基于动态门限值的分布式驱动电动汽车驱动力矩控制研究.pdf
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1、第 13 卷第 5 期2023 年 9 月汽车工程学报Chinese Journal of Automotive EngineeringVol.13No.5Sept.2023基于动态门限值的分布式驱动电动汽车驱动力矩控制研究王保华1,2,王伟龙1,孙雨辰1,吴华伟2,3,朱远志4(1.湖北汽车工业学院,湖北,十堰 442002;2.湖北隆中实验室,湖北,襄阳 441000;3.湖北文理学院,湖北,襄阳 441000;4.北方工业大学,北京 100144)摘要:为改善分布式驱动电动汽车高速行驶稳定性,避免频繁驱动控制操作对汽车行驶安全性的影响,提出了一种适应不同驾驶工况的参数动态门限值算法,设计
2、了汽车附加横摆力矩滑模控制策略和驱动力矩二次规划优化分配控制策略,并进行了角阶跃输入工况和双正弦输入工况的仿真分析。结果表明,所设计的控制策略能有效控制汽车的质心侧偏角与横摆角速度,在保证汽车行驶稳定性的前提下,使质心侧偏角与理想值偏差减小了3.6%以上,轮胎附着利用率减少19.5%以上,有效地降低了轮胎附着利用率,提高了汽车的行驶安全性。关键词:分布式驱动电动汽车;变门限值;稳定性控制;滑模控制;二次规划中图分类号:U461;U469.72文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.20951469.2023.05.11Dynamic Threshold-Based Drive To
3、rque Control for Distributed Drive Electric VehiclesWANG Baohua1,2,WANG Weilong1,SUN Yuchen1,WU Huawei2,3,ZHU Yuanzhi4(1.Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,Hubei,China;2.Hubei Longzhong Laboratory,Xiangyang 441000,Hubei,China;3.Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 4410
4、00,Hubei,China;4.North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract:In order to improve the high-speed driving stability of distributed drive electric vehicles and avoid the impact of frequent driving control operations on the driving safety of vehicles,this paper proposed a paramete
5、r dynamic threshold algorithm that adapted to different driving conditions,and designed the additional yaw moment of the vehicle.The distribution control strategy was optimized using sliding mode control and the quadratic programming for optimal driving torque distribution.Simulations were performed
6、 under both angular step input and double sine input conditions.The results show that the designed control strategy can effectively control the side-slip angle and yaw rate of the vehicles center of mass.While ensuring vehicle driving stability,the deviation of the center-of-mass side-slip angle fro
7、m the ideal value is reduced by over 3.6%.The adhesion utilization rate is decreased by more than 19.5%,effectively lowering the tire adhesion utilization,thereby improving the driving safety of the vehicle.Keywords:distributed drive electric vehicle;variable threshold;stability control;sliding mode
8、 control;quadratic programming收稿日期:20220721改稿日期:20220907基金项目:国家自然科学基金项目(52072116);湖北省重点研发计划项目(2020BAB141)参考文献引用格式:王保华,王伟龙,孙雨辰,等.基于动态门限值的分布式驱动电动汽车驱动力矩控制研究 J.汽车工程学报,2023,13(5):705-715.WANG Baohua,WANG Weilong,SUN Yuchen,et al.Dynamic Threshold-Based Drive Torque Control for Distributed Drive Electric
9、Vehicles J.Chinese Journal of Automotive Engineering,2023,13(5):705-715.(in Chinese)汽车工程学报第 13 卷汽车排放是我国碳排放的主要来源之一。电动汽车为我国节能减排以及碳达峰总体目标的实现起到重要的推动作用1。当前,电动汽车的驱动系统主要有集中式电驱动系统、双电机驱动系统以及分布式电驱动系统。集中式电驱动系统使用最广泛,其在结构上继承了传统燃油汽车的驱动系统,对整车驱动系统的布置改动较小2-3,但其传动部件较多,传动效率较低。双电机驱动系统分为双电机两轴式驱动系统和双电机同轴式驱动系统。双电机两轴式驱动系统是
10、将两台电机分别置于汽车前后轴,取消了传动轴与变速器等部件,提高了传动效率4。双电机同轴式驱动系统是将两台电机的动力输出于同一轴。受技术难度等方面的限制,双电机两轴式驱动系统更具应用价值5。通过控制动力在两个驱动电机间的协调分配,能保证电机运行在更高效区域,提升经济性,但其构型和控制较复杂。分布式电驱动系统是近年来发展起来的一种电动汽车驱动构型7。分布式驱动电动汽车通过将电机置于车轮内或者车轮边,取消了传动轴与差速器,提高了动力的传递效率8,可实现对车轮的独立驱动,也便于通过附加横摆力矩的控制来提高汽车的行驶稳定性,但成本与可靠性的限制,阻碍了分布式驱动电动汽车的发展9。考虑到集中式电驱动系统与
11、双电机耦合驱动系统无法单独对各个车轮进行控制,以致稳定性控制的方法较单一,在复杂工况下不易实现稳定性控制。而分布式驱动电动汽车因其结构特性能实现复杂工况下的稳定性控制,从而提高汽车的行驶稳定性与行驶安全性,所以有必要对分布式驱动电动汽车进行稳定性控制的研究。目前,针对电动汽车稳定性控制研究的文章较多。关于直线行驶稳定性的研究:贺志颖等10通过建立速度控制器、附加横摆力矩控制器、驱动防滑控制器,实现对车轮滑转率的控制与附加横摆力矩的实时控制,从而保证汽车的直线行驶能力,但未考虑电机的最大输出力矩。关于横摆稳定性的研究:KIM等11针对电动汽车基于扩展卡尔曼滤波的运动学模型的侧滑估计器,设计了由直
12、接横摆力矩控制的鲁棒侧偏角控制器,但是仅以侧偏角为目标进行稳定性控制,在极限工况下对稳定性的提升有限;李胜琴等12设计了一种基于横摆角速度与质心侧偏角的积分滑模控制器,并基于罚函数法,研究了一种汽车横摆稳定控制及电机转矩分配控制策略,但未考虑横摆角速度与质心侧偏角之间的耦合关系;ASIABAR等13以质心侧偏角、横摆角速度为控制目标设计了一种自适应滑模控制器,通过实时修正横摆力矩来提高汽车行驶稳定性,但两个控制目标权重系数为固定值;ZHANG Yong 等14以质心侧偏角、横摆角速度为输入变量,设计了一种模糊控制器,对横摆角速度与质心侧偏角实时进行控制,采用轮毂电机/液压制动系统联合控制提升了
13、汽车的稳定性,但液压制动仅起到辅助补偿作用,对稳定性的提升有限;WANG Jian等15设计了一种基于双轨模型的轮速修正算法和抗饱和积分PID算法的控制策略,实现了较好的防滑控制与横摆稳定性控制,但其力矩分配时未考虑轮胎利用附着率,不利于极限工况下稳定性控制。这些研究大部分是以横摆角速度偏差或质心侧偏角偏差为0为目标,实现对汽车的稳定性控制,虽然有控制效果,但会使控制器以及控制执行机构频繁介入行驶过程,影响汽车稳定性的动态品质。不同于常规的稳定性控制策略会对汽车进行频繁控制,为进一步改善汽车在不同工况下的动态品质,在保证车辆稳定性的基础上,对横摆角速度与质心侧偏角变化率的门限值进行动态控制,避
14、免频繁控制对车辆的动力性与稳定性的影响。本文提出一种改进的动态门限值驱动力矩控制策略,采用模糊控制器得出不同工况下稳定性控制目标的门限值,采用滑模控制算法计算得出附加横摆力矩,设计了驱动力矩优化分配策略,将驱动力矩单独分配给各个车轮,从而保证汽车的稳定行驶。基于CarSim与Matlab/Simulink建立汽车联合仿真模型,对改进的汽车驱动控制策略进行仿真验证,并与不同控制策略的仿真结果进行对比分析。1汽车模型建立1.1线性理想参考汽车模型为进行操纵稳定性的研究,将汽车模型简化为线性二自由度模型,忽略转向系统、悬架系统的影706第 5 期王保华 等:基于动态门限值的分布式驱动电动汽车驱动力矩
15、控制研究响,只考虑汽车沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动。线性二自由度汽车模型,如图1所示。线性二自由度汽车运动微分方程为16:(k1+k2)+1ux(ak1-bk2)-k1=m(uy+ux)。(1)(ak1-bk2)+1ux(a2k1+b2k2)-ak1=Iz 。(2)式中:m为汽车质量;为前轮转角;Iz为绕z轴的转动惯量;为横摆角加速度;a、b分别为质心到前后轴的距离;k1、k2分别为前、后轮侧偏刚度;ux为纵向车速;uy为侧向加速度;为质心侧偏角;为横摆角速度。由式(1)(2)可得稳态时的横摆角速度,如式(3)所示,此时uy=0、=0。s=uxL1+mL2(ak2-bk1)ux2。(3)
16、式中:s为稳态时横摆角速度;L为轴距。在路面条 件 的 限 制 下,横 摆 角 速 度 上 限 如 式(4)所示17。b=0.85gux。(4)式中:b为横摆角速度上限;为路面附着系数;g为重力加速度。联合式(3)(4)可得理想横摆角速度ideal,如式(5)所示。ideal=min(|s|,b)sgn(s)。(5)1.2电机模型在考虑附着力以及电机转矩限制的前提下,为便于牵引力、附加横摆力矩的控制系统设计,本文对电机采取直接转矩控制18。根据汽车性能要求,绘制电机转矩特性曲线,采用查表的方式对电机输出转矩进行约束,满足电机外特性要求。电机的输出、输入转矩指令间的关系简化为传递函数,如式(6)
17、所示19。G(s)=TmTmd=122s2+2s+1。(6)式中:Tm为电机实际输出转矩;Tmd为电机收到来自控制器的转矩指令;为电机物理特性常数,本文取0.001。驱动电机转矩特性如图2所示,其仿真模型如图3所示。2整车控制器设计汽车在行驶的过程中,由于各种原因可能导致汽车不能按照驾驶员意图行驶,出现失稳现象,这时对汽车施加一个附加横摆力矩,则可以纠正汽车的行驶路径,使汽车稳定行驶。因此,本文提出一种基于动态门限的驱动力矩控制策略,设计了整车控制器,如图4所示。该整车控制器结构主要由计算理想横摆角速度的理想参数计算模块、计算满足车速所需驱动力矩的车速跟踪控制模块、动态门限值计算模块、附加横摆
18、力矩计算模块、优化输出力图1线性二自由度汽车模型图2电机转矩特性 图3电机仿真模型707汽车工程学报第 13 卷矩的力矩分配模块以及负责将转矩需求输出给车轮的电机模型组成。2.1车速跟踪控制模块车速采用PID控制,根据目标车速u0与实际车速ux的偏差得出期望力矩Tq。Tq=kp(u0-ux)+ki0t(u0-ux)dt+kdd(u0-ux)dt。(7)式中:kp为比例系数;ki为积分系数;kd为微分系数。2.2基于模糊规则的动态门限值设计为了适应不同工况下汽车对稳定性的需求,避免频繁的稳定性控制,设定横摆角速度偏差以及质心侧偏角变化率的门限值,并将汽车稳定性分为两种工况进行控制20:1)当汽车
19、没有出现明显失稳时,只采取基于横摆角速度的稳定性控制;2)当汽车出现明显失稳时,采取基于横摆角速度与质心侧偏角变化率的稳定性控制。因此,偏差门限值的设定至关重要。如果其过大,在危险工况下不能及时纠正汽车行驶状态,就会造成汽车失稳;如果其过小,就会使控制系统过于灵敏,造成系统误判,不利于汽车行驶稳定性。因此,采取模糊控制对相关参数的门限值进行动态调整,以满足对不同工况的控制。2.2.1横摆角速度偏差动态门限值设计由式(3)(5)可知,横摆角速度的理想值与方向盘转角及路面附着系数相关。因此,选取方向盘转角变化率与路面附着系数为模糊控制器的输入变量,利用模糊控制器得出横摆角速度偏差门限值th。为使控
20、制系统对汽车进行有效而不敏感的控制,当路面附着系数较小时,汽车容易发生危险,此时门限值设计得较小;当方向盘转角变化率较大时,由于汽车横摆响应滞后性较大,所以门限值设计得较大。模糊规则见表1。2.2.2质心侧偏角变化率动态门限值设计由于质心侧偏角变化率可由侧向加速度、车速以及横摆角速度计算得出,而横摆角速度又受路面附着系数的限制,结合实际需求,最终选取车速与路面附着系数为模糊控制器的输入变量,利用模糊控制器得出质心侧偏角变化率的门限值th。当路面附着系数较低、车速较高时,汽车较容易发生失稳,此时的门限值设计得较小;当路面附着系数大、车速低时,汽车不易发生失稳,将门限值设计得较大,可实现只进行横摆
21、角速度的稳定性控制。模糊规则见表2。2.3附加横摆力矩设计2.3.1门限值有效值计算经过模糊控制得到动态门限值后,考虑到在门图4整车控制器结构表1横摆角速度偏差th模糊控制规则th路面附着系数NBNMNSZEPSPMPB方向盘转角变化率绝对值NBP1P1P1P2P2P3P3NMP1P1P2P2P3P3P4NSP1P2P2P3P3P4P4ZEP2P2P3P3P4P4P5PSP2P3P3P4P4P5P5PMP3P3P4P4P5P5P6PBP3P4P4P5P5P6P7表2质心侧偏角变化率偏差th模糊控制规则th路面附着系数NBNMNSZEPSPMPB车速NBP1P2P3P4P4P5P7NMP1P2P
22、2P3P4P4P7NSP1P2P2P3P3P4P6ZEP1P1P1P2P3P3P6PSP1P1P1P2P2P3P5PMP1P1P1P1P2P2P4PBP1P1P1P1P2P2P3708第 5 期王保华 等:基于动态门限值的分布式驱动电动汽车驱动力矩控制研究限值范围内不对汽车进行控制,对横摆角速度偏差值与质心侧偏角变化率偏差值进行处理,从而得到偏差值的有效值。e=-th,当 th0 ,当-th th+th,当 th0 ,当-th t tht+th,当t 0为滑模面定义系数。为抑制滑动模态的抖动,选择带饱和函数的等速趋近律,如式(11)所示。s=-sat(s)。(11)式中:0为趋近速率;0为滑动
23、模态切换面的边界层厚度。前轮转角一般较小,汽车模型可简化为22:Iz =a(Fyfl+Fyfr)-b(Fyrl+Fyrr)+wf2(Fxfr-Fxfl)+wr2(Fxrr-Fxrl)。(12)式中:Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的侧向力;Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力;wf、wr分别为前、后轴的轮距。由式(10)(12)得到附加横摆力矩M,如式(13)所示。M=Iz ideal-e-sat(s)-a(Fyfl+Fyfr)+b(Fyrl+Fyrr)。(13)系统稳定性证明,令Lyapunov函数如式(
24、14)所示23。V=12s2。(14)又由式(11)、式(14)得:V=ss=-ssat(s)。(15)易得V 0,当且仅当s=0时等号成立,所示系统大范围渐进稳定。2.4驱动力矩分配控制策略设计由车速控制器得到的期望力矩及滑模控制器得到的附加横摆力矩可以得到汽车最终所需的纵向力矩与横摆力矩,再将这些力矩分配到各个车轮上时,可以采用平均分配或动态载荷分配,这些方法虽然很简单,但是都忽略了车轮所能输出的能力,从而控制效果不佳。本文采用二次规划法进行驱动力矩优化分配。由于汽车高速行驶时,前轮转角通常较小,所以忽略转向引起的纵向力变化,结合式(12),汽车受到的纵向力Fx与横摆力矩Mz,如式(16)
25、所示。Fx=Fxfl+Fxfr+Fxrl+FxrrMz=wf2(Fxfr-Fxfl)+wr2(Fxrr-Fxrl)。(16)将式(16)改写为矩阵形式,如式(17)所示。B=AU。(17)式中:B=Fx,MzT,A=1111-wf2wf2-wr2wr2,U=Fxfl,Fxfr,Fxrl,FxrrT。在极限工况下车轮的受力复杂,受到路面的附着条件以及附着椭圆的影响,汽车容易失稳。而轮胎的纵向力与侧向力之间也存在耦合关系,所以将轮胎的附着利用率最小作为优化目标,并忽略侧向力的附着利用率,最终得到优化的目标函数,如式(18)所示24。709汽车工程学报第 13 卷minJ=i=fl,fr,rl,rr
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- 基于 动态 门限 分布式 驱动 电动汽车 力矩 控制 研究
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