四輪獨立電驅(qū)動車輛單輪驅(qū)動防滑控制試驗研究

黃冠富，　馮付勇，　葉　輝

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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四輪獨立電驅(qū)動車輛單輪驅(qū)動防滑控制試驗研究

黃冠富，馮付勇，葉輝

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

當(dāng)四輪獨立電驅(qū)動車輛單輪進入滑轉(zhuǎn)工況時，車輛出現(xiàn)非期望的橫擺扭矩，進入非穩(wěn)定狀況.針對此問題，提出了控制滑轉(zhuǎn)車輪進入最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率、并保證車輛行駛穩(wěn)定性的驅(qū)動防滑控制方法.樣車試驗結(jié)果表明，所提出的控制方法能有效地達到預(yù)期控制目標，提高了車輛的穩(wěn)定性并在一定程度上保證車輛行駛的動力性.

四輪獨立電驅(qū)動車輛；扭矩控制；橫擺扭矩

四輪獨立電驅(qū)動車輛每個輪胎均有一個獨立的電機驅(qū)動，國內(nèi)外有很多針對四輪獨立電驅(qū)動車輛動力學(xué)研究，也有研究用四輪獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動力控制來提高車輛機動性方面的研究，比如雙重轉(zhuǎn)向控制研究[1].對于防滑驅(qū)動研究也有很多，比如采用經(jīng)典滑?？刂品椒▽D(zhuǎn)驅(qū)動車輪進行控制，也有采用自適應(yīng)驅(qū)動防滑控制[2].驅(qū)動力分配研究中有制定了動力性和穩(wěn)定性融合的驅(qū)動分配方法[3],也有保持車輛行駛穩(wěn)定性的直接橫擺扭矩研究[4].

本研究采用PID控制方法，以改善車輛動力性和穩(wěn)定性為目標，分別設(shè)計了基于動力性和穩(wěn)定性的驅(qū)動防滑控制策略，改善車輛動力性即采用減少打滑車輪驅(qū)動力達到控制滑轉(zhuǎn)率的目的，改善穩(wěn)定性則為減少打滑車輪驅(qū)動力同時重新分配扭矩保證驅(qū)動力需求和保證車輛橫擺穩(wěn)定性.最后通過樣車試驗驗證該控制策略的效果，進一步證明四輪獨立電驅(qū)動車輛具有的行駛穩(wěn)定性.

1　驅(qū)動防滑控制技術(shù)

如圖1所示，單輪驅(qū)動防滑層分為單輪防滑控制和驅(qū)動力協(xié)調(diào)分配.單輪防滑控制輸入為車速計算器獲得的縱向車速信號vx和電機控制器獲取的電機轉(zhuǎn)速信號ni(i=1,2,3,4).由主減速器傳動比可獲得車輛車輪轉(zhuǎn)速值ωi(i=1,2,3,4).通過車速信號和車輪轉(zhuǎn)速信號判斷該車輪是否進入滑轉(zhuǎn)狀態(tài).當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速超過一定閾值則單輪防滑控制介入，通過PID控制器減少該輪的電機輸出扭矩ΔTi(i=1,2,3,4).驅(qū)動力協(xié)調(diào)分配層輸入為每個車輪扭矩Ti(i=1,2,3,4)和扭矩減少量ΔTi(i=1,2,3,4)，輸出為協(xié)調(diào)分配后的電機扭矩Tcomi(i=1,2,3,4).

圖1　驅(qū)動防滑結(jié)構(gòu)框圖

1.1單輪驅(qū)動防滑控制

單輪驅(qū)動防滑控制分兩部分，分別為驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)判斷和PI控制器.當(dāng)驅(qū)動車輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)時，滑轉(zhuǎn)率PI控制器并不進行驅(qū)動扭矩重新分配，最終輸出的電機驅(qū)動力為驅(qū)動力分配層扭矩控制命令Ti(i=1,2,3,4).當(dāng)驅(qū)動車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)后，控制策略根據(jù)驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)判斷是否進入驅(qū)動防滑控制，并對驅(qū)動電機扭矩進行重新分配.進入驅(qū)動防滑控制策略的目標是將滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動車輪實際滑轉(zhuǎn)率控制到最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率.

1)滑轉(zhuǎn)狀態(tài)判斷.

(1)

式中：ni為電機轉(zhuǎn)速；R車輪半徑；ig為主減速器傳動比.

圖2為驅(qū)動防滑判斷流程圖.為避免在車輪轉(zhuǎn)速較低時由于計算誤差較大而導(dǎo)致驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)頻繁切換，所以用參考車速是否大于閾值來進行判斷并決定驅(qū)動車輪是否處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài).當(dāng)車速小于1 km/h時，閾值設(shè)為vx_threshold=1.5km/h；當(dāng)車速大于1 km/h時，閾值設(shè)為vx_threshold=1.2vx+0.3.當(dāng)參考車速大于閾值時，則進入驅(qū)動防滑控制.

圖2　驅(qū)動防滑判斷流程圖

2)滑轉(zhuǎn)率PI控制器.

滑轉(zhuǎn)率PI控制器以驅(qū)動車輪的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率為控制目標，通過控制滑轉(zhuǎn)車輪的驅(qū)動電機輸出扭矩，將滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動車輪實際滑轉(zhuǎn)率控制到最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率.由經(jīng)驗可知，一般車輛在公路行駛時的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率為λ=1.2，因此把1.2vx作為參考車速的控制目標.

(2)

式中：KP為比例項系數(shù)；KI為積分項系數(shù).

在確定參考車速和控制目標車速偏差值之后，必須確定PI控制器的扭矩差初始值，由此計算每一時刻的扭矩差.由式(2)得，輸出控制扭矩差的初值為

ΔTi_0=KP·s0+KI·s0.

(3)

式中：s0為積分項初值.

當(dāng)KP、KI均為常數(shù)時，滑轉(zhuǎn)率PI控制器初值取決于PI控制器的積分項初始值s0.根據(jù)驅(qū)動防滑控制的進入退出機制，當(dāng)驅(qū)動防滑控制的初始時刻Δvx=0時，驅(qū)動扭矩差初始值ΔTi_0=0.

1.2驅(qū)動力協(xié)調(diào)分配

由滑轉(zhuǎn)率PI控制器輸出的是扭矩減少量ΔTi(i=1,2,3,4)，對于只有一個輪胎打滑的情況，ΔTi(i=1,2,3,4)只有一個值.當(dāng)驅(qū)動車輪發(fā)生打滑時，滑轉(zhuǎn)率上升，驅(qū)動車輪的側(cè)向附著力下降，產(chǎn)生非預(yù)期的橫擺扭矩，這時會導(dǎo)致車輛出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，嚴重影響了整車的運動穩(wěn)定性.因此，在驅(qū)動防滑控制中除了減少該車輪的輸出扭矩，還應(yīng)控制橫擺扭矩，使車輛穩(wěn)定可靠.

基于以上分析，制定了兩種協(xié)調(diào)分配方法，一種是基于動力性的單輪驅(qū)動防滑控制方法，該方法除了能保證期望的橫擺扭矩外，還能保證整車總的驅(qū)動力需求；另外一種是基于穩(wěn)定性的單輪驅(qū)動防滑控制方法，該方法能保證期望的橫擺扭矩，會降低整車總驅(qū)動力需求，但是沒有增加其他車輪的驅(qū)動力，因此在滑轉(zhuǎn)狀態(tài)下更穩(wěn)定可靠.

表1為右前輪打滑時四輪協(xié)調(diào)分配情況.1)采用動力性控制方法.當(dāng)右前輪滑轉(zhuǎn)時，減少右前輪扭矩同時同等增加右后輪輸出扭矩，保證總驅(qū)動力需求和橫擺扭矩不變.2)采用穩(wěn)定性控制方法.當(dāng)右前輪滑轉(zhuǎn)時，減少右前輪扭矩同時同等減少左前輪輸出扭矩，橫擺扭矩不變.

表1　右前輪打滑時驅(qū)動力協(xié)調(diào)分配

2　驅(qū)動防滑試驗測試

為驗證獨立電驅(qū)動車輪驅(qū)動防滑控制算法的效果，針對動力性和穩(wěn)定性算法，分別設(shè)計了兩種單輪驅(qū)動防滑試驗方案.

試驗步驟如下：冬天在平坦的水泥路面澆水形成長度約為20 m、寬度為2 m、厚為5 mm均勻冰路面.駕駛員駕駛四輪獨立電驅(qū)動車輛，使車輛的右側(cè)車輪進入冰路面，而左側(cè)車輪則保持在高附著系數(shù)路面上行駛.駕駛員低速駛?cè)?，并加速通過，加速過程中盡量保持油門踏板開度.

由于右后輪也進入冰路面，同時也會產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，因此為了排除干擾只驗證右前輪控制效果.試驗中采用前驅(qū)的方式進行，則驅(qū)動力分配變?yōu)楸?所示的情況.

表2　試驗中驅(qū)動力協(xié)調(diào)分配

2.1單輪防滑驅(qū)動動力性控制試驗

車輛采用前輪驅(qū)動，如右前輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，那么應(yīng)控制右前輪輸出扭矩，保證右前輪不滑轉(zhuǎn).基于動力性的驅(qū)動防滑控制，除了控制右前輪不滑轉(zhuǎn)，還要保證整車的驅(qū)動需求.本試驗中車輛采用前驅(qū)方式，右前輪在滑轉(zhuǎn)時扭矩會迅速下降，為了保證整車的驅(qū)動要求，應(yīng)同等量增加右后輪扭矩.由于為前驅(qū)，所以右后輪扭矩未增加.圖3為單輪驅(qū)動防滑動力性控制試驗結(jié)果.

如圖3(a)所示，在840.7 s時右前輪轉(zhuǎn)速超過閾值，驅(qū)動防滑控制介入；如圖3(b)所示，采用動力性的驅(qū)動防滑控制后，右前輪的扭矩下降，左前輪的扭矩保持需求的扭矩，到841.2 s后，右前輪處于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，扭矩逐步增加，最終和左前輪扭矩一致；如圖3(c)所示，未受控時，左右前輪扭矩不變化，右輪胎打滑將會更嚴重.

圖3　單輪防滑驅(qū)動動力性控制試驗結(jié)果

2.2單輪防滑驅(qū)動穩(wěn)定性控制試驗

采用穩(wěn)定性的驅(qū)動防滑控制，除了保證右前輪不滑轉(zhuǎn)，同時要確保車輛橫擺扭矩為0，保證車輛橫向穩(wěn)定性.因此對于前輪驅(qū)動車輛，應(yīng)該同等減少左前輪扭矩，以保證橫擺扭矩為0.圖4為單輪驅(qū)動防滑穩(wěn)定性控制試驗結(jié)果.

如圖4(a)所示，在217.7 s右前輪轉(zhuǎn)速超過閾值，驅(qū)動防滑控制介入；如圖4(b)所示，采用穩(wěn)定性驅(qū)動防滑控制后，左右前輪的扭矩同時下降，到218.5 s后，右前輪處于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，扭矩逐步恢復(fù)；如圖4(c)所示，未受控時，左右前輪扭矩不變化，右輪胎打滑將會更嚴重.

圖4　單輪防滑驅(qū)動穩(wěn)定性控制試驗結(jié)果

2.3對比分析

為了能清晰錄下右前輪滑轉(zhuǎn)到進入驅(qū)動防滑控制的過程，將閾值放開的比較大、PI控制參數(shù)KP也比較大.因此可以看出，驅(qū)動防滑介入較晚，控制精度較差.但是能得出以下結(jié)論：基于動力性的驅(qū)動防滑控制能有效控制車輪打滑，并保證一定的動力；基于穩(wěn)定性的驅(qū)動防滑控制能有效控制車輪打滑，并保證車輛橫向穩(wěn)定.

3　結(jié)　論

1)采用PI控制器的驅(qū)動防滑方法能夠?qū)④囕喌幕D(zhuǎn)率控制在最優(yōu)的滑轉(zhuǎn)率附近，改善了車輛在低附著路面上的驅(qū)動能力.

2)基于單輪防滑驅(qū)動動力性控制方法能保證車輛不打滑，并保證行駛的動力性.

3)基于單輪防滑驅(qū)動穩(wěn)定性控制方法能保證車輛不打滑并保證車輛行駛安全與穩(wěn)定.

[1]Huang Guanfu, Luo Yugong, Fan Jingjing, Xiao Lei. Optimization Design of The Dual-Steering Control System for All-Wheel Independent Electric Drive Vehicle-[C]. Internation Conference on Electric Information & Control Engineering, 2011: 5170-5175.

[2]張利鵬, 李亮, 祁炳楠, 等. 分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)驅(qū)動防滑控制[J]. 機械工程學(xué)報, 2013, 49 (14): 106-113.

[3]褚文博. 分布式電驅(qū)動車輛動力學(xué)狀態(tài)參數(shù)觀測及驅(qū)動力協(xié)調(diào)控制[博士學(xué)位論文]. 北京: 清華大學(xué), 2013.

[4]Eongmin Kim, Hyunsoo Kim. Electric Vehicle Yaw Rate Control using Independent In-Wheel Motor [C]. Power Conversion Conference-Nagoya, 2007:705-710.

Research on Single Wheel Acceleration Slip Control and Experimentof Four-Wheeled Independent Electric Drive Vehicle

HUANG Guan-fu，F(xiàn)ENG Fu-yong，YE Hui

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072， China)

When four-wheeled independent electric drive vehicle enters the working mode of acceleration slip regulation， the undesired yaw moment will occur and the vehicle will be in an unstabilized mode. In order to controll the slip wheel to follow the optimal slip ratio and ensure driving stability， a driving torque coordination control strategie is proposed. The test results show that the driving torque control strategie can achieve the desired objective of enhanceing vehicle driving stability as well as ensureing the vehicle’s driving impetus power.

four-wheeled independent electric drive vehicle；torque control；yaw moment

1009-4687(2016)03-0013-03

2016-03-02.

黃冠富(1985-),男,工程師，研究方向為混合動力整車控制技術(shù).

U461.6;U469.79

A