四轮轮毂电机横摆力矩模糊控制范文

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《机械设计与制造杂志》2016年第三期

摘要：

针对四轮轮毂电机电动车横摆力矩控制问题，论文确定了整车横摆力矩分层控制结构，基于模糊控制理论设计了附加横摆力矩决策控制器，利用四轮驱动力矩独立可控的优势，采用规则驱动力分配方法对四轮驱动力矩进行分配。通过选取低附着、变车速、方向盘转角为增幅正弦输入的开环实验工况，基于CarSim与Matlab/Simulink联合仿真，对控制方法进行了验证，并与PID控制效果进行了对比分析。仿真结果表明：所研究的模糊控制方法能够提高车辆行驶稳定性，且比PID控制能更有效地提高汽车的行驶稳定性。

关键词：

电动车；轮毂电机；横摆力矩控制；模糊控制；行驶稳定性

1引言

汽车电子稳定性控制系统（ESC）是车辆目前重要的主动安全控制系统，而直接横摆力矩控制（DYC）是该系统的重要组成部分，对于提高汽车的主动安全性具有重要意义[1]。传统内燃机汽车横摆力矩控制主要采用车轮差动制动方式实现[2-4]，四轮轮毂电机电动车具有四轮驱动力矩独立可控的优势，在汽车横摆力矩控制方面可以通过四轮驱动力控制实现。由于轮毂电机转矩、转速易于控制且响应速度快，因此四轮轮毂电机电动车通过四轮驱动力分配实现横摆力矩控制能够更好提高行驶稳定性和乘坐舒适性[5-6]。在控制领域中，PID控制具有结构简单、可靠性好等特点[7]，但汽车行驶工况非常复杂，横摆力矩控制受车辆结构参数、路面附着系数、行驶速度和方向盘转角输入等多种因素影响，常规PID控制很难适应各种工况，其应用也受到了限制。模糊控制具有不依赖被控制对象、鲁棒性强、能适应变化工况等优点[7-8]，因此基于模糊控制理论，进行了四轮轮毂电机电动车横摆力矩控制研究，确定了整车横摆力矩分层控制结构，设计了附加横摆力矩决策模糊控制器，通过驱动力规则分配方法对四轮驱动力进行分配，应用CarSim与Matlab/Simulink联合仿真对控制方法进行了验证。

2横摆力矩控制结构

横摆力矩控制采用分层控制结构，如图1所示。包括信号处理层、横摆力矩决策层、控制分配层和执行层4部分。信号处理层参考模型根据驾驶员的方向盘转角输入和车速计算出横摆角速度期望值，横摆力矩决策层根据横摆角速度实际值和横摆角速度期望值决策出实现汽车稳定性控制所需的附加横摆力矩，控制分配层根据驾驶员目标驱动力矩和附加横摆力矩对四轮驱动力进行合理分配，执行层控制四轮驱动力实现横摆稳定性控制。

3横摆力矩决策控制器设计

3.1参考模型线性二自由度车辆模型[9]运动响应能够较好地反映车辆稳定行驶状态，而且具有实时性好的特点，因此控制系统多选用其作为参考模型。根据整车基本参数建立线性二自由度模型，将其横摆角速度值作为期望值进行控制。线性二自由度模型的横摆角速度值可表示。

3.2模糊控制器设计模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的智能控制方法[11]。在控制中不需要建立精确的被控对象数学模型，其结构简单，鲁莽性强。模糊控制系统的基本原理，如图2所示。其中，模糊控制器由模糊化接口、知识库、推理机、解模糊接口四个基本单元组成。模糊控制器的输入是期望的横摆角速度γd和实际横角速度γ的偏差e以及偏差变化率ec，输出是附加横摆力矩ΔM。在无控制时，横摆角速度的误差变化范围为［-8，8］，误差变化率为［-20，20］，设定量化因子都为1，因此其论域分别为［-8，8］和［-20，20］；附加横摆力矩的模糊论域为［-52，52］。为了保证控制的精度，使其在各种工况下都能很好地跟踪控制，根据反复试验，最终将误差分为9个等级，模糊集为｛NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB｝；将误差变化率分为七个等级，模糊集为｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝；输出的附加横摆力矩分为9个等级，分别为｛NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB｝；隶属函数均选用三角形隶属函数，如图3~图5所示。模糊控制规则选取经验为：当横摆角速度误差e为正时，应为车辆施加一个正的横摆力矩以跟踪期望的横摆角速度；当横摆角速度误差e为负时，应为车辆施加一个负的横摆力矩，具体的模糊控制规则，如表1所示。

4驱动力分配器设计

横摆力矩决策层所计算出的横摆力矩最终通过驱动力分配实现。四轮轮毂电机电动汽车四轮驱动力可通过控制各轮轮毂电机转矩实现。附加横摆力矩通过左右侧车轮驱动力规则分配实现，为了提高车轮的稳定裕度，具体分配上前后轴各产生所需附加横摆力矩的1/2。同时保证四轮驱动力矩之和为驾驶员所需的总的目标驱动力矩。根据附加横摆力矩和横摆角速度符号对车辆状态进行判断[12]。当车辆处于左转不足转向或右转过度转向时，适当增大右侧车轮驱动力矩，减小左侧车轮驱动力矩，使每个车轮产生正的1/4附加横摆力矩；当车辆处于右转不足转向或左转过度转向时，适当增大左侧车轮驱动力矩，减小右侧车轮驱动力矩，使每个车轮产生负的1/4附加横摆力矩。

5仿真试验验证

为了验证控制方法有效性，进行CarSim与Matlab/Simulink联合仿真试验，在附着系数为0.2路面上进行开环实验，方向盘转角为增幅正弦输入，车速为变车速（45~65）km/h。整车模型部分参数，如表2所示。汽车方向盘转角输入变化，如图6所示。仿真结果，如图7~图12所示。PID控制和模糊控制都能够控制汽车横摆角速度较好跟踪期望值，而模糊控制相对于PID控制跟踪较好，如图7所 示。由图8~图9可知，汽车无控制时会出现较大侧滑，而控制后汽车能够保持良好行驶稳定性，且模糊控制汽车质心侧偏角整体小于PID控制，说明模糊控制后汽车的稳定性要优于PID控制。两种控制方法对应的附加横摆力矩变化，如图10所示。PID控制和模糊控制四轮驱动力矩变化，如图11、图12所示。四轮驱动力矩变化与附加横摆力矩变化趋势相同。

6结论

（1）根据四轮轮毂电机电动汽车四轮驱动力矩独立可控的优势，基于模糊控制理论，设计了附加横摆力矩决策控制器，并通过四轮驱动力规则分配实现附加横摆力矩控制。（2）CarSim与Matlab/Simulink联合仿真试验验证了横摆力矩模糊控制相对于汽车无控制能提高汽车行驶稳定性，且相对于PID控制更能有效的提高汽车稳定性。

作者：李刚 韩海兰 单位：辽宁工业大学 汽车与交通工程学院