基于差動轉向的分布式直驅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電動汽車:結構簡化便于布置，采用輪轂電機直接驅動，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)理想的線控轉向、驅動防滑、縱橫向穩(wěn)定性控制以及制動能量回饋，得到了工業(yè)界和學術界的高度關注。
　　本文主要研究基于線控轉向系統(tǒng)(Steer-By-Wire，SBW)的分布式直驅電動汽車差動轉向機理及其控制策略。對于線控轉向系統(tǒng)而言，方向盤和轉向系

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

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

4、型。當轉向電機發(fā)生故障，轉向系統(tǒng)無法按照駕駛員提供的轉向角進行動作，此時差動轉向系統(tǒng)被激活，接替原系統(tǒng)進行轉向，保證車輛按預期目的行駛。
　　2、研究基于輸出反饋理論的電動汽車差動轉向魯棒控制方法。針對差動轉向系統(tǒng)模型中部分狀態(tài)量的參考值如期望前輪轉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)結構及其可變界限，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)不確定性的差動轉向系統(tǒng)魯棒控制模型。給出系統(tǒng)魯棒控制器設計理論和方法，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向及防側翻控制方法。在車輛差動轉向過程中，差動力矩來源于前面兩輪的驅動力矩差，驅動力矩的產生主要依靠輪胎-地面摩擦力;如果前面兩輪的垂向力波動過大，或者轉向過程中車輛發(fā)生較為嚴重的側傾，將使得

6、輪胎的垂向壓力減小，縱向驅動力不足，從而最終導致差動轉向失效。針對上述問題，本文特別考慮到側翻問題對車輛差動轉向的影響，綜合轉向、橫擺、橫向和側傾動力學特性，建立含防側翻控制的系統(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，設計基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器;最后對所設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向試驗方法。搭建了分布式直驅電動汽車試驗平臺，車輛采用四個輪轂電機驅動，以前輪差動轉向

7、為目標，基于Matlab/Simulink和MicroAutobox，設計基于差動轉向系統(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