基于相平面法的電傳動車輛穩(wěn)定性控制方法

陽貴兵， 廖自力， 劉春光， 袁　東

(裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

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陽貴兵， 廖自力， 劉春光， 袁東

(裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

摘要：為解決電傳動車輛穩(wěn)定性控制的難題，提出了一種基于質(zhì)心側(cè)偏角-質(zhì)心側(cè)偏角加速度)相平面法的穩(wěn)定性控制方法。通過分析不同因素對相平面穩(wěn)定區(qū)域的影響，確定了車輛質(zhì)心側(cè)偏角的控制區(qū)間，設(shè)計了穩(wěn)定性控制器對驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制，最后通過雙移線仿真實(shí)驗(yàn)對該穩(wěn)定性控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電傳動;穩(wěn)定性控制； 相平面； 質(zhì)心側(cè)偏角

對于電傳動車輛，采用多輪獨(dú)立驅(qū)動后取消了傳統(tǒng)的機(jī)械差速器，各個車輪驅(qū)動更加靈活自由，提高了車輛的機(jī)動靈活性，但同時為車輛的穩(wěn)定性控制帶來了難題[1-2]。

1車輛動力學(xué)建模

圖14軸雙前橋轉(zhuǎn)向車輛單軌2自由度模型

圖1中：V為車速；Vx為縱向車速；Vy為側(cè)向車速；Fxi、Fyi(i=1,2,3,4)分別為第i軸車輪的縱向力和側(cè)向力；β為質(zhì)心側(cè)偏角；αi為第i軸車輪的側(cè)偏角；γ為橫擺角速度；δ1、δ2為前兩軸車輪的轉(zhuǎn)向角；M為橫擺力矩；Li為第i軸車輪質(zhì)心與車輛質(zhì)心O之間的距離。

只考慮車輛的側(cè)向運(yùn)動和橫擺運(yùn)動，不考慮縱向力的影響，根據(jù)牛頓第二定律，側(cè)向加速度與側(cè)向力滿足

根據(jù)歐拉第二定律，橫擺角加速度與橫擺力矩滿足

(2)

式中：Iz為車身轉(zhuǎn)動慣量。

(3)

(4)

在輪胎側(cè)偏特性線性化的假設(shè)條件下，輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角呈正比關(guān)系，即

Fyi=Cαiαi，

(5)

式中：Cαi為第i軸的側(cè)偏剛度，為左、右側(cè)輪胎側(cè)偏剛度之和，即Cαi=Cαil+Cαir。

各輪側(cè)偏角關(guān)系為

(6)

將式(5)、(6)代入式(3)、(4)中，可得到4軸雙前橋轉(zhuǎn)向車輛線性2自由度模型的狀態(tài)空間表達(dá)式：

(7)

2.2控制區(qū)間

假設(shè)μ、V和δ三個因素的影響相互獨(dú)立，綜合考慮3個影響因素，并且忽略前輪轉(zhuǎn)角對邊界線斜率的影響，只考慮其對焦點(diǎn)平移的影響，則相平面穩(wěn)定區(qū)域可表示為

(8)

式中：1/B1=k1V+k2，為邊界線的斜率；B2=f(μ)·(1+k3δ)；B3=-f(μ)·(1-k3δ)。其中：k1、k2、k3可通過數(shù)據(jù)擬合得到；f(μ)為路面附著系數(shù)μ影響下的質(zhì)心側(cè)偏角極限值，其近似計算式為

f(μ)=βmax=arctan(0.02μg)。

(9)

式中：g為重力加速度。

圖3質(zhì)心側(cè)偏角β控制示意圖

3穩(wěn)定性控制器設(shè)計

圖4車輛穩(wěn)定性控制器結(jié)構(gòu)

(10)

式中：ΔT為轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)量；Kp、Ki、Kd分別為PID控制器的比例、積分與微分系數(shù)。

在車輛轉(zhuǎn)向過程中，一般主要針對車輛發(fā)生不足轉(zhuǎn)向或者過轉(zhuǎn)向趨勢時進(jìn)行穩(wěn)定性控制，其中：車輛的不足轉(zhuǎn)向由不足的前軸側(cè)向力引起；而過轉(zhuǎn)向由不足的后軸側(cè)向力引起。因此，當(dāng)車輛出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向趨勢時，對后軸內(nèi)側(cè)車輪施加制動控制；當(dāng)出現(xiàn)過轉(zhuǎn)向趨勢時，對前軸外側(cè)車輪施加制動控制。由于本文研究對象為4軸車輛，因此控制車輪為外側(cè)前兩軸車輪與內(nèi)側(cè)后兩軸車輪。則控制輪的給定轉(zhuǎn)矩為

T=Tz-ΔT，

(11)

式中：Tz=ηTw，為駕駛員給定的轉(zhuǎn)矩，與加速/制動踏板開度η有關(guān)，η∈[-1,1]，Tw為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電機(jī)的外轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行查表計算，8輪輪轂電機(jī)特性曲線如圖5所示，查表模型采用電機(jī)標(biāo)定特性曲線。

圖58輪輪轂電機(jī)特性曲線

4仿真驗(yàn)證

仿真車輛模型采用ADAMS建立的8輪車輛模型[8]，如圖6所示，該車采用雙前橋轉(zhuǎn)向方式，整車質(zhì)量為 23 t，靜平衡狀態(tài)下質(zhì)心位置近似在車輛幾何中心處。其主要仿真參數(shù)如下：電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為1 100 N·m；方向盤最大轉(zhuǎn)角為900°；油門信號最大開度為100%。

圖6在ADAMS中建立的8輪車輛模型

在良好路面進(jìn)行高速雙移線行駛，仿真路面附著系數(shù)μ=0.8，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7良好路面高速雙移線行駛

在低附著路面進(jìn)行雙移線行駛，仿真路面附著系數(shù)μ=0.3，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8低附著路面雙移線行駛

由圖7、8可知：采用穩(wěn)定性控制后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)明顯，車輛質(zhì)心側(cè)偏角基本在穩(wěn)定區(qū)域范圍內(nèi)，車輛的操縱穩(wěn)定性較好；而未采用穩(wěn)定性控制時，無論是良好路面的雙移線行駛還是低附著路面的雙移線行駛，車輛質(zhì)心側(cè)偏角都超出了穩(wěn)定區(qū)域邊界，說明車輛發(fā)生了明顯的側(cè)滑，而過度的側(cè)滑會導(dǎo)致車輛失控甚至翻車。

5結(jié)論

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

YANG Gui-bing, LIAO Zi-li, LIU Chun-guang, YUAN Dong

(Key Lab of All-electric Technology of Land Warfare Platform, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Key words:electric drive; stability control; phase plane; sideslip angle

Abstract：In order to solve the stability control problem of electric drive vehicle, a stability control method based on sideslip angle and sideslip angle acceleration) phase plane is put forward. Through analyzing the effects of different factors on the stability boundaries ofphase plane, the control region of the vehicle’s sideslip angle is confirmed, a stability controller is designed to adjust the motor torque so that the stability control of the vehicle is realized. Finally, the stability control method is verified by double lane change simulation experiment.

文章編號：1672-1497(2016)03-0059-05

收稿日期：2016-01-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51507190)

作者簡介：陽貴兵(1987-)，男，博士研究生。

中圖分類號：TJ81+0.323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.013