轮毂电机驱动电动汽车状态估计及直接横摆力矩控制研究

发布时间：2018-01-24 18:56

本文关键词： 车辆动力学电动汽车轮毂电机驱动状态估计直接横摆力矩控制　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着科技的进步发展,轮毂电机驱动电动汽车凭借自身的技术优势一定会成为未来电动汽车产业的重要发展方向,由于轮毂电机驱动汽车是一种全新的驱动形式,因此需要专门对其动力学控制特性进行分析研究。本文的研究依托于国家科技部国际科技合作计划“先进轮毂电机驱动电动汽车技术平台联合研发”,以轮毂电机驱动汽车为研究对象,基于运动学、车辆系统动力学及其控制原理,设计车辆的直接横摆力矩控制系统,进行车辆状态观测器的设计与控制策略的开发,并且搭建了离线仿真平台、实时测试平台与轮毂电机驱动试验样车进行控制器效果的验证,以充分发挥轮毂电机驱动汽车在动力学控制研究领域的优势。本文的主要研究工作如下:(1)针对轮毂电机驱动汽车的特点,设计了纵向车速估计、道路附着情况辨识以及到质心侧偏角的观测方法。首先,利用运动学方法,融合GPS信息与车载INS信息对纵向车速进行估计,GPS信号的高精度可以帮助修正车载INS的偏差,得到修正后的纵向加速度,以信息更新时刻GPS测量的纵向车速为基准,将修正后的相对坐标系下的纵向加速度进行积分计算,求得车辆纵向车速的估计值,既能保证车速估计的准确性,还能提高车速估计的实时性。其次,提出了一种基于过程数学模型识别路面条件的方法,该方法划分??s曲线为线性区、近线性区与非线性区三个区间,建立在其线性区间内斜率K的过程数学模型,并选择递推最小二乘法对K进行实时辨识,不同的K值对应着不同的路面条件。最后基于无迹卡尔曼滤波技术设计车辆质心侧偏角观测器,建立了包括纵向、侧向、横摆三个方向并且考虑轴荷转移的非线性车辆动力学模型,引入了考虑动态特性的修正Dugoff轮胎模型提高轮胎侧向力计算精度,试验结果表明,基于无迹卡尔曼滤波技术建立的观测器能够很好地实现对质心侧偏角的估计,即使车辆进入非线性区域,估计精度依然能够得到保证。(2)基于分层式控制结构的思想,设计横摆力矩控制系统的控制器。在阐述车辆稳定性分别与横摆角速度和质心侧偏角关系的基础上,确定基于d???相平面设计系统的上层控制器。针对质心侧偏角及质心侧偏角速度的相平面进行了研究,通过分析车速、路面附着及前轮转角变化时对d???相平面轨迹的影响总结出了相平面稳定边界的计算方法并且确定了车辆横摆力矩控制的稳定性判据mL。分析当前非线性车体运动控制领域的研究现状,选择滑模控制理论来解决车体运动控制问题,并建立了基于稳定性判据mL的滑模面切换机制,当mL为正值时,车辆运动状态点在稳定区域外,系统控制以稳定性控制为主,采用质心侧偏角为控制目标建立滑模面;当mL为负值或零时,车辆运动状态已经被控制到稳定区域内部,处于线性状态,系统控制以改善操纵性能为主,采用横摆角速度作为控制目标建立滑模面,既保证了车辆的行驶稳定性,又提高了车辆的操纵性。试验结果验证了本文所设计稳定边界的合理性以及横摆力矩控制系统的控制效果。(3)下层控制器将横摆力矩作为控制状态,在考虑路面附着和电机峰值转矩约束下选取带有权重系数的轮胎利用率平方和作为稳定性控制的优化目标对车轮转矩进行优化分配,在确定权重系数时,后轴权重系数要不小于前轴,保证车辆控制的稳定性。此外,本文定量分析了轮毂电机的瞬态响应特性对横摆力矩控制系统的影响,建立以轮毂电机为执行系统的车辆横摆控制系统,并推导了系统的传递函数,利用工程上对控制系统的频域响应指标得到横摆控制系统对转矩响应时间常数的需求范围,还通过车辆动力学模型仿真分析不同时间常数?对横摆力矩控制系统的影响,试验结果与计算结果基本一致,表明所提出的响应时间指标能够满足车辆横摆力矩控制系统的需求。(4)搭建实时测试平台对本文所设计的横摆力矩控制算法实时特性进行评价。基于PXI硬件平台搭建轮毂电机实时测试平台,完成了车辆模型、传感器、控制器以及执行器等部分的选型和调试工作。在测试平台的电驱动系统搭建中,针对传统的电机建模精度较低的问题,进行了永磁同步电机的有限元分析和建模,准确地还原电机的电磁特性,提高其仿真精度,并且通过FPGA模块高速运算电驱动模型提高其实时性能。对比台架试验结果与仿真结果可以看出电机有限元模型能较准确的反映出电机真实工作性能,精度较高,非常适合用来进行实时测试平台的搭建。基于搭建好的测试平台选择不同行驶工况来评价所设计横摆力矩控制算法的实时特性以及实时测试平台各模块之间的协调性。(5)使用Motohawk快速原型控制器开发平台搭建轮毂电机驱动电动汽车的试验样车,所设计的观测器与控制算法均被移植到控制器中。根据整车参数与车辆性能预期要求,对电机的基本参数进行匹配估算。在样车试制过程中,受到工艺水平与成本的限制,试验样车只在后轴安装两个轮毂电机进行驱动,单独设计了多连杆后悬架系统,悬架系统与轮毂电机总成配合良好,能够保证样车具有良好的运动性,解决了轮毂电机带来的簧下质量增加难题。为了保证实车试验的顺利进行,试验车还安装了惯性导航仪、方向盘转角传感器等测量系统,用于相关信号的采集。最后进行道路试验对本文设计的运动状态观测器以及横摆力矩控制系统的效果进行验证。
[Abstract]:With the development of technology , hub motor driven electric automobile will become an important development direction for future EV industry by means of its own technical advantages . The research work is as follows : ( 1 ) To design and control the vehicle ' s longitudinal speed by means of kinematics , vehicle system dynamics and control principle . ( 2 ) Based on layered control structure , the controller of yaw moment control system is designed . ( 4 ) A real - time test platform is set up to evaluate the real - time characteristics of the yaw moment control algorithm designed in this paper .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72

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