分布式驱动微型电动汽车驱动集成控制

为了提高分布式驱动微型电动汽车的动力性和操纵稳定性，设计了集成电子差速、驱动防滑和精摆力矩修正等功能的微型电动汽车驱动控制策略.基于改进阿克曼汽车转弯模型设计了电子差速控制算法，基于汽车转弯驱动轮滑转率修正算法和模糊PID（proportion integration differentiation）控制方法设计了汽车驱动防滑控制器，并针对汽车转弯时容易发生侧滑失稳，进行了基于PID控制方法的汽车横摆力矩修正最后基于Simulink和Carsim软件建立了联合仿真模型，进行了以驱动轮转矩为控制量的低附着路面典型工况仿真实验，实验结果表明，采用分布式驱动微型电动汽车驱动集成控制算法能够有效地提高汽车的动力性和操纵稳定性。

分布式驱动微型电动汽车（electric vehicle，EV）采用轮毂电机独立驱动，具有传动效率高、轮毂电机响应速度快、电机转矩可精确测量、车辆底盘结构大幅简化和易于实现汽车底盘集成控制等优点，是各类电动汽车理想的通用驱动技术平台，逐渐被国际汽车领域学者认为是最有发展潜力的电动汽车框架之一【1】目前，分布式电动汽车的研究多集中于针对某一功能进行研究，如电子差速控制【2】、防滑控制【3】-稳定性控制【4】和差动助力转向【5】等，底盘集成控制研究相对较少。电子差速控制、驱动防滑控制和稳定性控制是分布式驱动微型电动汽车驱动的3个关键技术，它们执行机构相同，控制方式相似.采用合理的控制策略进行电动汽车驱动集成控制，能够较好地提高分布式驱动微型电动汽车的驱动性能和操纵稳定性。

1 微型电动汽车驱动控制策略

如图1所示，本项目样车采用2后轮毂电机独立驱动形式.整车控制器通过采集轮速、方向盘转角、油门踏板开度和驱动力矩等信号识别驾驶员的意图、汽车的运动状态和路面状况，以驱动轮转矩作为控制量，采用基于改进阿克曼模型的电子差速控制、驱动防滑控制和稳定性修正控制，最大限度地提高电动汽车的驱动能力和操纵稳定性。

微型电动汽车驱动集成控制策略如图2所示.首先整车控制器识别各传感器信号，根据方向盘转角传感器识别汽车是直道行驶工况还是转弯行驶工况.

在直道行驶工况，控制器通过轮速传感器信号识别汽车驱动轮是否过度滑转。若驱动轮不滑转或滑转率很小，说明轮胎路面附着良好、汽车驱动轮驱动力矩适中，则控制器采用电子踏板跟随控制，即整车控制器根据电子油门踏板开度信号（已标定成轮毂电机控制电压信号）直接控制电机控制器，使2轮毂电机输出相等力矩，驱动汽车直线行驶，若驱动轮滑转率超过设定门限值，说明汽车的驱动轮输出力矩过大，控制器根据路况实时调节打滑驱动轮驱动力矩，进入直道行驶的驱动防滑控制功能.同时，系统根据驱动轮的利用附着系数和滑转率采用模糊控制技术进行路面识别，确定驱动轮最优滑转率【6】。

在弯道行驶工况，控制器同样也识别汽车驱动轮是否过度滑转，若驱动轮不滑转或滑转率很小，则控制器采用电子差速控制，控制器首先采用考虑侧偏角的改进阿克曼模型计算内外侧驱动轮的转矩比，然后根据油门踏板开度信号和转矩比控制2轮毂电机控制器，控制驱动轮驱动力矩实现电子差速，若驱动轮滑转率超过设定门限值，控制器就会识别路面，确定驱动轮最优滑转率，根据路况实时调节打滑驱动轮驱动力矩，系统进入弯道行驶的驱动防滑和电子差速集成控制功能，同时，分布式独立驱动电动汽车在大油门转弯加速时，由于驱动轮容易过度滑转和转弯离心力作用，汽车容易出现侧滑、甩尾等失稳现象，因此，在汽车转弯加速时，控制器需要进行稳定性修正控制，提高汽车的操纵稳定性.

在汽车电子差速控制研究方面，研究人员多采用阿克曼汽车转弯模型.该模型做了许多简化，忽略了轮胎侧偏角和滑转率的影响，较适合汽车低速行驶工况。如果汽车行驶速度增大，汽车转弯时有较大的离心力，前后轮会出现侧偏角【7】。因此在研究汽车转弯驱动工况时，采用考虑车轮侧偏角的改进阿克曼转弯模型较为准确，如图3 所示，由改进阿克曼汽车转弯模型（实线部分模型）可得汽车转弯半径与侧偏角的关系近似为

式（1）中，R为汽车质心转弯半径，L为轴距，为前轮转角，α1为前轴侧偏角，α2后轴侧偏角.

汽车转弯时，产生的离心力会使汽车产生侧翻力矩，使汽车2后驱动轮的垂直载荷发生变化，进而影响轮毂电机的驱动力矩.联合汽车转弯离心力和轮胎的法向载荷计算公式，可得微型电动汽车内外侧驱动轮的转矩比为【8】

式（2）中，FasFm分别为汽车2后驱动轮的垂直载荷，F为离心力，a为汽车质心距前轴距离，m为汽车质量，h为质心高度，c为轮距，v为车速，g为重力加速度，其他参数意义同上。

驱动轮滑转率是汽车防滑控制的主要参数，它表征了汽车驱动时驱动轮的滑转程度，合理控制滑转率可以将地面对驱动轮的摩擦系数发挥到最佳，提高驱动轮的附着能力和汽车动力性，其计算如公式（3）所示。

式（3）中，s为驱动轮滑转率，ωd为驱动轮转速，r为车轮滚动半径，其他参数意义同上。

在汽车转弯行驶工况时，如果用2前非驱动轮轮速的平均值作为参考车速计算滑转率会产生较大误差，容易造成ASR系统误干预D.因此，采用需要修正驱动轮滑转率计算公式中的车速。

即

由于侧偏角较小，2后轮轮距中心的理论速度可近似为

式（6）中，R。为汽车后轴中心的转弯半径，a，为汽车横摆角速度，其他参数意义同上。

由图3的三角形几何关系，可得汽车转弯时由离心力作用形成的内侧驱动轮的理论轮速为

同理，外侧驱动轮的理论轮速为

分别将2个驱动轮的理论轮速替代滑转率计算公式中的车速，即可修正汽车转弯的驱动轮滑转率误差。

2 微型电动汽车驱动集成控制器设计  

由微型电动汽车驱动集成控制策略可知，控制器根据汽车的前轮转角判断汽车是否进入转弯工况.当汽车转弯行驶时，若驱动轮不过度滑转，控制器就会综合油门踏板开度信号和基于改进阿克曼模型计算的内外侧驱动轮驱动力矩比控制左右驱动轮的驱动力矩，完成汽车电子差速控制，如果在汽车差速控制过程中检测到驱动轮滑转率过大时，控制器在电子差速控制的同时还要进行滑转驱动轮的驱动防滑控制。

本系统采用模糊PID（proportion integration differentiation）控制算法，控制器结构如图4所示。系统输入为最优驱动轮滑转率与实际滑转率偏差，控制量为轮毂电机驱动电压，切换条件为驱动轮实际滑转率与最优滑转率的偏差.偏差较大时采用模糊控制，较小时采用PID控制。

如图5所示，驱动防滑模糊控制器采用双输入单输出结构，输入为驱动轮实际滑转率（s）与最优滑转率（sop）的偏差e及其变化率ec，输出为每个轮毂电机的驱动电压。

当汽车驱动轮滑转但滑转率较小时，采用PID控制.输入为驱动轮最优滑转率和实际滑转率偏差，控制量为轮毂电机驱动电压.经过多次调试，选择PID3个控制参数K，、K，、K。分别为0.6、1.5和2。

分布式独立驱动电动汽车在大油门转弯加速时，由于驱动轮容易过度滑转和汽车转弯离心力作用，汽车容易出现侧滑、甩尾等失稳现象，尤其是汽车在低附着路面的加速转弯工况，由于低附着路面提供的纵向和横向附着力都很小，驱动轮更容易过度滑转，汽车失稳程度更为严重。因此，在汽车转弯加速时，尤其是低附着路面转弯加速工况，控制器需要进行稳定性修正，提高汽车的操纵稳定性，本项目采用轮毂电机的驱动力矩分配来实现车辆的横摆稳定性控制，控制器根据汽车横摆角速度情况，通过分别增减左右两侧2驱动轮驱动力矩进行汽车横摆力矩校正，保证汽车正常的行驶姿态.控制器采用PID控制方法，输入变量为目标横摆角速度和实际横摆角速度的偏差，输出变量为驱动轮轮毂电机控制电压校正增量.PID3个控制参数K。、K，、K分别选择为25、0.01和0.01，其中，目标横摆角速度计算为【10】

式（9）中，k为稳定性因子，其他参数意义同上。

3 基于Simulink和Carsim的联合仿真实验

根据驱动集成控制策略，基于simulink和carsim软件建立微型电动汽车驱动控制联合仿真模型，进行典型工况仿真实验.微型电动汽车主要参数如表1所示。

选择压实雪路面，路面附着系数为0.2；电动汽车油门踏板踩到最大开度，原地起步加速，起步后先左转弯进入圆周运动，然后再直线行驶：汽车驱动过程中方向盘转角输入如下，从汽车起步到1s时间内迅速将方向盘转角由零增加到180℃对应汽车前轮转角10°），汽车左转弯行驶，从1s到10s维持方向盘转角180°不变，汽车进入圆周运动，10 s后方向盘转角由180°开始回正，12 s 后方向盘转角回正到零，然后锁死方向盘，汽车进入直线行驶；仿真时间25 s.有、无驱动控制策略的仿真实验场景如图6和图7所示，仿真实验结果如图8和图9所示。

由图6和图8可以看出,在无驱动汽车控制工况,汽车在低附着路面起步加速时,2轮毂电机同时达到最大驱动力矩,驱动轮迅速打滑,驱动轮轮速达到50km/h,而最高车速低于10km/h.同时,由于驱动轮过度滑转,路面提供的横向附着力很小,在汽车转弯时离心力造成汽车发生了严重的侧滑甩尾,车身横摆角速度发生了很大的波动,最大达到130(°)/s,汽车的动力性和操纵稳定性严重变差。

由图7和图9可以看出,有驱动控制时,汽车起步加速过程中驱动轮轮速和车速相差不大,驱动轮过度滑转均得到有效控制.随着方向盘转角的输入,1s后汽车进入圆周运动工况,内侧驱动轮驱动力50N,外侧驱动轮驱动力150N,内侧驱动轮轮速维持在10km/h,外侧驱动轮轮速保持在14km/h,汽车2驱动轮保持电子差速功能.10s后方向盘开始回正,12s后方向盘转角由180°变为零,汽车进入直线行驶工况,2驱动轮驱动力矩再次增大,车身速度再次提高,最高速度达到52km/h.随着方向盘转角的输入,车身横摆角速度先增大后减小,最大达到30(°)/s,到汽车直线行驶时,车身横摆角速度恢复到0。

4  结论

本项目依据分布式驱动电动汽车的驱动特点，进行了电动汽车电子差速控制、驱动防滑控制和横摆力矩修正等驱动集成控制研究，设计了电动汽车驱动集成控制策略，基于改进阿克曼汽车转弯模型设计了电子差速控制算法，基于汽车转弯驱动轮滑转率修正算法和模糊PID控制方法设计了汽车驱动防滑控制器，并针对汽车转弯时容易发生侧滑，采用PID控制方法进行了汽车转弯横摆力矩修正.最后基于 Simulink 和 Car-sim建立的联合仿真模型，进行了以驱动轮转矩为控制量的低附着路面大油门加速典型工况仿真实验，仿真结果表明，无控制时，车速低于10 km/h，转弯工况汽车严重侧滑，车身横摆角速度波动很大达130（°）/s；而有控制时，车速达到52km/h，转弯工况车身姿态得到有效控制，车身横摆角速度最大为30（°）/s。

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