电动车辆高性能运动控制研究新能源专业.doc

论文题目： 电动车辆高性能运动控制研究 摘要：随着我国经济持续高速发展,轿车将成为我国居民消费的重要商品,轿车进入家庭已是不争的事实。中国汽车工业面临一个快速发展的机遇。近年来，我国汽车年产量和保有量迅速增长。由此而带来的对石油需求的激增和对环保的负面影响日益严重。与此同时，汽车交通事故的激增，使得交通安全成为一个严重的社会问题。据统计，在我国由于运行状态失控而造成的汽车交通事故每年造成近20亿元的直接经济损失，导致46万人受伤，近10万人死亡。单就每年的死亡人数而言，大约相当于美军整个越南战争死亡人数的两倍。由此可见，环境友好型和通行安全型的车辆驱动控制研究正在成为控制理论应用研究的热点。 关键词：电动汽车；运动控制；高性能 ABSTRACT：To sum up, the automotive electronic stability program (BSP) enables the automobile to eliminate unstable driving factors and restore and maintain the predetermined driving state of the automobile when the automobile has an unstable driving trend. ESP system not only improves the stability of the car on dry roads, but also works when the road surface adhesion is relatively poor, such as icing, wet skid, gravel, etc. Under the above unfavorable conditions, the adhesion between the wheels and the road surface is reduced, and even the best driver can hardly keep the high-speed car on the predetermined route. The car is prone to sideslip and deviation, losing directional stability, and even a rollover accident occurs during sharp turns, which requires BSP system. Therefore, how to improve the driving safety of automobiles is one of the important topics in modern automobile research. Key words：Electric vehicles; Motion control; High performance 目录 1 绪 论 1 2 四轮驱动电动汽车的运动模型 1 2.1三自由度的汽车动力学整车仿真模型的建立 1 2.2轮胎模型 2 3 控制器仿真结果 3 4 结 论 4 参考文献 4 iii 1 绪 论 电动汽车不仅对能源安全和环保有重要意义，而且它集机械、电气、电子、数字、信息和智能技术于一体，集成了现代高新技术。为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业竞争力，力争实现我国汽车工业的跨越式发展，科技部在“十五”国家科技计划中设立电动汽车重大专项，从发展我国汽车产业的战略高度，选择新一代电动汽车技术作为创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，联合攻关口。 道路交通条件的改善以及汽车技术的进步使得现代汽车的行驶车速极大提高，然而安全事故也由此而生。据统计,车速在80km/h到100km/h之间行驶的汽车发生的交通事故中，大约40%是与汽车侧向失稳有关。车速越高，由于汽车失稳引发的交通事故的比例越大，当车速超过160km/时，几乎每一起事故都是由于侧向失稳而造成的。 2 四轮驱动电动汽车的运动模型 2.1三自由度的汽车动力学整车仿真模型的建立 在国内外现有的整车动力学的仿真设计中，有按照牛顿力学建立的模型，有按照拉格朗日第一或第二方程建立的模型，还有按照多刚体动力学方法建立的模型。其中，按照牛顿力学建立的模型最为多见，对于比较完善的模型而言，各种力学原理有所交叉。 国内，郭孔辉院士建立了比较完善的12自由度整车动力学模型，用于汽车在转弯驱动/制动输入下汽车的动态响应仿真研究。这12个自由度分别为：整车纵向、横向运动、四轮转动、车身俯仰、横摆、侧倾运动、车身垂向与左右轮的转向。该模型分别涉及地面、车身坐标系，并引进轮胎在稳态纵滑侧偏联合情况下的半经验模型，将汽车的内外受力比较全面地进行考虑。这个模型的另一个特点是对汽车运动学关系和力学特性进行结合，包括考虑了前轮定位参数、汽车转向系统的运动与力学特性，从而提供了仿真精度。缺点是模型比较复杂，一些参数的获取在现实中比较难，比如轮胎模型，输入参数达149个，给实际运用带来不少困难。 国外汽车专家也建立了不少整车模型，韩国Sung Kyun Kwan University的研究学者Suh，MLw等人的半实物仿真中所建的九自由度模型模拟转弯制动，其中忽略了车身的俯仰和侧倾运动，悬挂质量与非悬挂质量也没有相对运动。此模型不仅简单，而且仿真速度快，能满足实时仿真的要求。 实际汽车是一个复杂的多体系统，简单的模型不能全面地描述汽车的各种运动特征，也不能细致地分析汽车的质量、结构、弹性及阻尼特性对车辆输入输出关系的影响和对汽车内部反馈作用的影响。例如，如果把汽车看作由一个车身与四个车轮组成，每个部分有空间六个自由度，就共有30个自由度。然而汽车不仅是五个刚体组成的系统，它还包括其他特性，如轮胎有侧偏特性，定位参数的影响，非稳态特性：转向系统里有力输入，角输入特性：悬架机构又有其几何关系的非线性，以及汽车空气动力学特性等。在实际建模的过程中，可以忽略与研究工作无关的一些自由度和特性，根据需要选取合适的自由度进行多自由度非线性汽车模型的建立。 本文将采用Mat lab/simulink建立汽车的3自由度汽车动力学整车和各种车轮的仿真模型。 2.2轮胎模型 除空气作用力和重力外，几乎所有其它影响车辆运动的力和力矩都通过滚动的轮胎与地面相互作用而产生。对于行驶中的车辆而言，在轮胎和路面之间的接地印迹上产生的轮胎力和力矩对研究其动力学行为(操纵稳定性、行驶平顺性及制动安全性)是至关重要的。因此，建立精确的轮胎模型来模拟实际驾驶条件下车辆动作进而进行分析和仿真成了必然。但是，由于轮胎在行驶过程中的受力非常复杂(根据路面性质、车速、垂直载荷、摩擦产生的温度以及轮胎的形式等因素的变化而不同)，因此轮胎模型的建立一直是国内外学者研究讨论的重点和难点。 目前轮胎稳态特性的研究已经基本趋于成熟，非稳态特性的研究也有了显著的进展，而且还出现了以神经网络轮胎模型为代表的自适应轮胎模型和基于计算机的轮胎模型。它主要分为理论模型、经验模型和自适应模型三大类。 本文选取的轮胎模型为荷兰Delfe大学的H. B. Pace jkai创建的“Magic Formula”魔术轮胎模型。此模型考虑了轮胎的纵向力和侧向力的联合作用以及相互影响，与假设的纯理论模型相对，“MagicFormula”为半经验公式，它用一个通对大量的轮胎力特性的实验数据进行回归分析，而得到的三角函数公式来与轮胎试验数据相吻合，完全能够表达不同驱动情况时的轮胎特性，较之纯理论模型更为准确可信，任何测得的轮胎参数曲线都可以通过它调整系数设置来与之匹配,，很多学者甚至把它作为一个范式来和其他轮胎模型进行比较分析。普遍使用的Magic Formula轮胎模型具有下面的形式: y= Dsin{Cactan[Bx- E(Bx- arctan Bs)]} Y(X)=y(x)+Sv x=X+Sh, 式中:Y-输出变量纵向力E:或侧向力Fy: x-输入变量侧a或纵向滑移2: B-刚度因子: C-形状因子: D-峰值因子: E-曲率因子:Sh、Sv，-水平、垂直偏移(考虑轮胎有初始侧偏角时的原点偏移)。Magic formula 轮胎经验模型yx)产生一条通过原点的典型曲线达到最大值，随后趋近于一条水平渐近线。若系数B、C、D和E的值已给定，则曲线将表现出关F原点不对称的形状。偏移Sv、Sh可能出现，由于帘布层转向、侧偏力作用或滚动阻力引起,导致,Fy和Fx;曲线不能通过原点。这个公式所产生的曲线与实际测得的侧向加Fy和纵向力Fx的测量曲线密切地匹配回。 3 控制器仿真结果 汽车在不同速度和不同的路面情况下，转向动作相对于方向盘的输入会有不同的延时。这样可以导致过度转向和不足转向。在上面所设计的控制器的作用下，汽车的四个车轮的驱动或制动力被控制器计算出来分配到各个车轮上去，这使得汽车的转向可以快速精确的跟随转把的输入，保证汽车的一体感。 进行仿真前，首先准备了模拟驾驶员操作方向盘的模拟程序，设置转向角为90度。汽车转向姿态跟踪正常时，应该能够准确是车辆转角90度，当存在转向动作滞后时会出现超调并有震荡。 4 结 论 综上所述，汽车电子稳定系统BSP (Electronic Stability Program)在汽车出现不稳定行驶趋势时，使汽车消除不稳定行驶因素，回复并保持汽车预定的行驶状态。ESP系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要BSP系统。因此如何提高汽车行驶安全性是现代汽车研究的重要课题之一。 近年来，电动汽车的驱动系统被不断的革新改进。为了能够得到更好的操纵安定性，侧向稳定性和更强的驱动马力，很多电动汽车采用四轮完全制动或者驱动的模式。除此之外，传统的汽车底盘结构也得到了变革。例如，直接把电动马达安装在电动汽车的车轮里面，而不使用主变速箱，传动轴和差分器等零件总成，就可以直接驱动电动车。这种马达被称为轮毂电机( In-Wheel Motor)。可以相互独立的控制这些电动马达来完成电动车的制动或者驱动1。考虑到电机在控制性能方面的优势。 参考文献 [1]崔萍.电动汽车重大专项研究[J].汽车工程，2016（02）：23-25. [2]郑水波.汽车稳定性控制[J].自动化博览，2017（4）：22-28. [3]韩正之.轮胎模型研究分析[J].农业装备，2016（7）：98-99. [4]韩建保.电控车辆稳定系统ESP明显降低轿车事故率[J].汽车电子，2017（11）：45-48. [5]王玲珑.电动汽车驱动系统发展综述[J].北京汽车，2017（14）：34-42. [6]严峻.电动汽车操纵稳定性控制的分析研究[J].交通管理，2018（3）：61-63. 7