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《機械設計與制造雜志》2016年第三期

摘要：

針對四輪輪轂電機電動車橫擺力矩控制問題，論文確定了整車橫擺力矩分層控制結構，基于模糊控制理論設計了附加橫擺力矩決策控制器，利用四輪驅動力矩獨立可控的優勢，采用規則驅動力分配方法對四輪驅動力矩進行分配。通過選取低附著、變車速、方向盤轉角為增幅正弦輸入的開環實驗工況，基于CarSim與Matlab/Simulink聯合仿真，對控制方法進行了驗證，并與PID控制效果進行了對比分析。仿真結果表明：所研究的模糊控制方法能夠提高車輛行駛穩定性，且比PID控制能更有效地提高汽車的行駛穩定性。

關鍵詞：

電動車；輪轂電機；橫擺力矩控制；模糊控制；行駛穩定性

1引言

汽車電子穩定性控制系統（ESC）是車輛目前重要的主動安全控制系統，而直接橫擺力矩控制（DYC）是該系統的重要組成部分，對于提高汽車的主動安全性具有重要意義[1]。傳統內燃機汽車橫擺力矩控制主要采用車輪差動制動方式實現[2-4]，四輪輪轂電機電動車具有四輪驅動力矩獨立可控的優勢，在汽車橫擺力矩控制方面可以通過四輪驅動力控制實現。由于輪轂電機轉矩、轉速易于控制且響應速度快，因此四輪輪轂電機電動車通過四輪驅動力分配實現橫擺力矩控制能夠更好提高行駛穩定性和乘坐舒適性[5-6]。在控制領域中，PID控制具有結構簡單、可靠性好等特點[7]，但汽車行駛工況非常復雜，橫擺力矩控制受車輛結構參數、路面附著系數、行駛速度和方向盤轉角輸入等多種因素影響，常規PID控制很難適應各種工況，其應用也受到了限制。模糊控制具有不依賴被控制對象、魯棒性強、能適應變化工況等優點[7-8]，因此基于模糊控制理論，進行了四輪輪轂電機電動車橫擺力矩控制研究，確定了整車橫擺力矩分層控制結構，設計了附加橫擺力矩決策模糊控制器，通過驅動力規則分配方法對四輪驅動力進行分配，應用CarSim與Matlab/Simulink聯合仿真對控制方法進行了驗證。

2橫擺力矩控制結構

橫擺力矩控制采用分層控制結構，如圖1所示。包括信號處理層、橫擺力矩決策層、控制分配層和執行層4部分。信號處理層參考模型根據駕駛員的方向盤轉角輸入和車速計算出橫擺角速度期望值，橫擺力矩決策層根據橫擺角速度實際值和橫擺角速度期望值決策出實現汽車穩定性控制所需的附加橫擺力矩，控制分配層根據駕駛員目標驅動力矩和附加橫擺力矩對四輪驅動力進行合理分配，執行層控制四輪驅動力實現橫擺穩定性控制。

3橫擺力矩決策控制器設計

3.1參考模型線性二自由度車輛模型[9]運動響應能夠較好地反映車輛穩定行駛狀態，而且具有實時性好的特點，因此控制系統多選用其作為參考模型。根據整車基本參數建立線性二自由度模型，將其橫擺角速度值作為期望值進行控制。線性二自由度模型的橫擺角速度值可表示。

3.2模糊控制器設計模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的智能控制方法[11]。在控制中不需要建立精確的被控對象數學模型，其結構簡單，魯莽性強。模糊控制系統的基本原理，如圖2所示。其中，模糊控制器由模糊化接口、知識庫、推理機、解模糊接口四個基本單元組成。模糊控制器的輸入是期望的橫擺角速度γd和實際橫角速度γ的偏差e以及偏差變化率ec，輸出是附加橫擺力矩ΔM。在無控制時，橫擺角速度的誤差變化范圍為［-8，8］，誤差變化率為［-20，20］，設定量化因子都為1，因此其論域分別為［-8，8］和［-20，20］；附加橫擺力矩的模糊論域為［-52，52］。為了保證控制的精度，使其在各種工況下都能很好地跟蹤控制，根據反復試驗，最終將誤差分為9個等級，模糊集為｛NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB｝；將誤差變化率分為七個等級，模糊集為｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝；輸出的附加橫擺力矩分為9個等級，分別為｛NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB｝；隸屬函數均選用三角形隸屬函數，如圖3~圖5所示。模糊控制規則選取經驗為：當橫擺角速度誤差e為正時，應為車輛施加一個正的橫擺力矩以跟蹤期望的橫擺角速度；當橫擺角速度誤差e為負時，應為車輛施加一個負的橫擺力矩，具體的模糊控制規則，如表1所示。

4驅動力分配器設計

橫擺力矩決策層所計算出的橫擺力矩最終通過驅動力分配實現。四輪輪轂電機電動汽車四輪驅動力可通過控制各輪輪轂電機轉矩實現。附加橫擺力矩通過左右側車輪驅動力規則分配實現，為了提高車輪的穩定裕度，具體分配上前后軸各產生所需附加橫擺力矩的1/2。同時保證四輪驅動力矩之和為駕駛員所需的總的目標驅動力矩。根據附加橫擺力矩和橫擺角速度符號對車輛狀態進行判斷[12]。當車輛處于左轉不足轉向或右轉過度轉向時，適當增大右側車輪驅動力矩，減小左側車輪驅動力矩，使每個車輪產生正的1/4附加橫擺力矩；當車輛處于右轉不足轉向或左轉過度轉向時，適當增大左側車輪驅動力矩，減小右側車輪驅動力矩，使每個車輪產生負的1/4附加橫擺力矩。

5仿真試驗驗證

為了驗證控制方法有效性，進行CarSim與Matlab/Simulink聯合仿真試驗，在附著系數為0.2路面上進行開環實驗，方向盤轉角為增幅正弦輸入，車速為變車速（45~65）km/h。整車模型部分參數，如表2所示。汽車方向盤轉角輸入變化，如圖6所示。仿真結果，如圖7~圖12所示。PID控制和模糊控制都能夠控制汽車橫擺角速度較好跟蹤期望值，而模糊控制相對于PID控制跟蹤較好，如圖7所 示。由圖8~圖9可知，汽車無控制時會出現較大側滑，而控制后汽車能夠保持良好行駛穩定性，且模糊控制汽車質心側偏角整體小于PID控制，說明模糊控制后汽車的穩定性要優于PID控制。兩種控制方法對應的附加橫擺力矩變化，如圖10所示。PID控制和模糊控制四輪驅動力矩變化，如圖11、圖12所示。四輪驅動力矩變化與附加橫擺力矩變化趨勢相同。

6結論

（1）根據四輪輪轂電機電動汽車四輪驅動力矩獨立可控的優勢，基于模糊控制理論，設計了附加橫擺力矩決策控制器，并通過四輪驅動力規則分配實現附加橫擺力矩控制。（2）CarSim與Matlab/Simulink聯合仿真試驗驗證了橫擺力矩模糊控制相對于汽車無控制能提高汽車行駛穩定性，且相對于PID控制更能有效的提高汽車穩定性。

作者：李剛 韓海蘭 單位：遼寧工業大學 汽車與交通工程學院