电动轮车辆直接横摆力矩控制策略研究

摘要

由于在节能、环保等方面的优势，电动汽车的研究和应用日益受到重视。电动轮驱动车辆驱动系统结构简单和控制方式灵活，为旨在提高车辆性能的先进控制算法奠定了良好基础。由于与传统集中式驱动汽车存在结构方面的差异，电动轮驱动车辆稳定性控制方式与传统车辆必然有所不同，有必要对电动轮驱动车辆的稳定性控制问题进行研究。
　　本文搭建了电动轮车辆8自由度整车及非线性轮胎模型，对直接横摆力矩控制(DYC)分层结构进行了讨论并确定了上下两层的分层控制框架:上层为运动跟踪层，采用模型预测控制(MPC)理论计算所需要的广义控制力，下层为转矩分配层，采用能效最优的分配策略，建立广义控制力到各个车轮转矩的映射。
　　通过对控制问题的描述，基于MPC理论设计DYC系统上层控制器，将驱动系统能产生的最大附加横摆力矩作为控制器输入约束，考虑路面附着系数计算出最大安全质心侧偏角βmax和横摆角速度期望值γd，并将βmax作为输出约束，实时计算出使预测时域内的横摆角速度预测值尽可能地跟踪其期望值γd所需要的附加横摆力矩。
　　分析了各个车轮施加驱/制动力对车辆横摆稳定性控制的影响特性，针对车辆转向不足和转向过多制定不同的力矩分配方式，并结合车轮滑移率PID控制，提出通过优先控制能效较高的车轮以降低电机能耗的优化分配策略。
　　分别对上下层控制算法进行了仿真验证。基于转矩平均分配方式，通过在不同路况下前轮阶跃及正弦输入仿真实验，验证了上层运动跟踪控制算法的有效性;在此基础上，将运动跟踪层和横摆力矩能效优化分配层进行了联合仿真，相对于横摆力矩平均分配和前后轴按比例分配，所制定的控制分配策略能有效降低控制过程中驱动电机能耗，车辆的操纵稳定性及路径跟踪能力得到明显提升，验证了本文所提出的直接横摆力矩控制策略的有效性。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景和意义

1．2 车辆失稳原因分析

1．3 直接横摆力矩控制研究现状

1．3．1 运动跟踪控制模型及算法

1．3．2 转矩分配控制

1．4 本文主要研究内容及方法

第2章 电动轮驱动车辆动力学分析及建模

2．1 整车动力学分析及模型建立

2．1．1 车辆坐标系的建立

2．1．2 车辆动力学分析

2．2 非线性轮胎模型

2．3 模型仿真验证

2．3．1 前轮阶跃输入

2．3．2 前轮正弦输入

2．4 本章小结

第3章 基于MPC的直接横摆力矩控制器设计

3．1 车辆横摆稳定性控制问题描述及DYC系统结构分析

3．2 直接横摆力矩控制名义值计算

3．2．1 二自由度车辆模型

3．2．2 基于2DOFs车辆模型的控制名义值计算

3．3 模型预测控制

3．3．1 模型预测控制基本原理

3．3．2 系统的输入输出约束

3．4 基于MPC的DYC上层控制器设计

3．4．1 基于状态方程的预测模型

3．4．2 上层控制器控制输入和输出约束

3．4．3 性能指标的滚动优化

3．5 仿真结果分析

3．5．1 良好路面仿真分析

3．5．2 湿滑路面仿真分析

3．6 本章小结

第4章 直接横摆力矩控制分配

4．1 车轮纵向力对车辆横摆稳定性控制的影响

4．1．1 各个车轮施加制动力控制效果

4．1．2 各个车轮施加驱动力控制效果

4．1．3 四个车轮共同控制的效果

4．2 能效最优的直接横摆力矩分配策略

4．3 面向能效最优的转矩优化分配策略仿真验证

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 主要创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

附录