电动汽车运动控制系统的设计与实现

0　前言

      本文在现有电动汽车动力控制方法基础上,设计并实现了一种电助力转向与双后轮独立驱动相结合的模型电动车运动控制系统。该系统将电助力转向与双后轮轮毂电机驱动结合,省略了传统的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件,大大简化了整车结构大大提高了电动汽车电气化程度和可控制程度,充分发挥了电动汽车高度电机一体化的优势。文中具体给出了系统各关键子系统的设计和控制方法,并通过台架实验证明了设计的有效性。

1　模型电动汽车系统总体构成

      设计针对电动车（ EV） 理想车况低速行驶,实现了一种双后轮独立驱动运动模型。系统结构如图1所示。
      模型车前轮控制采用电助力转向（ EPS）系统,动力由两个后轮电机共同提供。电助力转向驱动使用普通直流伺服电机,控制简单;两个后轮电机为两个轮毂式直流无刷（BLDC）电机,能够在提高效率的同时保证长期运行的可靠性。系统中每个电机与电控单元（ ECU）间都独自构成一个速度闭环和电流闭环系统,这种设计可以在保持传统汽车驾感的基础上,省略传统车辆的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件,大大简化了整车结构,提高传动效率,并且能够通过控制技术实现助力转向功能,和对电动轮的电子差速控制。

2　双后轮驱动电动汽车运动控制系统设计

      原型电动汽车运动控制主要需要解决以下两个问题:一是助力转向系统控制问题;二是对两个独立驱动轮的协调控制问题。

2. 1　助力转向控制

      电动助力转向工作过程如下:首先,转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩,车速传感器测出车辆当前的行驶速度,然后将这两个信号传递给ECU; ECU根据内置的控制策略,计算出理想的目标助力力矩,转化为电流指令给电机;然后,电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上,和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩,实现车辆的转向。
      助力电机控制策略采用助力电机电流的闭环给定控制,其控制功能结构框图见图2。

这样的控制结构简化了实际助力特性调整的过程,控制参数调整方便和直观,在满足控制要求的基础上保证了经济性。

2. 2　两驱动轮控制

      采用双后轮独立驱动方案,每个驱动轮都能独立提供驱动力,功率可以按需要独立分配,其差速功能可以由软件完成,实现电子式差速。
      要判断驾驶员的驾驶意图是直驶还是转向,方向盘转角θ是一个重要参数。策略中引入方向盘自由行程角ε这样一个标志量,当|θ| > ε时,车辆电控单元（ECU）认为驾驶意图为转向,否则为直驶。无论是直驶控制策略还是转向控制策略,其关键点还是通过对目标转速ni1和ni2的调节来实现对两侧电机的控制,从而达到对车体行走轨迹的操控。双电机协调控制方框图见图3。

1） 直驶控制策略
      在直线行驶中,两侧的电机速度no1 和no2很难达到完全一致,总是会存在一定的速度差△n （定义△n = no1 - no2 ） ,ECU需要对△n进行监测,当△n超过系统允许实时速度差np时,就需要根据△n和np 来对目标转速ni1和ni2进行一定的调节,调节量为nin;为了保证直线行驶的稳定, ECU还需要对两侧电机的累计行程差△S进行监测,当△S超过系统允许实时速度Sp 时,就需要根据△S和Sp对目标转速ni1和ni2也进行一定的调节,调节量为nis。根据累计行程差计算出nis,nis = C3 △S, C—比例常数,根据试验确定,不能过大否则容易引起不稳定,计算结果用于调节两个电机的输入转速消减该累计行程差,实现闭环控制。通过累计行程和速度的双重同步,增强了车辆稳定直线行驶的可靠性。
      2） 转向控制策略
      转向控制时, ECU根据方向盘转角θ的绝对值大小计算两侧电机的目标转速差m, 根据θ的正负,确定驱动系统中的两个电机谁为外侧电机和谁为内侧电机,外侧电机的目标转速保持当前速度不变,而内侧电机的目标转速则应当在当前目标转速的基础上下调m,从而实现转向。图4为直驶和转向的控制流程图。

3　实验结果

      根据上述控制策略,编写了车辆控电子控制单元（ ECU）的控制程序并进行了架起试验测试,部分实验结果如图5 所示,大致可以分为以下几个阶段:
      1） a点之前,车辆直线行驶。
      2）a、b点之间,驾驶员迅速向左打方向盘至一较大角度Θ,然后保持方向盘位置不变,车辆开始向左转向。电机1转速n1保持不变,电机2转速n2向下调整,直至达到目标速差。
      3） b、c点之间,方向盘位置保持上一阶段的位置不变,电机1和电机2保持稳定速差,车辆进行转向。
      4） c、e点之间,方向盘回到中间位置,驾驶员意图直驶,此时电机1转速n1向下调整,电机2转速n2向上调制,两者在d点汇合;经过de段的调整后在E点达到基本一致。
      5） e、f点之间是一段加速过程,使车速达到转向前的速度值。
      6） f点之后是车辆保持直线行驶。

 实验结果表明,通过以角度和速度为基础的协调控制策略,车辆电控单元（ ECU）可以较好的控制两侧电机,及时准确的实现驾驶员的直线行驶和转向要求。

4　结语

      设计实现了一种电助力转向与双后轮驱动技术结合的电动车辆运动控制模型,提出以角度、速度控制为基础的双轮毂电机协调控制策略,为使用双后驱电动车辆的稳定行驶问题提供了解决方案。台架试验结果表明:该控制策略可以较好的满足车辆的直线行驶和转向行驶控制要求,证明了设计的有效性。