基于模糊控制的后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略研究

吳志軍，劉大學(xué)，方棟華

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112)

0 引 言

全球環(huán)境污染與能源危機(jī)是現(xiàn)今汽車(chē)行業(yè)永恒的熱點(diǎn)話題，兩個(gè)問(wèn)題的主要“貢獻(xiàn)者”——汽車(chē)，其電動(dòng)化具有巨大的節(jié)能減排意義。我國(guó)從2001年863電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)的啟動(dòng)至今，經(jīng)過(guò)十幾年政府和科研院所的攻關(guān)，成功研制出了多款純電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)。

在多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制的關(guān)鍵技術(shù)研究方面，雖然已有不少驅(qū)動(dòng)防滑和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的相關(guān)研究，但是往往是作為單獨(dú)的控制策略進(jìn)行研究，結(jié)合一起實(shí)行綜合控制的研究較少。若兩者的控制功能不能有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，就無(wú)法滿足多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際多種復(fù)雜工況下正常行駛的要求，嚴(yán)重制約著多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展。

因此，針對(duì)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)，提出了驅(qū)動(dòng)防滑和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)協(xié)同作用的驅(qū)動(dòng)控制策略?；诼访孀顑?yōu)滑轉(zhuǎn)率識(shí)別和最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率PI控制的驅(qū)動(dòng)防滑控制，防止車(chē)輛進(jìn)入低附著系數(shù)路面后產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，采用了基于理想橫擺角速度的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，控制車(chē)輛橫擺運(yùn)動(dòng)，提高后輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力性及行駛穩(wěn)定性。

1 驅(qū)動(dòng)防滑控制策略

1.1 滑轉(zhuǎn)率及路面附著系數(shù)的估計(jì)

左后輪的滑轉(zhuǎn)率λ3和右后輪的滑轉(zhuǎn)率λ4可用式(1)和式(2)估計(jì)：

(1)

(2)

式中：vwi為各輪實(shí)際切向速度，km/h；vi為各輪理論切向速度，km/h。各輪實(shí)際切向速度可由式(3)所得，各輪理論切向速度可根據(jù)車(chē)輛橫向動(dòng)力學(xué)方程估得。

vwi=33333πnir

(3)

式中：ni為車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，rad/min；r為車(chē)輪的半徑，mm。

各輪路面利用附著系數(shù)μi定義如式(4)：

(4)

式中：Fx,3、Fx,4分別為左右后輪的縱向力，即驅(qū)動(dòng)力，N；Fz,3、Fz,4分別為左右后輪的垂向力，N。

車(chē)輛在行駛時(shí)，車(chē)輪輪胎與地面間的縱向力即為驅(qū)動(dòng)力，可根據(jù)式(5)求出：

(5)

考慮到車(chē)輛縱向加速度和側(cè)向加速度對(duì)垂向力的影響，根據(jù)式(6)～(7)求出各輪的垂向力：

(6)

(7)

1.2 基于模糊控制的路面識(shí)別

為了能快速、準(zhǔn)確地估計(jì)出當(dāng)前路面利用附著系數(shù)和最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，采用模糊控制方法對(duì)當(dāng)前路面進(jìn)行識(shí)別。路面識(shí)別部分根據(jù)車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率和路面利用附著系數(shù)，通過(guò)模糊邏輯推理同模塊內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)路面曲線進(jìn)行對(duì)比，判別當(dāng)前路面對(duì)應(yīng)點(diǎn)(λ，μ)與每條標(biāo)準(zhǔn)路面的相似度并得到相應(yīng)的相似程度，再經(jīng)過(guò)式(8)和式(9)加權(quán)平均，可以估計(jì)當(dāng)前路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率λopt和峰值路面利用附著系數(shù)μmax。

(8)

(9)

式中:λopti和μmaxi分別為6條標(biāo)準(zhǔn)路面曲線的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率和峰值路面利用附著系數(shù)；ki為通過(guò)模糊邏輯推理得到的與6條標(biāo)準(zhǔn)路面曲線的相似程度。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)道路曲線

采用由Burckhardt等提出的λ-μ曲線函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。通過(guò)式(10)和式(11)，可以獲得不同路面的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率λopti和峰值路面利用附著系數(shù)μmaxi。

(10)

(11)

從Burckhardt給出的7條標(biāo)準(zhǔn)路面中選擇6條作為對(duì)比路面，按照峰值路面附著系數(shù)從高到低的排布分別是干瀝青、干水泥、濕瀝青、濕鵝卵石、雪及冰。

1.2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

控制器的輸入為左驅(qū)動(dòng)輪或右驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率λi及其相應(yīng)的縱向利用附著系數(shù)μi，經(jīng)過(guò)模糊化、模糊邏輯推理和反模糊化過(guò)程，輸出與6條標(biāo)準(zhǔn)路面曲線的相似程度ki，進(jìn)而通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算出當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率和峰值路面附著系數(shù)。

(1) 模糊化

選取2個(gè)覆蓋整個(gè)模糊論域的模糊子集來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入滑轉(zhuǎn)率λi的模糊化，分為小滑轉(zhuǎn)率和大滑轉(zhuǎn)率。同時(shí)，將6條標(biāo)準(zhǔn)路面分別在小滑轉(zhuǎn)率區(qū)域和大滑轉(zhuǎn)率區(qū)域劃分為“冰”、 “雪”、 “濕鵝卵石”、 “濕瀝青”、 “干水泥”和“干瀝青”。對(duì)于車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率隸屬度函數(shù)和路面利用附著系數(shù)隸屬度函數(shù)，選用了三角形隸屬度函數(shù)和梯形隸屬度函數(shù)，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率隸屬度函數(shù)圖

(2) 模糊邏輯推理

本文采用Mamdani推理模型來(lái)制定模糊規(guī)則，共建立了12條模糊控制規(guī)則，具體的模糊規(guī)則如表1所示。表中，DS代表不相似，NS代表一般相似，CS代表較相似，S代表相似，VS代表很相似。

圖2 縱向利用附著系數(shù)隸屬度函數(shù)圖

(3) 反模糊化

選用模糊控制反模糊化中常用的面積平分法作為反模糊化的方法。反模糊化中的相似度隸屬度函數(shù)采用與模糊化所用一樣的三角形函數(shù)，如圖3所示。最終輸出的與6條標(biāo)準(zhǔn)路面曲線的相似程度

ki是利用輸出量的模糊概念，并結(jié)合圖3，運(yùn)用面積平分法得到的。

圖3 相似度隸屬度函數(shù)圖

1.3 基于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的PI控制器設(shè)計(jì)

以最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率λopt為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了滑轉(zhuǎn)率控制器，通過(guò)不斷地調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，最終將驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率λi控制在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率λopt附近?；D(zhuǎn)率控制器采用PI控制方法，即以輸入滑轉(zhuǎn)率偏差Δλi(Δλi=λopti-λi)為控制量，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)控，轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如式(12)：

(12)

式中：ΔT2為驅(qū)動(dòng)防滑控制策略制定的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)際電機(jī)上驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之差，Nm；KP1為比例系數(shù)；KI1為積分系數(shù)。

表1 模糊邏輯推理規(guī)則

2 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略

鑒于線性二自由度模型考慮到了車(chē)輛橫擺和側(cè)滑運(yùn)動(dòng)，能反映駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入與車(chē)輛橫擺角速度的線性關(guān)系，故采用線性二自由度模型計(jì)算出理想橫擺角速度γ*，見(jiàn)式(13)：

γ*=vδ′/[L(1+Kv2)]

(13)

式中：K為穩(wěn)定性因數(shù)，K=m(a/k2-b/k1)/L2，取值0.005[6]。

橫擺角速度控制器以理想橫擺角速度γ*為控制目標(biāo)，通過(guò)不斷地調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，最終將車(chē)輛的橫擺角速度控制在理想橫擺角速度附近?？刂破鞑捎肞I控制方法，即以輸入橫擺角速度偏差Δγ(Δγ=γ*-γ)為閉環(huán)控制目標(biāo)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)控，轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如式(14)：

(14)

式中：ΔT3為轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略制定的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)際電機(jī)上驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之差，Nm；KP2為比例系數(shù)；KI2為積分系數(shù)。

3 驅(qū)動(dòng)防滑和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)綜合控制仿真分析

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)防滑和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)綜合控制策略的有效性，根據(jù)CarSim整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型和在MATLAB/Simulink建立的驅(qū)動(dòng)防滑模塊和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制模塊，進(jìn)行了對(duì)接路面和對(duì)開(kāi)路面兩種工況下的仿真分析，與未受控制的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 對(duì)接路面

模擬車(chē)輛加速行駛進(jìn)入低附著系數(shù)路面上，產(chǎn)生雙驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)和不滑轉(zhuǎn)的工況。具體設(shè)定：路面縱向0m到50m的路面附著系數(shù)為0.38，50m到100m的路面附著系數(shù)為0.2，100m到200m的路面附著系數(shù)為0.38。

圖4 對(duì)接路面信息

圖5 對(duì)接路面仿真結(jié)果(雙后輪滑轉(zhuǎn))

從圖5(a)中可以看出，所制定的模糊邏輯推理規(guī)則能較好地識(shí)別當(dāng)前路面利用附著系數(shù)。由于車(chē)輛通過(guò)50m和100m路面附著系數(shù)變化處時(shí)速度較快，故通過(guò)模糊控制識(shí)別出的當(dāng)前路面利用附著系數(shù)有所延遲。圖5(c)、(d)顯示，車(chē)輛進(jìn)入低附著系數(shù)路面之后，未帶控制的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率迅速上升，車(chē)速在即將通過(guò)路面時(shí)直線下降，產(chǎn)生較大橫向位移，而帶控制的車(chē)輛通過(guò)驅(qū)動(dòng)防滑+轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，較好地控制住車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪的橫向運(yùn)動(dòng)，防止了車(chē)輪滑轉(zhuǎn)，基本保持了直線行駛狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)防滑+轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制有效防止了車(chē)輛進(jìn)入低附著系數(shù)路面后產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提高了車(chē)輛的動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性。

3.2 對(duì)開(kāi)路面

模擬車(chē)輛在左右輪兩側(cè)擁有不同附著系數(shù)的路面上的加速情況，即出現(xiàn)單驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)的情況，包括僅左后輪滑轉(zhuǎn)和僅右后輪滑轉(zhuǎn)兩種。兩種情況結(jié)果相似，以左后輪滑轉(zhuǎn)為例，進(jìn)行仿真和分析說(shuō)明。具體設(shè)定：路面橫向0m到100m的附著系數(shù)為0.2，0m到-100m的附著系數(shù)為0.38。

圖6 對(duì)開(kāi)路面信息

圖7 對(duì)開(kāi)路面仿真結(jié)果

由圖7(a)、(b)可知，由于轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)右后輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響到了模糊控制對(duì)當(dāng)前路面附著系數(shù)的識(shí)別，識(shí)別出的右后輪路面利用附著系數(shù)在0.4～0.25間波動(dòng)。由圖7(c)、(d)可知，未帶驅(qū)動(dòng)控制的車(chē)輛在150m之前，盡管左后輪一直處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是車(chē)輛還能保持直線穩(wěn)定行駛；在150m之后車(chē)速直線下降，車(chē)輛發(fā)生較大橫向側(cè)滑，不斷偏離直線行駛軌道。帶驅(qū)動(dòng)防滑+轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的車(chē)輛由于左右后輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩被實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能繼續(xù)加速行駛，有限控制了車(chē)輛橫向側(cè)滑，保證了行駛穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)防滑+轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制不僅保證了車(chē)輛在低附著系數(shù)路面上的動(dòng)力性，還大大提高了整車(chē)的行駛穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)驅(qū)動(dòng)防滑和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)綜合控制的仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)辨別不同的工況并采用相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制方案對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)防滑及轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)的功能，有效提高了后輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力性及行駛穩(wěn)定性，為后續(xù)更復(fù)雜的工況下車(chē)輛控制提供了借鑒。