Torque vectoring control algorithm for enhanced limit handling performance

Abstract

This dissertation comprehensively details the design of a torque vectoring control algorithm for enhanced cornering performance using two front in-wheel motors (IWMs) and electronic limited slip differential (eLSD) at the rear axle. The main scopes to be covered in this dissertation can be divided into two categories: 1) individual control of IWM for torque vectoring control at the front axle; 2) integrated control of IWM and eLSD for both front and rear axle. First, an individual control strategy of two front IWMs in a rear-wheel-drive vehicle has been designed to improve the cornering performance. The individual control of IWMs consists of steady-state and transient control input. The steady-state control input is devised to improve the steady-state cornering response with modifying the vehicle understeer gradient, and the transient control input is designed to enhance the lateral stability by increasing the yaw rate damping coefficient. The proposed algorithm has been investigated through both computer simulations and vehicle tests, in order to show that the proposed algorithm can enhance the cornering response achieving the control objectives and to show the superior control performance compared to the other cases, such as yaw rate tracking algorithm and uncontrolled case. Second, the integrated control of two front IWMs and eLSD is designed to enhance the cornering performance at high speeds considering the characteristics of each actuator. The two front IWMs are controlled to improve the cornering performance based on a feedforward control, and the eLSD is utilized for the yaw rate feedback control. The computer simulations are conducted to show the effects of each actuator on the vehicle lateral motion at aggressive cornering with longitudinal acceleration and deceleration. Additionally, vehicle test results show that the proposed controller improves the cornering performance at the limits of handling compared to the uncontrolled case. In summary, this dissertation proposes a control algorithm for an enhanced limit handling performance based on vehicle understeer gradient and yaw rate damping characteristics, addressing also integrated control of in-wheel motors and electronic limited slip differential with considering the characteristics of each actuator. The proposed IWM control law is formulated to shape the understeer characteristics during steady-state cornering and yaw rate damping characteristic during transient cornering, and the eLSD control is designed to track the reference yaw rate. Computer simulations and vehicle tests are conducted to validate the control performance of the proposed algorithm, showing significant improvements in the agility and the stability of a test vehicle without chattering issues. Additionally, the vehicle tests at a racing track confirm the enhanced limit handling performance.

본 논문은 전륜 인휠모터와 후륜 전자식 차동 제한 장치를 이용하여 선회 성능 개선을 위한 토크벡터링 제어 알고리즘에 대해 포괄적으로 설명하였다. 본 논문에서 다루는 주요 연구 범위는 크게 두 가지 범주로 나뉠 수 있다. 첫 번째는 전륜 인휠모터를 이용한 개별적인 토크벡터링 제어이고, 두 번째는 전륜 인휠모터 및 후륜 전자식 차동제한장치를 모두 이용한 전후륜 통합 토크벡터링 제어이다. 첫 번째로, 후륜 구동 차량 내에서 두 개의 전륜 인휠 모터를 활용한 선회 성능 개선을 위한 제어 알고리즘이 설계되었다. 인휠 모터 독립 제어는 정상상태 제어 입력과 과도응답 상태 제어 입력으로 구성되어 있다. 정상상태 제어 입력은 차량의 언더스티어 구배를 변형하면서 정상상태 선회 반응을 개선하기 위해 고안되었고, 과도응답 상태 제어 입력은 차량의 요댐핑 계수를 증가시킴으로써 차량의 횡방향 안정성을 개선하기 위해 설계되었다. 제안된 알고리즘의 성능은 컴퓨터 시뮬레이션과 차량 실험을 통해 확인하였다. 실험 결과에서 알 수 있듯이, 제안된 알고리즘은 제어 목표를 달성하며 차량의 선회 성능을 개선할 수 있었다. 두 번째로, 각 엑츄에이터의 특성을 고려하고 고속 주행 상황에서의 선회 성능을 개선하기 위해, 두 개의 전륜 인휠 모터와 후륜의 전자식 차동 제한 장치의 통합 제어 알고리즘이 설계되었다. 두 개의 전륜 인휠 모터는 피드포워드 제어를 기반으로 선회 성능을 개선하기 위해 제어되었고, 후륜의 전자식 차동 제한 장치는 요레이트 피드백 제어를 위해 활용되었다. 컴퓨터 시뮬레이션은 감가속을 포함한 공격적인 선회 상황에서 각 엑츄에이터의 제어 효과를 보여주기 위해 수행되었다. 추가적으로, 차량 실험 결과를 통해 제안된 제어기가 제어되지 않은 경우에 비해 핸들링 한계 상황에서의 선회 성능을 개선할 수 있다는 점을 보여주었다. 요약하자면, 본 연구에서는 차량의 언더스티어 그레디언트와 요레이트 댐핑 특성에 기반한 한계 핸들링 성능 개선을 위한 제어 알고리즘을 제안하였다. 또한, 인휠모터와 전자식 차동 제한 장치의 각 엑츄에이터 특성을 고려하여 인휠모터와 전자식 차동 제한 장치의 통합 제어에 대해 다루었다. 제안된 인휠모터 제어기는 정상상태 선회에서의 언더스티어 그레디언트와 과도응답상태 선회에서의 요레이트 댐핑 특성을 변형하기 위해 고안되었고, 전자식 차동 제한 장치 제어는 목표 요레이트를 추종하기 위해 설계되었다. 제안된 제어기를 검증하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션과 실차 실험이 진행되었고, 차량의 선회 안정성과 민첩성이 채터링 문제없이 확연히 개선된다는 것을 보여주었다. 추가적으로, 레이싱 트랙에서의 실차 실험을 통해 개선된 한계 핸들링 성능 또한 제시되었다.