輪轂電機驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)向控制策略*

劉春光，陽貴兵，廖自力，李嘉麒

（裝甲兵工程學(xué)院，北京　100072）

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輪轂電機驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)向控制策略*

劉春光，陽貴兵，廖自力，李嘉麒

（裝甲兵工程學(xué)院，北京100072）

摘要：為提高輪轂電機驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)向機動靈活性以及安全穩(wěn)定性，提出了一種基于直接橫擺力矩控制的轉(zhuǎn)向控制策略。以帶有雙橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的8輪輪轂電機驅(qū)動車輛為研究對象，研究其雙重轉(zhuǎn)向控制問題，建立基于車輛二自由度單軌模型的車輛參考模型，并以橫擺角速度作為控制變量，建立基于橫擺力矩PID控制器和橫擺力矩分配控制器的轉(zhuǎn)向分層控制模型。利用硬件在環(huán)實時仿真實驗對所提出的轉(zhuǎn)向控制策略的可行性和有效性進行分析驗證。

關(guān)鍵詞：輪轂電機，轉(zhuǎn)向控制，直接橫擺力矩，硬件在環(huán)

0　引言

直接橫擺力矩控制（Direct Yaw Moment Control，DYC）是目前應(yīng)用比較廣泛的車輛操縱穩(wěn)定性控制技術(shù)［1-2］。傳統(tǒng)的直接橫擺力矩控制，是通過ABS系統(tǒng)產(chǎn)生的縱向制動力來滿足其直接橫擺力矩要求，這種制動型的DYC控制在執(zhí)行過程中會降低車輛過彎車速［2］。針對這種不足，有研究者提出DYC+主動轉(zhuǎn)向相結(jié)合的控制方式，例如，DYC+主動前輪轉(zhuǎn)向控制（AFS）、DYC+主動后輪轉(zhuǎn)向控制（ARS）以及DYC+4輪轉(zhuǎn)向控制（4WS）［3］。新型分布式輪轂電機驅(qū)動車輛，可通過同時控制輪轂電機的驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)直接橫擺力矩控制［4］，從而避免了傳統(tǒng)單一制動DYC控制所帶來的不足，并且為輪轂電機驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向控制提供了可能［5］。

本文以某型8輪輪轂電機驅(qū)動車輛為研究對象，研究具有雙橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的8輪分布式獨立驅(qū)動車輛雙重轉(zhuǎn)向直接橫擺力矩控制。以車輛二自由度單軌動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立車輛轉(zhuǎn)向參考模型，以橫擺角速度作為控制變量，以質(zhì)心側(cè)偏角作為約束量，建立基于橫擺力矩PID控制器和橫擺力矩分配控制器的轉(zhuǎn)向分層控制模型，最后通過硬件在環(huán)實時仿真平臺對本文的轉(zhuǎn)向控制策略進行驗證。

1　車輛動力學(xué)模型

假設(shè)車輛行駛路面平整，忽略車輛的俯仰、豎直和側(cè)傾運動，建立只包含橫向與橫擺運動的單軌2自由度車輛模型如圖1所示。

圖1單軌2自由度車輛模型

橫向運動：

橫擺運動：

其中，M為橫擺力矩，

上式中，V為車輛速度；Vx、Vy分別為車輛縱向和橫向速度；Fxi、Fyi分別為第軸車輪的縱向力和橫向力；β為質(zhì)心側(cè)偏角；αi為第i軸車輪側(cè)偏角；γ為橫擺角速度；δi為第i軸車輪轉(zhuǎn)向角；m為整車質(zhì)量；Iz為繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；a，b，c，d分別為第1、2、3、4軸距離車輛質(zhì)心處的距離；l為車輛的輪距。

2　車輛參考模型

根據(jù)文獻［6］，車輛參考模型可表示為：

式中，X=［δ γ］τ，為車輛的狀態(tài)變量，δ為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。

車輛質(zhì)心、輪胎側(cè)偏角：

輪胎的側(cè)向力：

式中Ci為第i軸車輪的側(cè)偏系數(shù)，采用文獻［7］中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的試湊法獲得。

將式（5）、式（6）代入到式（1）和式（2）中，得到系統(tǒng)狀態(tài)方程描述如下：

2.1控制變量期望值

當(dāng)不考慮側(cè)向力飽和，橫擺力矩輸出為零時，根據(jù)車輛二自由度模型式計算得到車輛期望的橫擺角速度為：

式中，a11…a22，h11…h(huán)24分別為矩陣A和矩陣H的子模塊。

式（7）計算出的參考橫擺角速度值為質(zhì)心側(cè)偏角為零時的參考值，當(dāng)車輛在一定工況下需要進行滑移轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)向時，此時，期望的橫擺角速度值，顯然要大于理想轉(zhuǎn)向模型的參考橫擺角速度值：

γref= Kγ*（8）

式中，比例系數(shù)K為滑移轉(zhuǎn)向比，K越大，參考橫擺角速度越大，所進行的滑移轉(zhuǎn)向也就越大。

同時考慮最大橫向路面附著系數(shù)的限制。因此，本文采用雙重轉(zhuǎn)向參考橫擺角速度值為：

3　轉(zhuǎn)向控制模型

3.1轉(zhuǎn)向控制結(jié)構(gòu)

控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2轉(zhuǎn)向控制結(jié)構(gòu)圖

圖2中，δ為方向盤轉(zhuǎn)角輸入，△T為橫擺力矩調(diào)節(jié)量，表達式如下：

式中，Kp、Ki、Kd分別為PID控制的比例、積分和微分系數(shù)，采用模糊化輸出。

3.2橫擺力矩分配策略

為了能夠最大限度輸出橫擺力矩，同時，保證車輛的縱向驅(qū)動力不變，本文中同側(cè)4個電機分配值相同，利用一側(cè)減小另一側(cè)等量增加的原則，

式中，△Tlef、△Trig分別表示橫擺力矩控制量△T在左側(cè)4個電機和右側(cè)4個電機的分配值，M為目標橫擺力矩。

4　仿真驗證

主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1主要仿真參數(shù)

采用對比實驗，仿真結(jié)果如圖3~圖8所示。

由仿真結(jié)果可知，采用基于直接橫擺力矩的雙重轉(zhuǎn)向控制，對減小車輛轉(zhuǎn)向半徑有明顯效果，在駕駛員打過相同方向盤轉(zhuǎn)角的前提下，車輛的轉(zhuǎn)向性能更好，從而也減少了駕駛員的操縱負擔(dān)，增加了車輛的轉(zhuǎn)向靈活性。

圖3油門信號與對應(yīng)的8個電機轉(zhuǎn)矩總需求

圖4方向盤轉(zhuǎn)角信號

圖5電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖6橫擺角速度對比

圖7車輛瞬時轉(zhuǎn)向半徑對比

圖8車輛運行軌跡對比

5　結(jié)論

提出了輪轂電機驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)向控制策略，建立了車輛單軌二自由度動力學(xué)模型及參考模型，最后，仿真實驗對轉(zhuǎn)向控制策略進行了驗證，仿真結(jié)果表明，采用直接橫擺力矩控制的雙重轉(zhuǎn)向車輛，其轉(zhuǎn)向靈活性有明顯提高，在相同轉(zhuǎn)向條件下，對駕駛員操縱依賴更小。

參考文獻：

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［7］SHINO M，NAGAI M. Independent wheel torque control of small-scale electric vehicle for handling and stability improvement［J］. JSAE Review，2003，24（4）：449-456.

Research on Steering Control Strategy for In- Wheel Motor Drive Vehicle

LIU Chun-guang，YANG Gui-bing，LIAO Zi-li，LI Jia-qi
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

Abstract：In order to improve the steering flexibility，security and stability of the in-wheel motor drive vehicle，a steering control strategy based on DYC（Direct Yaw Moment Control）is established. The double-axle steering mechanism is taken as an object of study for its dual steering control. A vehicle model is established based on a monorail model with 2 degree of freedom. And a hierarchical control model based on PID controller and yaw moment distribution controller，in which the yaw angular velocity is chosen to be a controlling variable. The steering control strategy established in this paper is proven to be feasible and effective through the HIL（Hardware-in-Loop）real time simulation.

Key words：in-wheel motor，steering control，direct yaw moment control，hardware-in-loop

作者簡介：劉春光（1980-），男，山東東平人，博士研究生，副教授。研究方向：車輛電傳動。

*基金項目：軍隊預(yù)研基金資助項目（40401010101）

收稿日期：2014-12-24修回日期：2015-02-19

文章編號：1002-0640（2016）02-0090-03

中圖分類號：TJ81

文獻標識碼：A