车辆工程技术
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车辆技术
0 引言
借助轮毂驱动电动汽车车轮转矩能灵活分配的特点，可以通过改变左右车轮的输出转矩获得特定的差动力矩，在车辆转向过程中实现差动助力转向和回正控制。但该差动力矩同时也会产生附加横摆力矩，对车辆的横向稳定性有可能产生不良影响。另外，通过车轮转矩提高差动力矩的可靠性、精度是差动助力转向和回正控制的难点。因此，实现差动力矩到车轮转矩的分配控制是实现上述控制的关键技术。
1 差动助力转向基本原理
分析本文所研究的转向轮轮毂电机驱动形式的分布式驱动电动汽车的驱动时纵向力产生的绕主销的力矩，需将车轮、轮毂、电机以及转向节作为一个系统考虑。当轮毂电机输出的转矩为T 时，由于轮毂电机的定子与转向节固连，转子与轮辋固连，即此时驱动转矩为内力矩。系统所受的外力为地面对车轮的作用力F x ，力的作用点为Ａ点，上下摆臂对转向节的作用力为F′x1、F′x2，力的作用点为转向节与上、下摆臂的连接点Ｃ、Ｄ点，主销轴线与地面交于点Ｂ。由于F′x1、F′x2的作用点在主销轴线上，故不会
产生绕主销的力矩，只有地面对轮胎的作用力产生绕主销的力矩T sT 如式（1）所示。其中α为主销内倾角，r w 为车轮滚动半径，r σ为主销偏移距。
沈阳华晨金杯汽车有限公司 （1）
设左、右转向轮的驱动转矩分别为T 1和T 3，轮胎与地面产生的纵向驱动力分别为F T1和F T3。左、右转向轮的纵向驱动力产生的绕其
主销的转矩分别为：
（2） （3）
因此，前轴产生的差动转向力矩T ａ为：
（4）
由于差动助力转向控制的执行机构是驱动车辆前行的轮胎产生的纵向力，因此本文接下来分析轮胎特性对差动转向的影响。
2 差动助力转向控制策略
（1）助力特性的概念。助力特性是指转向助力与车速和方向盘转矩输入之间的关系，而转向助力特性曲线则是对这一关系的定量描述。汽车转向系统一直都处于转向轻便性与转向灵敏性和“路感”之间的取舍与折中，转向轻便性决定了驾驶员在转向操作时所需要的转向手力而影响驾驶疲劳，转向灵活性和“路感”则是分别决定了车辆的转向操纵响应速度和驾驶员的驾驶感受，对驾驶安全有着重要的影响。然而追求转向轻便性必然会以牺牲灵敏性和“路感”为代价，反之亦然。因此为了安全且轻松的驾驶汽车，在不同的行驶工况下人们对转向系统三个性能指标的侧重程度并不相同，比如在方向盘大转角输入时希望其转向轻便，而在方向盘小转角输入时希望其转向灵敏；车速较高时，则希望转向系统有清晰的“路感”回馈，以避免高速行驶时的不当操作，提高行车安全。故而理想的助力特性可描述为：转向助力随方向盘转矩的增大而增大，随车速的升高而减小。与电动助力转向系统相同，差动助力转向系统可以根据方向盘转矩和车速信息对助力大小进行调节和控制，所以可以很好的满足理想助力特性的需求。 （2）差动助力转向转矩跟踪控制策略设计。首先，根据驾驶员
喜好制定参考转向盘力矩T reF ，该力矩是车速ｖ与转向盘转角θsw 的函数。通过读取整车动力学模型输出的车速及转向盘转角，在参考转向盘力矩ＭＡＰ图上获得该时刻的参考转向盘力矩。将实际转向盘力矩T sw 与参考转向盘力矩的差值作为控制算法的输入，计算获得左、右前轮的输出转矩差值ΔTF，并采用规则分配策略，将该差值平均分配到左、右前轮。将平均分配后的转矩与经驾驶员加速
踏板决定的前轮驱动转矩TF 的一半进行求和作为左、右轮轮毂电机的目标驱动转矩，以达到控制实际转向盘力矩对参考转向盘力矩的跟随。 （3）回正控制策略。当车速较低时，如果地面与轮胎的摩擦力较大，再加上转向系统的摩擦阻力，转向系统总阻力矩大于回正力矩，可能导致回正不足，方向盘偏离中心位置较大的角度。差动助力转向系统可利用左右转向轮的驱动转矩差，实现主动回正。
3 差动转向控制系统总体设计
在车辆转向行驶时，由车速传感器(或车速估计器)和方向盘力矩转角传感器，测得当前状况下车辆纵向速度v x 、方向盘的转角δsw 和转向力矩T sw 。转向系统模型利用车辆纵向速度v x 和方向盘转角δsw 计算得到方向盘力矩T'sw 。需要说明的是，方向盘力矩T'sw 是在没有助力转向控制系统时，需要驾驶员施加的力矩，而转向力矩T sw 是实测的施加在转向立柱上的力矩。另一方面，助力特性模型利用车辆纵向速度v x 和转向力矩T sw 计算得到助力力矩T a 。助力力矩T a 与方向盘力矩T'sw 的差定义为理想方向盘力矩T swd ，该力矩与转向力矩T sw 的偏差是差动助力转向控制系统的输入，控制系统的控制目标是通过差动力矩ΔT 不断减小这个偏差。转矩分配模块结合当前的驱动力矩T d 和差动力矩ΔT 进行转向车轮的转矩分配，车轮分配的目标转矩作为电机控制器的输入，实现转矩闭环控制。传统的PID 控制器具有线性化程度高、结构简单的优点，但难以保证复杂工况下的控制效果。针对轮毂驱动电动汽车转弯工况下的转向助力控制难题，在传统PID 控制基础上结合了模糊控制和变论域技术，达到提高转向控制精度的目的。定义PID 控制器的输入为方向盘力矩偏差ΔT sw ，即实际转向力矩与
理想转向力矩之差。PID 控制器的输出为两前轮轮毂电机输出转矩差，即：
（5）
其中：K p 为比例增益系数，K i 为积分系数，K d 为微分系数。假设驾驶员在转向过程中没有制动，以车辆右转为例，为保证车辆的纵向速度保持不变，左前轮和右前轮的驱动力矩为：
（6）
其中：T d 为驱动转矩；d f 为驱动转矩在前轴的分配系数。由于PID 控制器参数固定，难以在不同工况下达到稳定的控制精度。为了提高PID控制性能，通过模糊控制器根据车辆状态实时调整PID控制参数。
4 结语
差动助力转向控制器作为机械转向系统故障时的容错控制策略，可以使车辆实现独立换道，提高车辆行驶的安全性，容错策略可行。参考文献：
[1]陈无畏.汽车差动助力转向系统的可拓协调控制[J].中国科学：技术科学,2018,47(03).
轮毂驱动电动汽车的差动助力转向与回正控制
李 林，崔海涛
（华晨雷诺金杯汽车有限公司，沈阳 110000）
摘 要：随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。在节能、环保和安全作为当今汽车发展三大主题的潮流下，电动汽车成为了汽车工业发展的焦点。轮毅电机驱动电动汽车将驱动电机与车轮集成为一个整体，不仅大大简化甚至消除了传统的机械传动装置，更重要的提供了一种新型的车辆驱动形式。为了充分利用轮毅电机驱动电动汽车这一独特优势，有必要对其控制系统进行研究以改善车辆的操纵稳定性。本文就轮毂驱动电动汽车的差动助力转向与回正控制展开探讨。关键词：电动汽车；轮毂驱动；差动助力转向；回正控制
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