基于差動轉(zhuǎn)向的分布式直驅(qū)電動汽車魯棒控制方法研究.pdf

1、目前電動汽車是各國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點方向和制高點之一。以輪轂電機為動力源的分布式直驅(qū)電動汽車:結(jié)構(gòu)簡化便于布置，采用輪轂電機直接驅(qū)動，能量損失較少，傳動效率較高;控制性能良好，可方便地實現(xiàn)理想的線控轉(zhuǎn)向、驅(qū)動防滑、縱橫向穩(wěn)定性控制以及制動能量回饋，得到了工業(yè)界和學術(shù)界的高度關(guān)注。
　　本文主要研究基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steer-By-Wire，SBW)的分布式直驅(qū)電動汽車差動轉(zhuǎn)向機理及其控制策略。對于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，方向盤和轉(zhuǎn)向系

2、之間無機械連接。當轉(zhuǎn)向電機發(fā)生故障或者數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)生故障，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法按照駕駛員提供的轉(zhuǎn)向角進行動作，若無有效的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)備份，車輛極易失去控制，造成嚴重的事故。為了提高分布式驅(qū)動電動汽車的操控性能，特別是其橫向穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向容錯能力問題，本文給出一種新型的差動轉(zhuǎn)向方案及其控制策略，并設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)，保證車輛按預(yù)期目的行駛。論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新成果包括:
　　1、建立基于差動原理的分布式直驅(qū)電動汽車動力學模型。通過對車輛轉(zhuǎn)向過程的

3、動力學分析，本文研究可綜合考慮輪胎-懸架-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性的電動汽車轉(zhuǎn)向動力學模型;在建模過程中，分析輪胎側(cè)偏特性、懸架系統(tǒng)特性以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性等因素，根據(jù)車輛橫擺角速度與輪胎側(cè)偏角及差動力矩之間的定量關(guān)系，建立車輛橫擺動力學方程;分析轉(zhuǎn)向-懸架系統(tǒng)動力學特點，建立轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與輪胎側(cè)偏剛度及差動力矩之間的關(guān)系，建立車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學模型;綜合橫擺及轉(zhuǎn)向動力學方程，合理選擇狀態(tài)變量，建立可利用轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動力矩差進行差動轉(zhuǎn)向的分布式直驅(qū)電動汽車模

4、型。當轉(zhuǎn)向電機發(fā)生故障，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法按照駕駛員提供的轉(zhuǎn)向角進行動作，此時差動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被激活，接替原系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)向，保證車輛按預(yù)期目的行駛。
　　2、研究基于輸出反饋理論的電動汽車差動轉(zhuǎn)向魯棒控制方法。針對差動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型中部分狀態(tài)量的參考值如期望前輪轉(zhuǎn)向角不便獲取的問題、車輛狀態(tài)參數(shù)不確定性問題、系統(tǒng)建模誤差和外界干擾等問題，選擇系統(tǒng)觀測變量，建立輸出反饋控制器對車輛進行控制。在控制器的設(shè)計過程中，綜合考慮到參數(shù)不確定性、車速變化、

5、外界干擾等因素，分析系統(tǒng)不確定參數(shù)結(jié)構(gòu)及其可變界限，利用系統(tǒng)穩(wěn)定性理論對系統(tǒng)進行魯棒H∞穩(wěn)定性分析，建立含參數(shù)不確定性的差動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)魯棒控制模型。給出系統(tǒng)魯棒控制器設(shè)計理論和方法，并進行了仿真驗證。
　　3、研究基于觀測器理論的電動汽車差動轉(zhuǎn)向及防側(cè)翻控制方法。在車輛差動轉(zhuǎn)向過程中，差動力矩來源于前面兩輪的驅(qū)動力矩差，驅(qū)動力矩的產(chǎn)生主要依靠輪胎-地面摩擦力;如果前面兩輪的垂向力波動過大，或者轉(zhuǎn)向過程中車輛發(fā)生較為嚴重的側(cè)傾，將使得

6、輪胎的垂向壓力減小，縱向驅(qū)動力不足，從而最終導(dǎo)致差動轉(zhuǎn)向失效。針對上述問題，本文特別考慮到側(cè)翻問題對車輛差動轉(zhuǎn)向的影響，綜合轉(zhuǎn)向、橫擺、橫向和側(cè)傾動力學特性，建立含防側(cè)翻控制的系統(tǒng)動力學方程;利用狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的狀態(tài)變量進行估計，設(shè)計基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器;最后對所設(shè)計的觀測器和控制器進行仿真驗證。
　　4、研究基于實車平臺的電動汽車差動轉(zhuǎn)向試驗方法。搭建了分布式直驅(qū)電動汽車試驗平臺，車輛采用四個輪轂電機驅(qū)動，以前輪差動轉(zhuǎn)向

7、為目標，基于Matlab/Simulink和MicroAutobox，設(shè)計基于差動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器原型，并進行實車試驗。首先進行開環(huán)試驗，對車輛加速、轉(zhuǎn)向、制動等特性進行了分析;然后進行閉環(huán)試驗，將減小橫擺角速度跟蹤誤差作為控制目標，以PID為控制算法，通過實車場地試驗來調(diào)整PID的增益，最后獲得較好的增益組合;利用獲得的增益，進行了兩大類的閉環(huán)試驗，一種是固定橫擺角速度跟蹤試驗，一種是變橫擺角速度跟蹤試驗;針對上述多種工況，試驗均取得