分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)直接橫擺力分析

55-分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)直接衡擺力分析摘要汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了交通的便利和經(jīng)濟(jì)的繁榮，與此同時(shí)環(huán)境污染、石油危機(jī)以及交通安全等問(wèn)題也隨之而來(lái)。為迎合時(shí)代發(fā)展潮流，人們開(kāi)始推廣新能源汽車(chē)，其中，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的直接橫擺力矩穩(wěn)定性控制技術(shù)是熱門(mén)領(lǐng)域之一。本文首先對(duì)四輪轂電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型建模展開(kāi)分析。在CarSim軟件中完成包括對(duì)車(chē)身、傳動(dòng)、懸架等系統(tǒng)的建模。同時(shí)，基于MATLAB/Simulink搭建四輪轂電機(jī)模型和車(chē)速控制器，并建立了線(xiàn)性二自由度模型。進(jìn)而研究車(chē)輛的穩(wěn)定性，選用橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角兩種評(píng)定車(chē)輛穩(wěn)定性的參數(shù)作為本文的控制變量，設(shè)計(jì)了基于滑?？刂撇呗缘纳蠈涌刂破饔?jì)算附加橫擺力矩，并引入模糊控制策略與之比對(duì)；下層控制器采用平均分配方法。最后進(jìn)行高速低附著工況的雙移線(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，滑?？刂葡到y(tǒng)對(duì)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的跟蹤效果最好，對(duì)參數(shù)峰值的削弱最明顯，尤其是工況條件惡劣的情況，模糊控制的效果相較于滑?？刂戚^差，滑?？刂葡碌能?chē)輛穩(wěn)定裕度較高。關(guān)鍵詞：分布式驅(qū)動(dòng)，直接橫擺力矩控制，滑模控制，平均分配

DirectbalancingforceanalysisofdistributeddriveelectricvehicleAbstractTherapiddevelopmentoftheautomotiveindustryhaspromotedtheconvenienceoftransportationandeconomicprosperity,whileenvironmentalpollution,oilcrisesandtrafficsafetyproblemshavealsofollowed.Inordertomeetthedevelopmenttrendofthetimes,peoplebegantopromotenewenergyvehicles,amongwhichthedirectpendulumtorquestabilitycontroltechnologyoffour-wheelindependentdriveelectricvehiclesisoneofthehotareas.Inthisthesis,themodeloffour-wheeledelectricvehicleisfirstanalyzed.CompletedinCarsimsoftware,includingthemodelingofthebody,transmission,suspensionandothersystems.Atthesametime,basedonMATLAB/Simulink,afour-wheelhubmotormodelandavehiclespeedcontrollerwerebuilt,andalineartwo-degree-of-freedommodelwasestablished.Inaddition,thestabilityofthevehiclewasstudied,andthetwoparametersofevaluatingthestabilityofthevehiclewereselectedasthecontrolvariablesofthethesis,andthetopcontrollerbasedontheslidingmodecontrolstrategywasdesignedtocalculatetheadditionalpendulummoment,andthefuzzycontrolstrategywasintroducedtocompareit.Theunderlyingcontrollerrealizestheoptimaldistributionoffourroundsoftorquebasedonthequadraticprogrammingalgorithm.Finally,thesimulationexperimentofdouble-shiftinglineofhigh-speedhighadhesionconditionandhigh-speedlowattachmentlimitconditioniscarriedout.Theresultsshowthattheslidingmodecontrolsystemhasthebesttrackingeffectontheswinganglespeedandthecenterofmasslateraldeclination,andtheweakeningofthepeakoftheparametersisthemostobvious,especiallyinthecaseoftheharshertheworkingconditions,theeffectofthefuzzycontrolispoorerthantheslidingmodecontrol,andthevehiclestabilitymarginundertheslidingmodecontrolishigher.KeyWords：four-wheelindependentdrive,DirectYawmomentControl,hubmotor,slidingmodecontrol,secondaryplanning目錄TOC\o"1-3"\h\u12716摘要 [26]。3.3.2模糊控制器設(shè)計(jì)模糊控制器，該控制器有一個(gè)輸出量加兩個(gè)輸入量，其框架原理圖如圖3.5，以與的誤差（）以及與的誤差（）作為輸入變量，以附加橫擺力矩作為輸出變量。圖3.5雙輸入單輸出的模糊控制器原理框圖設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)如下：在MATLAB中fuzzy模塊里編輯輸入和輸出的隸屬度函數(shù)，采用高斯型建立隸屬度函數(shù)，如圖3.6、3.7、3.8所示。圖3.6橫擺角速度誤差隸屬函數(shù)圖3.7質(zhì)心側(cè)偏角誤差隸屬函數(shù)圖3.8附加橫擺力矩隸屬函數(shù)根據(jù)輸入輸出的模糊論域，在的模糊論域內(nèi)定義7個(gè)模糊子集：其中，NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。橫擺角速度的誤差、質(zhì)心側(cè)偏角的誤差以及附加橫擺力矩均采用該模糊集，并建立輸入和輸出間的模糊規(guī)則，如圖3.9。圖3.9附加橫擺力矩模糊控制規(guī)則建立模糊控制規(guī)則后，打開(kāi)輸入輸出關(guān)系的3D曲面視圖，如圖3.10所示，該控制器的模糊規(guī)則合理，模糊控制規(guī)則不存在錯(cuò)誤，并通過(guò)仿真證明該設(shè)計(jì)是可靠的。圖3.10橫擺力矩模糊控制規(guī)則圖3.4下層控制器本節(jié)主要是對(duì)下層控制器的設(shè)計(jì)，針對(duì)前兩節(jié)上層控制器修正得到的，下層轉(zhuǎn)矩分配控制器采用平均分配法，使轉(zhuǎn)矩合理地分配到每個(gè)車(chē)輪，從而提高車(chē)輛的橫擺穩(wěn)定性。即將上層控制器計(jì)算的附加橫擺力矩平均分配到4個(gè)車(chē)輪上，具體分配方法如下： （3.53）3.5本章小結(jié)本章對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的直接橫擺穩(wěn)定控制器進(jìn)行了研究，具體工作如下：建立車(chē)輛的參考模型。本章學(xué)習(xí)滑?？刂撇呗缘南嚓P(guān)概念基礎(chǔ)，基于滑模變結(jié)構(gòu)理論建立上層控制器。參考模糊控制理論的研究，建立模糊控制器，并在后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)中比較二者的優(yōu)劣。下層控制器采用平均分配法。圖3.13仿真模型圖綜合第二章和第三章工作內(nèi)容，本文的相關(guān)建模已全部完成，其仿真模型如圖3.13所示，其主要包含了CarSim整車(chē)模型、參考模型、輪轂電機(jī)模型、上層控制器和下層控制器。

第四章仿真與結(jié)果分析汽車(chē)橫擺穩(wěn)定性控制研究主要是探討車(chē)輛在極限工況下的操縱穩(wěn)定性，衡量穩(wěn)定性的參數(shù)主要有以及，常用的仿真工況為雙移線(xiàn)工況和蛇形工況REF_Ref10476\r\h[27]，這里路面采用雙移線(xiàn)路面，如圖4.1所示?；贑arSim/Simulink軟件聯(lián)合仿真，分析高速低附著系數(shù)工況下的車(chē)輛穩(wěn)定性。圖4.1雙移線(xiàn)路面4.1雙移線(xiàn)低附著系數(shù)工況設(shè)置車(chē)速為108km/h,地面附著率為0.3，仿真得到該工況下的結(jié)果圖如下：圖4.6108km/h低附著率路面下雙移線(xiàn)車(chē)速變化曲線(xiàn)如圖4.6為有穩(wěn)定性控制器和無(wú)穩(wěn)定性控制器下的車(chē)速變化情況，從圖中可以看出在車(chē)速為108km/h、地面附著率為0.3的雙移線(xiàn)工況下，車(chē)速維持在目標(biāo)車(chē)速附近，車(chē)速控制效果好。圖4.7橫擺角速度曲線(xiàn)橫擺角速度曲線(xiàn)如圖4.7所示，從上圖可以看出駛員通過(guò)方向盤(pán)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制時(shí)，方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況所形成的曲線(xiàn)圖，無(wú)異常波動(dòng)，變化較為正常，這個(gè)曲線(xiàn)圖可以反映出對(duì)車(chē)輛控制的精準(zhǔn)度、反應(yīng)速度和穩(wěn)定性效果較好。圖4.8質(zhì)心側(cè)偏角曲線(xiàn)圖4.8為質(zhì)心側(cè)偏角曲線(xiàn)，從上圖可見(jiàn)滑?？刂葡碌馁|(zhì)心側(cè)偏角曲線(xiàn)更加貼近參考值，模糊控制下的質(zhì)心側(cè)偏角曲線(xiàn)雖然也較為貼近參考值，但存在一定偏差。兩者控制總體上變化趨勢(shì)一致，反映出車(chē)輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)較好，穩(wěn)定系數(shù)較高。圖4.9滑?？刂扑惴ㄋ妮嗈D(zhuǎn)矩曲線(xiàn)圖4.9為采用滑?？刂破骰蚰：刂破鲿r(shí)的汽車(chē)附加橫擺力矩圖。在低附著率的路面上，汽車(chē)行駛時(shí)的穩(wěn)定條件變差，所需的附加橫擺力矩要很大，兩種控制器在該工況下，相比于工況1，其所需的附加橫擺力矩大約翻一番，模糊控制算法產(chǎn)生的最高附加橫擺力矩相比于工況1時(shí)有所增加（其峰值約405Nm）；而滑?？刂扑惴óa(chǎn)生的最高附加橫擺力矩約為1100Nm，且在汽車(chē)需要的時(shí)刻總能及時(shí)提供電機(jī)能力極限內(nèi)的轉(zhuǎn)矩，保證車(chē)輛的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性，故通過(guò)圖4.7和4.8可以看到滑模控制狀態(tài)下汽車(chē)的和與其對(duì)應(yīng)的期望值跟蹤效果更好，汽車(chē)更穩(wěn)定。4.2本章小結(jié)本章基于第二、三章建立的模型進(jìn)行CarSim/Simulink聯(lián)合仿真，設(shè)置高速低附著率工況，得出結(jié)論：高速低附著率的工況下，滑?？刂扑惴刂菩Ч饶：刂扑惴刂菩Ч煤芏?。綜上所述，在汽車(chē)的橫擺穩(wěn)定性控制方面，本文設(shè)計(jì)的滑?？刂扑惴傮w上比模糊控制算法控制效果更好。第五章總結(jié)與展望5.1研究總結(jié)本文研究四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的橫擺穩(wěn)定性控制，故以四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)作為研究對(duì)象，主要研究工作如下：（1）針對(duì)四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定性控制研究，綜述了國(guó)內(nèi)外的車(chē)輛穩(wěn)定性控制相關(guān)研究和現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題和不足之處，并提出論文的研究主要內(nèi)容。（2）基于CarSim軟件建立電動(dòng)車(chē)的整車(chē)模型，并依據(jù)四輪轂電機(jī)電動(dòng)車(chē)?yán)碚撛O(shè)計(jì)了各個(gè)系統(tǒng)仿真模型。在Simulink軟件中搭建輪轂電機(jī)模型，要求電機(jī)的相關(guān)參數(shù)與所建的電動(dòng)車(chē)整車(chē)模型相匹配。（3）設(shè)計(jì)了車(chē)輛直線(xiàn)行駛穩(wěn)定性控制策略。該控制策略采用雙層控制結(jié)構(gòu)，包括基于滑?？刂扑惴ê湍：刂扑惴ǖ纳蠈涌刂破饕约盎谵D(zhuǎn)矩平均分配算法的下層控制器。其中，參考模型采用線(xiàn)性二自由度模型，保證控制過(guò)程中車(chē)輛橫擺穩(wěn)定性參數(shù)盡可能趨近其理想穩(wěn)定值。（4）進(jìn)行了雙移線(xiàn)仿真研究，分析了高速高附著工況和高速低附著工況下的仿真結(jié)果，比較了滑模控制算法和模糊控制算法，得到了汽車(chē)在極限工況下的穩(wěn)定性控制器的優(yōu)選方案。5.2研究展望（1）以橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角為控制變量，使用滑模理論以及模糊理論對(duì)車(chē)輛的橫擺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，由于二自由度車(chē)輛模型假設(shè)條件過(guò)多，過(guò)于簡(jiǎn)化了汽車(chē)模型，故其精度有限以及適用環(huán)境也受限制，后續(xù)可以研究多自由度的車(chē)輛模型。（2）本文的電動(dòng)汽車(chē)采用輪轂電機(jī)，該電機(jī)模型是在CarSim軟件外的Simulink模型中搭建的，一方面增加了簧下質(zhì)量，另一方面也對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)產(chǎn)生一些影響，會(huì)間接對(duì)極限環(huán)境下汽車(chē)的穩(wěn)定性控制起著一定的干擾作用REF_Ref103595945\r\h[29]，本文未研究這部分內(nèi)容。（3）本文默認(rèn)輪胎的剛度為定值，而實(shí)際車(chē)輛在行駛時(shí)，車(chē)輪的輪胎剛度會(huì)隨著周?chē)鸂顟B(tài)發(fā)生改變的，后面研究需要考慮輪胎剛度的變化，降低系統(tǒng)的誤差。（5）滑?？刂葡到y(tǒng)的抖振現(xiàn)象不可避免，越是極限的工況下，滑?？刂葡到y(tǒng)的抖振越明顯，而滑?？刂葡到y(tǒng)的抖振削弱效果與車(chē)輛的穩(wěn)定性控制效果二者不可兼得，因此只能協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系。參考文獻(xiàn)李紹松,牛加飛,于志新,等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性分析及測(cè)試方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(09):99-101.羅良銓.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)參數(shù)估計(jì)及轉(zhuǎn)矩分配控制[D].贛州:江西理工大學(xué),2018.張緩緩,向緒愛(ài),葉克寶.基于穩(wěn)定性的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩分配策略研究[J].公路交通科技,2016,33(5):141-146.史培龍,余曼,魏朗,等.基于直接橫擺力矩控制的FSAE純電動(dòng)賽車(chē)操縱穩(wěn)定性控制策略[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào),2018,48(06):827-838.賀鵬,崛洋一.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定性控制及其最優(yōu)動(dòng)力分配法[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(4):26-32.葉星宇.基于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的軌跡跟蹤控制算法設(shè)計(jì)[D].浙江大學(xué),2022.吳文娟.基于相平面的車(chē)輛穩(wěn)定性分析與協(xié)調(diào)控制研究[D].重慶大學(xué),2021.余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.SakaiSI,SadoH,HoriY.Dynamicdriving/brakingforcedistributioninelectricvehicleswithindependentlydrivenfourwheels[J].ElectricalEngineeringinJapan,2002,138(1):79-89.CairanoSD,TsengHE,BernardiniD,etal.VehicleYawStabilityControlbyCoordinatedActiveFrontSteeringandDifferentialBrakingintheTireSideslipAnglesDomain[J].ControlSystemsTech-nologyIEEETransactionson,2013,21(4):1236-1248.AhmadianNarjes,KhosraviAlireza,SarhadiPouria.Driverassistantyawstabilitycontrolviaintegratio-nofAFSandDYC[J].VehicleSystemDynamics,2022,60(5):1742-1762.KHELLADIFa?za,ORJUELARodolfo,BASSETMichel.CoordinatedAFSandDYCforautonomosvehiclesteerabilityandstabilityenhancement[J].IFACPapersOnLine,2020,53(2):14248-14253.AriaNooriAsiabar,RezaKazemi.Adirectyawmomentcontrollerforafourin-wheelmotordriveelectricvehicleusingadaptiveslidingmodecontrol[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartK:JournalofMulti-bodyDynamics,2019,233(3):549-567.TakaoKobayashi,EtsuoKatsuyama,HidekiSugiura,etal.Efficientdirectyawmomentcontrol:tyre-slippowerlossminimisationforfour-independentwheeldrivevehicle[J].VehicleSystemDynamics,2018,56(5):719-733.JiaxuZhang,JingLi.Integratedvehiclechassiscontrolforactivefrontsteeringanddirectyawmo-mentcontrolbasedonhierarchicalstructure[J].TransactionsoftheInstituteofMeasurementandControl,2019,41(9):2428-2440.王慶年,張緩緩,靳立強(qiáng).四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2007,37(5):985-989.鐘龍飛,彭育輝,江銘.基于相平面的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制[J].汽車(chē)工程,2021,43(05):721-729+738.李家林.基于A(yíng)SOSM算法的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)側(cè)向穩(wěn)定性研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2021.張愷城.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力分配控制策略研究[D].北京:北京理工大學(xué),2016.楊龍.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)直接橫擺力矩控制[D].重慶:重慶大學(xué),2016.田宏奇.滑?？刂评碚摷捌鋺?yīng)用[M].武漢:武漢出版社,1995.陳