分布式驱动电动汽车行驶状态观测与横向稳定性控制研究

摘要

在石油资源日渐枯竭和环境污染的双重鞿鞚之下，以新能源汽车逐步替代传统内燃机汽车的变革已在大力推动当中，而纯电动汽车无疑是众多替代方案中最瞩目的一个。分布式驱动电动汽车以轮毂电机直驱车轮，是一个冗余动力学系统，具有其他动力-传动构型不可比拟的动力学控制优势。本文以独立可控的四轮轮毂电机驱动的分布式驱动电动汽车为研究对象，对车辆行驶状态观测和车辆横向稳定性控制开展研究。 分别建立了三自由度和七自由度的车辆动力学模型、Dugoff 轮胎模型，作为分布式驱动电动汽车的行驶状态观测器及横向稳定性控制系统的设计基础；基于车辆动力学仿真软件veDYNA，建立了包括转向系统模型、悬架系统模型、轮毂电机模型、分布式驱动系统模型、车速跟随模块的分布式驱动电动汽车仿真模型。 基于噪声自适应扩展卡尔曼滤波（noise adaptation-extended Kalman filter， NA-EKF）算法设计了分布式驱动电动汽车行驶状态观测器，用以观测车辆的横摆角速度、质心侧偏角和纵向车速；基于所建立的分布式驱动电动汽车仿真平台对所设计的行驶状态观测器进行验证，结果表明：相较于 EKF 观测器，所设计的行驶状态观测器可有效解决先验统计信息不准确和时变噪声输入造成观测精度低的问题，试验中各行驶状态观测量最大的平均绝对误差不超过 34.23%，最大的均方根误差不超过25.22%，最大峰值绝对误差较小。 采集所设计的分布式驱动电动汽车行驶状态观测器的观测状态量，以横摆角速度和质心侧偏角为控制量，设计了分层式的分布式驱动电动汽车横向稳定性控制系统：基于螺旋滑模算法，设计了控制增益的自适应律；以此设计了基于自适应螺旋滑模（adaptive twisting sliding mode，ATSM）算法的、“前馈+反馈”结构的控制系统上层控制器，用以计算维持车辆横向稳定的直接横摆力矩；并通过对上层控制器作Lyapunov稳定性分析，得出了稳定性条件；进而提出了一种最优纵向力分配算法设计控制系统下层控制器，用以根据所获得的直接横摆力矩，计算四轮力矩分配。 基于所建立的分布式驱动电动汽车仿真模型，建立了分布式驱动电动汽车横向稳定性控制系统仿真模型；分别作高、低附着路面下的，中、高速蛇行工况仿真试验、高速双移线工况仿真试验，结果表明：所设计的分布式驱动电动汽车横向稳定性控制系统使车辆较好地跟随期望运动状态，四轮力矩分配合理，既能保证施加一个有效的直接横摆力矩维持车辆的横向稳定，又不至于使一侧轮胎侧向力容易先达到饱和而发生横向失稳，有效提高车辆横向稳定裕度，可有效保证分布式驱动电动汽车的横向稳定性。

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