多輪獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動力優(yōu)化控制研究

陽貴兵,廖自力,馬曉軍,劉春光

(裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)重點實驗室,北京100072)

多輪獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動力優(yōu)化控制研究

陽貴兵,廖自力,馬曉軍,劉春光

(裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)重點實驗室,北京100072)

為了充分發(fā)揮多輪獨立電驅(qū)動車輛的動力性能,提出了一種層次化的驅(qū)動力優(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)動防滑控制和基于車輛狀態(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?通過設(shè)計基于累積求和統(tǒng)計目標(biāo)控制的路面跳變檢測器,結(jié)合車輪滑轉(zhuǎn)率-路面附著系數(shù)圖形,可實現(xiàn)變路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計。通過該分層控制結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了驅(qū)動力在各軸之間以及各個驅(qū)動電機之間的優(yōu)化分配控制。利用硬件在環(huán)實時仿真實驗驗證了該控制結(jié)構(gòu)能改善車輛的爬坡性能、直線加速性能以及障礙路面行駛的通過性。

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

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.004

0 引言

相比傳統(tǒng)機械傳動車輛,多輪獨立電驅(qū)動車輛具有全輪獨立可控、電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速以及輸出轉(zhuǎn)矩可精確測量等優(yōu)勢[1]。基于這些優(yōu)勢,許多學(xué)者開展了輪轂電機驅(qū)動車輛牽引力控制研究[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驅(qū)動車輛直駛動力性能和穩(wěn)定性能的控制系統(tǒng),其主要通過驅(qū)動防滑控制(ASR)來實現(xiàn)[6-7]。但由于ASR是針對單輪實施控制的,只能實現(xiàn)單個驅(qū)動輪的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩輸出控制,而無法實現(xiàn)整車層面的多電機協(xié)調(diào)控制,即在駕駛員給定一定的情況下,無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩在驅(qū)動電機之間的轉(zhuǎn)移,因此,容易出現(xiàn)整車牽引力降低,動力性能不能完全發(fā)揮的缺點。

針對以上不足,本文以ASR為核心,增加了基于載荷預(yù)分配和基于車輛狀態(tài)的再分配的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略,實現(xiàn)整車驅(qū)動力的優(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-車輪滑轉(zhuǎn)率λ曲線斜率法獲得,并設(shè)計基于累積求和(CUSUM)統(tǒng)計目標(biāo)控制法的路面跳變監(jiān)測器,實現(xiàn)變路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計,在此基礎(chǔ)上,利用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法計算最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩。最后,利用硬件在環(huán)實時仿真平臺對所提出的控制方案進行仿真分析和驗證。

1 整車驅(qū)動力優(yōu)化控制策略

整車驅(qū)動力控制結(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)動力再分配,控制器直接控制對象為8個驅(qū)動電機。各控制層所需要的車輛狀態(tài)參數(shù)通過傳感器獲取,主要狀態(tài)參數(shù)包括縱向加速度aχ、車輪轉(zhuǎn)速ωi和車速v,其中,車速采用估計的方法獲取。Trefi_1,…,Trefi_8為第i層控制輸出的給定轉(zhuǎn)矩;Tref1,…,Tref8為8個驅(qū)動電機實際輸出的轉(zhuǎn)矩值。

2 基于各軸載荷的驅(qū)動力預(yù)分配

車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,雖然可以保證車輛行駛的平穩(wěn)性,但由于載荷小的車輪無法輸出期望的扭矩,整車的驅(qū)動力將會受到影響,車輛動力性能不能完全發(fā)揮。因此,本文提出了基于各軸載荷的驅(qū)動力預(yù)分配方法。轉(zhuǎn)矩預(yù)分配層中,包含油門踏板信號解析和載荷計算兩部分。

圖1 整車驅(qū)動力優(yōu)化控制框圖Fig.1 The control structure of vehicle driving force

2.1 油門信號解析

輪轂電機驅(qū)動車輛的油門踏板信號不再等同傳統(tǒng)車輛發(fā)動機的齒桿位置,而是代表輪轂電機的轉(zhuǎn)矩。為了符合駕駛員的操作感覺,油門踏板設(shè)立了自由行程和有效行程,油門踏板開度η可表示為

式中:ε0、ε和εmax分別表示油門踏板的空行程、有效行程和最大行程。

油門踏板開度η與總需求轉(zhuǎn)矩Ttot的關(guān)系為

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

2.2 各軸載荷計算

假設(shè)車輛在坡度為α的坡面上直線加速行駛,車輛受力分析如圖3所示。

圖3中,Ff為車輛爬坡阻力,包括風(fēng)阻、車輪滾動阻力等;Fd表示整車驅(qū)動力;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為車輛加速度。

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

圖3 車輛爬坡受力分析Fig.3 Force analysis of vehicle climbing

各軸車輪載荷計算[8]如下:

根據(jù)(3)式～(5)式可得到各軸載荷為

則各軸驅(qū)動電機預(yù)分配的轉(zhuǎn)矩值(同軸兩側(cè)驅(qū)動電機預(yù)分配值相同)為

3 驅(qū)動防滑控制

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

圖4 驅(qū)動防滑控制結(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,車輪滑轉(zhuǎn)率計算、路面跳變監(jiān)測以及滑?？刂破?個部分,λ和λ*分別表示輪胎的滑轉(zhuǎn)率和最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率,滑模控制器根據(jù)輸入的輪胎滑轉(zhuǎn)率和最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值,輸出端為8個電機的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化值。

3.1 最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計

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

圖5給出了3種路面下的車輪滑轉(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)最大值所對應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率稱為最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率。因此,可以通過對路面附著系數(shù)求滑轉(zhuǎn)率的微分,通過觀察其值的正負(fù)變化確定最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率點。

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軸車輪的驅(qū)動力和載荷;mi表示整車質(zhì)量在第i軸的分量;ωw為車輪轉(zhuǎn)速;aw為車輪加速度;r為車輪半徑。

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

當(dāng)車輛行駛路面發(fā)生變化,車輪滑轉(zhuǎn)率也會隨之發(fā)生改變,所對應(yīng)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值也發(fā)生變化,此時,前一個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λ*重新進行估計,本文采用CUSUM統(tǒng)計目標(biāo)控制法,設(shè)計路面跳變監(jiān)測器,其原理如下:

當(dāng)路面條件無變化時,測量得到的λ(k)應(yīng)在估計出的最優(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。若路面確實發(fā)生了跳變,車輪滑轉(zhuǎn)率也會隨之跳變,因此,會出現(xiàn)λ(k)總是大于或者小于λ*(k),通過設(shè)置閥值H,當(dāng)g(k)累計值超過H時,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)測器的敏感度,H設(shè)置過小,則會造成頻繁的觸發(fā),H設(shè)置過大,則會降低檢測的精度。

g(k)會出現(xiàn)正、負(fù)兩種累計值,因此,必須設(shè)置正、負(fù)兩個閥值。當(dāng)g(k)超過正值H時,即λ持續(xù)大于λ*,這種情況說明車輪進入附著系數(shù)更低的路面行駛,此時,應(yīng)在前一個估算周期得到的λ*控制基礎(chǔ)上,進一步減小電機轉(zhuǎn)矩輸出,同時,采用μ-λ曲線斜率法再一次對最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值進行估算,并用其估算的結(jié)果對監(jiān)測器中的λ*值進行更新。當(dāng)g(k)低于負(fù)值H時,即λ持續(xù)小于λ*,這種情況出現(xiàn)有兩方面原因:一是車輪進入高附著系數(shù)路面行駛,另外就是駕駛員降低了油門踏板給定。此情況下,防滑控制器放開電機轉(zhuǎn)矩輸出限制,待μ-λ曲線出現(xiàn)新的斜率拐點時,再重新進行控制。

3.2 滑?？刂破髟O(shè)計

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?？刂品椒▽﹄姍C輸出轉(zhuǎn)矩進行控制。

車輛在水平路面時的車輪模型為

驅(qū)動電機簡化為1階動態(tài)系統(tǒng)模型:

式中:J為車輪轉(zhuǎn)動慣量;i為傳動比;Tr為電機實際輸出轉(zhuǎn)矩值;F(t)為輪胎所受的地面附著力和滾動阻力之和;Tref為電機轉(zhuǎn)矩參考值;τ為電機相應(yīng)時間常數(shù)。

令χ1=ω,χ2=Tr,建立系統(tǒng)狀態(tài)方程:

選取兩個線性滑模面:

式中:χ1d、χ2d分別為最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率點所對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速的期望值和實際輸出轉(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;通過調(diào)節(jié)q1、q2值可有效保證非滑模運動具有良好品質(zhì)。因此,在參數(shù)選擇時,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即為給定的電機轉(zhuǎn)矩參考值,通過對每個車輪進行防滑控制,可得到8個驅(qū)動電機參考值輸出Tref2_1,…,Tref2_8.

4 基于狀態(tài)的驅(qū)動力再分配控制

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

以左側(cè)車輪的為例,首先判斷車輪是否出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)狀況,并計算因滑轉(zhuǎn)而損失的驅(qū)動力:

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

其次,計算該側(cè)各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩再分配值:

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

5 硬件在環(huán)聯(lián)合仿真實驗分析

本文采用基于實車中央控制器的硬件在環(huán)實時仿真實驗對所提出的驅(qū)動力優(yōu)化分配算法進行驗證分析,硬件在環(huán)實時仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 硬件在環(huán)實時仿真平臺Fig.6 Hardware-in-loop real-time simulation platform

其中車輛動力學(xué)模型以及路面場景模型采用多體動力學(xué)仿真系統(tǒng)Vortex軟件進行建模。本文研究對象為8輪獨立驅(qū)動車輛,車輛動力學(xué)模型全質(zhì)量21 t,包括車身模型、懸架、轉(zhuǎn)向機構(gòu)以及輪胎模型4個部分,其中,輪胎模型采用Magic輪胎模型。路面場景模型根據(jù)仿真需要采用三維實體建模,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

車輛爬30°坡實驗,主要驗證基于載荷分配各軸轉(zhuǎn)矩的策略對車輛爬坡性能的影響,采用平均分配各軸轉(zhuǎn)矩作為對比實驗,仿真路面附著系數(shù)設(shè)置為0.8,油門踏板滿程。仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

車輛在平路開始加速,在第8 s接觸坡面,第8.5 s車輛完全行駛在坡面上,第24 s完成爬坡。油門踏板給定的總驅(qū)動力矩峰值為8 800 N·m.采用平均分配法,各軸每個電機給定轉(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,車輪能夠利用的最大路面附著力小于輪邊扭矩的期望值,車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn),電機輸出轉(zhuǎn)矩降低,整車牽引力不足,因此,車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,車輛能以15 km/h的穩(wěn)定車速完成爬坡。

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,油門踏板滿程。仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

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

圖8 車速曲線Fig.8 The curves of vehicle speed

圖9 無控制時車速與左側(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出的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率為0.12,防滑控制器通過控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩,將車輪滑轉(zhuǎn)率控制在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率附近,減小了車輪的滑轉(zhuǎn),最終仿真車速達(dá)到78 km/h,而無控制狀態(tài)最終車速為60 km/h,采用防滑控制使車輛的動力性能得到提高。

圖10 無控制時車速與左側(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 低附著與高附著對接路面加速行駛

車輛在低附著與高附著對接路面加速行駛,踏板行程滿程,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.車輛在第4 s由低附著路面進入高附著路面,以第1軸左側(cè)車輪為觀測對象。仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。

在低附著路面行駛時,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)動電機的轉(zhuǎn)矩,從第4 s進入高附著路面后,路面跳變檢測器檢測到路面跳變,并對最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率進行重新估計,估計值為0.185,防滑控制器迅速調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩的輸出值。

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

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

5.3.2 過連續(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,由于車輛在起伏路面行駛時,各驅(qū)動輪的載荷發(fā)生連續(xù)變化,甚至?xí)霈F(xiàn)車輪懸空,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)車輪為觀測對象,仿真結(jié)果如圖15～圖17所示。

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

車輛從第4.5 s開始進入連續(xù)起伏路面,在起伏路面行駛過程中,最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率估計值介于0.075～0.2之間(車輪懸空的時候為0.075,與路面接觸最緊的時候為0.2),由仿真車速對比可知,防滑控制提高了車輛在起伏路面行駛的車速,從而改善了車輛在障礙路面行駛的通過性。

5.4 部分車輪懸空仿真

該實驗主要驗證驅(qū)動力再分配控制對整車驅(qū)動力的影響效果。實驗過程中,將車身固定,使第1、第3軸車輪懸空,第2、第4軸車輪著地,油門踏板開度為20%,仿真結(jié)果如圖18所示。

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

圖17 車速曲線Fig.17 The curves of vehicle speed

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

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

6 結(jié)論

針對多輪獨立電驅(qū)動車輛,本文提出了一種層次化的驅(qū)動力優(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、防滑控制和基于車輛狀態(tài)的再分配控制3層控制。通過硬件在環(huán)實時仿真實驗,驗證了該分層控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動力在各驅(qū)動電機上的優(yōu)化分配,改善了車輛的爬坡性能、直線加速性能以及障礙路面行駛的通過性,最大限度地發(fā)揮多輪獨立電驅(qū)動車輛的性能優(yōu)勢。

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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

軍隊科研項目(40402050101)

陽貴兵(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