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本文在現有電動汽車動力控制方法基礎上,設計并實現了一種電助力轉向與雙后輪獨立驅動相結合的模型電動車運動控制系統。該系統將電助力轉向與雙后輪輪轂電機驅動結合,省略了傳統的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件,大大簡化了整車結構大大提高了電動汽車電氣化程度和可控制程度,充分發揮了電動汽車高度電機一體化的優勢。文中具體給出了系統各關鍵子系統的設計和控制方法,并通過臺架實驗證明了設計的有效性。 1 模型電動汽車系統總體構成 設計針對電動車（ EV） 理想車況低速行駛,實現了一種雙后輪獨立驅動運動模型。系統結構如圖1所示。 模型車前輪控制采用電助力轉向（ EPS）系統,動力由兩個后輪電機共同提供。電助力轉向驅動使用普通直流伺服電機,控制簡單;兩個后輪電機為兩個輪轂式直流無刷（BLDC）電機,能夠在提高效率的同時保證長期運行的可靠性。系統中每個電機與電控單元（ ECU）間都獨自構成一個速度閉環和電流閉環系統,這種設計可以在保持傳統汽車駕感的基礎上,省略傳統車輛的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件,大大簡化了整車結構,提高傳動效率,并且能夠通過控制技術實現助力轉向功能,和對電動輪的電子差速控制。 2 雙后輪驅動電動汽車運動控制系統設計 原型電動汽車運動控制主要需要解決以下兩個問題:一是助力轉向系統控制問題;二是對兩個獨立驅動輪的協調控制問題。 2. 1 助力轉向控制 電動助力轉向工作過程如下:首先,轉矩傳感器測出駕駛員施加在轉向盤上的操縱力矩,車速傳感器測出車輛當前的行駛速度,然后將這兩個信號傳遞給ECU; ECU根據內置的控制策略,計算出理想的目標助力力矩,轉化為電流指令給電機;然后,電機產生的助力力矩經減速機構放大作用在機械式轉向系統上,和駕駛員的操縱力矩一起克服轉向阻力矩,實現車輛的轉向。 助力電機控制策略采用助力電機電流的閉環給定控制,其控制功能結構框圖見圖2。 這樣的控制結構簡化了實際助力特性調整的過程,控制參數調整方便和直觀,在滿足控制要求的基礎上保證了經濟性。 2. 2 兩驅動輪控制 采用雙后輪獨立驅動方案,每個驅動輪都能獨立提供驅動力,功率可以按需要獨立分配,其差速功能可以由軟件完成,實現電子式差速。 要判斷駕駛員的駕駛意圖是直駛還是轉向,方向盤轉角θ是一個重要參數。策略中引入方向盤自由行程角ε這樣一個標志量,當|θ| ＞ ε時,車輛電控單元（ECU）認為駕駛意圖為轉向,否則為直駛。無論是直駛控制策略還是轉向控制策略,其關鍵點還是通過對目標轉速ni1和ni2的調節來實現對兩側電機的控制,從而達到對車體行走軌跡的操控。雙電機協調控制方框圖見圖3。 1） 直駛控制策略 在直線行駛中,兩側的電機速度no1 和no2很難達到完全一致,總是會存在一定的速度差△n （定義△n = no1 - no2 ） ,ECU需要對△n進行監測,當△n超過系統允許實時速度差np時,就需要根據△n和np 來對目標轉速ni1和ni2進行一定的調節,調節量為nin;為了保證直線行駛的穩定, ECU還需要對兩側電機的累計行程差△S進行監測,當△S超過系統允許實時速度Sp 時,就需要根據△S和Sp對目標轉速ni1和ni2也進行一定的調節,調節量為nis。根據累計行程差計算出nis,nis = C3 △S, C—比例常數,根據試驗確定,不能過大否則容易引起不穩定,計算結果用于調節兩個電機的輸入轉速消減該累計行程差,實現閉環控制。通過累計行程和速度的雙重同步,增強了車輛穩定直線行駛的可靠性。 2） 轉向控制策略 轉向控制時, ECU根據方向盤轉角θ的絕對值大小計算兩側電機的目標轉速差m, 根據θ的正負,確定驅動系統中的兩個電機誰為外側電機和誰為內側電機,外側電機的目標轉速保持當前速度不變,而內側電機的目標轉速則應當在當前目標轉速的基礎上下調m,從而實現轉向。圖4為直駛和轉向的控制流程圖。 3 實驗結果 根據上述控制策略,編寫了車輛控電子控制單元（ ECU）的控制程序并進行了架起試驗測試,部分實驗結果如圖5 所示,大致可以分為以下幾個階段: 1） a點之前,車輛直線行駛。 2）a、b點之間,駕駛員迅速向左打方向盤至一較大角度Θ,然后保持方向盤位置不變,車輛開始向左轉向。電機1轉速n1保持不變,電機2轉速n2向下調整,直至達到目標速差。 3） b、c點之間,方向盤位置保持上一階段的位置不變,電機1和電機2保持穩定速差,車輛進行轉向。 4） c、e點之間,方向盤回到中間位置,駕駛員意圖直駛,此時電機1轉速n1向下調整,電機2轉速n2向上調制,兩者在d點匯合;經過de段的調整后在E點達到基本一致。 5） e、f點之間是一段加速過程,使車速達到轉向前的速度值。 6） f點之后是車輛保持直線行駛。 實驗結果表明,通過以角度和速度為基礎的協調控制策略,車輛電控單元（ ECU）可以較好的控制兩側電機,及時準確的實現駕駛員的直線行駛和轉向要求。 4 結語 設計實現了一種電助力轉向與雙后輪驅動技術結合的電動車輛運動控制模型,提出以角度、速度控制為基礎的雙輪轂電機協調控制策略,為使用雙后驅電動車輛的穩定行駛問題提供了解決方案。臺架試驗結果表明:該控制策略可以較好的滿足車輛的直線行駛和轉向行駛控制要求,證明了設計的有效性。 |
