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《吉林大学》 2019年
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四轮驱动电动汽车操纵稳定性与节能集成优化控制

赵彬  
【摘要】:汽车电动化不仅代表未来汽车技术发展的趋势,也是应对汽车工业发展面临节能、环保等诸多挑战的关键技术途径。由于传动效率高、可控自由度多等特点,基于轮毂电机的四轮驱动电动汽车成为近年来国内外研究热点。然而,如何进行多自由度下的合理协调、分配前轮转向和四轮电机力矩,充分利用各执行机构可独立操控的能力,提高车辆的操控性能,实现操控安全的控制目标是四轮驱动电动汽车底盘控制的一个研究方向。同时,综合车辆操控安全和节能目标也对四轮驱动电动汽车底盘控制提出了更高的现实需求,成为本领域的一个研究热点。本文针对上述问题,以具有主动前轮转向的四轮驱动电动汽车为研究对象,开展底盘集成控制策略和力矩分配方法的研究。以往的研究中,稳定性控制与节能控制往往相互独立,交互与耦合的效应被忽视,而本文的底盘集成控制是在一个统一优化目标下,集成控制、整体优化各执行器动作,提出车辆稳定性与节能集成优化方法,并同时实现车身稳定性与轮胎滑移的集成控制。控制策略围绕“先局部机理分析,离线优化;再整体在线全局优化”的思想,局部优化为全局优化提供车辆操控性和节能的跟踪目标,全局优化从顶层实现目标的动态平衡。为了实现该底盘集成控制,本文结合车辆的实际需要,首先建立了适用于功能性开发需求的整车动态仿真模型和电机控制模型。进一步对车辆底盘集成控制所需的关键状态(车速和质心侧偏角)进行了状态观测设计。在此基础上,综合考虑驱动电机工作特性,车身和车轮动力学,以及复合工况轮胎耦合和非线性力学与能量特性,采用模型预测控制方法,系统地研究了面向操纵稳定性的底盘集成控制策略和综合操控安全和节能的底盘集成控制策略。最后通过实车试验,证明了本文的底盘集成控制策略具有很好的安全性和节能效果。本文的具体工作如下:首先,本文对被控车辆的动力学模型进行了研究。建立了可以准确、客观反映车身、悬架和车轮运动的十四自由度动力学模型,通过仿真验证所建模型的准确性。通过试验测试了所用轮毂电机的map特性,为车辆操纵稳定性和节能控制打下基础。针对车辆稳定性控制问题,采用质心侧偏角相平面分析方法,揭示了相平面稳定性区域随车速、前轮转角、路面附着系数的变化规律,进一步根据辨识结果划分了控制区域,为后文控制策略期望跟踪目标的制定提供了理论依据。其次,本文针对底盘集成控制所需关键变量进行了状态观测器设计。基于融合估计原理,汲取运动学和动力学的观测特点,分别设计了车速和质心侧偏角观测器。车速观测上,根据四轮驱动电动汽车的运动信息和动力信息反馈,采用基于统计学的非线性扩展卡尔曼滤波器进行估计,将两种观测结果进行融合处理,统计学对观测结果进行了分析。质心侧偏角观测上,考虑到运动学估计方法会受到传感器噪声而产生积分漂移的问题,本文基于二自由度模型推导出质心侧偏角的稳态表达,结合UniTire轮胎模型,设计闭环估计回路,动态调节稳态模型的参数,构建了一种结构简单、对传感器噪声具有很好抑制性的质心侧偏角观测结构。进一步通过动态特征提取,制定融合规则,改进稳态观测结构的估计带宽,修正后的估计方法具有更好的高频瞬态估计能力,能够在各种路面下实现对质心侧偏角的准确估计。再次,本文对四轮驱动电动汽车底盘集成操纵稳定性控制策略进行了详细的研究。基于郭孔辉教授提出的UniTire轮胎模型,建立复合工况下轮胎等效侧偏刚度的简化表达形式,揭示了复合工况下轮胎的等效侧偏刚度受滑移率和合成力的综合影响。在此基础上,构建考虑车身动力学和复合工况轮胎特性的车辆8自由度(阶)预测模型,能够综合反映车辆的运动状态和车轮的滑移状态,以及极限工况下轮胎特性的耦合和非线性变化规律。进一步,采用模型预测控制方法,设计混合型目标函数及控制输入参考目标,提出综合控制车身稳定与车轮滑移的底盘集成控制策略。混合型的目标函数包括:以车辆稳定性和滑移率控制为第一目标,通过质心侧偏角、横摆角速度及四轮纵向运动控制车辆稳定和车轮的滑移率;通过离线优化分析找出主动前轮转向和四轮力矩的参考目标作为目标函数的第二目标,使目标函数的优化解集始终围绕参考中心展开,解集性质更好;优化解集的稳定性为第三目标,减小控制输出振荡产生。在模型预测控制解法方面,考虑约束的多中心矫正内点算法加速了模型预测控制的求解,解决底盘集成控制的III实时在线优化问题。结果表明,该方案可以有效地实现车辆稳定性和滑移率的综合控制,提高车辆的操纵稳定性。然后,本文对综合车辆操稳和节能的底盘集成控制策略进行详细的研究。一方面,基于所测试轮毂电机的工作效率特性,建立输入功率最小化目标函数,进行离线最优化分析,确定了面向节能的四轮力矩分配参考map表。四轮力矩参考目标为底盘集成控制策略提供了用于实现驱动节能的参考状态。另一方面,四轮独立驱动配合主动前轮转向系统可以实现轮胎滑移状态的动态调节,这为消除不必要的轮胎滑移提供了充足的自由度,在实现同样的驱动和转向需求时可以比传统汽车进一步减少车轮能耗。为此,本文基于轮胎建模理论,提出半经验UniTire滑移能量模型,用于控制策略中轮胎滑移能量估计问题,并在复合工况下对轮胎滑移力和滑移功率进行了系统分析。在此基础上,结合之前的操稳控制策略,提出综合操稳和节能的底盘集成控制策略,在控制策略制定时优化驱动电机效率和轮胎滑移能量。驱动节能目标和轮胎滑移能量目标的跟踪与实现,是从能量的角度将电机与轮胎的能量优化工作统一到集成控制策略中,对减小电动车辆整体能量消耗是有益的、互相的补充。仿真结果表明,综合车辆操稳与节能的底盘集成控制策略能够在保证车辆稳定性的前提下,同时减小电机的输出功率和轮胎的滑移能量,提高整车的节能水平。最后,针对本文提出的底盘集成控制策略,进行四轮驱动电动汽车的实车试验。实车配备文中所研究的四台轮毂电机,组成车辆驱动系统。车辆验证场地在专业寒区试验场。实车试验主要包括低附着路面的操纵稳定性验证和轮胎滑移能量验证,其中操稳验证选择具有代表性的蛇形和双移线两套试验方案,验证了本文提出的底盘集成控制策略的有效性。通过冰直路面试验验证本文提出的底盘集成控制策略也能很好的克服轮胎滑转,减小轮胎滑移能量。本文的主要创新点如下:(1)建立了融合运动学和稳态模型的质心侧偏角观测器。观测器基于质心侧偏角稳态推导模型开发,内嵌简化UniTire轮胎模型,形成动力学闭环估计回路,同时兼顾运动学方法的高频瞬态估计能力,动态特征提取融合估计结果,实现了质心侧偏角的准确观测。(2)建立了考虑车身动力学和复合工况轮胎特性的车辆8阶预测模型,能够综合反映车辆的运动状态和车轮的滑移状态,以及轮胎特性的耦合和非线性变化规律。在此基础上,采用模型预测控制方法,提出了综合控制车身稳定与车轮滑移的底盘集成控制策略。(3)提出了半经验UniTire滑移能量模型,准确地描述了轮胎滑移区的力学和耗散能量特性。通过考虑电机工作效率和轮胎滑移能耗,提出了综合车辆操纵稳定性和节能的底盘集成优化控制策略。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:U469.72

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