四轮独立驱动电动汽车操纵稳定性研究综述.pdf

随着我国着力发展新能源汽车电动汽车现已成为各个车企的重点研究方向 四轮独立驱动电动汽车的新型底盘结构具有其他车型不具备的先天优势但其多执行器、非线性、集成化程度高等特点易造成车辆失稳 文章围绕直接横摆力矩控制、驱动防滑控制和容错控制对车辆操纵稳定性的提升进行总结并对车辆未来的控制方法进行展望关键词:四轮独立驱动直接横摆力矩控制驱动防滑控制容错控制操稳性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:进入 世纪以来随着能源紧缺与碳排放污染环境等问题的日益严重各国都在加快汽车电动化转型 分布式电动汽车与传统汽车相比省去了差速器、变速器、传动轴、分动器等部件将电机安装在轮毂上实现了四轮驱动和制动转矩独立可控具有结构紧凑、传动效率高、电机响应快、对环境零污染等优点 它的集成化程度高各轮轮毂电机既是信息单元也是执行单元各单元能实时获取车轮的转矩与转速信息为获取整车的状态参数提供了便利条件 它的多动力冗余配置结构有利于提高车辆行驶安全性但随之而来的多执行器、非线性、不确定性等特点使得各子系统之间相互制约 影响汽车的行驶稳定性 因此研究分布式驱动电动汽车的操纵稳常州工学院学报 年定性具有重要意义在衡量汽车性能的指标之中操纵稳定性占据重要地位 操纵稳定性是指在不存在疲劳驾驶的情况下当被控车辆受到外部因素影响时车辆能按照驾驶员的意愿保持行驶方向或遵循规定方向行驶的能力 车辆的操纵稳定性可分为相互作用的两部分:操纵性和稳定性 操纵性是指车辆能够按照驾驶员的意愿进行直线行驶、加速行驶、转向行驶等 稳定性是指车辆行驶过程中受到干扰时能够保持稳定而不失去控制出现倾覆等现象的能力 国内外大量学者对车辆操纵稳定性动力学控制进行研究主要研究内容有直接横摆力矩控制、驱动防滑控制、容错控制等 本文围绕这 种控制方法对分布式驱动电动汽车操纵稳定性研究现状进行总结并归纳了目前的不足展望了未来的发展方向 直接横摆力矩控制直接横摆力矩控制是利用传感器或根据状态观测得到的车辆质心侧偏角等来预判车辆的行驶状况 通过控制直接横摆力矩在车辆转向时形成一定的转向补偿以保持运动的稳定性 它是一种新颖的底盘控制技术能够有效维持车辆的行驶稳定性 国内外学者对直接横摆力矩的研究分为两种不同的方法一种是以理想二自由度模型与实际车辆动力学模型输出的参数差值为控制目标建立控制策略对车辆稳定性进行控制 此种直接横摆力矩控制的结构分为三层分层结构如图 所示 第一层为车辆状态估计层利用传感器或卡尔曼滤波等对车辆质心侧偏角和横摆角速度以及其他一些重要参数进行观测 第二层为横摆力矩计算层基于某些算法而设计的控制器计算出维持车辆稳定行驶的横摆力矩 第三层为横摆力矩分配层将第二层计算出的横摆力矩合理地分配到驱动轮以提升车辆的行驶性能 史培龙等为了提高车辆的操纵稳定性以 控制和模糊逻辑控制为核心设计了直接横摆力矩控制器双移线工况的实车试验结果表明该策略对车辆的操纵稳定性有良好的效果 然而该策略针对的是双电机驱动汽车未考虑四轮轮毂电机驱动的转矩解耦降低了车辆转向灵敏度 等提出了一种基于最优鲁棒控制和阻尼最小二乘反向传播神经网络相结合的概率估计方法 采用最优鲁棒控制来调节车辆的质心侧偏角和横摆角速度建立多层感知器()前馈反向传播神经网络()模型来识别相应的最优反馈增益 肖旭辉提出了一种在极限工况下附加横摆力矩的差动制动策略 上层控制器基于滑模变结构控制对车辆状态进行识别控制下层控制器采用最优化分配与二次规划的方法该策略使得车辆在转向时的制动力矩既能满足稳定性需求也能回收制动能量 张新锋等为了提高车辆的操纵稳定性设计出一种分层控制器上层控制器以滑模算法为核心计算出能够维持车辆稳定行驶的直接横摆力矩 下层控制器收到上层控制器的信号基于液压差动制动与平均分配方法将计算出的横摆力矩分配到车轮此种控制策略能够实现车辆的稳定行驶但却忽略了对纵向车速的影响并且会对驾驶员产生干扰图 直接横摆力矩分层结构另一种是分析车辆动力学模型输出参数所构造的相平面划分稳定性区域和非稳定性区域相平面法可以直观地分析二阶系统的稳定性与运动特性 王亚琴等基于二自由度非线性车辆动力学模型划分稳定域利用 算法设计直接横摆力矩控制策略 此种方法能够修正处于非稳定域的车辆相轨迹但二自由度模型是理想化的模型通过此模型建立的相平面稳定边界存在偏差降低了车辆的稳定性 刘学成等针对两种相平面失稳度建立了不同的直接横摆力矩控制策略并对计算出的直接横摆力矩进行加权融合与固定权重的控制器相比该控制器可以更好地适应参数随机性从而提高车辆控制系统的性能和稳定性第 期陈智等:四轮独立驱动电动汽车操纵稳定性研究综述 驱动防滑控制车辆的驱动防滑控制是一种主动安全控制目前驱动防滑策略主要是直接扭矩控制、滑转率控制等 车辆行驶过程中将车轮的滑转率控制在最优滑转率附近有利于车辆稳定性的提高国内外对驱动防滑控制进行了大量研究 王国栋以 控制和模糊控制为核心设计了基于路面识别的防滑控制策略并根据一定的算法调节踏板信号从而防止驱动轮打滑然而四轮轮毂电机驱动汽车的四轮均为驱动轮无法直接获取车速该策略未对车辆纵向车速进行准确估计 等在滑模结构的基础上引入了车轮滑移控制器为了克服滑模控制中由于滑模控制的不连续而引起的抖振问题采用条件积分器方法当轮胎滑移接近设定值时滑模控制可以平稳过渡到比例积分控制律并利用李雅普诺夫方法分析控制器的渐近稳定性和鲁棒性但是未对路面行驶状况进行估计因此无法根据路面状况形成自适应控制 等基于轴间差动和滑模控制的转矩自适应原理提出了 种控制方式:轴间转矩的平均分布、轴间扭矩的最优分配和最优滑移率的独立控制并设计了一种前后轴同时驱动的加速滑移调节系统 采用状态方程形式的滑移率计算公式求解了传统方法提出的数值问题 仿真结果表明该系统对驱动轮的滑移有较好的抑制作用能够提高车辆的行驶稳定性 张伦基于滑模变结构控制、模糊控制和 控制算法设计了一种防滑控制算法通过调节轮毂电机的输出力矩来控制车轮值在最优值附近满足车辆的行驶要求但是该策略只考虑了纵向力对车辆的影响而忽略了轮胎的侧向力与纵向力的耦合降低了车辆的稳定性 容错控制容错控制是利用系统的冗余条件在故障发生时控制器对故障进行补偿、抑制或消除使车辆能够安全稳定行驶 分布式驱动电动汽车是由四轮轮毂电机独立驱动其四轮轮毂电机驱动系统是一个多执行器冗余控制系统 当电机出现故障时控制器可以对转矩重新分配来保证车辆的安全行驶 一般来说容错控制方案可分为被动容错控制和主动容错控制两类 被动容错控制不依赖于故障信息而运行主要探求底层控制器的鲁棒性 此类方案通常不太复杂但需应对最不利情况下的故障影响一般很保守 主动容错控制器在故障发生时作出反应并借助于某种形式的再配置特别是利用来源于故障检测和隔离的信息 这代表着一种更为灵活的结构 主动容错控制的实现途径如图 所示图 主动容错控制实现途径主动容错控制依赖于故障检测和诊断模块只有快速检测出故障信息才能采取相应的容错控制策略对故障进行补偿、抑制或消除 目前主要的故障检测和诊断方法大致分为三类如图 所示图 故障诊断方法.被动容错控制被动容错控制是对系统故障进行被动处理不需要在线故障信息和控制律重构主要针对预先设定的故障类型发挥作用来保持系统的稳定性 褚文博等基于分布式电动汽车具有冗余驱动的特点设计了一种基于规则的驱动失效控制策略 系统根据实时观测到的驱动失效因子常州工学院学报 年使用不同的失效模式协调控制各驱动力的驱动能力 实车试验表明该控制策略对低速小转角、高速或大转角这两种行驶状态下的车辆稳定性有良好的控制作用但是该策略无法处理同侧电机故障 针对汽车转向系统故障 等提出了一种自主式分布式驱动电动汽车被动容错路径跟踪控制方法 应用降阶卡尔曼滤波对车辆侧滑角和转向系统故障进行了估计 提出了分层控制策略并在上层控制器中提出了一种自适应滑模控制方法 在底层控制器中提出了一种新的自适应定向轮胎力分配方法用于执行上层控制器的控制效果 仿真实验验证了所提出的容错控制方法的有效性 有学者提出在某驱动轮的驱动电机发生故障时切断驱动电机的动力传输此方法原理简单且不难实现在某种程度上能维持车辆的行驶稳定性但牺牲了车辆的动力性随着系统的复杂化可能发生的故障数量也会增加针对预先设定的故障类型而设计的控制器已不能保证系统的稳定性 因此通过在线配置控制参数或重新设计控制器来主动控制故障已成为研究的重点.主动容错控制主动容错控制依据硬件冗余或解析冗余来保持车辆的行驶稳定性通过检测并识别故障对系统进行重构其原理如图 所示图 主动容错控制系统原理图目前对四轮独立驱动电动汽车主动容错控制的研究主要分为两类:执行器容错控制和传感器容错控制 主动容错控制方法主要是基于控制分配的容错控制、基于模型的重构控制和基于最优控制的重构容错控制王双键建立了四轮驱动电动汽车自适应容错控制策略来应对执行器失效的情况 采用非奇异终端滑模控制基于车辆二自由度模型和滑模理论设计的观测器容错控制模块将经过二次规划算法的虚拟量分配给各个驱动轮实现车辆的稳定行驶然而该策略需要人为给定故障信息无法进行故障诊断 李春善提出了一种双层联合容错机制利用不同的控制算法解决整车控制层和驱动执行层的故障信息完善了主动容错控制体系最大化满足了整车的动力学需求 欧健等提出了基于故障估计的容错控制方法建立了一种控制器用于对故障因子进行估测并依据期望车速等计算维持车辆稳定行驶的虚拟量通过下层转矩分配器对车轮驱动力进行分配改善了故障发生时车辆的安全性能 吕建美针对轮毂电机失效工况设计了一种基于多 系统控制的容错控制策略 利用卡尔曼滤波对车辆参数进行观测多 系统为核心的失效控制模块对车辆横摆力矩进行补偿实现容错失效控制 仿真验证表明该容错控制策略提高了车辆的行驶安全性 等采用带容错控制分配的滑模控制策略来提高分布式电动汽车在极端情况下的性能在执行器失效的极端情况下通过状态观测器获得侧滑角从而提高了车辆的鲁棒性 采用自适应滑模控制设计了容错控制分配在电机故障时合理地分配四毂电机的转矩仿真验证了所提出的控制策略的有效性 等针对分布式驱动电动汽车在不同故障状态下工作的问题提出了一种基于多模型的容错控制系统 该系统集成了一个运行状态识别器和一个容错控制器集 运行状态识别器是基于模糊逻辑而设计的为实现最优容错控制设计了容错控制器集模型预测控制器针对相应的典型运行模式设计了各容错控制器 利用各容错控制器的加权信号计算系统的输出实现平稳切换 仿真结果表明该系统在不同运行状态下具有良好的容错性能 总结与展望)操纵稳定性在汽车性能评价指标中占据重要地位操纵性与稳定性密不可分 利用直接横摆力矩控制、驱动防滑控制和容错控制等能够提高分布式驱动电动汽车的操纵稳定性 直接横摆力矩控制第 期陈智等:四轮独立驱动电动汽车操纵稳定性研究综述主要分三层进行分别是车辆状态估计层、横摆力矩计算层和横摆力矩分配层 目前的驱动防滑策略主要是滑转率控制、直接扭矩控制等)防滑控制不仅存在于分布式驱动电动汽车驱动过程也存在于制动减速过程 车辆在制动、驱动过程中对于防滑的协调控制有待进一步研究)被动容错控制既不需要事先的故障检测和诊断也不需要控制律重构主要针对预先设定的故障类型发挥作用鲁棒性好且反应迅速但遇到未提前设定好的故障便无法应对 相比之下主动容错控制更为灵活利用来源于故障检测和隔离的信息在故障发生时作出反应 主动容错控制方法主要是基于控制分配的容错控制、基于模型的重构控制、基于最优控制的重构容错控制)由于系统和故障的复杂性单一的容错控制策略已经不能完全保证系统的稳定性所以集成多种容错控制方法发挥各自的优点使其协同控制是未来容错控制的一个热点研究方向)容错控制依赖故障检测和诊断模块只有快速检测出故障信息才能采取相应的容错控制策略对故障进行补偿、抑制或消除 而且故障诊断与容错控制之间有一定的时间间隔因此要研究快速高效的故障检测方法降低系统时延提高控制效率参考文献陈杰刘成晔赵景波等.分布式驱动电动汽车控制关键技术研究综述.常州工学院学报():.濮超义赵景波李广军.分布式驱动电动汽车容错控制研究综述.常州工学院学报():.姬晓李刚曹天琳.四轮独立驱动与转向电动汽车四轮转向研究综述.汽车实用技术():.张新闻.以提高分布式后驱电动汽车操稳性能的控制策略研究.杭州:浙江科技学院.史培龙余曼魏朗等.基于直接横摆力矩控制的 纯电动赛车操纵稳定性控制策略.西北大学学报(自然科学版)():.:.肖旭辉.分布式电动车转向电液复合制动控制.汽车实用技术():.张新锋朱明王奥特.分布式驱动电动汽车横摆稳定性控制研究.重庆理工大学学报(自然科学)():.王亚琴田杰蔡隆玉等.基于相平面的车辆稳定性 控制.制造业自动化():.刘学成刘俊李汉杰.基于相平面法的车辆直接横摆力矩控制研究.合肥工业大学学报(自然科学版)():.王国栋.轮毂电机电动汽车驱动防滑控制策略研究与试验平台设计.西安:长安大学.():.:.张伦.轮边电机驱动电动汽车驱动防滑控制的研究.南京:东南大学.褚文博罗禹贡韩云武等.基于规则的分布式电驱动车辆驱动系统失效控制.机械工程学报():.:.()/.:.罗剑.分布式电驱动车辆制/驱动力协调及主动容错控制.北京:清华大学.王双键.电动汽车分布式冗余驱动的自适应容错协调控制.镇江:江苏大学.李春善.四轮独立线控电动汽车驱动系统主动容错控制策略研究.长春:吉林大学.欧健陈瑞楠杨鄂川等.基于故障估计的分布式驱动电动汽车容错控制方法.汽车技术():.吕建美.分布式驱动电动汽车横摆稳定性与执行器失效容错控制.马鞍山:安徽工业大学./.:.():.责任编辑:刘景平