電驅動裝甲車輛雙重轉向控制聯合仿真*

蘇建強，馬曉軍，項 宇，陽貴兵

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

電驅動裝甲車輛雙重轉向控制聯合仿真*

蘇建強，馬曉軍，項 宇，陽貴兵

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

為了提高輪轂電機驅動裝甲車輛轉向的靈活性及越野機動性能，借鑒履帶車輛滑移轉向思想，采用雙重轉向控制策略。以車輛的橫擺角速度為控制目標，設計了自抗擾控制器，通過調整兩側輪轂電機轉矩輸出產生直接橫擺力矩，進而調節車輛橫擺角速度，實現裝甲車輛雙重轉向。在Adams中建立車輛動力學模型的基礎上，構建Adams與Matlab環境中的聯合仿真模型，并進行了聯合仿真，結果表明，基于直接橫擺力矩控制的雙重轉向增大了外側動力輸出，減小了車輛在中低速轉向時轉向半徑，提高了車輛的轉向性能。

輪轂電機，橫擺角速度，雙重轉向控制，聯合仿真，橫擺力矩

引言

直接橫擺力矩控制是車輛先進的主動安全技術之一，對于機械車輛這些控制系統一般由復雜的機械機構來實現［1］。輪轂電機驅動裝甲車輛，取消了驅動輪之間的機械連接，每個輪子裝有一個驅動電機，驅動輪的自由度大大增加，控制兩側電機轉矩即可產生橫擺力矩［2］。與機械車輛動力傳動方式不同，電傳動技術可實現功率的柔性傳遞，而對各個輪轂電機的控制只需要車輛綜合控制通過總線網絡對電機控制器控制，且電機轉矩響應快、控制精度高、易于測量，相比傳統車輛具有無可比擬的優勢［3-5］。

本文借鑒履帶車輛滑移轉向，利用輪轂電機轉矩獨立可控，采用雙重轉向控制［6-7］，設計了橫擺角速度自抗擾控制器，通過直接橫擺力矩調節車輛橫擺角速度響應，從而滿足駕駛員對車輛的轉向期望。進行了Adams與Matlab環境中的聯合仿真分析，驗證了雙重轉向控制策略的有效性，為下一步實車應用提供了理論支撐。

1 八輪轂電機驅動輪式裝甲車輛結構

本文中裝甲車輛由8個輪轂電機驅動，其結構如圖1。發動機帶動發電機發電為后功率鏈8個輪轂電動機提供電能，在功率需求較小時，可為動力電池、超級電容充電，當發動機不能滿足功率需求時，由動力電池和超級電容放電補充。各個輪轂電機之間沒有任何的機械連接，車輛綜合控制器通過總線對各個輪轂電機控制，使車輛控制自由度將大大增加。

圖1 八輪轂電機驅動輪式裝甲車輛結構

2 雙重轉向控制

機械傳動的輪式車輛轉向通過轉向機構和差速器來實現，在車輪轉過一定角度時，由于內外側車輪地面阻力不同，動力經差速器后內外側輸出不同轉速，內外側轉矩基本保持相等，在良好路面上具有較好性能，但其越野工況下性能變差，所以一般越野車輛裝有限滑差速器。履帶車輛的滑移轉向具有較好的越野性能，但其功率損耗較大，履帶磨損大。雙重轉向就是將兩種轉向方式結合起來，在保持原有輪式車輛轉向角不變的情況下，利用滑移轉向來減小車輛的轉向半徑。對于輪轂電機驅動輪式裝甲車輛，采用雙重轉向時，可將內側電機的制動功率轉移到外側電機，提高了能量的利用率，同時必然也增加了輪胎磨損。

2.1 車輛動力學模型

電驅動裝甲車輛采用了雙前橋轉向機構，即車輛在轉向時前四輪轉過一定角度，后四輪轉向角為零。建立車輛等效二自由度單軌模型，狀態變量X=［γ β］τ，則系統的狀態方程：

其中：

式中：M為橫擺力矩，l為車輛內外側輪距；Vx為車輛質心縱向速度；β為車身側偏角；αi為第i軸輪子側偏角；γ為橫擺角速度；δi為第i軸輪子轉向角；Ci為第i軸車輪側偏剛度（i=a，b，c，d）；m為整車質量；Iz為車輛的轉動慣量，F1（t）、F2（t）狀態方程中的擾動。

2.2 參考橫擺角速度

輪式車輛的質心側偏角較小的情況下，由線性二自由度車輛決定的車輛橫擺角速度對車輛來說是最穩定的［8-9］。當不考慮側向力飽和，橫擺力矩輸出為零時，根據式（1）計算得到車輛期望的橫擺角速度為：

車輛在行駛過程中受路面附著條件的影響，其側向加速度必須有如下約束：

式中，ay為車輛側向加速度，μ為路面附著系數。

在質心側偏角很小時有：ay≈γ·Vx，所以期望的橫擺角速度還應該滿足如下條件：

在車輛行駛中低速時，為了減小車輛的轉向半徑，提高車輛的靈活性能，增大參考橫擺角速度，使車輛轉向過程中外側輸出更大的動力，但同時要保證行駛安全性能，所以參考橫擺角速度取為：

式中，K為調整參數，K越大車輛滑移轉向比例越大，車輛速度在35 km/h以上時，K=1，不具有滑移轉向性能，此時以車輛穩定性為控制目標。

2.3 橫擺角速度自抗擾控制器設計

關于車輛橫擺角速度控制有PID控制、模糊控制、滑?？刂频?。裝甲車輛行駛工況復雜，車輛行駛過程中將受到各種不確定因素影響，本文引入自抗擾控制，通過實時估計并補償車輛行駛過程受到的各種擾動，結合特殊的非線性反饋結構。

首先將狀態方程轉化為嚴格的反饋系統，令：

則得到嚴格的反饋系統：

其中，新狀態方程中的擾動：

橫擺角速度自抗擾控制器包括擴張狀態觀測器、非線性誤差反饋率、微分跟蹤器設計。

裝甲車輛行駛工況復雜，車輛行駛過程中將受到各種不確定因素影響，都可等效到擾動F'（t）中，通過擴張狀態觀測器估計總的擾動：

微分跟蹤器：采用二階微分跟蹤器，負責安排給定橫擺角速度信號的過渡過程，對給定的輸入信號γref，它將輸出兩個信號γref1和γref2。

式中，fst（●）為最速控制綜合函數。

將系統變成積分器串聯型，則自抗擾控制器的橫擺力矩輸出滿足下式：

根據車輛的等效模型計算得到橫擺力矩，需通過改變兩側車輪縱向力實現車輛雙重轉向，車輛的縱向力同時也要滿足車輛縱向加速度要求，即：

其中，各軸分配的橫擺力矩分別為

在車輪不發生滑轉時，電機驅動力很快傳遞到地面，將橫擺力矩平均分配到各個輪轂電機上，則各個輪轂電機分配的轉矩為：

式中，ΔS為調整量，S為駕駛員需求轉矩，其中S=（-1）kσj式進行計算，其中S∈［0，1］為制動和加速踏板的歸一化行程，j作為駕駛員駕駛習慣調整參數取j=1.618，Tmax（n）為輪轂電機轉矩外特性曲線。

輪轂電機的轉矩瞬態響應性能比車輪的瞬態響應要快幾十倍，本文將電機的轉矩模型簡化為一階動態系統模型：

3 基于Adams動力學建模

采用了多體動力學Adams建立裝甲車輛的動力學模型，包括車身模型、懸架模型、雙前橋轉向機構模型以及輪胎與地面模型。這里主要介紹車輛轉向機構建模。轉向機構由橫拉桿、副橫拉桿、轉向立柱、轉向擺臂等組成，此結構實現了雙前橋轉向功能，轉向器搖臂通過四連桿結構帶動前右搖臂運動，前右擺臂帶動一橋橫拉桿運動，并通過縱拉桿帶動后右擺臂運動，前、后擺臂通過副橫拉桿與轉向節相連，帶動車輪轉向。四連桿結構使前后橋形成斷開梯形狀，符合轉向阿克曼原理。整個轉向系統包含個18個約束副，其中5個球型副、6個旋轉副、3個圓柱副、2個萬向副、1個移動副、1個固定副。

圖2 轉向機構模型

4 聯合仿真及試驗分析

4.1 聯合仿真模型建立

在Adams中建立車輛動力學模型后，采用Matlab/Simulink平臺進行控制模塊搭建和算法編程，而后進行聯合仿真。驅動電機輸出電磁轉矩作為驅動車輛的主動力矩，由Matlab中的電機模型輸出到Adams環境中的車輪上，驅動車輛在生成的虛擬路面上行駛，基于Matlab的驅動系統仿真中需要的電機轉速、車輛橫擺角速度等變量，由Adams車輛動力學模型中反饋，Matlab與Adams軟件之間通過專門的接口模塊實現參數的傳遞。其聯合仿真模型如圖3所示。

圖3 聯合仿真模型

4.2 工況仿真分析

文獻［10］針對電動輪汽車采用了自適應的轉矩控制思想，轉向時不改變內外側的轉矩，讓車輛通過地面阻力自動調整各車輪轉速，實現電動汽車的轉向。本文通過有橫擺力矩控制、等轉矩控制對比說明前者對于裝甲車輛轉向性能的提升。

駕駛員在t=2 s時給定油門信號0.25，車輛開始加速，當t=10 s時，給定前輪轉角階躍信號如圖4所示。圖5、圖6分別為兩種情況下車輛橫擺角速度響應，在沒有橫擺力矩控制時，實際橫擺角速度不能跟蹤上參考，有控制時橫擺角速度自抗擾控制TD輸出，很好實現給定的跟蹤和提取其微分信號，在實際控制系統中TD同時可以起到濾波作用，實際橫擺角速度較好跟蹤了參考值。圖7為兩種情況下車輛質心的行駛軌跡，顯然采用橫擺力矩控制時車輛轉向半徑較小。

圖4 第一軸外輪轉角

圖5 有控制時車輛橫擺角速度和TD輸出

圖6 無控制時車輛橫擺角速度

圖7 車輛質心運動軌跡

圖8 車速和前四輪線速度

圖9 車速和前四輪線速度

圖10 車輛內外側電機轉矩控制量

圖11 車輛內外側電機實際轉矩響應

兩種情況下，車輛的車速和前四輪線速度響應如圖8、圖9。有橫擺力矩控制時，內外輪速差速更大。如圖10、圖11為采用橫擺角速度自抗擾控制時內外側電機的轉矩給定和響應，顯然外側電機轉矩控制量增大，內側電機轉矩減小，當減小到小于零時內側電機制動，將制動功率轉移到外側電機，一方面提高能量的利用率，另一方面也利用了履帶車輛滑移轉向。顯然若完全采用履帶車輛的滑移轉向勢必造成裝甲車輛輪胎極大磨損，所以采用了兩者的折中，既提高了裝甲車輛的轉向性能，同時降低輪胎磨損。

5 結 論

本文利用電驅動裝甲車輛輪轂電機轉矩獨立可控的優勢，設計了車輛橫擺角速度自抗擾控制器，計算需求橫擺力矩，通過增大車輛外側電機轉矩輸出，減小內側電機轉矩輸出，實現輪式裝甲車輛的雙重轉向。最后進行了Matlab與Adams的聯合仿真，驗證了控制算法的有效性，為下一步實車應用提供了理論支撐。

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Co-simulation Research of Dual-steering Control for Multi-in-wheel Motors Drive Armored Vehicle

SU Jian-qiang，MA Xiao-jun，XIANG Yu，YANG Gui-bing
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

To improve the steering agility and off-road mobility of multi-in-wheel motors drive armored wheeled vehicle，the dual-steering control is adopted corresponding to the tracked vehicle steering way.The target of control system is the vehicle yaw rate，and active disturbance rejection controller is designed.Yaw moment torque is produced by adjusting the both sides of the in-wheel motor torque output to achieve the target of reference yaw rate.The vehicle kinetics model is built in the Adams，and the co-simulation model is designed base on the Adams and Matlab.At last cosimulation is carried out.The results of simulation demonstrate that the dual-steering control increased the vehicle outboard power output and decreased the steering radius.The method could improve the steering performance.

In-wheel motor，yaw rate，dual-steering control，co-simulation，yaw moment torque

TJ811

A

1002-0640（2014）11-0128-05

2013-08-30

2013-11-05

軍隊預研基金資助項目（40402050101）

蘇建強（1983- ），男，內蒙古烏拉特前旗人，博士研究生。研究方向：電力傳動控制技術研究。