基于SIMULINK的轮毂电机电子差速旋转控制系统设计仿真

田字

摘要：基于轮毂电机驱动电动汽车可单独控制驱动轮，所以在保障灵活性时，进一步提高了电机电子控制要求。据此文章基于SIMULINK设计了轮毂电机电子差速旋转控制系统，以特殊试验工况检验了控制系统具体效果，即以Matlab软件设计构建Simulink仿真模型，以此针对仿真结果与系统实际控制效果做了对比。得出结论，电子差速旋转控制系统可快速有效辨别路面状况与行驶工况，在直线行驶于对接路面状态是，系统可控制两驱动车轮滑转率于理想范围，从而切实发挥汽车驱动力;系统可实现汽车转向时两驱动轮差速控制，两轮毂电机转速与转向模型的转速要求相符，误差可控制于要求标准内。

关键词：SIMULINK;轮毂电机;电子差速旋转控制

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0142-04

0引言

在车辆直线运行状态下，车轮没有出现打滑现象时，左侧与右侧轮胎转矩相等。机械差速控制系统可有效解决车辆转向时的内轮与外轮转速不一致，然而此转向系统存在一定缺陷。电动汽车中缩减大量不必要机械装置，且驱动轮可基于电机进行独立控制，实现不同转速状态。而以轮毂电机驱动为载体的电动汽车集中电机于车轮，在悬架固定电机主轴，通过外转子电机带动车轮旋转。所以本文面向电动汽车，进行了电子差速旋转控制系统设计。

1电子差速旋转控制系统总框架

在车辆行驶时，都会经过直线行驶与转弯行驶，就直线行驶有效发挥汽车驱动力，转弯行驶保障车身转向稳定作为目标，同时顾及车辆行驶时的横摆运动特征，设计了变滑转率与横摆运动相结合控制的电子差速旋转控制系统。其中基于模糊控制算法设计变滑转率控制系统，基于PI控制算法设计横摆运动控制系统。电子差速旋转控制系统总框架具体如图1所示。

变滑转率控制系统通过辨别路面参数，获取车辆行驶两驱动轮目标滑转率于地面纵向峰值附着系数，内控系统就行驶工况、路面状况、驱动轮行驶形态为依据，面向滑转率作出正确决策以控制车轮，且以模糊控制器为载体进行车轮转矩调节量计算;横摆运动控制系统通过车辆二自由度理想模型进行车辆行驶理想横摆角速度计算，对比角速度与整车模型所反馈横摆角速度，基于PI控制算法获得所需增加于质心的横摆控制力矩，以适度调整横摆运动;差动驱动控制系统有机结合前两者系统，通过特制转矩分配算法合理分配驱动轮转矩，促使所输出驱动转矩满足车辆行驶差速不滑转要求，并保障车辆行驶平稳性，从而确保了车辆操纵稳定性与可靠性。

2电子差速旋转控制系统结构设计

控制系统结构主要为上位机一下位机，基于传感器总线进行通信。系统主程序初始化处理器，即处理器引脚设置、初始化芯片与变量、获取速度与转向角信息、数据传输处理。主程序流程具体如图2所示。

在程序运行初始阶段，先初始化芯片与变量。一旦程序发生错误则快速报错，而程序无误时则持续获取变量，即行驶速度与方向盘转向角，以模糊规则表为辅助模糊化变量，基于模糊控制算法对轮毂电机转速进行计算，就传感器总线传送所获处理之后的数据于下位机。下位机负责就系统主程序所传输数据信息，调节轮毂电机转速。通过调节输入于功率电路的PwM波占空比，实现电机输入电流与电机转速调整。在车辆转向时，上位机就车辆速度、方向盘转向角，计算驱动轮所需转速，同时传输于下位机实施。下位机以双闭环控制模式加以调节电机转速。基于霍尔传感器方波信号频率进行电机转速计算，即：

3系统仿真分析

3.1构建仿真模型

电子差速旋转控制系统包含变滑转率控制系统、横摆运动控制系统、差动驱动控制系统3模块。变滑转率控制系统与差动驱动控制系统基于Matlab Fcun.tion模块进行程序代码编写;横摆运动控制系统PI控制器环节基于Simulink Liabray模块库的PID控制器构建。

3.2结果分析讨论

3.2.1突变路面识别与响应能力试验

设定对接路面为工况，进行突变路面识别与响应能力试验。所谓对接路面即车辆由高转到低附着系数路面行驶，以此工况试验电子差速旋转控制系统的突变路面快速识别与响应能力。其中，高附着系数路面最大纵向附着系数即0.9;低附着系数路面最大纵向附着系数即0.3;车辆先于高附着系数路面启动，直线行驶，在2.5s时，突然转入低附着系数路面;仿真时间为5s。仿真结果具体如图4、图5、图6所示。

由于直线行驶时，驱动轮转矩变化一致，所以只分析一个驱动轮。由图可知，在系统不发挥作用时，车辆从高附着系数路面突然转向低附着系数路面的时候，车轮滑转率快速变化，车轮瞬时滑转，这时一旦侧向扰动出现，就会导致车辆方向失稳，极易造成侧滑甩尾现象。在系统充分发挥作用时，车辆从高附着系数路面突然转向低附着系数路面的时候，在2.5s时车轮滑转率突然出现巨大浮动，然而大概在0.5s之后，浮动幅度缓缓缩减，且快速将其稳定于理想范围。

由图可以看出，在系统不发挥作用时，路面发生突然变化，其中地面的纵向附着系数明显迅速下降，这就代表驱动力没有得到有效发挥。在系统充分发挥作用时，在大约2.5s时，地面纵向附着系数出现较大的明显低谷期，这主要是因为行驶时路面骤然改变，车轮行驶力超过地面附着力，车轮滑转率迅速增大，导致车轮实际滑转率与目标滑转率出现过大误差，造成系统输出过大转矩调节量，使得驱动轮转矩迅速下降，但是系统同时快速调节车轮转矩，在大约0.5s之后，地面纵向附着系数稳定于最大系数区域内，短时间有效调节，所以对于车辆稳定性能影响并不突出。

由图可知，系统未控制时，右驱动轮转矩为输入转矩的一半。在系统加以控制时，在2.5s路面骤变时，系统开始减量控制驱动轮转矩，只耗费了1s便实现了调节向系统稳定的转变，这就说明系统可有效辨别外界路面变化状况，可迅速调节车轮滑转率，響应能力良好。

在转向角是常数时，驱动轮转速在车速影响下呈现线性增加趋势。在汽车转向时，驱动轮实际转速与理论转速误差较小，这就表明系统与设计要求相符。

4结语

综上所述，文章基于sIMuuNK设计了轮毂电机电子差速旋转控制系统，并以Matlab软件为载体进行了仿真分析，结果表明，电子差速旋转控制系统可快速有效辨别路面状况与行驶工况，在直线行驶于对接路面状态是，系统可控制两驱动车轮滑转率于理想范围，从而切实发挥汽车驱动力;系统可实现汽车转向时两驱动轮差速控制，两轮毂电机转速与转向模型的转速要求相符，误差可控制于要求标准内。