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四轮转向四轮驱动电动汽车动力学协调控制研究

李犇  
【摘要】:作为应对能源紧缺与环境污染问题的举措之一,国家在推广电动汽车方面的力度越来越大。为了提高了车辆的操纵稳定性、舒适性、经济性和安全性等性能,各种主动控制系统越来越多地被应用到汽车上,而电动汽车则为这些控制系统的研究提供了一个很好的平台。但很多控制系统是针对提高车辆的某一方面性能而设计的,并且有些控制系统之间存在耦合作用,所以协调这些控制系统之间的工作是非常必要的,这也是目前国内外研究的热点与难点。本文选择后轮可以实现小角度主动转向的四轮独立轮毂电机驱动电动汽车为平台,对主动后轮转向控制(ARS)和基于轮毂电机差动驱动/制动的直接横摆力矩控制(DYC)2个系统分别进行了动力学控制的研究与分析,并在此基础上研究了这2个系统的协调控制策略,以提高车辆的操纵稳定性。其后又对加速度矢量控制(GVC)进行了初步探索,研究分析了其与ARS和DYC的联合控制对车辆操纵稳定性能的影响。首先,本文基于CarSim与Simulink软件搭建了4WS-4WD电动汽车动力学模型。在CarSim软件中完成车体模型和横向驾驶员模型的搭建,基于Protean电机的峰值力矩特性和实际力矩响应曲线,在Simulink中搭建了等效驱动电机力矩响应模型,同时也搭建了简化的转向电机位置跟随控制模型以及纵向驾驶员模型,实现了CarSim与Simulink的联合仿真。其次,分别单独研究了以质心侧偏角等于零为目标的ARS控制策略和以跟随理想横摆角速度为目标的DYC控制策略。仿真结果显示ARS系统能够有效地减小质心侧偏角,并且明显减小了横摆角速度和侧向加速度在低频段的相位差,但同时也会使车辆的横摆角速度和侧向加速度的稳态值发生变化,影响车辆的稳态转向特性。而仿真结果和实车试验都证明了通过差动驱动的方式可以主动的控制横摆角速度的变化,从而可以“设计”车辆的转向特性。然后,利用ARS可以减小车辆质心侧偏角和DYC可以设计车辆的稳态转向特性的优点,设计了ARS与DYC协调的模糊PID控制器,旨在能够在减小车辆质心侧偏角的同时,使得车辆的横摆角速度能跟随理想值。仿真结果证明了基于模糊PID控制的ARS与DYC协调控制系统可以利用两个子系统的优点来弥补对方的缺点,从而使车辆的操纵稳定性得到了很大改善。后来又对GVC进行了研究,无论是DYC系统还是ARS与DYC协调控制系统,在加入了GVC之后,车辆的路径跟踪能力和低附路面稳定性都得到了很大的改善。最后,将四轮转向与四轮驱动协调控制策略生成自动代码下载到控制器中,对控制策略进行了ECU在环仿真验证,证实了本文的协调控制算法在单片机环境下运行的可行性,实时仿真结果也说明了该协调控制器能够提高车辆的操纵稳定性。


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