四轮独立转向驱动电动车控制系统设计及控制算法研究

发布时间：2017-03-28 03:02

  本文关键词：四轮独立转向驱动电动车控制系统设计及控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统汽车以内燃机作为动力供应源,运行时向环境排放大量尾气,对环境污染严重。随着电动车相关技术的革新,电动车作为一种绿色环保的新能源车辆正在一步一步取代传统汽车。现在直接以电机替代原有汽车内燃机的电动汽车已经趋于成熟,国内外各大厂家都生产出自己品牌的电动汽车投入市场。但是,电动车的最终形式不应该是简单地对内燃机替代的电动汽车,而应该是一种完全针对电机自身特性而设计的全新电动车形式。这种从结构到控制,都完全考虑电机特性以充分提高车辆的各项性能的电动车形式就是四轮独立转向驱动电动车。为了真正将这种全新的电动车形式推向实用化,本文从工程角度,以轮毂开关磁阻电机作为驱动电机,对四轮独立转向驱动电动车软硬件系统进行了设计;从理论角度,建立了四轮独立转向驱动电动车线性四轮模型,提出了一种针对四轮独立转向驱动电动车的同步控制最优算法,同时搭建了四轮独立转向驱动电动车的仿真平台,应用本文所提出的算法对车辆的典型工况进行了仿真分析。在软硬件的设计过程中,本文按照自下而上的设计思路进行整车系统设计。首先,本文结合设计要求以及本教研室情况确定了电动车的电池管理系统、驱动系统、转向系统以及传感器等模块。其中大部分模块为本教研室自主开发,同时部分模块还申请了国家发明专利。然后,本文根据整车的各模块接口和信息交互情况,基于飞思卡尔MPC5646C微处理器设计了整车控制器。在设计过程中通过各种冗余设计提高系统容错能力。冗余表决设计保证了控制的可靠性,故障最小运行回路设计,保证车辆即使部分部件出现问题也能在故障模式下行驶。最后,本文以整车控制器硬件设计为基础,选择uC/OS嵌入式操作系统作为软件平台,对控制器自上而下的信号采集、信号处理、状态估计、协调控制等任务作了合理的任务划分和优先级设定,并对内部各任务间的信息同步方式作了一定阐述。在算法研究过程中,本文参考传统汽车线性二自由度模型,建立了四轮独立转向驱动电动车线性四轮模型。本文针对不同电动车行驶的车速,分别设计了低速机动模式控制算法和高速稳定模式控制算法。对于高速稳定模式,本文以控制质心侧偏角为零为基础,提出了针对四轮独立转向驱动电动车的同步最优控制算法。该算法能够保证车辆行驶的稳定性,同时能提高车辆行驶效率。本文还搭建了四轮独立转向驱动电动车的仿真平台,通过修改carsim传统汽车仿真模型,将其应用于四轮独立转向驱动电动车,并用此模型与simlink联合,对车辆的典型工况进行了联合仿真分析。
【关键词】：四轮独立转向 四轮独立驱动 控制器设计 冗余设计 控制算法 Carsim仿真
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究工作的背景与意义12-15
• 1.1.1 电动车现状12
• 1.1.2 电动车四轮独立驱动技术12-13
• 1.1.3 电动车四轮独立转向技术与四轮独立驱动技术的融合13-14
• 1.1.4 轮毂开关磁阻电机技术14-15
• 1.2 四轮独立转向驱动电动车的国内外研究历史与现状15-18
• 1.2.1 国外研究现状15-17
• 1.2.2 国内研究现状17-18
• 1.3 本文的主要贡献与创新18-19
• 1.4 本文的结构安排19-20
• 第二章 四轮独立转向驱动电动车数学模型20-33
• 2.1 轮毂开关磁阻电机模型20-24
• 2.1.1 开关磁阻电机基本原理20-21
• 2.1.2 轮毂开关磁阻电机数学模型21-24
• 2.1.2.1 电路微分方程21-22
• 2.1.2.2 机械微分方程22
• 2.1.2.3 机电联系微分方程22-24
• 2.2 四轮独立转向驱动电动车整车数学模型24-32
• 2.2.1 四轮独立转向驱动电动车线性单轨模型24-27
• 2.2.2 四轮独立转向驱动电动车线性四轮模型27-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 四轮独立转向驱动电动车整车控制系统硬件设计33-57
• 3.1 四轮独立转向驱动电动车整车系统介绍33-35
• 3.2 电池组及其管理系统35-39
• 3.2.1 电动车专用动力锂电池组35-37
• 3.2.2 电池管理系统BMS37-39
• 3.3 电动车驱动系统及转向系统39-42
• 3.3.1 轮毂开关磁阻电机及其控制器39-41
• 3.3.2 转向电机及其控制器41-42
• 3.4 电动车各传感器模块42-48
• 3.4.1 踏板位置传感器43
• 3.4.2 角度传感器43-44
• 3.4.3 车轮输出力矩传感器44-46
• 3.4.4 横摆角速度传感器46-47
• 3.4.5 加速度传感器47-48
• 3.5 电动车整车控制器设计48-56
• 3.5.1 整车控制器硬件系统介绍48-50
• 3.5.2 整车控制器主芯片飞思卡尔MPC5646C介绍50-52
• 3.5.3 整车控制器电流采集电路52-53
• 3.5.4 整车控制器脉冲信号处理电路53-54
• 3.5.5 整车控制器模拟量处理电路54
• 3.5.6 整车控制器开关量输入输出电路54-56
• 3.5.7 整车控制器CAN总线电路56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 四轮独立转向驱动电动车整车控制系统软件设计57-66
• 4.1 软件平台介绍57-58
• 4.2 软件功能及实现方法介绍58-64
• 4.2.1 信号采集及处理59-61
• 4.2.2 车辆状态估计以及路径规划61-62
• 4.2.3 任务划分和优先级设定62-64
• 4.3 本章小结64-66
• 第五章 四轮独立转向驱动电动车控制算法研究66-79
• 5.1 低速机动模式控制算法研究66-71
• 5.1.1 低速运行时四轮独立转向驱动电动车模型66-67
• 5.1.2 低速机动模式各行驶路径分析67-71
• 5.2 高速稳定模式同步控制算法引入71-72
• 5.3 高速稳定模式同步控制算法应用72-78
• 5.3.1 同步控制算法下模型简化72-74
• 5.3.2 控制量最优化求解74-78
• 5.3.2.1 不等式约束条件74-76
• 5.3.2.3 拉格朗日乘子法76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 四轮独立转向驱动电动车系统仿真分析79-87
• 6.1 Carsim仿真软件介绍79-80
• 6.2 Carsim内 4WISD仿真模型建立80-83
• 6.3 仿真结果分析83-86
• 6.4 本章小结86-87
• 第七章 全文总结与展望87-89
• 7.1 全文总结87-88
• 7.2 后续工作展望88-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-93
• 攻读硕士学位期间取得的成果93-94

【参考文献】

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1 张文海;微电机测试技巧[J];微特电机;2004年05期

  本文关键词：四轮独立转向驱动电动车控制系统设计及控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：271534