分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車扭矩矢量控制仿真與驗(yàn)證（續(xù)1）

熊焱飛 凌和平 文婷 王寧 田果 周小偉

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司）

電動(dòng)汽車以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力源，能夠?qū)崿F(xiàn)布置形式和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的多樣化，因其具有響應(yīng)快、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)鏈短及易于實(shí)現(xiàn)電控技術(shù)集成等突出優(yōu)點(diǎn)而成為了電動(dòng)汽車研究的一個(gè)重要方向，因此以輪邊電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主動(dòng)安全技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和研究。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于采用4個(gè)獨(dú)立的輪邊電機(jī)做為動(dòng)力源[1]，能夠根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)獨(dú)立分配驅(qū)動(dòng)輪扭矩，在傳統(tǒng)汽車只能靠制動(dòng)來(lái)改變橫擺扭矩的基礎(chǔ)上，增加了驅(qū)動(dòng)控制，可同時(shí)對(duì)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制，快速產(chǎn)生整車所需要的橫擺扭矩，使汽車主動(dòng)安全性能達(dá)到最佳。文章通過(guò)Simulink軟件建立整車穩(wěn)定性控制模型，并驗(yàn)證控制模型的有效性，極大地提高了汽車主動(dòng)安全性能。

1 傳統(tǒng)ESP和電機(jī)扭矩矢量控制（TVC）功能原理簡(jiǎn)介

1.1 ESP控制原理

傳統(tǒng)ESP通過(guò)傳感器收集方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度及側(cè)向加速度等信息輸入電控單元，檢測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角輸入和實(shí)際行駛狀態(tài)，一旦識(shí)別出汽車處于不穩(wěn)定狀態(tài)，立刻對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)等進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制，來(lái)降低汽車橫向滑移，防止在制動(dòng)時(shí)車輪抱死、起步時(shí)打滑及汽車側(cè)滑[2]，同時(shí)因?yàn)檎囉休^大的制動(dòng)力，汽車瞬間減速明顯。當(dāng)橫向滑移導(dǎo)致過(guò)多轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)左前輪施加制動(dòng)力，產(chǎn)生一個(gè)向外的橫擺力矩，修正過(guò)多轉(zhuǎn)向。ESP對(duì)過(guò)多轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)原理圖，如圖1所示。

圖1 ESP對(duì)過(guò)多轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)原理圖

1.2 TVC功能定義

TVC控制原理是根據(jù)輪速、理想橫擺角速度、傳感器橫擺角速度、側(cè)向加速度及方向盤轉(zhuǎn)角的輸入，判斷汽車是否處于轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向多度的情況，對(duì)安裝在四輪的輪邊電機(jī)進(jìn)行扭矩調(diào)節(jié)，產(chǎn)生左右輪扭矩差，形成可控的主動(dòng)橫擺力矩，對(duì)將要發(fā)生失穩(wěn)的汽車進(jìn)行有效控制，使其快速進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，能有效提高汽車主動(dòng)安全性能，同時(shí)修正過(guò)多或不足轉(zhuǎn)向，提高過(guò)彎能力，實(shí)現(xiàn)TVC功能[3]。因?yàn)槠嚳v向合力未發(fā)生變化，在TVC觸發(fā)前后，車速不會(huì)有太大的變化。當(dāng)過(guò)多轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)內(nèi)側(cè)輪增扭驅(qū)動(dòng)，對(duì)外側(cè)輪反向驅(qū)動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)向外的橫擺扭矩，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到修正過(guò)多轉(zhuǎn)向的效果[4]。圖2示出TVC對(duì)過(guò)多轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)原理圖，圖3示出TVC功能硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 TVC對(duì)過(guò)多轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)原理圖

圖3 TVC功能硬件結(jié)構(gòu)圖

2 整車CarSim建模及TVC模型

CarSim作為成熟的商用軟件，具有自由度高、仿真精度高及運(yùn)算穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)。此外，它具有完整的駕駛員模型，用戶可以方便地自定義不同工況的開(kāi)/閉環(huán)仿真試驗(yàn)，并能通過(guò)3D動(dòng)畫的方式再現(xiàn)汽車對(duì)駕駛員、路面及空氣阻力等外部輸入的響應(yīng)。圖4示出CarSim參數(shù)輸入界面，包括整車參數(shù)輸入界面和輪胎參數(shù)輸入界面，主要輸入的參數(shù)包括：整車質(zhì)量、質(zhì)心位置、高度、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)及測(cè)試的輪胎數(shù)據(jù)等。

圖4 整車CarSim參數(shù)輸入界面

仿真的結(jié)果是否可信，最關(guān)鍵的一步就是CarSim整車模型是否準(zhǔn)確，各項(xiàng)參數(shù)是否和實(shí)車參數(shù)設(shè)置一致。尤其是在做和操穩(wěn)相關(guān)的仿真時(shí)，底盤、懸架及輪胎參數(shù)尤為重要，這些數(shù)據(jù)都必須是實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，因此本次仿真所需要的所有的關(guān)鍵建模參數(shù)都是通過(guò)實(shí)車做KC（K代表Kinematics，即不考慮力和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，而只跟懸架連桿有關(guān)的運(yùn)動(dòng)，C代表Compliance，即由于施加力導(dǎo)致的變形跟懸架系統(tǒng)的彈簧、橡膠村套及零部件的變形有關(guān)的運(yùn)動(dòng)）試驗(yàn)得到的。圖5示出目標(biāo)試驗(yàn)汽車做KC試驗(yàn)圖，輪胎數(shù)據(jù)是通過(guò)輪胎供應(yīng)商提供的輪胎測(cè)試數(shù)據(jù)，考慮到保密要求，關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)不便于提供，這里僅提供部分整車參數(shù)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖5 目標(biāo)試驗(yàn)車懸架KC試驗(yàn)裝置圖

表1 部分整車基本參數(shù)

整車模型完成后，接下來(lái)就是TVC模型的建模，由于Simulink和CarSim具有良好的數(shù)據(jù)通信接口，因此在Simulink建立TVC模型有利于仿真的實(shí)時(shí)性和快速性。圖6示出整車TVC模型截圖，包括控制模型參數(shù)輸入輸出和參數(shù)估計(jì)模型。TVC輸入信號(hào)為四輪扭矩，輸出信號(hào)為方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度及車速等。

圖6 整車扭矩矢量控制模型截圖

3 TVC功能仿真驗(yàn)證

在完成整車建模及TVC模型后，需驗(yàn)證TVC模型的有效性。TVC模型的有效性需要在極限工況進(jìn)行測(cè)試，具有一定的危險(xiǎn)性，因此在條件不具備的情況下，建議不要輕易嘗試。文章依據(jù)GB/T30677—2014《輕型汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)性能要求及試驗(yàn)方法》[5]進(jìn)行驗(yàn)證。

汽車以（80±2）km/h的初速度滑行，確定方向盤轉(zhuǎn)角（側(cè)向加速度為0.3 g時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為A，初始轉(zhuǎn)角設(shè)定為1.5A，通過(guò)緩慢增加側(cè)向加速度直到0.5 g，然后擬合出0.3 g對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角），以頻率0.7 Hz正弦轉(zhuǎn)方向盤轉(zhuǎn)到1.5A轉(zhuǎn)角，在第2個(gè)波谷停滯500 ms，然后回正。多次試驗(yàn)，第1次為1.5A，第2次為2A，第3次為2.5A……，如果6.5A≤300°，則最后1次試驗(yàn)選用6.5A與270°的最大值；如果6.5A≥300°，則最后一次試驗(yàn)選為300°。最好利用機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

仿真驗(yàn)證主要對(duì)TVC干預(yù)過(guò)度轉(zhuǎn)向性能、側(cè)向穩(wěn)定性及橫擺響應(yīng)性能進(jìn)行考察。

具體試驗(yàn)方法參照FMVSS 126《汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)》或文獻(xiàn)[5]進(jìn)行驗(yàn)證。正弦延遲試驗(yàn)工況的試驗(yàn)條件為：1）高附水泥、瀝青及混凝土路面；2）關(guān)車窗和天窗；3）汽車載荷為半載；4）在平坦無(wú)障礙的試車場(chǎng)上進(jìn)行；5）擋位 D；6）VDC-ON；7）車速為 80 km/h。

3.1 正弦延遲試驗(yàn)性能要求

圖7示出正弦延遲工況性能圖。正弦停滯轉(zhuǎn)向輸入完成后1 s（圖7中T0+1）測(cè)得的橫擺角速度不應(yīng)超過(guò)方向盤轉(zhuǎn)角方向改變后（在第1個(gè)峰值和第2個(gè)峰值之間）記錄的第1個(gè)橫擺角速度峰值（圖7中的ω）的35%；正弦停滯轉(zhuǎn)向輸入完成后1.75 s測(cè)得的橫擺角速度不應(yīng)超過(guò)本次試驗(yàn)中方向盤轉(zhuǎn)角方向改變后（在第1個(gè)峰值和第2個(gè)峰值之間）記錄的第1個(gè)橫擺角速度峰值（圖7中的ω）的20%。

在轉(zhuǎn)向起點(diǎn)（BOS）后1.07 s時(shí)，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大于3 500 kg的汽車質(zhì)心相對(duì)于其初始直線行駛軌跡的橫向位移不小于1.83 m，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于3 500 kg的汽車質(zhì)心相對(duì)其初始直線行駛軌跡的橫向位移不小于1.52 m。

圖7 正弦延遲工況性能圖

3.2 仿真驗(yàn)證

按照正弦延遲工況要求，設(shè)置好仿真工況，將整車模型按照工況進(jìn)行2組仿真，整車模型正弦工況試驗(yàn)圖，如圖8所示。

圖8 整車模型正弦工況試驗(yàn)圖

從圖8a可以看出，開(kāi)啟TVC和沒(méi)有開(kāi)啟TVC功能的汽車方向盤輸入信號(hào)相同；從圖8b可以看出，開(kāi)啟TVC穩(wěn)定性控制功能的汽車四輪扭矩根據(jù)汽車狀態(tài)的變化既有驅(qū)動(dòng)也有制動(dòng)，相比于傳統(tǒng)ESP對(duì)單輪制動(dòng)來(lái)說(shuō)，該汽車將橫擺扭矩分配到4個(gè)車輪，減小了單個(gè)輪邊電機(jī)的負(fù)擔(dān)，不至于使電機(jī)能力受限，同時(shí)電機(jī)相應(yīng)加快，能使汽車快速進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)；從圖8c可以看出，開(kāi)啟TVC穩(wěn)定性控制功能的車速下降幅度小且穩(wěn)定，這是因?yàn)門VC觸發(fā)前后縱向總扭矩值沒(méi)有發(fā)生改變，改變的只是繞Z軸的橫擺扭矩，沒(méi)有開(kāi)啟TVC功能的汽車由于汽車失穩(wěn)導(dǎo)致車速大幅下降[5]，這在高速上是極其危險(xiǎn)的；從圖8 d～8f可以明顯的看到，開(kāi)啟TVC穩(wěn)定性控制功能的汽車側(cè)向加速度、橫擺角速度及質(zhì)心側(cè)偏角等在2 s左右都達(dá)到收斂，汽車趨于穩(wěn)定，且橫擺角速度滿足上述正弦遲滯性能要求，即正弦停滯轉(zhuǎn)向輸入完成后1 s（圖7中T0+1）測(cè)得的橫擺角速度（－1.07（°）/s）沒(méi)有超過(guò)方向盤轉(zhuǎn)角方向改變后（在第1個(gè)峰值和第2個(gè)峰值之間）記錄的第1個(gè)橫擺角速度峰值（－31.2（°）/s）（圖 7中的 ω）的 35%。正弦停滯轉(zhuǎn)向輸入完成后1.75 s測(cè)得的橫擺角速度（0.36°/s）沒(méi)有超過(guò)本次試驗(yàn)中方向盤轉(zhuǎn)角方向改變后（在第1個(gè)峰值和第2個(gè)峰值之間）記錄的第1個(gè)橫擺角速度峰值（－31.2（°）/s）（圖 7中的 ω）的 20%，說(shuō)明有TVC控制的汽車能夠有效快速地使汽車進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)。沒(méi)有開(kāi)啟TVC功能的汽車側(cè)向加速度、橫擺角速度及質(zhì)心側(cè)偏角基本都在方向盤改變后的波谷，即1.5 s后發(fā)散，說(shuō)明汽車此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了側(cè)滑，之后發(fā)生甩尾。從以上仿真結(jié)果可以看出，文章設(shè)計(jì)的TVC穩(wěn)定性控制模型具有一定的有效性，可以通過(guò)實(shí)車進(jìn)行功能驗(yàn)證。

（待續(xù)）