過驅動電動汽車底盤穩(wěn)定性協(xié)調控制

萬正宇 李澤彬 趙月 孫國正 丁宗陽

（1.東風汽車集團有限公司技術中心，武漢 442021；2.東風商用車技術中心，武漢 442021）

1 前言

輪轂電機驅動技術因其更快的響應速度、更好的控制性能及更高的控制精度等優(yōu)點，更具電控的潛力和智能化的優(yōu)勢，更易實現(xiàn)先進底盤動力學協(xié)調控制[1-2]。

李勝琴等[3]提出整車橫擺穩(wěn)定性控制和輪轂電機轉矩分配控制策略，通過對輪轂電機輸出轉矩的控制實現(xiàn)了車輛橫擺穩(wěn)定性控制。褚文博等[4]從驅動系統(tǒng)多動作耦合及制約問題入手，提出了2 種多輪驅動轉矩協(xié)調控制策略。張志勇等[5]基于魯棒控制理論，設計了基于狀態(tài)觀測的H∞車輛穩(wěn)定性控制器，將差動制動與差動驅動相結合，提出了基于橫擺力矩的轉矩分配控制策略。

在車輛實際運行過程中，不同的控制策略切換可能會引起控制輸出的劇烈變化，無法保證平穩(wěn)過渡，且由于電動汽車底盤執(zhí)行器電子元件較多，容易出現(xiàn)失效故障。現(xiàn)有的研究大多集中在單控制器穩(wěn)定性控制方面，而沒有考慮底盤獨立控制器的協(xié)調控制，本文基于某前軸單電機集中驅動+后軸輪轂電機驅動底盤，利用分布式驅動電動汽車電機力矩響應迅速及力矩獨立可控的特點，通過電子穩(wěn)定性控制（Electronic Stability Controller，ESC）系統(tǒng)與整車控制單元（Vehicle Control Unit，VCU）及扭矩矢量控制單元（Torque Vector Vontrol Unit，TVCU）的協(xié)調控制，保證各類工況下車輛的動態(tài)性能及穩(wěn)定性，并基于實車進行驗證。

2 系統(tǒng)仿真模型

2.1 聯(lián)合仿真模型

基于CarSim 軟件構建車身及車輛部分子系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，如圖1 所示。使用Simulink 輪轂電機模型取代原有動力傳動系統(tǒng)，并在后續(xù)研究中將輪轂電機視為整體，采用直接轉矩控制方式對理想電機模型進行建模。最后通過S函數將CarSim中所建立的四輪獨立線控電動汽車模型導入Simulink，組成完整的動力學控制模型，用于驗證所提出的穩(wěn)定性協(xié)調控制策略的有效性。

圖1 聯(lián)合仿真模型結構

2.2 電機特性模型

基于某現(xiàn)有前軸單電機集中驅動+后軸輪轂電機分布式驅動底盤所搭載輪轂電機的實測結果，得到電機特性模型，如圖2所示。

圖2 輪轂電機特性MAP圖

3 基于PID的底盤穩(wěn)定性協(xié)調控制

根據系統(tǒng)結構，搭建了如圖3 所示的基于PID的控制系統(tǒng)模型。其中：二自由度參考模型通過轉向盤轉角δ及實際車速Vx可以識別出整車的期望質心側偏角βd及期望橫擺角速度γd；質心側偏角觀測器通過實車狀態(tài)計算出車輛實際質心側偏角β；失穩(wěn)程度參數計算模塊通過實車質心側偏角和橫擺角速度計算出整車的失穩(wěn)程度參數η并根據標定閾值θ進入穩(wěn)定性協(xié)調控制模塊，計算出車輛所需輪缸壓力及四輪期望轉矩。

圖3 控制系統(tǒng)結構

3.1 二自由度車輛參考模型

車輛的質心側偏角和橫擺角速度對汽車操縱穩(wěn)定性影響較為明顯，因此在車輛行駛過程中需要嚴格控制兩者的大小以防止車輛失穩(wěn)。以二自由度車輛模型為基礎，可計算出期望質心側偏角及期望橫擺角速度：

式中，kf、kr分別為前、后輪側偏剛度；δf為前輪轉角；lf、lr分別為質心到前、后軸的距離；Iz為橫擺轉動慣量；m為整車質量；ΔMz為附加橫擺力矩。

3.2 質心側偏角觀測器

當前，車輛質心側偏角估計方法包括直接積分法[6]、動力學方法[7]等，考慮到成本及車輛控制的實時性，基于運動學方法設計質心側偏角觀測器：

式中，ax為車輛縱向加速度；ay為車輛側向加速度；γ為車輛實際橫擺角速度。

該方法主要利用ESC 內置的三軸向傳感器及車速估計模塊，對車輛參數、路面附著系數及駕駛操作帶來的整車動力學響應具有較好的魯棒性。在傳感器信號精確的情況下，對處于線性區(qū)和非線性區(qū)的質心側偏角都具有較高的估計精度。

3.3 失穩(wěn)程度參數計算

通過失穩(wěn)程度參數計算模塊判斷整車進入何種控制模式。在車輛的穩(wěn)定性控制中，質心側偏角與橫擺角速度存在耦合影響，所以在計算失穩(wěn)程度參數η時需要對兩者進行加權聯(lián)合控制：

其中：

式中，Δβ為觀測質心側偏角與期望質心側偏角的誤差；Δγ為實際橫擺角速度與期望橫擺角速度的誤差；Δβ1、Δβ2分別為根據實際運行工況選取的質心側偏角誤差下邊界和上邊界。

權重系數q與|Δβ|的關系如圖4所示。

圖4 權重系數取值

失穩(wěn)程度參數計算過程中，質心側偏角誤差較小時，橫擺角速度誤差為主要計算量，質心側偏角誤差較大時，質心側偏角誤差為主要計算量，且根據質心側偏角誤差實時計算權重系數。

3.4 車輛狀態(tài)判斷模塊

通過失穩(wěn)程度參數η及失穩(wěn)程度參數閾值θ將車輛狀態(tài)分為穩(wěn)定區(qū)、過渡區(qū)及失穩(wěn)區(qū)。θ為與車速Vx相關的標定量，車速越大，θ越小，如圖5所示。

圖5 失穩(wěn)程度參數閾值示意

車輛處于穩(wěn)定區(qū)時，VCU、TVCU 進入1+2 分配（扭矩按比例分配給前、后軸）模式，后軸輪轂電機執(zhí)行VCU 請求轉矩并分配到左、右輪；車輛進入過渡區(qū)時，TVCU 進行后軸轉矩獨立控制，在線性區(qū)域改善車輛穩(wěn)定性；車輛進入失穩(wěn)區(qū)后，ESC系統(tǒng)接管前軸單電機和后軸輪轂電機，VCU 及TVCU 作為執(zhí)行器執(zhí)行ESC系統(tǒng)請求轉矩。

3.5 穩(wěn)定性控制模塊

橫擺力矩控制（Active Yaw Control，AYC）作為ESC 系統(tǒng)的重要組成部分，對保持車輛在極限工況下的穩(wěn)定性具有重要作用。本文采用分層控制，上層為決策層，根據車輛實際狀態(tài)計算所需直接橫擺力矩ΔMz，下層為轉矩分配層，將得到的總力矩合理分配到4個車輪。上層考慮實車控制的魯棒性及穩(wěn)定性控制所需實時性，采用PID 閉環(huán)控制進行期望橫擺力矩的計算；下層根據期望橫擺力矩ΔMz、駕駛員期望驅動轉矩Td及實際后輪轉速，通過建立的輪轂電機查表模型求解最優(yōu)四輪輸出轉矩及四輪輪缸壓力P。

上層PID控制器決策出的期望橫擺力矩ΔMz為：

式中，kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數；e(t)為失穩(wěn)程度參數與閾值的誤差絕對值。

下層力矩分配控制以輪轂電機效率為優(yōu)化目標，可表示為：

式中，J為優(yōu)化問題函數；c為后軸輪轂電機效率；ωi、Tti分別為輪轂電機實際轉速及分配扭矩；d為輪距；r為輪胎半徑；Tpi為各輪輪缸壓力產生的制動轉矩；Tmmax為驅動系統(tǒng)所能提供的最大驅動轉矩；Ti為各輪總的驅動/制動轉矩；i=1,2,3,4 分別表示車輛左前、右前、左后、右后輪。

式（6）中的約束條件用于滿足期望橫擺力矩及駕駛員期望轉矩。對式（6）所示的有約束非線性規(guī)劃問題，采用MATLAB自帶工具箱函數中的fmincon命令求解。

4 仿真分析

為驗證所提出的穩(wěn)定性協(xié)調控制算法在各類工況下的有效性，通過CarSim 與Simulink 聯(lián)合仿真，選擇低附著系數單移線工況進行驗證。設定初始車速為80 km/h，路面為雪面，路面附著系數為0.4，在第2 s 時駕駛員輸入幅值為60°的轉向盤正弦轉角，仿真結果如圖6所示。

圖6 單移線工況車輛動力學響應

從圖6b～圖6f 中可看出：無穩(wěn)定性協(xié)調控制時車輛在短時間內即沖出車道，無法跟隨期望路徑，且動力學響應較為劇烈；增加穩(wěn)定性協(xié)調控制后，在過渡區(qū)通過后軸扭矩控制可以保證車輛的穩(wěn)定性，在失穩(wěn)區(qū)ESC 系統(tǒng)介入，扭矩控制和液壓控制共同作用，維持車輛的穩(wěn)定行駛。

5 實車驗證

選擇均一低附著系數（雪面）雙移線工況進行實車驗證，初始車速為60 km/h，驗證結果如圖7所示。

圖7 雙移線工況實車動力學響應

從圖7b～圖7d 中可看出，在穩(wěn)定性協(xié)調控制介入后，車輛在激烈工況下的動力學響應較為穩(wěn)定，且轉矩控制和液壓控制的銜接較為平穩(wěn)。

6 結束語

本文提出一種電動汽車底盤穩(wěn)定性協(xié)調控制方法，仿真測試與實車驗證結果表明，二者車輛動力學表現(xiàn)一致，表明該策略能夠較好地保證車輛在穩(wěn)定區(qū)和過渡區(qū)的通過性及失穩(wěn)情況下的穩(wěn)定性，并可較好地平衡不同控制策略切換帶來的劇烈變化，充分發(fā)揮輪轂電機驅動底盤的先進性。