四轮驱动电动汽车差动助力转向系统联合仿真与试验

２０１０年６月农业机械学报第４１卷第６期ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１０．０６．００２四轮驱动电动汽车差动助力转向系统联合仿真与试验王军年　王庆年　宋传学　靳立强　胡长健（吉林大学汽车动态模拟国家重点试验室，１３００２５长春）　　【摘要】　基于ＡＭＥＳｉｍ软件建立了四轮独立驱动电动汽车动力学仿真模型，并应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了差动助力转向控制系统模型，在此基础上研究了旨在降低转向盘手力和辅助转向轮回正的左右前轮转矩分配控制策略，并采用后轮差动实现车辆横摆校正。联合仿真结果表明，该差动助力转向控制策略在满足转向轻便性、路感回馈及辅助回正基本要求的同时，还可以补偿前轮差动驱动对车辆稳定性的影响，提高了差动助力转向技术的实际应用能力。通过差动助力转向控制系统的快速原型实车双移线道路试验进一步验证了该系统的转向助力可行性和路感保持能力。关键词：电动汽车　助力转向　联合仿真　试验中图分类号：Ｕ４６９７２文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１０）０６０００７０７ＣｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＴｅｓｔｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＤｒｉｖｅＡｓｓｉｓｔＳｔｅｅｒｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＦｏｕｒｗｈｅｅｌＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＷａｎｇＪｕｎｎｉａｎ　ＷａｎｇＱｉｎｇｎｉａｎ　ＳｏｎｇＣｈｕａｎｘｕｅ　ＪｉｎＬｉｑｉａｎｇ　ＨｕＣｈａｎｇｊｉａｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈｍｏｔｏｒｉｚｅｄｗｈｅｅｌｄｒｉｖｅｂａｓｅｄｏｎＡＭＥＳｉｍｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｒｉｖｅａｓｓｉｓｔｓｔｅｅｒｉｎｇ（ＤＤＡＳ）ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔｕｓｉｎｇＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｔｏｒｑｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｒｉｇｈｔａｎｄｌｅｆｔｆｒｏｎｔｓｔｅｅｒａｂｌｅｗｈｅｅｌｓｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｉｍｉｎｇｆｏｒｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｅｆｆｏｒｔｓａｎｄａｓｓｉｓｔｉｎｇｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｗｈｅｅｌｒｅｔｕｒｎｔｏｃｅｎｔｅｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｙａｗｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｒｉｖｅｏｆｔｈｅｒｅａｒｔｗｏｗｈｅｅｌｓ．ＴｈｅｃｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖａｌｉｄａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄＤＤＡＳｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｅｅｒｉｎｇｈａｎｄｉｎｅｓｓ，ｓｔｅｅｒｉｎｇｆｅｅｌａｎｄｒｅｔｕｒｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｗｈｅｅｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｆｏｒＤＤＡＳｓｙｓｔｅｍ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｄｏｕｂｌｅｌａｎｅｃｈａｎｇｅｒｏａｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｆｏｒｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆＤＤＡＳｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｏｖｉｄｉｎｇｓｔｅｅｒｉｎｇａｓｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｔｏｋｅｅｐｒｏａｄｆｅｅｌｉｎｇｏｆＤＤＡＳｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，Ａｓｓｉｓｔｓｔｅｅｒｉｎｇ，Ｃｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ收稿日期：２００８１２１７　修回日期：２００９１１２０国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（２００６ＡＡ１１Ａ１２９）和吉林省科技发展计划重大项目（２００８６００３）作者简介：王军年，讲师，主要从事电动汽车关键技术研究，Ｅｍａｉｌ：ｊｕｎｎｉａｎｗａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ　　引言电动助力转向（ＥＰＳ）较传统液压助力转向具有更好的燃油经济性和助力特性［１］，因而有逐步替代液压助力转向的趋势。尽管线控转向具备可变传动比等优点，但受其可靠性及法律法规的限制，一段时期内难以广泛普及。因此，目前电动汽车大多采用电动助力转向系统，但其没有充分发挥四轮独立驱动电动汽车的特点与优势。电动轮独立驱动系统被认为是当今车辆驱动的突破性技术。车辆将４个轮毂电动机（ｉｎｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒ）集成到各个车轮中，一方面省去了传统的复杂机械传动系统，节省了空间，使其具备灵活的安装方式［２］。另一方面，左、右两侧轮毂电动机具备准确、迅速的转矩响应及输出转矩独立可控可测的特点［３］，因此，电动汽车的动力学系统也就更易实现。本文通过分析差动助力转向系统的助力原理以及通过应用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与ＡＭＥＳｉｍ软件联合建模仿真来验证该理论的可行性，并提出左、右转向驱动轮转矩分配控制策略，用以精确控制实际转向手力与参考转向手力的差值，以及给出基于前轮差动理论的转向盘回正辅助控制算法。并提出基于后轮差动提供横摆力矩的横摆角速度校正方法，用以补偿前轮差动对整车稳定性的影响。１　差动助力转向基本原理在驾驶员制动时，如果左右两侧制动力不同，一般可以造成使汽车向制动力大的一侧转向的趋势［４］，这是需要加以避免的现象。同理，左右轮驱动力绕主销轴线的力矩差值也会驱动两转向轮产生转向运动。对于传统汽车，一般在良好的对称路面上，左右转向轮驱动力产生的绕主销的力矩大小大体相等，方向相反，故而相互抵消。而电动轮驱动汽车由于驱动轮转矩独立可控，故而可以通过电机控制器独立精确地控制左右驱动轮转矩产生较大差值，从而经车轮动力学及轮胎力学产生左右两侧纵向驱动力差。这时驱动力对主销轴线的力矩将不再互相抵消。由于两转向轮受转向梯形的约束，具有固定的几何运动关系，驱动转向力矩将会驱动两转向轮向驱动力小的一侧转向。因此对于电动轮驱动的汽车，理论上按照一定规律时时控制左右转向轮的输出扭矩差，将可以利用产生的差动转向力矩实现转向助力的作用，从而提高转向轻便性。这种新型的助力转向方式被称为差动助力转向（ＤＤＡＳ）［５］。左右车轮的差动驱动通过控制两侧轮毂电机工作在不同的模式下来完成。２　联合仿真模型ＡＭＥＳｉｍ图形、模块化的建模特点以及在非线性系统建模等方面的优势使其在车辆动力学、制动系统等液压、机械系统上应用广泛。本文利用ＡＭＥＳｉｍ和Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在各自领域的建模特点，应用Ｓ函数作为接口，构建了四轮独立驱动电动汽车的车辆动力学模型及差动助力转向控制模型用于联合仿真，以确保模型仿真精度，提高该系统可行性验证的可信度。２１　基于ＡＭＥＳｉｍ的车辆动力学模型建立为了差动助力转向系统的离线仿真验证和与前期基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立的电动汽车整车动力学模型进行对比［６］，本文进行了差动助力转向控制系统的联合仿真验证，图１是联合仿真结构框图。图１　联合仿真结构框图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　基于商用软件ＡＭＥＳｉｍ建立了１５自由度四轮独立驱动电动汽车动力学模型、空气动力学模型、转向模型、悬架模型、轮胎模型、电池模型及轮毂电动机模型。创建了与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ接口模块，定义了输入输出变量。在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立了差动助力转向控制策略模型及与ＡＭＥＳｉｍ交换数据的Ｓ函数。针对研究的重点，这里只给出转向系动力学微分方程，其余模型可直接从ＡＭＥＳｉｍ车辆动力学模型库中选取。如图１所示，对真实转向系进行简化后，在ＡＭＥＳｉｍ中建立了２自由度转向系模型［７～８］（如图１所示），其依据的动力学微分方程为　ＪＣδ··ＳＷ＋ＢＣδ·ＳＷ＋ＴＣＦｃ＋Ｋ(ＣδＳＷ－ＹＲｒ)Ｐ＝ＴＳＷ（１）　ＭＲＹ··Ｒ＋ＢＲＹ·Ｒ＋ＫＲＹＲ＋ＦＣＦｒ＝ＫＣｒ(ＰδＳＷ－ＹＲｒ)Ｐ（２）式中　ＪＣ———转向盘、转向柱等效转动惯量ＢＣ———转向柱阻尼常数ＫＣ———转矩传感器扭转刚度δＳＷ———转向盘转角ＴＳＷ———转向盘输入转矩ＴＳＣ———转向盘转矩传感器测量值ＦＣＦｃ———转向柱和转向轴干摩擦力ＭＲ———齿条质量　ＢＲ———齿条阻尼常数ＫＲ———齿条中心弹簧刚度ＹＲ———齿条位移　ｒＰ———小齿轮半径ＦＣＦｒ———齿条干摩擦力２２　参考转向手力的确定汽车动力转向系一直存在着转向轻便性与路感回馈的矛盾。差动助力转向是通过控制轮毂电动机的转矩，左右轮差动来提供转向助力。因此也可以参照电动助力转向制定随速可变的助力增益。然而，由于轮胎与地面作用力的非线性和不确定性，无法像电动助力转向一样按事先制定好的电动机助力８农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１０年特性来控制电动机电流。而只能采用依据驾驶员喜好的转向手力大小，采取转向盘转矩反馈控制。该算法避免了差动助力转矩大小无法准确获知的缺点，而是采用将理想驾驶员手力作为控制目标，控制差动转矩使实际转向手力实时跟踪参考转向手力。大量研究表明，驾驶员所偏好的转向盘力矩随车速的增大而增大，在线性区域内，驾驶员所偏好的转向盘力矩随侧向加速度的增大而明显增大［９］。因此，本文制定了依赖于车速和侧向加速度信号的驾驶员参考转向手力，如图２所示。图２　参考转向手力曲线Ｆｉｇ．２　Ｃｕｒｖｅｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｔｅｅｒｉｎｇｅｆｆｏｒｔｏｆｄｒｉｖｅｒ　２３　差动助力转向控制策略图３为差动助力转向控制策略框图。图３　差动助力转向控制策略框图Ｆｉｇ．３　ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＤＤＡＳｓｙｓｔｅｍ　差动助力转向系统在基本功能上与电动助力转向系统类似，在车辆转向时，驾驶员手力必须权衡转向轻便性及对驾驶员路感回馈要求。又由于转向助力控制和转向轮回正控制不会同时激发，因此依据不同的转向工况，两个独立的差动助力转向助力回正控制算法被应用于控制器设计过程中。一方面，应用转向盘转矩直接控制算法闭环控制驾驶员转向手力［１０］，实时跟踪由车速及侧向加速度共同决定的参考转向转矩［１１］。另一方面，应用转向盘转角闭环控制调整差动转矩，使转向轮实现快速、准确地回正到中间位置［１２］，避免转向回正过度造成的转向摆头或无法完全回正带来的驾驶员对转向盘修正负担的增加。如图３所示，驾驶员转向时，电控单元获得转向盘转矩／转角传感器检测到的转矩信号ＴＳＣ，以及车速信号ｖ、侧向加速度信号ａｙ，控制器依据制定好的参考转向手力图，线性插值出对应的参考转向手力ＦＳＷｒ或参考转向转矩ＴＳＷｒ。积分分离式ＰＩＤ转向助力控制模块依据ＴＳＷｒ与ＴＳＣ的差值，控制输出左右轮驱动转矩差ΔＴｚ。功能切换模块依据转向盘转角绝对值变化率正负以及转向盘手力的相对大小判断是转向过程还是回正过程。驱动转矩分配模块依据由目标车速决定的总驱动转矩以及计算式将此驱动转矩差分配给左右驱动前轮轮毂电动机。Ｔ１＝Ｔｄｄｆｒ／２＋ΔＴｚ／２（３）Ｔ３＝Ｔｄｄｆｒ／２－ΔＴｚ／２（４）式中　Ｔｄ———由目标车速决定的总驱动转矩ｄｆｒ———前轴驱动转矩占总转矩的百分比考虑到用于提供助力转矩的前轮差动驱动必将对车辆引入一个正横摆力矩，即ＩＺγ·＝ＦＹｆＬｆ＋ＦＹｒＬｒ－ＦＸｆＢ（５）Ｒ＝Ｌｆ＋Ｌｒδｆ－（αｆ－αｒ）（６）式中　ＩＺ———车辆绕其固连坐标系Ｚ轴的转动惯量γ———车辆横摆角速度ＦＹｆ、ＦＹｒ———前、后轮侧偏力Ｌｆ、Ｌｒ———质心与前、后轴的距离Ｒ———车辆转向半径　δｆ———前轮转角αｆ、αｒ———前、后轮侧偏角该横摆力矩必将影响前后轮地面侧向反作用力数值、稳态转向特性及相应的汽车行驶转弯半径。由于该正横摆力矩减小了前轮侧偏角，增大了后轮侧偏角，不仅减小了汽车不足转向量，提高了道路跟随能力，而且依据式（６）可知，