基于电机精确扭矩计算的轮毂电机电动汽车主动安全新方法

【摘要】：采用扭矩响应快速而精确的电动机作为驱动力的来源,电动汽车在动力学控制和主动安全上有着一系列独特的优势。同时,对于电动汽车的车辆动力学控制来说,电机扭矩也是最重要的控制因素之一。电动汽车,尤其是采用了分布式驱动的电动汽车,选择安装在车轮内的轮毂电机的驱动方案,会导致电机面临一些非常严苛的工作环境,诸如极端的高温、低温和路面振动所带来的加速老化等,这对电机的性能和扭矩计算带来了很大挑战。在本文的研究中,通过对国内市场上有代表性的诸多中央驱动电机和轮毂驱动电机的实验测试发现,在普通工况下,采用电机扭矩与电枢电流成正比的传统方法可以得到准确的电机扭矩值;然而,在车辆运行中常会遇到的高温、低温、振动老化等严苛工况下,电机参数会发生变化,采用传统方法则不能得到精确的电机扭矩值。因此,在本文中,采用了Kriging方法来进行电机反电动势的在线计算,在此基础上得到电机的精确扭矩值,使得在电动汽车工作中常会遇到的高温、低温、振动老化等严苛条件下,都能准确得到电机的扭矩值。Kriging预测是一种基于采样点的信息的拟合和估算方法,在本文中,我们将电机的转速和转子的位置作为两个输入参数,电机的反电动势作为输出参数,建立了基于Kriging的反电动势计算模型。然后结合在电机控制中需要测量的三相电流值,计算出电机的精确扭矩。由于Kriging方法对采样点的需求量极少,电机的扭矩计算算法能够快速执行,因而能够在车辆的微控制单元(Micro Control Unit,MCU)中很方便的运行。仿真和实验的结果表明,采用Kriging方法在高温、低温、振动老化等严苛条件下都能得到精确的电机扭矩值,为后续轮毂电机电动汽车新型整车动力学控制和主动安全新方法提供精确的扭矩计算和反馈。本文基于在车辆行驶中的严苛情况下都能够得到的电机快速而精确的扭矩反馈,设计了轮毂电机电动汽车动力学控制和主动安全的新方法,使得电动汽车能够具有更高水平的安全性、更好的操纵性和更强的稳定性。本文中,在综合考虑了车辆和轮胎所受的各种外部阻力的情况下,提出了一个简单可行、高效率的电动汽车防滑控制新方法。这个方法是基于测算和控制一个新定义的参数——TA,即驱动电机的扭矩和车轮的角加速度两者之间的比值。这两个参数对于驱动电机来说,都可以通过非常简便的方法在电机控制的过程中获得,减少了所需的硬件,降低了成本。在考虑了车辆和轮胎所受的外部阻力的情况下,本文中把防滑过程分为加速和减速两种工况,分别证明了在这两种情况下车轮的滑移率和新提出的参数TA之间的单调关系。根据这个单调关系,就可以在防滑控制中用TA方法来代替传统的滑移率方法。本文在MATLAB/Simulink平台下进行了电动汽车TA方法控制方法的仿真,并且在配备四轮独立驱动轮毂电机的电动汽车上进行了实车测试。仿真和实验的结果都表明,参数化的TA方法可以有效的在防滑控制上代替传统的滑移率方法,实现良好的防滑控制效果。同时,由于电机扭矩和车轮角加速度是轮毂电机电动汽车车轮上最直接的输入和输出,因而该方法更加接近问题的本质,也有利于拓展到四个车轮上进行整车侧向动力学主动安全新方法的设计。基于电机有着快速而精确的扭矩响应这一重要特性和新提出的表征车轮运行状态的新参数TA,本文设计和讨论了适用于轮毂电机电动汽车的新型防侧翻控制的指数化方法——TAI方法,解决了传统防侧翻控制方法中各个车轮所承受的垂向载荷难以通过低成本的方法准确获取的问题。本文采用三层的电动汽车控制结构来进行基于TAI指数的高效防侧翻控制,并就其可行性、控制效果等与传统控制方案进行了比较。利用作者的研究团队共同开发的电动汽车动力学仿真模型进行了TAI指数化防侧翻控制方法在MATLAB/Simulink平台下的仿真,仿真结果表明了采用TAI方法进行侧翻检测的可行性。在本文的实验中,采用了作者的研究团队设计和制造的配备有四个轮毂电机进行驱动的模块化电动汽车实验平台,并将车辆参数和性能数据导入到具有工业界应用标准的车辆动力学分析软件CarSim中,用来进行危险性较高的侧翻实验。实验结果同样表明,新提出的TAI方法能够很好的实现车辆侧倾角的监测和侧翻的控制,减少了所需硬件,降低了成本,提高了安全性。