电动汽车电子差速控制策略研究

陈阁　李翔翼　赵地

摘 要：轮毂电机相较于传统电机，具有响应速度快、能量转化率高等优点。为了保证电动汽车的安全性，使用轮毂电机驱动的汽车去掉了变速器等机械结构。本文使用仿真MATLAB软件建立动力学模型来进行汽车的差速研究。并且使用CARSIM软件进行汽车参数的建模，使得到的实验结果尽可能准确。然后使用PID调节器控制电流，其中采用电磁力矩方程和电压方程。车辆动力学模型分两步建立，电动车相关参数输入软件进行建模。采用电子差速控制和直接横摆控制两种控制方式。仿真和试验结果表明，这两种控制方式在低速下具有较好的控制效果。

关键词：轮毂电机 MATLAB 建模

1 引言

随着汽车工业的发展，燃油汽车不仅给人们带来了舒适的体验，但同时也带来了许多环境问题，在这个大背景下，电动汽车被研究出来。在机械结构变化的基础上，必须保证电子差速器系统的安全性和可靠性，这是电动汽车安全的前提。

考虑到车辆扭矩中心偏差对车轮载荷垂直传递的影响，分析了牵引质量驱动力和车身偏差对车轮载荷垂直传递的影响。利用CARSIM软件建立动态模型，利用SIMULINK软件确定控制策略，最后对系统进行总体仿真。传统的阿克曼建模仿真有很多学者进行相关的探索。但是这个模型局限性很大，它只能在线性时不变的系统模型中应用。如果要探究速度快的车辆模型，就需要再针对其他干扰因素作出更深一步的研究。

2 电动汽车电子差速控制策略研究

2.1 电动汽车转向动力学模型

2.1.1 多自由度汽车动力学模型

车辆的动态转向性能是指车辆在驾驶员对方向盘进行输入的情况下的响应，评价标准是车辆是否能够根据驾驶员的意图，在方向盘角度输入下，通过一系列转向机构改变方向盘角度，本文研究的电动问题与车辆的行驶稳定性有关，下面就可以对汽车的七自由度模型进行建立。如图1所示。

在建模时，本文采用了MATLAB中的simulink和CARSIM这两个建模仿真软件。通过simulink建立汽车的控制模型，通过CARSIM建立汽车的动力学的模型。在低速时，汽车使用电子差速器模型，将输出扭矩分配到两个车轮上，这是通过控制转矩、反馈转速以及方向盘角度来实现的。为了提高电动汽车的转向性能，驾驶员可获得所需的扭矩、转向角、车辆的反馈速度、实时转速和侧向角。将得到的角速度与预期的值进行比较，通过控制器得到相对应的力矩，再分配给两个驱动车轮。这样最终就达到改善汽车转向性能的目的。

2.2 轮毂电机模型

2.2.1 无刷直流电机数学模型

轮毂电机是现代控制技术和永磁发动机技术发展的新产品。本文选择无刷直流发动机作为轮毂电机，以适应方向盘的驱动力矩。由于CarSim中没有轮毂发动机，因此有必要在Simulink中对轮毂发动机进行建模。

、表示输入三相电压;、表示定子电流;采用、表示三相电动势;定子每项电阻采用R来表示;来表示为定子自感和互感的差值。

无刷电机的接线方法为Y型接线法。下面是三相电压平衡方程

简化后的公式为：

根据电力拖动原理，得到：

在上面采用的公式中，使用来表示电机上的负载转矩，使用来表示轮毂电机的输出转矩，采用表示电动机的反电动势系数，公式中的表示电机的转动惯量，采用表示电机转动角速度。

根据上式得到动态结构图如图2所示。

2.2.2 电机调速方案分析

电动机应配备转速控制系统，通过在规定负载下改变给定的参数来改变发动机的机械特性，以得到恒定调速或可变调速的理想结果。

电机转速的调节有三种不同的方式，本文介绍了电压调节的方法，设计了一个单闭环电流控制系统来实现电流反馈调节。电流反馈控制器使用PID控制器实现闭环转矩控制。

3 电子差速控制器设计及仿真

3.1 电动汽车的电子差速控制

在对汽车传统的差速效应进行研究时，必须对汽车的驱动轮之间的差速进行有效的控制。采用差速控制器来协调驱动轮之间不同的驱动力，这就是差速控制的核心思想。当汽车行驶在路面上时，如果车身发生转向，这时转向所造成的的汽车驱动轮之间的距离不同，这时就需要采用不同的补偿方式，最终使汽车正常运行。但都是以不同的速度驱动车轮，协调驱动轮的速度。对于汽车差速的控制有很多方法，但核心都是利用差速器对转向的差速进行补偿，本文研究了基于Ackerman模型的转矩控制和直接横摆距控制。

3.2 阿克曼模型电子差速控制策略

一般来说，轮胎打滑主要是由于轮胎表面的弹性变形引起的。随着车轮扭矩和驱动力的不断增大，轮胎胎面向地面滑动，此时驱动力与滑转率呈非线性关系。经过多次实验测试，当轮胎滑转率以14%～21%左右在硬路面上运行时，驱动力最大。

然而，在实际路面上车辆的行驶条件非常复杂，存在很多不确定性干扰，仅仅识别不同的路面来确定汽车的具体滑转率，这无疑是很难的。但是，如果根据经验公式来配置转矩的参数，结合建立的阿克曼动力学模型，就能相对简单的处理这类问题，最终实现差速的协调。建立的Simulink转矩分配比模块如图3：

3.3 横摆力矩控制模型电子差速控制策略

设定模糊控制器后，建立转矩控制器，模糊控制器的第一个给定是实际横摆角速度与理想角速度之差，第二个给定是质心实际偏角与质心理想偏角之差。根据模糊规则进行模糊控制和模糊清晰处理。理想角度和倾斜角度的计算必须接收车辆转矩和方向盘转向角的信号。

4 电子差速控制系统仿真验证

4.1 低速大角度行驶

当汽车在路面大角度转向时，这时汽车速度18km/h。这时司机对踏板施加作用力，汽车行驶路面的黏着系数为0.76。转动方向盘180度后保持静止。这时观测车身情况，观察最终的控制效果。仿真结果如图4所示。

4.2 中速中角度转向行驶

当汽车在路面以稍小的角度转向时，这时汽车的速度为58km/h。汽车形式的路面的黏着系数为0.85，转动方向盘100度，这时再观察车身的控制效果。中弯仿真结果如图5所示。

5 结束语

采用同一车型进行实验，采用两种控制器对控制结果进行监控。从结果上看，阿克曼模型的控制效果和横摆模型的控制效果差不多。

通过对仿真结果的比較，可以得出两种控制器在低速时的控制效果接近，所得到的的结果都差不多，车辆的某些动态参数随车速的增加呈非线性变化。所以，和横摆控制相比，阿克曼模型控制的转向效果更好。

参考文献：

[1]张兴宇. 轮毂式电动汽车电子差速系统的研究[D].武汉理工大学，2008.

[2]武龙星. 基于PMSM的纯电动汽车差速转向控制策略研究[D].重庆交通大学，2016.

[3]马浩军. 电动汽车电子差速控制系统研究[D].浙江大学，2016.

[4]张勇. 融合辅助转向功能的电动轮汽车电子差速控制研究[D].江苏大学，2016.

[5]王吴杰. 双轮毂电机驱动电动汽车差速与助力转向协调控制研究[D].江苏大学，2016.