黃冠富，　馮付勇，　葉　輝

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

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四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛單輪驅(qū)動(dòng)防滑控制試驗(yàn)研究

黃冠富，馮付勇，葉輝

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

當(dāng)四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛單輪進(jìn)入滑轉(zhuǎn)工況時(shí)，車輛出現(xiàn)非期望的橫擺扭矩，進(jìn)入非穩(wěn)定狀況.針對(duì)此問(wèn)題，提出了控制滑轉(zhuǎn)車輪進(jìn)入最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率、并保證車輛行駛穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)防滑控制方法.樣車試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的控制方法能有效地達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)，提高了車輛的穩(wěn)定性并在一定程度上保證車輛行駛的動(dòng)力性.

四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛；扭矩控制；橫擺扭矩

四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛每個(gè)輪胎均有一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)外有很多針對(duì)四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)研究，也有研究用四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)力控制來(lái)提高車輛機(jī)動(dòng)性方面的研究，比如雙重轉(zhuǎn)向控制研究[1].對(duì)于防滑驅(qū)動(dòng)研究也有很多，比如采用經(jīng)典滑?？刂品椒▽?duì)滑轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行控制，也有采用自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)防滑控制[2].驅(qū)動(dòng)力分配研究中有制定了動(dòng)力性和穩(wěn)定性融合的驅(qū)動(dòng)分配方法[3],也有保持車輛行駛穩(wěn)定性的直接橫擺扭矩研究[4].

本研究采用PID控制方法，以改善車輛動(dòng)力性和穩(wěn)定性為目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力性和穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)防滑控制策略，改善車輛動(dòng)力性即采用減少打滑車輪驅(qū)動(dòng)力達(dá)到控制滑轉(zhuǎn)率的目的，改善穩(wěn)定性則為減少打滑車輪驅(qū)動(dòng)力同時(shí)重新分配扭矩保證驅(qū)動(dòng)力需求和保證車輛橫擺穩(wěn)定性.最后通過(guò)樣車試驗(yàn)驗(yàn)證該控制策略的效果，進(jìn)一步證明四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛具有的行駛穩(wěn)定性.

1　驅(qū)動(dòng)防滑控制技術(shù)

如圖1所示，單輪驅(qū)動(dòng)防滑層分為單輪防滑控制和驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配.單輪防滑控制輸入為車速計(jì)算器獲得的縱向車速信號(hào)vx和電機(jī)控制器獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)ni(i=1,2,3,4).由主減速器傳動(dòng)比可獲得車輛車輪轉(zhuǎn)速值ωi(i=1,2,3,4).通過(guò)車速信號(hào)和車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)判斷該車輪是否進(jìn)入滑轉(zhuǎn)狀態(tài).當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速超過(guò)一定閾值則單輪防滑控制介入，通過(guò)PID控制器減少該輪的電機(jī)輸出扭矩ΔTi(i=1,2,3,4).驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配層輸入為每個(gè)車輪扭矩Ti(i=1,2,3,4)和扭矩減少量ΔTi(i=1,2,3,4)，輸出為協(xié)調(diào)分配后的電機(jī)扭矩Tcomi(i=1,2,3,4).

圖1　驅(qū)動(dòng)防滑結(jié)構(gòu)框圖

1.1單輪驅(qū)動(dòng)防滑控制

單輪驅(qū)動(dòng)防滑控制分兩部分，分別為驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)判斷和PI控制器.當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)時(shí)，滑轉(zhuǎn)率PI控制器并不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)扭矩重新分配，最終輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)力分配層扭矩控制命令Ti(i=1,2,3,4).當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)后，控制策略根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)判斷是否進(jìn)入驅(qū)動(dòng)防滑控制，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩進(jìn)行重新分配.進(jìn)入驅(qū)動(dòng)防滑控制策略的目標(biāo)是將滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)車輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率控制到最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率.

1)滑轉(zhuǎn)狀態(tài)判斷.

(1)

式中：ni為電機(jī)轉(zhuǎn)速；R車輪半徑；ig為主減速器傳動(dòng)比.

圖2為驅(qū)動(dòng)防滑判斷流程圖.為避免在車輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)由于計(jì)算誤差較大而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)頻繁切換，所以用參考車速是否大于閾值來(lái)進(jìn)行判斷并決定驅(qū)動(dòng)車輪是否處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài).當(dāng)車速小于1 km/h時(shí)，閾值設(shè)為vx_threshold=1.5km/h；當(dāng)車速大于1 km/h時(shí)，閾值設(shè)為vx_threshold=1.2vx+0.3.當(dāng)參考車速大于閾值時(shí)，則進(jìn)入驅(qū)動(dòng)防滑控制.

圖2　驅(qū)動(dòng)防滑判斷流程圖

2)滑轉(zhuǎn)率PI控制器.

滑轉(zhuǎn)率PI控制器以驅(qū)動(dòng)車輪的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率為控制目標(biāo)，通過(guò)控制滑轉(zhuǎn)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩，將滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)車輪實(shí)際滑轉(zhuǎn)率控制到最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率.由經(jīng)驗(yàn)可知，一般車輛在公路行駛時(shí)的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率為λ=1.2，因此把1.2vx作為參考車速的控制目標(biāo).

(2)

式中：KP為比例項(xiàng)系數(shù)；KI為積分項(xiàng)系數(shù).

在確定參考車速和控制目標(biāo)車速偏差值之后，必須確定PI控制器的扭矩差初始值，由此計(jì)算每一時(shí)刻的扭矩差.由式(2)得，輸出控制扭矩差的初值為

ΔTi_0=KP·s0+KI·s0.

(3)

式中：s0為積分項(xiàng)初值.

當(dāng)KP、KI均為常數(shù)時(shí)，滑轉(zhuǎn)率PI控制器初值取決于PI控制器的積分項(xiàng)初始值s0.根據(jù)驅(qū)動(dòng)防滑控制的進(jìn)入退出機(jī)制，當(dāng)驅(qū)動(dòng)防滑控制的初始時(shí)刻Δvx=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩差初始值ΔTi_0=0.

1.2驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配

由滑轉(zhuǎn)率PI控制器輸出的是扭矩減少量ΔTi(i=1,2,3,4)，對(duì)于只有一個(gè)輪胎打滑的情況，ΔTi(i=1,2,3,4)只有一個(gè)值.當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輪發(fā)生打滑時(shí)，滑轉(zhuǎn)率上升，驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向附著力下降，產(chǎn)生非預(yù)期的橫擺扭矩，這時(shí)會(huì)導(dǎo)致車輛出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整車的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性.因此，在驅(qū)動(dòng)防滑控制中除了減少該車輪的輸出扭矩，還應(yīng)控制橫擺扭矩，使車輛穩(wěn)定可靠.

基于以上分析，制定了兩種協(xié)調(diào)分配方法，一種是基于動(dòng)力性的單輪驅(qū)動(dòng)防滑控制方法，該方法除了能保證期望的橫擺扭矩外，還能保證整車總的驅(qū)動(dòng)力需求；另外一種是基于穩(wěn)定性的單輪驅(qū)動(dòng)防滑控制方法，該方法能保證期望的橫擺扭矩，會(huì)降低整車總驅(qū)動(dòng)力需求，但是沒(méi)有增加其他車輪的驅(qū)動(dòng)力，因此在滑轉(zhuǎn)狀態(tài)下更穩(wěn)定可靠.

表1為右前輪打滑時(shí)四輪協(xié)調(diào)分配情況.1)采用動(dòng)力性控制方法.當(dāng)右前輪滑轉(zhuǎn)時(shí)，減少右前輪扭矩同時(shí)同等增加右后輪輸出扭矩，保證總驅(qū)動(dòng)力需求和橫擺扭矩不變.2)采用穩(wěn)定性控制方法.當(dāng)右前輪滑轉(zhuǎn)時(shí)，減少右前輪扭矩同時(shí)同等減少左前輪輸出扭矩，橫擺扭矩不變.

表1　右前輪打滑時(shí)驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配

2　驅(qū)動(dòng)防滑試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輪驅(qū)動(dòng)防滑控制算法的效果，針對(duì)動(dòng)力性和穩(wěn)定性算法，分別設(shè)計(jì)了兩種單輪驅(qū)動(dòng)防滑試驗(yàn)方案.

試驗(yàn)步驟如下：冬天在平坦的水泥路面澆水形成長(zhǎng)度約為20 m、寬度為2 m、厚為5 mm均勻冰路面.駕駛員駕駛四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車輛，使車輛的右側(cè)車輪進(jìn)入冰路面，而左側(cè)車輪則保持在高附著系數(shù)路面上行駛.駕駛員低速駛?cè)?，并加速通過(guò)，加速過(guò)程中盡量保持油門踏板開(kāi)度.

由于右后輪也進(jìn)入冰路面，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，因此為了排除干擾只驗(yàn)證右前輪控制效果.試驗(yàn)中采用前驅(qū)的方式進(jìn)行，則驅(qū)動(dòng)力分配變?yōu)楸?所示的情況.

表2　試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配

2.1單輪防滑驅(qū)動(dòng)動(dòng)力性控制試驗(yàn)

車輛采用前輪驅(qū)動(dòng)，如右前輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，那么應(yīng)控制右前輪輸出扭矩，保證右前輪不滑轉(zhuǎn).基于動(dòng)力性的驅(qū)動(dòng)防滑控制，除了控制右前輪不滑轉(zhuǎn)，還要保證整車的驅(qū)動(dòng)需求.本試驗(yàn)中車輛采用前驅(qū)方式，右前輪在滑轉(zhuǎn)時(shí)扭矩會(huì)迅速下降，為了保證整車的驅(qū)動(dòng)要求，應(yīng)同等量增加右后輪扭矩.由于為前驅(qū)，所以右后輪扭矩未增加.圖3為單輪驅(qū)動(dòng)防滑動(dòng)力性控制試驗(yàn)結(jié)果.

如圖3(a)所示，在840.7 s時(shí)右前輪轉(zhuǎn)速超過(guò)閾值，驅(qū)動(dòng)防滑控制介入；如圖3(b)所示，采用動(dòng)力性的驅(qū)動(dòng)防滑控制后，右前輪的扭矩下降，左前輪的扭矩保持需求的扭矩，到841.2 s后，右前輪處于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，扭矩逐步增加，最終和左前輪扭矩一致；如圖3(c)所示，未受控時(shí)，左右前輪扭矩不變化，右輪胎打滑將會(huì)更嚴(yán)重.

圖3　單輪防滑驅(qū)動(dòng)動(dòng)力性控制試驗(yàn)結(jié)果

2.2單輪防滑驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性控制試驗(yàn)

采用穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)防滑控制，除了保證右前輪不滑轉(zhuǎn)，同時(shí)要確保車輛橫擺扭矩為0，保證車輛橫向穩(wěn)定性.因此對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)車輛，應(yīng)該同等減少左前輪扭矩，以保證橫擺扭矩為0.圖4為單輪驅(qū)動(dòng)防滑穩(wěn)定性控制試驗(yàn)結(jié)果.

如圖4(a)所示，在217.7 s右前輪轉(zhuǎn)速超過(guò)閾值，驅(qū)動(dòng)防滑控制介入；如圖4(b)所示，采用穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)防滑控制后，左右前輪的扭矩同時(shí)下降，到218.5 s后，右前輪處于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，扭矩逐步恢復(fù)；如圖4(c)所示，未受控時(shí)，左右前輪扭矩不變化，右輪胎打滑將會(huì)更嚴(yán)重.

圖4　單輪防滑驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性控制試驗(yàn)結(jié)果

2.3對(duì)比分析

為了能清晰錄下右前輪滑轉(zhuǎn)到進(jìn)入驅(qū)動(dòng)防滑控制的過(guò)程，將閾值放開(kāi)的比較大、PI控制參數(shù)KP也比較大.因此可以看出，驅(qū)動(dòng)防滑介入較晚，控制精度較差.但是能得出以下結(jié)論：基于動(dòng)力性的驅(qū)動(dòng)防滑控制能有效控制車輪打滑，并保證一定的動(dòng)力；基于穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)防滑控制能有效控制車輪打滑，并保證車輛橫向穩(wěn)定.

3　結(jié)　論

1)采用PI控制器的驅(qū)動(dòng)防滑方法能夠?qū)④囕喌幕D(zhuǎn)率控制在最優(yōu)的滑轉(zhuǎn)率附近，改善了車輛在低附著路面上的驅(qū)動(dòng)能力.

2)基于單輪防滑驅(qū)動(dòng)動(dòng)力性控制方法能保證車輛不打滑，并保證行駛的動(dòng)力性.

3)基于單輪防滑驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性控制方法能保證車輛不打滑并保證車輛行駛安全與穩(wěn)定.

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[3]褚文博. 分布式電驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)參數(shù)觀測(cè)及驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)控制[博士學(xué)位論文]. 北京: 清華大學(xué), 2013.

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Research on Single Wheel Acceleration Slip Control and Experimentof Four-Wheeled Independent Electric Drive Vehicle

HUANG Guan-fu，F(xiàn)ENG Fu-yong，YE Hui

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072， China)

When four-wheeled independent electric drive vehicle enters the working mode of acceleration slip regulation， the undesired yaw moment will occur and the vehicle will be in an unstabilized mode. In order to controll the slip wheel to follow the optimal slip ratio and ensure driving stability， a driving torque coordination control strategie is proposed. The test results show that the driving torque control strategie can achieve the desired objective of enhanceing vehicle driving stability as well as ensureing the vehicle’s driving impetus power.

four-wheeled independent electric drive vehicle；torque control；yaw moment

1009-4687(2016)03-0013-03

2016-03-02.

黃冠富(1985-),男,工程師，研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力整車控制技術(shù).

U461.6;U469.79

A