鼓式制動(dòng)器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2022年1月25日訊 文中研究分布式后輪輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向控制特性。首先建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車輛動(dòng)力學(xué)模型，分析簡化的動(dòng)力學(xué)模型和非簡化動(dòng)力學(xué)模型在不同轉(zhuǎn)角和速度時(shí)的輸入輸出特性。將整車動(dòng)力學(xué)模型、兩個(gè)輪轂電機(jī)的機(jī)電特性模型集成起來，形成兩層三環(huán)節(jié)的控制。外層進(jìn)行行駛速度反饋控制，內(nèi)層進(jìn)行兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制，外層的總行駛速度經(jīng)過速度分配，作為內(nèi)層兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸入分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車輪的轉(zhuǎn)矩作為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入。最后對三種模型在兩種轉(zhuǎn)角變化工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行對比分析。關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；電動(dòng)汽車；PID 控制；直流電機(jī)；電子差速；轉(zhuǎn)向控制輪轂電機(jī)是將電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)集成在車輪上進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)的裝置，20 世紀(jì)60年代后期應(yīng)用于大型的礦用自卸車上。近幾年，隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，輪轂電機(jī)由于其控制靈活獨(dú)立、可以分別控制和協(xié)調(diào)各輪的運(yùn)動(dòng)，開始用于電動(dòng)汽車形成分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。這種驅(qū)動(dòng)形式的電動(dòng)汽車在結(jié)構(gòu)上去掉了汽車底盤中的機(jī)械差速和隨動(dòng)系統(tǒng)等傳動(dòng)裝置，大大簡化了汽車的結(jié)構(gòu)，降低了汽車的重量，是對傳統(tǒng)的集中驅(qū)動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)的較大革新，具有極大的應(yīng)用潛力，成為新型電動(dòng)汽車的研究熱點(diǎn)。目前的研究主要有輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種形式[1-2]，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接安裝在車輪中，不占用車身空間，對電機(jī)和輪轂的設(shè)計(jì)和電機(jī)的控制要求都較高。為提高汽車的操縱性能和穩(wěn)定性，需要針對當(dāng)前的行駛狀態(tài)和駕駛員的駕駛指令，精確快速地控制每個(gè)輪的速度和扭矩，因此電機(jī)機(jī)電特性、硬件的響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)向、加速、啟動(dòng)、剎車時(shí)的速度或者扭矩的分配[3-4]，都是要實(shí)時(shí)監(jiān)測或者協(xié)調(diào)控制的多個(gè)變量。目前成熟的技術(shù)主要用于低速緩慢的大型重載工程汽車和裝甲車上，研發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)是將分布式輪轂驅(qū)動(dòng)用于城市交通電動(dòng)汽車上。文獻(xiàn)[5]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于轉(zhuǎn)速分配及控制，可用于和學(xué)習(xí)樣本類似的車輛情況和路況。文獻(xiàn)[6]根據(jù)橫擺角速度、橫向加速度與參照速度的誤差值和后續(xù)的PI 控制環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配。文獻(xiàn)[7]根據(jù)橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角與參考值間的差值，采用滑?？刂苼碛?jì)算所需要的總橫擺力矩，優(yōu)化分配各個(gè)輪胎受力。目前的研究基本是在特定的車輛實(shí)例中針對某一個(gè)目標(biāo)，例如滑移率[8]、側(cè)向力[8]、橫擺角速度等，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配或者轉(zhuǎn)速分配來提高車輛操縱性和穩(wěn)定性，控制效果滿意。但控制模型及控制參數(shù)的調(diào)整，動(dòng)力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括電機(jī)的參數(shù)和選擇千差萬別，沒有通用的參照可以使用，而且很多研究只考慮車輛的動(dòng)力學(xué)，忽略電機(jī)本身的動(dòng)力學(xué)特性和車輛動(dòng)力學(xué)特性的耦合，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)看作是一個(gè)理想的完美驅(qū)動(dòng)單元[9]。本文在前期輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上[10-12]，首先分析整車動(dòng)力學(xué)模型，在整車動(dòng)力學(xué)模型上增加了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)電特性和車輛動(dòng)力學(xué)模型集成起來，針對后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特定車輛，在特定行駛速度下仿真分析轉(zhuǎn)向情況下的穩(wěn)定性控制特性。
1 輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)及整車動(dòng)力學(xué)模型
電動(dòng)汽車的可靠行駛和操控要求輪轂電機(jī)具有寬的調(diào)速范圍、足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕，制動(dòng)性能好，且具有能量回饋的特性。本文主要研究直流電機(jī)作為后輪驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)克服由于摩擦產(chǎn)生的阻力和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。對電機(jī)而言，車輪和地面的摩擦力形成的轉(zhuǎn)矩為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對車輛來說，這個(gè)與輪胎變形相關(guān)的摩擦力就是車輪前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，機(jī)電耦合的電磁轉(zhuǎn)矩方程、直流電機(jī)的電樞回路電壓平衡方程（電方程）如式（1）～式（3）所示：式中：Te 為電磁轉(zhuǎn)矩，與電樞電流ia(t)成正比；J 為車輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R 為車輪半徑；Ua( )t 為電樞電壓；w(t)為電機(jī)轉(zhuǎn)速；La，Ra 分別為電樞電路的電感和電阻；Fx 為車輪縱向摩擦力，當(dāng)車輪橫向力一定時(shí)，縱向力取決于車輪的滑轉(zhuǎn)率，在滑轉(zhuǎn)率很小時(shí)（對于干路面滑轉(zhuǎn)率小于 0.1），縱向力與滑轉(zhuǎn)率成正比[2]；Bm，Ke，Kt 分別為粘性摩擦系數(shù)、電勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，由電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)得出；i=1，2，3，4，表示汽車的4 個(gè)輪子，分別為左前輪、右前輪、左后輪和右后輪；νwi 為車輪轉(zhuǎn)速；νi 為車輪中心速度平行于車輪平面的分量；Cx 為車輪的縱向剛度。本文研究的是后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，2 個(gè)后輪輪轂上分別安裝2 個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用下，2 個(gè)后輪輪胎受到地面的縱向摩擦力。轉(zhuǎn)向時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)角及當(dāng)前的速度，在后輪上分配不同的速度和力矩，形成側(cè)向摩擦力，側(cè)向摩擦力和縱向摩擦力的合成轉(zhuǎn)矩完成汽車的轉(zhuǎn)彎。設(shè)x 軸為汽車的前進(jìn)方向（縱向），y 為與車身垂直的水平（橫向）方向，汽車行駛或者轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛中心具有縱向平動(dòng)（縱向速度為Vx）、橫向平動(dòng)（橫向速度為Vy）和在地平面中繞z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（橫擺角速度為ω）三個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)，考慮車身受到的空氣阻力，可得到以下縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組[13]：式中：δ 為前輪轉(zhuǎn)向角；A 為車輛質(zhì)心到前軸的距離；B 為車輛質(zhì)心到后軸的距離；W 為左右輪距；M 為車輛質(zhì)量；J 為車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在縱向運(yùn)動(dòng)方向上考慮空氣的阻力，與空氣阻力相關(guān)的參數(shù)分別為空氣阻力系數(shù)CD，車輛正面迎風(fēng)面積A，空氣密度ρ。每個(gè)車輪的中心沿著車輪縱向的速度由式（7）計(jì)算，由于車輪的側(cè)向彈性形變，車輪中心速度與車輪平面成一夾角，形成車輪的側(cè)偏角αi，具體計(jì)算如下：當(dāng)車輪側(cè)偏角較小時(shí)輪胎側(cè)偏特性處于線性區(qū)，車輪受到的垂直方向的力一定時(shí)，側(cè)向力Fyi 與側(cè)偏角成正比[14]，比例系數(shù)Cy 為車輪的側(cè)偏剛度，本文取輪胎摩擦公式的線性段的斜率值。一般文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，為了降低計(jì)算難度，通常忽略橫向加速度和縱向加速度的耦合作用。從公式本身來看，如果轉(zhuǎn)角和線速度都比較小時(shí)，簡化模型可以近似反映運(yùn)動(dòng)情況，引起的誤差比較小，但是當(dāng)轉(zhuǎn)角或者速度較大時(shí)，簡化模型就會產(chǎn)生較大的誤差。如果忽略這種耦合，對直線行駛沒有什么影響，但在有轉(zhuǎn)彎的狀況下，轉(zhuǎn)角越大速度越大，誤差越大。分別對轉(zhuǎn)角為0.2 rad 和0.02 rad，車輛質(zhì)心線速度為5 m/s 和20 m/s形成的四種行駛狀況，以及雙移線行駛狀況共五種狀態(tài)定量分析簡化模型和非簡化模型的動(dòng)力學(xué)特性，求解結(jié)果前三種工況組合下左后輪的縱向驅(qū)動(dòng)力Fx3，如圖1所示。圖1 兩種模型的后輪縱向驅(qū)動(dòng)力比較
由圖1 可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)角很小δ=0.02 rad，行駛速度很小v=5 m/s 時(shí)，兩種模型的縱向驅(qū)動(dòng)力差別很小，簡化模型作為力學(xué)模型引起的誤差很小，可以忽略。當(dāng)速度增加到20 m/s 時(shí)，簡化模型的縱向驅(qū)動(dòng)力為200 N 以上（SimpleD002V20），而非簡化模型的縱向力需要600 N以上（DetailD002V20），增加了2 倍，轉(zhuǎn)向和縱向運(yùn)動(dòng)的耦合不容忽視。繼續(xù)觀察δ=0.2 rad 時(shí)，v=5 m/s 和v=20 m /s 時(shí) 的 曲 線（SimpleD02V20 和 DetailD02V20，SimpleD02V5 和 DetailD02V5），可以看出隨著轉(zhuǎn)角 δ 和速度v 的增加，簡化模型和詳細(xì)模型中縱向驅(qū)動(dòng)力的差別也會增大；圖1b）的雙移線運(yùn)動(dòng)狀況是速度不變、轉(zhuǎn)角進(jìn)行兩個(gè)周期的正弦變化時(shí)的縱向驅(qū)動(dòng)力結(jié)果，可以看出，縱向驅(qū)動(dòng)力的差別也是隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大。模型的橫向驅(qū)動(dòng)力和側(cè)偏角也是隨著轉(zhuǎn)角和速度的增大而增大。圖2 為側(cè)向加速度的比較，可以看出，行駛速度較大時(shí)，兩種模型的橫向加速度是有一定的相位差的，即在正弦變化的轉(zhuǎn)角輸入中，兩種模型達(dá)到最大橫向加速度的時(shí)間不同。由此可見，在轉(zhuǎn)角較大、速度較大時(shí)，簡化模型已經(jīng)不能準(zhǔn)確及時(shí)地反映行駛的動(dòng)力學(xué)特性，因此本研究在后續(xù)的控制模型中采用反映橫向運(yùn)動(dòng)和橫擺角速度耦合的詳細(xì)模型。整體動(dòng)力學(xué)及控制模型如圖3 所示，圖中整車動(dòng)力學(xué)模型封裝為子模型。圖3 整車動(dòng)力學(xué)及后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩層三環(huán)節(jié)控制模型
在詳細(xì)動(dòng)力學(xué)模型中，給總體行駛速度加上速度反饋及PI 控制，形成第一層外環(huán)的速度控制，再把兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制模型集成到整個(gè)模型的車輪部分中，把后輪3 和后輪4 的車輪速度和車輪負(fù)載分別作為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型的輸入，根據(jù)設(shè)定的速度和轉(zhuǎn)角，采用Ackermann 模型進(jìn)行兩個(gè)后輪的速度分配，形成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度參考，每個(gè)電機(jī)的輪速反饋和PI 控制形成第二層內(nèi)環(huán)的兩個(gè)控制環(huán)節(jié)，形成后輪輪轂驅(qū)動(dòng)的整體電動(dòng)汽車控制模型。車輛的主要參數(shù)及根據(jù)車輛要求設(shè)計(jì)的直流電機(jī)主要參數(shù)為：M=1 500；A=1.6；B=1.4；W=1.6；J=3 375；R=0.3；Ke=4.5；Kt=43；La=0.012；Ra=1.2；Bm=0.005，控制參數(shù)根據(jù)模型進(jìn)行整定和優(yōu)化。仿真分析中對三種控制模型進(jìn)行對比：第一種是沒有速度反饋的原始模型；第二種是只加一層速度反饋而沒有集成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為一個(gè)理想的驅(qū)動(dòng)單元；第三種則是本文具有兩層反饋三個(gè)控制環(huán)節(jié)的模型（見圖3）。在后續(xù)的仿真分析對比中，第二種只有一層PID 控制的數(shù)據(jù)標(biāo)記為with PID，第三種集成車輛模型和電機(jī)模型的數(shù)據(jù)標(biāo)記為with PID and Motor，剩下的數(shù)據(jù)為沒有速度反饋環(huán)節(jié)的第一種原始模型。仿真分析中的汽車穩(wěn)定性系數(shù)Kus 由回歸得出，側(cè)向剛度和縱向剛度取輪胎魔術(shù)公式中的斜率部分，路況為干性平坦路面。本文主要分析轉(zhuǎn)彎時(shí)的控制，工況為行駛速度恒定下的兩次變道雙移線，速度設(shè)為v=20 m/s=72 km/h。轉(zhuǎn)角變化分析兩種情況：第一種是轉(zhuǎn)角突然階躍變化左-右-直-右-左，實(shí)現(xiàn)兩次變道；第二種是把階躍變換調(diào)整為相同頻率的正弦變化，峰值為7°，頻率為0.5，兩個(gè)正弦波之間隔1.5 個(gè)周期，即直行1.5 個(gè)周期，兩種輸入狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角如圖4 所示。圖5 和圖6 分別顯示兩種輸入模式下三種模型的后輪驅(qū)動(dòng)力和橫向加速度曲線對比?？梢钥闯?，對于表示突然轉(zhuǎn)向的階躍輸入，會引起加速度響應(yīng)的突然變化，驅(qū)動(dòng)力變化曲線不平穩(wěn)，有突然變化的尖角，導(dǎo)致側(cè)向不穩(wěn)定；調(diào)整成為正弦變化雙移線后消除了曲線尖角，驅(qū)動(dòng)力曲線平緩很多，幅值也有較大程度的下降，車輛的穩(wěn)定程度有明顯的提高，這和一般的駕駛體驗(yàn)相符，說明控制模型能正確模擬實(shí)際的狀況。第三種模型和第一種模型的側(cè)向加速度幅值比第二種模型小點(diǎn)，但是第一種模型因?yàn)闆]有反饋環(huán)節(jié)，因而無法跟蹤參照速度，導(dǎo)致縱向速度略微降低，穩(wěn)態(tài)誤差加大，即犧牲一部分縱向速度，達(dá)到減少側(cè)向加速度的目的。綜合比較，第三種模型縱向速度始終跟隨參照速度，同時(shí)側(cè)向加速度也比其他模型小，因此轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性較好。
圖4 轉(zhuǎn)角輸入階躍變化和調(diào)整后的正弦變化
圖5 轉(zhuǎn)角階躍和正弦響應(yīng)的后輪驅(qū)動(dòng)力
圖6 轉(zhuǎn)角階躍和正弦響應(yīng)的側(cè)向加速度
圖7 顯示了三種模型兩種輸入的雙移線軌跡。首先比較正弦調(diào)整的轉(zhuǎn)角輸入和階躍變化工況，由于正弦轉(zhuǎn)角變化相對減緩且數(shù)值偏小，導(dǎo)致橫向加速度變小進(jìn)而橫向速度變小，因而y 方向的位移相應(yīng)減少；對于有PID 和電機(jī)模型的兩層三控制環(huán)節(jié)模型，由于行駛速度和單個(gè)輪速的及時(shí)反饋和補(bǔ)償，縱向速度和橫向速度都能跟蹤參照速度，不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向能夠得到及時(shí)控制，因而y 方向的位移是三個(gè)模型中最大的，也就是說，達(dá)到相同的y 方向位移的參照速度可以降低；對于只有外層控制環(huán)節(jié)的第二種模型，由于不能及時(shí)調(diào)整兩個(gè)輪子的速度，同樣輸入情況下會出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足的情況。圖7 轉(zhuǎn)角階躍和正弦響應(yīng)的行駛軌跡
本文建立并集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型和整車動(dòng)力學(xué)模型，形成后輪驅(qū)動(dòng)整車控制模型。考慮通常的忽略橫向加速度和縱向加速度的耦合作用，量化分析簡化模型和非簡化模型在不同轉(zhuǎn)角和速度時(shí)的輸入輸出特性，認(rèn)為在轉(zhuǎn)角和速度較大時(shí)，簡化模型不能準(zhǔn)確及時(shí)地進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制，因此本文采用反映橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)耦合的詳細(xì)模型。在控制框架中，輪速和與輪速相關(guān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為機(jī)電模型的輸入，外層進(jìn)行總行駛速度反饋控制，內(nèi)層進(jìn)行兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制，形成一個(gè)兩層三環(huán)節(jié)的控制模型，外層的總行駛速度經(jīng)過內(nèi)外輪的速度分配即電子差速，作為內(nèi)層兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸入分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。最后對三種模型在兩種轉(zhuǎn)角變化工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了該控制方法可以達(dá)到預(yù)期的效果。
[1]李以農(nóng)，楊陽.電動(dòng)汽車底盤一體化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望[J].世界科技研究與發(fā)展，2016，38（3）：481-491.[2]楊世春.電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：24-25.[3]徐寅，陳東.電動(dòng)汽車差速系統(tǒng)研究綜述[J].中國機(jī)械工程，2011，22（4）：498-503.[4]袁儀，陳世元，劉耀閣.電動(dòng)汽車電子轉(zhuǎn)彎差速的解決方案綜述[J].上海汽車，2009（3）：2-5.[5]唐文武，陳世元，郭建龍.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)車電子差速器設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2007，29（5）：437-440.[6]OSBORNA R，SHIMB T.Independent control of all-wheeldrive torque distribution [J].Vehicle system dynamics，2006，44（7）：529-546.[7]余卓平，姜煒，張立軍.四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車扭矩分配控制[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（8）：1115-1119.[8]葛英輝，倪光正.新的輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車電子差速控制算法的研究[J].汽車工程，2005，27（3）：340-343.[9]KAROGAL I，AYALEW B.Independent torque distribution strategies for vehicle stability control [R].Detroit：Sae World Congress ＆ Exhibition，2009.[10]史秀梅，鄭壽森，祁新梅，等.三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)電磁場有限元分析[J].微特電機(jī)，2009（12）：35-37.[11]熊俊峰，鄭壽森，祁新梅，等.電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與研究[J].電力電子技術(shù)，2009（7）：42-44.[12]史秀梅，鄭壽森，祁新梅，等.電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)有限元分析及仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23（7）：1374-1377.[13]王強(qiáng)，王耘，宋小文.基于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的電子差速控制方法研究[J].機(jī)電工程，2011，28（6）：698-703.[14]韋競秋.汽車工程應(yīng)用力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：17-18.[15]余卓平，趙治國，陳慧.主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向?qū)囕v操縱穩(wěn)定性能的影響[J].中國機(jī)械工程，2005，16（7）：652-657.
