基于直接橫擺力矩和發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)的汽車側(cè)向穩(wěn)定性控制

劉 剛， 徐文博， 靳立強

(1.河南工學院汽車工程系，新鄉(xiāng) 453000；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室, 長春 130025)

隨著中國汽車數(shù)量逐年增加，汽車主動安全技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。2007年，美國高速公路安全管理局(NHTSA)對交通事故分析，發(fā)現(xiàn)裝備電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(electronic stability controller, ESC)的車輛，事故碰撞率減少34%，翻車率降低71%。中國市場份額的ESC控制器基本上95%被國外公司產(chǎn)品占據(jù)，中國公司和研究機構(gòu)針對ESC的研發(fā)起步較晚，僅占據(jù)市場份額的小部分[1-4]。

近年來中外學者多采用分層思想研究ESC控制策略和方法，該方法是采用自上而下的研究思路，將ESC控制策略分成上下兩部分，上層主要由穩(wěn)定性控制算法構(gòu)成，下層則是負責將計算所得控制命令發(fā)送給執(zhí)行單元[5-6]。在上層控制器中，研究主要集中在直接橫擺力矩控制(direct yaw moment control, DYC)和發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)控制(engine torque control, ETC)。在直接橫擺力矩方面，Van Zanten等[7]利用最優(yōu)控制理論計算得到汽車轉(zhuǎn)向時每個車輪所需的制動力矩；Nagai等[8]采用前饋加反饋的方法，以此計算四驅(qū)車輛所需的直接橫擺力矩；Hancock等[9]利用最優(yōu)LQR(linear quadratic regulator)計算直接橫擺力矩，并采用差動制動方式改善車輛側(cè)向穩(wěn)定性。

除了DYC控制能夠改善車輛穩(wěn)定性，減小發(fā)動機扭矩輸出也能起到同樣的作用，因為汽車在轉(zhuǎn)向時，前驅(qū)車輛易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足，后驅(qū)車輛易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度情況。通過適當?shù)臏p小高速行駛車輛發(fā)動機輸出扭矩，則能改變車輪的縱向受力，以此維持車輛側(cè)向穩(wěn)定性。在極限工況時利用直接橫擺力矩控制配合發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)控制，則能有效擴大ESC維穩(wěn)區(qū)域范圍，但是目前關(guān)于發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)控制配合DYC的文獻較少。Yoon等[10]提出汽車轉(zhuǎn)向時側(cè)向加速度過大，且車輛處于非線性狀態(tài)時，改變汽車縱向車速則能影響汽車側(cè)向穩(wěn)定型。清華大學李亮等提出將汽車縱向車速作為控制變量，利用穩(wěn)定性因數(shù)判斷汽車的側(cè)向狀態(tài)，通過降低車速確保汽車穩(wěn)定性[11]。

圖1 車輛穩(wěn)定性控制策略架構(gòu)圖Fig.1 Framework diagram of vehicle stability control strategy

通過上述文獻分析，本文利用DYC配合ETC的方法來改善汽車側(cè)向穩(wěn)定性。

1 控制策略總體架構(gòu)

車輛穩(wěn)定性控制策略采用分層的思想來設計，架構(gòu)如圖1所示。車輛的質(zhì)心側(cè)偏角、縱向和側(cè)向加速度、輪速等狀態(tài)變量均可通過觀測器估算或傳感器采集得到。上層控制器主要包括三部分內(nèi)容，分別為車輛穩(wěn)定性狀態(tài)判斷、目標值計算、穩(wěn)定性控制算法。上層控制器計中的DYC計算出來的直接橫擺力矩發(fā)送給下層控制器，由下層控制器計算得到目標制動壓力，再經(jīng)過輪缸壓力控制模塊處理后發(fā)送給液壓執(zhí)行單元進行制動。ETC模塊計算出來的發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)大小發(fā)送給發(fā)動機管理單元，由發(fā)動機管理單元執(zhí)行，實現(xiàn)發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)。

2 DYC介入時機判斷和ETC介入控制研究

2.1 DYC介入時機判斷

(1)

式(1)中：B1和B2分別為調(diào)節(jié)變量和邊界變量，利用對B1和B2變量的調(diào)節(jié)，將汽車運行狀態(tài)區(qū)分為穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域、DYC介入控制區(qū)域；β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角。由于路面附著系數(shù)會影響車輛穩(wěn)定性判斷，因此B1和B2取值根據(jù)路面附著系數(shù)而變化，如表1所示。如圖2所示，汽車在穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域運行時，汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角變化趨勢緊密跟隨駕駛員方向輸入信號，此時DYC不會介入。但是當車輛狀態(tài)參數(shù)進入圖2中DYC介入控制區(qū)域時，則需要DYC介入確保車輛側(cè)向穩(wěn)定性。DYC介入時機判斷流程圖如圖3所示。

2.2 ETC介入時機判斷

汽車在轉(zhuǎn)彎時，車輛的側(cè)向加速度、縱向車速和橫擺角速度的數(shù)學關(guān)系為

表1 B1、B2參數(shù)Table 1 Parameter of B1、B2

圖相平面法示意圖Fig.2 Phase plane method diagram

圖3 DYC介入時機判斷流程圖Fig.3 Flow chart of DYC intervention timing judgment

(2)

(3)

路面附著力所能提供的最大側(cè)向加速度為

ay_max=μmaxg

(4)

式(4)中:μmax表示路面附著系數(shù)的最大值，g為重力加速度。

將ay_ref與ay_max的比值作為車輛穩(wěn)定性狀態(tài)系數(shù)：

(5)

穩(wěn)定性狀態(tài)參數(shù)Kfactor表示車輛穩(wěn)定性狀態(tài)的程度，在已經(jīng)確定路面附著系數(shù)的情況下，穩(wěn)定性狀態(tài)參數(shù)Kfactor增大，表示側(cè)偏角變大，此時維持車輛穩(wěn)定所需的側(cè)向力就需要增大，側(cè)向加速度接近或超過路面提供側(cè)向加速度的極限值，下一時刻車輛可能會處于失穩(wěn)狀態(tài)；Kfactor減小，表示車輛逐漸接近穩(wěn)定狀態(tài)。因此，設定門限值As，當Kfactor≤As時，則意味車輛側(cè)向穩(wěn)定。針對式(5)，當前路面系數(shù)一定的情況下，車輛轉(zhuǎn)彎時，則可以通過減小縱向車速vx來確保車輛側(cè)向穩(wěn)定?？v向車速在車輛轉(zhuǎn)彎時的門限值可以求得：

(6)

式(6)中：δlast為上一時刻前輪轉(zhuǎn)角參數(shù)。

汽車在轉(zhuǎn)彎過程中，縱向車速超過vx_limit，表示當前車輛行駛的路面提供的側(cè)向力，小于維持車輛穩(wěn)定所需的側(cè)向力，車輛逐漸無法保持穩(wěn)定，因此需要依靠ETC模塊依據(jù)當前車輛狀態(tài)參數(shù)和路面工況減少發(fā)動機扭矩的輸出，以此降低車輛縱向車速，從而維持車輛側(cè)向穩(wěn)定。

3 直接橫擺力矩控制算法

DYC的控制量選擇橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，因為橫擺角速度能夠準確描述車輛轉(zhuǎn)彎過程中旋轉(zhuǎn)情況，質(zhì)心側(cè)偏角則反映了汽車轉(zhuǎn)向過程中偏離行駛軌跡的情況，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角目標值計算由文獻[12]可得。

車輛模型采用3自由度模型，該模型能夠準確描述汽車在轉(zhuǎn)彎過程中縱向力、側(cè)向力和橫擺力矩之間的數(shù)學關(guān)系[13]，如圖4所示，表達式為

圖4 3自由度非線性車輛模型Fig.4 Nonlinear vehicle model with 3 degree of freedom

(7)

(8)

汽車的前輪側(cè)偏角δ較小，正弦值可以認為是0，因此整理可得：

(9)

(10)

式(10)中：Myaw_des即為車輛在失穩(wěn)時DYC介入維穩(wěn)所需的直接橫擺力矩輸入值。

DYC采用指數(shù)趨近律的滑模控制算法，指數(shù)趨近律為

(11)

式(11)中：ε和ks均為消除抖動的可調(diào)節(jié)參數(shù)。

橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角為DYC的控制變量，將滑模面s設置為

(12)

式(12)中：ξ為可調(diào)節(jié)參數(shù)。

針對滑模面s微分可得：

(13)

將式(10)、式(12)、式(13)整理可得車輛在極限工況下維持汽車側(cè)向穩(wěn)定性所需的直接橫擺力矩為

(14)

4 發(fā)動機控制算法

發(fā)動機控制(engine torque control, ETC)是基于車輛微控制器已經(jīng)具備驅(qū)動防滑控制(TCS)情況下的。ETC介入時會根據(jù)工況計算得到發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)數(shù)值，控制器將數(shù)值通過CAN總線傳送給發(fā)動機管理系統(tǒng)(engine management system，EMS)。EMS根據(jù)接收到的發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)數(shù)值做出相應調(diào)整。發(fā)動機控制架構(gòu)如圖5所示，發(fā)動機輸出扭矩的數(shù)學表達式為

Te=Tbase-ΔTωe-Tfast

(15)

式(15)中：Tbase是發(fā)動機輸出扭矩的基礎值，主要利用節(jié)氣門開度參數(shù)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速參數(shù)，通過查詢MAP圖得到；Tfast為ETC介入后計算得到的發(fā)動機減少扭矩目標值；ΔTωe為發(fā)動機扭矩修正參數(shù)，數(shù)學模型為

(16)

4.1 變參數(shù)PID發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)算法

ETC算法選取汽車車輪的輪速作為控制變量，因為輪速和滑移率構(gòu)成數(shù)學關(guān)系，且輪速能夠利用輪速傳感器采集得到。輪速作為控制變量，其目標值為

(17)

式(17)中：λnom=f(λp)KTCS_flag+λcorr；vref是車輛的參考車速；KTCS_flag為驅(qū)動防滑控制標志位，當車輪滑轉(zhuǎn)率超過TCS門限值時置1，未超過則置0；λcorr為ETC介入時滑移率的修正參數(shù)，該值計算是ETC算法的關(guān)鍵，在4.2節(jié)介紹；f(λp)是TCS介入時車輪在當前行駛工況下的最佳滑轉(zhuǎn)率，f(λp)計算可以參考文獻[14-15]。

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制架構(gòu)圖Fig.5 Engine torque control architecture

ETC采用可變參數(shù)的PID控制算法，算法公式為

(18)

式(18)中：vT是驅(qū)動軸同軸兩個車輪輪速的平均值vT=(vl+vr)/2。ETC變參數(shù)PID算法中的KP、KI、KD主要是依據(jù)Δv以及當前路面的附著系數(shù)改變，參數(shù)的改變保證了在高附著路面行駛時汽車具備強勁的驅(qū)動能力，并且改善在低附著冰雪路面行駛時的舒適度，三個參數(shù)取值范圍如表2所示，μcorr取值范圍如圖6所示。

表2 變參數(shù)PID參數(shù)Table 2 Variable parameter PID parameter

圖6 路面附著系數(shù)與滑移率修正值關(guān)系Fig.6 The relationship between pavement adhesion coefficient and slip correction value

4.2 發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)的期望值計算

汽車在轉(zhuǎn)向過程中，發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)滑移率期望值的修正量由模糊算法計算得到?；谀：惴ǖ幕坡市拚邓惴軜?gòu)如圖7所示。

圖7 滑移率修正值的模糊算法架構(gòu)Fig.7 Fuzzy algorithm architecture of slip rate correction value

圖8 輸入量1的模糊集Fig.8 Fuzzy set of input 1

第二個輸入變量是|e(β)|=|β-βnom|，其論域設置為[0,1]，0表示汽車處于穩(wěn)態(tài)，1表示汽車轉(zhuǎn)向過程中偏離期望軌跡程度很大。輸入變量2的模糊集如圖9所示。

圖9 輸入量2的模糊集Fig.9 Fuzzy sets of input 2

圖10 輸入量3的模糊集Fig.10 Fuzzy set of input 3

輸出量為目標滑移率修正值λcorr，其論域設置[0,1]，用來表示發(fā)動機扭矩介入時減小扭矩輸出的修正量，模糊子集如圖11所示。

圖11 輸出量的模糊集Fig.11 Fuzzy sets of output

5 軟件聯(lián)仿

利用MATLAB/Simulink、Carsim和Lab AMESim軟件聯(lián)合構(gòu)建了仿真平臺，聯(lián)合仿真平臺方案如圖12所示。直接橫擺力矩和發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)控制算法采用MATLAB/Simulink建模構(gòu)建，輪缸壓力控制和輪缸壓力估計模塊參考文獻[16]。液壓控制單元采用LAB AMESim軟件構(gòu)建。在算法仿真驗證部分，分別進行了符合FMVSS126法規(guī)的正弦遲滯實驗和方向盤增幅實驗。車輛參數(shù)如表3所示。

圖12 穩(wěn)定性控制軟件聯(lián)合仿真驗證方案Fig.12 Co-simulation and verification scheme of stability control software

表3 軟件聯(lián)合仿真車輛參數(shù)Table 3 Software co-simulation of vehicle parameters

5.1 正弦遲滯仿真實驗

圖13 正弦遲滯工況下方向盤輸入信號Fig.13 Steering wheel input signal under sinusoidal hysteresis condition

圖14 正弦遲滯工況下橫擺角速度數(shù)據(jù)Fig.14 Yaw angular velocity data under sinusoidal hysteresis

圖15 正弦遲滯工況下側(cè)向加速度Fig.15 Lateral acceleration under sinusoidal hysteresis

圖16 正弦遲滯工況下相平面Fig.16 Phase plan under sinusoidal hysteresis

5.2 方向盤轉(zhuǎn)角輸入增幅仿真驗證

方向盤轉(zhuǎn)角輸入增幅實驗是在高速情況下，依靠方向盤轉(zhuǎn)角逐漸增加來驗證車輛是否能夠保證側(cè)向穩(wěn)定，方向盤轉(zhuǎn)角輸入數(shù)值如圖17所示，車輛速度為90 km/h，路面設置為低附路面，附著系數(shù)為0.3。與正弦遲滯實驗不同，車輛在實驗全程保持勻速，所以駕駛員模型需要控制燃油供給，該工況主要是為了驗證直接橫擺力矩和發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)配合控制的效果。

圖17 方向盤轉(zhuǎn)角輸入信號數(shù)據(jù)Fig.17 Steering wheel angle input signal data

圖18 低附路面工況橫擺角速度曲線Fig.18 Yaw angular velocity curve under lower surface conditions

圖19 低附路面工況側(cè)向加速度曲線Fig.19 Lateral acceleration curve of low attached pavement working conditions

圖20 低附路面工況相平面Fig.20 Phase plan of low-attached pavement working conditions

6 實驗驗證

實驗車輛選擇上汽乘用車的名爵銳騰，除了車身自帶的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺角速度組合傳感器以外，增加了SpeedBox測試儀、并且安裝了防滾架。車輛改裝以及內(nèi)部設備布置如圖21所示。實車實驗在安徽廣德通用-泛亞試車場進行，路面為附著系數(shù)0.9的高附著路面，主要進行了符合ISO-3888-1標準的雙移線工況實驗。車輛初始速度保持在75 km/h，全程勻速駕駛。實驗分為關(guān)閉ESC控制器效果驗證和開啟ESC控制器效果驗證。

圖21 車輛改裝以及內(nèi)部設備圖Fig.21 Vehicle refitting and internal equipment diagram

圖22所示為無ESC控制前輪轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度數(shù)據(jù)。從圖22側(cè)向加速度在4.02 s時達到最大值8.51 m/s2，且側(cè)向加速度、橫擺角速度沒有密切跟隨前輪轉(zhuǎn)角變化趨勢，出現(xiàn)較長時間的響應滯后現(xiàn)象，說明汽車行駛狀態(tài)和軌跡已經(jīng)與駕駛員操作出現(xiàn)偏差，此時汽車已經(jīng)失穩(wěn)。無ESC控制的雙移線工況實驗做了10次，均出現(xiàn)了汽車撞樁現(xiàn)象。

圖22 無控制高附雙移線工況車輛側(cè)向加速度和前輪轉(zhuǎn)角曲線Fig.22 Vehicle lateral acceleration and front wheel rotation curve under uncontrolled high-attachment double lane-shifting condition

在打開ESC控制器的情況下，圖23所示為前輪轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度數(shù)據(jù)。從圖23可以看出，ESC控制在4.89、5.71、7.21 s時介入改善車輛穩(wěn)定狀態(tài)，橫擺角速度和側(cè)向加速度變化趨勢基本與前輪轉(zhuǎn)角一致。

圖23 有控制高附雙移線工況車輛側(cè)向加速度和前輪轉(zhuǎn)角曲線Fig.23 Shows the lateral acceleration and front wheel angle curves under the condition of high attachment and double lane shifting

圖24所示為發(fā)動機時機輸出扭矩和駕駛員期望輸出扭矩曲線，在5.62～6.32 s、7.21～7.52 s兩個時間段，車輛縱向車速大于門限值，ETC控制介入減小發(fā)動機輸出扭矩，所以從圖24中可以看出在這兩個時間段發(fā)動機實際輸出扭矩小于期望扭矩。

圖24 高附雙移線工況發(fā)動機扭矩輸出曲線Fig.24 Torque output curve of engine under high attachment and double line shift conditions

7 結(jié)論