摘要：針對分布式驅動電動汽車多電機協調控制問題，采用以虛擬主控制器和電子差速控制為協調控制層，執(zhí)行層為基于離散滑模觀測的直接轉矩控制的多電機協調控制策略，實現電動汽車在不同狀況下驅動電機轉矩和轉速的合理分配。在Matlab／Simulink中建立了汽車動力學和永磁無刷直流電機相結合的仿真模型，仿真結果表明四個驅動電機的協調控制性能良好，證明了協調控制策略的可行性和有效性。

1引言

    目前，電動汽車驅動方式有集中式驅動[1]與分布式驅動[2]。集中式驅動（簡稱軸驅）電動汽車保留機械傳動結構和差速裝置，能量傳遞效率低。分布式驅動（簡稱輪驅）電動汽車傳動鏈短、傳動效率高、結構緊湊，通過優(yōu)化驅動力和制動力，降低汽車能耗，提高主動安全性。為了提高分布式驅動電動汽車行駛的安全性和操縱穩(wěn)定性，必須解決的關鍵技術問題。以后輪驅動電動汽車為研究對象，一側增加驅動扭矩，另一側相應地減小驅動扭矩來實現車輛直接橫擺力矩控制。依據電機效率MAP圖，結合驅動電機在不同行駛工況下的驅動效率，合理分配四輪驅動力矩，控制整車消耗能量最少。

    本文采用外轉子式永磁無刷直流電機（BrushlessDCMotor,BLDC）作為驅動電機，以車輛正常行駛時四輪轉矩相等為目標，采用以虛擬主控制器[8]和Ackermann-Jeantand轉向模型為協調控制層，執(zhí)行層為基于離散滑模觀測的直接轉矩控制的永磁無刷直流電機的多電機協調控制策略。

2多電機協調控制策略

2.1電子差速控制

    電子差速控制Ackermann-Jeantand電子差速模型為基礎，對駕駛員的期望速度進行合理分配。圖1為Ackermann-Jeantand電子差速模型[9]。

圖1Ackermann-Jeantand電子差速模型

    其中，Ri:4個車輪分別繞中心O的轉向半徑（i=fl,fr,rl,rr；左前輪，右前輪，左后輪，右后輪。）；

    vi:4個車輪沿輪方向的縱向速度（i=fl,fr,rl,rr）；

    R:電動汽車質心繞轉向中心O點的運動半徑；

    δ1:內輪縱向角；

    δ2:外輪縱向角；

    β:電動汽車縱向行駛速度和車輛行駛的夾角；

    L:前后軸距；

    a:質心到前軸的距離；

    b:質心到后軸的距離；

    B:后軸輪距。

    根據圖1所示的幾何關系可知，前輪內輪轉向角δ1和前輪外輪轉向角δ2之間存在著以下的幾何等量關系：

    假設車體為剛體，則車輛轉向行駛時，車體上所有的點都應圍繞整車的瞬時轉向中心做等角速度ωa的圓周運動，不考慮輪胎自身參數變化和垂直載荷變化對側偏剛度的影響可以求得各驅動輪縱向速度的線性關系：

    聯立公式(1)、(2)和(3)求解4個車輪的實際速度。則公式(4)即為所建立的電子差速模型。

2.2直接轉矩控制

    在執(zhí)行層中BLDC采用基于離散滑模觀測的直接轉矩控制，主電路拓撲采用三相全橋逆變電路，三相六狀態(tài)、兩兩導通模式[10]。對于轉矩觀測過程，將電機三相電流和反電勢進行Clark變換，得αβ坐標系下的電磁轉矩表達式（5）：

    其中，eα、eβ分別為定子繞組α軸反電勢和β軸反電勢，iα、iβ分別為定子繞組α軸電流和β軸電流，ω為機械角速度。

    采用離散滑模的方法，得到反電勢的離散化估測算式[11]:

    其中，Ts為采樣時間；z為高頻開關信號；ωcutoff為一階低通濾波器截止頻率。將式（6）代入式（5）即可得到電機的估測電磁轉矩，實現電磁轉矩的觀測。

2.3協調控制策略

    考慮到分布式驅動電動汽車工況的多樣性，在協調控制層中虛擬主控制器以永磁無刷直流電機的的運動方程為基礎，對駕駛員給定速度和車輛總的驅動轉距進行二次調節(jié)，使車輛穩(wěn)定運行，永磁無刷直流電機的的運動方程為式（7）：

    其中，TL為負載轉矩；

    J為轉子轉動慣量；

    B為黏滯摩擦系數。

    分布式驅動電動汽車多電機協調控制策略分為協調控制層和執(zhí)行控制層。協調控制層為駕駛員綜合加速踏板和方向盤轉角信號，當車輛行駛狀況發(fā)生改變時，驅動電機實際轉矩與期望轉矩比較，通過虛擬主控制器與Ackermann轉向模型對期望轉速進行調節(jié)，與執(zhí)行層結合重新分配驅動輪轉矩，確保車輛總驅動力不變或接近駕駛員的驅動力需求，車輛穩(wěn)定運行。分布式驅動電動汽車多電機協調控制框圖如圖2所示，轉矩協調控制流程如圖3所示。

圖2分布式驅動電動汽車多電機協調控制框圖

圖3協調控制流程圖

    其中，Tmaxi，Tmaxj為驅動輪估測的最大轉矩，Ti*，Tj*為驅動輪初始轉矩指令，Tj為補償后狀態(tài)良好的驅動輪轉矩分配值，Tiz*為驅動輪最終轉矩指令（i,j=fl,fr,rl,rr且i≠j）。

    駕駛員初始駕駛意愿對應的參考轉矩為T，在正常路面上四輪轉矩相等為0.25T。首先判斷前后軸距間轉矩是否為相等，判斷各驅動輪是否狀態(tài)良好，若良好，則轉矩分配值仍為0.25T，檢測驅動輪初始轉矩指令與估測轉矩進行比較，將故障驅動輪損失的動力DT補償給狀態(tài)良好的驅動輪。將補償后狀態(tài)良好的驅動輪轉矩分配值Tj與估測的最大允許轉矩值進行比較，確定最終的轉矩分配值Tiz*。將故障驅動輪損失的驅動力分配給狀態(tài)良好的驅動輪，從而保持總的驅動力保持為駕駛員意愿的驅動轉矩。

3仿真分析

    參考轉速給定400r/min，帶10N?m的負載轉矩啟動，在1s時突加負載至25N?m，在2s時突減負載至15N?m。

圖4直接轉矩控制轉矩波形

圖5直接轉矩控制轉速波形

    從圖4和圖5中可以看出，轉矩能夠跟隨負載轉矩的變化，具有良好的動態(tài)響應；轉速有波動，但是可以較快調節(jié)至400r/min。

圖6驅動輪轉速

圖7驅動輪驅動轉矩

圖8驅動輪速度

    從圖6至圖8可以看出，1s時汽車左轉，縱向速度保持在36km/h左右，左側驅動輪的轉速和速度減小，右側驅動輪的轉速和速度增大，同時左側驅動輪的轉矩減小，右側驅動輪的轉矩增大，實現驅動電機協調。

4結論

    分布式驅動電動汽車是電動汽車的重要發(fā)展發(fā)展方向之一，多電機之間的協調控制制約分布式驅動電動汽車的發(fā)展。本文說明了分布式驅動電動汽車的多電機協調控制策略，對電動汽車在不同工況下進行仿真，結果表明電機轉速、轉矩控制性能良好，四個驅動電機的協調控制性能良好，驗證了該控制策略有效性。