刘春光，阳贵兵，廖自力，李嘉麒

（装甲兵工程学院，北京　100072）



轮毂电机驱动车辆转向控制策略*

刘春光，阳贵兵，廖自力，李嘉麒

（装甲兵工程学院，北京100072）

摘要：为提高轮毂电机驱动车辆转向机动灵活性以及安全稳定性，提出了一种基于直接横摆力矩控制的转向控制策略。以带有双桥转向机构的8轮轮毂电机驱动车辆为研究对象，研究其双重转向控制问题，建立基于车辆二自由度单轨模型的车辆参考模型，并以横摆角速度作为控制变量，建立基于横摆力矩PID控制器和横摆力矩分配控制器的转向分层控制模型。利用硬件在环实时仿真实验对所提出的转向控制策略的可行性和有效性进行分析验证。

关键词：轮毂电机，转向控制，直接横摆力矩，硬件在环

0　引言

直接横摆力矩控制（Direct Yaw Moment Control，DYC）是目前应用比较广泛的车辆操纵稳定性控制技术［1-2］。传统的直接横摆力矩控制，是通过ABS系统产生的纵向制动力来满足其直接横摆力矩要求，这种制动型的DYC控制在执行过程中会降低车辆过弯车速［2］。针对这种不足，有研究者提出DYC+主动转向相结合的控制方式，例如，DYC+主动前轮转向控制（AFS）、DYC+主动后轮转向控制（ARS）以及DYC+4轮转向控制（4WS）［3］。新型分布式轮毂电机驱动车辆，可通过同时控制轮毂电机的驱动/制动转矩来实现直接横摆力矩控制［4］，从而避免了传统单一制动DYC控制所带来的不足，并且为轮毂电机驱动车辆双重转向控制提供了可能［5］。

本文以某型8轮轮毂电机驱动车辆为研究对象，研究具有双桥转向机构的8轮分布式独立驱动车辆双重转向直接横摆力矩控制。以车辆二自由度单轨动力学模型为基础，建立车辆转向参考模型，以横摆角速度作为控制变量，以质心侧偏角作为约束量，建立基于横摆力矩PID控制器和横摆力矩分配控制器的转向分层控制模型，最后通过硬件在环实时仿真平台对本文的转向控制策略进行验证。

1　车辆动力学模型

假设车辆行驶路面平整，忽略车辆的俯仰、竖直和侧倾运动，建立只包含横向与横摆运动的单轨2自由度车辆模型如图1所示。

图1单轨2自由度车辆模型

横向运动：

横摆运动：

其中，M为横摆力矩，

上式中，V为车辆速度；Vx、Vy分别为车辆纵向和横向速度；Fxi、Fyi分别为第轴车轮的纵向力和横向力；β为质心侧偏角；αi为第i轴车轮侧偏角；γ为横摆角速度；δi为第i轴车轮转向角；m为整车质量；Iz为绕质心的转动惯量；a，b，c，d分别为第1、2、3、4轴距离车辆质心处的距离；l为车辆的轮距。

2　车辆参考模型

根据文献［6］，车辆参考模型可表示为：

式中，X=［δ γ］τ，为车辆的状态变量，δ为转向轮转角。

车辆质心、轮胎侧偏角：

轮胎的侧向力：

式中Ci为第i轴车轮的侧偏系数，采用文献［7］中根据试验数据的试凑法获得。

将式（5）、式（6）代入到式（1）和式（2）中，得到系统状态方程描述如下：

2.1控制变量期望值

当不考虑侧向力饱和，横摆力矩输出为零时，根据车辆二自由度模型式计算得到车辆期望的横摆角速度为：

式中，a11…a22，h11…h24分别为矩阵A和矩阵H的子模块。

式（7）计算出的参考横摆角速度值为质心侧偏角为零时的参考值，当车辆在一定工况下需要进行滑移转向来实现小半径转向时，此时，期望的横摆角速度值，显然要大于理想转向模型的参考横摆角速度值：

γref= Kγ*（8）

式中，比例系数K为滑移转向比，K越大，参考横摆角速度越大，所进行的滑移转向也就越大。

同时考虑最大横向路面附着系数的限制。因此，本文采用双重转向参考横摆角速度值为：

3　转向控制模型

3.1转向控制结构

控制结构如图2所示：

图2转向控制结构图

图2中，δ为方向盘转角输入，△T为横摆力矩调节量，表达式如下：

式中，Kp、Ki、Kd分别为PID控制的比例、积分和微分系数，采用模糊化输出。

3.2横摆力矩分配策略

为了能够最大限度输出横摆力矩，同时，保证车辆的纵向驱动力不变，本文中同侧4个电机分配值相同，利用一侧减小另一侧等量增加的原则，

式中，△Tlef、△Trig分别表示横摆力矩控制量△T在左侧4个电机和右侧4个电机的分配值，M为目标横摆力矩。

4　仿真验证

主要仿真参数如表1所示。

表1主要仿真参数

采用对比实验，仿真结果如图3~图8所示。

由仿真结果可知，采用基于直接横摆力矩的双重转向控制，对减小车辆转向半径有明显效果，在驾驶员打过相同方向盘转角的前提下，车辆的转向性能更好，从而也减少了驾驶员的操纵负担，增加了车辆的转向灵活性。

图3油门信号与对应的8个电机转矩总需求

图4方向盘转角信号

图5电机输出转矩曲线

图6横摆角速度对比

图7车辆瞬时转向半径对比

图8车辆运行轨迹对比

5　结论

提出了轮毂电机驱动车辆转向控制策略，建立了车辆单轨二自由度动力学模型及参考模型，最后，仿真实验对转向控制策略进行了验证，仿真结果表明，采用直接横摆力矩控制的双重转向车辆，其转向灵活性有明显提高，在相同转向条件下，对驾驶员操纵依赖更小。

参考文献：

［1］余卓平，高晓杰.车辆行驶过程中的状态估计问题综述［J］.机械工程学报，2009，45（5）：20-32.

［2］余卓平，冯源，熊璐.分布式驱动电动汽车动力学控制发展现状综述［J］.机械工程学报，2013，49（8）：105-114.

［3］杨福广，阮久宏，李贻斌，等. 4WID-4WIS车辆横摆运动AFS+ARS+DYC模糊控制［J］.农业机械学报，2011，42 （10）：6-12.

［4］陈禹行.分布式驱动汽车直接横摆力矩控制研究［D］.长春：吉林大学，2013.

［5］范晶晶，罗禹贡，张海林，等.全轮独立电驱动车辆双重转向控制策略的研究［J］.汽车工程，2011，33（5）：369-372.

［6］苏建强. 8×8电驱动装甲车辆行驶控制策略研究［D］.北京：装甲兵工程学院，2013.

［7］SHINO M，NAGAI M. Independent wheel torque control of small-scale electric vehicle for handling and stability improvement［J］. JSAE Review，2003，24（4）：449-456.

Research on Steering Control Strategy for In- Wheel Motor Drive Vehicle

LIU Chun-guang，YANG Gui-bing，LIAO Zi-li，LI Jia-qi
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

Abstract：In order to improve the steering flexibility，security and stability of the in-wheel motor drive vehicle，a steering control strategy based on DYC（Direct Yaw Moment Control）is established. The double-axle steering mechanism is taken as an object of study for its dual steering control. A vehicle model is established based on a monorail model with 2 degree of freedom. And a hierarchical control model based on PID controller and yaw moment distribution controller，in which the yaw angular velocity is chosen to be a controlling variable. The steering control strategy established in this paper is proven to be feasible and effective through the HIL（Hardware-in-Loop）real time simulation.

Key words：in-wheel motor，steering control，direct yaw moment control，hardware-in-loop

作者简介：刘春光（1980-），男，山东东平人，博士研究生，副教授。研究方向：车辆电传动。

*基金项目：军队预研基金资助项目（40401010101）

收稿日期：2014-12-24修回日期：2015-02-19

文章编号：1002-0640（2016）02-0090-03

中图分类号：TJ81

文献标识码：A