分布式电驱动车辆电子差速控制算法研究

2022-04-22 01:51:36黄玲

客车技术与研究 2022年2期

黄玲

(厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门 361023)

相比于集中式驱动系统的机械差速功能，电子差速功能具有传动效率高、控制灵活等特点。电子差速控制主要用于分布式驱动系统，其算法对于差速功能有重要影响。本文提出一种分布式电驱动车辆电子差速控制算法，该算法以滑转率为控制目标，当驱动轮滑转率小于设定阈值时，基于垂向载荷进行左右电机的转矩分配；当驱动轮滑转率大于设定阈值时，基于滑模控制以设定阈值为目标进行电子差速控制，从而提升车辆在特殊工况下的操控稳定性。

1 电子差速控制算法

1.1 电子差速控制算法架构

首先，根据当前车速和加速踏板开度获得总转矩需求，再根据方向盘转角进行运动状态分析，结合车辆状态进行驱动转矩预分配，然后结合驱动轮滑转率大小，判断是否切换进入驱动防滑控制。若不满足切换条件，直接将转矩预分配结果输出到电机端；若满足切换条件，则驱动防滑控制进入滑模控制模式。电子差速控制算法架构如图1所示。

图1 电子差速控制算法架构

1.2 整车总需求转矩

在获取整车总需求转矩时，首先按照驾驶员输入的加速踏板开度和当前车速定义几个特殊工况(车辆蠕行、大加速和最高车速等)，通过MATLAB/Simulink软件离线仿真确定这几个特殊工况的需求转矩值，其余工况需求的转矩值根据驾驶员的实际感受或经验进行调整，从而得到驱动转矩需求数据表格。根据表格数据通过MATLAB/Simulink软件绘制整车总需求转矩与加速踏板开度和车速的关系曲面，如图2所示。

图2 整车驱动总转矩曲面

然后在MATLAB/Simulink软件的查表模块中，设置线性查表方式，可求得任意加速踏板开度和车速两个输入值对应的整车总需求转矩。

1.3 车辆转向状态分析

本文在理想阿克曼转向模型的基础上，考虑地面因素、载荷转移以及轮胎侧偏的影响，得到修正后的车辆转向模型，如图3所示。图中和分别为前轴内、外转向轮的侧偏角，为后轮侧偏角。

图3 修正后车辆转向模型

若设′=为转弯半径，则质心处速度=，其中为横摆角速度。由于(质心车速与车辆纵轴的夹角)很小，cos≈1，′≈，故有式(1)关系：

=arctan()≈≈

(1)

假设车辆左转弯，则前轴内外车轮的转向角和前、后轮侧偏角如式(2)：

(2)

利用修正后的转向模型，以车辆质心速度为参考，计算两驱动轮绕转向中心的线速度，如式(3)：

(3)

当车辆转弯时，受离心力的影响，会使轮荷发生转移，影响驱动轮的滑转率。其离心力的计算为

=(+)

(4)

客车一般为后轮驱动，后驱轮胎的垂直载荷分别为

(5)

式中:为车辆质心高度。

1.4 驱动电机转矩预分配

车辆入弯时，左右驱动轮垂向载荷会发生转移，而地面纵向驱动力与垂向载荷成正相关。本文依据式(5)对左右轮的驱动转矩进行预分配，如式(6)：

(6)

式中：、分别为左、右驱动轮转矩；为整车总需求转矩，通过1.2节获得；rl(rl+rr)和rr(rl+rr)分别为左、右驱动轮转矩分配系数，通过式(5)获得。

1.5 驱动轮滑转率计算

设置滑转率阈值，当实际滑转率>时，判断驱动轮发生滑转，进入驱动防滑控制，驱动转矩控制算法按1.6节进行；当实际滑转率≤时，判断驱动轮正常，此时按照式(6)预分配扭矩值进行左右驱动轮扭矩分配。

根据驾驶员的转矩需求和前轮转角输入，再结合路面状况及驱动轮偏转角变化率，采用比例控制来估算左右驱动轮在转向过程中的目标滑转率，再基于滑模控制对驱动轮独立分配转矩。

当轮胎在线性区域内进行中性转向时(即稳定性因素=0)，其偏转角的变化率Δ估算如下：

Δ=(+)

(7)

由偏转运动决定的左、右驱动轮滑转率差值Δ，采用比例控制可以得到快速的控制响应。

Δ=(-Δ)=[-(+)]

(8)

式中：为比例系数。

(9)

1.6 驱动防滑扭矩控制算法

本文采用滑模控制算法进行目标滑转率跟随时，选取滑模控制系统中误差为0的平面为控制跟踪的目标平面，选取切换函数为

(10)

(11)

式中:代表趋近速度；为指数趋近率的斜率系数；为切换函数。>0时，符号函数sgn()=1；=0时，sgn()=0；<0，sgn()=-1。

对切换函数公式(10)求时间导数得：

(12)

联合式(11)和式(12)，有

(13)

当车辆处于驱动工况时，车轮的滑转率定义为

=(-)

(14)

对上式求导得：

(15)

则上述受控系统可表示为

(16)

其中式1是纵向动力学平衡方程，式2是轮胎动力学方程。

联立式(13)、(16)可得滑转率控制器的控制转矩输入：

(17)

式中：为轮胎转动惯量；为空气阻力系数；为车辆迎风面积；为空气密度；为轮胎所受垂向力；()为路面附着系数。

2 仿真结果及分析

为了验证本文控制策略在车辆处于低附路面下的操稳性控制效果，以某12 m分布式电驱动城市客车为研究对象，在低附冰雪路面(最优滑转率=006，峰值路面附着系数=019)上，采用MATLAB/Simulink进行蛇形绕桩工况动力学建模和仿真分析。

整车相关参数：整车质量=13 500 kg，轮胎滚动半径=0.465 m，轮胎转动惯量=9.9 kg·m，整车绕轴的转动惯量=157 739 kg·m，车辆质心位置到前、后轴的距离=4.216 m、=1.884 m，车辆质心高度=0.964 m，前、后轮距=2.057 m、=1.91 m，轮胎侧偏刚度值==105 000 N/rad。

设定仿真时长为20 s，车速为36 km/h，加速踏板开度为100%，初始时刻前轮转角为0，最大转角为10°(0.174 rad)。仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，当车辆刚驶入低附冰雪路面时，前轮转角开始以正弦波的形式变化，由于车辆以100%加速踏板开度驱动，在0 s时刻，左右驱动轮驱动扭矩均达到最大值(650 N·m)，滑转率迅速接近1，出现严重的打滑现象，随后激活驱动防滑功能。在经过短时间(小于0.1 s)的震荡调节后，左右轮驱动扭矩迅速收敛，实际滑转率也趋于稳定，且跟随目标滑转率。由于本文驱动防滑控制兼顾了车辆的稳定性，所以在进行驱动防滑控制的过程中，车辆的质心侧偏角和横摆角速度能够控制在较小的范围内变化，且实际横摆角速度能较好地反映驾员的转向意图(横摆角速度变化趋势同前轮转角变化趋势一致)，从而保证了车辆的操控稳定性，同时实现电子差速控制。