蘇建強，馬曉軍，項 宇，陽貴兵

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

電驅(qū)動裝甲車輛雙重轉(zhuǎn)向控制聯(lián)合仿真*

蘇建強，馬曉軍，項 宇，陽貴兵

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

為了提高輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛轉(zhuǎn)向的靈活性及越野機動性能，借鑒履帶車輛滑移轉(zhuǎn)向思想，采用雙重轉(zhuǎn)向控制策略。以車輛的橫擺角速度為控制目標，設(shè)計了自抗擾控制器，通過調(diào)整兩側(cè)輪轂電機轉(zhuǎn)矩輸出產(chǎn)生直接橫擺力矩，進而調(diào)節(jié)車輛橫擺角速度，實現(xiàn)裝甲車輛雙重轉(zhuǎn)向。在Adams中建立車輛動力學模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建Adams與Matlab環(huán)境中的聯(lián)合仿真模型，并進行了聯(lián)合仿真，結(jié)果表明，基于直接橫擺力矩控制的雙重轉(zhuǎn)向增大了外側(cè)動力輸出，減小了車輛在中低速轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向半徑，提高了車輛的轉(zhuǎn)向性能。

輪轂電機，橫擺角速度，雙重轉(zhuǎn)向控制，聯(lián)合仿真，橫擺力矩

引言

直接橫擺力矩控制是車輛先進的主動安全技術(shù)之一，對于機械車輛這些控制系統(tǒng)一般由復雜的機械機構(gòu)來實現(xiàn)［1］。輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛，取消了驅(qū)動輪之間的機械連接，每個輪子裝有一個驅(qū)動電機，驅(qū)動輪的自由度大大增加，控制兩側(cè)電機轉(zhuǎn)矩即可產(chǎn)生橫擺力矩［2］。與機械車輛動力傳動方式不同，電傳動技術(shù)可實現(xiàn)功率的柔性傳遞，而對各個輪轂電機的控制只需要車輛綜合控制通過總線網(wǎng)絡(luò)對電機控制器控制，且電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、控制精度高、易于測量，相比傳統(tǒng)車輛具有無可比擬的優(yōu)勢［3-5］。

本文借鑒履帶車輛滑移轉(zhuǎn)向，利用輪轂電機轉(zhuǎn)矩獨立可控，采用雙重轉(zhuǎn)向控制［6-7］，設(shè)計了橫擺角速度自抗擾控制器，通過直接橫擺力矩調(diào)節(jié)車輛橫擺角速度響應(yīng)，從而滿足駕駛員對車輛的轉(zhuǎn)向期望。進行了Adams與Matlab環(huán)境中的聯(lián)合仿真分析，驗證了雙重轉(zhuǎn)向控制策略的有效性，為下一步實車應(yīng)用提供了理論支撐。

1 八輪轂電機驅(qū)動輪式裝甲車輛結(jié)構(gòu)

本文中裝甲車輛由8個輪轂電機驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)如圖1。發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電為后功率鏈8個輪轂電動機提供電能，在功率需求較小時，可為動力電池、超級電容充電，當發(fā)動機不能滿足功率需求時，由動力電池和超級電容放電補充。各個輪轂電機之間沒有任何的機械連接，車輛綜合控制器通過總線對各個輪轂電機控制，使車輛控制自由度將大大增加。

圖1 八輪轂電機驅(qū)動輪式裝甲車輛結(jié)構(gòu)

2 雙重轉(zhuǎn)向控制

機械傳動的輪式車輛轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)和差速器來實現(xiàn)，在車輪轉(zhuǎn)過一定角度時，由于內(nèi)外側(cè)車輪地面阻力不同，動力經(jīng)差速器后內(nèi)外側(cè)輸出不同轉(zhuǎn)速，內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)矩基本保持相等，在良好路面上具有較好性能，但其越野工況下性能變差，所以一般越野車輛裝有限滑差速器。履帶車輛的滑移轉(zhuǎn)向具有較好的越野性能，但其功率損耗較大，履帶磨損大。雙重轉(zhuǎn)向就是將兩種轉(zhuǎn)向方式結(jié)合起來，在保持原有輪式車輛轉(zhuǎn)向角不變的情況下，利用滑移轉(zhuǎn)向來減小車輛的轉(zhuǎn)向半徑。對于輪轂電機驅(qū)動輪式裝甲車輛，采用雙重轉(zhuǎn)向時，可將內(nèi)側(cè)電機的制動功率轉(zhuǎn)移到外側(cè)電機，提高了能量的利用率，同時必然也增加了輪胎磨損。

2.1 車輛動力學模型

電驅(qū)動裝甲車輛采用了雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)，即車輛在轉(zhuǎn)向時前四輪轉(zhuǎn)過一定角度，后四輪轉(zhuǎn)向角為零。建立車輛等效二自由度單軌模型，狀態(tài)變量X=［γ β］τ，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

其中：

式中：M為橫擺力矩，l為車輛內(nèi)外側(cè)輪距；Vx為車輛質(zhì)心縱向速度；β為車身側(cè)偏角；αi為第i軸輪子側(cè)偏角；γ為橫擺角速度；δi為第i軸輪子轉(zhuǎn)向角；Ci為第i軸車輪側(cè)偏剛度（i=a，b，c，d）；m為整車質(zhì)量；Iz為車輛的轉(zhuǎn)動慣量，F(xiàn)1（t）、F2（t）狀態(tài)方程中的擾動。

2.2 參考橫擺角速度

輪式車輛的質(zhì)心側(cè)偏角較小的情況下，由線性二自由度車輛決定的車輛橫擺角速度對車輛來說是最穩(wěn)定的［8-9］。當不考慮側(cè)向力飽和，橫擺力矩輸出為零時，根據(jù)式（1）計算得到車輛期望的橫擺角速度為：

車輛在行駛過程中受路面附著條件的影響，其側(cè)向加速度必須有如下約束：

式中，ay為車輛側(cè)向加速度，μ為路面附著系數(shù)。

在質(zhì)心側(cè)偏角很小時有：ay≈γ·Vx，所以期望的橫擺角速度還應(yīng)該滿足如下條件：

在車輛行駛中低速時，為了減小車輛的轉(zhuǎn)向半徑，提高車輛的靈活性能，增大參考橫擺角速度，使車輛轉(zhuǎn)向過程中外側(cè)輸出更大的動力，但同時要保證行駛安全性能，所以參考橫擺角速度取為：

式中，K為調(diào)整參數(shù)，K越大車輛滑移轉(zhuǎn)向比例越大，車輛速度在35 km/h以上時，K=1，不具有滑移轉(zhuǎn)向性能，此時以車輛穩(wěn)定性為控制目標。

2.3 橫擺角速度自抗擾控制器設(shè)計

關(guān)于車輛橫擺角速度控制有PID控制、模糊控制、滑?？刂频取Ｑb甲車輛行駛工況復雜，車輛行駛過程中將受到各種不確定因素影響，本文引入自抗擾控制，通過實時估計并補償車輛行駛過程受到的各種擾動，結(jié)合特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)。

首先將狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為嚴格的反饋系統(tǒng)，令：

則得到嚴格的反饋系統(tǒng)：

其中，新狀態(tài)方程中的擾動：

橫擺角速度自抗擾控制器包括擴張狀態(tài)觀測器、非線性誤差反饋率、微分跟蹤器設(shè)計。

裝甲車輛行駛工況復雜，車輛行駛過程中將受到各種不確定因素影響，都可等效到擾動F'（t）中，通過擴張狀態(tài)觀測器估計總的擾動：

微分跟蹤器：采用二階微分跟蹤器，負責安排給定橫擺角速度信號的過渡過程，對給定的輸入信號γref，它將輸出兩個信號γref1和γref2。

式中，fst（●）為最速控制綜合函數(shù)。

將系統(tǒng)變成積分器串聯(lián)型，則自抗擾控制器的橫擺力矩輸出滿足下式：

根據(jù)車輛的等效模型計算得到橫擺力矩，需通過改變兩側(cè)車輪縱向力實現(xiàn)車輛雙重轉(zhuǎn)向，車輛的縱向力同時也要滿足車輛縱向加速度要求，即：

其中，各軸分配的橫擺力矩分別為

在車輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)時，電機驅(qū)動力很快傳遞到地面，將橫擺力矩平均分配到各個輪轂電機上，則各個輪轂電機分配的轉(zhuǎn)矩為：

式中，ΔS為調(diào)整量，S為駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，其中S=（-1）kσj式進行計算，其中S∈［0，1］為制動和加速踏板的歸一化行程，j作為駕駛員駕駛習慣調(diào)整參數(shù)取j=1.618，Tmax（n）為輪轂電機轉(zhuǎn)矩外特性曲線。

輪轂電機的轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)響應(yīng)性能比車輪的瞬態(tài)響應(yīng)要快幾十倍，本文將電機的轉(zhuǎn)矩模型簡化為一階動態(tài)系統(tǒng)模型：

3 基于Adams動力學建模

采用了多體動力學Adams建立裝甲車輛的動力學模型，包括車身模型、懸架模型、雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型以及輪胎與地面模型。這里主要介紹車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)建模。轉(zhuǎn)向機構(gòu)由橫拉桿、副橫拉桿、轉(zhuǎn)向立柱、轉(zhuǎn)向擺臂等組成，此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了雙前橋轉(zhuǎn)向功能，轉(zhuǎn)向器搖臂通過四連桿結(jié)構(gòu)帶動前右搖臂運動，前右擺臂帶動一橋橫拉桿運動，并通過縱拉桿帶動后右擺臂運動，前、后擺臂通過副橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，帶動車輪轉(zhuǎn)向。四連桿結(jié)構(gòu)使前后橋形成斷開梯形狀，符合轉(zhuǎn)向阿克曼原理。整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包含個18個約束副，其中5個球型副、6個旋轉(zhuǎn)副、3個圓柱副、2個萬向副、1個移動副、1個固定副。

圖2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型

4 聯(lián)合仿真及試驗分析

4.1 聯(lián)合仿真模型建立

在Adams中建立車輛動力學模型后，采用Matlab/Simulink平臺進行控制模塊搭建和算法編程，而后進行聯(lián)合仿真。驅(qū)動電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩作為驅(qū)動車輛的主動力矩，由Matlab中的電機模型輸出到Adams環(huán)境中的車輪上，驅(qū)動車輛在生成的虛擬路面上行駛，基于Matlab的驅(qū)動系統(tǒng)仿真中需要的電機轉(zhuǎn)速、車輛橫擺角速度等變量，由Adams車輛動力學模型中反饋，Matlab與Adams軟件之間通過專門的接口模塊實現(xiàn)參數(shù)的傳遞。其聯(lián)合仿真模型如圖3所示。

圖3 聯(lián)合仿真模型

4.2 工況仿真分析

文獻［10］針對電動輪汽車采用了自適應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制思想，轉(zhuǎn)向時不改變內(nèi)外側(cè)的轉(zhuǎn)矩，讓車輛通過地面阻力自動調(diào)整各車輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電動汽車的轉(zhuǎn)向。本文通過有橫擺力矩控制、等轉(zhuǎn)矩控制對比說明前者對于裝甲車輛轉(zhuǎn)向性能的提升。

駕駛員在t=2 s時給定油門信號0.25，車輛開始加速，當t=10 s時，給定前輪轉(zhuǎn)角階躍信號如圖4所示。圖5、圖6分別為兩種情況下車輛橫擺角速度響應(yīng)，在沒有橫擺力矩控制時，實際橫擺角速度不能跟蹤上參考，有控制時橫擺角速度自抗擾控制TD輸出，很好實現(xiàn)給定的跟蹤和提取其微分信號，在實際控制系統(tǒng)中TD同時可以起到濾波作用，實際橫擺角速度較好跟蹤了參考值。圖7為兩種情況下車輛質(zhì)心的行駛軌跡，顯然采用橫擺力矩控制時車輛轉(zhuǎn)向半徑較小。

圖4 第一軸外輪轉(zhuǎn)角

圖5 有控制時車輛橫擺角速度和TD輸出

圖6 無控制時車輛橫擺角速度

圖7 車輛質(zhì)心運動軌跡

圖8 車速和前四輪線速度

圖9 車速和前四輪線速度

圖10 車輛內(nèi)外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩控制量

圖11 車輛內(nèi)外側(cè)電機實際轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

兩種情況下，車輛的車速和前四輪線速度響應(yīng)如圖8、圖9。有橫擺力矩控制時，內(nèi)外輪速差速更大。如圖10、圖11為采用橫擺角速度自抗擾控制時內(nèi)外側(cè)電機的轉(zhuǎn)矩給定和響應(yīng)，顯然外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩控制量增大，內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)矩減小，當減小到小于零時內(nèi)側(cè)電機制動，將制動功率轉(zhuǎn)移到外側(cè)電機，一方面提高能量的利用率，另一方面也利用了履帶車輛滑移轉(zhuǎn)向。顯然若完全采用履帶車輛的滑移轉(zhuǎn)向勢必造成裝甲車輛輪胎極大磨損，所以采用了兩者的折中，既提高了裝甲車輛的轉(zhuǎn)向性能，同時降低輪胎磨損。

5 結(jié) 論

本文利用電驅(qū)動裝甲車輛輪轂電機轉(zhuǎn)矩獨立可控的優(yōu)勢，設(shè)計了車輛橫擺角速度自抗擾控制器，計算需求橫擺力矩，通過增大車輛外側(cè)電機轉(zhuǎn)矩輸出，減小內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)矩輸出，實現(xiàn)輪式裝甲車輛的雙重轉(zhuǎn)向。最后進行了Matlab與Adams的聯(lián)合仿真，驗證了控制算法的有效性，為下一步實車應(yīng)用提供了理論支撐。

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Co-simulation Research of Dual-steering Control for Multi-in-wheel Motors Drive Armored Vehicle

SU Jian-qiang，MA Xiao-jun，XIANG Yu，YANG Gui-bing
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

To improve the steering agility and off-road mobility of multi-in-wheel motors drive armored wheeled vehicle，the dual-steering control is adopted corresponding to the tracked vehicle steering way.The target of control system is the vehicle yaw rate，and active disturbance rejection controller is designed.Yaw moment torque is produced by adjusting the both sides of the in-wheel motor torque output to achieve the target of reference yaw rate.The vehicle kinetics model is built in the Adams，and the co-simulation model is designed base on the Adams and Matlab.At last cosimulation is carried out.The results of simulation demonstrate that the dual-steering control increased the vehicle outboard power output and decreased the steering radius.The method could improve the steering performance.

In-wheel motor，yaw rate，dual-steering control，co-simulation，yaw moment torque

TJ811

A

1002-0640（2014）11-0128-05

2013-08-30

2013-11-05

軍隊預(yù)研基金資助項目（40402050101）

蘇建強（1983- ），男，內(nèi)蒙古烏拉特前旗人，博士研究生。研究方向：電力傳動控制技術(shù)研究。