四轮驱动电动汽车转矩协调优化控制研究

发布时间：2018-03-08 17:44

本文选题：四轮驱动电动汽车　切入点：转矩协调分配　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：纯电机驱动的新能源汽车作为未来社会发展的重要交通工具之一,得到社会普遍的重视。四轮驱动电动汽车作为一种新型的电动汽车,直接在四个车轮上安装轮毂电机,动力输出更加平稳和高效,具有结构紧凑、传动高效、易于控制等特点,独立驱动和制动为整车的安全与节能提供了更多的管理空间,集安全、舒适、节能、环保于一身,可以实现传统驱动方式下无法实现的汽车动力和操纵性能,被认为是未来低碳社会智慧城市的主要交通工具之一。然而,其控制技术发展和应用推广方面仍然面临巨大的挑战。由于安装有四轮独立驱动、制动和主动转向等多执行机构,四轮驱动电动汽车具有冗余的控制自由度,是一个复杂的过驱动控制系统,同时多自由度分布式执行器的交互作用,形成了一个受垂向影响的侧向-纵向复杂耦合的汽车非线性动力学系统,这给控制系统的设计、优化与实现提高了难度,并且四轮驱动电动汽车中影响能量消耗的因素复杂,给整车的能耗优化和能量管理带来了挑战。因此,如何设计分布式底盘系统多执行器协调控制策略满足电动汽车安全性和经济性需求,成为研究的核心内容。本论文的主要内容是对四轮驱动电动汽车转矩协调控制方法进行研究。旨在解决分布式线控电动底盘过驱动系统中驱动、转向等多个执行器间的动作耦合及制约问题,实现四轮驱动电动汽车“安全-动力-节能”的多目标需求。结合预测控制显示处理带约束多变量多目标优化问题的特点,提出基于预测控制理论的转矩协调控制方法,利用商用仿真软件AMESim建立模拟真车运动特性的电动汽车仿真模型,通过多样不同工况下的仿真研究,验证本论文所提出的转矩协调控制系统的有效性,并通过硬件在环实时试验对优化控制方法的实时实现进行了初步探索。为解决极限工况下电动汽车易发生甩尾失控的安全性问题,提出一种利用冗余电机执行器的分布式电驱动系统协调控制方法。首先,采用机理建模方法,建立包含轮胎非线性特性的整车动力学模型,描述车辆转向运动特性。然后,针对整车和执行器间的动力学耦合特性,采用结合整车横摆稳定和电机转矩分配的一体化控制策略,将车辆状态跟踪和滑移率约束惩罚设计为目标函数,提出基于预测控制的集中式系统整体优化方法。接着为解决车辆稳定状态质心侧偏角不可测问题,提出利用非线性轮胎力特性的扩展卡尔曼状态估计方法。为便于车辆控制系统的快速实现,进一步设计分层式横摆稳定控制策略,上层针对轮胎侧向非线性特性提出横摆稳定三步控制方法,下层针对轮胎纵向滑移动态特性和执行器约束提出转矩动态控制分配方法,以降低优化维数。最后,离线仿真和实时试验验证所提出的控制系统可实现多执行器的协同工作,提高车辆稳定性并具有实时性能。在保证车辆安全的基础上,为提升电动汽车的行驶经济性,提出一种面向能量管理的电动汽车转矩能效优化控制方法。首先,采用数据机理混合建模方法,建立包括电机能效和轮胎滑移损耗特性的电动汽车能耗动力学模型。然后,针对存在的动力需求和执行器驱动饱和约束,以驱动能效最优为目标,利用分布式电机能效和滑移的差异,提出基于预测控制的转矩能效优化控制方法,进行电动汽车能量管理。接着,为解决车辆实时系统中多约束多变量滚动优化算法的快速实现问题,提出以线性方程组为转化过渡方式的解析结构和数值优化结合的求解方法,通过减少迭代优化计算次数,提高在线优化效率。针对轮胎滑移率不可测问题,将可测电机转矩作为校正项,提出一种单体轮胎滑移率非线性观测器方法。最后,通过离线仿真和台架实时试验验证所提出的控制方法能够降低驱动能耗,提高电动汽车的经济性。在底层执行控制中,为控制车用底层驱动单元PMSM电机实现车辆控制系统的频繁变化动力需求和行驶经济需求,提出一种以逆变器开关为核心的基于有限集预测控制的电机转矩优化控制方法。首先,分析具有离散开关输入和连续状态的PMSM和逆变器被控系统特性,建立描述其动态特性的混合系统模型。然后,针对存在的定子电流安全性约束和开关输入有限选择约束,将逆变器开关作为优化变量,设计以跟踪期望电流变化和降低驱动能耗为目标的优化代价函数,控制电机输出准确快速的转矩响应,并提升电机工作区域效率。为进一步解决长时域带约束的混合整数规划问题的快速求解问题,提出结合动态规划和基于李雅普诺夫稳定判据与电流约束的剪枝函数的求解方法,降低寻优负担以提高驱动转矩优化控制的计算效率。最后,通过仿真验证了所提电机控制方法的有效性,为整车控制系统的进一步研究工作奠定了基础。论文对提出的电动汽车转矩协调控制方案进行了明确论证,并给出了详尽的控制方法推导过程。为了验证控制器的有效性,在所搭建的电动汽车AMESim仿真模型和d SPACE硬件在环实时试验平台上分别进行了算法的仿真和实时试验验证,并给出了相关结果分析。结果表明,文中所提出的四轮驱动电动汽车的转矩协调优化控制方法取得了令人满意的整体效果。本文未来还需进一步完善的研究工作有:研究具有良好抗垂向扰动鲁棒性能的车辆转矩控制方法;研究考虑实时道路和交通信息的能量优化策略和制动能量回收策略;进一步研究在线快速求解的滚动优化协调控制算法以满足车辆系统实时快速控制的需要;目前仅进行了硬件实时实验,故根据模拟器或实车实验进行的控制方法验证还需进一步探讨。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U469.72

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