基于CarSim和Matlab四轮独立驱动轮毂电机电动汽车驱动控制系统的研究

梅　鸣

（杭州电子科技大学机械工程学院,杭州 310018）

基于CarSim和Matlab四轮独立驱动轮毂电机电动汽车驱动控制系统的研究

梅鸣

（杭州电子科技大学机械工程学院,杭州 310018）

针对四轮独立驱动轮毂电机电动汽车驱动控制系统进行了建模与仿真，在传统PID的基础上引入SOA智能优化算法，最后验证了所建立的CarSim和Matlab车辆模型的合理性。

电动汽车；驱动控制系统；车辆模型；SOA智能优化算法

0　引言

近年来,绿色环保与可持续发展成为日益重要的发展理念。本文研究的轮毂电机驱动电动汽车在现有商用化电动汽车的基础上省略了减速器、差速器和传动轴等机械零部件部件，直接由整车控制器发出控制信号直接控制车轮，这样节省车内空间，更容易实现电动车的微型化、轻量化[1-2]。本文将CarSim中的内燃机模型和传动系统模型，修改为毂电机模型，在Matlab/Simulink中搭建电机模型和控制系统模块，在联合CarSim进行联合仿真。

1　四轮轮毂电机电动汽车建模

在Matlab/Simulink中搭建轮毂电机模型，去掉CarSim中的传统内燃机汽车模型，通过Matlab/Simulink和CarSim联合仿真，搭建出四轮独立驱动轮毂电机电动汽车整车模型。

1.1 轮毂电机建模

轮毂电机无刷直流电机，其主要由电机本体、霍尔位置传感器和电子逆变器构成。无刷直流电机数学模型形式可表示为：

其中ea，eb，ec分别表示定子a,b,c三相生成的梯形反电动势。电磁转矩方程为：

运动方程为

式中：Te为电磁转矩;w为电机角速度;Tl为负载转矩;J为转动惯量;B为黏滞摩擦系数;ua,ub，uc为绕组电压，ia，ib，ic为相电流;ea,eb,ec为相反电势;L为相绕组自感系数;M为相绕组互感系数。

式（1）、式（2）和式（3）共同构成了无刷直流电机的微分方程数学模型。采用基于SOA的PID控制算法来控制轮毂电机，

1.2 整车模型搭建

打开CarSim8.02软件，选择B-Class,Hatchback选项作为基准车辆，将CarSim中原有的内燃机模型改为4-wheeldrive（四轮驱动），其内容定义为选择Nodatasetselect方式，同时将四轮驱动转矩设置为车辆模型的输入量变量。

2　整车动力学控制器设计

基于PID的控制器技术问世至今有70多年，但在一般情况下，对PID的三个参数的取值是根据经验，再加上试凑出来的，本论文引用基于人群搜索算法来优化PID的参数整定。

2.1 SOA算法适度函数的选取

SOA智能算法在搜索进化中用适度值来评价解的优劣，用其解作为下一个搜寻个体的更新依据，经过多次迭代，最终达到最优解。目标函数如下：

式中，()et是系统误差，()ut是控制器的输出，1ω和2ω为权值。同时采用惩罚控制，一旦有超调产生，超调量就作为一项最优指标，其最优指标函数为下：

2.2 SOA算法个体位置的更新

用高斯隶属度函数表示了搜索步长的模糊变量：

试中：Au为高斯隶属度函数，而x为输入变量，u和δ为隶属度函数的参数。通过对人的利己、利他和预估行为分析，确定搜索方向，确定搜索方向和步长以后，可以得到位置更新算式如下：

2.3 SOA算法流程

适度函数和参数编码确定后SOA算法整定PID参数算法如下：（1）初始化个体和维度矩阵时，随机产生一个S×D的初始位置矩阵；（2）根据目标函数和最优指标函数计算个体的适度值；（3）每个个体位置与自己的历史最佳位置进行比较，记录最佳位置作为个体最佳位置；（4）每个个体最佳位置与种群最佳位置进行比较，记录最佳位置作为种群最佳位置；（5）根据位置更新算法，更新位置，如果没有达到结束条件，返回到（2）。

3　仿真分析

采用CarSim和Matlab/Simulink搭建的用于四轮独立驱动轮毂电机电动汽车控制系统仿真验证的平台。首先，SOA智能算法，实时的迭代出控制系统的最优参数，使得PID控制器能获得最优的控制性能，PID控制器根据目标车速实际工作状态，合理的给四个四轮分配力矩。为进一步验证所搭建的四轮独立驱动轮毂电机电动汽车模型的有效性，在CarSim中选择对应的传统车模型来对比，方向盘转选择有代表性的正弦波形来进行仿真实验，路面附着系数选择0.25，行驶速度为120km/h,无制动，档位控制选择AT6档。

4　结论

仿真结果可以很容易地分析得到，在论文中所建立的轮毂电机电动汽车模型与CarSim中传统汽车模型是比较接近，进入一步的验证了模型的有效性，通过引入SOA智能控制算法，也提高了电动汽车驱动控制系统的快速响应性能和鲁棒性能，该模型的搭建将为日后电动汽车整车控制算法的研究奠定了基础。

[1]Murata S.Vehicle dynamics innovation with in-wheel motor. SAE Paper,2011(39):7204.

[2]Sakai SHin-Ichiro,Sado Hideo,Hori Yoichi.Dynamic driving/ braking force distribution in electric vehicles with independently driven four wheels[J].Electrical Engineering in Japan,2002, 138(01):79-89.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.163

梅鸣（1988-），男，在读研究生，主要从事电动汽车轮毂电机驱动控制系统的研究。