朱紹鵬 匡晨陽 陳平 陳慧鵬 武志強(qiáng)

（1.浙江大學(xué)，杭州 310058；2.杭州電子科技大學(xué)，杭州 310018）

主題詞：電動(dòng)客車 分布式四輪驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)矩分配 經(jīng)濟(jì)性 實(shí)時(shí)性

1 前言

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車因其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、各驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立可控等特點(diǎn)，在車輛節(jié)能與車身穩(wěn)定性控制等方面存在巨大優(yōu)勢(shì)，逐漸成為新能源汽車的研究熱點(diǎn)之一?；隍?qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的效率特性，以經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行扭矩分配，可以改善整車運(yùn)行效率和續(xù)航里程。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)矩分配問題進(jìn)行了相關(guān)研究。梁志偉和Yang等人基于電機(jī)效率MAP 圖，分別采用遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法尋找全局最優(yōu)解，對(duì)4 個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配，提高了整車經(jīng)濟(jì)性。J.Kim和林程等人通過離線計(jì)算每個(gè)工況點(diǎn)的最佳轉(zhuǎn)矩分配結(jié)果和電機(jī)弱磁工作點(diǎn)，提高了電機(jī)響應(yīng)速度和運(yùn)行效率。盧東斌等建立了相同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的多永磁同步電機(jī)系統(tǒng)效率模型，仿真驗(yàn)證了相同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩平均分配可使電機(jī)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。上述以經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)的轉(zhuǎn)矩分配控制策略大多存在計(jì)算量大、不適合實(shí)時(shí)控制、難以指導(dǎo)工程實(shí)踐以及針對(duì)不同型號(hào)的電機(jī)算法需要重新標(biāo)定等問題。

為此，本文針對(duì)分布式輪邊四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)客車，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器動(dòng)力匹配?？紤]前、后軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率特性，采用黃金比例搜索算法確定前、后軸電機(jī)最佳的轉(zhuǎn)矩分配控制系數(shù)，合理分配電機(jī)轉(zhuǎn)矩，并通過聯(lián)合仿真分析和硬件在環(huán)（Hardware-In-the-Loop，HIL）測(cè)試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略的可行性和實(shí)時(shí)性。

2 輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力匹配

輪邊電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)構(gòu)型如圖1 所示，輪邊電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速器傳遞至驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)客車行駛。

圖1 分布式輪邊電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)構(gòu)型示意

為了使輪邊四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率達(dá)到最優(yōu)，電動(dòng)客車的常用工況應(yīng)該運(yùn)行在輪邊電機(jī)的高效區(qū)附近。因此，有必要針對(duì)具體的客車參數(shù)選擇合適的輪邊電機(jī)、減速器等部件。

2.1 整車性能指標(biāo)及參數(shù)

電機(jī)與減速器的選型主要考慮電動(dòng)客車的動(dòng)力性能，包括最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間。電動(dòng)客車的整車參數(shù)如表1所示，整車性能指標(biāo)如表2所示。

表1 電動(dòng)客車整車參數(shù)

表2 電動(dòng)客車整車性能指標(biāo)

2.2 電機(jī)及減速器匹配

2.2.1 電機(jī)功率匹配

4個(gè)電機(jī)的總峰值功率應(yīng)不小于電動(dòng)客車最高車速時(shí)所需電機(jī)功率最大爬坡度時(shí)所需電機(jī)功率，滿足加速時(shí)間所需電機(jī)功率：

其中：

式中，為重力加速度；=0.018 為滾動(dòng)阻力系數(shù)；=0.5為擬合系數(shù)。

將表1 和表2 中的參數(shù)帶入式（2）～式（4）計(jì)算得到、分別為128.69 kW、201.66 kW、236.35 kW。

考慮到空調(diào)等電力電子設(shè)備的功率消耗，取動(dòng)力系統(tǒng)的總峰值功率=280 kW。取過載系數(shù)=2，所以4個(gè)電機(jī)總額定功率為140 kW。

2.2.2 減速器傳動(dòng)比匹配

永磁同步輪邊電機(jī)按照峰值轉(zhuǎn)速可以分為低速、中速和高速電機(jī)。當(dāng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速較大時(shí)，其生產(chǎn)和加工工藝難度大，對(duì)減速器、軸承等要求也高。因此，本文選擇中低速電機(jī)，初選電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速范圍為5 000～6 000 r/min。

根據(jù)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速與設(shè)定的最高車速計(jì)算減速器傳動(dòng)比：

由式（5）計(jì)算并取整得到減速器傳動(dòng)比為14。

2.2.3 四輪驅(qū)動(dòng)輪邊電機(jī)選型配置方案

分布式四輪驅(qū)動(dòng)輪邊電機(jī)配置方案主要包括采用4 個(gè)型號(hào)完全相同的電機(jī)，采用4 個(gè)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)相同而效率特性不同的電機(jī)，以及前、后軸采用小電機(jī)輔助大電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種配置形式。

本文提出的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法主要針對(duì)直行工況，同軸的左、右輪行駛工況相同，故采用同款電機(jī)。該算法可以應(yīng)用于多種電機(jī)配置方案，當(dāng)采用4個(gè)相同型號(hào)的電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化的結(jié)果與四輪轉(zhuǎn)矩平均分配的結(jié)果一致，故不再討論。本文主要針對(duì)2種電機(jī)配置方案進(jìn)行分析驗(yàn)證：方案1 為前、后軸采用扭矩、功率、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)相同而效率特性不同的電機(jī)配置；方案2為前軸采用小電機(jī)、后軸采用大電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)配置。在現(xiàn)有科研條件下選取合適的電機(jī)進(jìn)行匹配，2種方案的電機(jī)參數(shù)如表3所示，匹配方案1前、后軸電機(jī)的效率MAP圖如圖2所示。

圖2 匹配方案1的前、后軸電機(jī)效率MAP圖

表3 四輪驅(qū)動(dòng)輪邊電機(jī)選型配置方案具體參數(shù)

表3中，鐵耗電阻由當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速確定。

3 基于黃金比例搜索算法的分布式四驅(qū)控制

針對(duì)分布式四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)客車的輪邊驅(qū)動(dòng)形式，考慮整車經(jīng)濟(jì)性，提出一種基于黃金比例搜索算法的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略。

直行工況是電動(dòng)客車日常行駛的主要工況，所以本文控制策略主要針對(duì)直行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。直行工況下，主要考慮前、后軸電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩分配控制，同軸左、右輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩平均分配。因此，直行工況下轉(zhuǎn)矩最優(yōu)分配問題可以轉(zhuǎn)換為前、后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的確定問題，定義為：

式中，為前軸電機(jī)總轉(zhuǎn)矩；為總需求轉(zhuǎn)矩。

在給定總需求轉(zhuǎn)矩和行駛工況條件下，前、后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的精度和計(jì)算效率非常重要，本文采用黃金比例搜索算法快速精確地確定。

3.1 黃金比例搜索算法概述

黃金比例搜索算法是搜索維度為一維的一種最優(yōu)化算法，主要用于確定凸函數(shù)（或凹函數(shù)）在給定區(qū)間[,]內(nèi)的極值點(diǎn)。在給定區(qū)間[]具有凸特性（或凹特性）是該算法正確使用的充分必要條件。

圖3 所示為黃金比例搜索算法流程，其中、分別為前、后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)搜索區(qū)間的最小、最大值，為搜索結(jié)果指定的精度，()為整車綜合效率函數(shù)。每次循環(huán)比較2個(gè)插入點(diǎn)、處的效率函數(shù)值，然后縮小搜索的區(qū)間，直至達(dá)到指定的搜索精度。插入點(diǎn)分別位于區(qū)間的0.382倍與0.618倍處，縮小后區(qū)間其中一個(gè)插入點(diǎn)與縮小前區(qū)間另一處插點(diǎn)位于同一處，因此可以減少搜索的步驟，提高計(jì)算效率。

圖3 黃金比例搜索算法實(shí)現(xiàn)流程

3.2 分布式四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率凸特性驗(yàn)證

搜索對(duì)象在搜索區(qū)間具有凸特性是黃金比例搜索算法適用的唯一要求。通常，單個(gè)電機(jī)的效率曲線具有凸特性，本文對(duì)整個(gè)分布式四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率函數(shù)是否仍具有凸特性進(jìn)行驗(yàn)證。

本文使用的電機(jī)為永磁同步輪邊電機(jī)，單個(gè)電機(jī)功率有如下關(guān)系：

式中，為輸入功率；為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

等式右側(cè)第1項(xiàng)表示輸出功率，后3項(xiàng)表示損耗功率。損耗功率包括銅損、鐵損以及機(jī)械損耗，機(jī)械損耗是電機(jī)工作時(shí)由摩擦力矩產(chǎn)生的。電機(jī)輸入功率計(jì)算公式中的各參數(shù)均為正值，所以當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速固定時(shí)，電機(jī)的損耗功率可以表示成電機(jī)轉(zhuǎn)矩的二次函數(shù)：

式中，、、均為正值。

整車綜合效率可以表示為：

其中為前、后電機(jī)總的損耗功率：

式中，、、為前軸電機(jī)損耗功率系數(shù)；、、為后軸電機(jī)損耗功率系數(shù)。

對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化分配時(shí)，可以認(rèn)為總需求力矩與各電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎保持不變，故僅需對(duì)總的損耗功率進(jìn)行凸特性檢驗(yàn)即可。損耗功率對(duì)求二階偏導(dǎo)：

從式（11）可以看出，損耗功率是的凹函數(shù)，所以整車綜合效率是的凸函數(shù)，本文分布式四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配可以使用黃金比例搜索算法。

3.3 不同電機(jī)配置算法驗(yàn)證

對(duì)黃金比例搜索算法在不同電機(jī)配置的分布式四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的使用進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.1 前、后軸電機(jī)完全一致

此時(shí)電機(jī)參數(shù)相同，損耗功率可簡化為：

可以得到效率的極值恒在=0.5 處取得，即前、后軸電機(jī)采用平均分配的形式。即證明：當(dāng)前、后軸采用相同型號(hào)的電機(jī)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩平均分配可以使分布式四輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。

3.3.2 前、后軸電機(jī)不一致

此時(shí)根據(jù)具體行駛工況的總需求轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速而發(fā)生變化。表3中匹配方案1的電機(jī)配置，可以擴(kuò)大整車動(dòng)力系統(tǒng)的高效率區(qū)間，使其能夠在多數(shù)工況下運(yùn)行在電機(jī)高效率區(qū)域，提高了整車的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)表3中匹配方案2，當(dāng)前軸空間不足以布置大電機(jī)時(shí)，可以使用較小的輔助電機(jī)對(duì)后軸電機(jī)起輔助作用，以擴(kuò)大單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩區(qū)間，同時(shí)提高整車的運(yùn)行效率。

3.4 分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配

黃金比例搜索算法使用的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為整車綜合效率，根據(jù)式（7）～式（9），可以通過電機(jī)的極對(duì)數(shù)、定子線電阻、電感等內(nèi)部參數(shù)計(jì)算得到。

搜索區(qū)間隨實(shí)時(shí)工況變化而變化，因?yàn)榈娜≈翟赱0,1]區(qū)間內(nèi)，且應(yīng)保證轉(zhuǎn)矩不超過電機(jī)的最大負(fù)載，故搜索區(qū)間的邊界取值為：

式中，、分別為前、后軸電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和。

根據(jù)實(shí)際需求，本文設(shè)=0.000 01。

在已知當(dāng)前行駛工況的總需求轉(zhuǎn)矩和各電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的情況下，根據(jù)圖3所示流程，輸入變量、、即可求得當(dāng)前行駛工況下使整車運(yùn)行效率最高的前、后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)。同時(shí)對(duì)同軸的左、右輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩采取平均分配策略，即可計(jì)算得到4個(gè)電機(jī)各自的輸出轉(zhuǎn)矩：

式中，、、、分別為左前輪、右前輪、左右輪、右后輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)圖3和式（7）～式（15），使用MATLAB軟件編寫基于黃金比例搜索算法的分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略。

4 分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配仿真分析

使用MATLAB/Simulink搭建駕駛員模型、電機(jī)外特性模型、轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配模型等，使用TruckSim 搭建電動(dòng)客車整車模型，共同組成分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化聯(lián)合仿真平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化聯(lián)合仿真平臺(tái)

駕駛員模型由油門踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)與轉(zhuǎn)向信號(hào)組成，主要提供初始總需求轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化。電機(jī)外特性模型主要通過駕駛員模型的輸入及當(dāng)前車速對(duì)初始總需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限值，防止電機(jī)過載。轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化模型基于黃金比例搜索算法，通過總需求轉(zhuǎn)矩及車輛當(dāng)前車輪轉(zhuǎn)速確定最佳的值，以此確定輸入到TruckSim 電動(dòng)客車整車模型的4 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

4.1 匹配方案1仿真分析

以動(dòng)力系統(tǒng)匹配方案1為例，仿真分析設(shè)計(jì)的分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性的改善效果。仿真工況設(shè)定車輛初始速度為20 km/h，路面附著系數(shù)為0.85，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角保持0°不變，總需求轉(zhuǎn)矩如圖5所示。目前分布式驅(qū)動(dòng)汽車直行工況多采用轉(zhuǎn)矩平均分配方式，該控制策略簡單易行，因此，可作為本文所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略的仿真對(duì)照組。

圖5 駕駛員總需求轉(zhuǎn)矩

圖6 所示為上述仿真工況下2 種轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略得到的結(jié)果。由圖6 可知，當(dāng)車速從20 km/h 提高到40 km/h時(shí)，隨著行駛工況的變化從0.74變?yōu)?.78，前、后軸轉(zhuǎn)矩也隨著的變化而改變。由圖6d 可知，相較于轉(zhuǎn)矩平均分配策略，本文的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化算法能夠使車輛的總驅(qū)動(dòng)效率提高4.5%。

圖6 轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分配優(yōu)化算法的節(jié)能效果，采用中低速區(qū)間的新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）工況進(jìn)行仿真分析。測(cè)試持續(xù)時(shí)間380 s，平均車速為32.5 km/h，循環(huán)工況車速與前、后軸電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化情況如圖7、圖8所示。

圖7 循環(huán)工況仿真車速

圖8 轉(zhuǎn)矩優(yōu)化算法前、后軸轉(zhuǎn)矩分配結(jié)果

計(jì)算分布式四輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的耗電量：

在循環(huán)工況下，通過仿真計(jì)算比較兩種算法的百公里耗電量，如表4所示。

表4 循環(huán)工況數(shù)據(jù)分析

從表4 可看出，相較于轉(zhuǎn)矩平均分配算法，本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法耗電量明顯下降，百公里耗電量可以減少3.6%，有明顯的節(jié)能效果。

4.2 匹配方案2仿真分析

以動(dòng)力系統(tǒng)匹配方案2為例，仿真分析設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法也可以用于前、后軸電機(jī)型號(hào)差異較大的車型。這種電機(jī)配置適用于前軸布置空間較小的車型，前軸布置2 個(gè)額定功率10 kW 電機(jī)，后軸布置2 個(gè)額定功率60 kW 電機(jī)，該布置形式既能滿足在爬坡和加速等工況下的轉(zhuǎn)矩需求，又可以擴(kuò)大整車動(dòng)力系統(tǒng)高效率區(qū)間。

采用設(shè)計(jì)的控制算法對(duì)匹配方案2前、后軸電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，同時(shí)與只有后軸2個(gè)60 kW電機(jī)單軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析。500 r/min、2 500 r/min、5 000 r/min 低、中、高轉(zhuǎn)速下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩-效率曲線如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩-效率曲線

從圖9a、圖9b中可以看出，中、低轉(zhuǎn)速下，在低轉(zhuǎn)矩區(qū)的前、后軸四電機(jī)驅(qū)動(dòng)與后軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率相當(dāng)，但在200 N·m以上的中、高轉(zhuǎn)矩區(qū)采用轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的前、后軸四電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率明顯提高。同時(shí)，相較于單軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙軸四電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩區(qū)間更大，可達(dá)900 N·m左右，滿足駕駛員更高的轉(zhuǎn)矩需求。

從圖9c 中可以看出，高速區(qū)電機(jī)效率提升并不如中、低速區(qū)。其原因在于高速區(qū)電機(jī)功率往往較大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降明顯，前、后軸電機(jī)效率都有所降低。但是采用雙軸四電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以明顯改善高速工況下無法滿足駕駛員轉(zhuǎn)矩需求的問題，轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到550 N·m 左右。

5 轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化控制器HIL測(cè)試

在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行MATLAB/Simulink-TruckSim 軟件聯(lián)合仿真時(shí)，計(jì)算步長可以設(shè)置為1 ms 甚至更短，但是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下實(shí)際控制系統(tǒng)的計(jì)算周期一般為10 ms 甚至更長，而且控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通訊時(shí)還會(huì)存在數(shù)據(jù)幀丟包等情況。因此，在實(shí)車應(yīng)用前，有必要對(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法進(jìn)一步開展HIL測(cè)試。

HIL 測(cè)試是一種將來自控制器的真實(shí)信號(hào)連接到模擬車路系統(tǒng)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以較低的成本和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化控制器的功能進(jìn)行較為全面的測(cè)試，如圖10所示。該測(cè)試系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)版TruckSim 仿真輪邊電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)客車動(dòng)力學(xué)模型和虛擬駕駛場(chǎng)景。硬件采用DSP28335 制作轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化控制器，實(shí)時(shí)計(jì)算分配4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采用裝有PXI-8512CAN 接口模塊的NI_PXIe-1085 機(jī)箱來接收反饋信號(hào)和發(fā)送4 個(gè)輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)來控制電動(dòng)客車。

圖10 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法能否進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以動(dòng)力匹配方案1為例進(jìn)行HIL測(cè)試。

5.1 控制算法實(shí)時(shí)性測(cè)試

在實(shí)車運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)控制器的周期一般為10 ms，如果控制算法的運(yùn)行時(shí)間過長，超過實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的計(jì)算周期，會(huì)導(dǎo)致控制出現(xiàn)延遲，引發(fā)事故。

測(cè)試控制器中轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的運(yùn)行時(shí)間，具體流程如下：輸入油門踏板信號(hào)后添加一個(gè)標(biāo)志位，有信號(hào)輸入時(shí)，將標(biāo)志位置0，通過數(shù)字信號(hào)處理器的GPIO口輸出；轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化模塊輸出計(jì)算結(jié)果前，將標(biāo)志位置1，中間的低電平時(shí)間間隔即為控制算法運(yùn)行時(shí)間，HIL 測(cè)試中電平信號(hào)變化情況如圖11 所示。HIL 測(cè)試一次循環(huán)運(yùn)行周期為570 μs，高電平代表CAN 通訊等環(huán)節(jié)運(yùn)行周期，時(shí)長為430 μs，低電平代表轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法運(yùn)行周期，時(shí)長為140 μs，完全滿足車輛實(shí)時(shí)控制的要求。

圖11 HIL測(cè)試電平信號(hào)

5.2 轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)分配測(cè)試

控制器實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟包等情況，通過HIL 測(cè)試驗(yàn)證動(dòng)態(tài)工況下控制器轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)分配功能。電動(dòng)客車以20 km/h 初速度直線行駛，調(diào)節(jié)油門踏板開度如圖12所示，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，隨著油門踏板開度的變化，控制器仍然能夠?qū)崟r(shí)搜索，計(jì)算得到最佳的值，實(shí)現(xiàn)前、后軸轉(zhuǎn)矩連續(xù)分配以及車速平滑變化。

圖12 駕駛員油門踏板輸入信號(hào)

圖13 轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化控制器HIL測(cè)試仿真結(jié)果

6 結(jié)束語

針對(duì)輪邊四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)客車，考慮整車經(jīng)濟(jì)性、控制實(shí)時(shí)性，提出了基于黃金比例搜索算法，以整車綜合效率為優(yōu)化目標(biāo)的分布式四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法，改善了直線行駛工況下的整車經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)前、后軸采用不同電機(jī)配置的2種動(dòng)力匹配方案，進(jìn)行了MATLAB/Simulink-TruckSim 聯(lián)合仿真測(cè)試，驗(yàn)證了提出的控制算法的有效性及通用性，仿真結(jié)果表明：相較于轉(zhuǎn)矩平均分配算法，采用轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的匹配方案1 時(shí)耗電量明顯下降，節(jié)能效果提升3.6%；相較于單軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的匹配方案2 時(shí)電機(jī)效率更高、轉(zhuǎn)矩區(qū)間更大，可以滿足駕駛員更高的轉(zhuǎn)矩需求。

最后，通過HIL測(cè)試驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的控制實(shí)時(shí)性及控制器的轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)分配功能。