分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)向失效控制研究*

朱文靜 李剛 郭增江

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）

分布式驅(qū)動電動汽車采用線控技術(shù)替代傳統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu)，具有驅(qū)動傳動鏈短、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[1-3]，線控技術(shù)將駕駛員輸入轉(zhuǎn)化為電信號實現(xiàn)汽車操縱，其控制方式靈活,響應(yīng)快速精確，高度符合現(xiàn)代汽車電動化、智能化的發(fā)展需求[4]。但線控系統(tǒng)由大量的電子器件組成，器件的不穩(wěn)定性增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率，降低了汽車行駛的安全性，因此線控系統(tǒng)的失效控制研究具有重要意義[5]。文獻[6-7]采用硬件冗余的方式提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，文獻[8]采用模型預(yù)測等算法處理執(zhí)行器失效的問題，文獻[9-11]針對傳感器失效設(shè)計了包括故障診斷的容錯控制策略。文章針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效提出了差動轉(zhuǎn)向力矩分配控制策略，經(jīng)實驗驗證，該策略能有效解決單個轉(zhuǎn)向電機失效時汽車無法正常轉(zhuǎn)向的問題。

1 失效控制原理

分布式驅(qū)動電動汽車4輪獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向，是典型的過驅(qū)動系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過差動控制合理地對驅(qū)動或者制動力矩進行重新分配，將扭矩輸送到4個車輪上，產(chǎn)生附加橫擺力矩，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向失效控制，完成轉(zhuǎn)向，以確保車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性[12]。分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)向控制流程圖如圖1所示。

圖1 分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)向控制流程

2 失效工況策略

對于分布式驅(qū)動電動汽車，當(dāng)4個轉(zhuǎn)向電機同時故障時，車輛將無法進行轉(zhuǎn)向。當(dāng)某一個或多個轉(zhuǎn)向電機發(fā)生故障的情況，此時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能完全實現(xiàn)正常轉(zhuǎn)向，車輛轉(zhuǎn)向不完全可控。以下為轉(zhuǎn)向電機失效的3種情況：1）1個轉(zhuǎn)向電機故障。只有1個轉(zhuǎn)向電機失效時可能會出現(xiàn)4種工況：左前轉(zhuǎn)向電機失效、右前轉(zhuǎn)向電機失效、左后轉(zhuǎn)向電機失效、右后轉(zhuǎn)向電機失效。如果是前輪出現(xiàn)故障，則前輪采用差動力矩的方式實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向功能。如果是后輪轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障，則對2個后輪電機進行斷電，只采用前輪進行轉(zhuǎn)向；2）2個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障。當(dāng)有2個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障時，會有3種工況：2前輪電機，2后輪電機以及異側(cè)前后轉(zhuǎn)向電機失效。前輪或者后輪電機失效時，采用純前輪轉(zhuǎn)向或者純后輪轉(zhuǎn)向方式，進行汽車轉(zhuǎn)向功能的實現(xiàn)。異側(cè)前后轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障情況時，則使汽車停止行駛；3）3個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障。3個轉(zhuǎn)向電機同時失控，只有1個轉(zhuǎn)向電機能夠轉(zhuǎn)向，此時汽車失去轉(zhuǎn)向功能，應(yīng)立即停止汽車驅(qū)動或轉(zhuǎn)向，避免危險情況發(fā)生。文章主要針對單個電機出現(xiàn)故障情況進行失效控制研究。

3 差動轉(zhuǎn)向力矩分配

根據(jù)車輛行駛時實際橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值，計算保證車輛穩(wěn)定行駛的附加橫擺力矩，然后把駕駛期望需求的總驅(qū)動力矩和附加橫擺力矩值重新分配至4個驅(qū)動電機。整車控制原理圖如圖2所示。

圖2 整車控制原理圖

選取車輛線性二自由度模型為參考模型[13]，在忽略車身及車輪側(cè)偏角的情況下，可以計算出理想的橫擺角速度：

式中：ωr——理想橫擺角速度，（°）/s；

vx——縱向車速，km/h；

K——穩(wěn)定性系數(shù)，s2/m2；

δ——前輪轉(zhuǎn)角，°。

L——軸距，m；

計算橫擺角速度時，考慮到路面的影響，則分布式驅(qū)動電動汽車的橫擺角速度的范圍為：

則可得知理想的橫擺角速度模型為：

式中：μmax——路面峰值附著系數(shù)。

在分布式驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障的情況下，通過差動轉(zhuǎn)向，重新分配4輪力矩保證車輛的操縱穩(wěn)定性，以保證行駛中汽車的安全性與穩(wěn)定性。橫擺力矩決策控制器用來計算保證車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向所需要的附加橫擺力矩。在控制器設(shè)計上，選擇了在實際工程中普遍使用的PID控制。將車輛行駛時實際與理想橫擺角速度的差值輸入到PID控制器中，計算出所需要的附加橫擺力矩與橫擺角速度的差值滿足以下關(guān)系:

式中：Kp——比例因子；

KI——積分因子；

KD——微分因子；

ΔT——附加橫擺力矩，N·m；

e（t）——橫擺角速度差值，（°）/s。

分布式驅(qū)動電動汽車正常安全穩(wěn)定行駛時，4輪驅(qū)動力矩是采用4輪平均分配方式。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)單個轉(zhuǎn)向電機失效的情況，進行差動力矩控制，根據(jù)橫擺力矩決策控制器計算的附加橫擺力矩值，對4輪進行力矩重新分配[14]。具體分配方案見公式：

式中：Tfl、Tfr、Trl、Trr——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的驅(qū)動力矩，N·m；

Td——總的驅(qū)動力矩，N·m。

4 仿真驗證

在CarSim和Matlab中建立的聯(lián)合仿真模型，對控制算法進行實驗驗證。設(shè)置單輪電機出現(xiàn)故障（右后輪電機故障），分別選擇圓周工況和單移線工況進行仿真。

工況1：右后輪電機失效，選擇32 N·m定轉(zhuǎn)矩輸入，道路設(shè)置為圓周路面，半徑150 m，附著系數(shù)為0.85。開環(huán)操縱車輪轉(zhuǎn)角車速。

圓周工況仿真實驗結(jié)果見圖3。如圖3a、3b所示：設(shè)置右后輪轉(zhuǎn)向電機失效，此時的右后輪轉(zhuǎn)角為0，有無差動控制下的其他輪皆能正常轉(zhuǎn)向。如圖3c所示：無差動控制時，汽車4輪力矩平均分配。如圖3d所示：有差動控制時，控制策略分配4輪力矩，形成附加橫擺力矩，實現(xiàn)汽車的差動轉(zhuǎn)向。如圖3e所示：電機故障無差動控制時，理想與實際橫擺角速度有很大的差距，車輛行駛的穩(wěn)定性下降。如圖3f所示：電機故障有差動控制時，理想與實際橫擺角速度基本保持一致，能夠保證車輛按照期望轉(zhuǎn)向。

工況2：車速為80 km/h，右后輪轉(zhuǎn)向電機失效，單移線仿真實驗，仿真時間為15 s。仿真結(jié)果如圖4所示。圖4a、4b為有無差動控制下的車輪轉(zhuǎn)角曲線。圖4c所示：轉(zhuǎn)向失效時，無差動控制的汽車4個車輪的力矩分配曲線基本重合。圖4d所示：轉(zhuǎn)向失效時，有差動控制的汽車4個車輪的力矩分配曲線明顯產(chǎn)生差別。圖4e所示：在轉(zhuǎn)向電機失效時，無差動轉(zhuǎn)向控制的汽車?yán)硐霗M擺角速度與實際橫擺角速度相差很大，汽車行駛相對危險。圖4f所示：在有差動控制下的理想橫擺角速度與實際橫擺角速度基本一致，表明所設(shè)計的差動力矩控制策略能夠保證汽車的正常行駛。

圖4 高速工況仿真驗證

分析圖3、圖4仿真結(jié)果可以得出：采用差動轉(zhuǎn)向控制的汽車能夠在轉(zhuǎn)向電機失效后按照駕駛員的意圖完成轉(zhuǎn)向，并提高汽車的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

文章提出的差動力矩控制策略在汽車中高速行駛、單電機失效的情況下，仍能良好地控制汽車轉(zhuǎn)向行駛，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性與安全性。電機故障存在一定偶然性，因此只對單電機故障的工況進行了仿真驗證，下一步研究應(yīng)集中于2個或3個轉(zhuǎn)向電機同時故障的工況，這對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、分布式驅(qū)動電動汽車的發(fā)展意義重大。