林 鼎，謝博臻，朱紹鵬，馬浩軍

(浙江大學 動力機械及車輛工程研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

多輪獨立驅動電動汽車，又稱為分布式驅動電動汽車，其特點是每個驅動輪上都裝有輪轂電機或輪邊電機，通過電機直接帶動驅動輪轉動。這種驅動方式增強了車輛各驅動輪的獨立可控性，同時也省去了許多復雜的傳動機構，提高了傳動效率，節(jié)省了布置空間［1-2］。多輪獨立電驅動車輛由于各輪驅動力獨立、精準、實時可控，具有明顯的整車動力學優(yōu)勢。但同時，其行車安全性、穩(wěn)定性和動力性依賴于一個穩(wěn)定、可靠、高效的整車驅動控制系統(tǒng)。這個整車驅動控制系統(tǒng)包括軟件和硬件，主要負責車況、路況、駕駛員意圖等信息的采集、驅動控制策略的運算、各驅動輪驅動力的分配，是多輪獨立電驅動的核心和基礎。

基于V 模式開發(fā)流程，多輪獨立驅動電動汽車的驅動控制系統(tǒng)開發(fā)，第一階段是控制策略設計及離線仿真驗證，第二階段則是快速控制原型(RCP)測試［3］。RCP 測試相比于離線仿真，由于其被控對象是真實的，所以能夠更好的檢驗控制系統(tǒng)的實時性及有效性;而與用真實控制器進行控制測試相比，其又有能夠快速修改控制策略、縮短開發(fā)周期等優(yōu)勢［4］，目前已經廣泛運用在航空航天、汽車、發(fā)動機和工業(yè)控制等多個領域。

RCP 測試階段中一個很重要的環(huán)節(jié)就是虛擬控制器的建立。國外對于虛擬控制器的研究已經較為成熟，其中有代表性的有dSPACE、NI、MathWorks 等公司的設備，這些設備具有較高的實時性，能夠進行數據的快速采集和交換，也能夠實現控制策略的快速修改和更新，還能夠與常用的軟件，如Matlab/Simulink和LabVIEW 等實現無縫對接。國內方面，由于研究起步較晚，目前大多使用國外公司的這些設備，在科研領域中進行RCP 測試研究。哈爾濱工業(yè)大學、同濟大學、北京理工大學等都有使用dSPACE和Matlab/Simulink軟件結合，基于快速控制原型完成相關控制器開發(fā)的經驗［5-7］，西北工業(yè)大學則利用xPC 構造了分布式仿真環(huán)境，完成了導彈研制過程中的RCP 測試［8］。

本課題組基于V 模式開發(fā)流程，在之前的研究中已經對兩輪獨立驅動電動汽車的驅動力分層控制和電子差速控制進行了功能設計及離線仿真，完成了驅動控制系統(tǒng)開發(fā)的第一階段［9-11］。本研究基于NI CompactRIO 設計整車驅動力cRIO 控制器，通過搭建的后輪獨立驅動電動汽車試驗平臺進行驅動控制系統(tǒng)開發(fā)的第二階段RCP 測試。筆者設計的驅動力cRIO 控制器采用模塊化設計，可快速配置驅動力分層控制和電子差速等控制策略，為電動汽車驅動控制系統(tǒng)開發(fā)節(jié)省時間和成本。本研究通過驅動控制的RCP 測試，驗證所設計的后輪獨立驅動電動汽車的動力性及電子差速控制系統(tǒng)的有效性。

1 試驗平臺設計

1.1 設計目標

根據國標《GBT28382—2012 純電動乘用車技術條件》以及本課題組前期驅動控制功能設計及離線仿真的相關研究，制定電動汽車試驗平臺的設計目標。

動力性目標:

(1)驅動方式為后兩輪輪轂電機驅動。

(2)最高車速≥80 km/h，綜合工況續(xù)駛里程≥80 km。

(3)0 km/h～50 km/h 的加速時間≤10 s，50 km/h～80 km/h 的加速時間≤15 s。

(4)通過20%坡度的爬坡車速≥10 km/h。

控制系統(tǒng):

(1)作為整車驅動力控制系統(tǒng)的試驗平臺，需要能夠實現控制策略的快速更改。

(2)控制系統(tǒng)具有通用性，模塊化等特點，方便拆裝。

(3)能夠采集所需的駕駛員指令、車輛行駛狀況和路面狀況等信號。

(4)實時性能好(≤50 ms)。

1.2 整車布置

針對以上設計目標，本研究基于某公司量產的一款傳統(tǒng)燃油車，對其動力系統(tǒng)進行改造，開展整車布置。

本研究所設計的后輪獨立電驅動車輛驅動系統(tǒng)主要由傳感器、輪轂電機、控制系統(tǒng)以及動力電池等組成?？刂葡到y(tǒng)主要包括整車驅動力cRIO 控制器、輪轂電機驅動控制器、信號通訊3 部分。

總體結構方案如圖1 所示。

圖1 后輪獨立驅動電動汽車整車布置方案

考慮到載荷分布和日常維護，本研究將提供動力的動力電池放置于原來車輛放置發(fā)動機的位置，同時將繼電器保護系統(tǒng)、慢充、DC/DC和真空助力泵等部件也放置在前動力艙內。另外，為了避免電力系統(tǒng)對控制信號的干擾及信號衰減，本研究將整車驅動力cRIO 控制器和電機控制器布置在車輛尾部。

設計的整車試驗平臺如圖2 所示。

整車參數及相關的電機、電池參數如表1 所示。

表1 整車及電機電池參數

(續(xù)表)

2 整車驅動力cRIO 控制器

根據制定的關于控制系統(tǒng)的設計目標，整車驅動力控制器需要能夠實現控制策略的快速更改，因此該試驗平臺選用NI CompactRIO 嵌入式控制系統(tǒng)搭建的整車驅動力cRIO 控制器。整車驅動力cRIO 控制器不僅可以實現整車驅動力控制策略快速重新配置，而且可以選用不同的采集、輸出板卡，以接收和輸出不同形式的信號。

圖2 后輪獨立驅動電動汽車RCP 試驗平臺

2.1 cRIO 控制器總體結構

整車驅動力cRIO 控制器的總體結構如圖3 所示，其主要由上位機、虛擬控制器和被控對象組成。上位機作為編程和監(jiān)測的主體，可通過其圖形化編程軟件LabVIEW 開發(fā)控制策略、自定義顯示參數，實現對前期程序的有效編寫和調試。cRIO 控制器包含FPGA整車驅動力cRIO 控制器的總體結構如圖3 所示，其主要由上位機、虛擬控制器和被控對象組成。上位機作為編程和監(jiān)測的主體，可通過其圖形化編程軟件Lab-VIEW 開發(fā)控制策略、自定義顯示參數，實現對前期程序的有效編寫和調試。cRIO 控制器包含FPGA 模塊和實時系統(tǒng)。其中，FPGA 模塊作為快速采集功能模塊，可連接不同的板卡，采集駕駛員意圖、車況、路況等信號，輸出電機目標轉矩、運行狀態(tài)指令等信號。實時系統(tǒng)通過FIFO 或變量實現與FPGA 的數據交換，而與上位機的數據交換則通過網絡TCP/IP 協議實現。實時系統(tǒng)作為控制策略的載體，可運行實時性較高、運算較復雜的控制程序。

圖3 整車驅動力cRIO 控制器總體結構

2.2 cRIO 控制器硬件選型

整車驅動力cRIO 控制器負責接收、處理駕駛員指令、車況、路況信號及驅動力控制策略的運算，制定各輪目標驅動轉矩，并通過通訊協議向輪轂電機控制器發(fā)送轉矩、運行狀態(tài)、模式等控制指令。cRIO 控制器接收的信號包括油門踏板、方向盤轉角、車速、驅動輪轉矩、車輛X 向和Y 向加速度、橫擺角速度等信號。cRIO 控制器接收的各信號形式及選擇的I/O 板卡型號，整車驅動力cRIO 控制器接口定義及板卡選型如表2 所示;輸出的信號包括目標轉矩信號、正/反轉控制信號、使能控制信號等，輸出量及其相應的功能說明如表3 所示。

表2 整車驅動力cRIO 控制器接口定義及板卡選型

表3 整車驅動力cRIO 控制器輸出量

由于cRIO 控制器I/O接口具有可配置性，需要相應的電機控制器通訊協議才可使cRIO 控制器和電機控制器相匹配。在選擇好對應的板卡后，本研究將板卡嵌入到NI-CRIO 9023 的FPGA 面板中，并根據通訊協議采用對應的線束將傳感器與板卡進行連接，完成整車驅動力cRIO 控制器的硬件部分搭建。

2.3 cRIO 控制器軟件結構

整車驅動力cRIO 控制器的軟件部分在上位機中采用LabVIEW 編寫，主要包括上位機監(jiān)測控制模塊、FPGA 數據采集輸出模塊、FIFO 模塊、控制策略模塊、儲存模塊和容錯保護模塊等。

本研究所搭建的上位機監(jiān)測控制模塊如圖4 所示，對方向盤轉角、檔位信號等駕駛員輸入以及橫擺角速度、X、Y 向加速度等車輛狀態(tài)量都可以實時監(jiān)測;而控制策略的切換只需點擊左、右兩后輪之間的“H/A”切換按鈕，H 代表分層控制策略，A 代表電子差速控制策略。

控制策略模塊是軟件部分中的核心模塊，筆者在該模塊中建立了電子差速控制和整車驅動力分層控制兩種不同控制策略，通過條件語句來實現兩種不同控制策略的切換和選擇。

本研究在容錯模塊中定義了上電保護和檔位保護等，用于防止駕駛員誤操作而引起的危險。

圖4 上位機監(jiān)測控制模塊

3 試驗驗證

本研究通過裝有整車驅動力cRIO 控制器的后輪獨立驅動電動汽車試驗平臺，對車輛動力性及設計的電子差速控制策略進行測試。

試驗場地為路況較好的水泥路面，進行直行加速及左轉彎試驗。方向盤和油門踏板由駕駛員控制，所以試驗數據難免會存在抖動。

3.1 直行加速試驗

直行加速工況的一組試驗結果如圖5 所示。

從圖5(b)可看出，車輛左右輪從19 s 左右開始輸出轉矩，在23s 左右達到峰值，而后基本保持穩(wěn)定。方向盤雖然稍有抖動，但抖動范圍很小在10°之內，同時也由于方向盤抖動使得左右驅動輪的輸出轉矩稍有變化。車速從20 s 左右開始增加，到30 s 時達到最大值50 km/h。車輛10 s 內能夠從0 加速到50 km/h，已經達到了1.1 節(jié)設計的動力性加速目標。

圖5 直行加速試驗

3.2 左轉彎試驗

左轉彎工況的一組試驗結果如圖6 所示。從圖6中可看出，車輛在26 s 左右開始進入彎道，方向盤轉角在36 s 時達到最大值220°，方向盤轉角數值為負代表車輛左轉。油門踏板在轉彎過程中基本保持不變，車速在22 km/h～26 km/h 之間，基本保持勻速。觀察圖6(b)所示的兩驅動輪驅動轉矩可發(fā)現，當車輛開始進入彎道時，由于是左轉彎，左側驅動輪轉矩由40 N·m 減小為20 N·m，右側驅動輪轉矩由40 N·m 增大到60 N·m，電子差力效果明顯。彎道結束時，兩輪驅動力恢復相同。

由此可看出，電子差速控制策略在車輛左轉時能夠對驅動輪驅動力進行合理分配。

4 結束語

基于V 模式開發(fā)流程，本研究建立了電動汽車驅動控制系統(tǒng)的快速控制原型整車cRIO 控制器，通過后兩輪獨立驅動電動汽車試驗平臺，進行了快速控制原型測試試驗。試驗結果表明:

圖6 左轉彎試驗

(1)設計的后兩輪獨立驅動電動汽車試驗平臺能夠達到預期的設計目標，動力性能和控制系統(tǒng)均符合要求，且該試驗平臺能夠對整車的各項數據進行有效觀測和采集，控制策略能夠實現快速修改，平臺具有通用性和可配置性。

(2)設計的電子差速控制策略能夠在車輛轉彎時較好的完成車輛內外側驅動輪的驅動力分配，有效提高車輛在轉彎時的穩(wěn)定性。

(3)通過快速控制原型測試可以快速優(yōu)化和驗證電動汽車驅動控制策略，縮短驅動控制系統(tǒng)的開發(fā)時間及成本。

在今后的研究中，一方面還將繼續(xù)做大量快速控制原型測試試驗，對驅動控制策略及試驗平臺進行優(yōu)化;另一方面將基于V 模式開發(fā)流程，繼續(xù)進行電動汽車整車驅動控制器的“代碼生成及硬件制作”等開發(fā)工作。

［1］HORI Y.Future vehicle driven by electricity and control—research on four-wheel-motored“UOT electric march II”［J］.TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRON ICS，2004，5(51):954-962.

［2］NAM K，FUJIMOTO H，HORI Y.Lateral stability control of in-wheel-motor-driven electric vehicles based ［J］.TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY，2012，5(61):1972-1985.

［3］丁榮軍.快速控制原型技術的發(fā)展現狀［J］.機車電傳動，2009(4):1-3，15.

［4］賀 萍，董鑄榮，韓承偉，等.純電動汽車綜合性能試驗臺的國內外現狀與改進［J］.機電工程，2014(9):1231-1234，1238.

［5］于金泳，劉志遠.基于快速控制原型的ABS 控制器開發(fā)［J］.汽車技術，2006(12):20-24.

［6］沈悅明，陳啟軍.dSPACE 快速控制原型在機器人控制中的應用［J］.機器人，2002(6):545-549.

［7］鄒 淵，孫逢春，張承寧.電傳動履帶車輛雙側驅動快速控制原型開發(fā)［J］.北京理工大學學報，2007(1):29-33.

［8］楊向忠，安錦文，崔文革.快速控制原型仿真技術應用［J］.航天控制，2009(2):72-75，80.

［9］吳志軍.多輪獨立驅動電動汽車驅動控制系統(tǒng)設計［D］.杭州:浙江大學機電工程學院，2014.

［10］邱斌斌，朱紹鵬，馬浩軍，等.電動車輛驅動控制系統(tǒng)仿真測試平臺設計［J］.浙江大學學報:工學版，2015，49(2):1-6.

［11］朱紹鵬，邱斌斌，吳志軍，等.兩輪獨立驅動電動汽車的驅動力控制策略研究［C］.2013 中國汽車工程學會年會論文集，2013:1-11.