分布式驱动电动汽车横摆稳定性控制策略研究

作     者：李宇昊 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵又群

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：分布式驱动 横摆稳定性 主动前轮转向 终端滑模 直接横摆力矩控制 Popov超稳定性 协调控制 

摘      要：汽车失稳引起的重大交通事会造成巨大的经济损失和人员伤亡,对汽车的横摆稳定性进行分析和研究,可以提高汽车的操纵稳定性并减少事故的发生。与此同时,动力、传动和制动装置都整合到轮毂内的轮毂电机电动轮,为汽车的分布式电驱动和稳定性控制提供了有利条件。本文选择分布式驱动电动汽车作为研究对象,以提高分布式驱动电动汽车的行驶稳定性为目标,通过理论分析和仿真验证对横摆稳定性控制策略进行深入研究,研究结果可为分布式驱动电动汽车的横摆稳定性控制提供理论参考和工程借鉴。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)对分布式驱动电动汽车动力学建模与行驶稳定性相图进行了研究。针对分布式驱动电动汽车,对Car Sim软件中的车辆传动系统进行修改,在Simulink中搭建轮毂电机模型模拟分布式电驱动,建立分布式驱动电动汽车整车模型。建立非线性四轮二自由度模型,求解动力学微分方程得到质心侧偏角-质心侧偏角速度相图。分别研究了前轮转角、行驶速度和路面附着系数对相平面图稳定域的影响方式,并使用Matlab拟合工具箱进行参数拟合。(2)基于积分型终端滑模的主动前轮转向控制器设计。本文采取人-车-路闭环的方法,对所提出的稳定性控制策略进行验证。考虑到驾驶员在实际驾驶过程中具备一定的轨迹预测能力,建立基于轨迹预测的驾驶员路径跟踪模型。建立线控转向执行机构模型,基于积分型终端滑模方法设计主动前轮转向控制器以提高分布式驱动电动汽车的横摆稳定性,对该控制器的有限时间收敛性进行证明。在Car Sim/Simulink联合仿真平台中对基于积分型终端滑模的主动前轮转向控制器进行仿真验证。结果表明,所提出的主动前轮转向控制策略能改善分布式驱动电动汽车在低附路面下的横摆稳定性。(3)分布式驱动电动汽车直接横摆力矩稳定性控制器设计。由于主动前轮转向技术在汽车严重失稳时控制效果有限,因此本文设计了分布式驱动电动汽车直接横摆力矩稳定性控制器以应对较为极端的行驶工况。采用分层式控制策略,上层为基于Popov超稳定性的模型参考自适应横摆力矩控制器,通过求解Popov积分不等式得到自适应的前馈及反馈增益,具有计算负荷小,自适应性强等优势,同时能保证控制器的超稳定性要求。下层为基于二次规划的转矩分配控制器,以轮胎利用率最优为目标来分配各轮胎的驱动转矩,得到保障分布式驱动电动汽车稳定行驶所需的四轮转矩值。在Car Sim/Simulink联合仿真平台中,选择较为极端的鱼钩工况进行仿真验证。(4)分布式驱动电动汽车主动前轮转向与直接横摆力矩的稳定性协调控制器设计。对分布式驱动电动汽车的质心侧偏角-质心侧偏角速度稳定性相图进行分析,并在此基础上设计主动前轮转向与直接横摆力矩控制的稳定性协调控制器。为保证主动前轮转向与直接横摆力矩控制之间的平滑切换,基于质心侧偏角-质心侧偏角速度相图建立协调控制器的协调函数。基于Car Sim/Simulink联合仿真平台,对所设计的分布式驱动电动汽车稳定性协调控制策略进行仿真验证。设置不同的车速和路面附着系数,进行双移线工况和蛇形工况的仿真试验。仿真结果表明,本文所提出的分布式驱动电动汽车稳定性协调控制策略具有很好的的横摆稳定性控制效果,能有效防止汽车失稳以避免事故的发生。