本文關(guān)鍵詞： 車輛動(dòng)力學(xué) 電動(dòng)汽車 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng) 狀態(tài)估計(jì) 直接橫擺力矩控制　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著科技的進(jìn)步發(fā)展,輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)一定會(huì)成為未來電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向,由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車是一種全新的驅(qū)動(dòng)形式,因此需要專門對(duì)其動(dòng)力學(xué)控制特性進(jìn)行分析研究。本文的研究依托于國(guó)家科技部國(guó)際科技合作計(jì)劃“先進(jìn)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)平臺(tái)聯(lián)合研發(fā)”,以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車為研究對(duì)象,基于運(yùn)動(dòng)學(xué)、車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制原理,設(shè)計(jì)車輛的直接橫擺力矩控制系統(tǒng),進(jìn)行車輛狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與控制策略的開發(fā),并且搭建了離線仿真平臺(tái)、實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)樣車進(jìn)行控制器效果的驗(yàn)證,以充分發(fā)揮輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車在動(dòng)力學(xué)控制研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。本文的主要研究工作如下:(1)針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了縱向車速估計(jì)、道路附著情況辨識(shí)以及到質(zhì)心側(cè)偏角的觀測(cè)方法。首先,利用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法,融合GPS信息與車載INS信息對(duì)縱向車速進(jìn)行估計(jì),GPS信號(hào)的高精度可以幫助修正車載INS的偏差,得到修正后的縱向加速度,以信息更新時(shí)刻GPS測(cè)量的縱向車速為基準(zhǔn),將修正后的相對(duì)坐標(biāo)系下的縱向加速度進(jìn)行積分計(jì)算,求得車輛縱向車速的估計(jì)值,既能保證車速估計(jì)的準(zhǔn)確性,還能提高車速估計(jì)的實(shí)時(shí)性。其次,提出了一種基于過程數(shù)學(xué)模型識(shí)別路面條件的方法,該方法劃分??s曲線為線性區(qū)、近線性區(qū)與非線性區(qū)三個(gè)區(qū)間,建立在其線性區(qū)間內(nèi)斜率K的過程數(shù)學(xué)模型,并選擇遞推最小二乘法對(duì)K進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí),不同的K值對(duì)應(yīng)著不同的路面條件。最后基于無跡卡爾曼濾波技術(shù)設(shè)計(jì)車輛質(zhì)心側(cè)偏角觀測(cè)器,建立了包括縱向、側(cè)向、橫擺三個(gè)方向并且考慮軸荷轉(zhuǎn)移的非線性車輛動(dòng)力學(xué)模型,引入了考慮動(dòng)態(tài)特性的修正Dugoff輪胎模型提高輪胎側(cè)向力計(jì)算精度,試驗(yàn)結(jié)果表明,基于無跡卡爾曼濾波技術(shù)建立的觀測(cè)器能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì),即使車輛進(jìn)入非線性區(qū)域,估計(jì)精度依然能夠得到保證。(2)基于分層式控制結(jié)構(gòu)的思想,設(shè)計(jì)橫擺力矩控制系統(tǒng)的控制器。在闡述車輛穩(wěn)定性分別與橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角關(guān)系的基礎(chǔ)上,確定基于d???相平面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的上層控制器。針對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角及質(zhì)心側(cè)偏角速度的相平面進(jìn)行了研究,通過分析車速、路面附著及前輪轉(zhuǎn)角變化時(shí)對(duì)d???相平面軌跡的影響總結(jié)出了相平面穩(wěn)定邊界的計(jì)算方法并且確定了車輛橫擺力矩控制的穩(wěn)定性判據(jù)mL。分析當(dāng)前非線性車體運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,選擇滑�？刂评碚搧斫鉀Q車體運(yùn)動(dòng)控制問題,并建立了基于穩(wěn)定性判據(jù)mL的滑模面切換機(jī)制,當(dāng)mL為正值時(shí),車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域外,系統(tǒng)控制以穩(wěn)定性控制為主,采用質(zhì)心側(cè)偏角為控制目標(biāo)建立滑模面;當(dāng)mL為負(fù)值或零時(shí),車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)被控制到穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)部,處于線性狀態(tài),系統(tǒng)控制以改善操縱性能為主,采用橫擺角速度作為控制目標(biāo)建立滑模面,既保證了車輛的行駛穩(wěn)定性,又提高了車輛的操縱性。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)穩(wěn)定邊界的合理性以及橫擺力矩控制系統(tǒng)的控制效果。(3)下層控制器將橫擺力矩作為控制狀態(tài),在考慮路面附著和電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩約束下選取帶有權(quán)重系數(shù)的輪胎利用率平方和作為穩(wěn)定性控制的優(yōu)化目標(biāo)對(duì)車輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化分配,在確定權(quán)重系數(shù)時(shí),后軸權(quán)重系數(shù)要不小于前軸,保證車輛控制的穩(wěn)定性。此外,本文定量分析了輪轂電機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性對(duì)橫擺力矩控制系統(tǒng)的影響,建立以輪轂電機(jī)為執(zhí)行系統(tǒng)的車輛橫擺控制系統(tǒng),并推導(dǎo)了系統(tǒng)的傳遞函數(shù),利用工程上對(duì)控制系統(tǒng)的頻域響應(yīng)指標(biāo)得到橫擺控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間常數(shù)的需求范圍,還通過車輛動(dòng)力學(xué)模型仿真分析不同時(shí)間常數(shù)?對(duì)橫擺力矩控制系統(tǒng)的影響,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致,表明所提出的響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)能夠滿足車輛橫擺力矩控制系統(tǒng)的需求。(4)搭建實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的橫擺力矩控制算法實(shí)時(shí)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)�；赑XI硬件平臺(tái)搭建輪轂電機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái),完成了車輛模型、傳感器、控制器以及執(zhí)行器等部分的選型和調(diào)試工作。在測(cè)試平臺(tái)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭建中,針對(duì)傳統(tǒng)的電機(jī)建模精度較低的問題,進(jìn)行了永磁同步電機(jī)的有限元分析和建模,準(zhǔn)確地還原電機(jī)的電磁特性,提高其仿真精度,并且通過FPGA模塊高速運(yùn)算電驅(qū)動(dòng)模型提高其實(shí)時(shí)性能。對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果可以看出電機(jī)有限元模型能較準(zhǔn)確的反映出電機(jī)真實(shí)工作性能,精度較高,非常適合用來進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)的搭建�；诖罱ê玫臏y(cè)試平臺(tái)選擇不同行駛工況來評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)橫擺力矩控制算法的實(shí)時(shí)特性以及實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)各模塊之間的協(xié)調(diào)性。(5)使用Motohawk快速原型控制器開發(fā)平臺(tái)搭建輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的試驗(yàn)樣車,所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器與控制算法均被移植到控制器中。根據(jù)整車參數(shù)與車輛性能預(yù)期要求,對(duì)電機(jī)的基本參數(shù)進(jìn)行匹配估算。在樣車試制過程中,受到工藝水平與成本的限制,試驗(yàn)樣車只在后軸安裝兩個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),單獨(dú)設(shè)計(jì)了多連桿后懸架系統(tǒng),懸架系統(tǒng)與輪轂電機(jī)總成配合良好,能夠保證樣車具有良好的運(yùn)動(dòng)性,解決了輪轂電機(jī)帶來的簧下質(zhì)量增加難題。為了保證實(shí)車試驗(yàn)的順利進(jìn)行,試驗(yàn)車還安裝了慣性導(dǎo)航儀、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等測(cè)量系統(tǒng),用于相關(guān)信號(hào)的采集。最后進(jìn)行道路試驗(yàn)對(duì)本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀測(cè)器以及橫擺力矩控制系統(tǒng)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。
[Abstract]:With the development of technology , hub motor driven electric automobile will become an important development direction for future EV industry by means of its own technical advantages . The research work is as follows : ( 1 ) To design and control the vehicle ' s longitudinal speed by means of kinematics , vehicle system dynamics and control principle . ( 2 ) Based on layered control structure , the controller of yaw moment control system is designed . ( 4 ) A real - time test platform is set up to evaluate the real - time characteristics of the yaw moment control algorithm designed in this paper .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U469.72

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本文編號(hào)：1460769