陽(yáng)貴兵,廖自力,馬曉軍,劉春光

(裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺(tái)全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100072)

多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化控制研究

陽(yáng)貴兵,廖自力,馬曉軍,劉春光

(裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺(tái)全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100072)

為了充分發(fā)揮多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力性能,提出了一種層次化的驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)。該控制結(jié)構(gòu)包含基于各軸載荷預(yù)分配控制、驅(qū)動(dòng)防滑控制和基于車(chē)輛狀態(tài)的再分配3層控制,其中防滑控制是核心層,采用基于路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率滑?？刂频姆椒?通過(guò)設(shè)計(jì)基于累積求和統(tǒng)計(jì)目標(biāo)控制的路面跳變檢測(cè)器,結(jié)合車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率-路面附著系數(shù)圖形,可實(shí)現(xiàn)變路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì)。通過(guò)該分層控制結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)力在各軸之間以及各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的優(yōu)化分配控制。利用硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制結(jié)構(gòu)能改善車(chē)輛的爬坡性能、直線加速性能以及障礙路面行駛的通過(guò)性。

控制科學(xué)與技術(shù);多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng);動(dòng)力性能;驅(qū)動(dòng)防滑;優(yōu)化控制

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.004

0 引言

相比傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)車(chē)輛,多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛具有全輪獨(dú)立可控、電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速以及輸出轉(zhuǎn)矩可精確測(cè)量等優(yōu)勢(shì)[1]。基于這些優(yōu)勢(shì),許多學(xué)者開(kāi)展了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛牽引力控制研究[2-4],以及行駛穩(wěn)定性控制研究[5]。

牽引力控制系統(tǒng),是目前應(yīng)用較為廣泛地用于提高輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛直駛動(dòng)力性能和穩(wěn)定性能的控制系統(tǒng),其主要通過(guò)驅(qū)動(dòng)防滑控制(ASR)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6-7]。但由于ASR是針對(duì)單輪實(shí)施控制的,只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩輸出控制,而無(wú)法實(shí)現(xiàn)整車(chē)層面的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制,即在駕駛員給定一定的情況下,無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩在驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)移,因此,容易出現(xiàn)整車(chē)牽引力降低,動(dòng)力性能不能完全發(fā)揮的缺點(diǎn)。

針對(duì)以上不足,本文以ASR為核心,增加了基于載荷預(yù)分配和基于車(chē)輛狀態(tài)的再分配的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略,實(shí)現(xiàn)整車(chē)驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)化分配控制。ASR控制中,最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率采用路面附著系數(shù)μ-車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率λ曲線斜率法獲得,并設(shè)計(jì)基于累積求和(CUSUM)統(tǒng)計(jì)目標(biāo)控制法的路面跳變監(jiān)測(cè)器,實(shí)現(xiàn)變路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì),在此基礎(chǔ)上,利用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法計(jì)算最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩。最后,利用硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)所提出的控制方案進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。

1 整車(chē)驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化控制策略

整車(chē)驅(qū)動(dòng)力控制結(jié)構(gòu)如圖1所示,最上層為基于各軸載荷的預(yù)分配,中間層為防滑控制,最下層為驅(qū)動(dòng)力再分配,控制器直接控制對(duì)象為8個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。各控制層所需要的車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)通過(guò)傳感器獲取,主要狀態(tài)參數(shù)包括縱向加速度aχ、車(chē)輪轉(zhuǎn)速ωi和車(chē)速v,其中,車(chē)速采用估計(jì)的方法獲取。Trefi_1,…,Trefi_8為第i層控制輸出的給定轉(zhuǎn)矩;Tref1,…,Tref8為8個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩值。

2 基于各軸載荷的驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配

車(chē)輛在爬坡和加速行駛情況下,各軸載荷分配不均勻,在相同路面附著條件下,各輪所能獲得的最大路面附著力也不同,如果采用轉(zhuǎn)矩平均分配的方法,雖然可以保證車(chē)輛行駛的平穩(wěn)性,但由于載荷小的車(chē)輪無(wú)法輸出期望的扭矩,整車(chē)的驅(qū)動(dòng)力將會(huì)受到影響,車(chē)輛動(dòng)力性能不能完全發(fā)揮。因此,本文提出了基于各軸載荷的驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配方法。轉(zhuǎn)矩預(yù)分配層中,包含油門(mén)踏板信號(hào)解析和載荷計(jì)算兩部分。

圖1 整車(chē)驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化控制框圖Fig.1 The control structure of vehicle driving force

2.1 油門(mén)信號(hào)解析

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的油門(mén)踏板信號(hào)不再等同傳統(tǒng)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的齒桿位置,而是代表輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為了符合駕駛員的操作感覺(jué),油門(mén)踏板設(shè)立了自由行程和有效行程,油門(mén)踏板開(kāi)度η可表示為

式中:ε0、ε和εmax分別表示油門(mén)踏板的空行程、有效行程和最大行程。

油門(mén)踏板開(kāi)度η與總需求轉(zhuǎn)矩Ttot的關(guān)系為

式中:Ti_max(ni)為第i個(gè)電機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的外轉(zhuǎn)矩特性曲線關(guān)系如圖2所示。

2.2 各軸載荷計(jì)算

假設(shè)車(chē)輛在坡度為α的坡面上直線加速行駛,車(chē)輛受力分析如圖3所示。

圖3中,Ff為車(chē)輛爬坡阻力,包括風(fēng)阻、車(chē)輪滾動(dòng)阻力等;Fd表示整車(chē)驅(qū)動(dòng)力;H為質(zhì)心高度;Fzi為第i軸載荷,Li為第i軸到第1軸的距離;L0為第1軸到質(zhì)心的距離;a為車(chē)輛加速度。

圖2 電機(jī)外轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig.2 Characteristic curve of motor torque

圖3 車(chē)輛爬坡受力分析Fig.3 Force analysis of vehicle climbing

各軸車(chē)輪載荷計(jì)算[8]如下:

根據(jù)(3)式～(5)式可得到各軸載荷為

則各軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)預(yù)分配的轉(zhuǎn)矩值(同軸兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)預(yù)分配值相同)為

3 驅(qū)動(dòng)防滑控制

當(dāng)車(chē)輛在低附著路面加速、不平路面行駛或者過(guò)溝坎等工況時(shí),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分車(chē)輪打滑甚至懸空的情況,根據(jù)以往的仿真經(jīng)驗(yàn),在這些工況下,單純依賴(lài)基于載荷的轉(zhuǎn)矩分配方法,無(wú)法有效克服車(chē)輪打滑的現(xiàn)象,而車(chē)輪的過(guò)度滑轉(zhuǎn),一方面會(huì)影響車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性,另一方面降低了車(chē)輛的動(dòng)力性能。因此,本文在基于載荷的轉(zhuǎn)矩預(yù)分配后,增加驅(qū)動(dòng)防滑控制層,對(duì)8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行獨(dú)立控制,防滑控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)Fig.4 The control structure of ASR

圖4中,ASR主要包括最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì),車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率計(jì)算、路面跳變監(jiān)測(cè)以及滑?？刂破?個(gè)部分,λ和λ*分別表示輪胎的滑轉(zhuǎn)率和最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率,滑?？刂破鞲鶕?jù)輸入的輪胎滑轉(zhuǎn)率和最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值,輸出端為8個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化值。

3.1 最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì)

最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì)是驅(qū)動(dòng)防滑控制的關(guān)鍵技術(shù),滑轉(zhuǎn)率估計(jì)的準(zhǔn)確與否直接決定了防滑控制的效果。本文提出了一種對(duì)μ-λ曲線求斜率的方法估計(jì)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率點(diǎn),并采用CUSUM統(tǒng)計(jì)目標(biāo)控制法實(shí)現(xiàn)變路面行駛工況下的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì)。

圖5給出了3種路面下的車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率λ與路面附著系數(shù)μ的關(guān)系曲線,從中可以看出,路面附著系數(shù)隨車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率總是先增加再減少,路面附著系數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率稱(chēng)為最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率。因此,可以通過(guò)對(duì)路面附著系數(shù)求滑轉(zhuǎn)率的微分,通過(guò)觀察其值的正負(fù)變化確定最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率點(diǎn)。

根據(jù)(7)式:

可推導(dǎo)出:

圖5 3種典型路面的μ-λ關(guān)系曲線Fig.5 μ-λ curves of three typical road surfaces

式中:Fχi、Fzi表示第i軸車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力和載荷;mi表示整車(chē)質(zhì)量在第i軸的分量;ωw為車(chē)輪轉(zhuǎn)速;aw為車(chē)輪加速度;r為車(chē)輪半徑。

du/dλ值的變化跟式a＇(awv-ωwa)有關(guān),式中的變量a和ωw可以通過(guò)加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器獲取,車(chē)速v通過(guò)a與ωw值進(jìn)行估算得到,傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確度直接影響到du/dλ值的計(jì)算,因此,在使用之前,需對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

當(dāng)車(chē)輛行駛路面發(fā)生變化,車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率也會(huì)隨之發(fā)生改變,所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值也發(fā)生變化,此時(shí),前一個(gè)估算周期所獲得的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值顯然已經(jīng)不能適用,控制器需要對(duì)λ*重新進(jìn)行估計(jì),本文采用CUSUM統(tǒng)計(jì)目標(biāo)控制法,設(shè)計(jì)路面跳變監(jiān)測(cè)器,其原理如下:

當(dāng)路面條件無(wú)變化時(shí),測(cè)量得到的λ(k)應(yīng)在估計(jì)出的最優(yōu)滑移率λ*(k)附近,因而g(k)的累積求和應(yīng)在零值附近波動(dòng)。若路面確實(shí)發(fā)生了跳變,車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率也會(huì)隨之跳變,因此,會(huì)出現(xiàn)λ(k)總是大于或者小于λ*(k),通過(guò)設(shè)置閥值H,當(dāng)g(k)累計(jì)值超過(guò)H時(shí),可以認(rèn)為路面發(fā)生了跳變。H值的大小直接決定了監(jiān)測(cè)器的敏感度,H設(shè)置過(guò)小,則會(huì)造成頻繁的觸發(fā),H設(shè)置過(guò)大,則會(huì)降低檢測(cè)的精度。

g(k)會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)兩種累計(jì)值,因此,必須設(shè)置正、負(fù)兩個(gè)閥值。當(dāng)g(k)超過(guò)正值H時(shí),即λ持續(xù)大于λ*,這種情況說(shuō)明車(chē)輪進(jìn)入附著系數(shù)更低的路面行駛,此時(shí),應(yīng)在前一個(gè)估算周期得到的λ*控制基礎(chǔ)上,進(jìn)一步減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出,同時(shí),采用μ-λ曲線斜率法再一次對(duì)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值進(jìn)行估算,并用其估算的結(jié)果對(duì)監(jiān)測(cè)器中的λ*值進(jìn)行更新。當(dāng)g(k)低于負(fù)值H時(shí),即λ持續(xù)小于λ*,這種情況出現(xiàn)有兩方面原因:一是車(chē)輪進(jìn)入高附著系數(shù)路面行駛,另外就是駕駛員降低了油門(mén)踏板給定。此情況下,防滑控制器放開(kāi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出限制,待μ-λ曲線出現(xiàn)新的斜率拐點(diǎn)時(shí),再重新進(jìn)行控制。

3.2 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

在獲得當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值的基礎(chǔ)上,采用基于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率滑模控制方法對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

車(chē)輛在水平路面時(shí)的車(chē)輪模型為

驅(qū)動(dòng)電機(jī)簡(jiǎn)化為1階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型:

式中:J為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;i為傳動(dòng)比;Tr為電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩值;F(t)為輪胎所受的地面附著力和滾動(dòng)阻力之和;Tref為電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考值;τ為電機(jī)相應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

令χ1=ω,χ2=Tr,建立系統(tǒng)狀態(tài)方程:

選取兩個(gè)線性滑模面:

式中:χ1d、χ2d分別為最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速的期望值和實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的期望值。

選擇指數(shù)趨近率:

式中:k1＞0,q1＞0,k2＞0,q2＞0.k1、k2值決定了趨近的速度,其值越大,趨近的速度越快,但是可能導(dǎo)致到達(dá)滑模面后出現(xiàn)比較大的抖振;通過(guò)調(diào)節(jié)q1、q2值可有效保證非滑模運(yùn)動(dòng)具有良好品質(zhì)。因此,在參數(shù)選擇時(shí),可適當(dāng)增大q1、q2值,減小k1、k2值。

將(13)式代入(14)式得

聯(lián)立(12)式得

消除χ2,得

Tref即為給定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考值,通過(guò)對(duì)每個(gè)車(chē)輪進(jìn)行防滑控制,可得到8個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參考值輸出Tref2_1,…,Tref2_8.

4 基于狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)力再分配控制

與機(jī)械車(chē)輛不同,輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝甲車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力控制除實(shí)現(xiàn)防滑控制外,還可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的再分配控制:當(dāng)出現(xiàn)個(gè)別車(chē)輪的滑轉(zhuǎn)后,由于實(shí)施防滑控制所降低的該車(chē)輪轉(zhuǎn)矩可以增加到其他正常車(chē)輪上,以維持整車(chē)驅(qū)動(dòng)力不變。本文采用基于車(chē)輛行駛狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)力再分配控制,分配策略如下:

以左側(cè)車(chē)輪的為例,首先判斷車(chē)輪是否出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)狀況,并計(jì)算因滑轉(zhuǎn)而損失的驅(qū)動(dòng)力:

式中:Tref1_i表示基于載荷預(yù)分配層給定的第i個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩;Tref2_i為防滑控制層輸出的該電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩;當(dāng)ΔTi值大于某一閥值時(shí),則可判斷出該車(chē)輪是否發(fā)生了滑轉(zhuǎn);ΔTtot表示左側(cè)4個(gè)車(chē)輪因滑轉(zhuǎn)而減少的總驅(qū)動(dòng)力。

其次,計(jì)算該側(cè)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩再分配值:

式中:εi=1表示第i個(gè)車(chē)輪有滑轉(zhuǎn);εi=0表示該車(chē)輪正常;n表示正常的車(chē)輪數(shù)量。

5 硬件在環(huán)聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)分析

本文采用基于實(shí)車(chē)中央控制器的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化分配算法進(jìn)行驗(yàn)證分析,硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)Fig.6 Hardware-in-loop real-time simulation platform

其中車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型以及路面場(chǎng)景模型采用多體動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)Vortex軟件進(jìn)行建模。本文研究對(duì)象為8輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛,車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型全質(zhì)量21 t,包括車(chē)身模型、懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及輪胎模型4個(gè)部分,其中,輪胎模型采用Magic輪胎模型。路面場(chǎng)景模型根據(jù)仿真需要采用三維實(shí)體建模,并可設(shè)置不同的路面附著系數(shù),能充分反應(yīng)輪-地相互作用力。

5.1 爬坡性能仿真分析

車(chē)輛爬30°坡實(shí)驗(yàn),主要驗(yàn)證基于載荷分配各軸轉(zhuǎn)矩的策略對(duì)車(chē)輛爬坡性能的影響,采用平均分配各軸轉(zhuǎn)矩作為對(duì)比實(shí)驗(yàn),仿真路面附著系數(shù)設(shè)置為0.8,油門(mén)踏板滿(mǎn)程。仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

車(chē)輛在平路開(kāi)始加速,在第8 s接觸坡面,第8.5 s車(chē)輛完全行駛在坡面上,第24 s完成爬坡。油門(mén)踏板給定的總驅(qū)動(dòng)力矩峰值為8 800 N·m.采用平均分配法,各軸每個(gè)電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩相同,峰值為1 100 N·m;而采用基于載荷飛分配,從第1到第4軸轉(zhuǎn)矩峰值分別為420 N·m、900 N·m、1 300 N·m、1 780 N·m.由仿真結(jié)果可知,采用平均分配各軸轉(zhuǎn)矩,由于前兩軸載荷較小,車(chē)輪能夠利用的最大路面附著力小于輪邊扭矩的期望值,車(chē)輪發(fā)生滑轉(zhuǎn),電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低,整車(chē)牽引力不足,因此,車(chē)輛在坡面上處于減速狀態(tài),最后速度降為0;而采用本文基于載荷分配轉(zhuǎn)矩的方法,車(chē)輛能以15 km/h的穩(wěn)定車(chē)速完成爬坡。

5.2 單一附著路面行駛仿真

低附著路面加速仿真:路面附著系數(shù)設(shè)置為0.3,油門(mén)踏板滿(mǎn)程。仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖7 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.7 Motor torque output

圖8 車(chē)速曲線Fig.8 The curves of vehicle speed

圖9 無(wú)控制時(shí)車(chē)速與左側(cè)4輪轉(zhuǎn)速Fig.9 The vehicle speed and the 4-wheel speed on the left side without control

該附著路面條件下估計(jì)出的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率為0.12,防滑控制器通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,將車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率控制在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率附近,減小了車(chē)輪的滑轉(zhuǎn),最終仿真車(chē)速達(dá)到78 km/h,而無(wú)控制狀態(tài)最終車(chē)速為60 km/h,采用防滑控制使車(chē)輛的動(dòng)力性能得到提高。

圖10 無(wú)控制時(shí)車(chē)速與左側(cè)4輪轉(zhuǎn)速Fig.10 The vehicle speed and the 4-wheel speed on the left side without control

圖11 第1軸左側(cè)車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率Fig.11 The wheel slip ratio on the left side of the first axis

圖12 第1軸左側(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.12 The motor torque on the left side of the first axis

5.3 變路面仿真

5.3.1 低附著與高附著對(duì)接路面加速行駛

車(chē)輛在低附著與高附著對(duì)接路面加速行駛,踏板行程滿(mǎn)程,低附著路面附著系數(shù)設(shè)置為0.3,高附著路面附著系數(shù)設(shè)置為0.8.車(chē)輛在第4 s由低附著路面進(jìn)入高附著路面,以第1軸左側(cè)車(chē)輪為觀測(cè)對(duì)象。仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。

在低附著路面行駛時(shí),防滑控制器以0.12的滑轉(zhuǎn)率為最優(yōu)控制目標(biāo)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,從第4 s進(jìn)入高附著路面后,路面跳變檢測(cè)器檢測(cè)到路面跳變,并對(duì)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行重新估計(jì),估計(jì)值為0.185,防滑控制器迅速調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出值。

圖13 車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率Fig.13 The wheel slip ratio

圖14 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.14 Motor torque output

5.3.2 過(guò)連續(xù)起伏路面仿真

選擇連續(xù)起伏障礙路面,路面附著系數(shù)設(shè)置為0.9,由于車(chē)輛在起伏路面行駛時(shí),各驅(qū)動(dòng)輪的載荷發(fā)生連續(xù)變化,甚至?xí)霈F(xiàn)車(chē)輪懸空,因此,可看做是路面附著系數(shù)變化的行駛條件。以第1軸左側(cè)車(chē)輪為觀測(cè)對(duì)象,仿真結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.15 The motor torque output

車(chē)輛從第4.5 s開(kāi)始進(jìn)入連續(xù)起伏路面,在起伏路面行駛過(guò)程中,最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計(jì)值介于0.075～0.2之間(車(chē)輪懸空的時(shí)候?yàn)?.075,與路面接觸最緊的時(shí)候?yàn)?.2),由仿真車(chē)速對(duì)比可知,防滑控制提高了車(chē)輛在起伏路面行駛的車(chē)速,從而改善了車(chē)輛在障礙路面行駛的通過(guò)性。

5.4 部分車(chē)輪懸空仿真

該實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)力再分配控制對(duì)整車(chē)驅(qū)動(dòng)力的影響效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將車(chē)身固定,使第1、第3軸車(chē)輪懸空,第2、第4軸車(chē)輪著地,油門(mén)踏板開(kāi)度為20%,仿真結(jié)果如圖18所示。

圖16 車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率Fig.16 The wheel slip ratio

圖17 車(chē)速曲線Fig.17 The curves of vehicle speed

圖18 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.18 Motor torque output

驅(qū)動(dòng)踏板給定各軸轉(zhuǎn)矩約為220 N·m,由于第1、第3軸車(chē)輪懸空,在防滑控制器的作用下,其驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出為0,無(wú)再分配控制時(shí),整車(chē)牽引力將損失一半,而增加再分配控制后,第1、第3軸電機(jī)因懸空而減少的驅(qū)動(dòng)力增加到第2、第4軸電機(jī)上,整車(chē)牽引力基本保持不變。

6 結(jié)論

針對(duì)多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛,本文提出了一種層次化的驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化控制結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括基于各軸載荷的預(yù)分配、防滑控制和基于車(chē)輛狀態(tài)的再分配控制3層控制。通過(guò)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該分層控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)力在各驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的優(yōu)化分配,改善了車(chē)輛的爬坡性能、直線加速性能以及障礙路面行駛的通過(guò)性,最大限度地發(fā)揮多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的性能優(yōu)勢(shì)。

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A Study of Driving Force Optimal Control of Multi-wheel Independent Electric Drive Vehicle

YANG Gui-bing,LIAO Zi-li,MA Xiao-jun,LIU Chun-guang
(The Key Lab of All-electric Technology of Land Warfare Platform,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

In order to improve the power performance of multi-wheel independent electric drive vehicle,a hierarchical control structure is established to realize the optimal control of the whole vehicle driving force.This kind of control structure includes an predistribution control of load on each axis,the acceleration slip regulation(ASR)and the redistribution based on state of vehicle.The ASR is the core layer which adopts a slip mode control method based on the road's optimal slip rate,and an abnormal fault detector based on cumulative sum(CUSUM)statistical control is designed.The optimal estimation of slip rate can be realized based on μ-λ figure.The hierarchical control structure can be used to achive the optimal distribution of drive force between axis and driving motor based on the output control of single wheel's optimal control.The control structure is proven by a real-time simulation in hardware in loop (HIL)in order to improve the vehicle's performances,including climbing ability,directly accelerating ability,and trafficability.

control science and technology;multi-wheel independent electric drive;power performance;acceleration slip regulation;optimal control

TJ81

A

1000-1093(2016)01-0023-08

2015-05-05

軍隊(duì)科研項(xiàng)目(40402050101)

陽(yáng)貴兵(1987—),男,博士研究生。E-mail:ygb1987@163.com;廖自力(1974—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。E-mail:569024533@qq.com