四轮毂独立驱动电动汽车协调控制技术综述

徐国凯，葛平淑，王 娟，韩桂英

(大连民族学院 a.机电信息工程学院;b.信息与通信工程学院，辽宁大连 116605)

研究和探索节能、环保和安全的汽车是实现交通可持续发展的必由之路。电动汽车以其超低/零排放、能源利用多元化和高效化等特点，以及便于实现智能化控制等方面的优势备受重视［1］。近年来，各国纷纷制定了电动汽车产业发展路线图并出台了一系列配套政策［2-4］。就电动汽车驱动系统而言，四轮毂独立驱动电动汽车以其在动力配置、传动结构、操控性能及能源利用等方面的独特优势和巨大发展潜力成为电动汽车研发的一个重要方向［5］。

轮毂电机具有响应速度快、控制精度高、可控性好等优点，使得四轮独立驱动电动汽车比传统汽车更具有底盘主动化、电子化的潜力和优势。目前，电动汽车的研究主要集中在以提高经济性和减少排放为目标的驱动系统能量管理、针对单轮驱动或双轮驱动的控制技术以及轮毂电机的研制等方面，在充分利用四轮毂独立驱动的特点以改善整车动力学特性和操纵稳定性方面的研究起步较晚［6］，而这方面的研究将决定电动汽车的行驶安全性，是制约轮毂驱动电动汽车发展的关键问题。

1 国内外研究现状

与传统内燃机汽车有所不同，电动轮驱动系统取消了各驱动轮间的机械连接，为在相同动力需求下驱动力的优化分配提供了可能［7］。但是，由于各轮独立可控，增加了驱动轮的运动自由度，这就使得四轮毂独立驱动电动汽车的转矩协调控制成为亟待解决的关键技术之一。因此，四轮毂独立驱动电动汽车协调控制技术主要集中在两个方面:基于主动安全控制目标之间的协调控制以及四轮转矩协调控制。

1.1 基于主动安全的控制目标之间的协调控制

目前，针对电动轮驱动的电动汽车主动安全控制技术主要集中在驱动防滑控制、横摆力矩控制、线控转向控制以及电动轮汽车需要解决的电子差速等方面。这些基于单目标的控制技术主要是根据各自的控制目标进行设计的，面向主动安全的四轮独立驱动电动汽车稳定性协调控制策略的研究较少。如图1［8］可以看出，汽车属于复杂的非线性多自由度系统，各自由度之间并不是相互独立的，当一个自由度发生改变时，会对另一个或多个自由度产生影响。随着电动汽车的不断完善和发展，电动汽车底盘电控系统结构和功能的日趋复杂，其电控单元、执行机构和传感器也日益增多，各底盘控制子系统之间相互耦合的趋势更加明显，矛盾更加突出。因此，如何对四轮毂独立驱动电动汽车的各子系统进行协调控制，使其能够依据汽车的行驶状态合理分配各子系统工作时序和效能，消除子系统间的冲突，全面提高汽车的行驶稳定性，成为目前电动汽车线控底盘集成控制的重要研究内容之一。

目前，对电动轮驱动汽车的稳定性控制主要以汽车动力学方程为基础，以汽车操纵稳定性相关参数(如横摆角、侧偏角、滑移率等)为控制目标，通过合理的电动轮之间的转矩分配实现电动汽车的纵横向动力学控制、驱动防滑控制以及差动助力转向控制等技术。

(1)动力学控制技术

日本东京大学Hori实验室针对轮式独立驱动的电动汽车，进行了大量研究，将直接横摆力矩控制贯穿在电动汽车的动力学控制方法中，采用模型匹配方法使车辆横摆角速度跟随由参考模型确定的目标横摆角速度，设计了基于偏离角模糊观测器的直接横摆控制［9-10］;并提出一种四轮独立驱动电动汽车最优动力分配方法［11］。Nam等［12］基于主动前轮转向实现横摆稳定性控制，包含一个内环控制器实现转角扰动观测器，一个外环控制器实现跟踪控制，达到调节汽车运动状态的目标。Jalali等［13］建立了四轮毂独立驱动电动汽车的动力学模型，通过遗传算法优化控制器参数来实现车辆侧偏和横摆角速度误差最小。靳立强等［14］研究了最优PD控制的电动轮驱动汽车的动力学控制策略，并通过仿真验证其有效性。郑玲等［15］针对基于磁流变阻尼器的电动汽车半主动悬架系统，设计了4个独立的模糊控制器，针对EPS电动助力转向系统，设计了鲁棒控制器，以整车平顺性和操纵稳定性能优化为目标设计了协调控制器。熊璐等［16］采用层次化整车稳定性控制方法和加权二乘法优化分配算法，通过纵向力在约束范围内的合理分配形成直接横摆力矩，提高操纵稳定性。张金柱等［17］通过线性二自由度车辆模型计算理想质心侧偏角和理想横摆角速度，以侧偏角和横摆角速度为控制变量，提出了基于滑模理论的电动汽车稳定性控制器。

(2)驱动防滑控制技术

Tahami等［18］提出由控制车体侧滑的模糊力矩控制器和车轮滑移控制器组成的四轮驱动电动汽车驱动稳定性系统，辅助驾驶员在紧急制动或避障时维持车辆稳定性。Piyabongkarn等［19］为了实现车辆的稳定性控制，建立基于车辆模型与动力学模型的侧滑角估计方法。Klomp［20］利用单跟踪模型和准稳态状态条件，分析轮式电动汽车纵向和横向道路附着能力。Nam等［21-22］提出利用侧向轮胎压力传感器信息，采用扩展卡尔曼滤波来估计车辆的侧滑角，并利用监测到的侧滑角和轮胎侧偏刚度进行轮式独立驱动电动汽车的驱动防滑控制，从而提高其稳定性。对路面状态和车轮滑移率的识别是电动汽车一项关键技术，在传统汽车上这项技术，特别是车轮最佳滑移率确定方法，至今还没有得到很好地解决。

根据电动轮驱动的特点，周磊等［23］提出了一种兼顾制动回馈控制及车轮防抱死控制的基于滑移率试探的电动汽车制动控制策略，以期在大制动力工况时实现车轮的防抱死控制。靳立强等［24-25］根据汽车轮胎与路面的附着特性，提出了电动轮汽车驱动轮对应最大附着系数的滑移率实时识别方法，实时判断车轮是否打滑，并确定最佳滑移率及最大附着系数。蒋振江等［26］采用路面识别方法获得不同路面的最佳滑转率，设计了以滑转率最优为控制目标的模糊-PID联合控制器，保证车辆在恶劣路况下行驶时仍可以获得较好的驱动防滑控制效果。

(3)差动助力转向控制技术

在驾驶员制动时，左右两侧制动力不同，一般会使汽车向制动力大的一侧转向，同理左右轮驱动力矩差值也会驱动转向轮产生转向运动［27］。差动助力转向是电动轮车的独特技术特点和显著优势之一，能有效改善车辆在转向和危险工况下的操纵稳定性。Nam等［28］基于二自由度控制方法实现前轮主动转向控制，从而提高车辆横摆稳定性，并建立横摆角扰动补偿和观测器。Fujinmoto等［29］利用主动前轮转向和左右电动轮转矩差实现了车辆横摆角速度和质心侧偏角解耦控制，并通过侧向力观测器和横摆力矩观测器提高该解耦控制适应路面状态改变的鲁棒性。王军年等［30］应用Matlab/Simulink建立了差动助力转向控制系统模型，研究了旨在降低转向盘手力和辅助转向轮回正的左右前轮转矩分配控制策略，并采用后轮差动实现车辆横摆校正，提高差动助力转向技术的实际应用能力［31］。赵万忠等［32］设计一种力与位移耦合控制的前轮主动转向AFS系统，使其同时具有主动转向和电动助力转向功能，实现汽车安全性与灵活性的协调。范晶晶等［33］为全轮独立电驱动车辆提出一种双重转向的控制策略，设计开发了双重转向控制策略仿真平台，对减小车辆转向半径有明显效果。

上述研究主要基于单系统(动力学控制系统、驱动防滑系统、差动转向等)的控制技术，很少考虑各个控制系统之间相互影响和作用，缺乏对车辆系统运动的整体分析和集成控制。而四轮独立驱动电动汽车采用四轮独立驱动技术，车轮的驱动力可根据汽车行驶状态进行实时控制，真正实现汽车的“电子主动底盘”。

在这方面，国内外少数研究者对电动汽车的综合稳定性控制策略进行了探索性研究。Geng等［34］利用模糊逻辑建模方法的直接横摆力矩控制(DYC)实现轮式电动车辆状态观测，利用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型来逼近非线性车辆动力学局部线性模型。Canale等［35］利用主动差分和偏航率反馈方法实现车辆的偏航控制，采用二阶滑模控制算法(SOSM)来保证系统控制鲁棒性。Goodarzi等［36］采用模糊控制对主动前轮转向和主动制动进行集成控制。余卓平等［37］设计了最优控制理论的横摆力矩控制策略和适用于复杂工况的制动力分配策略。李刚等［38］提出了一种基于模型预测控制的、采用分层集成控制结构的集成控制算法，针对线控转向四轮独立驱动电动车的主动前轮转向(AFS)与DYC的集成控制问题，设计了模型预测控制器，并研究了基于二次规划的驱动力分配方法。

尽管四轮独立驱动电动汽车比传统汽车更具有底盘主动化、电子化的潜力和优势，但是目前对其稳定性协调控制策略研究较少，传统汽车在这方面的研究思路可供参考［39-43］。在协调控制过程中，也不断涌现出各种控制算法［44］。其中，控制分配算法CA近年来开始应用在汽车上［45-46］，该方法最早应用于航空器，主要用于解决多个执行器组合产生相同的控制指令，且执行器的数量大于被控状态量。在汽车底盘协调控制过程中，当执行器数量较少时可采用模糊逻辑实现，而当执行器数量较多时更适合采用控制分配方法［47］。

1.2 四轮转矩协调控制技术

四轮独立驱动电动汽车采用全新的驱动系统，其核心问题之一是如何分配四轮驱动力。通过转矩分配能够提高驱动电机的运行效率和汽车整车的动力性及经济性［7］。目前，国内外学者借鉴传统汽车在主动安全控制方面的思路和成果，通过各种不同的方法来实现整车的稳定性控制，但在如何进行驱动轮的协调以及控制何时介入等方面研究较少。

Ono等［48］以最小化轮胎路面附着利用率来分配各车轮的地面切向力，为汽车的稳定行驶保留了更多的附着余量，采用非线性最优分配方法来分配各轮目标驱动力。Yang等［49］则在考虑电机动力学特性的基础上提出电机的电流分配控制算法，以保证电动汽车在不同工况下的跟踪期望目标的能力。Wu等［50］针对两轮驱动电动车提出了两层控制结构，在电机控制层，电机控制器完成当前电动汽车运行状态所需要的转矩，而在转矩协调控制层，转矩协调控制器不仅协调多电机转矩，还研究了在电机控制饱和状态下，保持车体稳定性和转向性的控制方法。

张缓缓［51］从直线行驶、能量优化、操纵稳定性等方面研究了电动轮车的转矩协调控制技术。余卓平等［52］研究了四轮轮毅电机驱动电动汽车在直行时经济性改善的前后轮最优转矩分配控制方法。邹广才等［53］基于四轮独立驱动特点建立了侧重提高稳定性和侧重改善机动性的两种目标函数，基于模糊理论设计了以车辆质心侧偏角为变量的权重函数，并对约束优化两种目标函数得出的纵向力分配值进行实时动态调整。马雷等［54］分析了四轮驱动状态的耦合关系，并运用最优控制理论设计了驱动系统反馈控制器，通过调节驱动电机的电流来控制各轮纵向力以提高车辆操纵稳定性的策略。褚文博等［55］提出一种分布式驱动电动汽车驱动转矩协调控制方法，基于动力性和稳定性的控制目标实现多轮驱动转矩协调控制。

2 发展动态分析

通过对国内外研究现状分析发现，目前四轮独立驱动电动汽车控制技术主要集中在电动汽车行驶稳定性控制以及电动轮转矩协调控制方面。由于四轮驱动电动汽车尚未实现产业化，关于其操纵稳定性的主观评价方面的研究较少。虽然针对四轮驱动电动车的稳定性控制使得人们对电动汽车的主动安全控制有一定的认识，但是没有从整体性、相关性方面对各种控制技术之间的相互制约和相互影响进行深入研究，这会使得四轮独立驱动电动汽车在底盘控制方面的潜力发挥不出来，从而制约着四轮独立驱动电动汽车作为理想车辆的开发和产业化。因此，针对四轮独立驱动电动车的行驶稳定性控制研究需进一步探索，主要体现在以下几个方面:

2.1 控制技术之间的耦合关系

电动轮驱动系统取消了各驱动轮间的机械连接，为在相同动力需求下驱动力的优化分配提供了可能，但是由于各轮独立可控，增加了驱动轮的运动自由度，这就使得四轮驱动汽车控制技术之间出现相互耦合或者相互干扰的情况［56］。因此，有必要分析四轮独立驱动电动汽车各控制技术之间的耦合关系。

2.2 控制技术之间的协调控制策略

在分析各控制技术的特性和工作特点之后，需要根据此制定相应的稳定性协调控制策略。例如，由于差动助力转向是通过两侧转向驱动轮的驱动力差来实现主动转向，这就要求差动助力转向过程既要满足整车驱动力要求，又要满足主动转向角要求，消除两种主动控制系统之间的干涉和耦合［57］。因此，如何实现主动转向与驱动的协调控制就是其中需要考虑的问题之一。

2.3 考虑电机动态特性的转矩协调控制

作为控制的执行机构，电机的性能和控制方法显得尤为重要。目前，控制研究算法很少考虑不同电机之间的动态差异，其内部的不确定性(比如电机参数或故障部件等)可能会造成潜在危险。因此，有必要考虑电机的动态特性，研究其失效控制机制，以确保车辆安全行驶。另外，目前驱动力的分配算法一般都从提高车轮附着力的角度考虑，却忽视了系统的综合节能策略。因此，如何在满足控制目标的同时提高电动汽车的经济性也是需要研究的问题。

3 结论

从本质上讲，由于四轮独立驱动电动汽车四轮独立驱动的特点，其稳定性控制技术之间具有高度的相关性和动态性，而目前针对行驶稳定性控制的研究目标比较单一，对不同研究目标之间的相互关系很少考虑。鉴于上述问题，深入研究四轮毂独立驱动电动汽车的稳定性协调控制策略，分析面向主动安全的稳定性控制目标之间的相互关系，总结各控制子系统对整车稳定性的影响和适应的工作范围，并针对四轮驱动系统的特点，着重研究四轮毂电机的转矩协调与解耦控制方法，是四轮毂独立驱动电动汽车发展过程中的关键问题，对提高四轮独立驱动电动汽车主动安全及事故防控能力具有重要研究价值和社会意义。

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(责任编辑 刘敏)