徐國凱，葛平淑，王 娟，韓桂英

(大連民族學(xué)院 a.機(jī)電信息工程學(xué)院;b.信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

研究和探索節(jié)能、環(huán)保和安全的汽車是實(shí)現(xiàn)交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。電動汽車以其超低/零排放、能源利用多元化和高效化等特點(diǎn)，以及便于實(shí)現(xiàn)智能化控制等方面的優(yōu)勢備受重視［1］。近年來，各國紛紛制定了電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖并出臺了一系列配套政策［2-4］。就電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)而言，四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車以其在動力配置、傳動結(jié)構(gòu)、操控性能及能源利用等方面的獨(dú)特優(yōu)勢和巨大發(fā)展?jié)摿Τ蔀殡妱悠囇邪l(fā)的一個重要方向［5］。

輪轂電機(jī)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，使得四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車比傳統(tǒng)汽車更具有底盤主動化、電子化的潛力和優(yōu)勢。目前，電動汽車的研究主要集中在以提高經(jīng)濟(jì)性和減少排放為目標(biāo)的驅(qū)動系統(tǒng)能量管理、針對單輪驅(qū)動或雙輪驅(qū)動的控制技術(shù)以及輪轂電機(jī)的研制等方面，在充分利用四輪轂獨(dú)立驅(qū)動的特點(diǎn)以改善整車動力學(xué)特性和操縱穩(wěn)定性方面的研究起步較晚［6］，而這方面的研究將決定電動汽車的行駛安全性，是制約輪轂驅(qū)動電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有所不同，電動輪驅(qū)動系統(tǒng)取消了各驅(qū)動輪間的機(jī)械連接，為在相同動力需求下驅(qū)動力的優(yōu)化分配提供了可能［7］。但是，由于各輪獨(dú)立可控，增加了驅(qū)動輪的運(yùn)動自由度，這就使得四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車協(xié)調(diào)控制技術(shù)主要集中在兩個方面:基于主動安全控制目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)控制以及四輪轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。

1.1 基于主動安全的控制目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)控制

目前，針對電動輪驅(qū)動的電動汽車主動安全控制技術(shù)主要集中在驅(qū)動防滑控制、橫擺力矩控制、線控轉(zhuǎn)向控制以及電動輪汽車需要解決的電子差速等方面。這些基于單目標(biāo)的控制技術(shù)主要是根據(jù)各自的控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計的，面向主動安全的四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略的研究較少。如圖1［8］可以看出，汽車屬于復(fù)雜的非線性多自由度系統(tǒng)，各自由度之間并不是相互獨(dú)立的，當(dāng)一個自由度發(fā)生改變時，會對另一個或多個自由度產(chǎn)生影響。隨著電動汽車的不斷完善和發(fā)展，電動汽車底盤電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的日趨復(fù)雜，其電控單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器也日益增多，各底盤控制子系統(tǒng)之間相互耦合的趨勢更加明顯，矛盾更加突出。因此，如何對四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使其能夠依據(jù)汽車的行駛狀態(tài)合理分配各子系統(tǒng)工作時序和效能，消除子系統(tǒng)間的沖突，全面提高汽車的行駛穩(wěn)定性，成為目前電動汽車線控底盤集成控制的重要研究內(nèi)容之一。

目前，對電動輪驅(qū)動汽車的穩(wěn)定性控制主要以汽車動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，以汽車操縱穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)(如橫擺角、側(cè)偏角、滑移率等)為控制目標(biāo)，通過合理的電動輪之間的轉(zhuǎn)矩分配實(shí)現(xiàn)電動汽車的縱橫向動力學(xué)控制、驅(qū)動防滑控制以及差動助力轉(zhuǎn)向控制等技術(shù)。

(1)動力學(xué)控制技術(shù)

日本東京大學(xué)Hori實(shí)驗(yàn)室針對輪式獨(dú)立驅(qū)動的電動汽車，進(jìn)行了大量研究，將直接橫擺力矩控制貫穿在電動汽車的動力學(xué)控制方法中，采用模型匹配方法使車輛橫擺角速度跟隨由參考模型確定的目標(biāo)橫擺角速度，設(shè)計了基于偏離角模糊觀測器的直接橫擺控制［9-10］;并提出一種四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車最優(yōu)動力分配方法［11］。Nam等［12］基于主動前輪轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)橫擺穩(wěn)定性控制，包含一個內(nèi)環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角擾動觀測器，一個外環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，達(dá)到調(diào)節(jié)汽車運(yùn)動狀態(tài)的目標(biāo)。Jalali等［13］建立了四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的動力學(xué)模型，通過遺傳算法優(yōu)化控制器參數(shù)來實(shí)現(xiàn)車輛側(cè)偏和橫擺角速度誤差最小。靳立強(qiáng)等［14］研究了最優(yōu)PD控制的電動輪驅(qū)動汽車的動力學(xué)控制策略，并通過仿真驗(yàn)證其有效性。鄭玲等［15］針對基于磁流變阻尼器的電動汽車半主動懸架系統(tǒng)，設(shè)計了4個獨(dú)立的模糊控制器，針對EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)計了魯棒控制器，以整車平順性和操縱穩(wěn)定性能優(yōu)化為目標(biāo)設(shè)計了協(xié)調(diào)控制器。熊璐等［16］采用層次化整車穩(wěn)定性控制方法和加權(quán)二乘法優(yōu)化分配算法，通過縱向力在約束范圍內(nèi)的合理分配形成直接橫擺力矩，提高操縱穩(wěn)定性。張金柱等［17］通過線性二自由度車輛模型計算理想質(zhì)心側(cè)偏角和理想橫擺角速度，以側(cè)偏角和橫擺角速度為控制變量，提出了基于滑模理論的電動汽車穩(wěn)定性控制器。

(2)驅(qū)動防滑控制技術(shù)

Tahami等［18］提出由控制車體側(cè)滑的模糊力矩控制器和車輪滑移控制器組成的四輪驅(qū)動電動汽車驅(qū)動穩(wěn)定性系統(tǒng)，輔助駕駛員在緊急制動或避障時維持車輛穩(wěn)定性。Piyabongkarn等［19］為了實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定性控制，建立基于車輛模型與動力學(xué)模型的側(cè)滑角估計方法。Klomp［20］利用單跟蹤模型和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)條件，分析輪式電動汽車縱向和橫向道路附著能力。Nam等［21-22］提出利用側(cè)向輪胎壓力傳感器信息，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波來估計車輛的側(cè)滑角，并利用監(jiān)測到的側(cè)滑角和輪胎側(cè)偏剛度進(jìn)行輪式獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動防滑控制，從而提高其穩(wěn)定性。對路面狀態(tài)和車輪滑移率的識別是電動汽車一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在傳統(tǒng)汽車上這項(xiàng)技術(shù)，特別是車輪最佳滑移率確定方法，至今還沒有得到很好地解決。

根據(jù)電動輪驅(qū)動的特點(diǎn)，周磊等［23］提出了一種兼顧制動回饋控制及車輪防抱死控制的基于滑移率試探的電動汽車制動控制策略，以期在大制動力工況時實(shí)現(xiàn)車輪的防抱死控制。靳立強(qiáng)等［24-25］根據(jù)汽車輪胎與路面的附著特性，提出了電動輪汽車驅(qū)動輪對應(yīng)最大附著系數(shù)的滑移率實(shí)時識別方法，實(shí)時判斷車輪是否打滑，并確定最佳滑移率及最大附著系數(shù)。蔣振江等［26］采用路面識別方法獲得不同路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，設(shè)計了以滑轉(zhuǎn)率最優(yōu)為控制目標(biāo)的模糊-PID聯(lián)合控制器，保證車輛在惡劣路況下行駛時仍可以獲得較好的驅(qū)動防滑控制效果。

(3)差動助力轉(zhuǎn)向控制技術(shù)

在駕駛員制動時，左右兩側(cè)制動力不同，一般會使汽車向制動力大的一側(cè)轉(zhuǎn)向，同理左右輪驅(qū)動力矩差值也會驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動［27］。差動助力轉(zhuǎn)向是電動輪車的獨(dú)特技術(shù)特點(diǎn)和顯著優(yōu)勢之一，能有效改善車輛在轉(zhuǎn)向和危險工況下的操縱穩(wěn)定性。Nam等［28］基于二自由度控制方法實(shí)現(xiàn)前輪主動轉(zhuǎn)向控制，從而提高車輛橫擺穩(wěn)定性，并建立橫擺角擾動補(bǔ)償和觀測器。Fujinmoto等［29］利用主動前輪轉(zhuǎn)向和左右電動輪轉(zhuǎn)矩差實(shí)現(xiàn)了車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角解耦控制，并通過側(cè)向力觀測器和橫擺力矩觀測器提高該解耦控制適應(yīng)路面狀態(tài)改變的魯棒性。王軍年等［30］應(yīng)用Matlab/Simulink建立了差動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模型，研究了旨在降低轉(zhuǎn)向盤手力和輔助轉(zhuǎn)向輪回正的左右前輪轉(zhuǎn)矩分配控制策略，并采用后輪差動實(shí)現(xiàn)車輛橫擺校正，提高差動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力［31］。趙萬忠等［32］設(shè)計一種力與位移耦合控制的前輪主動轉(zhuǎn)向AFS系統(tǒng)，使其同時具有主動轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向功能，實(shí)現(xiàn)汽車安全性與靈活性的協(xié)調(diào)。范晶晶等［33］為全輪獨(dú)立電驅(qū)動車輛提出一種雙重轉(zhuǎn)向的控制策略，設(shè)計開發(fā)了雙重轉(zhuǎn)向控制策略仿真平臺，對減小車輛轉(zhuǎn)向半徑有明顯效果。

上述研究主要基于單系統(tǒng)(動力學(xué)控制系統(tǒng)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)、差動轉(zhuǎn)向等)的控制技術(shù)，很少考慮各個控制系統(tǒng)之間相互影響和作用，缺乏對車輛系統(tǒng)運(yùn)動的整體分析和集成控制。而四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動技術(shù)，車輪的驅(qū)動力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制，真正實(shí)現(xiàn)汽車的“電子主動底盤”。

在這方面，國內(nèi)外少數(shù)研究者對電動汽車的綜合穩(wěn)定性控制策略進(jìn)行了探索性研究。Geng等［34］利用模糊邏輯建模方法的直接橫擺力矩控制(DYC)實(shí)現(xiàn)輪式電動車輛狀態(tài)觀測，利用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型來逼近非線性車輛動力學(xué)局部線性模型。Canale等［35］利用主動差分和偏航率反饋方法實(shí)現(xiàn)車輛的偏航控制，采用二階滑模控制算法(SOSM)來保證系統(tǒng)控制魯棒性。Goodarzi等［36］采用模糊控制對主動前輪轉(zhuǎn)向和主動制動進(jìn)行集成控制。余卓平等［37］設(shè)計了最優(yōu)控制理論的橫擺力矩控制策略和適用于復(fù)雜工況的制動力分配策略。李剛等［38］提出了一種基于模型預(yù)測控制的、采用分層集成控制結(jié)構(gòu)的集成控制算法，針對線控轉(zhuǎn)向四輪獨(dú)立驅(qū)動電動車的主動前輪轉(zhuǎn)向(AFS)與DYC的集成控制問題，設(shè)計了模型預(yù)測控制器，并研究了基于二次規(guī)劃的驅(qū)動力分配方法。

盡管四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車比傳統(tǒng)汽車更具有底盤主動化、電子化的潛力和優(yōu)勢，但是目前對其穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略研究較少，傳統(tǒng)汽車在這方面的研究思路可供參考［39-43］。在協(xié)調(diào)控制過程中，也不斷涌現(xiàn)出各種控制算法［44］。其中，控制分配算法CA近年來開始應(yīng)用在汽車上［45-46］，該方法最早應(yīng)用于航空器，主要用于解決多個執(zhí)行器組合產(chǎn)生相同的控制指令，且執(zhí)行器的數(shù)量大于被控狀態(tài)量。在汽車底盤協(xié)調(diào)控制過程中，當(dāng)執(zhí)行器數(shù)量較少時可采用模糊邏輯實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)執(zhí)行器數(shù)量較多時更適合采用控制分配方法［47］。

1.2 四輪轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制技術(shù)

四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車采用全新的驅(qū)動系統(tǒng)，其核心問題之一是如何分配四輪驅(qū)動力。通過轉(zhuǎn)矩分配能夠提高驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行效率和汽車整車的動力性及經(jīng)濟(jì)性［7］。目前，國內(nèi)外學(xué)者借鑒傳統(tǒng)汽車在主動安全控制方面的思路和成果，通過各種不同的方法來實(shí)現(xiàn)整車的穩(wěn)定性控制，但在如何進(jìn)行驅(qū)動輪的協(xié)調(diào)以及控制何時介入等方面研究較少。

Ono等［48］以最小化輪胎路面附著利用率來分配各車輪的地面切向力，為汽車的穩(wěn)定行駛保留了更多的附著余量，采用非線性最優(yōu)分配方法來分配各輪目標(biāo)驅(qū)動力。Yang等［49］則在考慮電機(jī)動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上提出電機(jī)的電流分配控制算法，以保證電動汽車在不同工況下的跟蹤期望目標(biāo)的能力。Wu等［50］針對兩輪驅(qū)動電動車提出了兩層控制結(jié)構(gòu)，在電機(jī)控制層，電機(jī)控制器完成當(dāng)前電動汽車運(yùn)行狀態(tài)所需要的轉(zhuǎn)矩，而在轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制層，轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制器不僅協(xié)調(diào)多電機(jī)轉(zhuǎn)矩，還研究了在電機(jī)控制飽和狀態(tài)下，保持車體穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性的控制方法。

張緩緩［51］從直線行駛、能量優(yōu)化、操縱穩(wěn)定性等方面研究了電動輪車的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制技術(shù)。余卓平等［52］研究了四輪輪毅電機(jī)驅(qū)動電動汽車在直行時經(jīng)濟(jì)性改善的前后輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配控制方法。鄒廣才等［53］基于四輪獨(dú)立驅(qū)動特點(diǎn)建立了側(cè)重提高穩(wěn)定性和側(cè)重改善機(jī)動性的兩種目標(biāo)函數(shù)，基于模糊理論設(shè)計了以車輛質(zhì)心側(cè)偏角為變量的權(quán)重函數(shù)，并對約束優(yōu)化兩種目標(biāo)函數(shù)得出的縱向力分配值進(jìn)行實(shí)時動態(tài)調(diào)整。馬雷等［54］分析了四輪驅(qū)動狀態(tài)的耦合關(guān)系，并運(yùn)用最優(yōu)控制理論設(shè)計了驅(qū)動系統(tǒng)反饋控制器，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的電流來控制各輪縱向力以提高車輛操縱穩(wěn)定性的策略。褚文博等［55］提出一種分布式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法，基于動力性和穩(wěn)定性的控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)多輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。

2 發(fā)展動態(tài)分析

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，目前四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車控制技術(shù)主要集中在電動汽車行駛穩(wěn)定性控制以及電動輪轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方面。由于四輪驅(qū)動電動汽車尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，關(guān)于其操縱穩(wěn)定性的主觀評價方面的研究較少。雖然針對四輪驅(qū)動電動車的穩(wěn)定性控制使得人們對電動汽車的主動安全控制有一定的認(rèn)識，但是沒有從整體性、相關(guān)性方面對各種控制技術(shù)之間的相互制約和相互影響進(jìn)行深入研究，這會使得四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車在底盤控制方面的潛力發(fā)揮不出來，從而制約著四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車作為理想車輛的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。因此，針對四輪獨(dú)立驅(qū)動電動車的行駛穩(wěn)定性控制研究需進(jìn)一步探索，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

2.1 控制技術(shù)之間的耦合關(guān)系

電動輪驅(qū)動系統(tǒng)取消了各驅(qū)動輪間的機(jī)械連接，為在相同動力需求下驅(qū)動力的優(yōu)化分配提供了可能，但是由于各輪獨(dú)立可控，增加了驅(qū)動輪的運(yùn)動自由度，這就使得四輪驅(qū)動汽車控制技術(shù)之間出現(xiàn)相互耦合或者相互干擾的情況［56］。因此，有必要分析四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車各控制技術(shù)之間的耦合關(guān)系。

2.2 控制技術(shù)之間的協(xié)調(diào)控制策略

在分析各控制技術(shù)的特性和工作特點(diǎn)之后，需要根據(jù)此制定相應(yīng)的穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略。例如，由于差動助力轉(zhuǎn)向是通過兩側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的驅(qū)動力差來實(shí)現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向，這就要求差動助力轉(zhuǎn)向過程既要滿足整車驅(qū)動力要求，又要滿足主動轉(zhuǎn)向角要求，消除兩種主動控制系統(tǒng)之間的干涉和耦合［57］。因此，如何實(shí)現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向與驅(qū)動的協(xié)調(diào)控制就是其中需要考慮的問題之一。

2.3 考慮電機(jī)動態(tài)特性的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制

作為控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)的性能和控制方法顯得尤為重要。目前，控制研究算法很少考慮不同電機(jī)之間的動態(tài)差異，其內(nèi)部的不確定性(比如電機(jī)參數(shù)或故障部件等)可能會造成潛在危險。因此，有必要考慮電機(jī)的動態(tài)特性，研究其失效控制機(jī)制，以確保車輛安全行駛。另外，目前驅(qū)動力的分配算法一般都從提高車輪附著力的角度考慮，卻忽視了系統(tǒng)的綜合節(jié)能策略。因此，如何在滿足控制目標(biāo)的同時提高電動汽車的經(jīng)濟(jì)性也是需要研究的問題。

3 結(jié)論

從本質(zhì)上講，由于四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動的特點(diǎn)，其穩(wěn)定性控制技術(shù)之間具有高度的相關(guān)性和動態(tài)性，而目前針對行駛穩(wěn)定性控制的研究目標(biāo)比較單一，對不同研究目標(biāo)之間的相互關(guān)系很少考慮。鑒于上述問題，深入研究四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略，分析面向主動安全的穩(wěn)定性控制目標(biāo)之間的相互關(guān)系，總結(jié)各控制子系統(tǒng)對整車穩(wěn)定性的影響和適應(yīng)的工作范圍，并針對四輪驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)，著重研究四輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)與解耦控制方法，是四輪轂獨(dú)立驅(qū)動電動汽車發(fā)展過程中的關(guān)鍵問題，對提高四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車主動安全及事故防控能力具有重要研究價值和社會意義。

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(責(zé)任編輯 劉敏)