輪驅(qū)電動汽車轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制研究

張 輝，呼夢穎，劉 桓

(1．西安理工大學(xué)，西安 710048；2．西安交通大學(xué)，西安 710049)

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輪驅(qū)電動汽車轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制研究

張 輝1,2，呼夢穎1，劉 桓1

(1．西安理工大學(xué)，西安 710048；2．西安交通大學(xué)，西安 710049)

針對輪驅(qū)電動汽車轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性較差和動態(tài)響應(yīng)時間長的問題，設(shè)計以轉(zhuǎn)矩為控制量的電子差速協(xié)調(diào)控制策略，構(gòu)建仿真模型和以TMS320F28335為核心的集成化驅(qū)動裝置，實現(xiàn)輪驅(qū)電動汽車轉(zhuǎn)矩合理分配，驗證方案的可行性。

輪驅(qū)；電動汽車；電子差速

0 引 言

輪式驅(qū)動(簡稱輪驅(qū))電動汽車將電機(jī)與車輪集成，省去機(jī)械傳動裝置，減輕汽車重量，提高傳動效率和續(xù)駛里程[1-2]。每個驅(qū)動電機(jī)可以獨立控制，用電子差速(以下簡稱ED)裝置取代機(jī)械差速裝置，但關(guān)鍵是必須解決各驅(qū)動輪之間的協(xié)調(diào)控制[3]。

文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計基于滑模控制理論的橫擺力矩控制器分配各驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，該控制策略復(fù)雜，需用傳感器或估算方法獲得橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角等參數(shù)。文獻(xiàn)[6]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器計算驅(qū)動輪目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，該控制策略只能針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過的路面進(jìn)行控制，通用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)由電流環(huán)實現(xiàn)，該控制策略需通過實驗數(shù)據(jù)確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系，控制精度低，動態(tài)響應(yīng)較差。

論文采用外轉(zhuǎn)子式無刷直流電動機(jī)(以下簡稱BLDCM)作為驅(qū)動電機(jī)，以普通路面行駛時兩輪附著率相等為目標(biāo)，設(shè)計需求參數(shù)較少、通用性較強(qiáng)、易于工程化的ED與BLDCM直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)結(jié)合的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，構(gòu)建集成電子差速控制和電機(jī)控制的驅(qū)動裝置，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩合理分配。

1 結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略

1.1 輪驅(qū)電動汽車結(jié)構(gòu)

輪驅(qū)電動汽車采用前輪轉(zhuǎn)向、雙后輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，主要包括蓄電池、BLDCM和控制器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器根據(jù)加速踏板開度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，判斷行車意圖，實時調(diào)節(jié)兩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，兩驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制是算法的核心。

圖1 輪驅(qū)電動汽車結(jié)構(gòu)圖

1.2 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略

轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略分為上層控制和下層控制。上層控制綜合考慮加速踏板開度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，確定兩驅(qū)動輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；下層控制確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)動力輸出。轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制框圖如圖2所示。

協(xié)調(diào)控制策略將ED與DTC結(jié)合，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)，外環(huán)是包含駕駛員的速度環(huán)，內(nèi)環(huán)是包含DTC的轉(zhuǎn)矩環(huán)。ED控制器根據(jù)采集的加速踏板開度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，實時計算兩驅(qū)動輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，作為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的參考值。

圖2 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制框圖

1) ED控制

策略采用以轉(zhuǎn)矩為控制量的ED算法，保證汽車轉(zhuǎn)向時兩驅(qū)動輪的附著率相等。

若兩驅(qū)動輪附著率相等，則左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩比和垂直載荷比相等[9]，即：

(1)

左右驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩之和滿足：

(2)

(3)

2) BLDCM控制

BLDCM控制策略采用無磁鏈觀測DTC[10]，主電路拓?fù)洳捎萌嗳珮蚰孀冸娐罚嗔鶢顟B(tài)、兩兩導(dǎo)通模式[11]，電壓空間矢量分布如圖3所示。

圖3 BLDCM電壓空間矢量分布

根據(jù)定子磁鏈所處扇區(qū)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出選擇電壓空間矢量，開關(guān)表如表1所示。

表1 電壓空間矢量開關(guān)表

2 驅(qū)動裝置構(gòu)建

2.1 硬件平臺

以TMS320F28335為核心構(gòu)建驅(qū)動裝置，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。驅(qū)動裝置根據(jù)加速踏板開度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，協(xié)調(diào)控制兩驅(qū)動輪的輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電動汽車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及制動。

圖4 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件流程

軟件程序主要包括換相、ED轉(zhuǎn)矩分配、轉(zhuǎn)矩觀測、滯環(huán)調(diào)節(jié)等模塊，主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

讀取前進(jìn)/后退信號，調(diào)用相應(yīng)的換相程序；采集加速踏板開度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，通過ED策略分配左右驅(qū)動輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，結(jié)合觀測的反饋轉(zhuǎn)矩進(jìn)行滯環(huán)調(diào)節(jié)；若發(fā)生轉(zhuǎn)子位置信號跳變，則產(chǎn)生換相中斷，執(zhí)行換相中斷子程序。

3 仿真和實驗分析

3.1 仿真分析

在MATLAB/Simulink中構(gòu)建汽車動力學(xué)與BLDCM結(jié)合的整車模型并進(jìn)行仿真分析。

汽車主要參數(shù)：質(zhì)量800 kg；車體質(zhì)心到前軸的距離a=1 200 mm；輪距B=1 400 mm；車體質(zhì)心高度h=0.3 m；車輪半徑0.255 m。

BLDCM主要參數(shù)：額定功率3 kW×2；額定電壓96 V；極對數(shù)23；額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

定義汽車左轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和前輪轉(zhuǎn)角為正。電動汽車以20 km/h行駛，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤從0°至120°(前輪轉(zhuǎn)角從0°至10°)后回正，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩仿真波形

直線行駛時，兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，約為16.2 N·m；左轉(zhuǎn)時，內(nèi)電機(jī)(左電機(jī))轉(zhuǎn)矩減小，外電機(jī)(右電機(jī))轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為120°時，內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為13 N·m，外電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為19.4 N·m；方向盤回轉(zhuǎn)，內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩回升，外電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，直至轉(zhuǎn)向盤完全回正，兩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相等，恢復(fù)直線行駛。

3.2 實驗分析

以TMS320F28335為核心，構(gòu)建輪驅(qū)電動汽車集成化驅(qū)動裝置，實驗參數(shù)和仿真參數(shù)一致。

輪驅(qū)電動汽車在轉(zhuǎn)向盤120°轉(zhuǎn)角行駛時，兩電機(jī)A相電流在4～4.5 s間的放大波形如圖7。由電機(jī)電流計算得出，外電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為19.7 ，內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為13.8 ，外驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩大于內(nèi)驅(qū)動輪；外電機(jī)電流頻率約為13.3 Hz，內(nèi)電機(jī)電流頻率約為11.8 Hz，計算得出外驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速約為219.5 r/min，內(nèi)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速約為197.2 r/min，外驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速高于內(nèi)驅(qū)動輪，實現(xiàn)差速功能。換相期間，由于關(guān)斷相(B相)電流下降速度和開通相(C相)電流上升速度不相等，恒導(dǎo)通相(A相)電流發(fā)生畸變，引起轉(zhuǎn)矩脈動。

圖7 轉(zhuǎn)向行駛時驅(qū)動電機(jī)A相電流波形

轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤從0°～120°后回正，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。汽車以20 km/h直線行駛時，內(nèi)外電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，約為16.4 N·m；轉(zhuǎn)向行駛時，內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，外電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為120°時，內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為13.8 N·m，外電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為19.7 N·m，與依據(jù)電流計算出的轉(zhuǎn)矩一致；轉(zhuǎn)向盤回正后內(nèi)外電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，恢復(fù)直線行駛。

圖8 轉(zhuǎn)矩實驗波形

4 結(jié) 語

采用ED與DTC結(jié)合的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，以TMS320F28335為核心，構(gòu)建集成電子差速控制和電機(jī)控制的輪驅(qū)電動汽車驅(qū)動裝置。仿真和實驗結(jié)果表明，控制策略可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩合理分配，方案是可行的。

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Research on Torque Coordination Control for Electric Vehicles Driving In-Wheel

ZHANGHui1,2,HUMeng-ying1,LIUHuan1

(1.Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China；2.Xi'an Jiao Tong University, Xi'an 710049, China)

Considering poor stability and long dynamic response time of electric vehicle driving in-wheel based on speed, electronic differential coordination control strategy was designed based on torque. Simulation model and integrated drive device based on TMS320F28335 were established to achieve reasonable torque distribution. The results prove the method was feasible.

driving in-wheel; electric vehicle; electronic differential

2014-11-24

國家自然科學(xué)基金項目(51277150，51307140)；陜西省工業(yè)攻關(guān)項目(2013K07-05)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(14JF020)；電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室開放基金項目(EIPE12209)；陜西省重點學(xué)科建設(shè)專項資金項目(105-7075X1301)

TM33

A

1004-7018(2016)08-0067-03

張輝(1963- )男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為新型電能儲存裝置與電動汽車控制等。