轮毂电机电动汽车实车平台及其驱动控制策略研究

发布时间：2017-08-09 15:30

  本文关键词：轮毂电机电动汽车实车平台及其驱动控制策略研究

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【摘要】：节能、环保、安全是汽车未来持续发展的方向和永恒主题,轮毂电机电动汽车因其独特的结构与驱动形式越来越受到研究学者的关注。与传统汽车相比,轮毂电机电动汽车具有显著的动力学控制优势,主要体现在其各轮驱动转矩独立且实时可控、电机驱动转矩响应速度快且控制精度高这两个方面。那么,如何利用这些优势,通过合理的控制轮毂电机电动汽车驱动车轮的转矩来提高车辆电气化连接驱动行驶的稳定性自然就成了目前的一个重要挑战和研究热点。本文正是基于此,对轮毂电机电动汽车的实车平台及其驱动过程的稳定性控制策略进行了展开研究。首先,根据研究需要,设计搭建了基于传统简易车架的轮毂电机电动汽车实车平台。平台车设计先从总体架构层面上对整车的电子控制系统架构和网络通讯架构进行了定义,然后对整车的电机驱动系统、动力电池、悬架转向系统、制动系统等关键子系统进行了独立设计,经匹配、校核、组装、加工,完成轮毂电机电动汽车实车平台的搭建。其次,根据实车平台物理结构及参数,基于CarSim传统车模型,经动力系统等修改建立了轮毂电机独立驱动电动汽车整车模型,并设置了整车与电机驱动系统的接口。在电机参数及其数学模型分析的基础上,应用Simulink建立了基于特性查表的转矩PI控制的电机动力学模型。根据所定义的接口,通过制定基于车速跟随PID控制以获取总驱动力的整车驱动行驶策略,联合CarSim/Simulink搭建了通用的轮毂电机电动汽车仿真测试平台,并对其进行了直驶能力及转向能力的验证,同时进一步对汽车在直线加速及转向稳定性工况下常态行驶的动态性能进行了仿真,验证表明了该平台的准确性。再次,基于分层结构控制思想,设计了整车驱动控制策略。整个策略上层采用模块化设计且分工明确,集成了车辆参考模型、失稳判定模块、总驱动力制定模块、横摆力矩决策模块、滑转率控制模块等五大模块。车辆参考模型负责给其他控制模块提供参考信号,为使其能与CarSim的整车模型相匹配,选用了遗传算法对其参数进行了辨识。失稳判定模块负责实时地判断车辆运行过程的稳定性状态,为不使驱动稳定性控制系统频繁无故的启动,设计了基于相平面法联合横摆角速度偏差门限值法的车辆失稳判定方法。总驱动力制定模块则负责获得车辆行驶需求的总驱动力,并对设定目标车速的稳定自适应跟踪。横摆力矩决策模块主要在车辆发生失稳的情况下决策出调节车辆稳定所需的横摆力矩,考虑鲁棒性,基于滑模理论,分别设计了以车身横摆角速度和质心侧偏角为控制变量并考虑其误差变化率的二阶滑模控制器,为了消除两控制变量之间的耦合影响,设计了一个耦合协调控制策略,通过加权得到横摆力矩。滑转率控制模块则负责保证车辆运行时车轮不发生滑转,一旦车轮滑转,基于模糊算法的滑转率控制器则开始工作,从而提高整车行驶的稳定性。下层驱动力分配层则负责将获得的总驱动力、横摆力矩及滑转率控制力矩实时分配给每个驱动车轮。基于转矩规则分配,对设计的驱动控制策略进行角阶跃及双移线工况的仿真试验,结果表明:相比无控制情况及横摆角速度单变量横摆力矩滑模控制时,设计的驱动综合控制策略能更加有效提高车辆的操纵稳定性和行驶安全性,验证了驱动控制策略的有效性及其对工况的适应性。然后,对上层获得的三种力矩在下层的有效分配问题进行了研究,提出了基于动态载荷因子的分配方法及基于稳定性的转矩优化分配方法,前者以动态载荷因子为分配系数,充分考虑了汽车行驶过程的载荷转移问题;后者以各个轮胎利用率之和最小为优化目标,并考虑载荷转移、路面附着条件限制以及电机转矩输出限制等因素,实时地将上层获得的三种力矩由有效集算法解算并最优分配给每个车轮。与转矩规则分配方法相比,三种算法在Fishhook及蛇形工况试验的仿真结果表明:三种转矩分配算法均可提升车辆行驶的稳定性,但动态载荷分配及最优分配由于考虑了相关因素且更接近实际情况,因而控制效果更佳,其中转矩最优分配的控制效果最佳。最后,论文对轮毂电机电动汽车的实车平台及其驱动稳定性控制策略研究作了全面的总结,并对论文研究呈现的不足及后续研究进行了展望。
【关键词】：轮毂电机电动汽车 驱动控制策略 分层结构 转矩优化分配 联合仿真
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 研究背景及选题意义11-14
• 1.2 轮毂电机电动汽车实车平台研究现状14-17
• 1.2.1 国外发展概况14-16
• 1.2.2 国内发展概况16-17
• 1.3 轮毂电机电动汽车驱动稳定性控制研究现状17-24
• 1.3.1 电子差速控制18-20
• 1.3.2 横摆力矩控制20-21
• 1.3.3 驱动防滑控制21-22
• 1.3.4 驱动力分配22-24
• 1.4 本文的主要研究内容24-26
• 2 轮毂电机电动汽车实车平台的搭建26-36
• 2.1 实车平台总体架构设计27-28
• 2.1.1 整车电子控制系统架构设计27-28
• 2.1.2 整车网络通讯架构设计28
• 2.2 子系统设计28-34
• 2.2.1 电机驱动系统28-31
• 2.2.2 动力电池系统31-32
• 2.2.3 悬架转向系统32-33
• 2.2.4 制动系统33-34
• 2.2.5 控制系统34
• 2.3 实车平台的搭建34-35
• 2.4 本章小节35-36
• 3 基于CarSim/Simulink的轮毂电机电动汽车模型36-51
• 3.1 实车参数36-37
• 3.2 基于CarSim的轮毂电机电动汽车整车模型的建立37-42
• 3.2.1 车体建模38-39
• 3.2.2 空气动力学39
• 3.2.3 动力系统39-40
• 3.2.4 制动、转向系统40
• 3.2.5 悬架系统40-41
• 3.2.6 轮胎模型41-42
• 3.3 基于Simulink的电机模型的建立42-43
• 3.4 整车驱动行驶策略制定43-44
• 3.4.1 PID控制原理43-44
• 3.4.2 基于车速跟随PID控制的总驱动力获取44
• 3.5 轮毂电机电动车联合仿真模型的建立及验证44-46
• 3.5.1 直驶能力验证45
• 3.5.2 转向能力验证45-46
• 3.6 车辆稳态下行驶的动态性能仿真验证46-50
• 3.6.1 直线加速动力性仿真46-47
• 3.6.2 转向稳定性仿真47-50
• 3.7 本章小结50-51
• 4 轮毂电机电动汽车驱动控制策略设计51-79
• 4.1 驱动稳定性控制策略总体设计方案51-52
• 4.2 车辆参考模型52-57
• 4.2.1 线性二自由度整车模型52-54
• 4.2.2 基于遗传算法的参考模型参数辨识54-57
• 4.3 车辆失稳的判定57-61
• 4.3.1 稳定性评价参数57-59
• 4.3.2 失稳判定方法的设计59-61
• 4.4 横摆力矩决策61-66
• 4.4.1 滑模控制算法简介61-62
• 4.4.2 基于二阶滑模控制的横摆力矩决策62-66
• 4.5 滑转率控制层66-69
• 4.5.1 模糊控制理论66-67
• 4.5.2 基于模糊方法的滑转率控制器设计67-69
• 4.6 驱动转矩的下层分配69-71
• 4.7 驱动控制策略仿真验证71-77
• 4.7.1 集成算法的仿真平台搭建71-72
• 4.7.2 开环角阶跃仿真工况72-74
• 4.7.3 闭环双移线仿真工况74-77
• 4.8 本章小节77-79
• 5 驱动转矩分配算法研究79-92
• 5.1 转矩分配算法简介79-80
• 5.2 转矩动态载荷分配80-81
• 5.3 驱动转矩最优分配81-85
• 5.3.1 优化分配目标81-82
• 5.3.2 优化分配的边界约束82-83
• 5.3.3 优化求解算法83-85
• 5.4 驱动转矩分配算法仿真验证85-91
• 5.4.1 开环Fishhook仿真工况85-88
• 5.4.2 闭环蛇形仿真工况88-91
• 5.5 本章小节91-92
• 结论92-94
• 参考文献94-98
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果98-99
• 致谢99-100

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