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

1、目前電動(dòng)汽車是各國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向和制高點(diǎn)之一。以輪轂電機(jī)為動(dòng)力源的分布式直驅(qū)電動(dòng)汽車:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化便于布置，采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，能量損失較少，傳動(dòng)效率較高;控制性能良好，可方便地實(shí)現(xiàn)理想的線控轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)防滑、縱橫向穩(wěn)定性控制以及制動(dòng)能量回饋，得到了工業(yè)界和學(xué)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(dòng)汽車差動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)理及其控制策略。對(duì)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，方向盤和轉(zhuǎn)向系

2、之間無機(jī)械連接。當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)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(jìn)行動(dòng)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(yán)重的事故。為了提高分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的操控性能，特別是其橫向穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向容錯(cuò)能力問題，本文給出一種新型的差動(dòng)轉(zhuǎn)向方案及其控制策略，并設(shè)計(jì)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(dòng)原理的分布式直驅(qū)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)車輛轉(zhuǎn)向過程的

3、動(dòng)力學(xué)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(dòng)汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)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(dòng)力矩之間的定量關(guān)系，建立車輛橫擺動(dòng)力學(xué)方程;分析轉(zhuǎn)向-懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，建立轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與輪胎側(cè)偏剛度及差動(dòng)力矩之間的關(guān)系，建立車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型;綜合橫擺及轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)方程，合理選擇狀態(tài)變量，建立可利用轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動(dòng)力矩差進(jìn)行差動(dòng)轉(zhuǎn)向的分布式直驅(qū)電動(dòng)汽車模

4、型。當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)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(jìn)行動(dòng)作，此時(shí)差動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被激活，接替原系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)汽車差動(dòng)轉(zhuǎn)向魯棒控制方法。針對(duì)差動(dòng)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(cè)變量，建立輸出反饋控制器對(duì)車輛進(jìn)行控制。在控制器的設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行魯棒H∞穩(wěn)定性分析，建立含參數(shù)不確定性的差動(dòng)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(jì)理論和方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　3、研究基于觀測(cè)器理論的電動(dòng)汽車差動(dòng)轉(zhuǎn)向及防側(cè)翻控制方法。在車輛差動(dòng)轉(zhuǎn)向過程中，差動(dòng)力矩來源于前面兩輪的驅(qū)動(dòng)力矩差，驅(qū)動(dòng)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(dòng)過大，或者轉(zhuǎn)向過程中車輛發(fā)生較為嚴(yán)重的側(cè)傾，將使得

6、輪胎的垂向壓力減小，縱向驅(qū)動(dòng)力不足，從而最終導(dǎo)致差動(dòng)轉(zhuǎn)向失效。針對(duì)上述問題，本文特別考慮到側(cè)翻問題對(duì)車輛差動(dòng)轉(zhuǎn)向的影響，綜合轉(zhuǎn)向、橫擺、橫向和側(cè)傾動(dòng)力學(xué)特性，建立含防側(cè)翻控制的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程;利用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)基于觀測(cè)器的狀態(tài)反饋控制器;最后對(duì)所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器和控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　　4、研究基于實(shí)車平臺(tái)的電動(dòng)汽車差動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)方法。搭建了分布式直驅(qū)電動(dòng)汽車試驗(yàn)平臺(tái)，車輛采用四個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以前輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向

7、為目標(biāo)，基于Matlab/Simulink和MicroAutobox，設(shè)計(jì)基于差動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器原型，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。首先進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)，對(duì)車輛加速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等特性進(jìn)行了分析;然后進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，將減小橫擺角速度跟蹤誤差作為控制目標(biāo)，以PID為控制算法，通過實(shí)車場(chǎng)地試驗(yàn)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(jìn)行了兩大類的閉環(huán)試驗(yàn)，一種是固定橫擺角速度跟蹤試驗(yàn)，一種是變橫擺角速度跟蹤試驗(yàn);針對(duì)上述多種工況，試驗(yàn)均取得