混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)防滑的聯(lián)合仿真

馬明生，都翔云，高軍豐

(河南省安陽市71352 部隊(duì) a.70 分隊(duì);b.67 分隊(duì)，河南 安陽 455112)

綠色環(huán)保已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的一大主題，混合動(dòng)力汽車作為汽車工業(yè)解決節(jié)能和環(huán)保問題的一項(xiàng)新技術(shù)，目前已成為汽車研究和發(fā)展的重要方向。

ASR 作為車輛主動(dòng)安全技術(shù)之一，能防止驅(qū)動(dòng)輪的過度滑轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)燃油汽車ASR 一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制和制動(dòng)力矩控制［1-3］。隨著混合動(dòng)力汽車的面世，其ASR 開始受到研究者的關(guān)注。文獻(xiàn)［4，5］以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為控制方式對混合動(dòng)力汽車ASR 進(jìn)行了研究，但是沒有加入液壓制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

在此針對混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)，在AMESim 平臺(tái)中建立液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型并通過接口設(shè)置和Matlab/Simulink 中模型進(jìn)行無縫連接，建立混合動(dòng)力汽車ASR 聯(lián)合仿真模型并制定協(xié)調(diào)控制策略，分別在均一路面和分離路面上對混合動(dòng)力汽車ASR 進(jìn)行了聯(lián)合仿真分析。

1 汽車動(dòng)力學(xué)模型

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)模型

在混合動(dòng)力汽車ASR 的研究中，我們關(guān)心的是動(dòng)力系統(tǒng)的輸入和輸出，對其內(nèi)部過程可以盡量簡化。因此，在建立發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)模型的時(shí)候采用實(shí)驗(yàn)建模法。

通過臺(tái)架試驗(yàn)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，采用一階慣性環(huán)節(jié)建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩模型［6-7］

式中:Ms為發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩;T1、T2為時(shí)間常數(shù);s 為拉普拉斯算子。

1.2 整車模型

整個(gè)車輛作為一個(gè)整體，是一個(gè)多自由度的系統(tǒng)。根據(jù)研究需要，將整車簡化成7 自由度模型，即車身的縱向平移運(yùn)動(dòng)，橫向平移運(yùn)動(dòng)以及繞Z 軸的橫擺運(yùn)動(dòng)3 個(gè)自由度和4個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)自由度［8］，如圖1 所示。

圖1 整車動(dòng)力學(xué)模型

分析時(shí)做如下假設(shè):固結(jié)于汽車上的動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)與汽車質(zhì)心重合;忽略懸架作用，認(rèn)為汽車沒有垂直運(yùn)動(dòng);忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，并認(rèn)為左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角相同;汽車?yán)@Y 軸的俯仰角以及繞X 軸的側(cè)傾角為零;各輪胎的機(jī)械特性相同。

1.3 液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型

車輛驅(qū)動(dòng)防滑是一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)對目標(biāo)車輪采取的是主動(dòng)干預(yù)，高壓制動(dòng)液由電機(jī)帶動(dòng)液壓泵建立并儲(chǔ)存于高壓蓄能器中，因而實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)踏板、制動(dòng)主缸和真空助力裝置等部件不參與ASR 的工作。ASR 只對驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行制動(dòng)壓力的干預(yù)，本文研究的是前輪驅(qū)動(dòng)型混合動(dòng)力汽車，因此ASR 液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型中只需建立驅(qū)動(dòng)輪部分。根據(jù)上述建模過程，在AMESim 平臺(tái)中建立的ASR 液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖3 中所示。

2 聯(lián)合仿真平臺(tái)

AMESim 軟件是一款用于液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真和動(dòng)力學(xué)分析的優(yōu)秀軟件，可以對復(fù)雜的液壓/機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行精確的建模和仿真。因此，采用AMESim 軟件對車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模及分析。Simulink 是Matlab 的重要組成部分，是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成軟件包。Simulink 借助MatlabB 強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，能夠在Matlab環(huán)境下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境構(gòu)造模型對象，是當(dāng)今主流的仿真軟件［9］。利用二次開發(fā)工具箱，Simulink 能夠比較容易的建立強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。

聯(lián)合仿真平臺(tái)充分利用AMESim 和Matlab/Simulink 在液壓系統(tǒng)建模仿真與數(shù)值處理能力方面的優(yōu)勢對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。既保證了模型建立的精度，又能達(dá)到比較好的控制效果。

在Simulink 中通過S-函數(shù)來實(shí)現(xiàn)軟件接口的設(shè)置。S-函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)(System Function)的簡稱，是用戶用指定語言描述的一個(gè)非圖形化的功能模塊。用戶可以采用Matlab 語言、C、C++、FORTRAN 等語言來編寫S-函數(shù)，可以用來描述和實(shí)現(xiàn)離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)等模型。S-函數(shù)是Matlab 與其他語言的接口，可以接受Simulink 求解器的命令并與AMESim 等軟件進(jìn)行通訊。

在仿真過程中，控制系統(tǒng)要對液壓單元的6 個(gè)電磁閥和1 個(gè)油泵電機(jī)進(jìn)行控制，對兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪缸進(jìn)行壓力的采集，仿真框圖如圖2 所示。

圖2 Simulink 中聯(lián)合仿真接口框圖

在AMESim 中，首先要設(shè)置VC++作為編譯器，然后創(chuàng)建接口模塊。采用AMESim 與Simulink 的接口類型中的聯(lián)合仿真接口界面，聯(lián)合仿真時(shí)，兩者各自采用各自的求解器，AMESim 模型被看作時(shí)間的離散模塊處理。在AMESim 中建立的聯(lián)合仿真模型如圖3 中所示。

3 混合動(dòng)力汽車ASR 控制策略

混合動(dòng)力汽車只有在電池SOC 高于下限值時(shí)，電機(jī)才提供動(dòng)力，否則，運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。

車輛在起步或低速加速行駛時(shí)，要求車輛提供較大的驅(qū)動(dòng)力，能迅速提高車速，此時(shí)ASR 以最大加速度為控制目標(biāo);車輛在中高速加速行駛時(shí)(如超車過程等)，對車輛的穩(wěn)定性要求高，此時(shí)ASR 以穩(wěn)定性為主要控制目標(biāo)。

車輛行駛的路面條件一般有均一路面，分離路面，對接路面和棋盤路面四種，其中棋盤路面可以看出前面3 種路面的綜合，而在均一路面和對接路面上車輛左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪受力情況相同，控制相對簡單，因此下面以分離路面為典型路面，根據(jù)車輛的工作模式和行駛速度制定以下控制策略。

起步或低速行駛時(shí)，采取電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)按照高選原則，制動(dòng)系統(tǒng)只對低附著一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力矩;中高速行駛時(shí)，采取電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)按照低選原則協(xié)調(diào)控制。由于電機(jī)響應(yīng)迅速，控制精度高，優(yōu)先采用電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制，只有當(dāng)電池SOC 低于下限值或電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)不到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)才介入控制。

圖3 AMESim 中液壓模型及聯(lián)合仿真接口

4 仿真分析

路面條件:右邊壓緊的冰雪路面，附著系數(shù)0.2;左邊壓緊干土路面，附著系數(shù)0. 68，初始車速2 m/s，油門開度100%。

1)電池電量充足，電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)。車速小于8 m/s 時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)介入干預(yù)，以獲得較大的加速度，并且將橫擺角速度控制在0.2 以下。當(dāng)車速超過8 m/s 時(shí)，以穩(wěn)定性主要為控制目標(biāo)，退出制動(dòng)控制。

如圖4 所示，圖4(d)中虛線表示控制后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)線表示控制后電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，其他圖4(a)、4(b)、4(c)、4(e)、4(f)、4(g)中則分別表示控制前和控制后相應(yīng)變量的曲線。由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，初始階段車速上升明顯，但是加速后期由于橫擺的影響，車速上升減緩，經(jīng)過6 s 加速車速由7.45 m/s 增長到8.80 m/s，增長18.1%。在第5 s，車速達(dá)到8 m/s，制動(dòng)干預(yù)退出，相應(yīng)輪缸減壓閥打開，增壓閥關(guān)閉，壓力卸載。

2)電池電量不足，電機(jī)不參與控制。車速小于8 m/s時(shí)，采用制動(dòng)力矩控制，橫擺角速度控制在0.2 以下，以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)車速超過8 m/s 時(shí)，以穩(wěn)定性為主要控制目標(biāo)，退出制動(dòng)控制。

如圖5 所示，圖中虛線和實(shí)線分別表示控制前和控制后相應(yīng)變量的曲線。在2.72 s，驅(qū)動(dòng)輪開始發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)，制動(dòng)系統(tǒng)介入干預(yù)。對低附側(cè)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力矩后，高附側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率有所增長，總的驅(qū)動(dòng)力矩相應(yīng)增長。在5.96 s，車速達(dá)到8 m/s，制動(dòng)系統(tǒng)退出干預(yù)，相應(yīng)輪缸減壓閥打開，增壓閥關(guān)閉，壓力卸載。經(jīng)過10 s 加速，車速由，10.70 m/s 增長到11.92 m/s，增長11.4%。

圖4 分離附著路面(1)

圖5 分離附著路面(2)

5 結(jié)束語

結(jié)果表明，電機(jī)響應(yīng)快、控制精度高的特點(diǎn)明顯，結(jié)合液壓制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制，在分離路面上能夠有效地防止車輛驅(qū)動(dòng)輪的過度滑轉(zhuǎn)。在起步及低速行駛階段，經(jīng)過ASR控制后，能充分利用地面附著力，快速提升車速;在中高速行駛階段，經(jīng)過ASR 控制后，能縮小兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力的差異，降低車輛橫擺角速度，有利于車輛的行駛穩(wěn)定性。

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