电动汽车运动控制系统的设计与实现

点击数:533 发布时间:2010-08-04

  0 前言

  本文在现有动力控制方法基础上,设计并实现了一种电与双后轮独立驱动相结合的模型电动车系统。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。

控制功能结构框图

  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。

双电机协调控制方框图

  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。

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。