基于相平面法的電傳動車輛穩定性控制方法

陽貴兵， 廖自力， 劉春光， 袁　東

(裝甲兵工程學院陸戰平臺全電化技術重點實驗室， 北京 100072)

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陽貴兵， 廖自力， 劉春光， 袁東

(裝甲兵工程學院陸戰平臺全電化技術重點實驗室， 北京 100072)

摘要：為解決電傳動車輛穩定性控制的難題，提出了一種基于質心側偏角-質心側偏角加速度)相平面法的穩定性控制方法。通過分析不同因素對相平面穩定區域的影響，確定了車輛質心側偏角的控制區間，設計了穩定性控制器對驅動電機輸出轉矩進行調節，從而實現車輛穩定性控制，最后通過雙移線仿真實驗對該穩定性控制方法進行了驗證。

關鍵詞：電傳動;穩定性控制； 相平面； 質心側偏角

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

1車輛動力學建模

圖14軸雙前橋轉向車輛單軌2自由度模型

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

只考慮車輛的側向運動和橫擺運動，不考慮縱向力的影響，根據牛頓第二定律，側向加速度與側向力滿足

根據歐拉第二定律，橫擺角加速度與橫擺力矩滿足

(2)

式中：Iz為車身轉動慣量。

(3)

(4)

在輪胎側偏特性線性化的假設條件下，輪胎側向力與側偏角呈正比關系，即

Fyi=Cαiαi，

(5)

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

各輪側偏角關系為

(6)

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

(7)

2.2控制區間

假設μ、V和δ三個因素的影響相互獨立，綜合考慮3個影響因素，并且忽略前輪轉角對邊界線斜率的影響，只考慮其對焦點平移的影響，則相平面穩定區域可表示為

(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可通過數據擬合得到；f(μ)為路面附著系數μ影響下的質心側偏角極限值，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質心側偏角β控制示意圖

3穩定性控制器設計

圖4車輛穩定性控制器結構

(10)

式中：ΔT為轉矩的調節量；Kp、Ki、Kd分別為PID控制器的比例、積分與微分系數。

在車輛轉向過程中，一般主要針對車輛發生不足轉向或者過轉向趨勢時進行穩定性控制，其中：車輛的不足轉向由不足的前軸側向力引起；而過轉向由不足的后軸側向力引起。因此，當車輛出現不足轉向趨勢時，對后軸內側車輪施加制動控制；當出現過轉向趨勢時，對前軸外側車輪施加制動控制。由于本文研究對象為4軸車輛，因此控制車輪為外側前兩軸車輪與內側后兩軸車輪。則控制輪的給定轉矩為

T=Tz-ΔT，

(11)

式中：Tz=ηTw，為駕駛員給定的轉矩，與加速/制動踏板開度η有關，η∈[-1,1]，Tw為當前電機轉速下的最大轉矩。

根據電機的外轉矩特性進行查表計算，8輪輪轂電機特性曲線如圖5所示，查表模型采用電機標定特性曲線。

圖58輪輪轂電機特性曲線

4仿真驗證

仿真車輛模型采用ADAMS建立的8輪車輛模型[8]，如圖6所示，該車采用雙前橋轉向方式，整車質量為 23 t，靜平衡狀態下質心位置近似在車輛幾何中心處。其主要仿真參數如下：電機最大轉矩為1 100 N·m；方向盤最大轉角為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

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

圖7良好路面高速雙移線行駛

在低附著路面進行雙移線行駛，仿真路面附著系數μ=0.3，仿真結果如圖8所示。

圖8低附著路面雙移線行駛

由圖7、8可知：采用穩定性控制后，電機輸出轉矩調節明顯，車輛質心側偏角基本在穩定區域范圍內，車輛的操縱穩定性較好；而未采用穩定性控制時，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，車輛質心側偏角都超出了穩定區域邊界，說明車輛發生了明顯的側滑，而過度的側滑會導致車輛失控甚至翻車。

5結論

參考文獻：

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(責任編輯: 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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51507190)

作者簡介：陽貴兵(1987-)，男，博士研究生。

中圖分類號：TJ81+0.323

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.013