_20200909_113654畢設論文草稿-manuscript11-格式

1、TM30110590分類號UDC學校代碼密級621公開深圳大學碩士學位論文基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究池 成學 位類別工程碩士專業(yè)學位專 業(yè)名稱交通運輸工程學院（系、所）機電與控制工程學院指導教 師徐剛深圳大學學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文永磁同步電機非線性模型實時系統(tǒng)的建立與半物理仿真是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律結果由本人承擔。論文作者簽名

2、：日期：年 月 日學位論文使用授權說明（必須裝訂在印刷本首頁）本學位論文作者完全了解深圳大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬深圳大學。學校有權保留學位論文并向國家主管部門或其他機構送交論文的電子版和紙質版，允許論文被查閱和借閱。本人授權深圳大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（涉密學位論文在后適用本授權書）論文作者簽名：導師簽名：日期：年 月 日日期：年 月日基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究摘 要迫于環(huán)境和能源的雙重壓力，電動汽車成為當前的必

3、然趨勢。當前，傳統(tǒng)集中式驅動燃油車動力源的電機化改造已取得階段性成果。顯然，這種對傳統(tǒng)車輛結構的簡單繼承，除電機外特性曲線有所改善外，整車控制效果改善較為有限。相比之下，采用分布式獨立驅動、轉向的輪轂電機驅動電動汽車（下稱輪轂電動汽車），各輪轉向角、驅動力矩獨立可控，從在根本上改變了底盤的牽引控制方式。這種分布式驅動結構給車輛運動和控制帶來全新可能，在主動安全性和動力學品質上更具優(yōu)勢，因此被業(yè)界譽為汽車的終極驅動形式。然而，這種結構和動力學特征的整車操控穩(wěn)定性成為一個全新的問題。性改變，也使得輪轂電動汽車各輪之間缺乏確定約束關系，由此產(chǎn)生的差動轉向效應會產(chǎn)生橫擺力矩干擾，致使當前主流的基于DY

4、C穩(wěn)定性控制系統(tǒng)失效。本文依托于國家自然科學基金資助項目（51577120）“基于隱馬爾可夫的全線控輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性關鍵問題研究”，和深圳市基礎研究資助項目（JCYJ20170302142107025）“全輪轉向輪轂電動起汽車節(jié)能與操縱穩(wěn)定性關鍵問題研究”，開展了線控四輪電動汽車全輪轉向和全輪驅動協(xié)調(diào)控制研究，主要處理了全線控輪轂電動車轉向系和驅動系因結構屬性模糊帶來的耦合作用，實現(xiàn)了驅動系和轉向系的協(xié)調(diào)控制，并在此基礎上初步實現(xiàn)了汽車的操控穩(wěn)定性控制。圍繞著上述研究目的，主要開展了以下工作：（1） 全線控輪轂電動汽車試驗平臺搭建從四輪獨立轉向、驅動、制動的全線控（X-by-Wire，簡

5、稱XBW）電動汽車試驗平臺的功能需求出發(fā)，并結合課題組研究需求，設計了試驗平臺整體結構方案；為了解決懸架系統(tǒng)與電動輪的適配問題，提出并設計一種全新的中心轉向懸架系統(tǒng)，并給出了其力學特性分析；完成整車的機械設計、加工、裝配和調(diào)試工作。同時，基于ADAMS/view建立試驗平臺的整車虛擬樣機，完成試驗平臺的穩(wěn)定性分析。（2） XBW輪轂電動車仿真平臺開發(fā)仿真平臺開發(fā)主要包括輪轂電車動力學建模抽象、執(zhí)行器動力學建模和仿真平臺結構的模塊化設計。對針對當前研究不足，建立了考慮車輛垂向運動在內(nèi)的19自自由度非線性時變耦合輪轂電動汽車仿真平臺，并從系統(tǒng)功能出發(fā)對仿真平臺進行了模塊化設計?？紤]到開展執(zhí)行器動態(tài)

6、響應特性對整車穩(wěn)定性控制影響的研究需求，建立了I 基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究非線性動態(tài)輪轂電機模型、轉向電機模型、電磁制動器模型。最后，在復雜多工況下完成仿真平臺的有效性驗證。（3） 整車穩(wěn)定性控制策略設計從汽車穩(wěn)定性控制理論入手，對輪轂電動汽車穩(wěn)定控制問題的特殊性進行了分析。在此基礎上，針對系統(tǒng)高冗余和控制的非線性特點，確定了以五層運動控制為核心的整車分層集中式穩(wěn)定性控制結構。其中，運動跟蹤控制層通過統(tǒng)籌廣義控制力從上層協(xié)調(diào)驅動系和轉向系因結構屬性模糊造成的運動沖突；輪胎分配控制層專注于廣義控制力的具體實現(xiàn)。分層集中式控制結構，降低了車輛解耦控制難度，使整車穩(wěn)定

7、性控制算法以較高的集成度到達理論控制最優(yōu)。此外，考慮到“人-車-路”閉環(huán)控制的需求，基于“預瞄-跟隨” 理論建立側向加速度動態(tài)反饋矯正的駕駛員模型；并設計整車駕駛模式。（4） 轉向和轉矩協(xié)調(diào)控制研究該部分主要進行運動控制決策生成和輪胎控制分配問題研究。運動控制層解決了過驅系統(tǒng)運動協(xié)調(diào)控制問題，針對差動轉向效應，文中以縱向車速、橫擺角速度和質心側偏角為追蹤目標，基于滑膜變結構控制理論進行了運動控制器設計，同時完成駕駛員行為監(jiān)測，用于提升整車主動安全性。輪胎力控制分配層則用于解決系統(tǒng)的過驅分配問題。文中將四輪側偏向力、縱向力作為8個獨立控制變量，以提升整車穩(wěn)定性裕度為目標，將輪胎力分配問題歸納為多

8、約束下的LQP極值優(yōu)化問題，實現(xiàn)輪胎側偏力和縱向力的解耦，并制定輪胎力混合求解策略。最后，通過構建輪胎力與執(zhí)行器的映射關系，實現(xiàn)四輪轉角、轉矩最優(yōu)分配。本文以汽車整車動力學控制為理論依據(jù)，以全輪轉向與驅動協(xié)調(diào)集成控制為核心， 進而研究線控輪轂電動車操縱穩(wěn)定性閉環(huán)控制系統(tǒng)。在此目標下，主要實現(xiàn)實車試驗 平臺的有無問題、系統(tǒng)仿真平臺的搭建、分層式集成控制策略設計和轉矩/轉角協(xié)調(diào)控制研究，為課題的后續(xù)研究做了基礎性工作。關鍵字：輪轂電動汽車；動力學模型；驅動轉向協(xié)調(diào)控制；滑膜變結構控制；最優(yōu)控制分配II Study on the control stability of In-wheel motor

9、d riven EV based on the coordination of steering system and driving systemAbstractOwing to the double pressure of environment and energy, electric vehicles have become the inevitable trend. At present, the traditional centralized drive fuel vehicle power source motor transformation has achieved stag

10、e results. Obviously, the simple inheritance of the traditional vehicle structure, in addition to the improvement of the characteristic curve outside the motor, the improvement of the control effect of the vehicle is limited. In contrast, the distributed independent drive and steering wheel motor dr

11、ive electric vehicle (hereinafter referred to as hub electric vehicle), each wheel steering angle and driving torque independently controllable, fundamentally changed the chassiss traction control mode. The distributed driving structure brings new possibilities to vehicle motion and control, and has

12、 more advantages in active safety and dynamic quality. Therefore, it is regarded as the ultimate driving form of automobiles. However, the subversive changes in the structural and dynamic characteristics make the vehicle handling stability a completely new problem.There is a lack of deterministic re

13、lationship between wheels of wheel electric vehicle. The differential steering effect generated by the steering wheel will cause yaw moment interference, which results in the failure of the current mainstream DYC based stability control system. This paper is based on the project supported by the Nat

14、ional Natural Science Foundation (51577120) wheel electric vehicle handling stability research on key issues of all control based on Hidden Markov, and basic research programs supported by Shenzhen (JCYJ20170302142107025) all wheel steering wheel electric vehicle energy saving and handling stability

15、 of key problems in the study, carried out by four wheel electric vehicle all wheel steering and all wheel drive coordinated control research, mainly deal with all wheel steering system and electric control system for driving structure of fuzzy attribute coupling brings, to realize the coordinated c

16、ontrol of driving and steering system, and on the basis of preliminary implementation control handling stability of automobile. Focusing on the purpose of the study, the following work has been carried out:(1) Construction of test platform for full line hub electric vehicleFrom the four wheel indepe

17、ndent steering, driving, braking control line (X-by-Wire, XBW)functional requirements of electric vehicle test platform, and combined with the research needs, designed the overall structure of the program in order to solve the test platform; adaptiveIII Study on the control stability of In-wheel mot

18、ord riven EV based on the coordination of steering system and driving systemsuspension system and electric wheel problem, and put forward a new design of the steering and suspension center the system, and gives the analysis of its mechanical properties; complete mechanical design, processing, assemb

19、ly and debugging of the vehicle. At the same time, the virtual prototype of the whole vehicle is built based on ADAMS/view to complete the stability analysis of the test platform.(2) Development of simulation platform for XBW in wheel motor driven EVThe development of the simulation platform mainly

20、includes the dynamic modeling abstraction of the hub tram, the dynamic modeling of the actuator and the modular design of the simulation platform structure. Aiming at the lack of current research, a 19 degree of freedom nonlinear time variant coupled hub electric vehicle simulation platform consider

21、ing vehicle vertical motion is established. And the simulation platform is modularized from the function of the system. Considering the research needs of dynamic response characteristics of actuator to vehicle stability control, a nonlinear dynamic hub motor model, a steering motor model and an elec

22、tromagnetic brake model are established. Finally, the effectiveness of the simulation platform is verified under complex multiple conditions.(3) The design of the stability control strategy of the whole vehicleOn the basis of the theory of automobile stability control, the particularity of the stabi

23、lity control of XBW hub electric vehicle is analyzed. On this basis, aiming at the nonlinear characteristics of the systems high redundancy and control, we have determined the vehicles hierarchical centralized stability control structure based on the five level motion control. Among them, the motion

24、 tracking control layer is the motion conflict caused by the overall control force from the upper coordination drive system and the steering system due to the fuzzy structure attribute; the tire assignment control layer focuses on the specific implementation of generalized control force. The hierarc

25、hical centralized control structure reduces the difficulty of vehicle decoupling control, and makes the whole vehicle stability control algorithm reach the optimal control with higher integration degree. Besides, considering the demand of closed loop control of human vehicle road, a driver model of

26、lateral acceleration dynamic feedback correction is established based on the theory of preview follow, and the vehicle driving mode is designed.(4) Research on the coordinated control of steering and torqueThis part mainly deals with the decision making of motion control and the research of tire con

27、trol distribution. Motion control layer to solve the flooding system coordinated motion control problem for differential steering effect, with longitudinal speed, yaw rate and sideslipIV Study on the control stability of In-wheel motord riven EV based on the coordination of steering system and drivi

28、ng systemangle for target tracking in this paper, sliding mode variable structure control theory are introduced based on motion controller design, completed at the same time for driver monitoring, to improve vehicle active safety. The tire force control distribution layer is used to solve the proble

29、m of overdrive distribution of the system. The four round of the lateral deflection force, longitudinal force as 8 independent variables, in order to enhance the vehicle stability margin as the goal, the tire force distribution problem into optimization problem with multiple constraints LQP extremum

30、, decouple tire lateral force and longitudinal force, and to develop strategies for solving mixed tire force. Finally, by constructing the mapping relationship between the tire force and the actuator, the optimal distribution of the four wheel rotation angle and torque is realized.Based on vehicle d

31、ynamics control theory, taking the integrated control of all wheel steering and drive coordination as the core, the closed-loop control system of handling and stability of wire controlled hub electric vehicle is studied. Under this goal, we mainly realized the problems of the real vehicle test platf

32、orm, the establishment of the system simulation platform, the design of the hierarchical integrated control strategy and the coordinated controlof torque and rotation.Key words: in-wheel motor driven EV；vehicle dynamic model； drive andintegrated control; synovium variable structure control; optimal

33、control allocation.steeringV 目 錄摘 要IAbstractIII第 1 章緒論11.1 課題研究背景及意義11.1.1 研究背景11.1.2 研究意義21.2 線控輪轂電動汽車研究概況31.3 課題相關研究內(nèi)容概述51.3.1 輪轂電汽車仿真平臺建模研究概況51.3.2 汽車操縱穩(wěn)定性控制基礎理論概況61.3.3 轉矩和轉角協(xié)調(diào)控制研究概況71.3.4 穩(wěn)定性控制結構策略研究概況81.4 主要內(nèi)容和特色9第 2 章全線控輪轂電動汽車試驗平臺設計與分析12.1 全線控車試驗平臺整體結構設計12.2 中心轉向懸架與驅動系統(tǒng)設計與分析22.2.1 中心轉向懸架與驅動系統(tǒng)

34、結構設計32.2.2 中心轉向懸架與驅動系統(tǒng)力學分析52.3 全線控車試驗平臺操控穩(wěn)定性分析92.3.1 試驗平臺虛擬樣機和對標模型建模92.3.2 試驗平臺虛擬樣機仿真與分析102.4 本章小結16第 3 章全線控輪轂電動汽車仿真平臺開發(fā)173.1 仿真平臺總體結構173.2 整車動力學建模193.2.1 仿真平臺坐標系轉換193.2.2 系統(tǒng)運動變量定義203.2.3 車身動力學模型213.2.4 懸架系統(tǒng)動力學模型233.2.5 車輪動力學模型243.2.6 輪胎動力學模型253.2.7 空氣動力學模型303.3 執(zhí)行單元建模313.3.1 線控驅動單元建模313.3.2 線控轉向單元建

35、模333.3.3 線控制動單元建模343.4 試驗平臺仿真流程363.5 仿真平臺驗證373.6 仿真平臺建模建議403.7 本章小結40第 4 章整車穩(wěn)定性控制策略設計424.1 輪轂電動汽車穩(wěn)定性控制分析424.1.1 傳統(tǒng)汽車穩(wěn)定性控制問題描述424.1.2 全線控輪轂電動車穩(wěn)定性控制分析434.2 運動狀態(tài)變量選擇444.3 整車穩(wěn)定性分層集中式控制結構設計454.4 基于側向加速度反饋校正的駕駛員模型474.4.1 駕駛模型建模474.4.2 駕駛員模型仿真驗證494.5 駕駛模式設計504.5.1 駕駛模式設計分析514.5.2 特殊駕駛模型仿真534.6 本章小結54第 5 章整

36、車運動跟蹤控制研究555.1 運動跟蹤控制問題描述555.2 參考運動狀態(tài)變量565.2.1 名義參考狀態(tài)變量565.2.2 綜合運動狀態(tài)允許域設計585.2.3 參考狀態(tài)變量615.3 運動跟蹤控制器設計645.3.1 運動跟蹤控制研究現(xiàn)狀645.3.2 滑膜變結構控制簡介655.3.3 基于SMC 的運動控制器設計655.4 運動跟蹤控制器仿真與分析705.4.1 仿真試驗說明705.4.2 高附著路面正弦輸入工況715.4.3 低附著路面魚鉤試驗工況735.5 本章小結75第 6 章基于最優(yōu)控制的輪胎力分配控制研究766.1 輪胎力分配控制分析76.廣義控制力在輪胎力上的實現(xiàn)77.輪胎力

37、在執(zhí)行器上的實現(xiàn)786.2 基于LQP 的最優(yōu)控制分配算法796.2.1 控制分配算法簡介796.2.2 輪胎力優(yōu)化目標806.2.3 系統(tǒng)約束處理816.2.4 基于LQP 的混合優(yōu)化求解策略826.3 車輪轉向角計算856.3.1 輪胎側偏特性逆模型856.3.2 轉角計算866.4 仿真試驗分析計算876.4.1 高附著路面正弦輸入工況876.4.2 低附著路面魚鉤試驗工況896.5 本章小結90第章 總結與展望91.1 全文總結91.2 研究展望92參 考 文 獻93致謝99碩士期間發(fā)表成果100基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究第 1 章 緒論1.1 課題研究背

38、景及意義1.1.1 研究背景安全、節(jié)能與環(huán)保是汽車發(fā)展的方向和永恒主題，尤其在事故頻發(fā)、能源短缺和環(huán)境惡化的當下顯得格外重要1。電子化、智能化、電動化、可再生化是實現(xiàn)安全、舒發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)對于推動產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、促進節(jié)能減排、加快經(jīng)濟發(fā)展方式轉變具有重要意義2。近年來，迫于能源與環(huán)境的雙重壓力，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展已經(jīng)成為全球各個國家推進交通能源戰(zhàn)略轉型的重要措施。特別是在國際金融后，為搶占新一輪經(jīng)濟增長的戰(zhàn)略制高點，主要汽車工業(yè)發(fā)達國家紛紛加大對電動汽車的研發(fā)投入并且加強政策支持力度3。世界各個國家的汽車研究單位以及高校也紛紛關注純電動汽車的研究和開發(fā)，并且取得了許多重大的研究成果

39、。目前，站在中國工業(yè)2025轉型升級的重要節(jié)點上，發(fā)展新能源汽車工業(yè)已成為“十三五”既定國家戰(zhàn)略，并確立了以推廣純電驅動為主的跨越式技術發(fā)展路線4, 5。在此格局下，開展純電動汽車基礎技術研究，對實現(xiàn)我國汽車工業(yè)在新能源領域的彎道超車格外重要。圖1.1 分布式驅動輪轂電動汽車及其驅動單元當前，傳統(tǒng)集中式驅動燃油車的電動化改造已取得階段性成果，并相續(xù)有量產(chǎn)的混合動力和純電動汽車推出市場。此類電動汽車依賴集中式驅動結構，通過動力源電機化，并借助差速器和分動器實現(xiàn)二輪或全輪驅動。顯然，這種對傳統(tǒng)車輛結構的簡單繼承，除電機外特性曲線有所改善外，車輛驅動方式并未發(fā)生實質性改變，整車動力學品質和舒適性、經(jīng)

40、濟性、主動安全性等改善較為有限，未能充分體現(xiàn)電機驅動技術優(yōu)勢。相比之下，采用分布式獨立驅動、轉向的輪轂電機驅動電動汽車（下稱輪轂電動汽車），省略了傳動系統(tǒng)，利用電機直接驅動車輪，各輪的運動狀態(tài)相互獨立，1基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究整車擁有更多的可控自由度。因此輪轂電動汽車的分布式驅動方式能從根本上汽車驅動方式，為汽車運動和控制帶來全新可能，成為極具潛力的汽車技術。了1.1.2 研究意義輪轂電動汽車采用電機直驅，能量傳遞環(huán)節(jié)少，能從根本上提高能源利用率，通過轉矩的協(xié)調(diào)分配可實現(xiàn)節(jié)能控制；省略了傳動系統(tǒng)，簡化了底盤結構、提升車輛空間利用率，對汽車整備質量輕量化貢獻較大

41、，可顯著降低制造成本，并進一步增加電動汽車續(xù)駛里程；車輛具有更多可控自由度，各執(zhí)行器運動相對獨立，執(zhí)行器除了本職工作外亦可兼做整車閉環(huán)反饋單元，用于諸如路面附著系數(shù)、車速、車輪側偏角的實時觀測中，能減少了對額外傳感器和執(zhí)行器的依賴；線控系統(tǒng)結構破除了傳統(tǒng)系統(tǒng)間的約束，通過各大執(zhí)行器的組合優(yōu)化，便于實現(xiàn)SBW、SBB、SBD、TCS、DYC、ASR、ESP、AFS等主動安全技術的集成控制，能顯著增強極限工況下車輛穩(wěn)定性儲備裕度，從而使車輛擁有更佳的主動安全性。因此，業(yè)界亦將輪轂電車稱之為電動汽車的終極驅動形式6。（a）傳統(tǒng)集中式集中式驅動結構（b）輪轂電動汽車分布式驅動結構圖1.2 集中式驅動與

42、分布式驅動底盤結構目前，輪轂電動汽車尚處在研發(fā)中，國內(nèi)外許多高校企業(yè)都投入了大量精力，也 取得許多喜人的研究成果，但是其距離實際量產(chǎn)依舊還存在許多關鍵技術難題，其中 最為迫切的是輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性研究，其作為基礎是其他關鍵技術研究的前提， 故而更具迫切性。車輛的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員盡量舒適狀態(tài)下，車輛能遵循駕駛 員意圖行駛的能力，且當遭遇外界干擾時，車輛能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力7。操縱穩(wěn)定性主要強調(diào)車輛對側向動力控制，它是決定極限轉向等情況下車輛安全性能 的主要因素，也是車輛動力學品質最基本的保證。由于采用分布式驅動，輪轂電動汽車各執(zhí)行機構間不存在確定的機械約束，因此 整車牽引控制

43、效果依賴于各執(zhí)行機構的協(xié)調(diào)，其動力學結構形式與傳統(tǒng)汽車相差巨大。雖放寬了對控制系統(tǒng)設計的限制，卻對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。主要差異表現(xiàn)在 四輪獨立轉向、四輪獨立驅動、四輪獨立制動的輪轂電動車是過驅系統(tǒng)，需要對四個獨立驅動、獨立轉向的車輪進行轉矩分配和轉角控制，以滿足對車輛運動狀態(tài)變量2基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究（不超過6個）的跟蹤，即執(zhí)行器輸出變量與被控狀態(tài)變量之間是映射關系不唯一，系統(tǒng)自由度高度冗余；同時，傳統(tǒng)汽車上的圍繞著特定控制目標設計的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)相對封閉獨立，當多個子系統(tǒng)同時作用時，由于車輛的耦合特性，控制目標間普遍存在沖突與干擾，從而難以通過傳統(tǒng)汽

44、車平臺遷移實現(xiàn)輪轂電動車穩(wěn)定性控制。理論上，輪轂電動汽車雖然相對于傳統(tǒng)汽車有巨大優(yōu)勢，但實際由于輪轂電動汽車的相關研究與傳統(tǒng)汽車的研究問題完全不同，因此，必須研究新的理論來支撐輪轂電動汽車操縱穩(wěn)定性研究。本課題在國家自然科學基金和深圳市基礎研究資助下，為上述輪轂電動汽車關鍵技術研究開展做了基礎性探索，包括設計建立實車試驗平臺， 進行整車復雜非線性耦合動力學仿真平臺建模，圍繞著4WIS、4WID輪轂電動汽車， 以整車動力學控制為理論基礎，以工程應用為出發(fā)點，探討了多約束下的分配控制問題，基于全輪主動轉向與轉矩分配集成控制，進行輪轂電動汽車操縱穩(wěn)定性和控制策略研究。1.2 線控輪轂電動汽車研究概況

45、分布式驅動的輪轂電動汽車在穩(wěn)定性、舒適性和節(jié)能控制等方面相較于傳統(tǒng)車輛具有顯著的理論優(yōu)勢，因此國內(nèi)外針對分布式驅動電動汽車進行了大量的系統(tǒng)研究和實驗車輛開發(fā)，為其動力學系統(tǒng)研究提供了試驗平臺。最早的輪轂電機驅動電動車源于保時捷的大膽設想，采用兩個內(nèi)置于前輪的電機 直接驅動汽車8，從而擯棄了發(fā)動機和傳動系統(tǒng)。如今，輪轂電動汽車在電子穩(wěn)定控制、系統(tǒng)集成等方面有了長足進步。針對不同應用需求，日本慶應義塾大學分別開發(fā)了高速型、高動力型二款8輪獨立 驅動輪轂電動汽車 “Ellica”9，如圖1.3(a)，進行了一系列的牽引控制研究；三菱汽車公司則利用輪轂電機力矩獨立控制的特點進行動力學穩(wěn)定性控制，推出了

46、MIEV概念車10， 如圖1.3(b)；東京大學的Hori 教授11, 12則基于量產(chǎn)車開發(fā)了4WID的概念電動車“UOT Electric March”， 如圖1.3(c)；東京農(nóng)工大學的永井正夫教授13團隊為研究DYC與SBW 集成控制，提出了輪轂電機驅動的 NOVEL系列微型車技術解決方案；通用公司14先后研發(fā)了輪轂電機后驅輕型概念車Hy-wire和氫燃料輪轂電動汽車Seque，如圖1.3(d)；美國俄亥俄州立大學15基于沙灘車開發(fā)的四輪輪轂電動汽車（如圖1.3(e)），研究了驅動和再生制動模式下的力矩分配和節(jié)能控制。除了民用領域外，輪轂電動汽車在領車16, 17，南非阿姆斯域也開始得到

47、重視，通用公司開發(fā)了8x8輪轂電機驅動“悍馬”科公司對“大山貓”18（如圖1.3(f)）進行輪轂電機驅動改裝，它們極大的改善了車輛的經(jīng)濟性和動力性。此外，通過對驅動、轉向、制動、懸架在車輪單元的集成，VOLVO19和法國米其林20分別推出了提出的ACM（Autonomous Corner Module）和3基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究active wheel motor概念車輪總成。由此可見，輪轂電動汽車已被世界視為未來電動汽車領域發(fā)展的重要方向。（a）Ellica 輪轂電動汽車（b）三菱 MIEV 概念車（c）UOT Electric March（d）Seque

48、氫燃料概念車（e）Ohio State University試驗臺圖1.3 國外分布式驅動輪轂電動汽車（f）“大山貓”輪式戰(zhàn)車國內(nèi)對此也開發(fā)了相應的試驗平臺并進行了相應的穩(wěn)定性、平順性等研究。例如，同濟大學21相繼開發(fā)了春暉系列分布式驅動電動車；清華大學22, 23設計了針對個人短途工況的經(jīng)濟型微型輪轂電動汽車“哈利”；吉林大學6, 24-26為了相關集成控制方法研究，設計了全線控輪轂電動車平臺UFEV；此外，中文大學27, 28、北京理工大學7、上海交通大學29、山東大學30, 31等大學及科研單位也針對輪轂電動汽車進行了樣車開發(fā)。（a）同濟大學“春暉”三號（b）清華大學微型車“哈利”（c）

49、吉林大學UFEV試驗車（d）中文大學OK1（e）北京理工大學輪式戰(zhàn)車圖1.4 國內(nèi)分布式驅動輪轂電動汽車（f）山東大學試驗車4基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究綜上所述，雖然目前國內(nèi)外不少機構針對輪轂電動汽車提出了一些產(chǎn)品級解決方案，但是實際上這種汽車的結構極其復雜，迫于安全、穩(wěn)定、可靠性的原因，現(xiàn)階段還遠遠達不到的民用化水平。相比之下，我國對于四輪驅動輪轂電動汽車研究與國外存在著較大的技術差距，總體上還處于起步階段。因此，要充分發(fā)揮分布式輪轂電動車的驅動結構優(yōu)勢，還需在穩(wěn)定性、節(jié)能控制等方面開展細致、深入、系統(tǒng)的理論研究和實踐探索，這將對輪轂電動汽車穩(wěn)定性電控系統(tǒng)產(chǎn)生深

50、遠影響。1.3 課題相關研究內(nèi)容概述1.3.1 輪轂電汽車仿真平臺建模研究概況車輛系統(tǒng)是各構件通過各種約束形成的剛柔混合多體系統(tǒng)。車輛動力學建模研究 始于 19 世紀 50 年代32, 33，普遍將車輛模型進行線性化處理，最具代表性的是線性二自由度單軌模型。該模型建立在輪胎側偏特性線性基礎上，故僅適用于低速線性工況， 應用范圍較窄。為了開展非線性仿真控制研究，主要表現(xiàn)在對輪胎線性側偏特性進行 了非線性改造。然而，此種模型未能考慮到車輛因俯仰、側傾等運動造成的軸荷轉移， 故而也不能用于極限臨界工況的穩(wěn)定系控制系統(tǒng)開發(fā)中。目前，針對車輛動力學建模大致有二種手段：（1）求解描述車輛運動微分方程， 著

51、重從運動機理上進行建模，典型軟件有 Simulink 和 Mathcad。（2）通過多體系統(tǒng)動力學進行動力解析，將動態(tài)系統(tǒng)看作有鉸鏈和內(nèi)力鏈接的剛體，代表仿真軟件有Adams/Car、DADS、RecurDyn、CarSim。此類模型以豐富的試驗數(shù)據(jù)為基礎，能有效地降低開發(fā)周期和成本，但在定性理論研究方面存在不足。在國外，較為具有代表性的多自由度動力學模型，以 D.J.Segal34建立的十五自由度模型，和美國密西根大學交通研究中心35 的十七自由度模型為代表。國在內(nèi)，吉林大學動態(tài)模擬國家重點實驗室36基于 Unit Tire 建立的十二自由度汽車模型，是目前國內(nèi)乃至國際權威的汽車模型之一。其

52、后，雷雨成37、王博38基于傳統(tǒng)汽車改造基礎上對車輛模型自由度進行了拓展。針對輪轂電動汽車，日本東京大學39和東京農(nóng)工大學40則均采用了七自由度4WID 車輛模型； 楊福廣40 、宗長富等42 基于車輛穩(wěn)定性控制需求， 建立了4WID/4WIS 車輛模型，但是上述模型均未考慮車輛的垂向運動。實際上，輪轂電機安裝使整車簧下質量增加明顯，會惡化汽車平順性和動力響應品質，此時簧下質量的垂向運動對整車動力學品質的影響將是顯著的。主要表現(xiàn)為沉重的轉向負載，會影響到轉向角的動態(tài)品質，從而影響車輛的響應特性。此外，一般學模型多是根據(jù)研究的需要側重于車輛的某些性能而建立的，多是基于傳統(tǒng)汽車，動力源普遍簡化扭矩

53、特性曲線7, 43, 44或者功率 map 圖25, 45形式，這種簡化等效模型固然能降低仿真計算量，同時也剔除執(zhí)行器的動態(tài)響應特性。采用了電機5基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究驅動、轉向技術使得車輛對動力系統(tǒng)響應更加敏感，各自由度之間的耦合作用也更加強烈。這種僅考慮執(zhí)行器靜態(tài)約束的簡化模型在實際中可能存在較大的偏差，例如電機的轉矩波動對輪胎縱向力影響較大，不單影響車輛平順性，而且在極限輪胎力下易誘發(fā)車輛失穩(wěn)。目前的車輛建模研究對述分析尚不夠充分，因此建立高冗余過驅系統(tǒng)動力學模型能為獨立驅動模型領域作了一些必要的有益的工作。考慮到后期拓展研究，文建立考慮車輛垂向運動和執(zhí)

54、行器動態(tài)響應特性的 19 自由度非線性耦合車輛動力學模型。1.3.2 汽車操縱穩(wěn)定性控制基礎理論概況車輛穩(wěn)定性主要強調(diào)對車輛側向動力學特性的控制。事實上，側向動力學是一個異常復雜的非線性問題，目前尚無任何技術能夠實現(xiàn)對側向力的直接控制，這是困擾車輛穩(wěn)定性研究的核心問題。幸而，車輛輪胎動力學的內(nèi)在耦合特性，使得側向力學特性與縱、垂向動力學之間存在相互作用。因此，車輛穩(wěn)定性控制的實質上是通過對輪胎垂向力、縱向力的合理控制，從而影響側偏力，使車輛狀態(tài)遠離失穩(wěn)邊界，從而提升車輛穩(wěn)定性裕度。目前，該類控制方法相應分為三類：主動轉向控制（AWS）、側傾剛度控制(RSC)和直接橫擺力矩控制(DYC)，其有效

55、作用域如圖 1.5 所示。圖1.5 車輛穩(wěn)定性控制方法有效作用域AWS 作用于輪胎側偏特性線性區(qū)，在非線性區(qū)的效果不明顯；由于受到輪胎非線性飽和因素影響，其單獨控制效果無法得到本質上的提升。RSC 主要利用輪胎側偏剛度與垂向力的耦合關系，通過調(diào)節(jié)懸架側傾剛度產(chǎn)生期望側傾力矩來提高操縱穩(wěn)定 性；該類方法嚴重依賴于主動或半主動懸架技術（ASS），在載荷轉移明顯時才具有效果4。總體上適用工況較窄，應用較少。DYC 利用輪胎縱向力和側偏力間的非線性耦合關系，通過驅動或制動使各輪產(chǎn)生縱向滑移率差，從而產(chǎn)生作用于車輛的橫擺力矩，理論上適用于一切車輛的穩(wěn)定性控制。得益于 DYC 控制在位姿調(diào)整的上的顯著效果

56、，該類控制方法在車身穩(wěn)定性系統(tǒng)（ESP、VSC）得到了良好的運用，主要用于在極限工況介入提升整車安全性，逐漸成為目前車輛上主流穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。6基于線控全輪轉向驅動協(xié)調(diào)的輪轂電動汽車操控穩(wěn)定性控制研究傳統(tǒng)的 DYC 是通過限滑差速器實現(xiàn)，結構較為復雜，相比下四輪獨立的輪轂電動汽車的系統(tǒng)結構則具有更佳的硬件基礎：電機扭矩的響應直接輸出快，扭矩的大小很精確；電機扭矩獨立可控，且易于測量。利用這兩個優(yōu)點，就可以通過獨立控制電機扭矩的方式產(chǎn)生縱向力差，從而改變作用在汽車上的橫擺力矩。因此，選擇 DYC 控制來解決線控輪轂電動汽車的操作穩(wěn)定性問題是較為理想的選擇。1.3.3 轉矩和轉角協(xié)調(diào)控制研究概況轉

57、矩和轉角協(xié)調(diào)控制問題在傳統(tǒng)汽車是極少被關注的問題，主要是因為傳統(tǒng)汽車并不具有主動轉向的能力。由于差速器的等扭矩分配和轉向梯形的約束作用，驅動系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)分別負責驅動和轉向，各大子系統(tǒng)功能結構清晰，不存在相互干擾。由上述的車輛穩(wěn)定性控制理論可知，主動轉向 AWS 和 DYC 都能產(chǎn)生附加橫擺力矩，從而使車輛具有轉向運動趨勢。這種差動助力轉向效應和附加橫擺力矩，對車輛的穩(wěn)定性和轉向特性都有較大影響。此時，輪轂電機拖動的車輪不僅是驅動系統(tǒng)的執(zhí)行器， 更是轉向系統(tǒng)的重要組成部分，造成系統(tǒng)的結構屬性模糊。此外，輪轂電動汽車的非線性耦合作用導致基本不可能通過對二者單獨控制實現(xiàn)對理想狀態(tài)的追蹤。當然，傳統(tǒng)的 DYC 未直接利用輪胎側偏力學特性，橫擺力矩控制不符合轉向運動 的基本機理，因