双电机电传动车辆控制方法研究

李志文

摘要

为了改善双电机独立驱动的电传动车辆的直线行驶性及转向响应速度，以自主研发的双电机独立驱动系统为控制对象，提出了一种参数自整定控制算法，解决同类型车辆的直线行驶稳定性问题；并利用模糊控制工具箱建立了模糊控制策略，把驾驶员的转向意图解释为驱动电机的制动转矩，从而利用基于模糊的算法控制外部电机转矩，实现在稳定的转向控制基础上提高转向响应速度。

主题词：双电机；电传动车辆

1引言

在双侧电机独立驱动的电传动车辆中，两侧电机分别驱动两侧主动轮，取消了转向和变

速机构，通过实施控制两侧驱动电机动力输出控制现车辆直线行驶和转向。由于两侧主动轮之间不存在机构约束，使得车辆在直线行驶工况下有可能两侧主动轮到转速不同而导致车辆直线跑偏。直线行驶稳定性是衡量电传动车辆的一项重要指标。本文通过对左右两侧驱动电机的PID参数进行自整定，达到对双电机协同控制、提高车辆的直线行驶稳定性及转向响应快速的目的。

2系统组成

系统组成见图1。

                       图1  系统组成框图

 操控终端操控车辆的运动，平台控制器接收操控终端的加速、制动、转向信号，计算出左右两侧驱动电机下一时刻的控制目标转速和旋转方向，并与反馈的实际转速进行比较，通过PID实时调节车体左/右侧驱动电机的实际转矩，从而实现左/右驱动电机转速的闭环调节，确保左/右侧驱动电机转速跟随目标转速。

3直线行驶控制

    本文采用的双电机独立驱动的电传动车辆的行驶控制系统为双闭环结构，控制框图如图2所示。整车控制器是整车的核心控制单元，它通过CAN总线，与左右两侧电机控制器进行高速数据通讯。整车控制器通过采集到的加速、制动、转向、档位信号，计算出左右两侧驱动电机下一时刻的控制目标转速和旋转方向，并通过CAN总线发送给两侧驱动电机控制器；左/右驱动电机控制器分别根据接收到的控制目标转速和旋转方向，并与反馈的实际转速进行比较，通过PID实时调节车体左/右侧驱动电机的实际转矩，从而实现左/右驱动电机转速的闭环调节，确保左/右侧驱动电机转速跟随目标转速。

由于双电机驱动形式取消了传统的机械式差速器，所以保证车辆能够正常直线行驶的核心就是双电机的转速一致性。直线行驶时，整车控制器同时监控左右两侧驱动电机实际转速，当两侧驱动电机转速差超出设定范围时，通过转矩补偿控制策略，实时调整左右两侧驱动电机转矩（转速低的一侧增加转矩，转速高的另一侧减小转矩），从而实现左右两侧电机转速同步的协同控制。

图2  控制框图

     为了进一步提高车辆的直线行驶稳定性，本文对左右两侧驱动电机的PID参数进行自整定。PID控制中一个至关重要的问题是控制器的参数整定问题，即三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定，整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外，由于现代工业控制系统中存在着非线性和不确定性，这些因素能造成模型参数或模型结构的变化，使得原来整定的参数无法保证系统继续良好工作，这就要求PID控制器具有在线修正参数的功能 。

    本文采用基于Gauss算法的PID参数自整定控制策略 ，比例系数P与偏差（目标值与实际值的差值）成正比关系，积分时间I与偏差成反比关系，微分时间D与偏差成反比关系，有利于加快系统的响应速度，有效降低稳态误差，提高控制精度，提高转向灵敏度和缩短恢复时间。

采用Gauss 函数构造P、I、D增益函数，得到表达式为：

    式中， Kp0 、Ki0 、Kd0 为按常规PID控制器整定参数， K’p 、K 'i 、K"i 、K 'd 为修正系数，K’p主要取决于控制变量的限幅值和对象的稳定性， K 'p 越大，动态响应越快，但太大容易引起过大超调；e为速度偏差。

4转向控制

车辆的运动由两侧电机输出转矩决定。两侧电机转矩之和克服车辆的滚动阻力，决定了车辆的平均加速度；两侧电机转矩之差克服车辆滚动阻力矩、转向阻力矩的总和，决定了转向横摆率。如果可以随时控制电机的转矩差值，则可以根据驾驶员的意图来控制整个车辆的加速度和转向角加速度，并且可以实现按照预定的轨迹运动。这是转矩控制策略的基本思想。

    车辆控制主要包括速度手柄，转向手柄。数学模型的详细描述如下：

    速度手柄向平台控制器发送信号，给出驾驶员想要的车辆速度指令。速度手柄的旋转角度与最大行驶速度之间的关系定义如下：

   式中：

vs是当前对应的车速；

φ是前进手柄的旋转角度；

是前进手柄最大旋转转角；

和分别是车辆理论最大最小行驶速度。

转向手柄负责两个方面的功能，向前和向后推动手柄以控制车辆行驱动模式，向左右推动手柄以控制车辆转向。规定左转为负，右转为正。转向手柄的角位移与其最大角位移的比率对应于车辆的转向角速度：

    式中：

α是转向手柄转动角度；

和分别表示最大旋转角度以及转向手柄的自由行程角度。

5  结论

本文针对双侧驱动电机的电传动车辆的直线行驶跑偏的问题，提出了PID参数自整定控制算法，对比例系数P、积分系数I、微分系数D进行了自整定，能够在运行过程中实时调整左右两侧驱动电机转速，提高了直线行驶的稳定性，并成功应用于某双电机独立驱动的电传动车辆上。模糊控制减小了车辆转向时的动态响应时间，减少了车辆转向所需的时间，使车辆变得更加灵活。本文提出的控制策略可以实现车辆良好的转向性能，具有更好的稳定性，提高了转向动态响应能力。

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