姜文浩，張麗萍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

引言

在環(huán)境和能源的雙重壓力下，汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主流方向無(wú)疑是電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)可根據(jù)電機(jī)布置方式而分為集中式驅(qū)動(dòng)和分布式驅(qū)動(dòng)。分布式驅(qū)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈短、車(chē)輛動(dòng)力傳遞更快和更高效等突出特點(diǎn)，但車(chē)輛控制難度卻由此提升。

針對(duì)多種分布式電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)橫擺力矩控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)如今主流的穩(wěn)定性的控制方法為直接橫擺力矩控制、四輪轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配控制等，控制方法的采用由于不同的研究意圖和想法而不同。本文主要展開(kāi)研究的對(duì)象是直接橫擺力矩控制方法，該方法不僅可擴(kuò)展車(chē)輛控制方式和滿(mǎn)足車(chē)輛行駛要求，還可控制車(chē)輛橫擺穩(wěn)定性。

1 車(chē)輛穩(wěn)定性特征參數(shù)分析

耦合關(guān)系存在于車(chē)輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角之中，因而很難分別控制其跟隨期望狀態(tài)。通過(guò)對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的分析，分別通過(guò)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角而設(shè)計(jì)創(chuàng)造的模糊控制器逐漸成為主流[1]。

1.1 橫擺角速度

橫橫擺角速度γ是指車(chē)輛繞垂直軸的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)的大小代表汽車(chē)的穩(wěn)定程度。角速度越大，橫擺角變化就越快，說(shuō)明易導(dǎo)致車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑或者甩尾等危險(xiǎn)工況。橫擺角是橫擺角速度的積分，航向角θ質(zhì)心側(cè)偏角β與橫擺角的和。航向角指的是地面坐標(biāo)系下，車(chē)輛質(zhì)心速度與橫軸的夾角?？捎檬剑?）表示。

從式（1）可知，航向角θ大小在質(zhì)心側(cè)偏角很小的情況下就由此時(shí)可以表示車(chē)輛轉(zhuǎn)向能力的橫擺角所決定，即橫擺角速度越大，轉(zhuǎn)向半徑越小，轉(zhuǎn)向明顯。車(chē)輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況下，控制功能的觸發(fā)都是通過(guò)檢測(cè)質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在急轉(zhuǎn)工況下，駕駛員很容易因?yàn)闄M擺角速度階躍變化等干擾而引發(fā)危險(xiǎn)。

1.2 質(zhì)心側(cè)偏角

質(zhì)心側(cè)偏角β同樣可表征汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它是指車(chē)輛質(zhì)心速度方向與車(chē)頭指向的夾角，表示了車(chē)頭偏離汽車(chē)前進(jìn)方向的程度。質(zhì)心側(cè)偏角根據(jù)縱向速度Vx與橫向速度Vy求得，如式（2）所示。

車(chē)輛橫擺力矩由于質(zhì)心側(cè)偏角的增大會(huì)變得越來(lái)越小，當(dāng)車(chē)輛的質(zhì)心側(cè)偏角變得很大時(shí)，輪胎的側(cè)偏特性影響輪胎側(cè)向力， 致使車(chē)輛的側(cè)向力總和與橫擺力矩趨于一常數(shù)。當(dāng)車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角數(shù)值沒(méi)有得到很大提升時(shí)，車(chē)輛具有良好可操控性。

1.3 滑移率

滑移率是在車(chē)輪運(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例。車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性受車(chē)輪的滑移量的影響很大，其中主要影響因素就是路面附著系數(shù)，它影響著車(chē)輪的滑移率s，滑移率s如式（3）所示。

式中：u為車(chē)速，uω為車(chē)輪速度，ω為車(chē)輪滾動(dòng)角速度，r為車(chē)輪半徑。

當(dāng)車(chē)輛的滑移率s增大，車(chē)輛側(cè)向附著力隨著車(chē)輛側(cè)向附著系數(shù)變小而減少，車(chē)輛的穩(wěn)定行駛將難以保證，車(chē)輛易發(fā)生側(cè)滑。當(dāng)車(chē)輪純滾動(dòng)時(shí)，uω=u，s=0；當(dāng)車(chē)輪抱死純滑動(dòng)時(shí)，uω=0，s=100%；當(dāng)車(chē)輪邊滾動(dòng)邊滑動(dòng)時(shí)，u＞uω，0＜s＜100%。因此若想保證車(chē)輛穩(wěn)定行駛就需要選擇合適的滑移率，并且保證縱、側(cè)向附著力足夠大。

2 車(chē)輛橫擺穩(wěn)定性主流控制方法及其研究現(xiàn)狀

2.1 直接橫擺力矩控制方法研究現(xiàn)狀

目前提高車(chē)輛操縱穩(wěn)定性最有效的方法就是直接橫擺力矩控制（Direct yaw moment control，DYC），而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)輛擁有獨(dú)立可控制的驅(qū)動(dòng)力，因而其不同于只能基于制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)附加橫擺力矩的傳統(tǒng)車(chē)輛，從而更利于控制直接橫擺力矩[2]。

2.1.1 運(yùn)動(dòng)跟蹤層

運(yùn)動(dòng)跟蹤控制是指控制車(chē)輪力矩使車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行軌跡跟隨理想軌跡變化，亦指控制車(chē)輛的穩(wěn)定性狀態(tài)參數(shù)使其響應(yīng)參考模型理想輸出值的變化。

德國(guó)博世公司的Albert Lutz等人在求出車(chē)輛穩(wěn)定性控制參數(shù)的目標(biāo)值后通過(guò)制動(dòng)滑移率控制器來(lái)完成對(duì)車(chē)輛的跟蹤控制[3]。

吉林大學(xué)的王慶年等人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合的形式使車(chē)輛實(shí)現(xiàn)橫擺角速度的跟隨，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)得到PID控制器的3個(gè)最優(yōu)參數(shù)，利用PID控制器得到附加橫擺力矩[4]。

2.1.2 力矩分配層

橫擺力矩分配就是控制執(zhí)行元件，即電機(jī)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)整電機(jī)輸出力矩與液壓控制系統(tǒng)的制動(dòng)力矩。為實(shí)現(xiàn)車(chē)輛行駛狀態(tài)的修正，應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)輛橫擺力矩需求，實(shí)現(xiàn)力矩分配。

Ossama Mokhiamar等人以路面附著的最小利用率最小為力矩分配的控制目標(biāo)，各輪對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響權(quán)重不同，當(dāng)后軸車(chē)輪的重量系數(shù)略大于前輪時(shí)，將較好實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的穩(wěn)定控制[5]。

同濟(jì)大學(xué)的姜煒等人利用分層優(yōu)化分配方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化力矩分配則采用加權(quán)最小二乘法的方法，以此實(shí)現(xiàn)車(chē)輛儲(chǔ)備附著利用率的提高。基于該優(yōu)化方法的基礎(chǔ)，之后進(jìn)一步地加速度，具有良好的穩(wěn)定性控制效果[6]。

2.2 四輪轉(zhuǎn)向控制方法研究現(xiàn)狀

在四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)上應(yīng)用控制理論已經(jīng)在先國(guó)外開(kāi)始流行，而國(guó)內(nèi)針對(duì)四輪轉(zhuǎn)向的研究主要集中在后輪轉(zhuǎn)角的控制策略。

林棻等人提出一種新的四輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛控制策略?？刂颇繕?biāo)設(shè)為質(zhì)心側(cè)偏角值為零時(shí)車(chē)輛轉(zhuǎn)角較小和車(chē)輛高速行駛較大轉(zhuǎn)角時(shí)前軸實(shí)現(xiàn)抗側(cè)滑。在該環(huán)境下建立了包括輪胎非線(xiàn)性和考慮側(cè)傾的三自由度四輪轉(zhuǎn)向車(chē)模型，其采用雙隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后得到四輪轉(zhuǎn)向控制器[7]。

2.3 轉(zhuǎn)向分配控制方法研究現(xiàn)狀

將車(chē)輛穩(wěn)定控制所需的橫擺力矩轉(zhuǎn)化為各車(chē)輪轉(zhuǎn)矩，即合力轉(zhuǎn)化為分力，稱(chēng)之為轉(zhuǎn)矩分配控制。

日本橫濱國(guó)立大學(xué)的 Naoki Ando等人以最小二乘法為基礎(chǔ)，將車(chē)輛的跟蹤控制所需要的合力分解為每個(gè)車(chē)輪所受橫向分力和縱向分力[8]。

南京理工大學(xué)殷德軍等人根據(jù)最大可傳遞轉(zhuǎn)矩估計(jì)（MTTE）方法來(lái)分析地面附著系數(shù)和橫、縱向力之間的耦合關(guān)系，并且電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩的輪間分配[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今對(duì)汽車(chē)穩(wěn)定性控制的技術(shù)仍然在積極發(fā)展，該領(lǐng)域還需要不斷地豐富和創(chuàng)新。轉(zhuǎn)向力矩和驅(qū)動(dòng)力矩協(xié)調(diào)控制將是未來(lái)研究的重點(diǎn)，由此更應(yīng)進(jìn)一步發(fā)掘車(chē)輛行駛穩(wěn)定性的潛力。分布式電動(dòng)汽車(chē)的廣泛投入使用使得在每個(gè)車(chē)輪和輪胎上最優(yōu)分配車(chē)輛的穩(wěn)定控制力矩必將在未來(lái)成為發(fā)展趨勢(shì)。