四轮轮毂电动车操纵稳定性控制方法研究

摘要

四轮轮毂电动车具有整备质量轻，机械传动损耗低，行驶特性灵活等特点，已经逐渐成为研究热点之一。目前四轮轮毂电动车整车的基本控制研究已经日趋完善，但是针对操纵稳定性的研究较少，尤其在路况工况变化以及在干扰的情况下的操纵稳定性控制极少涉及，因此操纵稳定性已逐渐成为四轮轮毂电动车整车控制的关键问题之一。本文主要解决四轮轮毂电动车在车辆参数及运行条件变化，以及车辆在干扰情况下的操纵稳定性问题。本文所取得的创新性成果如下：
　　1.为了解决在车辆参数和路面摩擦系数未知的情况下的操纵稳定性问题，本文提出了一种基于自适应控制的横摆角速度和质心侧偏角的控制策略。在分析了横摆角速度和质心侧偏角对四轮驱动电动车操纵稳定性的影响的基础上。为了使车辆适应不同路面摩擦系数，设计了一种基于线性模型的四轮轮毂电动车横摆角速度自适应控制器；鉴于车辆自身参数的漂移，设计了基于质心侧偏角的横摆角速度动态调整策略，实现了四轮轮毂电动车在不同路况和自身参数变化的情况下横摆角速度和质心侧偏角的控制，提高了车辆的操纵稳定性。
　　2.在第1点的基础上，进一步的研究了车辆的加速性和安全性。一方面考虑到四轮轮毂电动车操纵稳定性和加速性能，本文提出了一种基于改进型变速积分的矢量控制策略。另一方面考虑到四轮轮毂电动车操纵稳定性和安全性，以电动车坡道起步为例进行研究，本文设计了一种基于龙伯格状态观测器的坡道起步策略，在车辆起步之前采用龙伯格状态观测器进行坡道角度估计，在保证冲击度满足车辆起步要求的同时最大的输出转矩进行起步。
　　3.由于四轮轮毂电动车的四个轮子均采用独立驱动方式，因此存在转矩分配问题，即将可保证车辆操纵稳定性的总转矩经过合理分配到四个轮子上。而目前所采用的平均分配方式在平行两轮所处于不同工况以及故障的情况下效果并不理想，故本文设计了一种以车辆稳定性为目标的目标优化转矩分配策略。该策略先根据电机故障控制策略，确定参与目标优化的轮胎力；然后将驾驶员期望驱动转矩、驾驶员期望横摆转矩和前轮侧向力比重作为约束条件；最后策略根据当前电动车的运动状态，确定了车轮纵向轮胎力和侧向轮胎力的权重系数，结合四轮轮毂电动车的约束条件得出以车辆稳定性为优化目标的转矩分配方法，为轮毂电机驱动系统提供控制期望值。
　　4.考虑到干扰对四轮轮毂电动车操纵稳定性的影响，本文从以下三个方面的干扰为例进行研究。第一，考虑到网络随机延迟会造成车辆控制产生偏差，严重时甚至会使控制发散，为了保证网络随机延迟干扰条件下的操纵稳定性，本文针对车辆网络的随机延时干扰设计了一种基于H∞鲁棒控制的随机干扰抑制策略。该策略的主要研究工作为：使用泰勒方法建立包含随机延时的整车模型，设计H∞鲁棒控制控制器，使用LMI优化设计方法，求解出控制规律。保证了在网络随机干扰情况下，电动车仍可以按照要求正常的完成指定工况，提高了四轮轮毂电动车的操纵稳定性。第二，考虑到电驱动系统谐波对车辆输出会造成转矩和转速脉冲的问题，为了保证谐波干扰条件下的操纵稳定性，本文提出了一种基于低通滤波器的谐波抑制策略。该策略使用谐波注入的方式进行谐波抑制，具体对电机产生主要影响的五次谐波和七次谐波分别设计低通滤波器，将计算得到的控制电压叠加到基波的控制电压上，从而达到抑制五次和七次谐波的目的。第三，考虑到转矩干扰对车辆操纵稳定性的影响，本文针对电动车负载转矩突变问题设计了一种基于系统逆的转矩干扰控制器。该策略将外部的干扰及模型参数的变化造成的实际对象与名义模型输出的差异统统等效为控制输入端，及等效出干扰，在控制中引入等量的补偿，实现对干扰的完全抑制。本文设计的三种干扰抑制算法保证了电动车在干扰条件下的正常运行，提高了操纵稳定性。
　　基于以上研究工作，本文设计了四轮轮毂电动车操纵稳定性控制系统，并在CarSim和dSPACE半物理仿真平台上进行联合实验。结果表明，在不同工况路况以及干扰情况下均可以良好的保证车辆操纵稳定性。