邱斌斌，朱紹鵬，馬浩軍，方光明，應振有，寧曉斌

（1.浙江大學 動力機械及車輛工程研究所，浙江 杭州310027；2.眾泰控股集團有限公司，浙江 永康321300；3.浙江工業(yè)大學 車輛工程研究所，浙江 杭州310014）

電動車輛的驅(qū)動控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)形式可分為單動力源驅(qū)動和包含輪轂電機在內(nèi)的多動力源獨立驅(qū)動；按功能則可分為基本驅(qū)動力控制、電子差速控制、驅(qū)動防滑控制等.因此，電驅(qū)動車輛控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)多樣、功能復雜等特點.

當前，很多學者都對電驅(qū)動車輛的驅(qū)動控制系統(tǒng)開展了深入研究并進行了樣車試驗［1-4］.但是，在控制策略設計及仿真驗證階段多采用基于MAT-LAB／Simulink建立的理想車輛模型.理想的車輛模型忽略了車輛多自由度、風阻及路面條件等因素，同時較少考慮電機類型的差異化特性，因此，其仿真測試結(jié)果往往較為理想，并不能有效地驗證復雜甚至極限工況下的車輛驅(qū)動控制效果.此外，由于電動汽車仍處于研發(fā)及小批量生產(chǎn)階段，尚未達到大規(guī)模量產(chǎn)定型階段，不同車型往往采用不同的驅(qū)動方式，匹配不同類型的電機及電池.若沒有一個適用于不同車型的車輛驅(qū)動力控制系統(tǒng)仿真測試平臺，就需不斷構(gòu)建整車、電機等模型，反復匹配驅(qū)動控制系統(tǒng)，這將大大延長研發(fā)周期，增加測試成本.

為了充分利用軟件仿真測試速度快的優(yōu)點，同時克服以往針對不同車型進行反復建模、匹配的缺點，本文設計了一個面向電動車輛、通用的驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺.基于MATLAB／Simulink 和CarSim 兩個軟件搭建的仿真測試平臺，采用模塊化設計思想，集成了CarSim 車輛動力學模塊庫、整車驅(qū)動控制模塊庫、電機模塊庫及“人-車-路”觀測模塊.另外，利用該仿真測試平臺，設計了前輪獨立電驅(qū)動車輛的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)，并對其進行了多種危險工況下的仿真測試.

1 驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺

1.1 設計方案

在仿真測試平臺設計的過程中必須綜合考慮系統(tǒng)約束，根據(jù)仿真需求確定的平臺體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.該仿真測試平臺由MATLAB／Simulink、Car-Sim 軟件及2個軟件的數(shù)據(jù)交換通道構(gòu)成，集成了CarSim 車輛動力學模塊庫、整車驅(qū)動控制模塊庫、電機模塊庫及“人-車-路”觀測模塊.采用模塊化的結(jié)構(gòu)使得當單一模塊需重新配置時，只需修改相應模塊內(nèi)的參數(shù)，即可實現(xiàn)不同仿真環(huán)境的快速配置.設計的驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺具有可配置性、可重用性及通用性.

1.2 仿真測試平臺模塊庫

CarSim 軟件的車輛動力學模塊庫具有多種高精度、可配置的車輛模型，還提供了各種復雜的外部道路環(huán)境，其參數(shù)化的建模方式、豐富的整車模型及子系統(tǒng)模塊庫降低了動力學建模的復雜度，被廣泛運用于車輛的操縱穩(wěn)定性、制動性及平順性等分析［5-7］.

圖1 電動車輛驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simulation and test platform for EV’s drive control system

利用MATLAB／Simulink 建立的整車驅(qū)動控制模塊庫目前包括總驅(qū)動力制定模塊、電子差速模塊、驅(qū)動防滑模塊、協(xié)調(diào)控制模塊.建立的電機模塊庫體現(xiàn)了電機模型的差異化，目前包括無刷直流電機模塊和開關磁阻電機模塊，其他電機模型的添加工作正在進行中.電機模塊主要由電機動態(tài)模型及驅(qū)動控制部分組成，其中電機動態(tài)模型是對電機運行特性的數(shù)學建模，驅(qū)動控制部分模擬了電機控制算法.“人-車-路”觀測模塊主要用來獲得和傳遞駕駛員操作、車輛狀態(tài)參數(shù)及路面參數(shù)等信息.

2 基于仿真測試平臺的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)設計

如圖2所示，利用建立的電動車輛驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺，針對前輪獨立驅(qū)動電動汽車，設計了驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)，并進行多工況下的仿真測試.圖中，F(xiàn)zi是各輪垂直載荷，ui為路面附著系數(shù)，Di為失效因子，ni為各輪轉(zhuǎn)速，i代表各輪，δsw為方向盤轉(zhuǎn)角輸入，v為反饋車速，γ 為車輛實際橫擺角速度，β為質(zhì)心側(cè)偏角，Vfl、Vfr分別為左前輪和右前輪輪轂電機的目標電壓；Tfl＿true、Tfr＿true分別為左前輪和右前輪輪轂電機輸出的真實轉(zhuǎn)矩.

圖2 基于仿真測試平臺設計的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)框架圖Fig.2 Framework diagram of driving force hierarchical control system based on test platform

根據(jù)車輛參數(shù)（見表1）修改CarSim 車輛動力學模塊.同時，調(diào)用整車驅(qū)動控制模塊庫的總驅(qū)動力制定模塊、驅(qū)動防滑模塊及協(xié)調(diào)控制模塊，設計整車驅(qū)動力分層控制器.另外，選取無刷直流電機模塊作為前輪驅(qū)動電機.

表1 前輪獨立驅(qū)動電動汽車車輛參數(shù)Tab.1 Parameters of EV with front-in-wheel-motors

2.1 整車驅(qū)動力分層控制器

整車驅(qū)動力分層控制策略的本質(zhì)是直接橫擺力矩控制，具有較好的動力學控制效果，且可補償電機輸出誤差.如圖3所示，設計的整車驅(qū)動力分層控制策略包括決策層、分配層、穩(wěn)定層［1］.

決策層的車輛參考模型根據(jù)來自“人-車-路”觀測器的方向盤轉(zhuǎn)角輸入δsw、反饋車速v計算出期望橫擺角速度γd和期望質(zhì)心側(cè)偏角；決策層將期望值γd、βd 與反饋的車輛實際橫擺角速度γ 和質(zhì)心側(cè)偏角β 進行對比，經(jīng)模糊控制得出期望橫擺力矩Mzd；此外，調(diào)用的總驅(qū)動力制定模塊依據(jù)油門踏板開度θd及設定的駕駛感受估算出車輛的期望驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Td.分配層考慮一定的約束條件，計算并分配前兩輪的轉(zhuǎn)矩Tfl、Tfr；穩(wěn)定層則調(diào)用驅(qū)動防滑模塊及協(xié)調(diào)控制模塊，對轉(zhuǎn)矩Tfl、Tfr進行修正及轉(zhuǎn)換，最終算出前輪無刷直流電機的電壓Vfl、Vfr.

圖3 整車驅(qū)動力分層控制器設計框架圖Fig.3 Framework diagram of vehicle driving force hierarchical controller

2.1.1 決策層 當車輛的實際運動狀態(tài)與理想狀態(tài)之間存在偏差時，決策層根據(jù)模糊規(guī)則計算出修正車輛行駛的期望橫擺力矩Mzd.采用雙輸入單輸出的控制結(jié)構(gòu)，輸入為橫擺角速度誤差e（γ）＝γdγ和質(zhì)心側(cè)偏角誤差e（β）＝βd-β，輸出為期望橫擺力矩Mzd.當車輛出現(xiàn)較大不足轉(zhuǎn)向時，對車輛施加一個正向的橫擺力矩來減小不足轉(zhuǎn)向趨勢，反之亦然.反模糊化方法選取面積重心法，經(jīng)過輸入變量的模糊化、模糊規(guī)則制定、清晰化，最后得到確定的輸出變量Mzd，圖4是制定的模糊邏輯規(guī)則三維視圖，具體不再贅述［9］.

圖4 模糊邏輯規(guī)則三維視圖Fig.4 3Dview of fuzzy rule

2.1.2 分配層 驅(qū)動力分配層的輸入是期望驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Td與期望橫擺力矩Mzd（由車輪縱向力產(chǎn)生的修正橫擺力矩），根據(jù)驅(qū)動力約束條件式（1）、轉(zhuǎn)矩關系式（2）和基于3自由度的車輛模型［8］推出的橫擺力矩關系式（3），可求得前輪理想轉(zhuǎn)矩Tfl、Tfr，具有良好的實時性.

式中：Fxi、Fzi分別為各輪的縱向驅(qū)動力和垂直載荷；Tmax為電機最大輸出轉(zhuǎn)矩；Di為失效因子，表示電機、電機控制器或輪胎的狀態(tài)，出故障時為0，正常為1.

2.1.3 穩(wěn)定層 穩(wěn)定層調(diào)用了驅(qū)動防滑模塊及協(xié)調(diào)控制模塊，驅(qū)動防滑采用滑轉(zhuǎn)率差值的PI控制，協(xié)調(diào)控制則采用橫擺角速度差值的PI控制.獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動防滑控制會導致車輛產(chǎn)生非期望的橫擺力矩，削弱車輛橫向穩(wěn)定性，在高速行駛尤其危險，因此，需要增加協(xié)調(diào)控制進一步控制車輛的行駛穩(wěn)定性［10］.

2.2 無刷直流電機模型

根據(jù)車輛參數(shù)及動力性能要求進行動力匹配，選用2個額定電壓為72V、額定功率為5kW 的無刷直流輪轂電機.調(diào)用的無刷直流電機電流閉環(huán)控制模型［11-12］如圖5，電機及其控制系統(tǒng)參數(shù)見表2.

圖5 無刷直流電機模型Fig.5 BLDCM model

表2 電機及控制系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of motor and control system

3 仿真測試分析

為驗證設計的整車驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)及仿真測試平臺的有效性，分別進行了前輪獨立驅(qū)動電動汽車高速移線及在對開路面上的驅(qū)動防滑仿真測試.

3.1 高速移線仿真測試

模擬車輛在良好路面上高速做較大幅度車道變換的極限工況.假設車輛在附著系數(shù)為0.85路面上以95km／h穩(wěn)定行駛后，對方向盤施加周期為12s、100°往復轉(zhuǎn)向操作.仿真結(jié)果如圖6所示.

由圖6可以看出，左前輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩在方向盤轉(zhuǎn)角變化期間，由80N·m 上升至94N·m，之后下降到最小值74N·m，最后再回到80N·m；右前輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩則由80N·m 下降至最小值68N·m，之后增加到88N·m，最后再回到80N·m，得到了理想的橫擺力矩.同時，隨著驅(qū)動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的變化，驅(qū)動輪實際切向速度有小幅變化，相對于傳統(tǒng)機械差速來說，更能使車輛穩(wěn)定完成移線換道.表明了驅(qū)動分層控制策略在良好路面上以高速做較大幅度車道變換工況的有效性.

3.2 對開路面驅(qū)動防滑仿真測試

為驗證驅(qū)動防滑＋協(xié)調(diào)控制的控制策略的有效性，進行了對開路面工況下的仿真分析.模擬車輛以45km／h的時速加速行駛，遭遇低附著系數(shù)對開路面，即出現(xiàn)單輪滑轉(zhuǎn)（僅右前輪滑轉(zhuǎn)）工況，并與未受控制的仿真結(jié)果進行了對比分析.

具體設定：路面縱向0 m 到50 m 的路面附著系數(shù)為0.38，50 m 之后車輛左側(cè)路面附著系數(shù)不變，右側(cè)路面附著系數(shù)降為0.1.路面信息及仿真結(jié)果如圖7所示.

針對僅右前輪滑轉(zhuǎn)這一工況，分層驅(qū)動控制系統(tǒng)對右前輪采用單輪驅(qū)動防滑控制，對左前輪進行基于理想橫擺角速度的協(xié)調(diào)控制.由圖7可知，僅帶驅(qū)動防滑未帶協(xié)調(diào)控制的車輛在50 m 之前，車輛還能保持直線穩(wěn)定行駛；在50m 之后，橫擺角速度迅速變化，車輛發(fā)生較大橫向側(cè)滑而不斷偏離直線行駛軌道.帶驅(qū)動防滑＋協(xié)調(diào)控制的車輛由于前兩輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩被實時調(diào)節(jié)，在實現(xiàn)驅(qū)動防滑的同時，很好地控制了車輛橫向側(cè)滑，保證了行駛的穩(wěn)定性，驗證了該方法的有效性.

總結(jié)以上仿真結(jié)果，設計的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r、有效地對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩進行控制，實現(xiàn)了差速、驅(qū)動防滑及協(xié)調(diào)控制等基本控制功能.同時，也驗證了所設計的驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺的有效性.

4 結(jié) 論

圖6 高速移線工況Fig.6 Line change in high speed condition

基于搭建的電動車輛驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺，設計了前輪獨立驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)，并在多種復雜工況下進行了仿真測試.仿真結(jié)果表明：

（1）搭建的驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真測試平臺具有可配置性、可重用性及通用性.

（2）設計的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)能夠在不同工況下對車輛驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行合理分配，較好地實現(xiàn)了電子差速功能.另外，該控制系統(tǒng)在防止驅(qū)動輪過度滑轉(zhuǎn)的同時，較好地控制了整車的橫擺角速度，保證了車輛的動力性及穩(wěn)定性.

圖7 對開路面仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result on bisectional road

今后，該仿真測試平臺的完善工作主要集中在改善人機交互界面、不斷擴充模塊庫，進一步方便電動車輛驅(qū)動控制系統(tǒng)的開發(fā)及測試.

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