基于控制分配方法的全轮驱动与电子限滑差速器系统控制器设计

《Machines》：Controller Design for AWD and eLSD Systems Using a Control Allocation Method

　　

本文提出了一种针对配备全轮驱动（AWD）与电子限滑差速器（eLSD）车辆的集成控制分配方法。与电驱动系统不同，AWD和eLSD系统的可允许离合器输入随传动系统结构、发动机扭矩和车辆运行条件而变化。为解决此问题，研究人员设计了一个加权最小二乘（WLS）控制分配框架，在考虑物理推导输入约束的同时协调转移离合器及左右eLSD离合器。所提控制器在CarSim–Simulink AWD-eLSD车辆模型上进行了评估，模拟了高摩擦与中摩擦路面上稳态转弯加速及双移线变道工况。仿真结果表明，与未控制及最大eLSD输入情况相比，所提方法在保持较小侧偏角和有限后轮滑移率的同时改善了横摆角速度跟踪。此外，所提控制分配方法的计算时间显著低于基于模型预测控制（MPC）的方法，支持其适用于实时AWD和eLSD控制应用。

**论文解读：基于控制分配方法的AWD与eLSD系统集成控制器设计**

**研究背景与问题**

大多数车辆传动系统采用开放式差速器，4×2布局最为常见。然而，为提升车辆动态性能，工程师在传动系统中加装分动箱和限滑差速器等机械部件，以可变方式分配前后轴及左右轮驱动力矩。分动箱实现4×4驱动，增强低摩擦路面下的加速和侧向稳定性；限滑差速器则克服开放式差速器在左右轮摩擦系数差异大时驱动力损失的问题。随着电子执行器（如电机、泵）的发展，这些装置进化为电子或电液系统，可通过离合器接合实现即时可变扭矩分配，从而提升牵引能力和操纵性。

当车辆同时配备AWD（全轮驱动）和eLSD（电子限滑差速器）时，系统具有多个控制输入。开发集成控制器以同时考虑所有输入，有望提升整体车辆性能。现有研究在集成底盘控制方面已取得进展，但存在两个问题：第一，多数研究聚焦于电动驱动车辆或传统底盘执行器，未系统考虑基于离合器的扭矩分配装置（如分动箱和eLSD）作为集成控制输入；第二，尽管轮胎力极限等状态约束已被广泛处理，但基于离合器的传动系统输入约束未充分纳入控制器设计。在AWD和eLSD系统中，可允许离合器输入由传动系统机械结构、车辆参数、惯性状态及当前发动机扭矩决定，因此显式考虑这些输入约束对提升车辆响应与保持物理可行执行器命令至关重要。模型预测控制（MPC）能处理约束，但计算负荷随预测时域、采样分辨率和输入数量增加而增大，不利于实时实现。为此，本研究采用控制分配方法，其适用于过驱动系统（控制输入数量多于被控变量），且计算时间显著低于MPC，适合实时控制。

**研究内容与结论**

研究人员提出了一种集成控制分配方法，针对配备AWD和eLSD系统的车辆。首先，建立了平面整车模型与车轮动力学模型，直接表达离合器接合力与车辆运动的关系。其次，基于传动系统机械结构和车辆运行条件推导了转移离合器及左右eLSD离合器的输入约束。由于系统具有三个控制输入与两个虚拟控制目标（纵向力和横摆力矩），将其构造为过驱动系统，并采用加权最小二乘（WLS）控制分配方法求解。通过CarSim-Simulink联合仿真，在稳态转弯加速和双移线变道两种工况下，分别在高摩擦（μ=0.85）和中摩擦（μ=0.5）路面上评估控制器性能。与未控制情况和最大eLSD输入情况进行对比。仿真结果表明：所提方法改善了横摆角速度跟踪误差，同时维持较小侧偏角和有界后轮滑移率；在中摩擦双移线变道工况下，未控制车辆和最大eLSD输入情况无法保持稳定车道跟随，而所提控制器通过协调转移离合器和左右eLSD离合器成功完成操纵；所提方法还将求解器计算时间降低至MPC方法的一半以下，适用于实时AWD和eLSD控制。论文发表在《Machines》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用加权最小二乘（WLS）控制分配框架，将虚拟控制输入（总纵向力、横摆力矩）与实际控制输入（三个离合器接合力）通过控制效率矩阵关联。基于WLS方法，通过最小化加权代价函数并考虑输入约束（由离合器滑移/锁止状态、车辆参数和惯性状态决定）求解最优实际输入。虚拟控制律由车辆运动方程导出，包含比例增益。实际输入参考值基于前后轴及左右轮扭矩分配和期望滑移率设计。约束条件由离合器系统特性决定，未考虑轮胎非线性与路面附着极限。仿真使用CarSim车辆模型，AWD和eLSD的离合器动力学在Simulink中建模并集成，样本为基于全尺寸轿车的车辆参数。

**研究结果**

**1. 稳态转弯加速工况（高摩擦μ=0.85）**
- 横摆角速度误差：未控制车辆因加速出现负误差（不足转向），所提控制器减小误差，最大eLSD输入则产生过度横摆响应，误差符号间歇变化。
- 侧偏角：未控制车辆侧偏角逐渐增大，所提控制器保持较小值，最大eLSD输入导致最大侧偏角。
- 后轮滑移率：所提控制器将两后轮滑移率控制在0.05以下，最大eLSD输入导致外后轮（右后轮）滑移率大幅增大。
- 驱动轴扭矩：所提控制器根据横摆角速度误差和横向载荷转移调整左右后轮扭矩差，避免不必要的最大离合器接合。

**2. 稳态转弯加速工况（中摩擦μ=0.5）**
- 横摆角速度误差：未控制车辆在加速初期误差大幅增大，最大eLSD输入出现不稳定响应，所提控制器误差保持在约±0.1 rad/s范围内。
- 侧偏角：所提控制器侧偏角最小，接近高摩擦条件。
- 后轮滑移率：最大eLSD输入产生大滑移，所提控制器仍保持在0.05以下，但略高于高摩擦情况。
- 驱动轴扭矩：前轴扭矩增加，左右后轮扭矩分配仍受有效调节。

**3. 双移线变道工况（高摩擦μ=0.85）**
- 横摆角速度误差：所提控制器误差整体小于未控制车辆，最大eLSD输入产生更大振荡误差。
- 侧偏角：所提控制器在某些时段侧偏角略大，但绝对值低于0.02 rad，保持稳定；最大eLSD输入导致更大变化。
- 后轮滑移率：最大eLSD输入导致左右后轮滑移率随横摆方向切换，所提控制器抑制此切换行为，保持较小峰值。
- 驱动轴扭矩：所提控制器根据操纵方向改变左右后轮扭矩分配。

**4. 双移线变道工况（中摩擦μ=0.5，最严苛场景）**
- 未控制车辆和最大eLSD输入均无法保持稳定车道跟随，横摆角速度误差、侧偏角和滑移率迅速超出正常范围。
- 所提控制器完成操纵，横摆角速度误差有限（最终阶段略有增大），侧偏角绝对值低于0.03 rad，后轮滑移率仅略微增加，eLSD输入命令低于限值的1/4。
- 额外仿真显示，当路面摩擦系数降至0.3时，AWD和eLSD系统无法可靠控制车辆，需ESC和ABS等额外干预。

**5. 计算时间对比**
- 所提控制分配方法的求解器计算时间不足MPC方法的一半，且未计入估计器计算时间，表明其更适合实时实现。

**总结与结论**

本研究提出了一种针对AWD和eLSD系统的集成控制分配方法。通过建立车辆与传动系统数学模型，推导了离合器输入约束，并采用WLS控制分配协调三个离合器。仿真验证了该方法在横摆角速度跟踪、侧偏角抑制和滑移率控制方面的优势，尤其在中摩擦双移线变道工况下，未控制和最大eLSD输入失效，而所提控制器成功完成操纵。结果表明，最大eLSD接合力并非总是有益，过度接合会降低轮胎侧向力裕度。所提方法避免了不必要的最大接合，按需分配执行器输入，改善了平衡性能。此外，计算时间优势支持其实时应用。

**讨论部分**：尽管所提方法有效，但存在局限性：控制器未包含纵向速度和路面摩擦系数估计器，而这两者显著影响性能，因此控制器稳定性与性能的确定验证未得到保证。未来工作应使用实车或高保真HiLS环境进行估计器与控制器的集成验证。WLS方法也存在改进空间，包括确定更清晰解耦车辆动力学与轮胎力利用的虚拟输入、修改输入约束以考虑轮胎-路面附着极限，以及优化加权因子。此外，考虑更详细的eLSD离合器动力学（如部分锁止行为及滑移与锁止状态转换）有望进一步改进控制分配框架。

**研究结论翻译**：本研究提出了一种针对配备AWD和eLSD系统的车辆的集成控制分配方法。首先，建立了数学车辆与传动系统模型以表达离合器接合力与车辆运动的关系。基于该模型，通过考虑传动系统机械结构和车辆运行条件推导了转移离合器及左右eLSD离合器的输入约束。由于AWD-eLSD系统具有三个控制输入和两个代表性虚拟控制目标，该系统被构造为过驱动系统，并应用了WLS控制分配方法。通过CarSim-Simulink联合仿真，在两种加速工况（稳态转弯加速和双移线变道加速）下评估了所提控制器的有效性，考虑了高摩擦和中摩擦路面条件。所提控制器与未控制情况及最大eLSD离合器输入情况进行了比较。仿真结果表明，所提控制器在保持较小侧偏角和有界后轮滑移率的同时减少了横摆角速度跟踪误差。特别是在中摩擦双移线变道条件下，未控制车辆和最大eLSD输入情况未能保持稳定车道跟随行为，而所提控制器通过适当协调转移离合器及左右eLSD离合器成功完成了操纵。结果还表明，施加最大eLSD离合器力并非总是有益的。尽管eLSD接合可以产生附加横摆力矩，但过度的离合器输入会减少轮胎侧向力裕度并增加侧偏角或车轮滑移，尤其在低摩擦条件下。所提控制分配方法避免了不必要的最大离合器接合，并根据所需虚拟控制需求分配可用执行器输入，因此改善了横摆角速度跟踪、侧向稳定性和滑移抑制之间的平衡。此外，与基于MPC的方法相比，所提方法减少了求解器计算时间。这一结果支持了控制分配在AWD和eLSD控制系统实时实现中的适用性。