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    分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)向失效控制研究*

    2021-07-12 02:55:54朱文靜李剛郭增江
    汽車工程師 2021年6期
    關鍵詞:后輪差動角速度

    朱文靜 李剛 郭增江

    (遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院)

    分布式驅(qū)動電動汽車采用線控技術替代傳統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu),具有驅(qū)動傳動鏈短、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[1-3],線控技術將駕駛員輸入轉(zhuǎn)化為電信號實現(xiàn)汽車操縱,其控制方式靈活,響應快速精確,高度符合現(xiàn)代汽車電動化、智能化的發(fā)展需求[4]。但線控系統(tǒng)由大量的電子器件組成,器件的不穩(wěn)定性增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率,降低了汽車行駛的安全性,因此線控系統(tǒng)的失效控制研究具有重要意義[5]。文獻[6-7]采用硬件冗余的方式提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性,文獻[8]采用模型預測等算法處理執(zhí)行器失效的問題,文獻[9-11]針對傳感器失效設計了包括故障診斷的容錯控制策略。文章針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效提出了差動轉(zhuǎn)向力矩分配控制策略,經(jīng)實驗驗證,該策略能有效解決單個轉(zhuǎn)向電機失效時汽車無法正常轉(zhuǎn)向的問題。

    1 失效控制原理

    分布式驅(qū)動電動汽車4輪獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向,是典型的過驅(qū)動系統(tǒng)。當轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時,通過差動控制合理地對驅(qū)動或者制動力矩進行重新分配,將扭矩輸送到4個車輪上,產(chǎn)生附加橫擺力矩,實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向失效控制,完成轉(zhuǎn)向,以確保車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性[12]。分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)向控制流程圖如圖1所示。

    圖1 分布式驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)向控制流程

    2 失效工況策略

    對于分布式驅(qū)動電動汽車,當4個轉(zhuǎn)向電機同時故障時,車輛將無法進行轉(zhuǎn)向。當某一個或多個轉(zhuǎn)向電機發(fā)生故障的情況,此時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能完全實現(xiàn)正常轉(zhuǎn)向,車輛轉(zhuǎn)向不完全可控。以下為轉(zhuǎn)向電機失效的3種情況:1)1個轉(zhuǎn)向電機故障。只有1個轉(zhuǎn)向電機失效時可能會出現(xiàn)4種工況:左前轉(zhuǎn)向電機失效、右前轉(zhuǎn)向電機失效、左后轉(zhuǎn)向電機失效、右后轉(zhuǎn)向電機失效。如果是前輪出現(xiàn)故障,則前輪采用差動力矩的方式實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向功能。如果是后輪轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障,則對2個后輪電機進行斷電,只采用前輪進行轉(zhuǎn)向;2)2個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障。當有2個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障時,會有3種工況:2前輪電機,2后輪電機以及異側(cè)前后轉(zhuǎn)向電機失效。前輪或者后輪電機失效時,采用純前輪轉(zhuǎn)向或者純后輪轉(zhuǎn)向方式,進行汽車轉(zhuǎn)向功能的實現(xiàn)。異側(cè)前后轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障情況時,則使汽車停止行駛;3)3個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障。3個轉(zhuǎn)向電機同時失控,只有1個轉(zhuǎn)向電機能夠轉(zhuǎn)向,此時汽車失去轉(zhuǎn)向功能,應立即停止汽車驅(qū)動或轉(zhuǎn)向,避免危險情況發(fā)生。文章主要針對單個電機出現(xiàn)故障情況進行失效控制研究。

    3 差動轉(zhuǎn)向力矩分配

    根據(jù)車輛行駛時實際橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值,計算保證車輛穩(wěn)定行駛的附加橫擺力矩,然后把駕駛期望需求的總驅(qū)動力矩和附加橫擺力矩值重新分配至4個驅(qū)動電機。整車控制原理圖如圖2所示。

    圖2 整車控制原理圖

    選取車輛線性二自由度模型為參考模型[13],在忽略車身及車輪側(cè)偏角的情況下,可以計算出理想的橫擺角速度:

    式中:ωr——理想橫擺角速度,(°)/s;

    vx——縱向車速,km/h;

    K——穩(wěn)定性系數(shù),s2/m2;

    δ——前輪轉(zhuǎn)角,°。

    L——軸距,m;

    計算橫擺角速度時,考慮到路面的影響,則分布式驅(qū)動電動汽車的橫擺角速度的范圍為:

    則可得知理想的橫擺角速度模型為:

    式中:μmax——路面峰值附著系數(shù)。

    在分布式驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障的情況下,通過差動轉(zhuǎn)向,重新分配4輪力矩保證車輛的操縱穩(wěn)定性,以保證行駛中汽車的安全性與穩(wěn)定性。橫擺力矩決策控制器用來計算保證車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向所需要的附加橫擺力矩。在控制器設計上,選擇了在實際工程中普遍使用的PID控制。將車輛行駛時實際與理想橫擺角速度的差值輸入到PID控制器中,計算出所需要的附加橫擺力矩與橫擺角速度的差值滿足以下關系:

    式中:Kp——比例因子;

    KI——積分因子;

    KD——微分因子;

    ΔT——附加橫擺力矩,N·m;

    e(t)——橫擺角速度差值,(°)/s。

    分布式驅(qū)動電動汽車正常安全穩(wěn)定行駛時,4輪驅(qū)動力矩是采用4輪平均分配方式。當轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)單個轉(zhuǎn)向電機失效的情況,進行差動力矩控制,根據(jù)橫擺力矩決策控制器計算的附加橫擺力矩值,對4輪進行力矩重新分配[14]。具體分配方案見公式:

    式中:Tfl、Tfr、Trl、Trr——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的驅(qū)動力矩,N·m;

    Td——總的驅(qū)動力矩,N·m。

    4 仿真驗證

    在CarSim和Matlab中建立的聯(lián)合仿真模型,對控制算法進行實驗驗證。設置單輪電機出現(xiàn)故障(右后輪電機故障),分別選擇圓周工況和單移線工況進行仿真。

    工況1:右后輪電機失效,選擇32 N·m定轉(zhuǎn)矩輸入,道路設置為圓周路面,半徑150 m,附著系數(shù)為0.85。開環(huán)操縱車輪轉(zhuǎn)角車速。

    圓周工況仿真實驗結(jié)果見圖3。如圖3a、3b所示:設置右后輪轉(zhuǎn)向電機失效,此時的右后輪轉(zhuǎn)角為0,有無差動控制下的其他輪皆能正常轉(zhuǎn)向。如圖3c所示:無差動控制時,汽車4輪力矩平均分配。如圖3d所示:有差動控制時,控制策略分配4輪力矩,形成附加橫擺力矩,實現(xiàn)汽車的差動轉(zhuǎn)向。如圖3e所示:電機故障無差動控制時,理想與實際橫擺角速度有很大的差距,車輛行駛的穩(wěn)定性下降。如圖3f所示:電機故障有差動控制時,理想與實際橫擺角速度基本保持一致,能夠保證車輛按照期望轉(zhuǎn)向。

    工況2:車速為80 km/h,右后輪轉(zhuǎn)向電機失效,單移線仿真實驗,仿真時間為15 s。仿真結(jié)果如圖4所示。圖4a、4b為有無差動控制下的車輪轉(zhuǎn)角曲線。圖4c所示:轉(zhuǎn)向失效時,無差動控制的汽車4個車輪的力矩分配曲線基本重合。圖4d所示:轉(zhuǎn)向失效時,有差動控制的汽車4個車輪的力矩分配曲線明顯產(chǎn)生差別。圖4e所示:在轉(zhuǎn)向電機失效時,無差動轉(zhuǎn)向控制的汽車理想橫擺角速度與實際橫擺角速度相差很大,汽車行駛相對危險。圖4f所示:在有差動控制下的理想橫擺角速度與實際橫擺角速度基本一致,表明所設計的差動力矩控制策略能夠保證汽車的正常行駛。

    圖4 高速工況仿真驗證

    分析圖3、圖4仿真結(jié)果可以得出:采用差動轉(zhuǎn)向控制的汽車能夠在轉(zhuǎn)向電機失效后按照駕駛員的意圖完成轉(zhuǎn)向,并提高汽車的安全性和穩(wěn)定性。

    5 結(jié)論

    文章提出的差動力矩控制策略在汽車中高速行駛、單電機失效的情況下,仍能良好地控制汽車轉(zhuǎn)向行駛,提高了汽車行駛的穩(wěn)定性與安全性。電機故障存在一定偶然性,因此只對單電機故障的工況進行了仿真驗證,下一步研究應集中于2個或3個轉(zhuǎn)向電機同時故障的工況,這對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、分布式驅(qū)動電動汽車的發(fā)展意義重大。

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