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2 0 1 3年 第 3 5卷 第 1 0期 汽车工程 A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 V o 1 . 3 5 N o . 1 0 四轮轮毂电机驱动电动汽车电机/ 液压系统联合控制策略 术 杨 鹏飞 , 熊 1 .同济大学汽车学院, 上海2 0 1 8 0 4 ; 璐 , 余卓平 2 .新能源汽车工程 中心 , 上海2 0 1 8 0 4 2 01 31 7 5 [ 摘要] 针对 四轮轮毂驱动电动汽车, 以改善车辆稳定性为 目标 , 设计了轮毂电机与液压制动系统联合控制 策略。控制器采用分层控制结构, 上层应用滑模变结构理论求取广义力, 下层采用二次规划法进行转矩优化分配, 同时考虑执行器的位置与速度约束。通过 C A R S I M软件与 M A T L A B软件的联合仿真进行算法验证。结果表明 在 极限工况下, 无控制或仅有电机控制的车辆都无法完成仿真工况, 而电机系统与液压系统联合的控制策略则可以保 证 车辆的操纵稳定性 。 关键词 电动汽车; 操纵稳定性 ; 控 制策略; 转矩分配; 执行器 Mo t o r/ Hy d r a u l i c S y s t e ms Co mb i n e d Co n t r o l S t r a t e g y f o r Fo u r I n . wh e e l Mo t o r Dr i v e n El e c t r i c Ve h i c l e Ya ng Pe ng f e i .Xi o ng Lu & Yu Zh uo pi ng 1 . S c h o o l o fA u t o m o t i v e S t u d i e s ,T o n g fi U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ; 2 . C l e a n E n e r g y A u t o mo t i v e E n g inee r i n g C e n t e r , S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 [ A b s t r a c t ] Wi t h i m p r o v i n g v e h i c l e s t a b i l i t y a s o b j e c t i v e , a n i n - w h e e l m o t o r s /h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m C O B b i n e d c o n t r o l s t r a t e g y i s d e s i g n e d f o r f o u r - wh e e l mo t o r d r i v e n v e h i c l e s .T h e c o n t r o l l e r a d o p t s l a y e r e d c o n t r o l s t r u c - t ur et h e u p pe r l a y e r a pp l i e s s l i di n g mo d e v a r i a b l e s t r u c t u r e t h e o r y t o o b t a i n t h e g e ne r a l i z e d f o r c e,wh i l e t h e l o we r l a y e r u s e s q u a d r a t i c p r o g r a mmi n g me t h o d t o o p t i mi z e t o r q u e d i s t r i b u t i o n,wi t h c o n s i d e r a t i o n o f t h e p o s i t i o n a n d s pe e d c o n s t r a i n t s o f a c t ua t o r s .A CARSI M / MATLAB C O s i mu l a t i o n i s c o n d u c t e d for a l g o r i t h m v e r i f i c a t i o n.Th e r e - s u h s s h o w t h a t u n d e r c r i t i c a l c o n d i t i o n s ,v e h i c l e s wi t h o u t c o n t r o l o r c o n t r o l l e d o n l y w i t h i n wh e e l mo t o r s c a n n o t c o mp l e t e t h e s i mu l a t e d o p e r a t i o n,wh i l e t h e v e hi c l e wi t h i n wh e e l mo t o r/ h y dr a u l i c br a k e s y s t e m c o mb i n e d - c o n t r o l s t r a t e g y c a n a s s u r e t h e h a n d l i n g s t a b i l i t y o f v e h i c l e . Ke y wo r dse l e c t r i c v e h i c l e;ha n dl i ng s t ab i l i t y;c o nt r o l s t r a t e g y;t o r q ue di s t r i b ut i o n;a c t u at o r s 日 Ij舌 目前 四轮轮毂驱 动电动汽车 由于其在布置 、 整 车控制和节能等方面的优势 , 已经成为新能源汽车 的研究热点。国内外研究人员利用其各个车轮独立 可控的特点对车辆稳定性控制开展 了大量 的研究 。 文献 [ 1 ] 中设计 了前馈与反馈联合的线性运动跟踪 控制器 , 控制器的效果依赖质心侧偏角的估计精度 。 文献[ 2 ] 中在对侧偏 刚度进行辨识 的基础上 , 设计 了输入输 出线性化运动跟踪控制器。文献 [ 3 ] 中研 究了多级 P I D控制 的车辆稳定性控制策 略, 采用质 心侧偏角和横摆角速度的联合控制 , 但未对状态参 数的辨识进行分析 。显 然 , 车辆在极限工况下的强 非线性使线性控制方法不再适用 , 同时为避免复杂 的非线性系统建模 , 本文中采用滑模变结构理论 , 设 计了非线性运动跟踪控制器 。 四轮轮毂驱动电动汽车稳定性控 制中, 由于执 行器个数的增加而带来了控制冗余问题。文献[ 4 ] 中在考虑载荷转移 的条件下 , 提出用二次函数求极 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 2 0 1 1 C B 7 1 1 2 0 0 和国家自然科学基金 5 1 1 0 5 2 7 8 资助。 原稿收到 日期为 2 0 1 2年 1 1月2 3日, 修改稿收到日期为2 0 1 3年3月 1 4日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 1 0期 值的方法进行底层转矩分配。文献 [ 5 ] 中利用控制 分配理论将其转化为优化 问题求解 , 它计及 执行器 的静态约束条件和路面约束 , 但未考虑执行器的动 态特性。将轮毂 电机系统作为控制分配的执行器 , 不仅要考虑电机 自身的约束, 还应考虑电机控制器 和整车通信等的影响。通过前期研究得知, 目前轮 毂电机在高转速时 的峰值转矩较低 J , 无法满足其 稳定性控制的转矩需求 。在传统车辆 中应用成熟的 E S P系统 J , 其液压力的估计与精确控制皆可达到 较高的精度。据此 , 本文 中提出了将 电机系统与液 压系统联合的操纵稳定性转矩分配策略。该策 略一 方面利用电机响应迅速 的优点 , 另一方面利用液压 系统提供较大纵 向力的优势提高了车辆在极限工况 下的稳定性。 1 操纵稳定性控制策略 针对 四轮轮毂驱动 电动汽车稳定性控制 , 采用 模型跟踪控制的思想 , 设计 了分层控制结构 , 如图 1 所示。参考模型根据 当前驾驶员 的操作输人 , 计算 出车辆稳定 性控制期望 的横摆 角速度与质心侧偏 角 。上层运 动跟踪控 制器根据车辆 当前 的状态信 息 , 计算所需要的广义力来跟踪参考模型给出的车 辆横摆角速度与质心侧偏角。转矩分配控制器根据 执行器的动态特性等约束条件, 将广义力转化为针 对各个执行器的控制转矩 , 如轮毂 电机 的驱制 动转 矩和液压系统的制动转矩。 ,轮毂 电机驱 l 制动转矩 , 翥 电机转矩、横摆角 速度、车轮转速 ⋯ 图 l 操纵稳定性控制结构图 1 . 1 2自由度车辆模型 2自由度车辆模型在假定纵 向车速恒定不变 的 前提下, 包含了侧向运动和横摆运动 2 个 自由度, 概 括了车辆的主要操纵特性 ] , 如图 2所示。 2自由度车辆动力学模型微分方程为 2 G C .8 『 2 1f C f- lrC r一1 2 C , L J 1 2 / f C 一 1 C 2 / , A M f 一 f c f 2 将式 1 和式 2 转化为状态空间方程为 A x T 8 f K u 1 3 其中 [ 卢 y ] , u A M, K[ 0 1 / J , ] A 2 C f C 2 C f l f - C l m y m y一 2 C fl 广C l 2 C f c 1 1 z Lv r 2Cf l 【 删 式中 C G为车辆质心 , m 为 车辆质量 , 为车辆 的横摆 转动惯量 , C 为前轮 的侧 偏 刚度, C 为后轮的侧偏刚度 , f 为车辆质心到前轴的距离, 为车辆质心到后轴的距离, 为车辆质心速度, 为车辆 的质 心侧偏角 , 为车辆 的 横摆角速度 , 为 车辆 的前 轮转角 , 口 为 车辆 质心处 的 侧 向加速 度, A M 为作用 于 车辆的附加横摆转矩。 1 . 2 参考模型 图 2 2自由度车辆模型 选用的参考模型是在 2自由度车辆模型的基础 上 , 采用直接横摆转矩控制保持质心侧偏 角为零 的 D Y C参考模型[ 2 ] 。其横摆角速度响应方程为 1 k d 一 y d f 4 丁 d 7d 式中 为参考模型输出的横摆角速度 , 2C 』 一 m y 2 C f f f C 2 J z v 2 C f f f c Z 1 . 3 运动跟踪控制算法 运动跟踪控制器处于控制结构 的上层 , 其 目的 在于根据当前驾驶员操作输入和车辆 的状态反馈 , 计算出使实际车辆响应能够跟随参考模型输出的广 义力。由于车辆在极 限工况下的强非线性 , 传统 的 线性控制方法不再适用 , 依据滑模变结构控制理论 , 设计了非线性滑模变结构控制器。 滑模变结构控制的优势在于可 以避免控制系统 一 动踪制 一 运跟控 一 ~ 榭 ~加 一制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 . 3 5 N o . 1 0 杨鹏飞, 等 四轮轮毂电机驱动电动汽车电 液压系统联合控制策略 9 2 3 的精确建模。本文中采用积分变结构控制, 即引入 具有积分环节 的滑 动面 。以横摆 角速 度为状态 量的非线性车辆系统方程为 [ F r f a f , F ,/x ‘ f f 一 F , 。 z ] 1 z 5 式中 为控制输入 , F O l , F , 为前轴侧 向力非 线性方程 , F O L , F , 为后轴侧 向力非线性方程。 针对上述非线性系统 , 引入积分项 加 设计 滑模 面如下 s x, t a I ea 2 J e d t 6 式 中 y - , 。 、 a 的选取要保证 特征方程 A a I A a 0 的所有特征根均具有负实部。 对于单输入系统 , 滑模 变结构控 制的到达条件 为[ 。 S S 0 9 其 中 r 1, S0 s g n S { 0 , .s 0 【 一 1 ,S l Fl 1 0 由于控制律里含有符号函数 , 容易引起震颤, 为 了降低其影响, 选取一个合适的连续 函数来代替 符 号函数 , 即 s g n .s 1 1 式中 选为数值较小的正常数。 2 转矩分配控制算法 转矩分配控制属于车辆稳定性控制的底层, 其 作用是协调控制多个执行器 , 将广义力转化为各个 执行器的输出转矩 。轮毂电机驱动的优势在于每个 车轮独立可控 , 且其响应较快 , 但不足之处是现有轮 毂 电机在高速时的峰值功率有限 , 往往不能满足极 限工况下稳定性控制 的转矩需求。结合液压系统可 以提供较大纵向力的优势, 设计转矩分配控制器。 车辆行驶过程中的执行器输 出转矩示意图见图 3 。 图3 执行器输出转矩示意图 图中 d为车辆轮距 , F rI lf l 、 F F r 1 、 F 分别为左 前轮、 右前轮 、 左后轮、 右后轮驱 动电机输 出的纵 向 力 , F F h f r 、 F 、 F h 分别为左前轮、 右前轮、 左后轮 、 右后轮液压制动系统输出的制动力 。 由图 3可知 , 车辆所受总的纵向力 与总的横摆 转矩为 FxFm c o s OF f r c o s 0 F d F 一Fh n c o s 0一 Fh O O S 0 一Fh d Fh 詈 一 , 。 s F c。 s F F ‘ 2 F h n c o s 0 - F h fr c o s 0 F h d F h 当前轮转角较小时 , c o s 0 1 , 并将式 1 2 写成 其 中 [ U [ F 棚 F n f r F d F F h n F h f r F h d F h ] r 1 1 1 1 1 1 1 1] B f d d d d d d d d l L 2 2 2 2 2 2 2 2 J 一一一一一 一 ⋯I 在优化分配中, 为保证车辆有较好 的稳定性 , 引 入表征车辆整体路面负荷状态的优化 目标 一 4 , M r r 1 4 式中 为路面附着系数, 可通过辨识获取; F 为各 本文研究的控制策略中, 侧 向力为不可控变量 , 故将优化 目标简化为 m in J 裔 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 4 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 1 0期 电机的约束主要包括电机转矩的约束和电驱动 子系统响应时 间的约束两部分。图 4为 2 . 2 k W 的 电机外特性曲线。 E 己 辩 墨 电机转透/ r / rai n 图4 电机外特性曲线 电机所能提供的转矩大小受电机外特性约束 一Ti m a x V ≤ F ≤ T i m a x V , flfl , f r , r l , I T 1 6 一 ≤ ’ ≤, , f r , , 厂 r 电机的转矩响应速度约束为 ≤T m , i fl , f r , r l , r r 1 7 式 中 T / 为电机峰值转矩 , 为电机最大转矩 响应速度。 设整车控制器 的 C A N通信周期为 △ f , 则可将电 机的速度约束转化为位置约束 f F ,≥ma x { _ △ 一 } , { . , 【 F r mi n { T i A t T m } i fl, f r , r l , I T 1 8 液压系统的液压响应速度约束和位置约束为 f P ≥m a x { 一 A t P 一 P } { . 【 P ≤mi n{ A t P P } i f l , f r , r l , r r 1 9 式中 P P 分别为最大增压速率和最大液压力, 可 由实验测得。基于博世 E S P 8 . 0的测试结果显示 , 主动增压的最大值 为 2 9 MP a , 足 以达到车轮抱死 的 压力 ; 主动增压至 1 0 M P a的时间为 0 . 6 s 。 同时 , 纵 向力受路面附着条件和垂 向载荷 的约 束为 F ≤F / x F , i fl, f r , r l , 1 1 “ 2 0 电驱动子 系统 的转 矩输 出响应 延迟 由实验 测 得 , 引入一阶环节来表征该特性 2 1 式 中 丁 为实验测得的时间常数。 2 . 2 二次规划优化分配算法 根据上述 的优化 目标和约束 条件 , 整理 出二次 规划法 标准型为 mi n . , 。 W u 2 2 Hc 约束 c 【 ⋯ ≤U ≤“ , 1 、 其 中 , i fl , fr , rl , iT ,fl ,fr ,rl , rr 将等式约束 B u l J 转化为 mi n J{ B u 一 l , l I 。 , 并 作为优化 目标 的一部分 , 就形成 了序列最小二乘法 规划问题 S L S j- c ⋯g c I f 2 3 【 If 2 a r g m i n l I B u 一 。 l I U c 一 ≤ Ⅱ c ≤ Ⅱc 式 中 WU 为控制 向量 的权重矩阵, 决定 了 U 的各 元素之 间的权重关系; , 为分配需求权重矩 阵, 决 定 了 l , 的各元素之间的权重关系。 通过引入权重 系数 O t , 可将序列最小二乘法规 划问题转化为加权最小二乘问题 WL S a m i n 1I W. u 。 lI lI Ⅵ B u 一 I】 i “c一≤ “c≤ “c 2 4 通常将 O L 取足够大 , 以优先满足广义力约束 , 在 此基础上优化各执行器 的控制输入。求解 wL S问 题 的方法一般为有效集法 , 参见文献[ 1 2 ] 。 3 控制策略仿真研究 利用 M A T L A B软件实现所设计 的控制算法 , 并 与 C A R S I M软件进行联合仿真。通过 C A R S I M 软件 可 以设置整车参数 、 驾驶员模 型和测试工况等。依 据 I S 0 3 8 8 8 --1 1 9 9 9 E 标准设置双移线工况 , 来验 证控制算 法的有效性 , 其 中驾驶员模 型采用 C A R S I M 自带的普通驾驶员模型。整车和试验工况参数 设置见表 1 , 仿真结果如 图5~图 1 1 所示 。 图 5为车辆运行轨迹 图。由图 5可知 , 没有控 制的车辆和只有电机进行控制的车辆都无法完成双 移线实验 , 而电液联合稳定性控制 的车辆可以很好 地完成该工况。图 6示出车辆侧向加速度 曲线。由 图 6可知 , 最大侧向加速度为 0 . 6 g , 此时车辆 已经达 到极限工况。 图 7为车辆横摆角速度 的仿真结果 对 比, 图 8 为车辆质心侧偏角仿真结果对 比。 由图可 知 , 无控 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 . 3 5 N o . 1 0 杨鹏飞, 等 四轮轮毂电机驱动电动汽车电机/ 液压系统联合控制策略 表 1 整车和试验工况参数 参数 数值 整 车质量 m / k g 1 1 1 1 车辆横摆 转动惯量 / k g m 2 8 8 轴距/ m 2 . 6 质心到前轴的距离 l f / m l | 0 4 质心 到后轴 的距离 z r / m 1 . 5 6 质心高度/ m 0 . 5 4 轮距 d / m 1 . 4 8 轮胎半径/ m O . 3 1 初始车速/ k m / h 1 2 0 路面附着系数 O . 6 5 重力加速度/ m / s 9 . 8 鑫 霎 越 是 宣 暮 图5 双移线工况车辆轨迹图 时间/ s 图6 车辆侧向加速度 制车辆和仅有 电机 控制 的车辆 在进行第 二次变道 时 , 出现 了较大的横摆角速度和质心侧偏角 , 从而导 致车辆失去稳定性 , 开始打转 , 图 9为此时 4个驱动 电机 的输出转矩 , 由图可知, 它 已达到峰值转矩 , 但 仍然无法使车辆保持稳定 。而电液复合稳定性控制 的车辆可将横摆角速度和质心侧偏角维持在较小 的 范围内, 使车辆保持稳定。 已 堡 {{ 颦 匿 妪 冒 邑 辩 撂 群 辑 啦 时间/ s 图7 车辆横摆角速度 时间/ s 图8 车辆质心侧偏角 时间/ s 图9 纯电机控制时转矩分配结果 图 1 0和图 1 1为电液联合稳定性控制 时, 各电 机的输出转矩和各制动轮缸的制动压力。由图 1 0 百 邑 僻 丑 集 霉 稃 时间/ s 图 1 0 电液复合控制策略中电机转矩分配结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 6 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 1 0期 可见 , 各电机转矩 的波动较小 , 满足动态转矩约束条 件 , 且其幅值都在 转矩能力范 围之 内。由图 1 1可 知 , 在第二次变道时 , 单轮液压制动力达到了中强度 制动水平 , 由此产生 的较大纵 向力满足了车辆稳定 性控制所需的横摆转矩。 R 出 稃 霹 疆 辑 时间/ s 图 1 1 电液复合控制策略中液压制动力分配结果 4 结论 针对 四轮轮毂驱动 电动汽车的稳定性控制, 采 用模型跟踪控制思想, 分别设计了上层滑模变结构 控制器 , 和基于二次规划法的下层控制分配器。通 过实验获取 电机动态特性 和液 压系统主动增压特 性, 将其作为控制分配器中的执行器约束条件。利 用整车仿真软件进行车辆稳定性仿真 。结果表 明, 基于电机系统与液压系统联合 的控制算法可以有效 改善车辆在极限工况下的操纵稳定性 。 参考文献 [ 1 ] S h i n o M,N a g a i M.I n d e p e n d e n t Wh e e l T o r q u e C o n t r o l o f S ma l l s c a l e E l e c t r i c V e h i c l e f o r H a n d l i n g a n d S ta b i l i t y I m p r o v e m e n t [ J ] . 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