面滑動，此時驅動力與滑轉率呈非線性關系。經過多次實驗測試，當輪胎滑轉率以14%～21%左右在硬路面上運行時，驅動力最大。

然而，在實際路面上車輛的行駛條件非常復雜，存在很多不確定性干擾，僅僅識別不同的路面來確定汽車的具體滑轉率，這無疑是很難的。但是，如果根據經驗公式來配置轉矩的參數，結合建立的阿克曼動力學模型，就能相對簡單的處理這類問題，最終實現差速的協調。建立的Simulink轉矩分配比模塊如圖3：

3.3 橫擺力矩控制模型電子差速控制策略

設定模糊控制器后，建立轉矩控制器，模糊控制器的第一個給定是實際橫擺角速度與理想角速度之差，第二個給定是質心實際偏角與質心理想偏角之差。根據模糊規則進行模糊控制和模糊清晰處理。理想角度和傾斜角度的計算必須接收車輛轉矩和方向盤轉向角的信號。

4 電子差速控制系統仿真驗證

4.1 低速大角度行駛

當汽車在路面大角度轉向時，這時汽車速度18km/h。這時司機對踏板施加作用力，汽車行駛路面的黏著系數為0.76。轉動方向盤180度后保持靜止。這時觀測車身情況，觀察最終的控制效果。仿真結果如圖4所示。

4.2 中速中角度轉向行駛

當汽車在路面以稍小的角度轉向時，這時汽車的速度為58km/h。汽車形式的路面的黏著系數為0.85，轉動方向盤100度，這時再觀察車身的控制效果。中彎仿真結果如圖5所示。

5 結束語

采用同一車型進行實驗，采用兩種控制器對控制結果進行監控。從結果上看，阿克曼模型的控制效果和橫擺模型的控制效果差不多。

通過對仿真結果的比較，可以得出兩種控制器在低速時的控制效果接近，所得到的的結果都差不多，車輛的某些動態參數隨車速的增加呈非線性變化。所以，和橫擺控制相比，阿克曼模型控制的轉向效果更好。

參考文獻：

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