分布式電驅(qū)動汽車主動轉(zhuǎn)向與復(fù)合制動集成控制研究.pdf

1、近年來，由于石油燃料危機(jī)和越來越嚴(yán)格的車輛排放與安全標(biāo)準(zhǔn)，車輛電動化即新能源汽車的研發(fā)正逐步成為全球汽車工業(yè)研發(fā)的焦點(diǎn)。然而，這對已經(jīng)建立成熟體系的傳統(tǒng)汽車技術(shù)，如動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置、底盤的設(shè)計(jì)與布置以及車輛動力學(xué)與控制，提出了巨大的挑戰(zhàn)并迫切需求革命性替代產(chǎn)品的出現(xiàn)。不可避免的，電池和電機(jī)控制以及能量管理系統(tǒng)的開發(fā)和研究受到了大量的關(guān)注，然而針對車輛電動化所帶來的對車輛動力學(xué)的沖擊的研究卻鮮有報道。例如，以目前的技術(shù)，電池仍然是車輛

2、部件中較重的一部分，這往往會帶來簧載質(zhì)量、慣量的增加甚至質(zhì)心高度的升高，造成車輛穩(wěn)定性惡化。即使保證了車輛的行駛穩(wěn)定性，仍然存在著節(jié)能和提高系統(tǒng)效率的挑戰(zhàn)，因此基于新能源汽車進(jìn)行車輛穩(wěn)定性與節(jié)能性的集成控制是亟需解決的新的研究課題。電機(jī)是聯(lián)系電動汽車節(jié)能性與車輛動力學(xué)特性的關(guān)鍵部件，但受其外特性和SoC（荷電狀態(tài)）的影響，單獨(dú)電機(jī)制動產(chǎn)生的最大制動力矩往往無法滿足一些強(qiáng)制動工況的需求，故其制動系統(tǒng)常采用電制動與液壓制動的復(fù)合制動方式。復(fù)

3、合制動的出現(xiàn)使得滑移率控制(WSC)產(chǎn)生了更加復(fù)雜的作用機(jī)理，這個過程存在如何進(jìn)行電液扭矩分配以及如何處理制動能量回收與輪胎非線性動力學(xué)之間耦合的難點(diǎn)問題，而基于電液復(fù)合制動的WSC又是實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定性節(jié)與能性控制的關(guān)鍵所在。
　　鑒于此，本文以裝備有主動前輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向(AIFS)系統(tǒng)和電液復(fù)合制動系統(tǒng)的分布式電動驅(qū)動汽車為研究對象，注重電動汽車與燃油汽車在車輛動力學(xué)集成控制方面的區(qū)別，考慮基于電液復(fù)合制動的滑移率控制對ABS、ESP

4、等的沖擊，發(fā)揮四輪獨(dú)立制動和前輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢，結(jié)合復(fù)合制動所具備的車輛穩(wěn)定性控制和制動能量回收兩方面的特點(diǎn)，基于分層控制結(jié)構(gòu)，利用先進(jìn)控制分配理論技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛的綜合穩(wěn)定性和節(jié)能性控制。主要研究工作如下:
　　(1)車輛動力學(xué)模型建立與驗(yàn)證，首先建立了主動前輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與電液復(fù)合制動子系統(tǒng)模型。其中，AIFS子系統(tǒng)模型包含用于分析懸架特性與整車性能的多體動力學(xué)模型和用于車輛穩(wěn)定性控制的數(shù)學(xué)模型，復(fù)合制動子系統(tǒng)模型包含對時間延

5、遲的pade近似處理以及離散狀態(tài)方程模型;然后建立了用于驗(yàn)證控制器效果的車體動力學(xué)模型和輪胎模型;最后，分別應(yīng)用車輛動力學(xué)商業(yè)軟件ADAMS/Car和Carsim對模型精度進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(2)車輛動力學(xué)控制是建立在對車輛運(yùn)動狀態(tài)、行駛環(huán)境、路面與輪胎附著狀態(tài)等精確判斷的基礎(chǔ)上，本文基于卡爾曼濾波算法研究了車輛質(zhì)心側(cè)偏角、車身側(cè)傾角、車身側(cè)傾角速度等車輛狀態(tài)的估計(jì)，并應(yīng)用姿態(tài)方位組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，對車輛狀態(tài)估計(jì)效果進(jìn)行

6、了驗(yàn)證。同時研究了基于滑模觀測器的輪胎縱向力觀測方法。
　　(3)針對新近被提出的AIFS系統(tǒng)，本文創(chuàng)新性地從多體動力學(xué)角度分析了AIFS的安裝對懸架特性和整車操縱穩(wěn)定性的沖擊，為車輛穩(wěn)定性控制提供了指導(dǎo);然后設(shè)計(jì)了對參數(shù)擾動魯棒性較好的滑模控制器和基于規(guī)則的轉(zhuǎn)角分配算法，對車輛進(jìn)行穩(wěn)定性控制;最后，針對基于規(guī)則的轉(zhuǎn)角分配算法無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)分配的問題，提出一種基于控制分配的AIFS轉(zhuǎn)角分配算法，并通過數(shù)值仿真對其控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

7、
　　(4)目前電液扭矩分配的研究主要集中于對電液力矩的開環(huán)規(guī)劃，但這會使實(shí)際復(fù)合后的力矩與期望值之間存有偏差，故提出一種基于預(yù)測動態(tài)控制分配的電液扭矩分配方法;針對變路面條件下的最優(yōu)滑移率復(fù)雜多變的特點(diǎn)，提出一種基于滑模極值搜索算法的滑移率控制方法，并推導(dǎo)了極值搜索算法的滑?？蛇_(dá)條件。基于以上所提出的控制分配方法和極值搜索算法，首先在復(fù)雜直線制動工況下進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過對比靜態(tài)控制分配（即開環(huán)規(guī)劃法）和動態(tài)控制分配的電液扭矩分

8、配效果，所提控制分配方法實(shí)現(xiàn)了更好的復(fù)合效果;然后，針對轉(zhuǎn)彎制動工況，從滑移率與輪胎縱橫向耦合動力學(xué)角度，提出AFS補(bǔ)償法和滑移率控制律修正法來提高車輛側(cè)向穩(wěn)定性，并通過數(shù)值仿真對控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(5)以實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定性和節(jié)能性為目標(biāo)，提出一種AIFS與復(fù)合制動的集成控制策略。首先，規(guī)劃了集成控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，利用對車輛側(cè)傾動力學(xué)和橫擺動力學(xué)的相平面分析，設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)控制規(guī)則;其次，闡述了基于嵌入式凸優(yōu)化工具CVXGEN的

9、快速預(yù)測動態(tài)控制分配的求解器生成與編譯流程;然后，重點(diǎn)研究了分層集成控制策略，協(xié)調(diào)層依據(jù)所設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)規(guī)則變換不同的控制模式，上層控制器基于駕駛員意圖識別和車輛狀態(tài)估計(jì)得到車輛穩(wěn)定性控制所補(bǔ)償?shù)膹V義力，中層控制分配器將上層控制器得到的廣義力在前輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向和四輪復(fù)合制動之間進(jìn)行分配，并將滑移率控制閉環(huán)引入中層控制分配模塊，同時考慮執(zhí)行器的幅值和速率約束。在下層執(zhí)行器中，采用預(yù)測動態(tài)控制分配方法將得到的輪胎制動力在電機(jī)與液壓執(zhí)行器之間進(jìn)行分配