時(shí)間:2018-01-31 14:43:43來(lái)源:張喬喬,張輝,孫鵬,王凱
摘要:針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車多電機(jī)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題,采用以虛擬主控制器和電子差速控制為協(xié)調(diào)控制層,執(zhí)行層為基于離散滑模觀測(cè)的直接轉(zhuǎn)矩控制的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在不同狀況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的合理分配。在Matlab/Simulink中建立了汽車動(dòng)力學(xué)和永磁無(wú)刷直流電機(jī)相結(jié)合的仿真模型,仿真結(jié)果表明四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制性能良好,證明了協(xié)調(diào)控制策略的可行性和有效性。
1引言
目前,電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式有集中式驅(qū)動(dòng)[1]與分布式驅(qū)動(dòng)[2]。集中式驅(qū)動(dòng)(簡(jiǎn)稱軸驅(qū))電動(dòng)汽車保留機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和差速裝置,能量傳遞效率低。分布式驅(qū)動(dòng)(簡(jiǎn)稱輪驅(qū))電動(dòng)汽車傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊,通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力,降低汽車能耗,提高主動(dòng)安全性。為了提高分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛的安全性和操縱穩(wěn)定性,必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。以后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象,一側(cè)增加驅(qū)動(dòng)扭矩,另一側(cè)相應(yīng)地減小驅(qū)動(dòng)扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛直接橫擺力矩控制。依據(jù)電機(jī)效率MAP圖,結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同行駛工況下的驅(qū)動(dòng)效率,合理分配四輪驅(qū)動(dòng)力矩,控制整車消耗能量最少。
本文采用外轉(zhuǎn)子式永磁無(wú)刷直流電機(jī)(BrushlessDCMotor,BLDC)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),以車輛正常行駛時(shí)四輪轉(zhuǎn)矩相等為目標(biāo),采用以虛擬主控制器[8]和Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向模型為協(xié)調(diào)控制層,執(zhí)行層為基于離散滑模觀測(cè)的直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁無(wú)刷直流電機(jī)的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。
2多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略
2.1電子差速控制
電子差速控制Ackermann-Jeantand電子差速模型為基礎(chǔ),對(duì)駕駛員的期望速度進(jìn)行合理分配。圖1為Ackermann-Jeantand電子差速模型[9]。
圖1Ackermann-Jeantand電子差速模型
其中,Ri:4個(gè)車輪分別繞中心O的轉(zhuǎn)向半徑(i=fl,fr,rl,rr;左前輪,右前輪,左后輪,右后輪。);
vi:4個(gè)車輪沿輪方向的縱向速度(i=fl,fr,rl,rr);
R:電動(dòng)汽車質(zhì)心繞轉(zhuǎn)向中心O點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)半徑;
δ1:內(nèi)輪縱向角;
δ2:外輪縱向角;
β:電動(dòng)汽車縱向行駛速度和車輛行駛的夾角;
L:前后軸距;
a:質(zhì)心到前軸的距離;
b:質(zhì)心到后軸的距離;
B:后軸輪距。
根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系可知,前輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角δ1和前輪外輪轉(zhuǎn)向角δ2之間存在著以下的幾何等量關(guān)系:
假設(shè)車體為剛體,則車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí),車體上所有的點(diǎn)都應(yīng)圍繞整車的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做等角速度ωa的圓周運(yùn)動(dòng),不考慮輪胎自身參數(shù)變化和垂直載荷變化對(duì)側(cè)偏剛度的影響可以求得各驅(qū)動(dòng)輪縱向速度的線性關(guān)系:
聯(lián)立公式(1)、(2)和(3)求解4個(gè)車輪的實(shí)際速度。則公式(4)即為所建立的電子差速模型。
2.2直接轉(zhuǎn)矩控制
在執(zhí)行層中BLDC采用基于離散滑模觀測(cè)的直接轉(zhuǎn)矩控制,主電路拓?fù)洳捎萌嗳珮蚰孀冸娐?,三相六狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通模式[10]。對(duì)于轉(zhuǎn)矩觀測(cè)過(guò)程,將電機(jī)三相電流和反電勢(shì)進(jìn)行Clark變換,得αβ坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(5):
其中,eα、eβ分別為定子繞組α軸反電勢(shì)和β軸反電勢(shì),iα、iβ分別為定子繞組α軸電流和β軸電流,ω為機(jī)械角速度。
采用離散滑模的方法,得到反電勢(shì)的離散化估測(cè)算式[11]:
其中,Ts為采樣時(shí)間;z為高頻開(kāi)關(guān)信號(hào);ωcutoff為一階低通濾波器截止頻率。將式(6)代入式(5)即可得到電機(jī)的估測(cè)電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)。
2.3協(xié)調(diào)控制策略
考慮到分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車工況的多樣性,在協(xié)調(diào)控制層中虛擬主控制器以永磁無(wú)刷直流電機(jī)的的運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ),對(duì)駕駛員給定速度和車輛總的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距進(jìn)行二次調(diào)節(jié),使車輛穩(wěn)定運(yùn)行,永磁無(wú)刷直流電機(jī)的的運(yùn)動(dòng)方程為式(7):
其中,TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;
J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
B為黏滯摩擦系數(shù)。
分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略分為協(xié)調(diào)控制層和執(zhí)行控制層。協(xié)調(diào)控制層為駕駛員綜合加速踏板和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào),當(dāng)車輛行駛狀況發(fā)生改變時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩比較,通過(guò)虛擬主控制器與Ackermann轉(zhuǎn)向模型對(duì)期望轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),與執(zhí)行層結(jié)合重新分配驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩,確保車輛總驅(qū)動(dòng)力不變或接近駕駛員的驅(qū)動(dòng)力需求,車輛穩(wěn)定運(yùn)行。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車多電機(jī)協(xié)調(diào)控制框圖如圖2所示,轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制流程如圖3所示。
圖2分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車多電機(jī)協(xié)調(diào)控制框圖
圖3協(xié)調(diào)控制流程圖
其中,Tmaxi,Tmaxj為驅(qū)動(dòng)輪估測(cè)的最大轉(zhuǎn)矩,Ti*,Tj*為驅(qū)動(dòng)輪初始轉(zhuǎn)矩指令,Tj為補(bǔ)償后狀態(tài)良好的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩分配值,Tiz*為驅(qū)動(dòng)輪最終轉(zhuǎn)矩指令(i,j=fl,fr,rl,rr且i≠j)。
駕駛員初始駕駛意愿對(duì)應(yīng)的參考轉(zhuǎn)矩為T(mén),在正常路面上四輪轉(zhuǎn)矩相等為0.25T。首先判斷前后軸距間轉(zhuǎn)矩是否為相等,判斷各驅(qū)動(dòng)輪是否狀態(tài)良好,若良好,則轉(zhuǎn)矩分配值仍為0.25T,檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪初始轉(zhuǎn)矩指令與估測(cè)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較,將故障驅(qū)動(dòng)輪損失的動(dòng)力DT補(bǔ)償給狀態(tài)良好的驅(qū)動(dòng)輪。將補(bǔ)償后狀態(tài)良好的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩分配值Tj與估測(cè)的最大允許轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行比較,確定最終的轉(zhuǎn)矩分配值Tiz*。將故障驅(qū)動(dòng)輪損失的驅(qū)動(dòng)力分配給狀態(tài)良好的驅(qū)動(dòng)輪,從而保持總的驅(qū)動(dòng)力保持為駕駛員意愿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
3仿真分析
參考轉(zhuǎn)速給定400r/min,帶10N?m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩啟動(dòng),在1s時(shí)突加負(fù)載至25N?m,在2s時(shí)突減負(fù)載至15N?m。
圖4直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩波形
圖5直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)速波形
從圖4和圖5中可以看出,轉(zhuǎn)矩能夠跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化,具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng);轉(zhuǎn)速有波動(dòng),但是可以較快調(diào)節(jié)至400r/min。
圖6驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速
圖7驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩
圖8驅(qū)動(dòng)輪速度
從圖6至圖8可以看出,1s時(shí)汽車左轉(zhuǎn),縱向速度保持在36km/h左右,左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和速度減小,右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和速度增大,同時(shí)左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩減小,右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩增大,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)調(diào)。
4結(jié)論
分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是電動(dòng)汽車的重要發(fā)展發(fā)展方向之一,多電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制制約分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展。本文說(shuō)明了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略,對(duì)電動(dòng)汽車在不同工況下進(jìn)行仿真,結(jié)果表明電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制性能良好,四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制性能良好,驗(yàn)證了該控制策略有效性。
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