賈婕，趙景波，楊超越，陳云飛

(1.江蘇理工學(xué)院，江蘇常州213001； 2.江蘇省新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)集成控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213001; 3.常州工學(xué)院，江蘇常州213032)

近年來，由于能源危機(jī)和環(huán)境問題，電動(dòng)汽車逐漸成為研究熱點(diǎn)。電機(jī)和電機(jī)控制器技術(shù)的改進(jìn)，為多種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)配置提供了更多的可能。隨著對(duì)電動(dòng)汽車的深入研究，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車開始備受關(guān)注。它通過4個(gè)輪邊電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)車輪實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。該結(jié)構(gòu)具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、精度高以及單個(gè)電機(jī)獨(dú)立可控等優(yōu)點(diǎn)，為車輛底盤的動(dòng)力學(xué)控制提供了廣闊的前景。對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，充分利用其獨(dú)立驅(qū)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)改善車輛的動(dòng)力性能以及穩(wěn)定性、安全性具有重大意義。

1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)汽車以及中央驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車具有較大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

1)取消了大部分的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少車輛底盤部件數(shù)量，節(jié)省底盤空間，為實(shí)現(xiàn)整車輕量化帶來了可能。與集中驅(qū)動(dòng)的車輛相比，可以獲得更大的能量回收率，能夠有效提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

2)分布式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速準(zhǔn)確，較容易觀測(cè)估計(jì)車輛的狀態(tài)量，如質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度、輪胎力等，可以充分發(fā)揮分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)和潛力，實(shí)現(xiàn)高性能的主動(dòng)安全控制。

3)整車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前控制技術(shù)的研究成果，整車控制技術(shù)包括電子差速控制、橫擺力矩控制、多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制和容錯(cuò)控制等[1-2]。

2 電子差速技術(shù)

在傳統(tǒng)的集中式驅(qū)動(dòng)車輛中，為保證車輛左右驅(qū)動(dòng)輪不發(fā)生過度的滑移、滑轉(zhuǎn)，車輛需要依靠機(jī)械差速器實(shí)現(xiàn)車輪左右轉(zhuǎn)向時(shí)的差速行駛。而分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車沒有機(jī)械差速器，所以需要采用電子差速技術(shù)控制左右車輪電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證車輛的穩(wěn)定性[3]。根據(jù)是否以驅(qū)動(dòng)輪滑移率為電子差速控制目標(biāo)，將電子差速策略分為以下3類。

1)自適應(yīng)電子差速：Castelli-Dezza等[4]采用自適應(yīng)電子差速策略，通過模仿機(jī)械差速器同軸驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩近似相等分配的原則實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛的功能，但是與使用機(jī)械差速器的集中式驅(qū)動(dòng)汽車相比，車輛的差速行駛性能有所降低。

2)直接滑移率控制電子差速：嚴(yán)運(yùn)兵等[5]以驅(qū)動(dòng)輪滑移率一致為目標(biāo)，提出基于轉(zhuǎn)矩控制的電子差速策略(圖1)。通過實(shí)時(shí)采集車輪轉(zhuǎn)速和車速得出各車輪滑移率，然后根據(jù)滑移率一致的目標(biāo)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配調(diào)節(jié)。但在車輛實(shí)際轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于存在軸荷轉(zhuǎn)移，滑移率并不相同。

圖1 基于滑移率一致為目標(biāo)的電子差速策略

圖2 以門限值控制滑移率為目標(biāo)的電子差速控制策略

陳東等[6]根據(jù)Ackerman轉(zhuǎn)向原理確定驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，同時(shí)考慮軸荷轉(zhuǎn)移、向心力以及輪胎側(cè)偏影響，提出以門限值控制滑移率為目標(biāo)的電子差速控制策略(圖2)。該策略中車輪初始轉(zhuǎn)速是在Ackerman穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。然而Ackerman轉(zhuǎn)向原理只適用于低速、車輪無側(cè)偏的情況，并不適用于車輛的所有轉(zhuǎn)向工況。

3)間接滑移率控制電子差速：Febin等[7]提出轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速滿足Ackerman轉(zhuǎn)向原理為目標(biāo)的電子差速策略，然后對(duì)4個(gè)車輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配。由于Ackerman轉(zhuǎn)向原理只考慮了車輛的平動(dòng)速度，而實(shí)際轉(zhuǎn)向過程中可能存在垂直運(yùn)動(dòng)速度，該策略只能適用于車輛低速行駛、車輪無側(cè)偏等理想狀況。圖3是間接滑移率控制電子差速策略原理圖。

表1是以直接滑移率和間接滑移率控制電子差速策略的研究現(xiàn)狀。直接滑移率控制和間接滑移率控制都是以車輪發(fā)生滑移或者滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象為直接表征。但是因?yàn)檫@種策略與驅(qū)動(dòng)防滑相結(jié)合，所以只適合對(duì)轉(zhuǎn)向差速問題進(jìn)行研究。

圖3 間接滑移率控制電子差速策略

類別控制目標(biāo)控制變量控制算法文獻(xiàn)直接滑移率控制滑移率一致轉(zhuǎn)矩BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]滑移率轉(zhuǎn)速邏輯門限[6]轉(zhuǎn)矩滑?？刂芠8]間接滑移率控制滿足Ackerman轉(zhuǎn)向原理轉(zhuǎn)速PI控制[9]小波控制[7]神經(jīng)模糊[10]滑?？刂芠11]模糊控制[12]轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID控制[13]

3 直接橫擺力矩控制技術(shù)

直接橫擺力矩控制(DYC)主要是通過調(diào)整左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的縱向力來產(chǎn)生橫擺力矩，以提高車輛在轉(zhuǎn)向或受側(cè)向力作用時(shí)的操縱性能和穩(wěn)定性[14]。DYC系統(tǒng)是目前主要的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)之一。一般DYC系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 DYC分層控制結(jié)構(gòu)

在DYC上層橫擺力矩控制計(jì)算層中，主要有模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模型預(yù)測(cè)和最優(yōu)化等方法。景東印[15]采用的是滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為控制目標(biāo)，利用帶有加權(quán)系數(shù)的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度定義滑模切換函數(shù)，利用穩(wěn)定性判別條件得出總的直接橫擺力矩大小。同濟(jì)大學(xué)的余卓平等人[16]將理想二自由度模型作為參考模型并使其質(zhì)心側(cè)偏角的初始值為零，提出將前饋和反饋相結(jié)合的控制策略來得到車輛附加橫擺力矩。前饋控制采用的參數(shù)變量為前輪轉(zhuǎn)向角和車速，而反饋控制采用的輸入量為橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，前饋與反饋控制得到的力矩之和就為車輛期望的直接橫擺力矩。

DYC下層的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制其實(shí)就是車輛轉(zhuǎn)矩控制分配，也就是過驅(qū)動(dòng)問題。過驅(qū)動(dòng)最開始是在飛行控制系統(tǒng)中提出，現(xiàn)在已推廣到眾多對(duì)象之中。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)矩分配問題進(jìn)行了廣泛的研究，可根據(jù)研究目標(biāo)的差別，將研究方法分為操縱穩(wěn)定性控制和能量管理控制兩類。

在操縱穩(wěn)定性控制方面，大部分學(xué)者仍采用傳統(tǒng)底盤控制方法，如電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESP)和前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(AFS)等，通過控制分布式電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者前輪轉(zhuǎn)向，利用輪胎附著力來降低輪胎利用率，提高穩(wěn)定性。同濟(jì)大學(xué)熊璐等[17]采用分層式控制分配優(yōu)化方法，在考慮執(zhí)行器約束條件的基礎(chǔ)上，以總的輪胎利用率最小為目標(biāo)函數(shù)，提出了帶增益的線性二次型調(diào)節(jié)器，以加權(quán)二次規(guī)劃方式優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配，提升輪胎的安全裕度，從而提高車輛的安全性和操縱穩(wěn)定性。但實(shí)際上該算法因未考慮系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)變化，仍屬于靜態(tài)控制而非基于系統(tǒng)特性的動(dòng)態(tài)控制分配。

在能量管理方面，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車獨(dú)立可控等優(yōu)勢(shì)為提高電動(dòng)汽車的效率和續(xù)航里程提供了機(jī)會(huì)。由于電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)效率不同，合理分配電機(jī)控制力矩可以提高整車工作效率。大部分學(xué)者從電機(jī)效率MAP圖出發(fā)，研究基于電機(jī)效率模型的控制分配以降低整車能耗。同濟(jì)大學(xué)谷成等[18]依據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立關(guān)鍵部件和整車的能耗模型，給出基于驅(qū)動(dòng)效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，通過實(shí)驗(yàn)繪制出轉(zhuǎn)矩分配比例系數(shù)MAP圖。采用轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法與采用固定比例的轉(zhuǎn)矩分配方法相比，能耗降低約5%，由此提高了控制效率。Chen Yan等[19]采用Karush-Kuhn-Tucker和自適應(yīng)算法，以電機(jī)能耗和效率函數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。但由于只考慮了電機(jī)能耗，實(shí)際過程中車輛的安全穩(wěn)定性卻沒有得到保證。

4 多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制

為了避免分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的沖突，合理利用輪胎力之間的耦合關(guān)系，發(fā)揮各系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們提出了多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制技術(shù)。這種集成不是簡(jiǎn)單地將多個(gè)子系統(tǒng)組合疊加而是需要充分考慮子系統(tǒng)間的影響和耦合。主要包括由車輛驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架等系統(tǒng)組成的汽車底盤在汽車的縱向、側(cè)向和垂向之間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，如圖5所示。對(duì)底盤多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)汽車綜合性能最優(yōu)，這已成為當(dāng)前汽車動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵問題。

合肥工業(yè)大學(xué)王其東等[20]對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)集成控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究。該研究采用分層式系統(tǒng)控制架構(gòu)，通過設(shè)置頂層協(xié)調(diào)控制單元，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督、統(tǒng)籌，并且各子系統(tǒng)帶有獨(dú)自的控制器。該技術(shù)主要對(duì)ABS(防抱死制動(dòng)系統(tǒng))、主動(dòng)懸架系統(tǒng)以及ESC(車身穩(wěn)定控制系統(tǒng))進(jìn)行集成，在改善汽車的操縱穩(wěn)定性的同時(shí)還提高了汽車的乘坐舒適性。山東大學(xué)楊福廣等[21]通過設(shè)定模糊控制規(guī)則，將分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車中的AFS、ASR(驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng))和DYC系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，提高了極限工況下車輛行駛的穩(wěn)定性。

注：4WS、EPS、ASS、SAS、TCS分別表示四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自適應(yīng)座椅系統(tǒng)、半主動(dòng)懸架系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)。圖5 底盤動(dòng)力學(xué)耦合情況

5 容錯(cuò)控制技術(shù)

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是典型的過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相比于完整驅(qū)動(dòng)或者欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)擁有更多的執(zhí)行器以及傳感器，因此其出現(xiàn)故障的概率也大大增加。針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行容錯(cuò)控制，將故障應(yīng)對(duì)方式由4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力補(bǔ)償與協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽框?qū)動(dòng)電機(jī)與轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)。要保證整個(gè)過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性以及車輛正常的行駛和操縱能力，對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制這一關(guān)鍵技術(shù)的研究尤為重要。

容錯(cuò)控制一般可分為主動(dòng)容錯(cuò)控制和被動(dòng)容錯(cuò)控制。被動(dòng)容錯(cuò)控制主要采用固定不變的控制器保證閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)特定故障進(jìn)行控制。Zhang Hui等[22]提出一種針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)容錯(cuò)控制策略，并設(shè)計(jì)了一種增益反饋控制器，即使車輛執(zhí)行器出現(xiàn)各種不同類型的故障，仍能保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但在控制維數(shù)較高的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，被動(dòng)容錯(cuò)控制策略對(duì)故障的自適應(yīng)能力不如主動(dòng)容錯(cuò)控制高。主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)具有故障診斷單元，能夠根據(jù)不同的故障模式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)或重構(gòu)控制器，主動(dòng)補(bǔ)償或削弱故障對(duì)車輛造成的影響。Zhang Guoguang等[23]提出一種主動(dòng)容錯(cuò)控制算法，通過魯棒控制改善車輛速度變化以及外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，根據(jù)故障模塊檢測(cè)到的故障因子大小切換不同的分配算法，從而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

6 總結(jié)與展望

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制研究對(duì)車輛的經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性有重要意義。目前這一領(lǐng)域的研究仍處于初級(jí)階段，還存在許多尚未解決的問題值得我們深入探討。

1)電子差速能夠保證分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在行駛過程中根據(jù)路面情況靈活地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分配，進(jìn)而提高在復(fù)雜路面上的通過能力。為了解決車輛運(yùn)動(dòng)中的復(fù)雜工況，電子差速還可以跟一些先進(jìn)的車載電子系統(tǒng)相結(jié)合，如ABS、ASR、ESP等，有利于提高分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的安全性和操縱穩(wěn)定性。

2)DYC的轉(zhuǎn)矩分配是為了綜合實(shí)現(xiàn)車輛縱橫向控制目標(biāo)，但目前轉(zhuǎn)矩分配算法只考慮了部分約束條件，分配的電機(jī)力矩很可能出現(xiàn)執(zhí)行較差的情況，并且實(shí)時(shí)性不好。充分研究車輛的多種驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配條件，采取動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)分配依舊是研究重點(diǎn)之一。

3)協(xié)調(diào)集成控制技術(shù)的研究加速了汽車朝著更加智能化的方向發(fā)展，對(duì)提高車輛穩(wěn)定性具有很好的幫助。集成控制技術(shù)需要配備優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，所以車輛具備良好的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出條件是分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制技術(shù)的必要前提條件。

4)通信延時(shí)在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車中普遍存在，同時(shí)也是影響其控制性能的重要原因之一。網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)控制技術(shù)是保證分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車安全穩(wěn)定行駛的核心。通過通信協(xié)議優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)控制算法提高車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也是目前重要的研究方向之一。