基于路面識別的四輪輪轂電機電動汽車驅動防滑控制策略研究3.12

1、電子科技大學university of electronic science and technology of china碩士學位論文doctoral dissertation（電子科技大學圖標）論文題目學科專業(yè)學 號作者姓名指導教師分類號密級udc 注學位論文時域積分方程時間步進算法及其快速算法研究（題名和副題名）（作者姓名）指導教師教授電子科技大學成都（姓名、職稱、單位名稱）申請學位級別學科專業(yè)提交論文日期論文答辯日期學位授予單位和日期答辯委員會主席評閱人注1：注明國際十進分類法udc的類號。research on marching-on in-time scheme and thefa

2、st algorithm of time domain integral equationa doctor dissertation submitted touniversity of electronic science and technology of chinamajor:electromagnetic field and microwave technologyauthor:zhang sanadvisor：prof. li si獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經

3、發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的 說明并表示謝意。作者簽名： 日期： 年 月 日論文使用授權木學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論文 的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤, 允許論文被查閱和借閱。木人授權電子科技大學可以將學位論文的全 部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）作者簽名： 導師簽名：日期:關鍵詞:keywords:abstrac

4、t第一章緒論11.1課題背景和研究意義11.2四輪輪轂電機電動汽車國內外發(fā)展現狀31.2.1國外發(fā)展現狀31.2.2國內發(fā)展現狀41.3課題相關技術研究現狀41.3.1路面識別研究現狀41.3.2驅動防滑控制方法研究現狀51.4論文的結構安排6第二章四輪獨立驅動電動汽車整車結構及性能要求82.1四輪獨立驅動電動汽車整車結構82.1.1輪轂電機及其驅動控制系統82.1.2電池能量管理系統82.1.3電子差速系統82.14整車控制器82.2四輪獨立驅動電動汽車總體性能要求82.3四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制必要性分析82.4 本章小結9第三章 四輪獨立驅動電動汽車整車控制策略研究113.1四輪

5、輪轂電機電動汽車總體架構113.2四輪輪轂電機電動汽車仿真模型搭建113丄1參考坐標系建立123.1.2模型假設123.2.3車體動力學模型133.2.4車輪動力學模型143.2.5四輪獨立驅動/制動模型錯誤!未定義書簽。3.2.6輪胎模型143.3四輪獨立驅動電動汽車整車控制策略153.3四輪獨立驅動電動汽車整車控制策略的仿真驗證163.4.1單一路面工況下仿真分析173.4.2對開路面工況下仿真分析183.4.3對接路面工況下仿真分析193.5本章小結21第四章 四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制策略設計224.1路而附著系數估計和路而識別224丄1各輪滑移率計算224.1.2各路利用附著系

6、數估計224.1.3標準路面的獲得234.1.4路面識別算法244.2 驅動輪防滑控制254.2.1滑移率控制254.2.2轉矩補償264.3轉矩分配274.4本章小結27第五章四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制策略仿真295.1 單一路面工況仿真分析295.2對開路面工況仿真分析錯誤!未定義書簽。5.3對接路面工況仿真分析315.4減速帶路面工況仿真分析315.5本章小結31第六章全文總結與展望326.1全文總結326.2研究展望32致謝34參考文獻35攻讀碩士學位期間取得的成果36第一章緒論1.1課題背景和研究意義近年來，汽車行業(yè)迅速發(fā)展的同時，伴隨產生的環(huán)境污染問題以及節(jié)能減排 問題fi益

7、突出。電動汽車作為解決環(huán)境污染問題的方式之一，受到了人們的廣泛 關注。相比與傳統汽車，電動汽車不僅在節(jié)能減排方面具有顯著的優(yōu)勢，在控制性 能方面也具有明顯的優(yōu)勢。電動汽車的控制性能優(yōu)勢主要體現在以下三個方面叫力矩響應速度快。電動汽車的電機的轉矩響應速度一般為幾個毫秒，是傳統 汽車的內燃機或液壓剎車系統的轉矩響應速度100-500倍。此外，電動汽車的電 機不僅能產生驅動力矩還能產生制動力矩，因此在電動汽車上可以容易實現制動 防抱死系統(abs)、驅動防滑控制系統(asr)和車身電子穩(wěn)定系統(esp)o電機力矩易于測量。傳統汽車的內燃機以及液壓剎車系統的力矩很難精確測 量，而對于電動汽車，電機的輸

8、岀力矩可以通過電機電流進行測量并計算獲得。 因此通過電機的轉速、轉矩等狀態(tài)量可以很方便的對輪胎和路面之間的驅動力矩 和制動力矩進行估算，這將為依賴路面識別的控制策略的實現提供極大便利。獨立驅動系統。電動汽車的電動機(例如輪轂電機)具有體積小、功率密度高 的特點，因此電動汽車的電動機可以集成到車輪里面,利于獨立驅動系統的構建。 這為制動防抱死系統(abs)、驅動防滑控制系統(asr)以及車身電子穩(wěn)定系統(esp) 的實現提供極大的便利。而傳統汽車的內燃機由于其體積和結構原因很難實現獨 立驅動系統的構建。四輪輪轂電機電動汽車(four wheel independently drive elect

9、ric vehicle with in-wheel motor)作為一種特殊的電動汽車，其主耍結構特征在丁輪轂電機直接安 裝于車輪輪轂中，通過輪轂電機直接驅動車輪。四輪輪轂電機電動汽車的結構如 圖1-1所示。圖1-1四輪輪轂電機電動汽車結構示意圖目前，四輪輪轂電機電動汽車的研發(fā)己經成為了電動汽車領域研究熱點之一, 該車型將電機安裝到輪轂內構建四輪獨立驅動系統。這為車輛控制策略的實現提 供極大便利。而在傳統汽車中由于內燃機的體積和成本的原因很難做到四輪獨立 驅動。綜上所述，相比于傳統汽車，四輪輪轂電機電動汽車自由度較多且大多可 控所以便于控制策略的實現。隨著輪轂電機技術以及燃料電池相關技術的發(fā)展

10、， 四輪輪轂電機電動汽車將會成為汽車市場的主力軍。除了節(jié)能和減排以外，人們述關注車輛行駛安全性。當車倆由于某種原因造 成車身失穩(wěn)時，可能會引起安全事故，威脅駕乘人員的人身安全。例如，車輛在 冰雪等路面上行駛時，車輪容易產生打滑現象，從而造車車輛的失穩(wěn)甚至側翻。 所以人們提岀要對車倆進行穩(wěn)定性控制即通過對汽車進行主動安全控制，保證車 輛行駛過程中的穩(wěn)定性。目前，一些車身穩(wěn)定控制系統已經在傳統汽車上得到了 廣泛的應用，主要有：車身電子穩(wěn)定控制系統（esp）、驅動防滑控制系統（asr）、 防抱死系統（abs）、直接橫擺力矩控制系統（dyc）等。但是，四輪輪轂電機電 動汽車的結構特征與傳統汽車具有本質

11、區(qū)別，四個車輪由輪轂電機直接驅動，且 四個車輪之間不存在機械耦合。傳統汽車控制技術由于其條件的限制，只能應用 于傳統內燃機汽車。由于四輪輪轂電機電動汽車結構特征的特殊性，必須進行適 用于四輪輪轂電機電動汽車控制技術的研究。綜述所述，進行四輪輪轂電機電動汽車車身穩(wěn)定控制策略的研究以保證車輛 行駛過程中的穩(wěn)定性符合車輛動力學研究的需求以及電動汽車未來的發(fā)展趨勢。 本文利用四輪輪轂電機電動汽車控制性能方面的優(yōu)勢，進行基于路面識別的四輪 轂電機電動汽車驅動防滑控制策略的研究，研究成果可對四輪輪轂電機電動汽車 產品的研發(fā)提供理論支撐，具有一定的理論意義和實際應用價值。1.2四輪輪轂電機電動汽車國內外發(fā)展

12、現狀四輪輪轂電機電動汽車最為一種新興的驅動式電動汽車，相對于傳統汽車去掉 了離合器、變速器、傳動軸、差速器及分動器等部件，簡化了整車結構，不僅提 高了車輛結構布置的靈活性，而且減少了機械傳動過程中的能量損失以及機械磨 損。由于四輪輪轂電機電動汽車采用輪轂電機技術將動力、傳遞和制動裝置整合 到輪轂內，其動力性能相對于傳統汽車有了很大的提高。例如裝備自動變速箱的 傳統汽車傳動響應時間大約為300毫秒，而輪轂電機期望轉矩輸出的響應時間一 般只有幾個毫秒。同時，由于四個車輪輪轂電機的轉矩獨立可控，并且電機相對 于內燃機具有更快的響應速度，相比于傳統汽車，四輪輪轂電機電動汽車具有更 好的可控性。因此，四

13、輪輪轂電機電動汽車已經成為電動汽車的研究熱點之一。1.2.1國外發(fā)展現狀最早發(fā)明的輪轂電機電動汽車可追溯到19世紀，是保時捷公司在1900年設計 的loher porche5,但受限于當時的技術水平和生產工藝，輪轂電機電動汽車未能 開展進一步的研究應用，沒有走向產業(yè)化。日木在輪轂電機電動汽車方面的研究起步較早，處于世界領先地位。在日木企 業(yè)方面，豐田公司于九十年代末進行了四輪輪轂電機電動汽車研發(fā)工作，其重點 在于基于輪轂電機電動汽車走向實用化的關鍵技術，例如輪轂電機電動汽車的車 體結構設計，以及如何abs、tcs和esc在輪轂電機電動汽車上面的實現，還進行 了主動行駛舒適性控制方面的研究，并推

14、出了 fine-n概率車。三菱公司也對輪 轂電機電動汽車關鍵技術進行研究，其研究重心在于利用輪轂電機驅動力矩獨立 可控的特點進行車輛穩(wěn)定性控制方面的研究，并于2005年推出了概率車mievo日本大學等研究機構在四輪輪轂電機電動汽車這一新型的車輛上做了大量的 硏發(fā)工作。例如日木慶應義塾大學清水浩教授領導的研究小組在過去10年中研制 了 iza、eco、kaz等多款電動汽車均采用了輪轂電機驅動技術，其中2011年研 制的輪轂電機電動汽車"sim-lei"，性能及功率為世界領先水平，一次充電續(xù)航 里程可達333公里，最高時速可達150km/h；東京農工大學永井正夫所領導的團隊 先

15、后開發(fā)了 novel-1和novel-ii兩款輪轂電機電動汽車原型，重點研究了基于模型 匹配的控制理論的dyc控制策略和線控轉向(sbw)的穩(wěn)定性控制策略叫 日本東 京大學的hori教授領導的研究團隊先后開發(fā)了 uot electric march i和uot electric march ii兩種輪轂電機電動汽車，重點研究了車輛縱向滑移、橫向穩(wěn)定 性和側傾穩(wěn)定性控制叫日木橫濱國立大學與豐出公司合作開發(fā)了四輪輪轂獨立驅 動/四輪轉向的電動汽車，重點研究了利用輪轂電機驅動/制動力矩進行電動汽車 橫擺力矩控制何。美國的公司和大學也對輪轂電機電動汽車進行了研究。美國通用公司于2005 年在北國國際會

16、展上展出了四輪輪轂電機電動汽車樣車sequel(h該車型可以通 過四個輪轂驅動電機實時精確控制四個車輪，且具有能量回饋等功能。美國俄亥 俄州立大學王軍民教授領導的研究團隊開發(fā)了四輪輪轂獨立驅動電動汽車樣車， 重點研究驅動和再生制動下的力矩分配方法和節(jié)能控制方法。此外，瑞典的volvo、法國的米奇林、英國的protean徳國的siemens vdo 等公司先后開發(fā)了各種輪轂電機，并將其應用于電動汽車。122國內發(fā)展現狀我國大學等研究機構在四輪輪轂電機電動汽車關鍵技術和整車硏發(fā)方面 做了大量的工作。同濟大學在電動汽車車身狀態(tài)估計方法的基礎上，對四輪輪轂 電機電動汽車進行驅動/制動的lqr和wls控

17、制，并研制開發(fā)了采用永磁無刷直流 輪轂電機驅動的“春暉”和“登峰”系列電動汽車腸；清華大學從提高車輛經濟 性能出發(fā)，研究了基于電機節(jié)能控制策略的四輪獨立驅動車輛驅動力分配方法麗， 并研制開發(fā)了實驗樣車;吉林大學開發(fā)了全線控四輪輪轂電機獨立轉向/獨立驅動 電動汽車，研究了線控四輪獨立驅動電動汽車集成控制方法1電子科技大學在輪 轂電機控制方法以及四輪獨立驅動電動汽車整車控制方面做了大量的研究工作間。 此外，香港中文大學、上海交通大學，燕山大學、山東大學也對四輪輪轂電機電 動汽車整車控制方法進行了研究。綜上所述，四輪輪轂電機電動汽車的研究在國內外取得相當大的進展。其中， 處于世界領先水平為日本慶應義

18、塾大學。但是，從國內外發(fā)展現狀看，四輪輪轂 電機電動汽車目前還處于研究和樣車階段，距離其量產還有一定距離。所以，對 于四輪輪轂電機電動汽車車身穩(wěn)定性方面的研究，如驅動防滑控制技術的研究是 非常有必要的。1.3課題相關技術研究現狀從汽車安全上看，車輛在低附著路面行駛時，容易發(fā)生車輪打滑的現象導致車 輛的側滑，漂移，進而可能引起車輛的碰撞產牛交通事故。在汽車主動安全性控 制方面看，路面識別得出的車輛狀態(tài)參數顯得十分重要，比如：asr（驅動防滑控 制）算法的本質是控制車輪滑移率在一個最佳滑移率附近，從而使輪胎獲得最人附 著力。而不同路面下汽車具有不一樣的最佳滑移率。如果能夠通過對路面識別準 確測的車

19、輪與路面z間的最佳滑移率，則asr系統可以達到更好的控制效果。所 以路面識別在驅動防滑控制等主動汽車安全技術中顯得非常關鍵。1.3.1路面識別研究現狀汽車技術領先的國家如美國，韓國，徳國，h本等己經在路面識別方面做了很 多的嘗試，而且取得了一定的成功冋。目前，通過路面識別獲取車輛和路面信息 方法種類繁多，一般根據其測量方式可以分為兩種：一種是基于傳感器路面直接 檢測方法，另外一種是基于車輛動力學參數的路面識別方法。第一種方法雖然能夠對路面狀況取得較為精確的判別效果，但是由于一些傳感 器無法在汽車復雜環(huán)境下有效工作以及傳感器成本的原因，使得其無法應用于量 產車。如：光學傳感器，利用雷達波，毫米波

20、，超聲波等的傳感器在路面檢測上 有很高的檢測精度，但是其工作條件十分苛刻又如采用聲音類的傳感器識別 的，其工作原理是根據輪胎和路面摩擦產生的噪聲識別最大路面附著系數，其檢 測效果很好，但是造價高，而且受外界影響嚴重，無法在實際中應用網。第二種方法采用低成木傳感器獲取車輛相關信息，并根據車輛動力學方程估計 出車倆運行中難以測的信息，進行路面識別。相對于基于傳感器路面直接檢測方 法，這該方法具有成本低、實用性好的特點，受到了研究人員的青睞。laura. r. rvay利用統計理論估計路面附著系數。算法中設計了擴展 kalman濾波器，在八自由度汽車動力學模型的基礎上，估計各個車輪的縱向力、 軸承的

21、側向力，利用狀態(tài)估計值如側向、縱向速度及各個車輪轉動角速度等，對 各個車輪的滑移率和側偏角進行計算。算法首先建立在不同路面情況下的輪胎模 型，計算滑移率、側偏角、車輪負荷輸入輪胎模型屮參與計算，獲得各個輪胎的 作用力。分析計算值與擴展卡爾曼濾波器估計所得的值，利用貝葉斯法則對路而 附著系數進行估計。然而該算法模型結構復雜，不適合在實際車倆中使用。h.nishira等人研究認為，不同的路面作用在車輪上會使輪胎的滾動阻力系數 和縱向剛度取值范圍不同。車速、驅動輪輪速的自適應觀測方程建立在車輛縱向 動力學方程、車輪回轉動力學方程、“-2關系上。建立縱向剛度和滾動阻力系數 的白適應校正算法是通過利用車

22、速、驅動輪輪速觀測值和量測值z間的誤差實現 的。并且算法為了增強魯棒性，引入校正參數測試結果表明，只有在汽車加速 的情況下，才能較好的識別路面附著系數妙涮。hideo sado和shin-ichiro sakai等人通過電機輸出力矩和車輪轉動角速度 對路面附著力進行觀察，該算法是建立在輪邊驅動電動汽車的基礎上的，估算整 個滑移率變化范圍內的曲線的斜率網，用于估算路面附著系數。但是考慮到 車輛運行過程中輪胎類型、胎壓等因素的影響，就算在相同的路面上，“-兄曲線 的斜率的人小會隨著其他條件的變化而變化，這將降低路面附著系數估計的準確 性。文獻測采用自適應卡爾曼濾波算法估計驅動輪的牽引力矩和車輛信息

23、，并根據 這些信息計算出“-久曲線的斜率，進而進行路面識別。然而，當車輪高轉速運行 時時，該方法的識別精度較低。文獻購提出一種基于標準/-a曲線的路面識別方法，該方法通過車身已知信 息估算擊車輛行駛過程中車輪滑移率2和路面附著系數的值，通過與標準“-2 曲線進行對比，進而進行路面識別。在標準曲線已知的情況下，該方法具有 較高的精度。綜上所述，相對于基于傳感器路面直接檢測方法，基于車輛動力學參數的 路面識別方法更加適用于量產車。而在基于車輛動力學參數的路面識別中，將車 輪滑移率久和路面附著系數與標準曲線進行對比的方法具有較高的識別精 度。因此，木文借鑒此類方法進行路面識別的研究。1.3.2驅動防

24、滑控制方法研究現狀驅動防滑控制技術作為汽車主動安全控制的關鍵技術之一，能夠改善車輛的穩(wěn) 定性能和保持車輛的行駛安全性，受到了人們廣泛關注。目前，國內外研究人員 在汽車驅動防滑控制做了大量控制方法和實驗研究。由于傳統汽車的內燃機力矩響應速度慢，單獨控制內燃機的輸岀力矩很難實現 車輛的驅動防滑控制。因此，在傳統汽車的驅動防滑控制系統中，需要同時控制 內燃機的輸出力矩和制動器的輸出力矩。例如，河北大學候順艷等人釆用模糊pid 控制算法，設計了基于節(jié)氣門干預與制動干預的汽車驅動防滑控制系統旳；吉林 大學余建星等人在汽車驅動防滑控制系統中，采用神經網絡算法設計了發(fā)動機油 門位置和驅動輪制動壓力控制器測；

25、清華大學大學李亮等人采用自適應pid控制 算法，通過協調發(fā)動機轉矩和主動器制力矩來實現汽車的驅動防滑控制呦。四輪輪轂電機電動汽車具有四個車輪轉矩響應速度快、獨立可控且易于測量的 優(yōu)點，因此，通過對輪轂電機的轉矩的控制即可實現四輪輪轂電機電動汽車的驅 動驅動防滑控制?？紤]到滑模變控制具有易于實現、快速以及魯棒性好的特點， 文獻在驅動防滑控制中采用了滑模變控制方法；但是，仿真結果表明，滑模變 控制下電機轉矩波動過大，這將增加電機控制的難度。文獻期采用了模糊控制方 法進行了四輪輪轂電機電動汽車驅動防滑控制策略的設計，雖然模糊控制不依賴 具體系統，但是該控制方法的控制精度不高。文獻呦將電機電流考慮成內

26、部擾動， 將車輛載荷的變化考慮成外部的擾動，以最優(yōu)滑移率為控制目標，使用二階自抗 擾控制器設計車輛單輪驅動防滑控制系統；實驗表明，該控制方法的精度較高， 控制過程中的超調量較低。然而，在文獻恥所制定的驅動驅動防滑控制策略中, 均將車輪的最佳滑移率視為定值，但是在車輛的實際運行過程中，由于路面的變 化會導致車輪最佳滑移率的變化，車輪的最佳滑移率應該通過路面識別獲得。綜上所述，相對于傳統汽車，四輪輪轂電機電動汽車通過控制其輪轂電機的輸 出轉矩即可實現驅動防滑的控制。目前，四輪輪轂電機電動汽車驅動防滑控制策 略設計時均將車輪的滑移率視為定值，在驅動防滑控制策略的制設計上，并沒有 考慮路面變化對控制策

27、略的影響。為了解決四輪輪轂電機電動汽車在附著路面上 車輪容易打滑的問題，本文提出基于路面識別的四輪輪轂電機電動汽車驅動防滑 控制策略。該策略考慮了路面狀況對控制策略的影響，將路面識別引入到驅動防 滑控制策略的制定中；同吋，考慮到車輛運行中車輪縱向力的變化，在驅動防滑 控制策略的設計過程中設計了轉矩補償來補償車輪縱向力變化。1.4論文的結構安排本文的章節(jié)結構安排如下：第一章：緒論。本章闡述了目前國內四輪輪轂電動汽車及其控制技術的發(fā)展 現狀，并對四輪輪轂電動汽車驅動防滑控制技術的研究屮存在問題做了綜述，確立 研究內容。第二章：四輪獨立驅動電動汽車整車結構及性能要求。本章首先對四輪輪轂 電動汽車整車

28、結構進行研究，主要包括輪轂電機及其驅動系統、電池能量管理系 統、電子差速系統以及整車控制器。其次，介紹了電動汽車的總體性能要求以及 闡述四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制的必要性。第三章：四輪獨立驅動電動汽車整車控制策略研究。本章對四輪獨立電動驅 動汽車的控制原理、動力學模型進行了研究，并在此基礎上研究了四輪獨立驅動 電動汽車的整車控制策略。第四章：四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制策略設計。本章在整車控制策 略的基礎上，對四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制策略進行設計。其屮包括路 面附著系數估計和路面識別算法，驅動輪防滑控制算法以及轉矩分配算法。第五章：四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制策略仿真。本

29、章在仿真軟件 carsim中，選取四種典型工況，對本文的所提出的驅動防滑控制策略進行仿真驗 證，并與第三章的整車控制策略算法相比較，驗證本文所提出的驅動防滑控制策 略的有效性。第六章總結與展望。本章對本文的研究成果進行了總結，并對本文存在的不 足以及進一步需要解決的問題進行了闡述。第二章四輪獨立驅動電動汽車整車結構及性能要求4w1d電動汽車取消了傳統汽車離合器、變速箱等機械結構，增加了蓄電池和 電池管理系統等裝置，與傳統汽車的結構和布局有很大的區(qū)別；而4wid電動汽車 電子差速系統主要功能是為了完成傳統汽車差速器和驅動結構所完成的功能，所 以，電子差速系統對于4wid電動汽車是非常重要的。木章

30、將對4wid電動汽車整 車結構和電子差速系統進行詳細的研究。2.1四輪獨立驅動電動汽車整車結構本文針對的控制對象是以輪轂屯機為驅動單元的四輪獨立驅動屯動汽車，其整圖2-1 4wid電動汽車整車結構由上圖可知，4wtd電動汽車主要結構包括驅動系統（四個輪轂電機、四個驅 動控制系統），能量系統（電池管理系統、蓄電池、四個逆變器、dc/dc）、控制系 統（整車控制器）等。顯然，通過圖2-1可知，4wid電動汽車最大的特點是有4 個獨立的驅動單元，同時取消了傳統汽車的機械結構。2.1.1輪轂電機及其驅動控制系統2.1.2電池能量管理系統2.1.3電子差速系統2.14整車控制器2.2輪獨立驅動電動汽車總

31、體性能要求2.3四輪獨立驅動電動汽車驅動防滑控制必要性分析2.4本章小結第三章四輪輪轂電機電動汽車整車控制策略研究本章首先研究了四輪輪轂電機電動汽車整車總體架構；然后，在專業(yè)的汽車仿 真軟件carsim中，結合車輛動力學原理搭建了四輪輪轂電機電動汽車整車模型; 最后基于搭建的四輪輪轂電機電動汽車整車模型，研究了四輪輪轂電機電動汽車 的整車控制策略，并對四輪輪轂電動汽車整車控制策略進行仿真驗證。u!輪輪轂電機電動汽車總體架構相對于傳統汽車，四輪輪轂電機電機電動汽車去掉了大多數的機械結構，如離 合器、齒輪箱、變速器、差速器和機械傳動裝置等機械結構，大大簡化了整車結 構。同時，在四輪輪轂電機電動汽車

32、總體架構的研究中，按照功能可以將車輛總 體架構劃分為不同模塊，其中包含：四輪獨立驅動/制動模塊、轉向系統模塊、車 輪動力學模塊、車體動力學模塊、輪胎模塊。如圖3-1所示。r hthk銘駛員模型ritidma-wtw tn輪胎模型路面模型1護圖3-1 i丿l|輪輪轂電機電動汽車整車動力學模型總體架構示意圖3-2四輪輪轂電機電動汽車數學模型研究雖然carsim和dyxawarc等軟件可以較好的模擬汽車性能，但是從建模思想可 知：在汽車動力學控制研究中，只有理解汽車動力學原理和掌握車輛模型的動態(tài) 特性，才能進行仿真分析并找出造成問題的原因，進而實現算法的改進。因此， 有必要根據研究的內容，構建基于汽

33、車動力學理論的車輛動力學模型。本節(jié)首先 建立車輛運動的參考坐標系，然后進行模型假設并根據模型假設構建四輪輪轂電 機電動汽車整車模型。3.2.1參考坐標系建立進行車輛的動力學分析要以相對坐標系為參照，本文以大地坐標系為相對坐標 系，同時定義了車輛坐標系xvovyvzv和車輪坐標系xwowywzw ,以便于進行汽車 動力學分析以及建立車輛動力學模型。車輛參考坐標系如圖3-2所示。圖3-2車輛坐標系大地坐標系作為相對坐標系，用來描述車輛的絕對運動。大地坐標系原點0固 定在大地上，為車輛坐標系原點，且6初始位置在地面上的投影與o點重合。 x軸正方向為汽車前進方向，且與地面始終平行，y軸方向指向駕駛員的

34、左側，z 軸的正方向垂直地面向上。通過車輛的坐標系可以對車輛運動進行描述。車輛坐標系的原點5為車輛靜 止時的質心，xv軸的正方向為車輛的前進方向，yv的正方向指向駕駛員的左側, z軸的正方向垂直地面向上。車輪坐標系的原點為ow為車輪的質心，由于各個車輪獨立，所以各個車輪具 有各自獨立的坐標系。xw的正方向為車輪前進方向，yw正方向垂直于車輪旋轉平 面而指向車輪的左側，z*.止方向垂直于地面向上。322模型假設在車輛動力學的研究領域，一般根據研究需要建立不同自由度的車輛動力學模 型。相關研究表明，雖然較多自由的車輛模型具有較高的精度，但是由于其模型 結構復雜、需要計算的參數較多且不容易獲取，不一

35、定適應于所研究的相關內容。因此一般根據課題屮所研究汽車性能的側重點，進行汽車模型自由度簡化和進 行相應的模型假設l103-i09jo而在車身穩(wěn)定控制的研究屮，一般采用假設的方式對汽 車模型進行自由簡化，進而構建車輛模型85'88o本文主要研究四輪輪轂電機電動汽車的車身穩(wěn)定控制，在模型假設的基礎上,進而構建車倆動力學模型。本文模型假設如下：(1) 車輛行駛的路面為水平路面；(2) 四個車輪運動特性相同；(3) 忽略車輛所受的空氣阻力與車輪所受的滾動阻力；(4) 不考慮車輛的垂直、側傾和俯仰運動?；谝陨夏Ｐ图僭O，本文將構建7自由度的車輛動力學模型，其中：車體動力 學模型包含縱向車速、側向

36、以及橫擺角速度三個自由度，4個車輪動力學模型各自 包含一個轉速自由度。3.2.3車體動力學模型本文研究的對象為四輪輪轂電機電動汽車，其車體動力學模型如圖3-3所示。圖3-3車體動力學示意圖根據牛頓第二定律，三自由度的車體運動學方程表述如下： 縱向運動方程：嘰=(© + 嘉)cos- (fyjl + f聽)sin+ f訶 + fxrr + mrvy(3-1)側向運動方程：叫=(島 + 島)血 §+(5 + 耳療)cos 5 + fyrl + fyrr - mrvx(3-2)橫擺運動方程：其中，加為車輛質量，比為車輛縱向速度，片為車輛側向速度，fg 島、fxrl 和為分別為左前

37、、右前、左后和右后輪胎的縱向力，©、f詞和代分別 為左前、右前、左后和右后輪胎的側向力，為前輪轉向角，厶為整車繞z軸的轉 動慣量，人是輪胎的轉動慣量，-和/分別為質心到前軸和后軸的縱向距離，7和 分別為前輪距和后輪距。3.2.4車輪動力學模型四輪輪轂電機電動汽車的四個車輪相互獨立，四個車輪各自包含一個轉動自由 度。單個車輪的動力學模型如圖3-4所示。圖3-4車輪動力學模型定義ye/f,/r,r/,rr,其中fl, frt rl. rr分別代表左前輪，右前輪，左后輪, 右后輪。根據電機驅動原理，車輪運動方程表述如下：i'aifj-fgr(3-4)其中，嗎為各個車輪的轉速，為各個

38、輪轂電機的輸岀的驅動力矩。3.2.5輪胎模型車輛運動的力都是輪胎作用于地面產生的，同吋附著系數等狀態(tài)參數與路面和 輪胎的接觸運動相關。對真實輪胎情況進行模擬需要構建輪胎模型。因此對輪胎 進行建模是汽車動力學建模仿真研究的關鍵。輪胎模型分為經驗模型、半經驗模型和理論模型。在車輛仿真模型搭建過程屮 中，半經驗輪胎模型應用比較廣泛，其中比較常見的有unitire輪胎模型c111 1141以 及“魔術公式” (magic formula)輪胎模型115_1170本文采用“魔術公式”進行動 力學仿真分析。“魔術公式”是h. b. pacejka提出的用于描述輪胎側偏特性的半經 驗模型，能描述輪胎所有的穩(wěn)

39、態(tài)力學特性，模擬精度高，因此在汽車動力學研究 領域被廣泛的應用。輪胎公式的一般表達形式如下：y(x) = £> sin c arctan bx -ebx- arctan(bx)(3-5)d(x) + sy(3-6)x=x + s(3-7)式中，自變量x可以表示輪胎滑移率2、側偏角g。根據自變量x的不同，y(x) 表示可以車輪縱向力心，側向力代。d代表峰值因素；c代表形狀因素；b代表 剛度因子；e代表曲率因子，且b、c、d、e的取值與輪胎當前接觸路面情況有 關。sy表示水平偏移量，sh為垂直偏移量。當水平偏移量3和垂直偏移量sh為0時，即輪胎不存在水平和垂直方向的偏 移。車輪縱向

40、力可由公式(3-8)表示：fxij = £)sincarctanbx- e(bx-arctan(bx)(38)3.3輪輪轂電機電動汽車整車控制策略四輪輪轂電動汽車整車控制為駕駛員和車輛構成的一個閉環(huán)。駕駛員通過儀表 獲取車輛的狀態(tài)信息，并通過方向盤、加速踏板、制動踏板來改變車輛的控制目 標。例如，在車速控制上，駕駛員將車輛的實際車速與期望車速做差，并通過大 腦的計算獲得相應的加速/制動踏板開度，進而控制整車控制器輸岀相應的加速/ 制動力矩，使車輛到達期望車速。本文不考慮通過方向盤進行車輛的轉向控制， 只考慮雪過加速踏板以及制動踏板進行四輪輪轂電機電動汽車的基木控制，如圖 3-5所示。

41、圖35四輪輪轂電動汽車整車基本控制結構圖整車控制器包括期望力矩計算和力矩分配兩個功能模塊，其中期望轉矩計算為 車輛的基木功能，即將駕駛員的輸入轉換為電機的期望轉矩。踏板與期望力矩之 間的關系可以通過歸一化的踏板位置(0-1)和歸一化的驅動力矩(0-1)之間的映射 函數來表示。而映射函數一般由汽車廠商根據不同駕駛風格設定，如圖3-6中的 曲線(一)(二)、(三)就代表三種常見的駕駛風格。00%(=丁100加速曲旗圖36加速踏板驅動力矩映射曲線木文采用的映射函數可由曲線（二）表示，即認為加速踏板和驅動力矩之間的 映射關系為線性關系，如公式（3-12）所示：(3-9)其中，7；為期望驅動力矩；k為加

42、速踏板-驅動力矩之間的映射系數，為定值， 本文取1280；血表示加速踏板開度，其值范圍為01。對于力矩分配模塊，一般采用平均分配算法作為控制算法，如公式（3-13）所示:(3-10)其中，為各輪的驅動力矩。3.4四輪輪轂電機電動汽車整車控制策略的仿真驗證木文通過carsim和matlab/simulink聯合仿真進行四輪輪轂電機電動汽車整 車控制策略的驗證。其中，通過carsim軟件構建車輛模型，并在matlab里面實 現整車控制算法，聯合仿真結構如圖3-7所示。td心but>ohv* cgvw fl carsim s-function1avehcie c3 l*2圖37 carim和m

43、at lab聯合仿真圖在仿真中，本文選取了具有代表性的三種路面對四輪輪轂電機電動汽車整車控 制策略進行仿真驗證，這三種路面分別為單一路面、對開對接路面、對開路面。 所用的車倆模型部分參數如表3. 1所示。表3.1車輛模型部分參數參數名稱數值大小整備質量（kg）2150車輪半徑（m）0.3262電機最大轉矩（nm）320*4質心到前軸的距離（m）1.35質心到后軸的距離（m）1.35前輪輪距(m)1.55后輪輪距(m)1.53車輪轉動慣量(kg*m2)0.6最小離地間隙(m)0.1233.4.1單一路面工況下仿真分析仿真工況設置如下：(1) 路面附著系數恒定，分別設為0.& 0.4以及0

44、.1；(2) 車輛初始速度為5km/h;(3) 駕駛員加速踏板輸入一次為0. 25,0.5,1.0,對應每個輪轂電機的驅動轉 矩為 80nm, 160w, 320如。(4) 采樣時間設為0. 001s,仿真時長為10s。在上述仿真工況設置情況下，對整車控制策略進行仿真，仿真結果如表3. 2所 示：表3.2單一路面下的車速控制仿真結果路面附著系數驅動轉矩(nm)車輪輪速(km/h)車速(km/h)穩(wěn)態(tài)加速度 (m/s2)0.880左刖19.1319.070.39右前19.13左后19.13右后19.13160左刖35.2035.080.83右前35.20左后35.20右后35.20320左刖67

45、.5671.71右前67.5左后67.5右后67.50.880左刖19.1319.070.39右前19.13左后19.13右后19.13160左刖35.2035.080.83右前35.20左后35.20右后35.20320-4 、人 左刖67.5671.71右前67.5左后67.5右后67.5080-1 -ax.左前19.1319.070.39右刖19.13左后19.13右后19.13160左刖35.2035.080.83右前35.20左后35.20右后35.20320左刖20036.40.87右前200左后200右后200在摩擦系數0.8的路面上（高附著路面），輪轂電機的驅動轉矩分別為80n

46、m, 160nm, 320nm時，車輛的車輪速度和車輛的車身速度基本上保持一致。也就是說， 在0. 8的路面上，整車控制策略能夠保證車輛的正常行駛。在摩擦系數0. 4的路面上（屮等附著路面）,輪轂電機的驅動轉矩分別為80nm, 160nm, 320nm時，車輛的車輪速度和車輛的車身速度基本上保持一致。也就是說， 在0. 4的路面上，整車控制策略能夠保證車輛的正常行駛。在摩擦系數0. 1的路面上（低附著路面），輪轂電機的驅動轉矩為80nm, 160nm 時，車輛的車輪速度和車輛的車身速度基本上保持一致，在上述情況下整車控制 策略能夠保證車輛的正常行駛。但是，當輪轂電機的驅動轉矩為320nm時，仿

47、真 結果顯示，10s末車輛的速度為36. 4km/h,而四個車輪的速度高達200km/h,很明 顯車輪發(fā)生的嚴重打滑現象；同時，車輛的穩(wěn)態(tài)加速度為0. 87 m/s2,而在同等轉 矩下，在摩擦系數為0. 4, 0. 8的路面下，車輛的穩(wěn)態(tài)加速度為1.71 m/s2；此時, 整車控制策略不能夠保證車輛的正常行駛。仿真結果表明，單一路面情況下，在低附著路面上（如路面附著系數為0.1的 路面），車輛的驅動力矩過大時（如輪轂電機的驅動轉矩為320nm）,車輪會產生打 滑現象。此時，整車控制策略不能夠保證車輛的正常行駛。342對接路面工況下仿真分析從單一路面的仿真結果可知，當車輛在低附著上行駛時，輪轂電

48、機的驅動轉矩 過大吋，車輪會出現打滑現象，整車控制不能保證車輛的正常行駛。為了進一步 驗證整車控制策略，在對接路面下，設定如下工況進行仿真分析。仿真工況設置如下：（1）車輛初始速度為5km/h;（2）輪轂電機的驅動轉矩分別設為80、160以及320nm；（3）0到10m,路面摩擦系數設為0.8； 10到20m,路面摩擦系數設為0.1； 20ni以后，路面摩擦系數設為0.4。（4）采樣時間設為0. 001s,仿真時長為10s。在上述仿真工況設置情況下，對整車控制策略進行仿真，仿真結果如表3-2所 示：表3.2對接路面下的車速控制仿真結果驅動轉矩 （nm）路面摩擦系數午輪輪速（km/h）車速 （k

49、m/h）穩(wěn)態(tài)加速度 （m/s2）800-10m（摩擦系數0.8）左刖11.2811.260.39右前11.28左后11.28右后11.2810-20m（摩擦系數0.1）左刖15.1615.140.39右前15.16左后15.16右后15.1620m以后（摩擦系數0.4）左刖19.1319.070.39右前19.13左后19.13右后19.13160nm0-1 om（摩擦系數0.8）左刖15.615.550.83右前15.6左后15.6右后15.610-20m（摩擦系數0.1）左前21.621.40.83右前21.6左后21.6右后21.620m以后（摩擦系數0.4）左刖35.2035.060.

50、83右刖35.20左后35.20右后35.20320nm0-10m（摩擦系數0.8）左前21.7521.951.71右刖21.75左后21.75右后21.7510-20m（摩擦系數0.1）左前20035.40.87右刖200左后200右后20020m以后（摩擦系數0.4）左前67.5671.71右刖67.5左后67.5右后67.5在對接路面上，輪轂電機的驅動轉矩為80nni時，車輛在摩擦系數為08、0. 1 以及0.4的路段運行時，車輛的車輪速度和車輛的車身速度基木上保持一致。仿 真結果表明，在低轉矩輸入情況下（轉矩為80xm）,整車控制策略能夠保證車輛的 正常行駛。在對接路面上，輪轂電機的驅

51、動轉矩為160nm時，車輛在摩擦系數為0.8、0. 1 以及0.4的路段上運行時，車輛的車輪速度和車輛的車身速度基本上保持一致。 仿真結果表明，在中等轉矩輸入情況下（轉矩為160nm）,整車控制策略能夠保證 車輛的正常行駛。在對接路面上，輪轂電機的驅動轉矩為320nm時，車輛在摩擦系數為0.8以及 0.4的路段上運行時，車輛的車輪速度和車輛的車身速度基木上保持一致。但是, 在摩擦系數為0.1的路段上行駛吋，車輛的車身速度為35.4km/h,而四個車輪的 速度高達200km/h,很明顯車輪發(fā)生的嚴重打滑現象；同吋，在摩擦系數0.8以及 0.4的路段上，車輛的穩(wěn)態(tài)加速度為1. 71 m/s2,而在

52、摩擦系數0.1的路段上，車 輛的穩(wěn)態(tài)加速度為0.87 m/s2；此時，整車控制策略不能夠保證車輛的正常運行。仿真結果表明，對接路面下，在低附著路段(如路面附著系數為0.1的路面)， 車倆的驅動力矩過大時(如輪轂電機的驅動轉矩為320nm),車輪會產生打滑現象。 此時，整車控制策略不能夠保證車輛的正常行駛。343對開路面工況下仿真分析仿真工況設置如下：(1) 車輛初始速度為5km/h;(2) 每個輪轂電機的驅動轉矩為320心；(3) 0-3m,四個車輪的路面摩擦系數為0.& 3m以后，左側車輪的路面摩擦 系數為0. 1,右側車輪的路面摩擦系數為0. &(4) 采樣時fd間設為0.

53、001s,仿真時長為10s。在上述仿真工況設置情況下，對整車控制策略進行仿真，仿真結果如表所 示：表3.3對開路面下的整車控制仿真結果驅動轉矩 (nm)車輪輪速(km/h)車速 (km/h)穩(wěn)態(tài)加速度 (m/s?)軌跡偏移(m)80左前19.319.250.390右前19.3左后19.3右后19.3160左前37.537.20.880右前37.5左后37.5右后37.5320左前20040.80.544.16右前200左后200右后200在上述對開路面上，當輪轂電機的驅動轉矩為80nm, 160nm時，車輛的車身速 度與輪速保持一致，車輪不發(fā)生打滑現彖；同時，車輛運動過程中，車輛不偏離 期望軌

54、跡。此時，整車控制策略可以保證車輛的正常行駛。但是，在上述對開路面上，但當輪轂電機的驅動轉矩為320mn時，四個車輪的 速度到達200km/h,而車身的速度為40. 8 km/h,很明顯車輪發(fā)牛打滑現象；同時， 車倆行駛過偏離期望軌跡4. 16m,即車身產生了偏移現象。此時，整車控制控制策 略不能保證車輛的正常行駛。3.5本章小結木章首先研究四輪輪轂電機電動汽車的總體架構，并在總體架構的基礎上對 四輪輪轂電機電動汽車進行建模分析；然后，基于四輪輪轂電機電動汽車模型的 研究基礎，研究了四輪輪轂電機電動汽車基本控制策略；最后，在carsim中建立 了四輪輪轂電機電動汽車模型以及在simulink中

55、建立了四輪輪轂電機電動汽車整 車控制策略，并在單一路面、對接路面、對開路面對四輪輪轂電機電動汽車整車 控制策略進行仿真驗證。仿真結果表明，在高附著路面、中等附著路面下，整車 控制策略能夠保證車輛的正常行駛；但是，在低附著路面下，當輪轂電機的驅動 轉矩過大時，車輪會發(fā)生打滑現象，特別是在對開路面下，車輛會發(fā)生側偏現象， 威脅駕乘人員的安全。因此，為了保證駕乘人員的安全，有必要在整車控制策略 的研究基礎上，進行四輪輪轂電機電動汽車的驅動防滑控制策略研究。第四章四輪輪轂電機電動汽車驅動防滑控制策略設計由上章的仿真結論可知，汽車在低附著路面上行駛時，當輪轂電機的驅動轉矩 過大時，整車控制策略下車輪會發(fā)生打滑現象，嚴重時車輛