摘要：針對分布式驅(qū)動電動汽車多電機(jī)協(xié)調(diào)控制問題，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)電動汽車在不同狀況下驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的合理分配。在Matlab／Simulink中建立了汽車動力學(xué)和永磁無刷直流電機(jī)相結(jié)合的仿真模型，仿真結(jié)果表明四個驅(qū)動電機(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，電動汽車驅(qū)動方式有集中式驅(qū)動[1]與分布式驅(qū)動[2]。集中式驅(qū)動（簡稱軸驅(qū)）電動汽車保留機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)和差速裝置，能量傳遞效率低。分布式驅(qū)動（簡稱輪驅(qū)）電動汽車傳動鏈短、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，通過優(yōu)化驅(qū)動力和制動力，降低汽車能耗，提高主動安全性。為了提高分布式驅(qū)動電動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)問題。以后輪驅(qū)動電動汽車為研究對象，一側(cè)增加驅(qū)動扭矩，另一側(cè)相應(yīng)地減小驅(qū)動扭矩來實(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)動電機(jī)在不同行駛工況下的驅(qū)動效率，合理分配四輪驅(qū)動力矩，控制整車消耗能量最少。

本文采用外轉(zhuǎn)子式永磁無刷直流電機(jī)（BrushlessDCMotor,BLDC）作為驅(qū)動電機(jī)，以車輛正常行駛時四輪轉(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的直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁無刷直流電機(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個車輪沿輪方向的縱向速度（i=fl,fr,rl,rr）；

R:電動汽車質(zhì)心繞轉(zhuǎn)向中心O點(diǎn)的運(yùn)動半徑；

δ1:內(nèi)輪縱向角；

δ2:外輪縱向角；

β:電動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，車體上所有的點(diǎn)都應(yīng)圍繞整車的瞬時轉(zhuǎn)向中心做等角速度ωa的圓周運(yùn)動，不考慮輪胎自身參數(shù)變化和垂直載荷變化對側(cè)偏剛度的影響可以求得各驅(qū)動輪縱向速度的線性關(guān)系：

聯(lián)立公式(1)、(2)和(3)求解4個車輪的實(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的直接轉(zhuǎn)矩控制，主電路拓?fù)洳捎萌嗳珮蚰孀冸娐罚嗔鶢顟B(tài)、兩兩導(dǎo)通模式[10]。對于轉(zhuǎn)矩觀測過程，將電機(jī)三相電流和反電勢進(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軸反電勢和β軸反電勢，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，得到反電勢的離散化估測算式[11]:

其中，Ts為采樣時間；z為高頻開關(guān)信號；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)的估測電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的觀測。

2.3協(xié)調(diào)控制策略

考慮到分布式驅(qū)動電動汽車工況的多樣性，在協(xié)調(diào)控制層中虛擬主控制器以永磁無刷直流電機(jī)的的運(yùn)動方程為基礎(chǔ)，對駕駛員給定速度和車輛總的驅(qū)動轉(zhuǎn)距進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，使車輛穩(wěn)定運(yùn)行，永磁無刷直流電機(jī)的的運(yùn)動方程為式（7）：

其中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；

B為黏滯摩擦系數(shù)。

分布式驅(qū)動電動汽車多電機(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轉(zhuǎn)角信號，當(dāng)車輛行駛狀況發(fā)生改變時，驅(qū)動電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩比較，通過虛擬主控制器與Ackermann轉(zhuǎn)向模型對期望轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，與執(zhí)行層結(jié)合重新分配驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，確保車輛總驅(qū)動力不變或接近駕駛員的驅(qū)動力需求，車輛穩(wěn)定運(yùn)行。分布式驅(qū)動電動汽車多電機(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)動電動汽車多電機(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)動輪估測的最大轉(zhuǎn)矩，Ti*，Tj*為驅(qū)動輪初始轉(zhuǎn)矩指令，Tj為補(bǔ)償后狀態(tài)良好的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩分配值，Tiz*為驅(qū)動輪最終轉(zhuǎn)矩指令（i,j=fl,fr,rl,rr且i≠j）。

駕駛員初始駕駛意愿對應(yīng)的參考轉(zhuǎn)矩為T，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)動輪是否狀態(tài)良好，若良好，則轉(zhuǎn)矩分配值仍為0.25T，檢測驅(qū)動輪初始轉(zhuǎn)矩指令與估測轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，將故障驅(qū)動輪損失的動力DT補(bǔ)償給狀態(tài)良好的驅(qū)動輪。將補(bǔ)償后狀態(tài)良好的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩分配值Tj與估測的最大允許轉(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)動輪損失的驅(qū)動力分配給狀態(tài)良好的驅(qū)動輪，從而保持總的驅(qū)動力保持為駕駛員意愿的驅(qū)動轉(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，在1s時突加負(fù)載至25N?m，在2s時突減負(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，具有良好的動態(tài)響應(yīng)；轉(zhuǎn)速有波動，但是可以較快調(diào)節(jié)至400r/min。

圖6驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速

圖7驅(qū)動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

圖8驅(qū)動輪速度

從圖6至圖8可以看出，1s時汽車左轉(zhuǎn)，縱向速度保持在36km/h左右，左側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和速度減小，右側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和速度增大，同時左側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩減小，右側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩增大，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)協(xié)調(diào)。

4結(jié)論

分布式驅(qū)動電動汽車是電動汽車的重要發(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)動電動汽車的發(fā)展。本文說明了分布式驅(qū)動電動汽車的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，對電動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，四個驅(qū)動電機(jī)的協(xié)調(diào)控制性能良好，驗證了該控制策略有效性。