基于模糊算法的輪轂馬達控制策略研究

姚斌　林溫建　金寅德

摘 要：重型車輛在國家基礎設施建設和快速發展中，具有不可或缺的重要地位。重型車輛在加裝輪轂液驅系統后，液壓系統的輪轂馬達控制便成為其中至關重要的一個環節。在通過復雜路況時，通過輪轂液驅系統的馬達助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過性能。本文通過模糊PID控制器控制實現對輪轂馬達的轉速性能控制，從而提高系統的響應速度和控制精度。

關鍵詞：輪轂馬達 模糊PID 控制

1 前言

重型車輛在國家基礎設施建設和快速發展中，是作為一種重要的運載工具，在我國現代化建設過程中，具有不可或缺的重要地位。目前，國內市場對重型車輛的需求不斷擴大，國外各大重型汽車品牌也開始進軍我國市場，重型車輛市場競爭愈來愈白熱化。面對不斷升級的國內外競爭，努力提高我國重型車輛車企的核心技術，不斷開拓創新，是我國國內重型車輛生產制造企業生存發展的當務之急。

隨著國家基礎建設需求不斷提升，重型車輛經常被要求在復雜的路面環境下行駛，有些行駛工況甚至較為惡劣，這些路面環境附著系數低，整車容易出現車輪打滑的情況，進而導致驅動力不足，這對重型車輛的牽引性能和底盤性能提出了更高的要求。

傳統的機械式全輪驅動方案雖然在一定程度上能提高重型車輛的牽引能力，但其結構復雜，傳動效率較低。輪轂液驅系統是新興的解決重型車輛牽引能力的一種思路，系統通過電液比例閥，帶動安裝在非驅動輪輪轂內的液壓馬達，由其適時地向車輛提供輔助驅動力，從而提高重型車輛在復雜工況工況下的驅動力。相較于傳統的機械式全輪驅動系統，輪轂液驅系統結構較簡單，過載能力強，控制策略靈活，較低系統重量。因此，搭載了輪轂液驅系統的重型車輛具有良好的應用前景，市場競爭力更強。

重型車輛在加裝輪轂液驅系統后，液壓系統的輪轂馬達控制便成為其中至關重要的一個環節。系統的一部分動力通過液壓油從而驅動輪轂馬達轉動，進而實現適時四驅運行，使其輸出功率與工況需求相匹配。因此，本文就重型車輛的輪轂液驅系統的液壓馬達，研究系統控制策略，從而提高重型車輛在復雜工況下的牽引力和通過性能。

2 輪轂馬達液驅系統模型結構

重型汽車在通過復雜路況時，通過輪轂液驅系統的馬達助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過性能。在助力模式下時，發動機動力通過變速箱等傳動機構傳遞到后輪，而電液比例閥帶動安裝在非前輪輪轂內的液壓馬達，實現適時四驅。

由此可見在重型車輛輪轂液驅系統模型中，發動機的輸出動力通過兩條路線，分別傳遞到前后車輪。其中一條是經離合器、變速器、傳動軸、主減速器和差速器，傳遞到后輪驅動車輪。另外一條是取力器將發動機的一部分動能通過電液比例閥，帶動帶動前輪輪轂內的液壓馬達運動。

液壓馬達作為輪轂液驅系統中的核心元件，其選型也至關重要了。為了保證車輛在復雜路況下，能有足夠的牽引力，液壓馬達必須在助力時輸出大扭矩，且應具有高負載力、低慣性等特點，因此選擇徑向柱塞式輪轂馬達較為適合系統要求。在選擇液壓馬達的參數時，因以車輛行駛在復雜路況下失去牽引力時發動機傳遞到前輪的動力值，以及電液比例閥所提供的流量、功率的要求來確定液壓馬達的設計參數。

在輪轂馬達轉速和輸出轉矩理論計算時，假設電液比例閥的輸出流量，等量流入兩個前輪輪轂馬達中，則輪轂馬達轉速為：

輪轂馬達的輸出轉矩為：

其中，n為輪轂馬達的轉速，q為電液比例閥的額定流量，V為輪轂馬達排量，T為輪轂馬達的輸出轉矩，為輪轂馬達進出油口壓力差。

3 輪轂馬達控制策略

在輪轂馬達液壓系統中，馬達轉速的控制一般通過PID控制器來實現，但是PID控制器一般對線性模型控制精度較高，對于非線性、強耦合的系統難以達到理想的控制效果難。因此在很多非線性的控制模型中，采用了模糊算法、神經網絡算法、專家算法等控制算法，從而達到預期的控制效果。本論文針對輪轂馬達的控制，采用模糊PID算法實現控制轉速。

輪轂馬達的控制驅動主要是根據車輛行駛狀態以及當前液驅系統實時狀態來進行控制，通過電液比例閥，進而控制輪轂馬達的輸出。

在輪轂馬達控制系統中，控制對象是輪轂馬達的轉速性能控制，因此可將馬達的轉速的偏差以及偏差的變化率設定為控制器的輸入變量。利用模糊控制器，從而實現對PID控制器中比例、微分、積分變量的調整，進而提高系統的響應速度和控制精度，如圖1所示。

圖1，r（t）為系統期望值;y（t）為系統實際輸出值;e和ec分別代表了系統偏差和偏差變化率;E和EC分別代表模糊后系統偏差和偏差變化率;KP，KI，和KD分別代表了模糊PID控制器中的比例、積分和微分控制參數。輪轂馬達通過模糊PID控制器使y（t）達到期望值r（t）。

設計的模糊PID控制器將被控對象輪轂馬達的轉速偏差和轉速偏差變化率作為控制器的輸入變量，通過分析兩者的變化來決定輸出變量KP，KI，和KD。在控制參數模糊化前，首先要確定其基本語言值，然后根據語言值確定其隸屬函數和論域。一般來說，一個語言變量的語言值越多，對事物的描述就越準確，可能得到的控制效果就越好。不過，過細的劃分反而有可能使控制規則變得很復雜。因此，應依據具體情況而定。

本系統中設計的模糊PID控制器將轉速偏差和轉速偏差變化率的論域量化為[-5，5]，將變量e和ec模糊化，其對應的模糊變量分別為很低（NM），比較低（NS），適中（O），比較高（PS），很高（PM）五個模糊子集，即：

e={NM，NS，O，PS，PM}

ec={NM，NS，O，PS，PM}

對于隸屬函數的確定主要靠經驗，即總結實驗中的操作經驗，根據實驗中測得的數據，對隸屬度值進行相應的擬合，發現在設計輪轂馬達模糊PID控制器時可采用三角函數作為隸屬函數，同時三角函數具有形狀簡單，計算工作量小，而且三角形狀的隸屬函數比正態隸屬函數更具有較大的靈敏度，當存在偏差時，就能迅速的產生相應的控制信號。

模糊控制器設計的核心是通過總結理論知識以及實驗中的操作經驗，建立合適的模糊規則表，本系統通過分析輪轂馬達轉速偏差E和轉速偏差變化率EC的變化來計算輸出變量KP，KI，和KD的值。當輪轂馬達轉速偏差E較大時，為縮短系統響應時間，取較大的KP;當輪轂馬達轉速偏差E和轉速偏差變化率EC為中等數值時，為避免控制系統出現較大的超調，則取較小的KP和適當的KI;當輪轂馬達轉速偏差E較小時，取較大的KP和KI值，同時根據變化率EC，選取合適的KD值。

模糊變量的清晰化方法有很多種，本系統采用加權平均判決法對變量進行清晰化處理，為簡單起見，選取隸屬函數作為加權系數。這種計算方法類似重心的計算，所以在很多情況下也稱其為重心法。用上述方法，輸入模糊PID控制器的輪轂馬達轉速偏差E和轉速偏差變化率EC的每一個值，都能夠用加權平均判決法計算出確定的輸出值，根據模糊控制規則以及模糊變量的清晰化方法，對所有可能的輸入，都進行離線計算，最終實現精準控制。

利用MATLAB軟件繪制出輪轂馬達轉速偏差E和轉速偏差變化率EC的模糊規則曲面圖，如圖2和圖3所示。

該窗口以圖形的形式顯示了模糊推理系統的輸入輸出特性曲面，在該窗口內可用菜單選項改變相應的參數可以查看不同性質的圖像。由圖像觀察，所建立的輪轂馬達模糊PID控制推理系統的輸入輸出特性曲面較為光滑，沒有突變，曲面性能較好。

4 結語

重型汽車在通過復雜路況時，通過輪轂液驅系統的馬達助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過性能。本文通過模糊PID控制器控制實現對輪轂馬達的轉速性能控制，從而提高系統的響應速度和控制精度。

基金項目：2021年浙江農業商貿職業學院科研項目（青年專項）“輪轂液驅系統熱力學建模及控制策略研究”（KY202122）。

參考文獻：

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