_20200909_113654畢設(shè)論文草稿-manuscript11-格式

1、TM30110590分類號UDC學(xué)校代碼密級621公開深圳大學(xué)碩士學(xué)位論文基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究池 成學(xué) 位類別工程碩士專業(yè)學(xué)位專 業(yè)名稱交通運(yùn)輸工程學(xué)院（系、所）機(jī)電與控制工程學(xué)院指導(dǎo)教 師徐剛深圳大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文永磁同步電機(jī)非線性模型實(shí)時系統(tǒng)的建立與半物理仿真是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名

2、：日期：年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)說明（必須裝訂在印刷本首頁）本學(xué)位論文作者完全了解深圳大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬深圳大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其他機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)深圳大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（涉密學(xué)位論文在后適用本授權(quán)書）論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年 月 日日期：年 月日基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究摘 要迫于環(huán)境和能源的雙重壓力，電動汽車成為當(dāng)前的必

3、然趨勢。當(dāng)前，傳統(tǒng)集中式驅(qū)動燃油車動力源的電機(jī)化改造已取得階段性成果。顯然，這種對傳統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)的簡單繼承，除電機(jī)外特性曲線有所改善外，整車控制效果改善較為有限。相比之下，采用分布式獨(dú)立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車（下稱輪轂電動汽車），各輪轉(zhuǎn)向角、驅(qū)動力矩獨(dú)立可控，從在根本上改變了底盤的牽引控制方式。這種分布式驅(qū)動結(jié)構(gòu)給車輛運(yùn)動和控制帶來全新可能，在主動安全性和動力學(xué)品質(zhì)上更具優(yōu)勢，因此被業(yè)界譽(yù)為汽車的終極驅(qū)動形式。然而，這種結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征的整車操控穩(wěn)定性成為一個全新的問題。性改變，也使得輪轂電動汽車各輪之間缺乏確定約束關(guān)系，由此產(chǎn)生的差動轉(zhuǎn)向效應(yīng)會產(chǎn)生橫擺力矩干擾，致使當(dāng)前主流的基于DY

4、C穩(wěn)定性控制系統(tǒng)失效。本文依托于國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51577120）“基于隱馬爾可夫的全線控輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性關(guān)鍵問題研究”，和深圳市基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目（JCYJ20170302142107025）“全輪轉(zhuǎn)向輪轂電動起汽車節(jié)能與操縱穩(wěn)定性關(guān)鍵問題研究”，開展了線控四輪電動汽車全輪轉(zhuǎn)向和全輪驅(qū)動協(xié)調(diào)控制研究，主要處理了全線控輪轂電動車轉(zhuǎn)向系和驅(qū)動系因結(jié)構(gòu)屬性模糊帶來的耦合作用，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動系和轉(zhuǎn)向系的協(xié)調(diào)控制，并在此基礎(chǔ)上初步實(shí)現(xiàn)了汽車的操控穩(wěn)定性控制。圍繞著上述研究目的，主要開展了以下工作：（1） 全線控輪轂電動汽車試驗(yàn)平臺搭建從四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向、驅(qū)動、制動的全線控（X-by-Wire，簡

5、稱XBW）電動汽車試驗(yàn)平臺的功能需求出發(fā)，并結(jié)合課題組研究需求，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)方案；為了解決懸架系統(tǒng)與電動輪的適配問題，提出并設(shè)計(jì)一種全新的中心轉(zhuǎn)向懸架系統(tǒng)，并給出了其力學(xué)特性分析；完成整車的機(jī)械設(shè)計(jì)、加工、裝配和調(diào)試工作。同時，基于ADAMS/view建立試驗(yàn)平臺的整車虛擬樣機(jī)，完成試驗(yàn)平臺的穩(wěn)定性分析。（2） XBW輪轂電動車仿真平臺開發(fā)仿真平臺開發(fā)主要包括輪轂電車動力學(xué)建模抽象、執(zhí)行器動力學(xué)建模和仿真平臺結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)。對針對當(dāng)前研究不足，建立了考慮車輛垂向運(yùn)動在內(nèi)的19自自由度非線性時變耦合輪轂電動汽車仿真平臺，并從系統(tǒng)功能出發(fā)對仿真平臺進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)?？紤]到開展執(zhí)行器動態(tài)

6、響應(yīng)特性對整車穩(wěn)定性控制影響的研究需求，建立了I 基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究非線性動態(tài)輪轂電機(jī)模型、轉(zhuǎn)向電機(jī)模型、電磁制動器模型。最后，在復(fù)雜多工況下完成仿真平臺的有效性驗(yàn)證。（3） 整車穩(wěn)定性控制策略設(shè)計(jì)從汽車穩(wěn)定性控制理論入手，對輪轂電動汽車穩(wěn)定控制問題的特殊性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)高冗余和控制的非線性特點(diǎn)，確定了以五層運(yùn)動控制為核心的整車分層集中式穩(wěn)定性控制結(jié)構(gòu)。其中，運(yùn)動跟蹤控制層通過統(tǒng)籌廣義控制力從上層協(xié)調(diào)驅(qū)動系和轉(zhuǎn)向系因結(jié)構(gòu)屬性模糊造成的運(yùn)動沖突；輪胎分配控制層專注于廣義控制力的具體實(shí)現(xiàn)。分層集中式控制結(jié)構(gòu)，降低了車輛解耦控制難度，使整車穩(wěn)定

7、性控制算法以較高的集成度到達(dá)理論控制最優(yōu)。此外，考慮到“人-車-路”閉環(huán)控制的需求，基于“預(yù)瞄-跟隨” 理論建立側(cè)向加速度動態(tài)反饋矯正的駕駛員模型；并設(shè)計(jì)整車駕駛模式。（4） 轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制研究該部分主要進(jìn)行運(yùn)動控制決策生成和輪胎控制分配問題研究。運(yùn)動控制層解決了過驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)動協(xié)調(diào)控制問題，針對差動轉(zhuǎn)向效應(yīng)，文中以縱向車速、橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角為追蹤目標(biāo)，基于滑膜變結(jié)構(gòu)控制理論進(jìn)行了運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)，同時完成駕駛員行為監(jiān)測，用于提升整車主動安全性。輪胎力控制分配層則用于解決系統(tǒng)的過驅(qū)分配問題。文中將四輪側(cè)偏向力、縱向力作為8個獨(dú)立控制變量，以提升整車穩(wěn)定性裕度為目標(biāo)，將輪胎力分配問題歸納為多

8、約束下的LQP極值優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)輪胎側(cè)偏力和縱向力的解耦，并制定輪胎力混合求解策略。最后，通過構(gòu)建輪胎力與執(zhí)行器的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩最優(yōu)分配。本文以汽車整車動力學(xué)控制為理論依據(jù)，以全輪轉(zhuǎn)向與驅(qū)動協(xié)調(diào)集成控制為核心， 進(jìn)而研究線控輪轂電動車操縱穩(wěn)定性閉環(huán)控制系統(tǒng)。在此目標(biāo)下，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)車試驗(yàn) 平臺的有無問題、系統(tǒng)仿真平臺的搭建、分層式集成控制策略設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)控制研究，為課題的后續(xù)研究做了基礎(chǔ)性工作。關(guān)鍵字：輪轂電動汽車；動力學(xué)模型；驅(qū)動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制；滑膜變結(jié)構(gòu)控制；最優(yōu)控制分配II Study on the control stability of In-wheel motor

9、d riven EV based on the coordination of steering system and driving systemAbstractOwing to the double pressure of environment and energy, electric vehicles have become the inevitable trend. At present, the traditional centralized drive fuel vehicle power source motor transformation has achieved stag

10、e results. Obviously, the simple inheritance of the traditional vehicle structure, in addition to the improvement of the characteristic curve outside the motor, the improvement of the control effect of the vehicle is limited. In contrast, the distributed independent drive and steering wheel motor dr

11、ive electric vehicle (hereinafter referred to as hub electric vehicle), each wheel steering angle and driving torque independently controllable, fundamentally changed the chassiss traction control mode. The distributed driving structure brings new possibilities to vehicle motion and control, and has

12、 more advantages in active safety and dynamic quality. Therefore, it is regarded as the ultimate driving form of automobiles. However, the subversive changes in the structural and dynamic characteristics make the vehicle handling stability a completely new problem.There is a lack of deterministic re

13、lationship between wheels of wheel electric vehicle. The differential steering effect generated by the steering wheel will cause yaw moment interference, which results in the failure of the current mainstream DYC based stability control system. This paper is based on the project supported by the Nat

14、ional Natural Science Foundation (51577120) wheel electric vehicle handling stability research on key issues of all control based on Hidden Markov, and basic research programs supported by Shenzhen (JCYJ20170302142107025) all wheel steering wheel electric vehicle energy saving and handling stability

15、 of key problems in the study, carried out by four wheel electric vehicle all wheel steering and all wheel drive coordinated control research, mainly deal with all wheel steering system and electric control system for driving structure of fuzzy attribute coupling brings, to realize the coordinated c

16、ontrol of driving and steering system, and on the basis of preliminary implementation control handling stability of automobile. Focusing on the purpose of the study, the following work has been carried out:(1) Construction of test platform for full line hub electric vehicleFrom the four wheel indepe

17、ndent steering, driving, braking control line (X-by-Wire, XBW)functional requirements of electric vehicle test platform, and combined with the research needs, designed the overall structure of the program in order to solve the test platform; adaptiveIII Study on the control stability of In-wheel mot

18、ord riven EV based on the coordination of steering system and driving systemsuspension system and electric wheel problem, and put forward a new design of the steering and suspension center the system, and gives the analysis of its mechanical properties; complete mechanical design, processing, assemb

19、ly and debugging of the vehicle. At the same time, the virtual prototype of the whole vehicle is built based on ADAMS/view to complete the stability analysis of the test platform.(2) Development of simulation platform for XBW in wheel motor driven EVThe development of the simulation platform mainly

20、includes the dynamic modeling abstraction of the hub tram, the dynamic modeling of the actuator and the modular design of the simulation platform structure. Aiming at the lack of current research, a 19 degree of freedom nonlinear time variant coupled hub electric vehicle simulation platform consider

21、ing vehicle vertical motion is established. And the simulation platform is modularized from the function of the system. Considering the research needs of dynamic response characteristics of actuator to vehicle stability control, a nonlinear dynamic hub motor model, a steering motor model and an elec

22、tromagnetic brake model are established. Finally, the effectiveness of the simulation platform is verified under complex multiple conditions.(3) The design of the stability control strategy of the whole vehicleOn the basis of the theory of automobile stability control, the particularity of the stabi

23、lity control of XBW hub electric vehicle is analyzed. On this basis, aiming at the nonlinear characteristics of the systems high redundancy and control, we have determined the vehicles hierarchical centralized stability control structure based on the five level motion control. Among them, the motion

24、 tracking control layer is the motion conflict caused by the overall control force from the upper coordination drive system and the steering system due to the fuzzy structure attribute; the tire assignment control layer focuses on the specific implementation of generalized control force. The hierarc

25、hical centralized control structure reduces the difficulty of vehicle decoupling control, and makes the whole vehicle stability control algorithm reach the optimal control with higher integration degree. Besides, considering the demand of closed loop control of human vehicle road, a driver model of

26、lateral acceleration dynamic feedback correction is established based on the theory of preview follow, and the vehicle driving mode is designed.(4) Research on the coordinated control of steering and torqueThis part mainly deals with the decision making of motion control and the research of tire con

27、trol distribution. Motion control layer to solve the flooding system coordinated motion control problem for differential steering effect, with longitudinal speed, yaw rate and sideslipIV Study on the control stability of In-wheel motord riven EV based on the coordination of steering system and drivi

28、ng systemangle for target tracking in this paper, sliding mode variable structure control theory are introduced based on motion controller design, completed at the same time for driver monitoring, to improve vehicle active safety. The tire force control distribution layer is used to solve the proble

29、m of overdrive distribution of the system. The four round of the lateral deflection force, longitudinal force as 8 independent variables, in order to enhance the vehicle stability margin as the goal, the tire force distribution problem into optimization problem with multiple constraints LQP extremum

30、, decouple tire lateral force and longitudinal force, and to develop strategies for solving mixed tire force. Finally, by constructing the mapping relationship between the tire force and the actuator, the optimal distribution of the four wheel rotation angle and torque is realized.Based on vehicle d

31、ynamics control theory, taking the integrated control of all wheel steering and drive coordination as the core, the closed-loop control system of handling and stability of wire controlled hub electric vehicle is studied. Under this goal, we mainly realized the problems of the real vehicle test platf

32、orm, the establishment of the system simulation platform, the design of the hierarchical integrated control strategy and the coordinated controlof torque and rotation.Key words: in-wheel motor driven EV；vehicle dynamic model； drive andintegrated control; synovium variable structure control; optimal

33、control allocation.steeringV 目 錄摘 要IAbstractIII第 1 章緒論11.1 課題研究背景及意義11.1.1 研究背景11.1.2 研究意義21.2 線控輪轂電動汽車研究概況31.3 課題相關(guān)研究內(nèi)容概述51.3.1 輪轂電汽車仿真平臺建模研究概況51.3.2 汽車操縱穩(wěn)定性控制基礎(chǔ)理論概況61.3.3 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)控制研究概況71.3.4 穩(wěn)定性控制結(jié)構(gòu)策略研究概況81.4 主要內(nèi)容和特色9第 2 章全線控輪轂電動汽車試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與分析12.1 全線控車試驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12.2 中心轉(zhuǎn)向懸架與驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析22.2.1 中心轉(zhuǎn)向懸架與驅(qū)動系統(tǒng)

34、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.2.2 中心轉(zhuǎn)向懸架與驅(qū)動系統(tǒng)力學(xué)分析52.3 全線控車試驗(yàn)平臺操控穩(wěn)定性分析92.3.1 試驗(yàn)平臺虛擬樣機(jī)和對標(biāo)模型建模92.3.2 試驗(yàn)平臺虛擬樣機(jī)仿真與分析102.4 本章小結(jié)16第 3 章全線控輪轂電動汽車仿真平臺開發(fā)173.1 仿真平臺總體結(jié)構(gòu)173.2 整車動力學(xué)建模193.2.1 仿真平臺坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換193.2.2 系統(tǒng)運(yùn)動變量定義203.2.3 車身動力學(xué)模型213.2.4 懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型233.2.5 車輪動力學(xué)模型243.2.6 輪胎動力學(xué)模型253.2.7 空氣動力學(xué)模型303.3 執(zhí)行單元建模313.3.1 線控驅(qū)動單元建模313.3.2 線控轉(zhuǎn)向單元建

35、模333.3.3 線控制動單元建模343.4 試驗(yàn)平臺仿真流程363.5 仿真平臺驗(yàn)證373.6 仿真平臺建模建議403.7 本章小結(jié)40第 4 章整車穩(wěn)定性控制策略設(shè)計(jì)424.1 輪轂電動汽車穩(wěn)定性控制分析424.1.1 傳統(tǒng)汽車穩(wěn)定性控制問題描述424.1.2 全線控輪轂電動車穩(wěn)定性控制分析434.2 運(yùn)動狀態(tài)變量選擇444.3 整車穩(wěn)定性分層集中式控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)454.4 基于側(cè)向加速度反饋校正的駕駛員模型474.4.1 駕駛模型建模474.4.2 駕駛員模型仿真驗(yàn)證494.5 駕駛模式設(shè)計(jì)504.5.1 駕駛模式設(shè)計(jì)分析514.5.2 特殊駕駛模型仿真534.6 本章小結(jié)54第 5 章整

36、車運(yùn)動跟蹤控制研究555.1 運(yùn)動跟蹤控制問題描述555.2 參考運(yùn)動狀態(tài)變量565.2.1 名義參考狀態(tài)變量565.2.2 綜合運(yùn)動狀態(tài)允許域設(shè)計(jì)585.2.3 參考狀態(tài)變量615.3 運(yùn)動跟蹤控制器設(shè)計(jì)645.3.1 運(yùn)動跟蹤控制研究現(xiàn)狀645.3.2 滑膜變結(jié)構(gòu)控制簡介655.3.3 基于SMC 的運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)655.4 運(yùn)動跟蹤控制器仿真與分析705.4.1 仿真試驗(yàn)說明705.4.2 高附著路面正弦輸入工況715.4.3 低附著路面魚鉤試驗(yàn)工況735.5 本章小結(jié)75第 6 章基于最優(yōu)控制的輪胎力分配控制研究766.1 輪胎力分配控制分析76.廣義控制力在輪胎力上的實(shí)現(xiàn)77.輪胎力

37、在執(zhí)行器上的實(shí)現(xiàn)786.2 基于LQP 的最優(yōu)控制分配算法796.2.1 控制分配算法簡介796.2.2 輪胎力優(yōu)化目標(biāo)806.2.3 系統(tǒng)約束處理816.2.4 基于LQP 的混合優(yōu)化求解策略826.3 車輪轉(zhuǎn)向角計(jì)算856.3.1 輪胎側(cè)偏特性逆模型856.3.2 轉(zhuǎn)角計(jì)算866.4 仿真試驗(yàn)分析計(jì)算876.4.1 高附著路面正弦輸入工況876.4.2 低附著路面魚鉤試驗(yàn)工況896.5 本章小結(jié)90第章 總結(jié)與展望91.1 全文總結(jié)91.2 研究展望92參 考 文 獻(xiàn)93致謝99碩士期間發(fā)表成果100基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究第 1 章 緒論1.1 課題研究背

38、景及意義1.1.1 研究背景安全、節(jié)能與環(huán)保是汽車發(fā)展的方向和永恒主題，尤其在事故頻發(fā)、能源短缺和環(huán)境惡化的當(dāng)下顯得格外重要1。電子化、智能化、電動化、可再生化是實(shí)現(xiàn)安全、舒發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)對于推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、促進(jìn)節(jié)能減排、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有重要意義2。近年來，迫于能源與環(huán)境的雙重壓力，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展已經(jīng)成為全球各個國家推進(jìn)交通能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重要措施。特別是在國際金融后，為搶占新一輪經(jīng)濟(jì)增長的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，主要汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛加大對電動汽車的研發(fā)投入并且加強(qiáng)政策支持力度3。世界各個國家的汽車研究單位以及高校也紛紛關(guān)注純電動汽車的研究和開發(fā)，并且取得了許多重大的研究成果

39、。目前，站在中國工業(yè)2025轉(zhuǎn)型升級的重要節(jié)點(diǎn)上，發(fā)展新能源汽車工業(yè)已成為“十三五”既定國家戰(zhàn)略，并確立了以推廣純電驅(qū)動為主的跨越式技術(shù)發(fā)展路線4, 5。在此格局下，開展純電動汽車基礎(chǔ)技術(shù)研究，對實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)在新能源領(lǐng)域的彎道超車格外重要。圖1.1 分布式驅(qū)動輪轂電動汽車及其驅(qū)動單元當(dāng)前，傳統(tǒng)集中式驅(qū)動燃油車的電動化改造已取得階段性成果，并相續(xù)有量產(chǎn)的混合動力和純電動汽車推出市場。此類電動汽車依賴集中式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過動力源電機(jī)化，并借助差速器和分動器實(shí)現(xiàn)二輪或全輪驅(qū)動。顯然，這種對傳統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)的簡單繼承，除電機(jī)外特性曲線有所改善外，車輛驅(qū)動方式并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變，整車動力學(xué)品質(zhì)和舒適性、經(jīng)

40、濟(jì)性、主動安全性等改善較為有限，未能充分體現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)優(yōu)勢。相比之下，采用分布式獨(dú)立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車（下稱輪轂電動汽車），省略了傳動系統(tǒng)，利用電機(jī)直接驅(qū)動車輪，各輪的運(yùn)動狀態(tài)相互獨(dú)立，1基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究整車擁有更多的可控自由度。因此輪轂電動汽車的分布式驅(qū)動方式能從根本上汽車驅(qū)動方式，為汽車運(yùn)動和控制帶來全新可能，成為極具潛力的汽車技術(shù)。了1.1.2 研究意義輪轂電動汽車采用電機(jī)直驅(qū)，能量傳遞環(huán)節(jié)少，能從根本上提高能源利用率，通過轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)分配可實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制；省略了傳動系統(tǒng)，簡化了底盤結(jié)構(gòu)、提升車輛空間利用率，對汽車整備質(zhì)量輕量化貢獻(xiàn)較大

41、，可顯著降低制造成本，并進(jìn)一步增加電動汽車?yán)m(xù)駛里程；車輛具有更多可控自由度，各執(zhí)行器運(yùn)動相對獨(dú)立，執(zhí)行器除了本職工作外亦可兼做整車閉環(huán)反饋單元，用于諸如路面附著系數(shù)、車速、車輪側(cè)偏角的實(shí)時觀測中，能減少了對額外傳感器和執(zhí)行器的依賴；線控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破除了傳統(tǒng)系統(tǒng)間的約束，通過各大執(zhí)行器的組合優(yōu)化，便于實(shí)現(xiàn)SBW、SBB、SBD、TCS、DYC、ASR、ESP、AFS等主動安全技術(shù)的集成控制，能顯著增強(qiáng)極限工況下車輛穩(wěn)定性儲備裕度，從而使車輛擁有更佳的主動安全性。因此，業(yè)界亦將輪轂電車稱之為電動汽車的終極驅(qū)動形式6。（a）傳統(tǒng)集中式集中式驅(qū)動結(jié)構(gòu)（b）輪轂電動汽車分布式驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖1.2 集中式驅(qū)動與

42、分布式驅(qū)動底盤結(jié)構(gòu)目前，輪轂電動汽車尚處在研發(fā)中，國內(nèi)外許多高校企業(yè)都投入了大量精力，也 取得許多喜人的研究成果，但是其距離實(shí)際量產(chǎn)依舊還存在許多關(guān)鍵技術(shù)難題，其中 最為迫切的是輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性研究，其作為基礎(chǔ)是其他關(guān)鍵技術(shù)研究的前提， 故而更具迫切性。車輛的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員盡量舒適狀態(tài)下，車輛能遵循駕駛 員意圖行駛的能力，且當(dāng)遭遇外界干擾時，車輛能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力7。操縱穩(wěn)定性主要強(qiáng)調(diào)車輛對側(cè)向動力控制，它是決定極限轉(zhuǎn)向等情況下車輛安全性能 的主要因素，也是車輛動力學(xué)品質(zhì)最基本的保證。由于采用分布式驅(qū)動，輪轂電動汽車各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間不存在確定的機(jī)械約束，因此 整車牽引控制

43、效果依賴于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)，其動力學(xué)結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)汽車相差巨大。雖放寬了對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制，卻對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。主要差異表現(xiàn)在 四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向、四輪獨(dú)立驅(qū)動、四輪獨(dú)立制動的輪轂電動車是過驅(qū)系統(tǒng)，需要對四個獨(dú)立驅(qū)動、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配和轉(zhuǎn)角控制，以滿足對車輛運(yùn)動狀態(tài)變量2基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究（不超過6個）的跟蹤，即執(zhí)行器輸出變量與被控狀態(tài)變量之間是映射關(guān)系不唯一，系統(tǒng)自由度高度冗余；同時，傳統(tǒng)汽車上的圍繞著特定控制目標(biāo)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)相對封閉獨(dú)立，當(dāng)多個子系統(tǒng)同時作用時，由于車輛的耦合特性，控制目標(biāo)間普遍存在沖突與干擾，從而難以通過傳統(tǒng)汽

44、車平臺遷移實(shí)現(xiàn)輪轂電動車穩(wěn)定性控制。理論上，輪轂電動汽車雖然相對于傳統(tǒng)汽車有巨大優(yōu)勢，但實(shí)際由于輪轂電動汽車的相關(guān)研究與傳統(tǒng)汽車的研究問題完全不同，因此，必須研究新的理論來支撐輪轂電動汽車操縱穩(wěn)定性研究。本課題在國家自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究資助下，為上述輪轂電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研究開展做了基礎(chǔ)性探索，包括設(shè)計(jì)建立實(shí)車試驗(yàn)平臺， 進(jìn)行整車復(fù)雜非線性耦合動力學(xué)仿真平臺建模，圍繞著4WIS、4WID輪轂電動汽車， 以整車動力學(xué)控制為理論基礎(chǔ)，以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，探討了多約束下的分配控制問題，基于全輪主動轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)矩分配集成控制，進(jìn)行輪轂電動汽車操縱穩(wěn)定性和控制策略研究。1.2 線控輪轂電動汽車研究概況

45、分布式驅(qū)動的輪轂電動汽車在穩(wěn)定性、舒適性和節(jié)能控制等方面相較于傳統(tǒng)車輛具有顯著的理論優(yōu)勢，因此國內(nèi)外針對分布式驅(qū)動電動汽車進(jìn)行了大量的系統(tǒng)研究和實(shí)驗(yàn)車輛開發(fā)，為其動力學(xué)系統(tǒng)研究提供了試驗(yàn)平臺。最早的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動車源于保時捷的大膽設(shè)想，采用兩個內(nèi)置于前輪的電機(jī) 直接驅(qū)動汽車8，從而擯棄了發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)。如今，輪轂電動汽車在電子穩(wěn)定控制、系統(tǒng)集成等方面有了長足進(jìn)步。針對不同應(yīng)用需求，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)分別開發(fā)了高速型、高動力型二款8輪獨(dú)立 驅(qū)動輪轂電動汽車 “Ellica”9，如圖1.3(a)，進(jìn)行了一系列的牽引控制研究；三菱汽車公司則利用輪轂電機(jī)力矩獨(dú)立控制的特點(diǎn)進(jìn)行動力學(xué)穩(wěn)定性控制，推出了

46、MIEV概念車10， 如圖1.3(b)；東京大學(xué)的Hori 教授11, 12則基于量產(chǎn)車開發(fā)了4WID的概念電動車“UOT Electric March”， 如圖1.3(c)；東京農(nóng)工大學(xué)的永井正夫教授13團(tuán)隊(duì)為研究DYC與SBW 集成控制，提出了輪轂電機(jī)驅(qū)動的 NOVEL系列微型車技術(shù)解決方案；通用公司14先后研發(fā)了輪轂電機(jī)后驅(qū)輕型概念車Hy-wire和氫燃料輪轂電動汽車Seque，如圖1.3(d)；美國俄亥俄州立大學(xué)15基于沙灘車開發(fā)的四輪輪轂電動汽車（如圖1.3(e)），研究了驅(qū)動和再生制動模式下的力矩分配和節(jié)能控制。除了民用領(lǐng)域外，輪轂電動汽車在領(lǐng)車16, 17，南非阿姆斯域也開始得到

47、重視，通用公司開發(fā)了8x8輪轂電機(jī)驅(qū)動“悍馬”科公司對“大山貓”18（如圖1.3(f)）進(jìn)行輪轂電機(jī)驅(qū)動改裝，它們極大的改善了車輛的經(jīng)濟(jì)性和動力性。此外，通過對驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動、懸架在車輪單元的集成，VOLVO19和法國米其林20分別推出了提出的ACM（Autonomous Corner Module）和3基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究active wheel motor概念車輪總成。由此可見，輪轂電動汽車已被世界視為未來電動汽車領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。（a）Ellica 輪轂電動汽車（b）三菱 MIEV 概念車（c）UOT Electric March（d）Seque

48、氫燃料概念車（e）Ohio State University試驗(yàn)臺圖1.3 國外分布式驅(qū)動輪轂電動汽車（f）“大山貓”輪式戰(zhàn)車國內(nèi)對此也開發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)平臺并進(jìn)行了相應(yīng)的穩(wěn)定性、平順性等研究。例如，同濟(jì)大學(xué)21相繼開發(fā)了春暉系列分布式驅(qū)動電動車；清華大學(xué)22, 23設(shè)計(jì)了針對個人短途工況的經(jīng)濟(jì)型微型輪轂電動汽車“哈利”；吉林大學(xué)6, 24-26為了相關(guān)集成控制方法研究，設(shè)計(jì)了全線控輪轂電動車平臺UFEV；此外，中文大學(xué)27, 28、北京理工大學(xué)7、上海交通大學(xué)29、山東大學(xué)30, 31等大學(xué)及科研單位也針對輪轂電動汽車進(jìn)行了樣車開發(fā)。（a）同濟(jì)大學(xué)“春暉”三號（b）清華大學(xué)微型車“哈利”（c）

49、吉林大學(xué)UFEV試驗(yàn)車（d）中文大學(xué)OK1（e）北京理工大學(xué)輪式戰(zhàn)車圖1.4 國內(nèi)分布式驅(qū)動輪轂電動汽車（f）山東大學(xué)試驗(yàn)車4基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究綜上所述，雖然目前國內(nèi)外不少機(jī)構(gòu)針對輪轂電動汽車提出了一些產(chǎn)品級解決方案，但是實(shí)際上這種汽車的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，迫于安全、穩(wěn)定、可靠性的原因，現(xiàn)階段還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的民用化水平。相比之下，我國對于四輪驅(qū)動輪轂電動汽車研究與國外存在著較大的技術(shù)差距，總體上還處于起步階段。因此，要充分發(fā)揮分布式輪轂電動車的驅(qū)動結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，還需在穩(wěn)定性、節(jié)能控制等方面開展細(xì)致、深入、系統(tǒng)的理論研究和實(shí)踐探索，這將對輪轂電動汽車穩(wěn)定性電控系統(tǒng)產(chǎn)生深

50、遠(yuǎn)影響。1.3 課題相關(guān)研究內(nèi)容概述1.3.1 輪轂電汽車仿真平臺建模研究概況車輛系統(tǒng)是各構(gòu)件通過各種約束形成的剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)。車輛動力學(xué)建模研究 始于 19 世紀(jì) 50 年代32, 33，普遍將車輛模型進(jìn)行線性化處理，最具代表性的是線性二自由度單軌模型。該模型建立在輪胎側(cè)偏特性線性基礎(chǔ)上，故僅適用于低速線性工況， 應(yīng)用范圍較窄。為了開展非線性仿真控制研究，主要表現(xiàn)在對輪胎線性側(cè)偏特性進(jìn)行 了非線性改造。然而，此種模型未能考慮到車輛因俯仰、側(cè)傾等運(yùn)動造成的軸荷轉(zhuǎn)移， 故而也不能用于極限臨界工況的穩(wěn)定系控制系統(tǒng)開發(fā)中。目前，針對車輛動力學(xué)建模大致有二種手段：（1）求解描述車輛運(yùn)動微分方程， 著

51、重從運(yùn)動機(jī)理上進(jìn)行建模，典型軟件有 Simulink 和 Mathcad。（2）通過多體系統(tǒng)動力學(xué)進(jìn)行動力解析，將動態(tài)系統(tǒng)看作有鉸鏈和內(nèi)力鏈接的剛體，代表仿真軟件有Adams/Car、DADS、RecurDyn、CarSim。此類模型以豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能有效地降低開發(fā)周期和成本，但在定性理論研究方面存在不足。在國外，較為具有代表性的多自由度動力學(xué)模型，以 D.J.Segal34建立的十五自由度模型，和美國密西根大學(xué)交通研究中心35 的十七自由度模型為代表。國在內(nèi)，吉林大學(xué)動態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室36基于 Unit Tire 建立的十二自由度汽車模型，是目前國內(nèi)乃至國際權(quán)威的汽車模型之一。其

52、后，雷雨成37、王博38基于傳統(tǒng)汽車改造基礎(chǔ)上對車輛模型自由度進(jìn)行了拓展。針對輪轂電動汽車，日本東京大學(xué)39和東京農(nóng)工大學(xué)40則均采用了七自由度4WID 車輛模型； 楊福廣40 、宗長富等42 基于車輛穩(wěn)定性控制需求， 建立了4WID/4WIS 車輛模型，但是上述模型均未考慮車輛的垂向運(yùn)動。實(shí)際上，輪轂電機(jī)安裝使整車簧下質(zhì)量增加明顯，會惡化汽車平順性和動力響應(yīng)品質(zhì)，此時簧下質(zhì)量的垂向運(yùn)動對整車動力學(xué)品質(zhì)的影響將是顯著的。主要表現(xiàn)為沉重的轉(zhuǎn)向負(fù)載，會影響到轉(zhuǎn)向角的動態(tài)品質(zhì)，從而影響車輛的響應(yīng)特性。此外，一般學(xué)模型多是根據(jù)研究的需要側(cè)重于車輛的某些性能而建立的，多是基于傳統(tǒng)汽車，動力源普遍簡化扭矩

53、特性曲線7, 43, 44或者功率 map 圖25, 45形式，這種簡化等效模型固然能降低仿真計(jì)算量，同時也剔除執(zhí)行器的動態(tài)響應(yīng)特性。采用了電機(jī)5基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究驅(qū)動、轉(zhuǎn)向技術(shù)使得車輛對動力系統(tǒng)響應(yīng)更加敏感，各自由度之間的耦合作用也更加強(qiáng)烈。這種僅考慮執(zhí)行器靜態(tài)約束的簡化模型在實(shí)際中可能存在較大的偏差，例如電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動對輪胎縱向力影響較大，不單影響車輛平順性，而且在極限輪胎力下易誘發(fā)車輛失穩(wěn)。目前的車輛建模研究對述分析尚不夠充分，因此建立高冗余過驅(qū)系統(tǒng)動力學(xué)模型能為獨(dú)立驅(qū)動模型領(lǐng)域作了一些必要的有益的工作?？紤]到后期拓展研究，文建立考慮車輛垂向運(yùn)動和執(zhí)

54、行器動態(tài)響應(yīng)特性的 19 自由度非線性耦合車輛動力學(xué)模型。1.3.2 汽車操縱穩(wěn)定性控制基礎(chǔ)理論概況車輛穩(wěn)定性主要強(qiáng)調(diào)對車輛側(cè)向動力學(xué)特性的控制。事實(shí)上，側(cè)向動力學(xué)是一個異常復(fù)雜的非線性問題，目前尚無任何技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對側(cè)向力的直接控制，這是困擾車輛穩(wěn)定性研究的核心問題。幸而，車輛輪胎動力學(xué)的內(nèi)在耦合特性，使得側(cè)向力學(xué)特性與縱、垂向動力學(xué)之間存在相互作用。因此，車輛穩(wěn)定性控制的實(shí)質(zhì)上是通過對輪胎垂向力、縱向力的合理控制，從而影響側(cè)偏力，使車輛狀態(tài)遠(yuǎn)離失穩(wěn)邊界，從而提升車輛穩(wěn)定性裕度。目前，該類控制方法相應(yīng)分為三類：主動轉(zhuǎn)向控制（AWS）、側(cè)傾剛度控制(RSC)和直接橫擺力矩控制(DYC)，其有效

55、作用域如圖 1.5 所示。圖1.5 車輛穩(wěn)定性控制方法有效作用域AWS 作用于輪胎側(cè)偏特性線性區(qū)，在非線性區(qū)的效果不明顯；由于受到輪胎非線性飽和因素影響，其單獨(dú)控制效果無法得到本質(zhì)上的提升。RSC 主要利用輪胎側(cè)偏剛度與垂向力的耦合關(guān)系，通過調(diào)節(jié)懸架側(cè)傾剛度產(chǎn)生期望側(cè)傾力矩來提高操縱穩(wěn)定 性；該類方法嚴(yán)重依賴于主動或半主動懸架技術(shù)（ASS），在載荷轉(zhuǎn)移明顯時才具有效果4。總體上適用工況較窄，應(yīng)用較少。DYC 利用輪胎縱向力和側(cè)偏力間的非線性耦合關(guān)系，通過驅(qū)動或制動使各輪產(chǎn)生縱向滑移率差，從而產(chǎn)生作用于車輛的橫擺力矩，理論上適用于一切車輛的穩(wěn)定性控制。得益于 DYC 控制在位姿調(diào)整的上的顯著效果

56、，該類控制方法在車身穩(wěn)定性系統(tǒng)（ESP、VSC）得到了良好的運(yùn)用，主要用于在極限工況介入提升整車安全性，逐漸成為目前車輛上主流穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。6基于線控全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究傳統(tǒng)的 DYC 是通過限滑差速器實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相比下四輪獨(dú)立的輪轂電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則具有更佳的硬件基礎(chǔ)：電機(jī)扭矩的響應(yīng)直接輸出快，扭矩的大小很精確；電機(jī)扭矩獨(dú)立可控，且易于測量。利用這兩個優(yōu)點(diǎn)，就可以通過獨(dú)立控制電機(jī)扭矩的方式產(chǎn)生縱向力差，從而改變作用在汽車上的橫擺力矩。因此，選擇 DYC 控制來解決線控輪轂電動汽車的操作穩(wěn)定性問題是較為理想的選擇。1.3.3 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)控制研究概況轉(zhuǎn)

57、矩和轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)控制問題在傳統(tǒng)汽車是極少被關(guān)注的問題，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)汽車并不具有主動轉(zhuǎn)向的能力。由于差速器的等扭矩分配和轉(zhuǎn)向梯形的約束作用，驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，各大子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)清晰，不存在相互干擾。由上述的車輛穩(wěn)定性控制理論可知，主動轉(zhuǎn)向 AWS 和 DYC 都能產(chǎn)生附加橫擺力矩，從而使車輛具有轉(zhuǎn)向運(yùn)動趨勢。這種差動助力轉(zhuǎn)向效應(yīng)和附加橫擺力矩，對車輛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向特性都有較大影響。此時，輪轂電機(jī)拖動的車輪不僅是驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行器， 更是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，造成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)屬性模糊。此外，輪轂電動汽車的非線性耦合作用導(dǎo)致基本不可能通過對二者單獨(dú)控制實(shí)現(xiàn)對理想狀態(tài)的追蹤。當(dāng)然，傳統(tǒng)的 DYC 未直接利用輪胎側(cè)偏力學(xué)特性，橫擺力矩控制不符合轉(zhuǎn)向運(yùn)動 的基本機(jī)理，因