基于直接横摆力矩控制的电动汽车操纵稳定性研究

摘要

随着人们对于全球变暖和能量危机的问题关注越来越多，电动汽车的提出被认为是减少温室气体排放和能源利用率的好办法。车辆的安全问题受到重视，而电动汽车的优势，特别是四轮独立驱动在主动安全方面的优势，因此电动汽车的操纵稳定性控制的研究是一个非常关键的问题。以直接横摆力矩控制为代表的车辆稳定性控制系统成为了近年来车辆主动安全领域研究的重点。牵引力控制系统和制动防抱死控制系统的优点都体现于电动汽车的直接横摆力矩控制系统中，电动汽车的驱动性能和制动性能都可以被该系统主动改善，当电动汽车出现不足转向或过度转向的现象，该系统也可以通过对合适的车轮适时地施加主动控制进行矫正，防止电动汽车失去稳定性，从而提高电动汽车的操纵稳定性。
　　 首先，以车辆动力学为基础，分析、建立了七自由度非线性动力学整车模型、线性二自由度车辆模型、“魔术公式”轮胎模型和五相永磁无刷电机模型，用于理论分析研究，在Matlab/Simulink中详细建立了以上模型;同时，基于CarSim软件，建立更符合实际车辆的整车模型，为Matlab/Simulink与CarSim的联合仿真奠定基础。
　　 其次，详细分析了横摆角速度和质心侧偏角对车辆稳定性的影响，以横摆角速度和质心侧偏角作为DYC系统“主环路”的控制变量;同时，分析了轮胎滑移率对车辆稳定性的影响，将轮胎滑移率作为DYC系统“伺服环”的控制变量。针对车辆系统所呈现的非线性、强耦合、时变性及参数不确定性等特点，结合模糊控制和滑模变结构各自的优点，分别设计了基于横摆角速度和质心侧偏角的模糊控制器和模糊变结构控制器，控制器的输出为使车辆恢复到稳定状态所需的附加横摆力矩。接着结合车轮驱动力分配控制的优点采用车轮驱动力控制来实现横摆力矩运动，其中轮胎滑移率会影响轮胎驱动力的变化，采用基于逻辑门限值法对其进行控制，并将理想的电机输出驱动转矩通过五相永磁无刷电机传输给电动汽车，实现了整车闭环控制。
　　 最后，为验证所设计模糊控制器和模糊变结构控制器，基于Matlab/Simulink软件搭建DYC仿真系统平台，选取单周期的正弦输入转向的工况进行仿真测试;同时对角阶跃输入和连续正弦输入工况下进行Matlab/Simulink和CarSim联合仿真研究。通过对仿真结果进行分析得知，本文所设计的直接横摆力矩控制策略能实现对电动汽车操纵稳定性的较好控制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 直接横摆力矩控制的国内外发展现状

1．2．1 直接横摆力矩的国外研究现状

1．2．2 直接横摆力矩的国内研究现状

1．3 电动汽车的关键技术

1．3．1 电机技术

1．3．2 电动汽车牵引力控制技术

1．3．3 电动汽车动力学控制技术

1．4 本文研究的主要内容

第二章 车辆动力学分析与模型的建立

2．1 前言

2．2 七自由度非线性车辆动力学模型

2．2．1 车身动力学模型

2．2．2 车轮动力学模型

2．2．3 垂直载荷估算

2．3 线性二自由度模型

2．4 CarSim非线性车辆模型

2．4．1 CarSim软件简介

2．4．2 CarSim工作流程

2．5 轮胎模型

2．5．1 纯纵滑工况下轮胎纵向力

2．5．2 纯侧偏工况下轮胎侧向力

2．5．3 纵滑-侧偏联合工况

2．6 五相永磁无刷电机模型

2．6．1 五相静止坐标系下的数学模型

2．6．2 五相旋转坐标系下的数学模型

2．6．3 五相永磁无刷电机驱动控制策略

2．7 七自由度整车模型的仿真验证

2．8 本章小结

第三章 车辆动力学系统稳定性分析

3．1 前言

3．2 车辆失稳的原因分析

3．3 车辆稳定性状态参数控制量选取

3．3．1 横摆角速度对车辆稳定性的影响

3．3．2 质心侧偏角对车辆稳定性的影响

3．3．3 滑移率对横摆力矩的影响

3．4 控制变量理想值的确定

3．4．1 理想横摆角速度的确定

3．4．2 理想质心侧偏角的确定

3．4．3 理想滑移率的确定

3．5 本章小结

第四章 直接横摆力矩控制系统策略

4．1 前言

4．2 直接横摆力矩控制系统基本原理

4．2．1 DYC基本控制思想

4．2．2 DYC系统策略

4．3 直接横摆力矩模糊控制器设计

4．3．1 模糊控制基本理论

4．3．2 模糊控制器设计

4．4 直接横摆力矩模糊变结构控制器设计

4．4．1 模糊变结构的基本原理

4．4．2 模糊变结构控制器设计

4．5 直接横摆力矩变滑移率控制器设计

4．6 本章小结

第五章 直接横摆力矩控制系统仿真与分析

5．1 前言

5．2 7DOF整车稳定性控制仿真与分析

5．2．1 7DOF整车Matlab／Simulink仿真模型

5．2．2 单周期正弦输入转角仿真分析

5．3 CarSim整车稳定性控制仿真与分析

5．3．1 Matlab／Simulink与CarSim联合仿真概述

5．3．2 Matlab／Simulink与CarSim联合仿真模型

5．3．3 角阶跃输入转角仿真分析

5．3．4 连续正弦输入转角仿真分析

5．4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文与参与项目