輪轂電機驅動裝甲車輛行駛穩定性控制仿真

張運銀，馬曉軍，劉春光，廖自力

(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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輪轂電機驅動裝甲車輛行駛穩定性控制仿真

張運銀，馬曉軍，劉春光，廖自力

(裝甲兵工程學院 陸戰平臺全電化技術重點實驗室, 北京100072)

為實現8×8輪轂電機驅動裝甲車輛行駛穩定性控制，采用分層控制的驅動力矩分配思想，在頂層基于一種G-向量控制方法，利用車輛的橫向加速度信息對車輛的總驅動力矩進行修正；在中間層次基于直接橫擺轉矩控制的思想，實現兩側驅動力矩的合理分配；在底層采用驅動防滑控制，實現各驅動輪轉矩的優化分配。基于“駕駛員-綜合控制器”在環實時仿真系統進行實時仿真試驗，對穩定性控制算法和車輛綜合控制算法代碼進行驗證，仿真結果表明該控制方法能夠有效抑制車輛的橫向運動，提高車輛行駛穩定性。

電傳動；輪轂電機驅動；G-向量控制；橫擺轉矩控制

電傳動是裝甲車輛傳動系統的發展方向，也是未來全電戰斗車輛的基礎。相比于傳統的機械傳動裝甲車輛，電傳動裝甲車輛具有理想的車輛牽引特性，能夠實現無級變速和轉向，機動性能好；傳動部件之間以柔性導線連接，增加了部件控制及總體布局的自由度。

對于輪轂電機驅動的電傳動裝甲車輛來說,多輪獨立驅動具有的獨特優勢,各個電機的扭矩可以獨立、精確地加以控制，為整車穩定性控制帶來更多自由度。文獻[1-4]針對四輪輪轂電機電動汽車，基于橫擺轉矩控制思想，分別采用加權二乘法優化分配算法和最優動態滑模的“前饋+反饋”算法對四輪獨立驅動(4WD)的縱向力進行合理分配，改善車輛的行駛穩定性；文獻[5]基于橫向輪胎力傳感器信息估計車輛質心側偏角，進而進行車輛橫向穩定性控制。文獻[6-7]針對全輪獨立電驅動車輛的特點，提出一種雙重轉向的控制策略，四輪電動汽車和8×8輪轂電機驅動裝甲車輛仿真表明雙重轉向增大了外側動力輸出，減小了車輛在中低速轉向時轉向半徑，能夠提高車輛的轉向性能。文獻[8]建立了8×8輪轂電機全輪驅動車輛的整車駕駛模型，該模型包括駕駛員輸入處理模塊、路面條件和22自由度車輛動力學模型，在Matlab/Simulink中建立了計算機仿真模型，對所建立的模型進行了操縱穩定性和行駛平順性的仿真試驗。

目前，輪轂電機驅動技術在民用車輛應用較廣泛，研究工作主要集中于四輪獨立驅動車輛。但是在多軸車輛上應用輪轂電機的研究較少，而且對四輪獨立驅動車輛行駛控制方法研究的重心集中于底層各驅動輪驅動力矩分配方法上。筆者以8×8輪轂電機驅動裝甲車輛為研究對象，提出了一種基于頂層控制的驅動力矩分配方法，利用車輛的橫向加速度信息對車輛的總驅動力矩進行修正。采用橫擺轉矩控制及驅動防滑控制相結合，實現底層各驅動輪轉矩的優化分配。基于“駕駛員-綜合控制器”在環實時仿真系統進行了實時仿真試驗，對穩定性控制算法和車輛綜合控制算法代碼進行了驗證。

1　車輛行駛穩定性控制方案

輪轂電機驅動電傳動裝甲車輛的整車穩定性控制結構分為3層，如圖1所示，由頂層(G-向量控制層)、中間層(DYC控制層)和底層(驅動防滑控制層)構成。

G-向量控制處于整個控制體系的頂層，其根據駕駛員輸入指令(轉向盤轉角、油門踏板、制動踏板等)以及車輛當前狀態(縱向加速度、橫向加速度、車速等)求取一個作用于車輛質心的廣義合力需求，具體表現為車輛總驅動轉矩T；中間層直接橫擺控制層是整車控制器的第2層面，其功能是將頂層計算的總驅動轉矩T，依據橫擺轉矩原理，計算出車輛兩側的轉矩給定，實現總轉矩T到車輛左側轉矩給定Tl和車輛右側轉矩給定Tr的轉換；驅動防滑控制處于整車控制的底層，在每一側根據各驅動輪的滑轉情況，對單個驅動輪進行防滑控制，并將滑轉車輪驅動轉矩變化量分配給同側的非滑轉驅動輪，實現Tl和Tr到單個驅動輪給定轉矩Ti的轉換。

2　車輛行駛穩定性控制策略設計

2.1基于G-向量控制的頂層驅動力控制

對車輛總驅動力矩的需求計算分為2個階段。首先根據車輛油門踏板信號及制動踏板信號解算出基本的總需求轉矩Tref為

(1)

式中：η為油門開度，η∈[0,1]；Ti_max(ni) 為當前轉速下電機的最大扭矩。

其次，車輛在行駛過程中，特別是轉向的時候，駕駛員對車輛總體驅動轉矩的需求除受油門信號的控制外，還與車輛實際運動狀態有關。因此，需要利用車輛的狀態信息對總需求轉矩Tref進行進一步的修正。

G-向量控制基本規律可以采用如下方程[9-11]：

(2)

當車輛開始左轉向時，車輛的橫向加速度迅速增大，橫向加加速度迅速增大然后逐漸減小，按照G-向量控制規則，車輛縱向加速度將為負，車速降低；當穩定轉向時，車輛橫向加速度恒定不變，橫向加加速度為0，按照G-向量控制規則，車輛的縱向加速度為0，車速穩定不變；當轉向輪回轉時，車輛的橫向加速度迅速減小，橫向加加速度為負，并逐漸減小，按照G-向量控制規則，車輛縱向加速度將為正，車速增加；總體控制過程可以概述為轉向開始時使車輛降速，轉向回轉時使車輛增速。

采用PI控制器計算車輛總的驅動力矩修正量ΔT可表示為

ΔT=kp1(Gx-Gxc)+ki1∫(Gx-Gxc)dt

(3)

式中：Gx為縱向加速度；kp1、ki1分別為縱向加速度的比例、積分系數。

則最終車輛總驅動力矩T可表示為

T=Tref+ΔT

(4)

2.2基于橫擺轉矩控制的轉矩分配

(5)

式中：vx為車輛縱向速度；Fxi、Fyi為第i軸輪子的縱向力和橫向力；β為車輛質心側偏角；γ為橫擺角速度；δi為第i軸輪子轉向角；m為整車質量；Iz為繞質心的轉動慣量；Li為第i軸距離車輛質心坐標系y軸的距離；M為橫擺轉矩。

同時，受附著系數影響，不同路面狀況下，側向力必須滿足:

|ay|≤μg

(8)

式中：μ為地面附著系數；g為重力加速度。

(9)

橫擺轉矩的大小由車輛理論參考模型計算所得的橫擺角速度與車輛實際的橫擺角速度之差值進行PI控制。

M=kp2(γ-γd)+ki2∫(γ-γd)dt

(10)

式中，kp2、ki2分別為橫擺角速度比例、積分系數。

則左、右側的轉矩給定調整為

(11)

2.3基于驅動防滑控制的轉矩再分配

輪轂電機驅動裝甲車輛，各驅動輪獨立驅動。驅動時，在光滑路面或者特殊路面導致部分驅動輪懸空情況下，若電機給定轉矩不變，則電機轉速會迅速升高，從而導致“飛輪”現象，嚴重影響行車安全；制動時，若地面附著系數較低，則很容易發生車輪抱死導致車輛滑移的情況。因此，必須對各驅動輪進行防滑控制。

滑移率可通過下式計算：

(12)

式中： vw為輪速；v為車速。

采用PI控制計算滑移/滑轉車輪的轉矩調整量

ΔT=kp3(s-s0)+ki3∫(s-s0)dt

(13)

式中：s0為目標滑移/滑轉率，與路面附著系數有關，一般s0=0.2；kp3、ki3分別為滑移率比例、積分系數。

因此，滑移/滑轉車輪及非滑移/滑轉車輪的轉矩給定調整分別為(以左側為例)：

(14)

3　“駕駛員-綜合控制器”在環實時仿真平臺

“駕駛員-綜合控制器”在環的實時仿真系統總體結構如圖2所示。

該系統由駕駛員模擬操縱系統、綜合控制器、Vortex動力學仿真系統、RT-LAB驅動電機仿真系統和dSPACE狀態監控系統等組成。其中，駕駛員模擬操縱系統為一套羅技的游戲操控系統，主要用于采集駕駛員的加速、制動及轉向等操控信號；綜合控制器根據駕駛員操控信號及車輛狀態反饋，進行既定車輛行駛控制策略的解算，得到給定轉矩；采用RT-LAB軟件進行電機及其驅動控制系統仿真。在接收到轉矩給定指令后，結合當前轉速信息，經過解算后給出電機實際轉矩輸出；基于Vortex實時動力學仿真軟件進行車輛動力學實時仿真，將RT-LAB計算的真實電機轉矩給定經過相應的效率折算后，直接加載到車輛模型的驅動輪上，并反饋車輛狀態信息。同時構建仿真場景，實時顯示整車運動過程；另外，利用dSPACE圖形界面功能設計整個系統運行狀態參數顯示界面，實時監控、分析各狀態參數。筆者研究重點在于車輛穩定性控制方法，各仿真節點具體建模過程不在此贅述。

“駕駛員-綜合控制器”在環的實時仿真系統同時采用CAN總線和FlexRay總線，以滿足不同控制對象的通信實時性要求。在駕駛員模擬操控平臺、Vortex仿真主機及dSPACE監控系統間采用CAN總線連接；綜合控制器與RT-LAB仿真機之間采用FlexRay總線連接。

4　實時仿真試驗及分析

仿真試驗車輛為8×8輪轂電機驅動電傳動裝甲車輛，車輛及電機驅動系統參數如表1所示。

表1　仿真對象參數表

蛇行試驗是評價車輛操縱穩定性的重要試驗，可以考查車輛在接近側滑或側翻工況下的操縱性能，綜合評價車輛的行駛穩定性及乘坐舒適性。試驗時，油門踏板開度固定為70%，車輛由靜止直線加速至50 km/h左右時，方向盤先向右轉，然后再向左轉。分別在無控制、單獨G-向量控制及G-向量與橫擺轉矩聯合控制3種模式下進行車輛的蛇行試驗仿真。

方向盤行程如圖3所示，3種控制模式下方向盤轉向信號基本一致，在10—15 s期間方向盤右轉向，15—20 s期間保持方向盤行程不變，20—25 s期間方向盤回轉；在30—35 s期間方向盤左轉向，35—40 s期間保持方向盤行程不變，40—45 s期間方向盤回轉。

由式(1)可知，無控制時，車輛總驅動轉矩可用油門開度系數表示，為便于比較，G-向量控制后的總驅動轉矩同樣用總轉矩系數(總驅動轉矩與當前電機總驅動能力之比)表示。如圖4、5所示，無控制時，總轉矩系數維持不變，且與油門開度70%相同；在應用G-向量控制時(包括聯合控制)，方向盤轉向時，總驅動轉矩系數迅速降低，甚至為負數(此時車輛為制動狀態)，車輛縱向加速度降低并變為負值，車速降低；轉向穩定時，總轉矩系數達到最低值(-70%左右)，車輛縱向加速度恢復到0附近，車速變化緩慢；方向盤回轉時，總轉矩系數上升，并超過油門開度，車輛縱向加速度增加，車速增加；方向盤完全回正后，總轉矩系數保持與油門開度相同，車輛縱向加速度降低，車速恢復到初始值50 km/h。轉向過程中，總轉矩系數、縱向加速度及車速變化趨勢符合G-向量控制規則。圖5中，雖然右轉向有無G-向量控制時縱向加速度差別不大，但左轉向時，縱向加速度差距較大，最大差值為1 m/s2。

在車輛總體穩定性方面，如圖6所示，無G-向量控制時，車輛橫向加速度較高，最大值接近10 m/s2，有G-向量控制(包含聯合控制)時，車輛的橫向加速度降低，特別是在左轉向36.5 s左右時，橫向加速由5 m/s2降低到1.5 m/s2。圖7中，有G-向量控制時，車輛質心側偏角峰值降低接近50%。圖8中所示，無控制時，車輛橫擺角速度變化激烈，與理論橫擺角速度差距較大，特別是左轉向37 s時，超過理論值一倍。而有G-向量控制時，車輛橫擺角速度能夠穩定跟隨理論參考值，特別是聯合控制時，基于橫擺角速度反饋的橫擺轉矩控制使車輛橫擺角速度與理論參考值的差值一直保持在較低范圍。總體而言，G-向量控制能夠提高車輛穩定性，而G-向量控制與橫擺轉矩聯合控制能夠顯著提高車輛穩定性。

圖9～11分別為無控制、G-向量控制與聯合控制時，各驅動電機給定轉矩。無控制時，各驅動電機轉矩給定完全一致，并且隨著車速變化而變化；G-向量控制時，各驅動電機轉矩給定也基本一致，但在轉向時，隨著圖4中的總轉矩系數相應變化；聯合控制時，兩側驅動電機轉矩給定分別一致，轉向時，由于橫擺轉矩控制作用，兩側電機轉矩給定有一定的差值，但每側電機轉矩給定變化趨勢與圖4中總轉矩系數相一致。

5　結論

以8×8輪轂電機驅動裝甲車輛為研究對象，基于分層控制思想，在頂層基于G-向量控制控制驅動力矩分配方法，利用車輛的橫向加速度信息對車輛的總驅動力矩進行修正。采用橫擺轉矩控制及驅動防滑控制相結合，實現底層各驅動輪轉矩的優化分配。基于“駕駛員-綜合控制器”在環的實時仿真試驗表明：該穩定性控制算法能有效抑制車輛橫向運動，提高車輛穩定性，同時驗證了車輛綜合控制算法代碼的可靠性，為實車試驗打下重要基礎。

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Stability Control Simulation of In-wheel-motor Drive Armored Vehicle

ZHANG Yunyin, MA Xiaojun, LIU Chunguang, LIAO Zili

(Key Laboratory of Land Warfare Platform All-electric Technology,Academy of Armored Force Engineering,Beijing100072, China)

For the stability control of 8×8 in-wheel-motor drive armored vehicle in motion, the driven torque of every motor is distributed by layered torque distribution control method. The total driven torque is optimized through the use of the vehicle lateral acceleration information based on G-vectoring control method at the top layer. The demanding torque of every drive motor is optimized based on the combination of DYC and anti-slip regulation control. This control method and the controller code are validated based on the driver-integrated controller in-loop real-time simulation system. The simulation results show that the lateral motion of the vehicle is inhibited effectually with an improvement of the vehicle stability in motion.

electric drive; in-wheel-motor drive; G-vectoring control; DYC

2015-04-20

軍隊預先研究項目(40401010101)

張運銀(1987—)，男，博士研究生，主要從事電傳動裝甲車輛行駛控制、系統仿真技術研究。E-mail：zyy123999@126.com

U469.72

A

1673-6524(2016)01-0059-06