王 東

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

分布式電動(dòng)汽車采用新的底盤結(jié)構(gòu)，極大地簡(jiǎn)化了動(dòng)力系統(tǒng)，使整車輕量化具備了可行性，提高了能量利用率。采用多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，使各個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪之間既能相互獨(dú)立，又能根據(jù)整車控制要求進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。分布式電動(dòng)汽車減少了噪聲源、振動(dòng)源，在整車舒適性方面比傳統(tǒng)車更具優(yōu)勢(shì)[1]。由于分布式電動(dòng)汽車具有以上的優(yōu)勢(shì)，使分布式電動(dòng)汽車成為電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要分支[2]。分布式電動(dòng)汽車與集中式純電動(dòng)汽車相比取消了差速機(jī)構(gòu)，需要重新對(duì)差速功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方向穩(wěn)定性控制。通過對(duì)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，使得輪速和整車運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，減少輪胎的滑移和滑轉(zhuǎn)，并且通過附加橫擺力矩的控制提高汽車行駛的穩(wěn)定性，增加適度的不足轉(zhuǎn)向特性從而改善汽車的操縱穩(wěn)定性[3]。

本文分析了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的基本模型，并搭建了雙層結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車橫擺穩(wěn)定性控制系統(tǒng)模型。介紹了整車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和雙層控制系統(tǒng)中涉及的控制算法和設(shè)計(jì)原理，并完成雙層橫擺穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的仿真工作。上層采用模糊控制來(lái)控制期望的附加橫擺力矩，下層采用基于附加橫擺力矩的驅(qū)動(dòng)力差值分配到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)橫擺穩(wěn)定性控制。在Carsim中建立了整車模型，以及在Simulink中建立了控制策略模型，搭建了Carsim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 多層結(jié)構(gòu)的橫擺穩(wěn)定性控制策略

分布式電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)汽車的運(yùn)動(dòng)特性，使理想汽車運(yùn)動(dòng)和實(shí)際汽車運(yùn)動(dòng)的誤差達(dá)到最小[4]。在該系統(tǒng)中，每層基于上層信號(hào)獨(dú)立運(yùn)行，把其控制信號(hào)傳輸?shù)降讓又?，控制層還能接收傳感器和其他層的信號(hào)，如圖1所示。

圖1 多層分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制策略

上層控制器是根據(jù)之前所設(shè)立的期望橫擺角速度和期望質(zhì)心側(cè)偏角，與車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)比，通過二者的偏差得出所需要的附加橫擺力矩。當(dāng)汽車進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，汽車的期望狀態(tài)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)相差會(huì)比較大，這時(shí)就需要直接橫擺控制來(lái)使汽車保持穩(wěn)定行駛。上層控制的任務(wù)就是產(chǎn)生一個(gè)附加橫擺力矩ΔM，其橫擺力矩分別由橫擺角速度偏差和質(zhì)心側(cè)偏角偏差得出[5]。下層控制器接收上層控制的附加橫擺力矩控制信號(hào)，然后通過調(diào)節(jié)左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩達(dá)到控制車輛橫擺穩(wěn)定性的目的。當(dāng)對(duì)不同驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)所達(dá)到的控制效果不同，當(dāng)汽車左轉(zhuǎn)發(fā)生過度轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)當(dāng)增加左輪的驅(qū)動(dòng)力矩，減小右輪的驅(qū)動(dòng)力矩；當(dāng)發(fā)生不足轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)當(dāng)減小左輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增大右輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩[6]。同理，當(dāng)汽車右轉(zhuǎn)發(fā)生過度轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)當(dāng)減小左輪的驅(qū)動(dòng)力矩，增大右輪的驅(qū)動(dòng)力矩；當(dāng)發(fā)生不足轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)當(dāng)增大左輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小右輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2 線性二自由度車輛模型

采用二自由度整車模型對(duì)整車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略汽車側(cè)傾運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、垂直方向運(yùn)動(dòng)以及縱向車速恒定，只考慮汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，得到車輛運(yùn)動(dòng)微分方程：

圖2 線性二自由度車輛轉(zhuǎn)向模型

式中，β為質(zhì)心側(cè)偏角（rad）；γ為橫擺角速度（rad?s-1）；Cf、Cr為前后軸側(cè)偏剛度（N?rad-1）；vx為縱向速度（km?h-1）；m為汽車質(zhì)量（kg）；as、bs為質(zhì)心到前后軸的距離（m）；δf為前輪轉(zhuǎn)角（rad）；Jz為汽車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（km?m-2）。

公式（2）中車輛二自由度穩(wěn)態(tài)橫擺角速度γd1作為車輛期望橫擺角速度。當(dāng)車輛運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)，一般將線性二自由度模型中期望質(zhì)心側(cè)偏角為0。

當(dāng)輪胎附著力超過輪胎附著極限時(shí)，此時(shí)地面給車輛提供的側(cè)向力較小不足以提供該橫擺角速度所需要的側(cè)向力，那么地面附著系數(shù)同樣限制車輛期望橫擺力矩[7]?？梢园匆韵鹿教幚恚?/p>

因此，車輛在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)下的期望橫擺角速度修正值如下：

通過對(duì)線性二自由度車輛轉(zhuǎn)向模型，得出了車輛期望的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，同時(shí)考慮了地面附著條件的限制，充分考慮實(shí)際工況得出合理的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角控制目標(biāo)[8]。

3 模糊控制橫擺穩(wěn)定性控制策略

本文把橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際響應(yīng)與期望值的偏差er和eβ作為模糊控制器的輸入變量，把左右車輪轉(zhuǎn)矩差所產(chǎn)生的附加橫擺力矩ΔM作為輸出變量。

圖3 雙輸入單輸出模糊控制器

在本模糊控制器中的輸入變量，采用7個(gè)語(yǔ)言變量。對(duì)規(guī)范化后的橫擺角速度e(r)、質(zhì)心側(cè)偏角e(β)以及附加橫擺力矩ΔM的模糊集以及論域定義如下：

其中NB為負(fù)大；NM為負(fù)中；NS為負(fù)小；ZE為零；PS為正小；PM為正中；PB為正大。

模糊控制規(guī)則能夠用語(yǔ)言的方法描述控制器輸入變量和輸出變量之間的模糊關(guān)系。就本文來(lái)說(shuō)，模糊控制器控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)誤差較大，控制量的變化應(yīng)盡量使誤差迅速減小[8]；當(dāng)誤差較小時(shí)，除了要消除誤差以外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)甚至振蕩，汽車橫擺力矩主要影響橫擺角速度?？刂埔?guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 仿真結(jié)果

本文通過Carsim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)的雙移線實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了整車控制模型的有效性以及對(duì)比PID控制和模糊控制的控制效果。如圖4所示是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化圖。

圖4 雙移線實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

如圖5所示，對(duì)比了等轉(zhuǎn)矩控制和有直接橫擺力矩控制下的質(zhì)心側(cè)偏角[9]，由圖可知在質(zhì)心側(cè)偏角的峰值處有直接橫擺力矩控制的車輛明顯減小了車輛質(zhì)心側(cè)偏角，使得車輛的軌跡跟蹤性能更好，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性。

圖5 直接橫擺控制與等轉(zhuǎn)矩分配質(zhì)心側(cè)偏角

在雙移線實(shí)驗(yàn)中本文分別采用PID控制和模糊控制兩種控制算法，并對(duì)這兩種算法進(jìn)行了對(duì)比。模糊控制下的橫擺角速度能夠更快得到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，更小的超調(diào)量，使得車輛的橫擺角速度比較穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 模糊控制與PID控制橫擺角速度對(duì)比

5 結(jié)論

基于轉(zhuǎn)矩的分布式電動(dòng)汽車控制策略主要設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)的橫擺穩(wěn)定性控制，在附加橫擺力矩的控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛的左右驅(qū)動(dòng)輪通過需求轉(zhuǎn)矩的等轉(zhuǎn)矩分配后進(jìn)行在分配，這樣由于左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩不相等就形成了一個(gè)附加橫擺力矩。在車輛發(fā)生過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向時(shí)，這個(gè)產(chǎn)生的附加橫擺力矩會(huì)幫助駕駛員使得車輛按照預(yù)期的軌跡行駛，減少車輛發(fā)生側(cè)滑或者其他危險(xiǎn)工況的可能性。在雙移線試驗(yàn)中顯示，基于轉(zhuǎn)矩的分布式電動(dòng)汽車控制策略對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性有一定的提升。