徐 寅 陳 東

華南理工大學(xué),廣州,510640

電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)研究綜述

徐 寅 陳 東

華南理工大學(xué),廣州,510640

總結(jié)了電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置情況及電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)研究的兩個(gè)方向——自適應(yīng)差速的特殊電機(jī)設(shè)計(jì)和基于各種控制理論采用差速控制策略的電子差速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。闡述了自適應(yīng)差速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其差速原理,并詳細(xì)闡述了電子差速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、控制模型、控制變量及控制策略,同時(shí)對(duì)目前電子差速系統(tǒng)選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作為控制變量的利弊進(jìn)行了探討。最后,展望了電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)的發(fā)展前景。

電子差速;雙轉(zhuǎn)子電機(jī);電動(dòng)汽車;車輛動(dòng)力學(xué);Ackermann&Jeantand模型

0 引言

電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置主要有兩種方式:集中式和分布式。集中式驅(qū)動(dòng)是指在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的位置以一個(gè)電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī),其他傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不改變的驅(qū)動(dòng)形式;分布式驅(qū)動(dòng)是根據(jù)電動(dòng)汽車自身特點(diǎn)采用車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式[1-2]。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車在回饋制動(dòng)、機(jī)動(dòng)性、車身內(nèi)部空間利用率、可控性等方面均優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車和集中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車[3],因此,采用分布式驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向。集中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車應(yīng)用機(jī)械差速器即可完成轉(zhuǎn)向,而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連接一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子,每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子可以單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)力矩,兩驅(qū)動(dòng)輪間去掉了機(jī)械差速器。

目前,對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)的研究可分為兩個(gè)方向:一個(gè)方向?yàn)樽赃m應(yīng)差速的特殊電機(jī)設(shè)計(jì);另一個(gè)方向?yàn)閼?yīng)用基于各種控制理論采用差速控制策略的電子差速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文主要從這兩個(gè)方向分析電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,并探討存在的問題及其發(fā)展方向。

1 自適應(yīng)差速

自適應(yīng)差速是一種采用與傳統(tǒng)汽車機(jī)械差速器原理十分類似的、可差速運(yùn)行的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),在電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)可實(shí)現(xiàn)自差速的方法。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)橋上,代替常規(guī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸、主減速器和差速器等構(gòu)件,集驅(qū)動(dòng)、差速、制動(dòng)能量再生為一體。如雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)、反相雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、復(fù)合多相雙轉(zhuǎn)子電機(jī)等均可實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)行,能直接作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)盡可能多地挖掘電機(jī)內(nèi)部有效空間,提供高效率、高功率密度的電驅(qū)動(dòng),因而受到研究人員的廣泛關(guān)注[4-5]。日本橫濱國立大學(xué)河村研究室利用該類電機(jī)進(jìn)行軸間驅(qū)動(dòng),在鈴木吉姆尼小型越野車的基礎(chǔ)上改裝了一款四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車。伊朗Jovain電機(jī)公司的Farzad和德黑蘭大學(xué)的Reza等改裝了一臺(tái)雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)樣車[6],采用了每個(gè)電機(jī)連接減速器并由減速器短半軸輸出轉(zhuǎn)矩的組合式驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)。華南理工大學(xué)廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及廣汽集團(tuán)共同研制出了四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車用的對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī),設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)集成ISG的機(jī)械前橋驅(qū)動(dòng)及雙轉(zhuǎn)子電動(dòng)差速后橋驅(qū)動(dòng)的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[5],并將其應(yīng)用于廣汽集團(tuán)的概念車SUV XPower上。國內(nèi)外還有其他研究人員也進(jìn)行了類似的研究工作[7-11],但所有研究人員設(shè)計(jì)所依據(jù)的自適應(yīng)差速原理卻是相同的。本文以對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)為例說明自適應(yīng)差速原理。

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)由一個(gè)定子、一個(gè)永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子和一個(gè)杯形外轉(zhuǎn)子構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)既可看作是由一個(gè)永磁同步電機(jī)和一個(gè)三相異步電機(jī)級(jí)聯(lián)構(gòu)成的電機(jī)結(jié)構(gòu),也可看作是由級(jí)聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)演變而來的新型電機(jī)結(jié)構(gòu)[5]。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器輸出的電流經(jīng)導(dǎo)線和集流滑環(huán)機(jī)構(gòu)引入到外轉(zhuǎn)子上的繞組并構(gòu)成閉合回路?；谄胀ㄓ来胖绷麟姍C(jī)的機(jī)理,外轉(zhuǎn)子電樞繞組在氣隙磁場(chǎng)中做切割磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),同時(shí),由于電樞繞組中有電流流通,因此會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在傳統(tǒng)電機(jī)中,定子受到推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的電磁反作用力的作用,此反作用力通過機(jī)架外殼產(chǎn)生的反力與之抵消,不做功。而當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)傳送電磁功率的氣隙磁場(chǎng)對(duì)外轉(zhuǎn)子有電磁力作用時(shí),內(nèi)轉(zhuǎn)子的磁極也同時(shí)承受反力,故可利用作用力和反作用力共同做功驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 差速原理

在傳統(tǒng)直流電機(jī)中,磁極產(chǎn)生的主磁場(chǎng)不是旋轉(zhuǎn)的,雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁極隨內(nèi)轉(zhuǎn)子同大地參照系有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性,設(shè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為n in、n out,磁極固定時(shí)(傳統(tǒng)電機(jī)模式)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速為n。該電機(jī)構(gòu)建了兩個(gè)原動(dòng)組件,為具有兩自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu),所以在一般正常拖帶負(fù)載狀態(tài)下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速特征為n=nin+nout。轉(zhuǎn)速n實(shí)際上就是內(nèi)轉(zhuǎn)子以運(yùn)動(dòng)的繞組(外轉(zhuǎn)子)為參照系的機(jī)械轉(zhuǎn)速。在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中,把轉(zhuǎn)速n稱為相對(duì)轉(zhuǎn)速。在運(yùn)行過程中,電機(jī)的各個(gè)技術(shù)參數(shù)是受nin與nout的變化共同影響的,即相對(duì)轉(zhuǎn)速n的任一微小變化,都會(huì)造成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)各個(gè)技術(shù)參數(shù)的改變。因此,對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)速n的控制,而電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速則是以兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速之和或者之差的代數(shù)值形式與相對(duì)轉(zhuǎn)速建立對(duì)等變化關(guān)系。這與傳統(tǒng)車輛上使用的差速器原理十分類似[5-11]。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子輸出特性有

式中,Tin、Tout分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子輸出力矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

利用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的自適應(yīng)差速具有上述諸多優(yōu)點(diǎn),但其自身仍不夠完善。這主要是由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理決定的,在其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的是兩個(gè)大小相同而方向相反的力矩,兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反。因此,在利用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),需通過安裝在兩轉(zhuǎn)子外側(cè)的換向減速行星排的換向減速作用,使雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子分別帶動(dòng)兩側(cè)半軸向同一個(gè)方向以相同的扭矩輸出功率?？梢?自適應(yīng)差速系統(tǒng)去掉了集中式驅(qū)動(dòng)形式中的機(jī)械差速器,但又增加了換向減速行星排這一機(jī)械結(jié)構(gòu)。有關(guān)換向減速行星排與機(jī)械差速器之間機(jī)械傳動(dòng)效率比較的文獻(xiàn),筆者尚未檢索到。但筆者認(rèn)為換向減速行星排的機(jī)械傳動(dòng)效率若不明顯優(yōu)于機(jī)械差速器,則應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)差速并無較高的實(shí)用價(jià)值,因?yàn)閷?duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)如何進(jìn)行高效控制是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn),其控制難度要明顯高于目前用于集中式驅(qū)動(dòng)形式中無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的控制難度。因此,電動(dòng)汽車自適應(yīng)差速系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)效率與控制策略方面仍需進(jìn)一步深入研究。

2 電子差速

電子差速是基于各種控制理論并根據(jù)設(shè)計(jì)控制策略設(shè)計(jì)控制器控制左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī),從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車差速轉(zhuǎn)向的方法。目前,國內(nèi)外的研究人員依據(jù)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)的不同,選擇無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),并設(shè)計(jì)了各種電子差速系統(tǒng)。

2.1 控制結(jié)構(gòu)

電子差速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)歸納起來有兩種:四輪差速控制和兩輪差速控制[12-28]。

(1)四輪差速控制。四輪電子差速控制應(yīng)用在四輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車中,用一個(gè)控制單元匯總所有的信息,包括傳感器信息和狀態(tài)估計(jì)信息,通過預(yù)先選擇的算法調(diào)節(jié)四個(gè)輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。文獻(xiàn)[12]以汽車左前輪轉(zhuǎn)速作為標(biāo)定車速,調(diào)節(jié)其他三個(gè)車輪轉(zhuǎn)速,四個(gè)車輪繞轉(zhuǎn)向中心同角度旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)差速。文獻(xiàn)[13]基于前軸整體轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)了四輪差速控制系統(tǒng),控制器通過調(diào)節(jié)四個(gè)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)差速,其獨(dú)到之處在于當(dāng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí),整個(gè)前軸可繞前軸中心整體旋轉(zhuǎn)一定的角度。四輪差速控制車輛的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜,需要控制器計(jì)算四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度,并同時(shí)控制四個(gè)輪轂電機(jī),對(duì)控制器的設(shè)計(jì)要求較高。因此,四輪差速控制主要應(yīng)用于需要四輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車上。

(2)兩輪差速控制。兩輪差速控制應(yīng)用在前輪作為導(dǎo)向輪、兩電動(dòng)輪后驅(qū)的電動(dòng)汽車上。汽車轉(zhuǎn)向時(shí),控制器調(diào)節(jié)兩個(gè)后電動(dòng)輪以驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)差速。兩輪差速控制與四輪差速控制相比,因其只需控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),故而控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略均要簡單些。因此,目前電子差速的研究大部分采用兩輪差速控制的結(jié)構(gòu)。

2.2 控制模型

在設(shè)計(jì)電子差速控制策略的過程中,對(duì)于整車控制數(shù)學(xué)模型,研究人員多采用理想汽車轉(zhuǎn)向模型——Ackermann&Jeantand模型作為分析基礎(chǔ)。該模型假設(shè)符合以下條件:車在轉(zhuǎn)向時(shí),四個(gè)輪的中軸線相交于同一轉(zhuǎn)向瞬心O;車體為剛性;車輪做純滾動(dòng),即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn)和輪胎離開地面的運(yùn)行狀態(tài);輪胎變形量與側(cè)向力成正比,即不考慮輪胎材質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的非線性和因垂直載荷不同造成的輪胎側(cè)向彈性系數(shù)的變化。在此基礎(chǔ)上,整車的動(dòng)力學(xué)分析忽略汽車的懸架特性,選取縱向、側(cè)向和橫擺三個(gè)自由度,建立整車動(dòng)力學(xué)模型。

有的學(xué)者認(rèn)為不需要建立轉(zhuǎn)向模型,只需針對(duì)驅(qū)動(dòng)輪建立電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行分析即可。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為以理想汽車轉(zhuǎn)向模型生成各車輪理想轉(zhuǎn)速并以此控制車輪轉(zhuǎn)速,這相當(dāng)于重新將各車輪轉(zhuǎn)速互相聯(lián)系起來,由于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的互相約束,使四個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)自由度不足,易導(dǎo)致車輪拖滑或滑轉(zhuǎn)。整車控制器不必針對(duì)汽車的差速問題設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制器,只需根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令信號(hào),而電動(dòng)輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速則由電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)輪系統(tǒng)的平衡點(diǎn)決定。

2.3 控制變量

對(duì)于控制變量的選擇,從現(xiàn)有的文獻(xiàn)分析,有兩種選擇:①以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為控制變量;②以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為控制變量。如文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)的四輪電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)即采用電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制變量。文獻(xiàn)[16]考慮到車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)軸荷轉(zhuǎn)移、向心力以及輪胎側(cè)偏角的影響,通過控制車輪的滑移率,計(jì)算每個(gè)車輪需要的驅(qū)動(dòng)力矩,從而控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)電子差速。

但是,對(duì)于選擇轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩為控制變量,研究人員有各自不同的看法。有學(xué)者認(rèn)為車輛行駛的路況復(fù)雜,各個(gè)電動(dòng)輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化頻繁且隨機(jī)因素多,若采用直接轉(zhuǎn)矩控制作為電動(dòng)輪的控制策略,將使得處于控制系統(tǒng)上層的電子差速算法變得很復(fù)雜,且難以獲得較好的控制效果[17]。也有學(xué)者認(rèn)為將每個(gè)車輪輪速作為控制變量,在給定轉(zhuǎn)角的情況下,四個(gè)輪速和整車速度五個(gè)量的自由度為1。如果是后輪驅(qū)動(dòng),同時(shí)對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制,實(shí)際系統(tǒng)稍有誤差就會(huì)產(chǎn)生矛盾,導(dǎo)致被控車輪滑移率不同,甚至?xí)谢D(zhuǎn)出現(xiàn),造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[18]。可見,以轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩為控制變量均有缺點(diǎn)。筆者認(rèn)為,從理論上分析,考慮汽車滑移率及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為控制變量的方法更優(yōu),但如何優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制的電子差速算法有待進(jìn)一步深入研究?；蛘弑荛_轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制各自的缺點(diǎn),并不固定采用轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩作為控制變量,依據(jù)車輛的行駛情況選擇兩者之一作為控制變量的方法也不失為研究的一個(gè)新方向。

2.4 控制策略

在設(shè)計(jì)電子差速控制策略時(shí),基于何種控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要的意義,它直接影響到電子差速系統(tǒng)的控制品質(zhì)。就目前的研究分析而言,研究人員主要選擇以下幾種控制理論。

(1)滑模控制理論?；？刂剖且环N特殊的非線性控制方法,它根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)、偏差及其導(dǎo)數(shù)值,在不同的區(qū)域以理想開關(guān)的方式切換控制量的大小和符號(hào),使系統(tǒng)狀態(tài)在理想狀態(tài)附近來回運(yùn)動(dòng)?；？刂葡到y(tǒng)作為變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種,已形成了一套比較完整的理論體系,并已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制對(duì)象之中。這種滑?？刂葡到y(tǒng)的最大特點(diǎn)就是系統(tǒng)具有極強(qiáng)的魯棒性,即對(duì)被控對(duì)象的模型誤差、對(duì)象參數(shù)的變化以及外部干擾有極佳的不敏感性[15]。如文獻(xiàn)[16]提出的基于滑?？刂频碾娮硬钏倏刂撇呗?根據(jù)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的目標(biāo)滑移率,分別設(shè)置基于滑移率控制的滑模控制器,其中控制器采用常值滑?？刂?并考慮到滑模控制在切換面附近容易產(chǎn)生顫振的問題,在切換面附近設(shè)置邊界層寬度φ=0.001;當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí),以整車質(zhì)心速度為參考,計(jì)算每個(gè)車輪繞轉(zhuǎn)向中心的線速度,進(jìn)而得出每個(gè)車輪需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過向電機(jī)控制器發(fā)出電壓指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),從而調(diào)整車輪轉(zhuǎn)速,合理地分配每個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)車輪的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向行駛。

(2)開關(guān)控制理論。采用開關(guān)控制可以提高控制的魯棒性和穩(wěn)定性。如文獻(xiàn)[18]將轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)矩分配計(jì)算和車輪滑移率控制相結(jié)合,根據(jù)來自加速踏板的轉(zhuǎn)矩輸入和對(duì)應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角度輸入,參考路面狀況和估算的偏轉(zhuǎn)角變化率,采用比例控制估算每個(gè)車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)的目標(biāo)滑移率,應(yīng)用基于滑移率的開關(guān)控制對(duì)左右驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立地分配轉(zhuǎn)矩。其中,基于滑移率的控制是按照路面摩擦狀況來分配每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩,通過把輪胎與路面間的滑移率經(jīng)常性地控制在最大值附近來獲得最佳的地面驅(qū)動(dòng)力。同時(shí),由于開關(guān)函數(shù)的系數(shù)是常數(shù),在切換面的附近容易產(chǎn)生不理想切換引起的高頻顫振,因此在切換面附近固定寬度φ的邊界層,這樣在切換面附近采用連續(xù)控制取代開關(guān)控制,可消除顫振現(xiàn)象。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子差速控制系統(tǒng)實(shí)際上就是根據(jù)理論推導(dǎo)、專家經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及直覺性知識(shí)歸納出特定系統(tǒng)的典型學(xué)習(xí)樣本。在此基礎(chǔ)上通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練,調(diào)整得到神經(jīng)元之間的最優(yōu)連接權(quán)值和各個(gè)神經(jīng)元的閾值,即獲得了樣本知識(shí)的內(nèi)在表達(dá),使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備人工智能,車輛轉(zhuǎn)向時(shí)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向[19-21]。如文獻(xiàn)[21]的電子差速控制系統(tǒng)采用3層拓?fù)銪P網(wǎng)絡(luò)。輸入層、中間層和輸出層的神經(jīng)元數(shù)目分別為2、4、2。輸入層輸入特征向量分量分別為車體質(zhì)心速度v0和轉(zhuǎn)角δ對(duì)應(yīng)的外側(cè)和內(nèi)側(cè)車輪速度v1、v2。對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,得到最優(yōu)連接權(quán)值和最優(yōu)閾值,則汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)于任意一組允許范圍內(nèi)的輸入轉(zhuǎn)角和車體速度,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差速器均可由計(jì)算程序在線實(shí)時(shí)計(jì)算輸出準(zhǔn)確的內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速,作為雙電機(jī)獨(dú)立輪式驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的內(nèi)外側(cè)車輪速度給定值。

(4)復(fù)合最優(yōu)粒子群優(yōu)化(PSO)算法。PSO算法是模擬鳥群覓食過程中的遷徙和群集行為的一種基于群體智能的演化計(jì)算技術(shù),它具有可并行處理、魯棒性好等特點(diǎn),能以較大概率找到問題的全局最優(yōu)解,且計(jì)算效率高。如文獻(xiàn)[22]采用HMPSO算法,以電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差的ITAE指標(biāo)作為HMPSO算法的適應(yīng)度函數(shù)。ITAE準(zhǔn)則即誤差絕對(duì)值乘時(shí)間積分準(zhǔn)則,對(duì)初始誤差考慮較少而主要限制過渡過程后期出現(xiàn)的誤差。通過采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)自整定,從而達(dá)到很好的控制效果。

從以上分析可看出,電子差速的實(shí)質(zhì)是在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立分配。目前,更多的研究人員傾向于針對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立分配,這就涉及到驅(qū)動(dòng)防滑的研究。電子差速的研究和驅(qū)動(dòng)防滑的研究是緊密結(jié)合的,國內(nèi)外已有不少學(xué)者從汽車動(dòng)力學(xué)控制的角度對(duì)此作出了理論研究。目前大部分研究均集中于橫擺力矩控制策略的設(shè)計(jì),即對(duì)各個(gè)車輪實(shí)現(xiàn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生使車體繞重心旋轉(zhuǎn)的橫擺力矩,進(jìn)而能夠在轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)橫擺角速度γ和車體側(cè)偏角β進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性控制。采用基于滑?？刂芠25]、模糊控制[26]和最優(yōu)控制[27]等現(xiàn)代控制理論的控制方法均取得了不錯(cuò)的效果。如文獻(xiàn)[28]分析了在復(fù)雜工況下如何進(jìn)行制動(dòng)力分配,使得車輛響應(yīng)盡可能地遵循駕駛員轉(zhuǎn)向意圖,引入變滑移率控制與橫擺力矩聯(lián)合控制的方法使車輛迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),并保證兩者的協(xié)同工作,即大橫擺力矩對(duì)應(yīng)大滑移率控制,小橫擺力矩對(duì)應(yīng)小滑移率控制,同時(shí)建立一個(gè)通用的參考模型以協(xié)調(diào)橫擺力矩控制和滑移率控制,避免兩者控制邏輯沖突。國外也有學(xué)者采用與以往γ和β反饋控制不同的控制方法。如文獻(xiàn)[29]采用加速度信息,進(jìn)行了基于“重心假定移動(dòng)度”的垂直反力穩(wěn)定性控制方法的研究,其控制的基本思路是:各輪胎的垂直載荷可以表示為以縱向和側(cè)向加速度為參數(shù)的表達(dá)式;從計(jì)算得到的各車輪垂直反力可推斷出重心的一個(gè)假定移動(dòng)距離,這個(gè)“重心假定移動(dòng)度”可被認(rèn)為是垂直反力不均衡的一個(gè)指標(biāo),將這個(gè)移動(dòng)度與以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等輸入量所生成的參考指令值相比較,進(jìn)行隨動(dòng)控制,在后驅(qū)動(dòng)輪上加上驅(qū)動(dòng)力差,形成對(duì)駕駛員轉(zhuǎn)向動(dòng)作的輔助,以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性控制。

至于控制器的選擇,研究人員通常選擇目前常用控制電機(jī)的微處理器。如 TI公司的 DSP TMS320F2812[24]、ARTX166[30]、ARM7 LPC2292[31]、Infineon XC164CS微處理器[32]等。

3 結(jié)束語

綜上所述,電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)研究的兩個(gè)分支(自適應(yīng)差速系統(tǒng)和電子差速系統(tǒng))在目前的研究中均取得了較多的研究成果。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。自適應(yīng)差速系統(tǒng)差速原理簡單,但對(duì)驅(qū)動(dòng)效率與機(jī)械傳動(dòng)效率以及對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制的研究有待于進(jìn)一步深入;電子差速系統(tǒng)中使用了常見的無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī),對(duì)電機(jī)的控制較為成熟,而對(duì)控制變量選擇的研究以及對(duì)差速控制算法設(shè)計(jì)的研究同樣有待于進(jìn)一步深入。因此,目前電動(dòng)汽車的差速系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的機(jī)械差速器,自適應(yīng)差速系統(tǒng)和電子差速系統(tǒng)均處于概念車和實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,距應(yīng)用于量產(chǎn)車型尚有一段距離。但分布式驅(qū)動(dòng)形式的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了目前電動(dòng)汽車所使用的傳統(tǒng)機(jī)械差速器必將由自適應(yīng)差速系統(tǒng)或者電子差速系統(tǒng)所取代,未來的電動(dòng)汽車采用何種差速系統(tǒng)仍有待于兩者的進(jìn)一步發(fā)展和研究。

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Summary on Research of Differential for a Electric Vehicle

Xu Yin Chen Dong
South China University o f Technology,Guangzhou,510640

A simp le summary was carried out for the powertrain's structure of the electric vehicle.Based on this,another detailed summary was carried out for twowaysof the differential research.Oneway was designing the specialmotorw ith self adaptive differential system,and anotherway was designing the electronic differentialwhich was based on kinds of control theories.An exposition was made upon the structure and the p rinciple of the self adaptive differential.And another detailed expositionwasmade upon the structure,model,object and the control strategy of electronic differential.The advantages and disadvantages of themotor's rotational speed and torque which were chosen for the control objects were discussed.In the end,the developing p rospects o f the electric vehicle's differentialwere discussed.

electronic differential;anti-directional-bi-rotor-motor(ADBRM);electric vehicle;vehicle dynamics;A ckermann&Jeantand m odel

U464.9

1004—132X(2011)04—0498—06

2010—02—26

(編輯 王艷麗)

徐 寅,男,1986年生。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)閮奢S實(shí)時(shí)混聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電子差速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。發(fā)表論文 4篇。陳 東,男,1966年生。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授。