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原文传递分布式轮毂电机电动汽车电子差速控制系统研究

论文题名：	分布式轮毂电机电动汽车电子差速控制系统研究
关键词：	电动汽车;轮毂电机;永磁无刷直流电机;电子差速;模糊控制
摘要：	全球范围内，能源相关碳排放量的五分之一来源于公路运输。以本世纪中叶前后实现碳中和为共同目标，各国大力发展纯电动汽车。其中，轮毂电机电动汽车将电机和车轮集成在一起直接为车轮提供驱动转矩，省去了传统燃油汽车差速器等传动装置，大大提高了传动效率。也正是由于对传统车辆机械差速器的省略，取而代之的驱动轮之间的电子差速成为影响轮毂电机电动汽车转向时操纵稳定性和行驶安全性的关键因素。因此，有必要对轮毂电机电动汽车电子差速控制系统进行研究。目前依据阿克曼转向模型制定的基于驱动轮转速控制的电子差速控制策略仅对驱动轮进行转速约束，没有考虑动态性能，不适用于高速行驶工况。本文以前轮转向、后轮独立驱动的轮毂电机电动汽车为研究对象，基于驱动轮转矩控制，从提高车辆转向操纵稳定性的角度出发，提出一种以质心侧偏角和横摆角速度为控制目标的电子差速控制系统，本文主要研究内容如下。　　（1）轮毂电机及其控制系统的建模与仿真分析。通过对比研究各类电机特性，确定永磁无刷直流电机（BrushlessDCMotor,BLDCM）作为电动汽车的轮毂电机，并采用直接驱动的形式驱动电动汽车。基于模糊PID控制设计转速-电流双闭环电机控制系统，并搭建模型进行仿真分析。结果表明：在模糊PID控制器控制作用下，电机的转速、转矩响应快，鲁棒性强，控制效果良好。　　（2）车辆系统动力学及其相关模型的建模。在分析车辆系统动力学的基础上，建立了包括纵向、横向、横摆、侧倾以及四个车轮转动的八自由度整车模型。充分考虑到轮胎在实际运行中的特性，建立“魔术公式”轮胎模型，并建立线性二自由度车辆模型作为实际车辆运行的参考对象，为电子差速控制系统提供理想的质心侧偏角和横摆角速度。　　（3）车辆关键状态参数估计。考虑到车辆运行过程中有些关键状态参数无法通过传感器直接测量得到，设计了基于从动轮轮速的纵向速度估计、基于线性二自由度车辆模型的前后轴侧偏刚度估计、基于线性扩张状态观测器（ExpansionStateObserver,ESO）的车辆质心侧偏角估计以及基于扩展卡尔曼滤波（ExtendedKalmanFilter,EKF）算法的路面附着系数估计。　　（4）设计两种电子差速控制器。基于滑模控制和模糊控制，以实际质心侧偏角和横摆角速度实时跟踪由线性二自由度求解得到的理想值为控制目标，设计了两种附加横摆力矩求解器。依据驱动车轮的滑转率不能过大的原则，将车辆运动过程所需要的总期望驱动力矩合理分配至两侧驱动车轮。在双移线和正弦车辆转角输入工况下进行了低速和高速加速行驶仿真研究，验证了总驱动力矩平均分配、基于模糊控制和基于滑模控制差动分配三种电子差速控制策略的控制效果。　　（5）电子差速控制系统仿真结果分析。基于滑模控制设计的电子差速控制器综合控制效果最好，在各种工况下均保持优良的差速性能。基于模糊控制设计的电子差速控制系统在高速行驶工况下电子差速性能有一定的衰减。基于总期望转矩平均分配的电子差速控制系统的差速控制效果不如另外两种电子差速控制系统。　　本文所设计的两种电子差速控制系统均能实现对理想质心侧偏角和横摆角速度的跟踪，在实现车辆差速行驶的同时，能够有效地提高车辆操纵稳定性，进一步保证车辆行驶安全性。
作者：	李毫
专业：	机械工程
导师：	范小彬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2022