本文關(guān)鍵詞： 車輛動力學(xué) 電動汽車 輪轂電機驅(qū)動 狀態(tài)估計 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】：隨著科技的進步發(fā)展,輪轂電機驅(qū)動電動汽車憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢一定會成為未來電動汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向,由于輪轂電機驅(qū)動汽車是一種全新的驅(qū)動形式,因此需要專門對其動力學(xué)控制特性進行分析研究。本文的研究依托于國家科技部國際科技合作計劃“先進輪轂電機驅(qū)動電動汽車技術(shù)平臺聯(lián)合研發(fā)”,以輪轂電機驅(qū)動汽車為研究對象,基于運動學(xué)、車輛系統(tǒng)動力學(xué)及其控制原理,設(shè)計車輛的直接橫擺力矩控制系統(tǒng),進行車輛狀態(tài)觀測器的設(shè)計與控制策略的開發(fā),并且搭建了離線仿真平臺、實時測試平臺與輪轂電機驅(qū)動試驗樣車進行控制器效果的驗證,以充分發(fā)揮輪轂電機驅(qū)動汽車在動力學(xué)控制研究領(lǐng)域的優(yōu)勢。本文的主要研究工作如下:(1)針對輪轂電機驅(qū)動汽車的特點,設(shè)計了縱向車速估計、道路附著情況辨識以及到質(zhì)心側(cè)偏角的觀測方法。首先,利用運動學(xué)方法,融合GPS信息與車載INS信息對縱向車速進行估計,GPS信號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,以信息更新時刻GPS測量的縱向車速為基準,將修正后的相對坐標系下的縱向加速度進行積分計算,求得車輛縱向車速的估計值,既能保證車速估計的準確性,還能提高車速估計的實時性。其次,提出了一種基于過程數(shù)學(xué)模型識別路面條件的方法,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K進行實時辨識,不同的K值對應(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)計車輛質(zhì)心側(cè)偏角觀測器,建立了包括縱向、側(cè)向、橫擺三個方向并且考慮軸荷轉(zhuǎn)移的非線性車輛動力學(xué)模型,引入了考慮動態(tài)特性的修正Dugoff輪胎模型提高輪胎側(cè)向力計算精度,試驗結(jié)果表明,基于無跡卡爾曼濾波技術(shù)建立的觀測器能夠很好地實現(xiàn)對質(zhì)心側(cè)偏角的估計,即使車輛進入非線性區(qū)域,估計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)計系統(tǒng)的上層控制器。針對質(zhì)心側(cè)偏角及質(zhì)心側(cè)偏角速度的相平面進行了研究,通過分析車速、路面附著及前輪轉(zhuǎn)角變化時對d???相平面軌跡的影響總結(jié)出了相平面穩(wěn)定邊界的計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)前非線性車體運動控制領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,選擇滑�？刂评碚搧斫鉀Q車體運動控制問題,并建立了基于穩(wěn)定性判據(jù)mL的滑模面切換機制,當(dāng)mL為正值時,車輛運動狀態(tài)點在穩(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)偏角為控制目標建立滑模面;當(dāng)mL為負值或零時,車輛運動狀態(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。試驗結(jié)果驗證了本文所設(shè)計穩(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)化目標對車輪轉(zhuǎn)矩進行優(yōu)化分配,在確定權(quán)重系數(shù)時,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的瞬態(tài)響應(yīng)特性對橫擺力矩控制系統(tǒng)的影響,建立以輪轂電機為執(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),利用工程上對控制系統(tǒng)的頻域響應(yīng)指標得到橫擺控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間常數(shù)的需求范圍,還通過車輛動力學(xué)模型仿真分析不同時間常數(shù)?對橫擺力矩控制系統(tǒng)的影響,試驗結(jié)果與計算結(jié)果基本一致,表明所提出的響應(yīng)時間指標能夠滿足車輛橫擺力矩控制系統(tǒng)的需求。(4)搭建實時測試平臺對本文所設(shè)計的橫擺力矩控制算法實時特性進行評價�；赑XI硬件平臺搭建輪轂電機實時測試平臺,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。在測試平臺的電驅(qū)動系統(tǒng)搭建中,針對傳統(tǒng)的電機建模精度較低的問題,進行了永磁同步電機的有限元分析和建模,準確地還原電機的電磁特性,提高其仿真精度,并且通過FPGA模塊高速運算電驅(qū)動模型提高其實時性能。對比臺架試驗結(jié)果與仿真結(jié)果可以看出電機有限元模型能較準確的反映出電機真實工作性能,精度較高,非常適合用來進行實時測試平臺的搭建�；诖罱ê玫臏y試平臺選擇不同行駛工況來評價所設(shè)計橫擺力矩控制算法的實時特性以及實時測試平臺各模塊之間的協(xié)調(diào)性。(5)使用Motohawk快速原型控制器開發(fā)平臺搭建輪轂電機驅(qū)動電動汽車的試驗樣車,所設(shè)計的觀測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,對電機的基本參數(shù)進行匹配估算。在樣車試制過程中,受到工藝水平與成本的限制,試驗樣車只在后軸安裝兩個輪轂電機進行驅(qū)動,單獨設(shè)計了多連桿后懸架系統(tǒng),懸架系統(tǒng)與輪轂電機總成配合良好,能夠保證樣車具有良好的運動性,解決了輪轂電機帶來的簧下質(zhì)量增加難題。為了保證實車試驗的順利進行,試驗車還安裝了慣性導(dǎo)航儀、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等測量系統(tǒng),用于相關(guān)信號的采集。最后進行道路試驗對本文設(shè)計的運動狀態(tài)觀測器以及橫擺力矩控制系統(tǒng)的效果進行驗證。
[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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U469.72

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本文編號：1460769