電動汽車動力控制系統的研究

潘紹明，羅功坤，勞有蘭

PAN Shao-ming, LUO Gong-kun, LAO You-lan

(廣西工學院 電子信息與控制工程系，柳州 545006)

0 引言

隨著社會的進步和生活水平的提高，一方面，人們對未來汽車的安全性的期望值也越來越高，另一方面，作為一個國家的支柱產業，汽車的安全性自然也成為國家工業發展過程中關注的焦點。同時，當前世界各國都在大力發展電動汽車，其具有傳統燃油汽車所不具備的零排放、噪音低、純電控制等特點。為了使電動汽車滿足安全性的要求，必須對其動力系統進行控制。汽車防抱死剎車系統ABS（Antilock Brake System）是指汽車制動過程中能實時判定車輪的滑移率，自動調節作用在車輪上的制動力矩，放置車輪抱死取得最佳效能的電子裝置[1,2]。

1 汽車防抱死剎車系統ABS原理

汽車通過輪胎與路面之間的相互作用，把發動機傳至車輪的驅動轉矩轉變為汽車前進的驅動力，在制動時把作用在車輪上的制動力矩轉變為制動力。汽車制動時，當地面提供的附著力對車輪產生的轉矩不足以克服制動器所產生的轉動矩時，車輪就會發生制動抱死。如果汽車此時仍未完全停車，車輪就會在路面上滑移。路面條件的變化直接影響車輪對路面的附著力，即影響附著系數。

為了使汽車在制動過程中獲得良好的行駛性能，就要充分合理地利用輪胎與路面之間的附著力（即最大縱向、橫向作用力）。附著力的大小取決于輪胎與路面之間的垂直載荷和附著系數，即：

式中Fx為縱向附著力；Fy為橫向附著力；μx為縱向附著系數；μy為橫向附著系數；FN為垂直載荷。

附著系數與車輪的結構、材料、氣壓和路面特性等因素有關，與車輪的滑移率S也有關系。

式中：VV為車速（車輪中心縱向速度）；VW為車輪速度（車輪瞬時圓周速度）。

車輪附著系數與滑移率的關系如圖1所示。由于輪胎具有一定的彈性，當車輪的滑移率達到20%左右時，輪胎才會相對路面發生滑移。在輪胎還沒有相對于路面發生滑移時，輪胎與路面之間的縱向附著系數μy表現為靜摩擦系數，即隨著相對滑移趨勢增大而增大；在輪胎相對于路面即將發生滑移時，縱向附著系數μy就達到了最大的靜摩擦系數。在滑移率S=20%附近，縱向附著系數出現峰值，此時的滑移率為最佳滑移率SP。

防抱死系統的作用是防止車輪發生制動抱死，并將車輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，使車輪既能產生最大的制動力，又具有較高的抗橫向滑移的能力。其具體過程如下：在剎車系統啟動的時候監視車輪的轉動的情況，如果車輪被抱死，控制器就發出剎車抱死信號；當車輪重新開始轉動就再次啟動剎車裝置。電腦在一秒鐘內啟動和停止剎車幾十次，這樣就可以有效的防止車輪被抱死。比較新的防抱死系統還監視所有車輪的轉動速度是否一致，當速度不一樣時自動調整。此外安裝了防抱死系統汽車在剎車的時候還可以轉動方向盤。采用了ABS后，制動時不會抱死車輪，并且還可以利用方向盤控制正常行駛，確保了轉向系統的操縱性[3]。

圖1 附著系數與滑移率的關系

2 ABS汽車動態模型

考慮前、后輪載荷變化對驅動防滑的影響，取汽車前進方向為汽車所受地面摩擦力F、汽車位移x、速度和加速度a的正方向，建立汽車驅動時的動力學方程。

其中：

式中：μ(S1)-前輪在滑移率為S1時對應的附著系數；-μ(S1)-后輪在滑移率為S2時對應的附著系數；FZ1-前輪所受重力；FZ2-后輪所受重力。

由式（5）得：

式中：G=mg；d為前后輪中心間距；d1為前輪中心到重心的垂直距離；d2為后輪中心到重心的垂直距離。

設汽車前后輪傳動系等效到前后輪上的等效轉動慣量分別I1、I2，前后輪的角速度分別為ω1、ω2，電機對前后輪施加的驅動力矩大小分別為T1、T2，則前后輪的動力學方程為：

取狀態變量x1=x、x2=x1、x3=ω1、x4=ω2，列出汽車驅動時的狀態方程：

輸出方程為

公式(9)、(10)組成汽車縱向雙輪模型的動力學狀態空間方程[4-6]。

3 基于模糊PID控制的電動汽車ABS仿真模型

根據ABS汽車動態模型再MATLAB中創建了汽車ABS的仿真模型，建立的SIMULINK仿真模型如圖2所示。

圖2 電動汽車ABS仿真模型

在模糊控制中，模糊控制的輸入變量為滑移率誤差EC和滑移率誤差變化EC-C，輸出控制參數為驅動防滑控制驅動電機加給車輪的轉矩T。輸入與輸出變量的語言值如表1、表2所示[7]。

表1 輸入變量的語言值

表2 輸出變量的語言值

依據實際經驗，創建模糊控制器的模糊規則如下：

根據上述模糊PID控制算法，只考慮電動汽車由零速度起步加速行駛的情況，創建電動汽車在不同路況下的縱向雙輪驅動仿真模型。表3為仿真實驗中所用相關參數，圖3為基于模糊PID控制的防抱死仿真圖。

表3 仿真模型汽車參數

圖3 基于模糊PID控制的防抱死仿真圖

經過仿真分析后，得到模糊控制方式下的輪速、車速曲線如圖4所示，以及模糊控制方式下的滑移率變化曲線如圖5所示。由仿真結果曲線可見，采用模糊PID控制可以得到較好的控制效果，在相同的參數下未采用模糊PID控制剎車完畢2.92秒，制動距離33.4米，采用模糊PID控制剎車完畢耗時2.81秒，制動距離為31.2米，由此可見，采用模糊PID控制算法能取得更好的結果。

圖4 模糊PID控制方式下輪速、車速曲線

圖5 模糊PID控制方式下滑移率曲線

4 結論

本文對電動汽車的動態控制系統進行了實際的研究，并創建了基于模糊PID控制方式的ABS仿真模型。從仿真分析的結果可以看出，采用模糊PID控制方式的ABS能夠取得更好的剎車效果，能夠使滑移率處在最佳滑移率附近，電動汽車能夠更加有效的利用峰值附著系數，減小了剎車時的制動距離，提高了汽車的可操縱性和安全穩定性。

[1]余志生.汽車理論第3版[M].北京:機械工業出版社,2000(10)J:71-168.

[2]周云山,于秀敏.汽車電控系統理論與設計[M].北京:北京理工大學出版社,1991:12-57.

[3]劉潥.汽車ABS仿真試驗臺的開發與液壓系統動態特性的研究[D],吉林工業大學,2000,03.

[4]Ross Eddie.Ice,ABS,and Temperature.C.R.Eddie Engineering,Inc.SAE 940724.

[5]Alan Strickland and Ken Dagg.ABS Braking Performance and Steering Input.Royal Canadian Mounted Police,SAE 980240.

[6]Ferdinand Svaricek.Automatic Valuation and Verification of ABS Controllers by Using a Hardware-In-The-Loop Simmulation.ITT Automative Europe GmbH,SAE 980241.

[7]胡國亮.模糊控制汽車ABS防抱死系統[J].微計算機信息,1998(4):27-28.