沈 建，王云超，徐 坤

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 ，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的逐漸成熟，以及線控技術(shù)的迅速發(fā)展，分布式驅(qū)動成為電動汽車新的研究熱點(diǎn)[1]。分布式驅(qū)動電動汽車采用4個(gè)獨(dú)立的電機(jī)來驅(qū)動4個(gè)車輪，提高了傳動系統(tǒng)效率，節(jié)省了底盤空間[2]。通過控制算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，這種方式可以加快各車輪的響應(yīng)速度，更好地實(shí)現(xiàn)車輛動力學(xué)控制[3]。分布式驅(qū)動電動汽車的關(guān)鍵是開發(fā)整車控制系統(tǒng)，為了最大利用其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，車輛需要通過整車控制系統(tǒng)對各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因而分布式試驗(yàn)樣車開發(fā)及其測控系統(tǒng)的研究十分必要。不少學(xué)者對分布式驅(qū)動電動車輛做了大量研究，馬高峰等[4]開發(fā)了基于CarSim/Simulink的分布式驅(qū)動電動汽車仿真模型；張媛媛[5]將夏利汽車改造為輪邊電機(jī)分布式驅(qū)動的電動車輛，采用dSPACE作為整車控制器，以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制；武冬梅[6]在改裝后的4輪輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車上，以MicroAutoBox為原型控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對其改裝車輛進(jìn)行了直行和轉(zhuǎn)彎的工況試驗(yàn)，驗(yàn)證其在驅(qū)動控制策略中提出的車輪力矩分配方法，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與安全的分布式驅(qū)動電動汽車動力學(xué)綜合控制策略，但是開發(fā)成本相當(dāng)昂貴，且在原有的車型上改裝較為困難。本文利用自主搭建的分布式驅(qū)動電動車輛試驗(yàn)平臺，基于LabVIEW開發(fā)了分布式驅(qū)動電動車輛測控系統(tǒng)。利用快速控制原型技術(shù)[7-9]，依托此試驗(yàn)樣車平臺進(jìn)行了電子差速策略的研究，驗(yàn)證了搭建的試驗(yàn)樣車的動力性能，以及控制系統(tǒng)的電子差速的有效性。

1 分布式驅(qū)動電動車輛試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

為滿足分布式車輛控制系統(tǒng)研究的要求，所設(shè)計(jì)的樣車必須具備以下功能：1)4個(gè)輪轂電機(jī)共同驅(qū)動；2)可以完成各輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、方向盤轉(zhuǎn)向角信號的采集；3)各驅(qū)動電機(jī)融合協(xié)同控制；4)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動控制算法驗(yàn)證；5)測控平臺具有快速更新與移植控制策略功能；6)能夠快速響應(yīng)駕駛員的控制指令，監(jiān)測車輛行駛狀況。

根據(jù)試驗(yàn)樣車平臺功能要求，本文對自主設(shè)計(jì)開發(fā)的4輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的動力系統(tǒng)進(jìn)行配置。該系統(tǒng)主要由霍爾傳感器、輪轂電機(jī)、整車控制器以及動力電池等組成，整車配置示意圖如圖1所示。

考慮到載荷的分布，前后軸配套各占50%，實(shí)際的鋰電池位置位于車輛中心。另外，為了避免電力系統(tǒng)對控制信號的干擾，本設(shè)計(jì)平臺將電源線與信號線分開走線，且用屏蔽層隔絕。為了盡可能減小信號衰減，將電機(jī)控制器分布在電機(jī)四周，整車驅(qū)動力ECU控制器布置在4個(gè)驅(qū)動器中央。分布式驅(qū)動電動車輛技術(shù)參數(shù)如表1所示，樣車試驗(yàn)平臺如圖2所示。

表1 分布式驅(qū)動電動車輛的技術(shù)參數(shù)

2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式驅(qū)動樣車測控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3所示，它由遠(yuǎn)程人機(jī)接口模塊、汽車電子ECU、驅(qū)動器和被控輪轂電機(jī)組成。ECU利用Simulink模塊庫搭建驅(qū)動控制策略，上位機(jī)基于圖形化編程軟件LabVIEW開發(fā)，作為編程和測控的主體，可以自定義觀測參數(shù)，可以調(diào)節(jié)被控制量，實(shí)現(xiàn)對控制策略的有效驗(yàn)證和更改。將數(shù)據(jù)采集卡插入工控機(jī)，用于快速采集功能模塊，連接電子陀螺儀，采集轉(zhuǎn)角(δ)、橫擺角速度(γ)以及車速(v)等信息。通過遠(yuǎn)程人機(jī)接口傳輸控制指令，糾正車輛的運(yùn)行姿態(tài)。

ECU控制器將接收到的車輛轉(zhuǎn)向角、車速等信號進(jìn)行處理，通過驅(qū)動控制策略的實(shí)時(shí)運(yùn)算，主控制器制定各輪目標(biāo)驅(qū)動轉(zhuǎn)速，將驅(qū)動信號傳送到各輪轂電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)電子差速，底層控制器運(yùn)行PID算法[10]，實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)驅(qū)動信號。電子差速綜合控制框圖如圖4所示。

整車控制器ECU負(fù)責(zé)控制策略的開發(fā)與執(zhí)行，需具有多輸入多輸出接口，在車輛運(yùn)行過程中，它接收駕駛員期望的車速及方向盤轉(zhuǎn)角信號，其輸出量包括目標(biāo)轉(zhuǎn)矩信號、目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號、功率開關(guān)信號等。因而選用基于Freescale Mpc55系列微處理器開發(fā)的汽車ECU控制器。在電動車輛控制策略的開發(fā)過程中，該ECU能夠?qū)imulink搭建的控制算法通過自動代碼生成技術(shù)、代碼優(yōu)化技術(shù)下載到ECU實(shí)時(shí)處理器中，通過CAN總線信號與電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)控制算法的迅速更新與移植[11-13]。遠(yuǎn)程人機(jī)接口通過型號為BTP-2185-AIR10的北通阿波羅2代操縱手柄傳輸駕駛員控制指令，采用高通CRS芯片，使信號傳輸更加快速。選用KTC-150型位移傳感器，測量方向盤轉(zhuǎn)角，輸出電壓為0～5 V，重復(fù)精度為0.01 mm。使用Murata公司研發(fā)的Gyro電子陀螺儀，通過RS232總線傳輸車身姿態(tài)信號，其中包括橫擺角速度、航向角、俯仰角等。為獲得車輛運(yùn)動過程中實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號，選用基于ARM-Cortex-M3@F2MHZ處理器開發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動器，通過RS485讀取。

在上位機(jī)中采用LabVIEW軟件編寫分布式電動車輛測控系統(tǒng)程序，包括數(shù)據(jù)采集與輸出模塊、人機(jī)交互監(jiān)測模塊、車身控制模塊、操縱手柄通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。測控系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖5所示。圖5界面能觀測到駕駛員給出的期望方向盤轉(zhuǎn)角、車速等信號，并且可以采集車身橫擺角速度、俯仰角、航向角等車輛狀態(tài)信息?？紤]到試驗(yàn)樣車的安全性，采用無線操縱手柄傳輸駕駛員指令，因此在測控系統(tǒng)中加入了前后軸轉(zhuǎn)向緊急停止，以及各輪轂電機(jī)緊急制動等容錯(cuò)模塊，用來防止通過無線傳輸?shù)闹噶钪袛嘁约榜{駛員誤操作的危險(xiǎn)。

3 樣車試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所開發(fā)試驗(yàn)樣車平臺的有效性，選取了水泥路面做為試驗(yàn)場地在直線加速、右轉(zhuǎn)彎以及左轉(zhuǎn)彎等工況下進(jìn)行了樣車試驗(yàn)。

3.1 直行加速試驗(yàn)

在加速過程中測得的前輪轉(zhuǎn)角如圖6(a)所示，波動穩(wěn)定在0°左右。直線加速行駛至11.4 s時(shí)，右后輪遇顛簸路面，過一段時(shí)間，轉(zhuǎn)速跟蹤至需求轉(zhuǎn)速。由于各輪裝配的輪轂電機(jī)的制造誤差以及無刷直流電機(jī)低速啟動特性，所以在加速前段時(shí)間電機(jī)產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)速有波動，隨著車速的提高，這種現(xiàn)象逐漸消失，如圖6(b)所示。加速至30 km/h時(shí)，四輪轉(zhuǎn)速保持相對穩(wěn)定。試驗(yàn)表明：左后輪在加速過程中出現(xiàn)了較大超調(diào)，其他3個(gè)輪保持了平穩(wěn)的加速。

3.2 右轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)

如圖7(a)所示，試驗(yàn)樣車做直線加速，加速行駛至11.5 s時(shí)，給前輪20.5°向右轉(zhuǎn)角階躍信號，這里取向右為正，在車輛轉(zhuǎn)向過程中，ECU決策的電子差速算法實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)四輪轉(zhuǎn)速。如圖7(b)所示，在0～5 s加速過程中，出現(xiàn)了較大的超調(diào)，這主要跟加速信號輸入的不穩(wěn)定以及各電機(jī)低速特性有關(guān)。另外，在角階躍輸入過程中，右側(cè)輪在減速時(shí)出現(xiàn)了較大的波動，右后輪還存在較大的滯后。

3.3 左轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)

如圖8(a)所示，直線加速行駛至14.8 s時(shí)，給前輪19.3°向左轉(zhuǎn)角階躍信號。從圖8(b)中可以看出，車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，車輛能動態(tài)保持良好的差速關(guān)系，但在加速過程中，左前輪的轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，另外左側(cè)兩個(gè)車輪減速也有超調(diào)產(chǎn)生，并且左后輪存在較大的滯后，這主要與各電機(jī)加減速特性以及各電機(jī)合適的PID參數(shù)有關(guān)。結(jié)合右轉(zhuǎn)向工況試驗(yàn)結(jié)果，該測控平臺能夠?qū)φ嚳刂扑惴óa(chǎn)生的問題做相應(yīng)的評估，并對以后算法的改進(jìn)提供試驗(yàn)參考。

4 結(jié)語

本文在自主設(shè)計(jì)開發(fā)的4輪獨(dú)立驅(qū)動試驗(yàn)樣車的基礎(chǔ)上，基于LabVIEW軟件開發(fā)了分布式驅(qū)動電動車輛測控平臺，結(jié)合Matlab/Simulink，進(jìn)行了快速控制原型測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)設(shè)計(jì)的分布式試驗(yàn)樣車能夠進(jìn)行電子差速和車輛操縱穩(wěn)定性測試，并能夠?qū)ο鄳?yīng)的控制算法進(jìn)行評估，滿足設(shè)計(jì)功能要求，且具有友好的人機(jī)界面，能實(shí)現(xiàn)控制算法快速修改與移植；2)在分布式電動車輛控制策略開發(fā)過程中，利用快速原型的測控平臺能縮短控制系統(tǒng)開發(fā)的周期及成本；3)該樣車的測控平臺為將來整車控制策略開發(fā)及其操縱穩(wěn)定性和行駛平順性分析研究奠定了基礎(chǔ)。