电动汽车驱动防滑控制方法对比分析

电动汽车驱动防滑控制方法对比分析张兆良同济大学中德学院，上海200092【摘要】首先概述了电动车整车系统动力学控制的特点，再者对比分析了PID控制、模型跟踪控制以及动态自寻最佳滑转率的滑模变结构控制三种驱动防滑控制算法的优缺点，最后对后两种控制方法的鲁棒性进行对比分析，得到了动态自寻最佳滑转率的滑模变结构控制抗干扰性较强的结论。【ABSTRACT】FIRSTLY，THECHARACTERISTICFORTHESYSTEMDYNAMICCONTROLINEVISINTRODUCEDTHEN，THEADVANTAGEANDDISADVANTAGEOFTHREECONTROLALGORITHMFORASRANTISLIPREGULATIONARECOMPARED，WHICHAREPIDCONTROL，MFCMODELFOLLOWINGCONTRO1ANDVSCVARIABLESTRUCTURECONTRO1WITHTHEFUNCTIONOFTRACKINGTHEOPTIMALSLIPRATIOAUTOMATICALLYLASTLY，THEROBUSTNESSBETWEENMFCANDVSCARECOMPAREDTHERESULTSHOWSTHATVSCHASASTRONGERROBUSTNESSTHANMFC【关键词】电动汽车防滑控制分析DOI103969JISSN10074554201102030前言随着中国汽车保有量的不断增加，按照欧美发展模式复制中国汽车工业的发展必然会导致石油储备问题以及环境保护问题的日益尖锐，因此研发节能与环保的汽车已成为业内共识。电动汽车使用电能作为驱动能源，在使用阶段可以做到零排放，在获取电能方面，相信随着太阳能技术、水利技术等可再生能源应用的日益广泛，电能的获取也将摆脱燃烧煤炭、石油等化石能源污染环境的问题。同时，在传统内燃机汽车领域内，国内外由于积累程度不同，导致技术差距较大，短时间内完成赶超困难较多，而在新能源汽车领域，国内外几乎在同时期起步，某些技术还有所领先，在此基础上通过持续研发，实现对国外汽车技术的弯道超车还是可以预期的。收稿日期20100727上海汽车2011021电动车系统动力学控制特点相对于内燃机驱动的汽车而言，电动机的外特性曲线是低速状态恒扭矩，高速状态恒功率，这就非常符合车辆的行驶工况需求，在起步阶段需要较大的、持续的驱动力矩；而在高速阶段，需要较大的输出功率。现将采用四轮轮毂电机驱动的电动汽车在汽车动力学控制的优势罗列如下1可获得的信息多。相较于传统内燃机驱动车辆的驱动防滑控制来说，基于四轮轮边驱动电动汽车的每个车轮的驱动力矩值可以被准确回馈读出，同样，也可以利用控制电机的电流值来控制每个车轮的驱动力矩，这就为各种现代控制方法在基于四轮轮边驱动系统上的应用扫除了障碍。如果再能配合角速度传感器的信号值，就可以实现路面附着系数，车速等信息的估计值。这是传统车辆所不具备的。2响应速度快。电动机的相应时问通常在10MS的数量级上，滞后时间基本可以忽略不计。但对于传统内燃机驱动车辆来说，调节内燃机的输出力矩往往需要通过机械机构来实现，诸如减少节气门开度等，由此出现了相应时间急剧增加，危险工况也就更容易出现。3从控制角度来说，传统内燃机驱动的车辆从获取各种传感器信号到输出驱动力矩的调节结果这个过程中存在大量复杂的非线性关系，且影响输出力矩的因素众多。这就为构建数学仿真模型带来了巨大的困难。而电机的输出力矩与输入电流存在一定的对应关系，故构建电机数学模型简单很多。各种仿真结果也能更贴近实际应用过程。因此可以认为，基于四轮轮边驱动电动汽车可按照每个车轮的情况各自独立调节其轮毂电机的输出力矩，方便地实现电子差速，其整车的动力学性能更加优异。当然，基于轮毂电机四轮驱动系统的电动汽车控制也因为现有相关零部件技术的原冈，其发展受到一些制约。1由于电池能量密度较低，电车续驶里程受到一定影响，维持一定距离的续驶里程所需电池的体积与重量都很大；2由于电机的布置空间较小，电机尺寸受到限制，这就影响了电机输出力矩值。2控制策略对于传统的内燃机车来说，其实现驱动防滑控制算法的方法主要有发动机输出扭矩调节；驱动轮制动力矩调节；差速器锁止控制；离合器或变速器控制。而其控制策略则主要是逻辑门限值控制。逻辑门限值控制方法不涉及被控系统的具体数学模型，便于实现对非线性系统的控制，所以被广泛采用，但是它的控制逻辑比较复杂，波动较大，控制系统的各个门限值都是通过反复试验获得的经验数据，特别是在道路识别方面，由于设定的经验值无法L2完全还原轮胎附着系数特性曲线，故可认为其设定的经验值没有充分的理论依据，而且也存在极大的不确定性。因此其虽然有一定的实用价值，但其还有值得改进与商榷的地方。对于电动汽车的驱动防滑控制策略来说，有一点是传统内燃机车所无法比拟的，那就是车轮上的驱动力矩可以很容易地获取，同样也可以很方便地加以控制。这就使得驱动防滑算法不再局限于以角速度与角加减速度为主要控制变量的逻辑门限值控制方法，而是可以依托现代控制理论的发展，构建出各类控制算法。这些方法总结起来可以分为两类，即其是否以滑转率作为控制目标。滑转率作为反映轮胎状态的重要参数指标，直接决定了轮胎与路面间的利用附着系数的大小，可以直接反映行车的安全性。但滑转率的计算需要知道车轮的纵向速度，而纵向速度的获取只有通过一定的算法来间接得到，因此其不具备实际性，再者，再完备的算法同样也存在一定的误差。因此控制目标是否是滑转率，直接决定了该类控制方法适用范围，以及准确程度。在此介绍3种具有一定实际实车应用价值的控制方法。21PID控制方法该类控制方法是对滑移率信号的反馈值与设定的理想滑移率值之差进行比例、积分与微分的运算，最后按照设想来输出修正的力矩信号，将其作用于被控对象，以完成整个控制过程，其核心思想在于将滑转率控制在预先设定的值上。相对于逻辑门限值的控制方法，PID的控制方法显然较为平稳，可以避免轮速的大幅度波动。但该方法仍然无法避免对道路情况的辨识，同时也需要对车轮纵向速度的估计，以分别获取参考的最佳滑转率以及当前的车轮滑转率。现今常用的是适用02作为路面的最佳滑转率，由于最佳滑移率在不同路面上的值会发生一定的变化，通常存在520的差别，因此单纯设定一个平均值或经验值作为驱动防滑时的最佳滑转率无法实现最佳控制效果。其控制原理框图如图1所示。需要指出的是，PID控制策略较为简单，控制器的设计可以归结为对比例、微分与积分3个参数的设计，并且其参数调节规律也已经成熟，因此上海汽车201102图1PID控制框图在实际工程领域还是存在一定的应用价值，当然，这都是要能在实现路面辨识的前提下。即PID的控制参数需要随着不同路面而发生变化，这就是在低附着系数的路面与高附着系数路面的情况下，PID的3个控制参数可能截然不同。要想在实际情况下应用，就不得不使PID的参数能够根据路面情况进行自动在线调整，这就在一定程度上限制了PID的实际应用。对于需要跟踪最佳滑转率的控制方法来说，本文不推荐使用其它控制方法，因为从控制角度来说，PID方法最简单易行，且效果明显，需要解决的是上文所说的对于不同路面能够改变控制参数的问题，也就是说，PID方法的应用完全依赖于对于路面的辨识技术的准确与否；还有就是需要估算当前的纵向车速，以完成对滑转率的估算。22模型跟踪控制方法模型跟踪控制由日本学者HIDEOSADO和SHINICHIROSAKAI等人最早提出J。它的最大特点是所用到的控制策略中不需要对路面附着系数的辨识以及车速信息的估算，从而可以大大减少控制器的工作量与成本，仅根据电机力矩和转速就能实现车辆的驱动防滑效果。其基本原理是对于单轮模型来说，车轮正常附着时，汽车的等效质量为14整车质量加上轮胎的质量；轮胎处于打滑状态的显著变化就是角速度的变化，当加速时，随着车轮打滑现象的出现，轮胎的角速度将明显小于标准模型输出的理想轮速。按照此原理，可以以该等效质量作为控制器中的参考模型，车轮在任一时刻的输出轮速均与参考模型输出的轮速相比较，以两者差值作为依据，采用简单的比例控制来调节电机力矩修正值的大小，进而避免车轮打滑，保证行车的安全性。其控制原理框图如图2所示。在实车运行中，车辆不可避免地存在载荷转上海汽车201102根据踏板产生的需求驱动力拒图2MFC控制框图移，因此上述控制器中理想参考模型中的等效质量必然会发生一定的变化，此时如果仍然以14整车质量加上轮胎的质量作为每个车轮控制的参考模型，则必然出现一定的偏差。对于模型跟踪控制来说，标准模型是决定该方法控制有效性的唯一变量，因此参考模型正确与否对于该控制方法来说至关重要。因此对使用模型跟踪控制方法来说，需要对车辆的质量进行参数辨识，然后在线时时修正参考模型，以防止车轮打滑。通过对该方法原理的分析，可以发现，模型跟踪控制方法标准模型的推导是以车轮滑转率为零作为前提条件的，通过前文的仿真分析也可发现，在附着系数较高的路面上，车轮的滑转率基本都稳定在零，而非稳定在最佳滑转率附近，这就表明车轮没有完全利用路面所能提供的附着力，特别是在高附着系数路面上，该控制方法对于驱动性能是一定的损失。模型跟踪控制方法，其控制变量为车轮的轮速，但当车轮轮速值出现异常时，此时车轮已处于轮胎滑转的非稳定区域，轮胎处于非稳定状态，此时有可能已经出现危险工况。因此需要对模型跟踪控制方法进行一定的改进，以使其能够起到一定的预防打滑趋势的作用。23动态自寻最佳滑转率的滑模变结构控制方法滑模变结构是一类特殊的非线性控制系统，其借助于理想开关的方式切换，不断变换切换控制量的符号和大小，使系统在很小的领域内沿滑模面运动。其具有较强的鲁棒性，该控制能增加系统的不确定性和外部扰动对系统的抗干扰能力。其鲁棒性能的主要体现就在于控制器的修正13医力矩值可以包含一定的车速估计误差值，但当该误差值如果过大时，则会导致系统在滑模面附近的高频抖振比较厉害，进而影响执行器在实际情况下的使用。控制原理框图如图3所示。罔3VSC控制框图对于等效力矩以及修正力矩值的获取，在很多文献上都已经有所捕述J，在此不再赘述，此处需要着重指出的是本文对于切换函数的改进。根据相关文献可以发现，传统的滑模变结构控制方法也是通过车轮的实时滑转率与设定的最佳滑转率之间的差值作为系统变结构的判别条件，这样这种方法与PID控制存在相同的问题，下文将介绍的滑模变结构控制方法将不再以两个滑转率之差作为系统改变结构的主要判别条件，而是以系统自动搜索出来的路面最佳滑转率来作为系统改变结构的主要控制方法，以此来规避滑转率的估计误差对于系统的影响。在实际的行车过程巾，往往存在不同的路面，如果对于不同的路面均需要辨识则比较麻烦，而且还会出现一定的误差。但通过轮胎实验可以发现，各种路面的最大纵向附着系数虽然不尽相同，但其滑转率路面附着系数的曲线形状基本是相同的，纵向附着系数总是先增加再减少。现将纵向附着系数对应的滑转率称为最佳滑转率，在最佳滑转率之前，纵向附着系数往往随着滑转率的增加而增加；在最件滑转率之后，纵向附着系数随着滑转率的增加而出现了下降现象。从图4所示的附着系数滑移率曲线，可以得到驱动防滑原则当0时，AA，需要减小A，以使车轮所处的状态可以获得更大的纵向附着系数，此时可减少车轮上的驱动力矩。依照单轮模型对上述判别条件进行等价变换，可以得到当二O,J，需要增加电动机驱动力矩；当二0时，需要保持电动机驱动力矩；VW一当0时，需要减小电动机驱动力矩。VW一W其中为车轮上的驱动力矩，NM；，为车轮转动惯量，KGM；W为车轮角速度，RADS；为车轮纵向车速，MS。虽然上述判别条件中还存在车轮的纵向车速，但考虑到滑模变结构控制器对于纵向车速已经有了一定的容错性，因此该控制方法的实用性还是较强的。24对于模型跟踪控制以及动态自寻最佳滑转率的滑模变结构控制的鲁棒性比较分析由于车轮滑转率是一个比较难以测量的量，同时对于路面最佳滑转率的辨识算法也可能在精度以及响应时间上求取平衡比较困难，因此本文上海汽车201102认为后两种不以滑转率作为主要控制参数的控制方法其拥有的适用范围更大，因此也就只对后两种控制方法的鲁棒性进行分析。在实车使用中，角速度信号通常通过角速度传感器获得，在实车使用过程中会受到各方面的皇一干扰，包括复杂的电磁干扰环境，故在实际情况中所获得的角速度信号通常会呈现出一定的波动。下文将对模型跟踪控制方法以及动态自寻最佳滑转率的滑模变结构控制方法的鲁棒性进行简单方针分析，具体是在离线仿真中，对角速度信号施加角速度及其干扰后的信号纵向车速与车轮轮速卅一前轮滑转率时间S纵向车速与车轮轮速前轮滑转率LLL。F妒_一一轮速F0L2345678910时间S上海汽车2011O2L的O一1时间S后轮滑转率1IX6LLIJ1I1NIC图5鲁棒性仿真结果下转第19页L5098765问时32OM98765问4时32O642O8642O24在实践运用中，因地制宜，结合自身实际情况，充分利用一切可用资源，做到互补互利，就一定能高效、及时地达到共赢目标。从长远来看，上海大众汽车在今后将更有效合理地将BOB用于优化模块和竞争性模块开发，一方面加强自身的开发能力和竞争实力，另一方面通过学习和应用来自供应商的专业经验和来自竞争对手的优势优点，采取相互结合，取长补短的综合方法，开发和设计出更有竞争性的模块，为新车型的自主开发建立坚实的基础。参考文献L奥克里斯蒂安舒，李瑞，等棋盘博弈采购法64种方法削减成本M北京中国物资出版社，20092陈春花超越竞争微利时代的经营模式M北京机械工业出版社，20073周海炜，等战略竞争情报M北京科学出版社，2008，124张左之竞争之道情报先行竞争情报论文集J上海科学技术文献出版社，2008，10女电电七七七七电七七七女七七七七女七七七七七七七七七七七七七七上接第15页一个能量为1KW的白噪声干扰，车辆模型在位于路面附着系数为02的路面上行驶得到的仿真结果，其信号干扰前后的情况如图5A所示。图5B所示是模型跟踪控制方法的仿真分析结果，从图中可以看出，控制器已经基本失效，整个驱动过程的滑转率已不受