《厦门理工学院学报》  2021年第1期 1-7   出版日期:2021-02-28   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
基于ANFIS的电动赛车加速驱动控制的优化


大学生电动方程式大赛(FSEC)是一项由中国汽车工程学会举办的比赛,旨在由在校大学生设计制造一辆纯电动方程式赛车,并参加相应的动态比赛项目。比赛中赛车的行驶速度主要集中在中低速范围内,因此,优化赛车中低速加速能力将显著提高赛车的动力性能。目前,针对电动汽车加速驱动控制方法的优化主要集中于利用模糊控制理论,对驾驶员的驾驶意图进行识别和推理[13],以“基准转矩+补偿转矩”的方式提高汽车的动力性能。文献[47]以车辆行驶速度、加速踏板开度及其变化率为输入变量,补偿转矩值为输出变量,建立模糊控制器,对比不同车速时补偿转矩的影响。文献[8]计算当前加速踏板开度下的车辆最高时速,求得与当前车速的偏差及其变化率,使用模糊控制方法对车速偏差及其变化率修正后得到补偿转矩值。文献[911]根据驾驶员操作方式划分不同驾驶模式,使用线性计算与模糊控制器推理转矩补偿值等方式对比分析各模式下的转矩值。文献[12]利用车身传感器检测车体冲击度并定义了驾驶识别系数,以车辆加速度与驾驶识别系数为模糊控制器的输入变量对汽车各行驶模式下的输出转矩进行补偿。文献[13]针对电动方程式赛车在预定道路上行驶的特点,引入“参考SOC”的概念,将“参考SOC”与赛车行驶时的实际SOC作差,依据差值分为3种控制模式,针对每种控制模式制定了不同的模糊控制规则来调整补偿转矩值。上述研究主要采用了模糊控制作为控制算法,但根据操作人员经验总结得到的模糊规则及隶属度函数存在无法精确描述复杂控制系统的缺点,对控制输入变量的简单化模糊处理容易导致系统控制精度下降和动态响应变差。而自适应神经模糊推理系统(ANFIS)则结合了模糊控制和神经网络控制的优点,充分利用了神经网络可根据样本数据进行自学习、自动设计和调整模糊规则与隶属度函数的能力。鉴于此,本文应用自适应神经模糊推理系统对赛车加速时的样本数据进行自学习,以车速偏差及其变化率为输入变量,以加速踏板修正系数为输出变量,并将加速踏板修正系数乘以实际开度得到修正后的加速踏板开度,实现电动赛车加速驱动控制的优化。 1驱动控制系统组成及赛车性能参数 电动赛车驱动控制系统由整车控制单元(VCU)、加速踏板及其传感器、电机控制单元(MCU)、电机、动力电池及其管理系统(BMS)等组成。驾驶员通过操纵加速踏板来表达自己的加速意图,踏板传感器将信号传送给VCU,VCU对信号进行滤波、检测等处理后生成加速踏板开度,将控制指令通过CAN总线发送给MCU驱动电机行驶。同时VCU不断获取来自MCU和BMS的信号,以判断当前行驶工况。 本文研究的某电动赛车的性能参数如表1所示。 表1电动赛车基本性能参数 Table 1Basic performance of electrical racing car 参数数值参数数值参数数值满载质量/kg280轮胎半径/m023电机额定转速/(r·min-1)3 000轴距/m155主减速比33电机峰值转速/(r·min-1)5 500轮距(前/后)/m116/115机械效率/%85动力电池容量/(A·h)22质心高度/m035电机额定功率/kW30动力电池最高电压/V403迎风面积/m2104电机峰值功率/kW56动力电池额定电压/V355空气阻力系数123电机额定转矩/(N·m)125滚动阻力系数0015电机峰值转矩/(N·m)180厦门理工学院学报2021年 第1期李宇星,等:基于ANFIS的电动赛车加速驱动控制的优化 2驱动控制方法 驱动控制过程采取以加速踏板开度与电动赛车实际车速相结合的方式实现闭环控制,驱动控制流程如图1所示。首先,根据驾驶员操作加速踏板得到当前加速踏板开度下对应的驾驶员期望车速;然后,与实际车速作差得到车速偏差及其变化率作为自适应神经模糊推理系统的输入变量,输出变量为加速踏板修正系数;最后,将该系数与实际踏板开度相乘得到电机负荷系数,从而提高赛车的动力性。 图1驱动控制流程图 Fig1Control strategy block diagram 21电机输出转矩分析 电机输出转矩与加速踏板开度的关系可表示为 T=L·Tmax,n≤ne;L·9 550Pmaxn,n>ne。(1) 式(1)中:L为电机负荷系数;Tmax为电机峰值转矩;n为电机当前转速;ne为电机额定转速;Pmax为电机峰值功率。图2加速踏板开度与电机输出转矩关系图 Fig2Relationship between accelerator pedal and motor output torque加速踏板开度与电机输出转矩关系曲线如图2所示。由图2可知,加速踏板对应的电机转矩曲线有3条。在相同加速踏板开度下,A曲线形状上凸,所对应的电机输出转矩最大,B曲线为一条直线,所对应的电机输出转矩次之,C曲线形状下凹,所对应的电机输出转矩最小。加速踏板开度与电机负荷系数的关系可表示为 L=k·θ(A) 。(2) 式(2)中:k为加速踏板修正系数;θ(A)为加速踏板开度。本文将主要对比采用A曲线和B曲线的驱动控制方法对电动赛车加速性能的影响。 22驾驶员期望车速 驾驶员期望车速表示在某一加速踏板开度下,无风条件下,车辆在平直道路上所能达到的最高车速。车辆驱动力与行驶阻力平衡方程式为 Tiηr=mgf+CDAv2exp2115 。(3) 式(3)中:T为电机输出转矩;i为主减速器传动比;η为传动系统机械效率;r为轮胎半径;m为赛车满载质量;f为滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;vexp为驾驶员期望车速。 此时,驾驶员期望车速对应的电机转速为 n=60vexpi72πr 。(4) 将式(1)、(4)代入式(3),得到电机转速为额定转速即vexp为788 km·h-1时,加速踏板开度为 θ(A)=mgf+CDAv2exp2115rTmaxiη 。(5) 求得θ(A)=19%。则式(1)可改写为 θ(A)Tmaxiηr=mgf+CDAv2exp2115,0≤θ(A)≤19%;θ(A)·9 550Pmax·72πη60vexp=mgf+CDAv2exp2115,19%