電動車獨立驅(qū)動控制策略分析與設(shè)計

趙寶伊，盧 剛，李聲晉，周 勇

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染和能源枯竭業(yè)已成為全世界必需面對的重大戰(zhàn)略問題，以電能驅(qū)動的純電動車輛以其優(yōu)異的響應(yīng)性能與獨特的靈活性，必將成為當(dāng)今最具發(fā)展前途的交通工具之一。而控制策略是電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)的核心部分，合理、高效的控制策略可以提高運動控制系統(tǒng)的性能。獨立驅(qū)動電動車輛，在控制策略設(shè)計過程中需考慮以下三個問題:如何在車載主控制器和伺服分控制器之間合理分配資源，確保電動車輛具有快速響應(yīng)性;由于電動車輛各個獨立驅(qū)動單元存在差異，如何保證多電機(jī)協(xié)調(diào)響應(yīng)，確保車輛平穩(wěn)運行;由于獨立驅(qū)動式電動車輛具有特殊的車體結(jié)構(gòu)和運動單元，如何利用該特殊性實現(xiàn)車輛全電控方式的差速轉(zhuǎn)向。

為滿足電控驅(qū)動系統(tǒng)高功率密度和強(qiáng)伺服性能的要求，本文選用永磁無刷直流電動機(jī)作為電動車輛的驅(qū)動電機(jī)，并采用PWM 雙極性調(diào)制方式實現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動控制。針對無刷直流電動機(jī)調(diào)速控制，本文提出一種非線性模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法用以適應(yīng)電動車輛寬調(diào)速范圍要求，提高電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

1 控制策略總體方案設(shè)計

控制策略系統(tǒng)的任務(wù)是令電動車輛完成相關(guān)的動作，包括正常行駛、制動、后退以及差速轉(zhuǎn)向等。因此，系統(tǒng)總體方案設(shè)計在功能上應(yīng)滿足以下要求:

(1)通訊單元

本文電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)采用CSHA 控制結(jié)構(gòu)，上位機(jī)測控單元與車載主控制器之間通過串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主控制器和多個伺服分控制器之間全部采用CAN 總線進(jìn)行通訊，控制策略應(yīng)完成相應(yīng)的通訊接口設(shè)計并制定完備的通訊協(xié)議以滿足實時、準(zhǔn)確的通訊要求。

(2)無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)設(shè)計

車載主控制器通過CAN 總線獲取多臺伺服分控制器上傳的每個電動輪的實時轉(zhuǎn)速，與上位機(jī)下達(dá)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，完成模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法，將解算后的PWM 占空比值發(fā)送給各個電動輪，實現(xiàn)電動車輛閉環(huán)調(diào)速過程、轉(zhuǎn)向控制及其他相關(guān)動作。

(3)無刷直流電動機(jī)驅(qū)動單元

車載伺服分控制器完成電動車輛電動輪的“獨立驅(qū)動”功能，根據(jù)主控制器下達(dá)的PWM 占空比值，調(diào)節(jié)各自控制的無刷直流電動機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速或移動位置。同時通過通用I/O 管腳獲取電機(jī)霍爾位置傳感器信號，進(jìn)行轉(zhuǎn)速計算并上傳至車載主控制器。

(4)傳感器信息采集單元

本文電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)加裝了兩種外置傳感器，分別是陀螺儀和加速度傳感器，伺服分控制器通過A/D 端口獲取傳感器信號，得到車輛的有關(guān)運行狀態(tài)以及周圍的環(huán)境信息，并通過主控制器最終上傳至上位機(jī)監(jiān)測單元，便于車輛的穩(wěn)定運行。根據(jù)上述的控制策略功能描述，電控驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略設(shè)計主要分為兩部分:車載主控制器策略和伺服分控制器策略。各個部分又包括不同的功能單元，每個單元采用模塊化的編程思想，使控制策略具有方便閱讀、穩(wěn)定性高、可移植性強(qiáng)的優(yōu)勢。圖1 是控制策略結(jié)構(gòu)框架圖。

圖1 控制策略總體結(jié)構(gòu)框圖

本文電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)控制策略工作流程為:系統(tǒng)上電后，車載主控制器和伺服分控制器各自執(zhí)行初始化程序;初始化通過后，主控制器通過串行通訊接收上位機(jī)測控平臺的指令信息，并將指令數(shù)據(jù)解算后通過CAN 總線發(fā)送到各伺服分控制器;伺服分控制器接到PWM 值后，起動電機(jī)，并實時讀取無刷直流電動機(jī)的霍爾信號和角位置信號，反饋給主控制器;主控制器比較上位機(jī)的指令和接收到的反饋信息，通過模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法進(jìn)行PWM占空比值更新，將實時更新的PWM 傳送給伺服分控制器，完成車輛閉環(huán)控制。

2 車載主控制器控制策略設(shè)計

2.1 主控制器總體控制流程

獨立驅(qū)動式電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)車載主控制器的控制策略功能主要是實時接收、發(fā)送指令信息，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，各個功能均采用模塊化設(shè)計。主控制器程序流程圖如圖2 所示。

圖2 車載主控制器控制策略流程圖

程序中初始化模塊完成CAN 總線和UART 中斷設(shè)置、寄存器設(shè)置、系統(tǒng)時鐘設(shè)置等。執(zhí)行完初始化后，系統(tǒng)開啟UART 和CAN 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收到數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)分類代碼判斷屬于何種類別，然后經(jīng)過比較、解算，完成模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法等數(shù)據(jù)處理過程，通過CAN 總線將更新后的PWM 發(fā)送給相應(yīng)的伺服分控制器，由分控制器最終驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作。

2.2 無刷直流電動機(jī)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法

無刷直流電動機(jī)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法流程圖如圖3 所示。

圖3 無刷直流電動機(jī)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)控制流程圖

根據(jù)無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)控制方法，控制器由dsPIC30F4012 獲取無刷直流電動機(jī)的實時轉(zhuǎn)速，在dsPIC30F6010 中實現(xiàn)模糊PID算法。圖3 中Smith 預(yù)估部分的系數(shù)a 和b、積分分離部分的系數(shù)ε 以及不完全微分的系數(shù)β，均可以根據(jù)系統(tǒng)的不同需要作出適當(dāng)調(diào)整。

3 車輛伺服分控制器控制策略設(shè)計

分控制器主要完成與主控制器的CAN 通訊，驅(qū)動對應(yīng)的電機(jī)做出理想的動作，并將自身狀態(tài)傳給主控制器，所以整個控制策略的結(jié)構(gòu)由主程序和CAN、MCPWM、ADC 等中斷服務(wù)子程序組成。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 伺服分控制器主程序流程圖

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，完成對各個模塊的設(shè)置，并打開中斷，然后等待中斷條件發(fā)生。

4 獨立驅(qū)動式電動車輛運動策略設(shè)計

獨立驅(qū)動電動車輛正常運行時需要各個單元協(xié)調(diào)動作，本文將對電動車輛的整車運動控制策略的設(shè)計進(jìn)行分析。

4.1 電動車輛多電機(jī)協(xié)調(diào)控制

(1)車輛直線行駛模塊

為了提高電動車輛調(diào)速響應(yīng)性和調(diào)速穩(wěn)定性，保證獨立驅(qū)動電動車輛的行駛協(xié)調(diào)性，可以利用電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)控制算法對電動輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

(2)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制模塊

為了確保車體運行穩(wěn)定，本文設(shè)計了電動車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制策略:

(a)若車輛處于高速行駛時有轉(zhuǎn)速指令發(fā)生，控制器自動將PWM 占空比降低(即暫不考慮原有速度指令)，待車速降至安全范圍時系統(tǒng)進(jìn)入車輛轉(zhuǎn)向模式;

(b)車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)向模式后，控制器保持PWM以較低的占空比值輸出(即不考慮加速指令，保持無刷直流電動機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速運行)，同時依據(jù)計算得到的轉(zhuǎn)速，開始實施轉(zhuǎn)向;

(c)轉(zhuǎn)向指令完成后，各個電動輪的PWM 占空比值恢復(fù)正常控制，車速也隨之作相應(yīng)變化(繼續(xù)履行加速指令或提速以使車輛繼續(xù)高速行駛)。

轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制模塊流程圖如圖5 所示，其中v為電動車輪速度，T 為電動車輪轉(zhuǎn)矩。

圖5 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制模塊流程圖

4.2 獨立驅(qū)動式電動車輛電子差速設(shè)計

獨立驅(qū)動式電動車輛在轉(zhuǎn)向過程中，由上位機(jī)(輪式移動機(jī)器人)或其他外部裝置(電動轎車)提供信號輸入，指令進(jìn)入車載主控制器經(jīng)解算后，主控制器給各個伺服分控制器提供不同的PWM 占空比，實現(xiàn)電子差速。

系統(tǒng)對多個電動輪同時進(jìn)行速度控制和差速計算，下面將對電子差速控制策略進(jìn)行詳細(xì)分析。

眾創(chuàng)空間在整合資源時，首先要設(shè)計清晰的利益機(jī)制，不同的資源依附于不同的利益相關(guān)者。專利、技能、知識、創(chuàng)意是眾創(chuàng)空間運營過程中不可或缺的創(chuàng)新資源要素，這些要素往往依附于行業(yè)專家、高校學(xué)者以及科研人才，可以采用眾包形式將創(chuàng)業(yè)項目分解給這些利益相關(guān)者來完成，在利益機(jī)制上可以采用公開懸賞、競賽等多種公開方式，鏈接高端資源，尋求創(chuàng)新創(chuàng)意以及技術(shù)解決方案，最終通過利益機(jī)制將各種創(chuàng)新要素編織成高效率的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。

(1)電動輪轉(zhuǎn)速分析

如圖6 所示，假設(shè)某時刻電動車的運動模型為Ackermann－Jeantand 模型，其中:δ 為電動車輛轉(zhuǎn)向角;δin為前內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角;δout為前外側(cè)輪轉(zhuǎn)向角;L 為車身長度;W 為車身寬度;R 為轉(zhuǎn)向半徑，;Rin為內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向半徑;Rout為外側(cè)輪轉(zhuǎn)向半徑;Cin為內(nèi)側(cè)輪行駛距離;Cout為外側(cè)輪行駛距離。

圖6 Ackermann－Jeantand 車輛轉(zhuǎn)向模型

以圖6 為例，假設(shè)當(dāng)電動車輛以速度v 逆時針轉(zhuǎn)向，四個電動輪分別定義為:左前輪轉(zhuǎn)速為vlf，右前輪轉(zhuǎn)速為vrf，左后輪轉(zhuǎn)速為vlr，右后輪轉(zhuǎn)速為vrr，則有:

式中:ΔT 為車輪轉(zhuǎn)過一圈所需時間，設(shè)無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為v，則有:

因此式(6)和式(7)可以簡化:

根據(jù)圖6 的模型，可以由式(11)計算vlr和vrr:

解得:

(2)轉(zhuǎn)向控制流程

本設(shè)計在轉(zhuǎn)向控制策略中定義了以下幾種狀態(tài):STOP 表示車輛停止，準(zhǔn)備調(diào)頭;RUN 表示車輛正常行駛;ACCELERATE 表示加速狀態(tài);DECELERATE 表示減速狀態(tài);CONSTANT SPEED 表示勻速運行狀態(tài);U－TURN 表示車輛調(diào)頭。

車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)向控制模塊后如果發(fā)生STOP 狀態(tài)，則意味著車輛減速至停車，準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)頭動作，圖7 是整車轉(zhuǎn)向時的控制策略流程圖。

圖7 獨立驅(qū)動式電動車輛轉(zhuǎn)向控制流程圖

4.3 電子差速仿真分析

根據(jù)電動車輛不同的轉(zhuǎn)向角度δ，四個電動輪的速度分配公式如式(9)、式(10)、式(12)和式(13)所示。

對實驗樣車測量后得L = 2．6 m、W = 1．55 m，因此可知:

根據(jù)上述四個轉(zhuǎn)速計算公式，分別取v = 2 m/s、v = 4 m/s、v = 6 m/s、v = 8 m/s、v = 10 m/s，并且對電動車輛前輪轉(zhuǎn)速vlf和vrf的計算結(jié)果進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同車速下車輛轉(zhuǎn)向時vlf和vrf的對比圖

由上述仿真結(jié)果可以證明，本文獨立驅(qū)動電動車輛的電子差速設(shè)計正確，運行結(jié)果良好，符合設(shè)計要求。

5 實 驗

為了驗證電動車輛控制策略的合理性和可靠性，本文利用一款輪式機(jī)器人車輛樣車作為實驗平臺。整個樣車采用對稱結(jié)構(gòu)，由四個結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的獨立運動單元和車體構(gòu)成。如圖9 所示，每個運動單元主要由一個電動輪和一個轉(zhuǎn)向電機(jī)組成，為了提高車輛的越障功能，在每個運動單元中還增加了一個擺臂和一個助動輪。轉(zhuǎn)向電機(jī)用以驅(qū)動獨立的運動單元實現(xiàn)繞支點的轉(zhuǎn)向動作，協(xié)助完成車輛的電子差速功能。擺臂布置在車輪的內(nèi)側(cè)，由安裝在轉(zhuǎn)向臂上的電機(jī)通過減速器驅(qū)動，可以繞著驅(qū)動輪中心軸正反向全周擺動。

圖9 車輛原理圖

5.1 電子差速性能實驗

以輪式機(jī)器人車輛作為實驗平臺驗證電子差速控制策略，實驗過程如圖10 所示。

圖10 輪式機(jī)器人車輛電子差速實驗

該實驗以車輛向左20°的角度轉(zhuǎn)向，圖中虛線為電動車輛的轉(zhuǎn)向行駛軌跡。

圖11 給出了機(jī)器人車輛左轉(zhuǎn)20°時各個獨立電動輪的轉(zhuǎn)速變化，車輛直線行駛時系統(tǒng)默認(rèn)的角度為180°，車輛左轉(zhuǎn)為180°→0°運行，右轉(zhuǎn)為180°→360°運行。為了將車輛行駛角度值和無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在同一窗口，車輛行駛的角度值在上位機(jī)測控平臺顯示時自動放大了10 倍。

圖11 車輛左轉(zhuǎn)20°時各個電動輪轉(zhuǎn)速變化對比圖

5.2 電動車輛越障實驗

為了驗證控制策略的可靠性，本文以輪式機(jī)器人車輛為實驗平臺，進(jìn)行了越障實驗。試驗臺是以數(shù)塊木板疊放而形成的，經(jīng)過反復(fù)實驗，得出該電動車輛樣車可以越過的最大臺階高度是187 mm，運動過程如圖12 所示。

圖12 輪式機(jī)器人車輛上臺階實驗

6 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析了獨立驅(qū)動電動車輛電控驅(qū)動系統(tǒng)控制策略的設(shè)計，提出了主控制器控制策略和伺服分控制器控制策略。對電動車輛整體運動策略，尤其是全電控方式的車輛差速轉(zhuǎn)向部分進(jìn)行了詳細(xì)研究，并進(jìn)行了仿真和相關(guān)實驗。結(jié)果表明，車輛控制算法正確，控制策略設(shè)計合理。

［1］ Zhou Y，Li S J，Zhou Q X．The control strategy of electronic differential for EV with four in－wheel motors［C］/ /The 22nd Chinese Control and Decision Conference．2010:4190－4195．

［2］ Harmon R R，Cowan K R．A multiple perspectives view of the market case for green energy［J］．Technological Forecasting and Social Change，2009，76(1):204－213．

［3］ Walsh M P．Ancillary benefits for climate change mitigation and air pollution control in the world＇s motor vehicle feets［J］．Annual Review of Public Health，2008，29:1－9．

［4］ Micklethwait J．More of everything［J］．The Economist，2006(38):18－19．

［5］ Steinfeld J I．Energy futures and green chemistry:competing for carbon［M］．Sustainability Science，2006，1(1):1862－4057．

［6］ 周勇，李聲晉，田海波，等．四輪轂電機(jī)電動車的電子差速控制方法［J］．電機(jī)與控制學(xué)報，2007，11(5):467－471．

［7］ 北京市大氣污染綜合防治對策研究課題組．北京市大氣污染綜合防治對策研究［R］．北京:清華大學(xué)，2001:52－53．

［8］ 曹秉剛，張傳偉，白志峰，等．電動汽車技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2004，38(1):1－5．

［9］ 閆清東，魏丕勇，馬越．小型無人地面武器機(jī)動平臺發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢［J］．機(jī)器人，2004，26(4):373－379．

［10］ 周勇，李聲晉，田海波，等．四輪獨立驅(qū)動電動車的ABS 控制方法［J］．汽車工程，2007，29(12):1046－1050．