关键词：轮毂电动汽车;;动力学模型;;驱动转向协调控制;;滑膜变结构控制;;最优控制分配
摘 要：当前,传统集中式驱动燃油车动力源的电机化改造已取得阶段性成果。但是,这种对传统车辆底盘结构的简单继承,整车控制效果改善较为有限。相比之下,采用分布式独立驱动、转向、制动的轮毂电机驱动电动汽车(下称轮毂电动汽车),各轮转向角、驱动力矩独立可控,从根本上改变了底盘的牵引控制方式。这种分布式驱动结构给车辆运动和控制带来全新可能,在主动安全性和动力学品质上更具优势,因此被业界誉为汽车的终极驱动形式。然而,这种结构和动力学特征的颠覆性改变,也使得整车操控稳定性成为一个全新的问题。轮毂电动汽车各轮之间缺乏确定约束关系,由此产生的差动转向效应会产生横摆力矩干扰,致使当前主流的DYC稳定性控制系统失效。本文依托于国家自然科学基金资助项目(51577120)“基于隐马尔可夫的全线控轮毂电动汽车操控稳定性关键问题研究”,和深圳市基础研究资助项目(JCYJ20170302142107025)“全轮转向轮毂电动起汽车节能与操纵稳定性关键问题研究”,开展了线控四轮电动汽车全轮转向和全轮驱动协调控制研究,处理了转向、驱动系统因结构属性模糊带来的运动冲突问题。围绕上述研究目的,主要开展了以下工作:(1)全线控轮毂电动汽车试验平台搭建从四轮独立转向、驱动、制动的全线控(X-by-Wire,简称XBW)电动汽车试验平台的功能和课题组研究需求出发,设计、装配、调试了整车试验平台;为了解决悬架系统与电动轮的适配问题,提出、设计、分析了一种全新的中心转向悬架系统;同时,基于ADAMS/view建立试验平台的整车虚拟样机,完成试验平台的稳定性分析。(2)全线控轮毂电动车仿真平台开发仿真平台开发主要包括轮毂电动汽车动力学模型抽象、执行器动力学建模和仿真平台结构的模块化设计。对针对当前研究不足,采用模块化设计思想,建立了考虑车辆垂向运动在内的19自自由度非线性时变耦合轮毂电动汽车仿真平台,以及考虑执行器动态响应特性的非线性动态执行器模型。(3)整车稳定性控制策略设计从稳定性控制理论入手,对轮毂电动汽车稳定控制问题进行了分析。在此基础上,针对系统高冗余和控制的非线性特点,确定了以五层运动控制为核心的整车分层集中式稳定性控制结构,降低了车辆解耦控制难度。此外,考虑到“人-车-路”闭环控制的需求,建立侧向加速度动态反馈矫正的横纵联合控制驾驶员模型,并对整车的特殊驾驶模型进行了设计分析。(4)转向和转矩协调控制研究将转向与转矩协调问题分解成运动跟踪控制和执行器分配控制。其中,运动跟踪通过统筹广义控制力协调驱动系和转向系的运动冲突;执行器分配控制则专注于广义控制力在轮胎力上的实现,解决系统执行器冗余问题。在跟踪控制中,设计了滑膜运动控制器,同时基于车辆状态综合稳定域完成驾驶员行为监测。分配控制则将轮胎力的分配问题归纳为多约束下的LQP极值优化问题,实现轮胎侧偏力和纵向力的解耦。此外,考虑到系统过约束问题,制定轮胎力混合求解策略。上述研究内容,初步实现了全线控四轮独立轮毂电动汽车操控稳定性控制,为课题的后续研究做了基础性工作。
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