基于路面识别的四轮轮毂电机电动汽车驱动防滑控制策略研究3.12

1、电子科技大学university of electronic science and technology of china硕士学位论文doctoral dissertation（电子科技大学图标）论文题目学科专业学 号作者姓名指导教师分类号密级udc 注学位论文时域积分方程时间步进算法及其快速算法研究（题名和副题名）（作者姓名）指导教师教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别学科专业提交论文日期论文答辩日期学位授予单位和日期答辩委员会主席评阅人注1：注明国际十进分类法udc的类号。research on marching-on in-time scheme and thefa

2、st algorithm of time domain integral equationa doctor dissertation submitted touniversity of electronic science and technology of chinamajor:electromagnetic field and microwave technologyauthor:zhang sanadvisor：prof. li si独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经

3、发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。作者签名： 日期： 年 月 日论文使用授权木学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。木人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名： 导师签名：日期:关键词:keywords:abstrac

4、t第一章绪论11.1课题背景和研究意义11.2四轮轮毂电机电动汽车国内外发展现状31.2.1国外发展现状31.2.2国内发展现状41.3课题相关技术研究现状41.3.1路面识别研究现状41.3.2驱动防滑控制方法研究现状51.4论文的结构安排6第二章四轮独立驱动电动汽车整车结构及性能要求82.1四轮独立驱动电动汽车整车结构82.1.1轮毂电机及其驱动控制系统82.1.2电池能量管理系统82.1.3电子差速系统82.14整车控制器82.2四轮独立驱动电动汽车总体性能要求82.3四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制必要性分析82.4 本章小结9第三章 四轮独立驱动电动汽车整车控制策略研究113.1四轮

5、轮毂电机电动汽车总体架构113.2四轮轮毂电机电动汽车仿真模型搭建113丄1参考坐标系建立123.1.2模型假设123.2.3车体动力学模型133.2.4车轮动力学模型143.2.5四轮独立驱动/制动模型错误!未定义书签。3.2.6轮胎模型143.3四轮独立驱动电动汽车整车控制策略153.3四轮独立驱动电动汽车整车控制策略的仿真验证163.4.1单一路面工况下仿真分析173.4.2对开路面工况下仿真分析183.4.3对接路面工况下仿真分析193.5本章小结21第四章 四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制策略设计224.1路而附着系数估计和路而识别224丄1各轮滑移率计算224.1.2各路利用附着系

6、数估计224.1.3标准路面的获得234.1.4路面识别算法244.2 驱动轮防滑控制254.2.1滑移率控制254.2.2转矩补偿264.3转矩分配274.4本章小结27第五章四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制策略仿真295.1 单一路面工况仿真分析295.2对开路面工况仿真分析错误!未定义书签。5.3对接路面工况仿真分析315.4减速带路面工况仿真分析315.5本章小结31第六章全文总结与展望326.1全文总结326.2研究展望32致谢34参考文献35攻读硕士学位期间取得的成果36第一章绪论1.1课题背景和研究意义近年来，汽车行业迅速发展的同时，伴随产生的环境污染问题以及节能减排 问题fi益

7、突出。电动汽车作为解决环境污染问题的方式之一，受到了人们的广泛 关注。相比与传统汽车，电动汽车不仅在节能减排方面具有显著的优势，在控制性 能方面也具有明显的优势。电动汽车的控制性能优势主要体现在以下三个方面叫力矩响应速度快。电动汽车的电机的转矩响应速度一般为几个毫秒，是传统 汽车的内燃机或液压刹车系统的转矩响应速度100-500倍。此外，电动汽车的电 机不仅能产生驱动力矩还能产生制动力矩，因此在电动汽车上可以容易实现制动 防抱死系统(abs)、驱动防滑控制系统(asr)和车身电子稳定系统(esp)o电机力矩易于测量。传统汽车的内燃机以及液压刹车系统的力矩很难精确测 量，而对于电动汽车，电机的输

8、岀力矩可以通过电机电流进行测量并计算获得。 因此通过电机的转速、转矩等状态量可以很方便的对轮胎和路面之间的驱动力矩 和制动力矩进行估算，这将为依赖路面识别的控制策略的实现提供极大便利。独立驱动系统。电动汽车的电动机(例如轮毂电机)具有体积小、功率密度高 的特点，因此电动汽车的电动机可以集成到车轮里面,利于独立驱动系统的构建。 这为制动防抱死系统(abs)、驱动防滑控制系统(asr)以及车身电子稳定系统(esp) 的实现提供极大的便利。而传统汽车的内燃机由于其体积和结构原因很难实现独 立驱动系统的构建。四轮轮毂电机电动汽车(four wheel independently drive elect

9、ric vehicle with in-wheel motor)作为一种特殊的电动汽车，其主耍结构特征在丁轮毂电机直接安 装于车轮轮毂中，通过轮毂电机直接驱动车轮。四轮轮毂电机电动汽车的结构如 图1-1所示。图1-1四轮轮毂电机电动汽车结构示意图目前，四轮轮毂电机电动汽车的研发己经成为了电动汽车领域研究热点之一, 该车型将电机安装到轮毂内构建四轮独立驱动系统。这为车辆控制策略的实现提 供极大便利。而在传统汽车中由于内燃机的体积和成本的原因很难做到四轮独立 驱动。综上所述，相比于传统汽车，四轮轮毂电机电动汽车自由度较多且大多可 控所以便于控制策略的实现。随着轮毂电机技术以及燃料电池相关技术的发展

10、， 四轮轮毂电机电动汽车将会成为汽车市场的主力军。除了节能和减排以外，人们述关注车辆行驶安全性。当车俩由于某种原因造 成车身失稳时，可能会引起安全事故，威胁驾乘人员的人身安全。例如，车辆在 冰雪等路面上行驶时，车轮容易产生打滑现象，从而造车车辆的失稳甚至侧翻。 所以人们提岀要对车俩进行稳定性控制即通过对汽车进行主动安全控制，保证车 辆行驶过程中的稳定性。目前，一些车身稳定控制系统已经在传统汽车上得到了 广泛的应用，主要有：车身电子稳定控制系统（esp）、驱动防滑控制系统（asr）、 防抱死系统（abs）、直接横摆力矩控制系统（dyc）等。但是，四轮轮毂电机电 动汽车的结构特征与传统汽车具有本质

11、区别，四个车轮由轮毂电机直接驱动，且 四个车轮之间不存在机械耦合。传统汽车控制技术由于其条件的限制，只能应用 于传统内燃机汽车。由于四轮轮毂电机电动汽车结构特征的特殊性，必须进行适 用于四轮轮毂电机电动汽车控制技术的研究。综述所述，进行四轮轮毂电机电动汽车车身稳定控制策略的研究以保证车辆 行驶过程中的稳定性符合车辆动力学研究的需求以及电动汽车未来的发展趋势。 本文利用四轮轮毂电机电动汽车控制性能方面的优势，进行基于路面识别的四轮 毂电机电动汽车驱动防滑控制策略的研究，研究成果可对四轮轮毂电机电动汽车 产品的研发提供理论支撑，具有一定的理论意义和实际应用价值。1.2四轮轮毂电机电动汽车国内外发展

12、现状四轮轮毂电机电动汽车最为一种新兴的驱动式电动汽车，相对于传统汽车去掉 了离合器、变速器、传动轴、差速器及分动器等部件，简化了整车结构，不仅提 高了车辆结构布置的灵活性，而且减少了机械传动过程中的能量损失以及机械磨 损。由于四轮轮毂电机电动汽车采用轮毂电机技术将动力、传递和制动装置整合 到轮毂内，其动力性能相对于传统汽车有了很大的提高。例如装备自动变速箱的 传统汽车传动响应时间大约为300毫秒，而轮毂电机期望转矩输出的响应时间一 般只有几个毫秒。同时，由于四个车轮轮毂电机的转矩独立可控，并且电机相对 于内燃机具有更快的响应速度，相比于传统汽车，四轮轮毂电机电动汽车具有更 好的可控性。因此，四

13、轮轮毂电机电动汽车已经成为电动汽车的研究热点之一。1.2.1国外发展现状最早发明的轮毂电机电动汽车可追溯到19世纪，是保时捷公司在1900年设计 的loher porche5,但受限于当时的技术水平和生产工艺，轮毂电机电动汽车未能 开展进一步的研究应用，没有走向产业化。日木在轮毂电机电动汽车方面的研究起步较早，处于世界领先地位。在日木企 业方面，丰田公司于九十年代末进行了四轮轮毂电机电动汽车研发工作，其重点 在于基于轮毂电机电动汽车走向实用化的关键技术，例如轮毂电机电动汽车的车 体结构设计，以及如何abs、tcs和esc在轮毂电机电动汽车上面的实现，还进行 了主动行驶舒适性控制方面的研究，并推

14、出了 fine-n概率车。三菱公司也对轮 毂电机电动汽车关键技术进行研究，其研究重心在于利用轮毂电机驱动力矩独立 可控的特点进行车辆稳定性控制方面的研究，并于2005年推出了概率车mievo日本大学等研究机构在四轮轮毂电机电动汽车这一新型的车辆上做了大量的 硏发工作。例如日木庆应义塾大学清水浩教授领导的研究小组在过去10年中研制 了 iza、eco、kaz等多款电动汽车均采用了轮毂电机驱动技术，其中2011年研 制的轮毂电机电动汽车"sim-lei"，性能及功率为世界领先水平，一次充电续航 里程可达333公里，最高时速可达150km/h；东京农工大学永井正夫所领导的团队 先

15、后开发了 novel-1和novel-ii两款轮毂电机电动汽车原型，重点研究了基于模型 匹配的控制理论的dyc控制策略和线控转向(sbw)的稳定性控制策略叫 日本东 京大学的hori教授领导的研究团队先后开发了 uot electric march i和uot electric march ii两种轮毂电机电动汽车，重点研究了车辆纵向滑移、横向稳定 性和侧倾稳定性控制叫日木横滨国立大学与丰出公司合作开发了四轮轮毂独立驱 动/四轮转向的电动汽车，重点研究了利用轮毂电机驱动/制动力矩进行电动汽车 横摆力矩控制何。美国的公司和大学也对轮毂电机电动汽车进行了研究。美国通用公司于2005 年在北国国际会

16、展上展出了四轮轮毂电机电动汽车样车sequel(h该车型可以通 过四个轮毂驱动电机实时精确控制四个车轮，且具有能量回馈等功能。美国俄亥 俄州立大学王军民教授领导的研究团队开发了四轮轮毂独立驱动电动汽车样车， 重点研究驱动和再生制动下的力矩分配方法和节能控制方法。此外，瑞典的volvo、法国的米奇林、英国的protean徳国的siemens vdo 等公司先后开发了各种轮毂电机，并将其应用于电动汽车。122国内发展现状我国大学等研究机构在四轮轮毂电机电动汽车关键技术和整车硏发方面 做了大量的工作。同济大学在电动汽车车身状态估计方法的基础上，对四轮轮毂 电机电动汽车进行驱动/制动的lqr和wls控

17、制，并研制开发了采用永磁无刷直流 轮毂电机驱动的“春晖”和“登峰”系列电动汽车肠；清华大学从提高车辆经济 性能出发，研究了基于电机节能控制策略的四轮独立驱动车辆驱动力分配方法丽， 并研制开发了实验样车;吉林大学开发了全线控四轮轮毂电机独立转向/独立驱动 电动汽车，研究了线控四轮独立驱动电动汽车集成控制方法1电子科技大学在轮 毂电机控制方法以及四轮独立驱动电动汽车整车控制方面做了大量的研究工作间。 此外，香港中文大学、上海交通大学，燕山大学、山东大学也对四轮轮毂电机电 动汽车整车控制方法进行了研究。综上所述，四轮轮毂电机电动汽车的研究在国内外取得相当大的进展。其中， 处于世界领先水平为日本庆应义

18、塾大学。但是，从国内外发展现状看，四轮轮毂 电机电动汽车目前还处于研究和样车阶段，距离其量产还有一定距离。所以，对 于四轮轮毂电机电动汽车车身稳定性方面的研究，如驱动防滑控制技术的研究是 非常有必要的。1.3课题相关技术研究现状从汽车安全上看，车辆在低附着路面行驶时，容易发生车轮打滑的现象导致车 辆的侧滑，漂移，进而可能引起车辆的碰撞产牛交通事故。在汽车主动安全性控 制方面看，路面识别得出的车辆状态参数显得十分重要，比如：asr（驱动防滑控 制）算法的本质是控制车轮滑移率在一个最佳滑移率附近，从而使轮胎获得最人附 着力。而不同路面下汽车具有不一样的最佳滑移率。如果能够通过对路面识别准 确测的车

19、轮与路面z间的最佳滑移率，则asr系统可以达到更好的控制效果。所 以路面识别在驱动防滑控制等主动汽车安全技术中显得非常关键。1.3.1路面识别研究现状汽车技术领先的国家如美国，韩国，徳国，h本等己经在路面识别方面做了很 多的尝试，而且取得了一定的成功冋。目前，通过路面识别获取车辆和路面信息 方法种类繁多，一般根据其测量方式可以分为两种：一种是基于传感器路面直接 检测方法，另外一种是基于车辆动力学参数的路面识别方法。第一种方法虽然能够对路面状况取得较为精确的判别效果，但是由于一些传感 器无法在汽车复杂环境下有效工作以及传感器成本的原因，使得其无法应用于量 产车。如：光学传感器，利用雷达波，毫米波

20、，超声波等的传感器在路面检测上 有很高的检测精度，但是其工作条件十分苛刻又如采用声音类的传感器识别 的，其工作原理是根据轮胎和路面摩擦产生的噪声识别最大路面附着系数，其检 测效果很好，但是造价高，而且受外界影响严重，无法在实际中应用网。第二种方法采用低成木传感器获取车辆相关信息，并根据车辆动力学方程估计 出车俩运行中难以测的信息，进行路面识别。相对于基于传感器路面直接检测方 法，这该方法具有成本低、实用性好的特点，受到了研究人员的青睐。laura. r. rvay利用统计理论估计路面附着系数。算法中设计了扩展 kalman滤波器，在八自由度汽车动力学模型的基础上，估计各个车轮的纵向力、 轴承的

21、侧向力，利用状态估计值如侧向、纵向速度及各个车轮转动角速度等，对 各个车轮的滑移率和侧偏角进行计算。算法首先建立在不同路面情况下的轮胎模 型，计算滑移率、侧偏角、车轮负荷输入轮胎模型屮参与计算，获得各个轮胎的 作用力。分析计算值与扩展卡尔曼滤波器估计所得的值，利用贝叶斯法则对路而 附着系数进行估计。然而该算法模型结构复杂，不适合在实际车俩中使用。h.nishira等人研究认为，不同的路面作用在车轮上会使轮胎的滚动阻力系数 和纵向刚度取值范围不同。车速、驱动轮轮速的自适应观测方程建立在车辆纵向 动力学方程、车轮回转动力学方程、“-2关系上。建立纵向刚度和滚动阻力系数 的白适应校正算法是通过利用车

22、速、驱动轮轮速观测值和量测值z间的误差实现 的。并且算法为了增强鲁棒性，引入校正参数测试结果表明，只有在汽车加速 的情况下，才能较好的识别路面附着系数妙涮。hideo sado和shin-ichiro sakai等人通过电机输出力矩和车轮转动角速度 对路面附着力进行观察，该算法是建立在轮边驱动电动汽车的基础上的，估算整 个滑移率变化范围内的曲线的斜率网，用于估算路面附着系数。但是考虑到 车辆运行过程中轮胎类型、胎压等因素的影响，就算在相同的路面上，“-兄曲线 的斜率的人小会随着其他条件的变化而变化，这将降低路面附着系数估计的准确 性。文献测采用自适应卡尔曼滤波算法估计驱动轮的牵引力矩和车辆信息

23、，并根据 这些信息计算出“-久曲线的斜率，进而进行路面识别。然而，当车轮高转速运行 时时，该方法的识别精度较低。文献购提出一种基于标准/-a曲线的路面识别方法，该方法通过车身已知信 息估算击车辆行驶过程中车轮滑移率2和路面附着系数的值，通过与标准“-2 曲线进行对比，进而进行路面识别。在标准曲线已知的情况下，该方法具有 较高的精度。综上所述，相对于基于传感器路面直接检测方法，基于车辆动力学参数的 路面识别方法更加适用于量产车。而在基于车辆动力学参数的路面识别中，将车 轮滑移率久和路面附着系数与标准曲线进行对比的方法具有较高的识别精 度。因此，木文借鉴此类方法进行路面识别的研究。1.3.2驱动防

24、滑控制方法研究现状驱动防滑控制技术作为汽车主动安全控制的关键技术之一，能够改善车辆的稳 定性能和保持车辆的行驶安全性，受到了人们广泛关注。目前，国内外研究人员 在汽车驱动防滑控制做了大量控制方法和实验研究。由于传统汽车的内燃机力矩响应速度慢，单独控制内燃机的输岀力矩很难实现 车辆的驱动防滑控制。因此，在传统汽车的驱动防滑控制系统中，需要同时控制 内燃机的输出力矩和制动器的输出力矩。例如，河北大学候顺艳等人釆用模糊pid 控制算法，设计了基于节气门干预与制动干预的汽车驱动防滑控制系统旳；吉林 大学余建星等人在汽车驱动防滑控制系统中，采用神经网络算法设计了发动机油 门位置和驱动轮制动压力控制器测；

25、清华大学大学李亮等人采用自适应pid控制 算法，通过协调发动机转矩和主动器制力矩来实现汽车的驱动防滑控制呦。四轮轮毂电机电动汽车具有四个车轮转矩响应速度快、独立可控且易于测量的 优点，因此，通过对轮毂电机的转矩的控制即可实现四轮轮毂电机电动汽车的驱 动驱动防滑控制。考虑到滑模变控制具有易于实现、快速以及鲁棒性好的特点， 文献在驱动防滑控制中采用了滑模变控制方法；但是，仿真结果表明，滑模变 控制下电机转矩波动过大，这将增加电机控制的难度。文献期采用了模糊控制方 法进行了四轮轮毂电机电动汽车驱动防滑控制策略的设计，虽然模糊控制不依赖 具体系统，但是该控制方法的控制精度不高。文献呦将电机电流考虑成内

26、部扰动， 将车辆载荷的变化考虑成外部的扰动，以最优滑移率为控制目标，使用二阶自抗 扰控制器设计车辆单轮驱动防滑控制系统；实验表明，该控制方法的精度较高， 控制过程中的超调量较低。然而，在文献恥所制定的驱动驱动防滑控制策略中, 均将车轮的最佳滑移率视为定值，但是在车辆的实际运行过程中，由于路面的变 化会导致车轮最佳滑移率的变化，车轮的最佳滑移率应该通过路面识别获得。综上所述，相对于传统汽车，四轮轮毂电机电动汽车通过控制其轮毂电机的输 出转矩即可实现驱动防滑的控制。目前，四轮轮毂电机电动汽车驱动防滑控制策 略设计时均将车轮的滑移率视为定值，在驱动防滑控制策略的制设计上，并没有 考虑路面变化对控制策

27、略的影响。为了解决四轮轮毂电机电动汽车在附着路面上 车轮容易打滑的问题，本文提出基于路面识别的四轮轮毂电机电动汽车驱动防滑 控制策略。该策略考虑了路面状况对控制策略的影响，将路面识别引入到驱动防 滑控制策略的制定中；同吋，考虑到车辆运行中车轮纵向力的变化，在驱动防滑 控制策略的设计过程中设计了转矩补偿来补偿车轮纵向力变化。1.4论文的结构安排本文的章节结构安排如下：第一章：绪论。本章阐述了目前国内四轮轮毂电动汽车及其控制技术的发展 现状，并对四轮轮毂电动汽车驱动防滑控制技术的研究屮存在问题做了综述，确立 研究内容。第二章：四轮独立驱动电动汽车整车结构及性能要求。本章首先对四轮轮毂 电动汽车整车

28、结构进行研究，主要包括轮毂电机及其驱动系统、电池能量管理系 统、电子差速系统以及整车控制器。其次，介绍了电动汽车的总体性能要求以及 阐述四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制的必要性。第三章：四轮独立驱动电动汽车整车控制策略研究。本章对四轮独立电动驱 动汽车的控制原理、动力学模型进行了研究，并在此基础上研究了四轮独立驱动 电动汽车的整车控制策略。第四章：四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制策略设计。本章在整车控制策 略的基础上，对四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制策略进行设计。其屮包括路 面附着系数估计和路面识别算法，驱动轮防滑控制算法以及转矩分配算法。第五章：四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制策略仿真。本

29、章在仿真软件 carsim中，选取四种典型工况，对本文的所提出的驱动防滑控制策略进行仿真验 证，并与第三章的整车控制策略算法相比较，验证本文所提出的驱动防滑控制策 略的有效性。第六章总结与展望。本章对本文的研究成果进行了总结，并对本文存在的不 足以及进一步需要解决的问题进行了阐述。第二章四轮独立驱动电动汽车整车结构及性能要求4w1d电动汽车取消了传统汽车离合器、变速箱等机械结构，增加了蓄电池和 电池管理系统等装置，与传统汽车的结构和布局有很大的区别；而4wid电动汽车 电子差速系统主要功能是为了完成传统汽车差速器和驱动结构所完成的功能，所 以，电子差速系统对于4wid电动汽车是非常重要的。木章

30、将对4wid电动汽车整 车结构和电子差速系统进行详细的研究。2.1四轮独立驱动电动汽车整车结构本文针对的控制对象是以轮毂屯机为驱动单元的四轮独立驱动屯动汽车，其整图2-1 4wid电动汽车整车结构由上图可知，4wtd电动汽车主要结构包括驱动系统（四个轮毂电机、四个驱 动控制系统），能量系统（电池管理系统、蓄电池、四个逆变器、dc/dc）、控制系 统（整车控制器）等。显然，通过图2-1可知，4wid电动汽车最大的特点是有4 个独立的驱动单元，同时取消了传统汽车的机械结构。2.1.1轮毂电机及其驱动控制系统2.1.2电池能量管理系统2.1.3电子差速系统2.14整车控制器2.2轮独立驱动电动汽车总

31、体性能要求2.3四轮独立驱动电动汽车驱动防滑控制必要性分析2.4本章小结第三章四轮轮毂电机电动汽车整车控制策略研究本章首先研究了四轮轮毂电机电动汽车整车总体架构；然后，在专业的汽车仿 真软件carsim中，结合车辆动力学原理搭建了四轮轮毂电机电动汽车整车模型; 最后基于搭建的四轮轮毂电机电动汽车整车模型，研究了四轮轮毂电机电动汽车 的整车控制策略，并对四轮轮毂电动汽车整车控制策略进行仿真验证。u!轮轮毂电机电动汽车总体架构相对于传统汽车，四轮轮毂电机电机电动汽车去掉了大多数的机械结构，如离 合器、齿轮箱、变速器、差速器和机械传动装置等机械结构，大大简化了整车结 构。同时，在四轮轮毂电机电动汽车

32、总体架构的研究中，按照功能可以将车辆总 体架构划分为不同模块，其中包含：四轮独立驱动/制动模块、转向系统模块、车 轮动力学模块、车体动力学模块、轮胎模块。如图3-1所示。r hthk铭驶员模型ritidma-wtw tn轮胎模型路面模型1护图3-1 i丿l|轮轮毂电机电动汽车整车动力学模型总体架构示意图3-2四轮轮毂电机电动汽车数学模型研究虽然carsim和dyxawarc等软件可以较好的模拟汽车性能，但是从建模思想可 知：在汽车动力学控制研究中，只有理解汽车动力学原理和掌握车辆模型的动态 特性，才能进行仿真分析并找出造成问题的原因，进而实现算法的改进。因此， 有必要根据研究的内容，构建基于汽

33、车动力学理论的车辆动力学模型。本节首先 建立车辆运动的参考坐标系，然后进行模型假设并根据模型假设构建四轮轮毂电 机电动汽车整车模型。3.2.1参考坐标系建立进行车辆的动力学分析要以相对坐标系为参照，本文以大地坐标系为相对坐标 系，同时定义了车辆坐标系xvovyvzv和车轮坐标系xwowywzw ,以便于进行汽车 动力学分析以及建立车辆动力学模型。车辆参考坐标系如图3-2所示。图3-2车辆坐标系大地坐标系作为相对坐标系，用来描述车辆的绝对运动。大地坐标系原点0固 定在大地上，为车辆坐标系原点，且6初始位置在地面上的投影与o点重合。 x轴正方向为汽车前进方向，且与地面始终平行，y轴方向指向驾驶员的

34、左侧，z 轴的正方向垂直地面向上。通过车辆的坐标系可以对车辆运动进行描述。车辆坐标系的原点5为车辆静 止时的质心，xv轴的正方向为车辆的前进方向，yv的正方向指向驾驶员的左侧, z轴的正方向垂直地面向上。车轮坐标系的原点为ow为车轮的质心，由于各个车轮独立，所以各个车轮具 有各自独立的坐标系。xw的正方向为车轮前进方向，yw正方向垂直于车轮旋转平 面而指向车轮的左侧，z*.止方向垂直于地面向上。322模型假设在车辆动力学的研究领域，一般根据研究需要建立不同自由度的车辆动力学模 型。相关研究表明，虽然较多自由的车辆模型具有较高的精度，但是由于其模型 结构复杂、需要计算的参数较多且不容易获取，不一

35、定适应于所研究的相关内容。因此一般根据课题屮所研究汽车性能的侧重点，进行汽车模型自由度简化和进 行相应的模型假设l103-i09jo而在车身稳定控制的研究屮，一般采用假设的方式对汽 车模型进行自由简化，进而构建车辆模型85'88o本文主要研究四轮轮毂电机电动汽车的车身稳定控制，在模型假设的基础上,进而构建车俩动力学模型。本文模型假设如下：(1) 车辆行驶的路面为水平路面；(2) 四个车轮运动特性相同；(3) 忽略车辆所受的空气阻力与车轮所受的滚动阻力；(4) 不考虑车辆的垂直、侧倾和俯仰运动。基于以上模型假设，本文将构建7自由度的车辆动力学模型，其中：车体动力 学模型包含纵向车速、侧向

36、以及横摆角速度三个自由度，4个车轮动力学模型各自 包含一个转速自由度。3.2.3车体动力学模型本文研究的对象为四轮轮毂电机电动汽车，其车体动力学模型如图3-3所示。图3-3车体动力学示意图根据牛顿第二定律，三自由度的车体运动学方程表述如下： 纵向运动方程：叽=(© + 嘉)cos- (fyjl + f听)sin+ f诃 + fxrr + mrvy(3-1)侧向运动方程：叫=(岛 + 岛)血 §+(5 + 耳疗)cos 5 + fyrl + fyrr - mrvx(3-2)横摆运动方程：其中，加为车辆质量，比为车辆纵向速度，片为车辆侧向速度，fg 岛、fxrl 和為分别为左前

37、、右前、左后和右后轮胎的纵向力，©、f词和代分别 为左前、右前、左后和右后轮胎的侧向力，为前轮转向角，厶为整车绕z轴的转 动惯量，人是轮胎的转动惯量，-和/分别为质心到前轴和后轴的纵向距离，7和 分别为前轮距和后轮距。3.2.4车轮动力学模型四轮轮毂电机电动汽车的四个车轮相互独立，四个车轮各自包含一个转动自由 度。单个车轮的动力学模型如图3-4所示。图3-4车轮动力学模型定义ye/f,/r,r/,rr,其中fl, frt rl. rr分别代表左前轮，右前轮，左后轮, 右后轮。根据电机驱动原理，车轮运动方程表述如下：i'aifj-fgr(3-4)其中，吗为各个车轮的转速，为各个

38、轮毂电机的输岀的驱动力矩。3.2.5轮胎模型车辆运动的力都是轮胎作用于地面产生的，同吋附着系数等状态参数与路面和 轮胎的接触运动相关。对真实轮胎情况进行模拟需要构建轮胎模型。因此对轮胎 进行建模是汽车动力学建模仿真研究的关键。轮胎模型分为经验模型、半经验模型和理论模型。在车辆仿真模型搭建过程屮 中，半经验轮胎模型应用比较广泛，其中比较常见的有unitire轮胎模型c111 1141以 及“魔术公式” (magic formula)轮胎模型115_1170本文采用“魔术公式”进行动 力学仿真分析。“魔术公式”是h. b. pacejka提出的用于描述轮胎侧偏特性的半经 验模型，能描述轮胎所有的稳

39、态力学特性，模拟精度高，因此在汽车动力学研究 领域被广泛的应用。轮胎公式的一般表达形式如下：y(x) = £> sin c arctan bx -ebx- arctan(bx)(3-5)d(x) + sy(3-6)x=x + s(3-7)式中，自变量x可以表示轮胎滑移率2、侧偏角g。根据自变量x的不同，y(x) 表示可以车轮纵向力心，侧向力代。d代表峰值因素；c代表形状因素；b代表 刚度因子；e代表曲率因子，且b、c、d、e的取值与轮胎当前接触路面情况有 关。sy表示水平偏移量，sh为垂直偏移量。当水平偏移量3和垂直偏移量sh为0时，即轮胎不存在水平和垂直方向的偏 移。车轮纵向

40、力可由公式(3-8)表示：fxij = £)sincarctanbx- e(bx-arctan(bx)(38)3.3轮轮毂电机电动汽车整车控制策略四轮轮毂电动汽车整车控制为驾驶员和车辆构成的一个闭环。驾驶员通过仪表 获取车辆的状态信息，并通过方向盘、加速踏板、制动踏板来改变车辆的控制目 标。例如，在车速控制上，驾驶员将车辆的实际车速与期望车速做差，并通过大 脑的计算获得相应的加速/制动踏板开度，进而控制整车控制器输岀相应的加速/ 制动力矩，使车辆到达期望车速。本文不考虑通过方向盘进行车辆的转向控制， 只考虑雪过加速踏板以及制动踏板进行四轮轮毂电机电动汽车的基木控制，如图 3-5所示。

41、图35四轮轮毂电动汽车整车基本控制结构图整车控制器包括期望力矩计算和力矩分配两个功能模块，其中期望转矩计算为 车辆的基木功能，即将驾驶员的输入转换为电机的期望转矩。踏板与期望力矩之 间的关系可以通过归一化的踏板位置(0-1)和归一化的驱动力矩(0-1)之间的映射 函数来表示。而映射函数一般由汽车厂商根据不同驾驶风格设定，如图3-6中的 曲线(一)(二)、(三)就代表三种常见的驾驶风格。00%(=丁100加速曲旗图36加速踏板驱动力矩映射曲线木文采用的映射函数可由曲线（二）表示，即认为加速踏板和驱动力矩之间的 映射关系为线性关系，如公式（3-12）所示：(3-9)其中，7；为期望驱动力矩；k为加

42、速踏板-驱动力矩之间的映射系数，为定值， 本文取1280；血表示加速踏板开度，其值范围为01。对于力矩分配模块，一般采用平均分配算法作为控制算法，如公式（3-13）所示:(3-10)其中，为各轮的驱动力矩。3.4四轮轮毂电机电动汽车整车控制策略的仿真验证木文通过carsim和matlab/simulink联合仿真进行四轮轮毂电机电动汽车整 车控制策略的验证。其中，通过carsim软件构建车辆模型，并在matlab里面实 现整车控制算法，联合仿真结构如图3-7所示。td心but>ohv* cgvw fl carsim s-function1avehcie c3 l*2图37 carim和m

43、at lab联合仿真图在仿真中，本文选取了具有代表性的三种路面对四轮轮毂电机电动汽车整车控 制策略进行仿真验证，这三种路面分别为单一路面、对开对接路面、对开路面。 所用的车俩模型部分参数如表3. 1所示。表3.1车辆模型部分参数参数名称数值大小整备质量（kg）2150车轮半径（m）0.3262电机最大转矩（nm）320*4质心到前轴的距离（m）1.35质心到后轴的距离（m）1.35前轮轮距(m)1.55后轮轮距(m)1.53车轮转动惯量(kg*m2)0.6最小离地间隙(m)0.1233.4.1单一路面工况下仿真分析仿真工况设置如下：(1) 路面附着系数恒定，分别设为0.& 0.4以及0

44、.1；(2) 车辆初始速度为5km/h;(3) 驾驶员加速踏板输入一次为0. 25,0.5,1.0,对应每个轮毂电机的驱动转 矩为 80nm, 160w, 320如。(4) 采样时间设为0. 001s,仿真时长为10s。在上述仿真工况设置情况下，对整车控制策略进行仿真，仿真结果如表3. 2所 示：表3.2单一路面下的车速控制仿真结果路面附着系数驱动转矩(nm)车轮轮速(km/h)车速(km/h)稳态加速度 (m/s2)0.880左刖19.1319.070.39右前19.13左后19.13右后19.13160左刖35.2035.080.83右前35.20左后35.20右后35.20320左刖67

45、.5671.71右前67.5左后67.5右后67.50.880左刖19.1319.070.39右前19.13左后19.13右后19.13160左刖35.2035.080.83右前35.20左后35.20右后35.20320-4 、人 左刖67.5671.71右前67.5左后67.5右后67.5080-1 -ax.左前19.1319.070.39右刖19.13左后19.13右后19.13160左刖35.2035.080.83右前35.20左后35.20右后35.20320左刖20036.40.87右前200左后200右后200在摩擦系数0.8的路面上（高附着路面），轮毂电机的驱动转矩分别为80n

46、m, 160nm, 320nm时，车辆的车轮速度和车辆的车身速度基本上保持一致。也就是说， 在0. 8的路面上，整车控制策略能够保证车辆的正常行驶。在摩擦系数0. 4的路面上（屮等附着路面）,轮毂电机的驱动转矩分别为80nm, 160nm, 320nm时，车辆的车轮速度和车辆的车身速度基本上保持一致。也就是说， 在0. 4的路面上，整车控制策略能够保证车辆的正常行驶。在摩擦系数0. 1的路面上（低附着路面），轮毂电机的驱动转矩为80nm, 160nm 时，车辆的车轮速度和车辆的车身速度基本上保持一致，在上述情况下整车控制 策略能够保证车辆的正常行驶。但是，当轮毂电机的驱动转矩为320nm时，仿

47、真 结果显示，10s末车辆的速度为36. 4km/h,而四个车轮的速度高达200km/h,很明 显车轮发生的严重打滑现象；同时，车辆的稳态加速度为0. 87 m/s2,而在同等转 矩下，在摩擦系数为0. 4, 0. 8的路面下，车辆的稳态加速度为1.71 m/s2；此时, 整车控制策略不能够保证车辆的正常行驶。仿真结果表明，单一路面情况下，在低附着路面上（如路面附着系数为0.1的 路面），车辆的驱动力矩过大时（如轮毂电机的驱动转矩为320nm）,车轮会产生打 滑现象。此时，整车控制策略不能够保证车辆的正常行驶。342对接路面工况下仿真分析从单一路面的仿真结果可知，当车辆在低附着上行驶时，轮毂电

48、机的驱动转矩 过大吋，车轮会出现打滑现象，整车控制不能保证车辆的正常行驶。为了进一步 验证整车控制策略，在对接路面下，设定如下工况进行仿真分析。仿真工况设置如下：（1）车辆初始速度为5km/h;（2）轮毂电机的驱动转矩分别设为80、160以及320nm；（3）0到10m,路面摩擦系数设为0.8； 10到20m,路面摩擦系数设为0.1； 20ni以后，路面摩擦系数设为0.4。（4）采样时间设为0. 001s,仿真时长为10s。在上述仿真工况设置情况下，对整车控制策略进行仿真，仿真结果如表3-2所 示：表3.2对接路面下的车速控制仿真结果驱动转矩 （nm）路面摩擦系数午轮轮速（km/h）车速 （k

49、m/h）稳态加速度 （m/s2）800-10m（摩擦系数0.8）左刖11.2811.260.39右前11.28左后11.28右后11.2810-20m（摩擦系数0.1）左刖15.1615.140.39右前15.16左后15.16右后15.1620m以后（摩擦系数0.4）左刖19.1319.070.39右前19.13左后19.13右后19.13160nm0-1 om（摩擦系数0.8）左刖15.615.550.83右前15.6左后15.6右后15.610-20m（摩擦系数0.1）左前21.621.40.83右前21.6左后21.6右后21.620m以后（摩擦系数0.4）左刖35.2035.060.

50、83右刖35.20左后35.20右后35.20320nm0-10m（摩擦系数0.8）左前21.7521.951.71右刖21.75左后21.75右后21.7510-20m（摩擦系数0.1）左前20035.40.87右刖200左后200右后20020m以后（摩擦系数0.4）左前67.5671.71右刖67.5左后67.5右后67.5在对接路面上，轮毂电机的驱动转矩为80nni时，车辆在摩擦系数为08、0. 1 以及0.4的路段运行时，车辆的车轮速度和车辆的车身速度基木上保持一致。仿 真结果表明，在低转矩输入情况下（转矩为80xm）,整车控制策略能够保证车辆的 正常行驶。在对接路面上，轮毂电机的驱

51、动转矩为160nm时，车辆在摩擦系数为0.8、0. 1 以及0.4的路段上运行时，车辆的车轮速度和车辆的车身速度基本上保持一致。 仿真结果表明，在中等转矩输入情况下（转矩为160nm）,整车控制策略能够保证 车辆的正常行驶。在对接路面上，轮毂电机的驱动转矩为320nm时，车辆在摩擦系数为0.8以及 0.4的路段上运行时，车辆的车轮速度和车辆的车身速度基木上保持一致。但是, 在摩擦系数为0.1的路段上行驶吋，车辆的车身速度为35.4km/h,而四个车轮的 速度高达200km/h,很明显车轮发生的严重打滑现象；同吋，在摩擦系数0.8以及 0.4的路段上，车辆的稳态加速度为1. 71 m/s2,而在

52、摩擦系数0.1的路段上，车 辆的稳态加速度为0.87 m/s2；此时，整车控制策略不能够保证车辆的正常运行。仿真结果表明，对接路面下，在低附着路段(如路面附着系数为0.1的路面)， 车俩的驱动力矩过大时(如轮毂电机的驱动转矩为320nm),车轮会产生打滑现象。 此时，整车控制策略不能够保证车辆的正常行驶。343对开路面工况下仿真分析仿真工况设置如下：(1) 车辆初始速度为5km/h;(2) 每个轮毂电机的驱动转矩为320心；(3) 0-3m,四个车轮的路面摩擦系数为0.& 3m以后，左侧车轮的路面摩擦 系数为0. 1,右侧车轮的路面摩擦系数为0. &(4) 采样时fd间设为0.

53、001s,仿真时长为10s。在上述仿真工况设置情况下，对整车控制策略进行仿真，仿真结果如表所 示：表3.3对开路面下的整车控制仿真结果驱动转矩 (nm)车轮轮速(km/h)车速 (km/h)稳态加速度 (m/s?)轨迹偏移(m)80左前19.319.250.390右前19.3左后19.3右后19.3160左前37.537.20.880右前37.5左后37.5右后37.5320左前20040.80.544.16右前200左后200右后200在上述对开路面上，当轮毂电机的驱动转矩为80nm, 160nm时，车辆的车身速 度与轮速保持一致，车轮不发生打滑现彖；同时，车辆运动过程中，车辆不偏离 期望轨

54、迹。此时，整车控制策略可以保证车辆的正常行驶。但是，在上述对开路面上，但当轮毂电机的驱动转矩为320mn时，四个车轮的 速度到达200km/h,而车身的速度为40. 8 km/h,很明显车轮发牛打滑现象；同时， 车俩行驶过偏离期望轨迹4. 16m,即车身产生了偏移现象。此时，整车控制控制策 略不能保证车辆的正常行驶。3.5本章小结木章首先研究四轮轮毂电机电动汽车的总体架构，并在总体架构的基础上对 四轮轮毂电机电动汽车进行建模分析；然后，基于四轮轮毂电机电动汽车模型的 研究基础，研究了四轮轮毂电机电动汽车基本控制策略；最后，在carsim中建立 了四轮轮毂电机电动汽车模型以及在simulink中

55、建立了四轮轮毂电机电动汽车整 车控制策略，并在单一路面、对接路面、对开路面对四轮轮毂电机电动汽车整车 控制策略进行仿真验证。仿真结果表明，在高附着路面、中等附着路面下，整车 控制策略能够保证车辆的正常行驶；但是，在低附着路面下，当轮毂电机的驱动 转矩过大时，车轮会发生打滑现象，特别是在对开路面下，车辆会发生侧偏现象， 威胁驾乘人员的安全。因此，为了保证驾乘人员的安全，有必要在整车控制策略 的研究基础上，进行四轮轮毂电机电动汽车的驱动防滑控制策略研究。第四章四轮轮毂电机电动汽车驱动防滑控制策略设计由上章的仿真结论可知，汽车在低附着路面上行驶时，当轮毂电机的驱动转矩 过大时，整车控制策略下车轮会发生打滑现象，严重时车辆