分布式驅動電動汽車轉向失效控制研究*

朱文靜 李剛 郭增江

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院）

分布式驅動電動汽車采用線控技術替代傳統的傳動結構，具有驅動傳動鏈短、效率高、結構緊湊等優點[1-3]，線控技術將駕駛員輸入轉化為電信號實現汽車操縱，其控制方式靈活,響應快速精確，高度符合現代汽車電動化、智能化的發展需求[4]。但線控系統由大量的電子器件組成，器件的不穩定性增加了系統出現故障的概率，降低了汽車行駛的安全性，因此線控系統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向系統的可靠性，文獻[8]采用模型預測等算法處理執行器失效的問題，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。文章針對轉向系統失效提出了差動轉向力矩分配控制策略，經實驗驗證，該策略能有效解決單個轉向電機失效時汽車無法正常轉向的問題。

1 失效控制原理

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

圖1 分布式驅動電動汽車轉向控制流程

2 失效工況策略

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

3 差動轉向力矩分配

根據車輛行駛時實際橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值，計算保證車輛穩定行駛的附加橫擺力矩，然后把駕駛期望需求的總驅動力矩和附加橫擺力矩值重新分配至4個驅動電機。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——穩定性系數，s2/m2；

δ——前輪轉角，°。

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。

在分布式驅動電動汽車的轉向電機出現故障的情況下，通過差動轉向，重新分配4輪力矩保證車輛的操縱穩定性，以保證行駛中汽車的安全性與穩定性。橫擺力矩決策控制器用來計算保證車輛穩定轉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。

分布式驅動電動汽車正常安全穩定行駛時，4輪驅動力矩是采用4輪平均分配方式。當轉向系統出現單個轉向電機失效的情況，進行差動力矩控制，根據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、右后輪的驅動力矩，N·m；

Td——總的驅動力矩，N·m。

4 仿真驗證

在CarSim和Matlab中建立的聯合仿真模型，對控制算法進行實驗驗證。設置單輪電機出現故障（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定轉矩輸入，道路設置為圓周路面，半徑150 m，附著系數為0.85。開環操縱車輪轉角車速。

圓周工況仿真實驗結果見圖3。如圖3a、3b所示：設置右后輪轉向電機失效，此時的右后輪轉角為0，有無差動控制下的其他輪皆能正常轉向。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，實現汽車的差動轉向。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向。

工況2：車速為80 km/h，右后輪轉向電機失效，單移線仿真實驗，仿真時間為15 s。仿真結果如圖4所示。圖4a、4b為有無差動控制下的車輪轉角曲線。圖4c所示：轉向失效時，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生差別。圖4e所示：在轉向電機失效時，無差動轉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仿真結果可以得出：采用差動轉向控制的汽車能夠在轉向電機失效后按照駕駛員的意圖完成轉向，并提高汽車的安全性和穩定性。

5 結論

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向行駛，提高了汽車行駛的穩定性與安全性。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個轉向電機同時故障的工況，這對線控轉向系統、分布式驅動電動汽車的發展意義重大。