四轮独立电驱动车辆单轮驱动防滑控制试验研究

黄冠富，　冯付勇，　叶　辉

(中国北方车辆研究所，北京 100072)



四轮独立电驱动车辆单轮驱动防滑控制试验研究

黄冠富，冯付勇，叶辉

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

当四轮独立电驱动车辆单轮进入滑转工况时，车辆出现非期望的横摆扭矩，进入非稳定状况.针对此问题，提出了控制滑转车轮进入最优滑转率、并保证车辆行驶稳定性的驱动防滑控制方法.样车试验结果表明，所提出的控制方法能有效地达到预期控制目标，提高了车辆的稳定性并在一定程度上保证车辆行驶的动力性.

四轮独立电驱动车辆；扭矩控制；横摆扭矩

四轮独立电驱动车辆每个轮胎均有一个独立的电机驱动，国内外有很多针对四轮独立电驱动车辆动力学研究，也有研究用四轮独立电驱动车辆驱动力控制来提高车辆机动性方面的研究，比如双重转向控制研究[1].对于防滑驱动研究也有很多，比如采用经典滑模控制方法对滑转驱动车轮进行控制，也有采用自适应驱动防滑控制[2].驱动力分配研究中有制定了动力性和稳定性融合的驱动分配方法[3],也有保持车辆行驶稳定性的直接横摆扭矩研究[4].

本研究采用PID控制方法，以改善车辆动力性和稳定性为目标，分别设计了基于动力性和稳定性的驱动防滑控制策略，改善车辆动力性即采用减少打滑车轮驱动力达到控制滑转率的目的，改善稳定性则为减少打滑车轮驱动力同时重新分配扭矩保证驱动力需求和保证车辆横摆稳定性.最后通过样车试验验证该控制策略的效果，进一步证明四轮独立电驱动车辆具有的行驶稳定性.

1　驱动防滑控制技术

如图1所示，单轮驱动防滑层分为单轮防滑控制和驱动力协调分配.单轮防滑控制输入为车速计算器获得的纵向车速信号vx和电机控制器获取的电机转速信号ni(i=1,2,3,4).由主减速器传动比可获得车辆车轮转速值ωi(i=1,2,3,4).通过车速信号和车轮转速信号判断该车轮是否进入滑转状态.当车轮转速超过一定阈值则单轮防滑控制介入，通过PID控制器减少该轮的电机输出扭矩ΔTi(i=1,2,3,4).驱动力协调分配层输入为每个车轮扭矩Ti(i=1,2,3,4)和扭矩减少量ΔTi(i=1,2,3,4)，输出为协调分配后的电机扭矩Tcomi(i=1,2,3,4).

图1　驱动防滑结构框图

1.1单轮驱动防滑控制

单轮驱动防滑控制分两部分，分别为驱动车轮滑转状态判断和PI控制器.当驱动车轮不发生滑转时，滑转率PI控制器并不进行驱动扭矩重新分配，最终输出的电机驱动力为驱动力分配层扭矩控制命令Ti(i=1,2,3,4).当驱动车轮发生滑转后，控制策略根据驱动车轮滑转状态判断是否进入驱动防滑控制，并对驱动电机扭矩进行重新分配.进入驱动防滑控制策略的目标是将滑转的驱动车轮实际滑转率控制到最优滑转率.

1)滑转状态判断.

(1)

式中：ni为电机转速；R车轮半径；ig为主减速器传动比.

图2为驱动防滑判断流程图.为避免在车轮转速较低时由于计算误差较大而导致驱动车轮滑转状态频繁切换，所以用参考车速是否大于阈值来进行判断并决定驱动车轮是否处于滑转状态.当车速小于1 km/h时，阈值设为vx_threshold=1.5km/h；当车速大于1 km/h时，阈值设为vx_threshold=1.2vx+0.3.当参考车速大于阈值时，则进入驱动防滑控制.

图2　驱动防滑判断流程图

2)滑转率PI控制器.

滑转率PI控制器以驱动车轮的最优滑转率为控制目标，通过控制滑转车轮的驱动电机输出扭矩，将滑转的驱动车轮实际滑转率控制到最优滑转率.由经验可知，一般车辆在公路行驶时的最优滑转率为λ=1.2，因此把1.2vx作为参考车速的控制目标.

(2)

式中：KP为比例项系数；KI为积分项系数.

在确定参考车速和控制目标车速偏差值之后，必须确定PI控制器的扭矩差初始值，由此计算每一时刻的扭矩差.由式(2)得，输出控制扭矩差的初值为

ΔTi_0=KP·s0+KI·s0.

(3)

式中：s0为积分项初值.

当KP、KI均为常数时，滑转率PI控制器初值取决于PI控制器的积分项初始值s0.根据驱动防滑控制的进入退出机制，当驱动防滑控制的初始时刻Δvx=0时，驱动扭矩差初始值ΔTi_0=0.

1.2驱动力协调分配

由滑转率PI控制器输出的是扭矩减少量ΔTi(i=1,2,3,4)，对于只有一个轮胎打滑的情况，ΔTi(i=1,2,3,4)只有一个值.当驱动车轮发生打滑时，滑转率上升，驱动车轮的侧向附着力下降，产生非预期的横摆扭矩，这时会导致车辆出现侧滑现象，严重影响了整车的运动稳定性.因此，在驱动防滑控制中除了减少该车轮的输出扭矩，还应控制横摆扭矩，使车辆稳定可靠.

基于以上分析，制定了两种协调分配方法，一种是基于动力性的单轮驱动防滑控制方法，该方法除了能保证期望的横摆扭矩外，还能保证整车总的驱动力需求；另外一种是基于稳定性的单轮驱动防滑控制方法，该方法能保证期望的横摆扭矩，会降低整车总驱动力需求，但是没有增加其他车轮的驱动力，因此在滑转状态下更稳定可靠.

表1为右前轮打滑时四轮协调分配情况.1)采用动力性控制方法.当右前轮滑转时，减少右前轮扭矩同时同等增加右后轮输出扭矩，保证总驱动力需求和横摆扭矩不变.2)采用稳定性控制方法.当右前轮滑转时，减少右前轮扭矩同时同等减少左前轮输出扭矩，横摆扭矩不变.

表1　右前轮打滑时驱动力协调分配

2　驱动防滑试验测试

为验证独立电驱动车轮驱动防滑控制算法的效果，针对动力性和稳定性算法，分别设计了两种单轮驱动防滑试验方案.

试验步骤如下：冬天在平坦的水泥路面浇水形成长度约为20 m、宽度为2 m、厚为5 mm均匀冰路面.驾驶员驾驶四轮独立电驱动车辆，使车辆的右侧车轮进入冰路面，而左侧车轮则保持在高附着系数路面上行驶.驾驶员低速驶入，并加速通过，加速过程中尽量保持油门踏板开度.

由于右后轮也进入冰路面，同时也会产生滑转，因此为了排除干扰只验证右前轮控制效果.试验中采用前驱的方式进行，则驱动力分配变为表2所示的情况.

表2　试验中驱动力协调分配

2.1单轮防滑驱动动力性控制试验

车辆采用前轮驱动，如右前轮出现滑转现象，那么应控制右前轮输出扭矩，保证右前轮不滑转.基于动力性的驱动防滑控制，除了控制右前轮不滑转，还要保证整车的驱动需求.本试验中车辆采用前驱方式，右前轮在滑转时扭矩会迅速下降，为了保证整车的驱动要求，应同等量增加右后轮扭矩.由于为前驱，所以右后轮扭矩未增加.图3为单轮驱动防滑动力性控制试验结果.

如图3(a)所示，在840.7 s时右前轮转速超过阈值，驱动防滑控制介入；如图3(b)所示，采用动力性的驱动防滑控制后，右前轮的扭矩下降，左前轮的扭矩保持需求的扭矩，到841.2 s后，右前轮处于最优滑转率，扭矩逐步增加，最终和左前轮扭矩一致；如图3(c)所示，未受控时，左右前轮扭矩不变化，右轮胎打滑将会更严重.

图3　单轮防滑驱动动力性控制试验结果

2.2单轮防滑驱动稳定性控制试验

采用稳定性的驱动防滑控制，除了保证右前轮不滑转，同时要确保车辆横摆扭矩为0，保证车辆横向稳定性.因此对于前轮驱动车辆，应该同等减少左前轮扭矩，以保证横摆扭矩为0.图4为单轮驱动防滑稳定性控制试验结果.

如图4(a)所示，在217.7 s右前轮转速超过阈值，驱动防滑控制介入；如图4(b)所示，采用稳定性驱动防滑控制后，左右前轮的扭矩同时下降，到218.5 s后，右前轮处于最优滑转率，扭矩逐步恢复；如图4(c)所示，未受控时，左右前轮扭矩不变化，右轮胎打滑将会更严重.

图4　单轮防滑驱动稳定性控制试验结果

2.3对比分析

为了能清晰录下右前轮滑转到进入驱动防滑控制的过程，将阈值放开的比较大、PI控制参数KP也比较大.因此可以看出，驱动防滑介入较晚，控制精度较差.但是能得出以下结论：基于动力性的驱动防滑控制能有效控制车轮打滑，并保证一定的动力；基于稳定性的驱动防滑控制能有效控制车轮打滑，并保证车辆横向稳定.

3　结　论

1)采用PI控制器的驱动防滑方法能够将车轮的滑转率控制在最优的滑转率附近，改善了车辆在低附着路面上的驱动能力.

2)基于单轮防滑驱动动力性控制方法能保证车辆不打滑，并保证行驶的动力性.

3)基于单轮防滑驱动稳定性控制方法能保证车辆不打滑并保证车辆行驶安全与稳定.

[1]Huang Guanfu, Luo Yugong, Fan Jingjing, Xiao Lei. Optimization Design of The Dual-Steering Control System for All-Wheel Independent Electric Drive Vehicle-[C]. Internation Conference on Electric Information & Control Engineering, 2011: 5170-5175.

[2]张利鹏, 李亮, 祁炳楠, 等. 分布式驱动电动汽车转矩自适应驱动防滑控制[J]. 机械工程学报, 2013, 49 (14): 106-113.

[3]褚文博. 分布式电驱动车辆动力学状态参数观测及驱动力协调控制[博士学位论文]. 北京: 清华大学, 2013.

[4]Eongmin Kim, Hyunsoo Kim. Electric Vehicle Yaw Rate Control using Independent In-Wheel Motor [C]. Power Conversion Conference-Nagoya, 2007:705-710.

Research on Single Wheel Acceleration Slip Control and Experimentof Four-Wheeled Independent Electric Drive Vehicle

HUANG Guan-fu，FENG Fu-yong，YE Hui

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072， China)

When four-wheeled independent electric drive vehicle enters the working mode of acceleration slip regulation， the undesired yaw moment will occur and the vehicle will be in an unstabilized mode. In order to controll the slip wheel to follow the optimal slip ratio and ensure driving stability， a driving torque coordination control strategie is proposed. The test results show that the driving torque control strategie can achieve the desired objective of enhanceing vehicle driving stability as well as ensureing the vehicle’s driving impetus power.

four-wheeled independent electric drive vehicle；torque control；yaw moment

1009-4687(2016)03-0013-03

2016-03-02.

黄冠富(1985-),男,工程师，研究方向为混合动力整车控制技术.

U461.6;U469.79

A