五軸混動(dòng)汽車電子差速控制策略研究

史小川，岳靖斐，程威，史冊(cè)

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

關(guān)鍵字：五軸混動(dòng)汽車；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器；電子差速控制

1 緒論

增程式混合動(dòng)力汽車的工作模式可分為混動(dòng)模式和純電模式。純電模式與純電動(dòng)汽車的原理相似?；靹?dòng)模式可將發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力源，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電池提供電能，有效彌補(bǔ)了純電行駛里程不足的缺點(diǎn)。由于增程式混合動(dòng)力汽車省去了變速箱，傳動(dòng)軸，分動(dòng)器等能量損耗單元，使得能源傳遞效率更高，達(dá)到提高續(xù)駛里程和節(jié)約能源的目的[1]。其動(dòng)力性、隱蔽性、通過性強(qiáng)，低油耗，可成為移動(dòng)電站等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛的關(guān)注[2]。本文以五軸增程式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，采用32位高性能控制器進(jìn)行控制，采用輪邊電機(jī)進(jìn)行分布式驅(qū)動(dòng)，通過電子差速控制策略對(duì)各輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配，從而達(dá)到更優(yōu)的整車控制性能。

2 電子差速控制策略

2.1 二自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

本文所采用的車輛模型如圖1所示。采用雙前橋轉(zhuǎn)向，其中ki為第i橋上輪胎的等效側(cè)偏剛度；β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角；r為車輛橫擺角速度；αi為車輪的轉(zhuǎn)向角；δi為第i軸的轉(zhuǎn)角；li為第i軸到質(zhì)心的距離；m為車輛的總質(zhì)量；Iz為汽車整車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)五軸車輛模型可以得出車輛二自由度運(yùn)動(dòng)微分方程如公式1所示。

引入橫擺力矩Mz可將1式轉(zhuǎn)換為微分方程如公式2所示。

其中，狀態(tài)向量X=[β r]T，輸入向量U=[δ1δ2δ3δ4δ5Mz]T，輸出變量為Y。

圖1 五軸車輛模型圖

2.2 電子差速控制策略

圖2 電子差速控制模型結(jié)構(gòu)圖

本文采用的電子差速控制策略是基于直接橫擺力矩控制的等轉(zhuǎn)矩分配策略。根據(jù)車輛的二自由度模型將駕駛員的需求轉(zhuǎn)矩值按轉(zhuǎn)彎半徑大小分配給五個(gè)驅(qū)動(dòng)橋，再根據(jù)等轉(zhuǎn)矩分配策略，將每個(gè)橋的轉(zhuǎn)矩值等分給左右兩邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為電子差速控制提供基礎(chǔ)扭矩。電子差速控制模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)車輛的方向盤轉(zhuǎn)角以及駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出各橋的轉(zhuǎn)矩分配值，再結(jié)合質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度計(jì)算出橫擺力矩差值，通過車輛二自由度模型將橫擺力矩差值轉(zhuǎn)換成左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩差值，結(jié)合滑移率限制模塊，得出最終的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩值分配給各橋左右兩端驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)差速控制[3]。

3 仿真與實(shí)車實(shí)驗(yàn)

3.1 聯(lián)合仿真平臺(tái)

聯(lián)合仿真平臺(tái)包括車輛模型和控制策略模型兩部分組成。本章通過TruckSim平臺(tái)搭建車輛模型、設(shè)定車輛參數(shù)、制定車輛行駛工況；通過Simulink仿真平臺(tái)搭建控制策略模型，控制策略模型主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、滑移率計(jì)算模塊和電子差速控制；最終搭建出TruckSim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)[4]。TruckSim平臺(tái)車身參數(shù)設(shè)定如圖3所示，Simulink中搭建控制策略模型如圖4所示。

圖3 TruckSim平臺(tái)

圖4 Simulink仿真平臺(tái)

為了驗(yàn)證本文所搭建模型的可行性，同時(shí)搭建傳統(tǒng)開放式機(jī)械差速控制仿真模型作對(duì)比，選取雙移線工況為實(shí)驗(yàn)工況[5]，得到車輛各輪滑移率對(duì)比圖為圖5所示。圖中虛線為傳統(tǒng)機(jī)械差速控制的滑移率曲線圖，實(shí)線為電子差速控制的滑移率曲線圖。從圖中可以看出，本文所提出的電子差速控制策略可以提高車輛行駛穩(wěn)定性且能達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)械差速控制效果。

圖5 各輪滑移率值

3.2 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，將代碼定點(diǎn)化搭建電機(jī)控制器MBD模型如圖6所示。其中電子差速控制模塊為控制策略的核心模塊如圖7所示，該模塊主要包含：直接橫擺力矩計(jì)算模塊、驅(qū)動(dòng)選擇模塊、轉(zhuǎn)矩分配模塊以及滑移率限制模塊。直接橫擺力矩計(jì)算模塊，根據(jù)質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的偏差值，經(jīng)過模糊控制器進(jìn)行模糊和解模糊控制，將得出的橫擺力矩值結(jié)合車輛模型計(jì)算出各軸的左右輪差值，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配；驅(qū)動(dòng)選擇模塊，根據(jù)需求轉(zhuǎn)矩值大小，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋數(shù)進(jìn)行選擇，可有效提高各橋電機(jī)的使用壽命并減少油耗；滑移率限制模塊是將直接橫擺力矩計(jì)算模塊得到的轉(zhuǎn)矩值結(jié)合各輪的滑移率大小進(jìn)行滑移率限值。

圖6 電機(jī)控制器MBD模型

圖7 電子差速控制模塊

將自動(dòng)生成的代碼下載入控制器中并布置到實(shí)車進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。在同樣的環(huán)形場(chǎng)地跑兩圈（第一圈等轉(zhuǎn)矩分配控制策略，第二圈電子差速控制策略），通過采集滑移率值對(duì)電子差速控制策略控制性能性進(jìn)行驗(yàn)證。滑移率對(duì)比圖如圖8所示。從對(duì)比圖中看出電子差速控制策略的滑移率控制效果要優(yōu)于等轉(zhuǎn)矩分配，且滑移率控制基本控制在 5%以內(nèi)，證明本文所提出的電子差速控制策略是可行的。

圖8 滑移率對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)增程式混合動(dòng)力汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的動(dòng)力分配問題進(jìn)行研究，基于對(duì)車輛模型、車輛二自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、等轉(zhuǎn)矩分配策略、橫擺力矩控制以及電子差速控制策略的研究，提出了基于直接橫擺力矩控制電子差速控制策略的設(shè)計(jì)方法，并基于TruckSim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)以及進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，根據(jù)所測(cè)得的各輪滑移率大小，判斷車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的車輛穩(wěn)定性，驗(yàn)證本文所采用的基于模糊控制的直接橫擺力矩控制電子差速控制策略是可行的。