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无刷直流电机驱动电动车驱动力矩控制研究

宋蕊  
【摘要】:近些年随着能源与环境问题的日益突出,具有节能环保功能的新能源汽车成为汽车发展的主要方向,许多国家尤其是一些发达国家已经在该领域取得了不错的成绩。轮毂电机驱动的电动车,因其将轮毂电机直接安装在车轮内,具有结构简单、传动效率高且易于实现对驱动力矩的控制等优点,成为近年来电动车领域研究的热点。 轮毂电机驱动电动车将轮毂电机作为行驶的驱动源,电机的性能直接影响车辆行驶特性,因此,为了保证该类电动车在行驶时具有良好的操纵性能,对轮毂电机及其控制系统的研究是非常关键的,本文对轮毂电机的相关研究做为重点之一;电动车的驱动控制技术是在传统内燃机汽车基础上发展起来的,为了保证车辆行驶时的安全性和稳定性,需要获取车辆状态信息和道路信息,制定相应的控制策略,本文将轮毂电机驱动电动车的驱动控制策略做为另一重点。在总结和分析当今国内外对车辆状态参数估计、路面识别技术和驱动力矩控制的研究基础上,选择利用非线性状态观测器和轮胎刷子模型,分别对车速和路面状况进行估算;然后以此为基础,通过研究滑模变结构控制原理,设计驱动力矩控制器,并对转矩协调分配进行初步研究。论文主要进行了以下几方面的内容: 1.针对现有的几种常见电机,分析它们各自不同的优缺点,综合考虑各方面的因素,选择永磁无刷直流(BLDC)电机做为驱动电机。通过对BLDC电机的结构和工作原理进行研究,在MATLAB/Simulink环境中搭建电机及其控制系统的模型,并验证模型的有效性;将电机模型与汽车动力学仿真软件Carsim连接,搭建基于Carsim整车模型的电动车控制仿真平台作为研究整车控制策略的仿真基础。 2.在分析几种非线性系统观测器的开发方法之后,选择基于滑模变结构理论的降阶滑模状态观测器对车速进行估算。首先建立车辆七自由度模型和UniTire轮胎模型,结合常规车载传感器信息,通过观测器对车速进行估算,并在Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真平台中进行仿真验证。 3.为了给驱动力矩控制提供最优滑移率,在研究分析了现有的路面识别技术之后,选择基于纵滑时的轮胎刷子模型对路面进行识别。从轮胎与路面接触印迹内胎面单元的滑移状态出发,考察车轮驱动力对路面附着力的利用程度。为了保守估计最优滑移率,提高模型精度和对不同行驶工况的适用性,选择最大纵向力的80%处所对应的滑移率为最优滑移率,在摩擦系数估计的基础上对该最优滑移率进行估算;利用轮胎垂向静刚度试验和纯纵滑试验对刷子模型进行了参数辨识,并在Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真平台根据车辆行驶的不同工况对摩擦系数和最优滑移率估计模型进行在线验证。 4.利用估算出的车速和识别出的路面信息,选取具有良好误差跟踪效果的滑模变结构控制器对驱动力矩进行控制。以最优滑移率为控制目标,通过调节各个车轮的驱动力矩防止车轮打滑,并尽可能多的利用路面附着力;对左右车轮和前后轴的转矩协调分配进行了初步分析,使车辆满足动力性和行驶稳定性要求;通过有无驱动力矩控制器的仿真结果对比,验证了算法的适用性和有效性。


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