（车辆工程专业论文）四轮驱动电动汽车关键技术研究.pdf

内容摘要 内容摘要 本文围绕国家科技部8 6 3 电动汽车重大专项“燃料电池汽车”子课题“四轮 驱动关键技术研究”，以轮毂电机四轮独立驱动电动汽车为对象研究了驱动防滑控 制、线控转向技术、4 w d 4 w s 整车综合控制策略：研制了电动汽车性能测试硬件 在回路仿真实验台架及控制系统，完成了驱动防滑控制策略硬件在回路仿真实验： 将线控转向技术应用于春晖三号线控转向4 w d 电动汽车，并完成了实车测试；提 出了基于双横臂悬架的线控四轮独立转向四轮独立驱动电动汽车整车设计方案。 本文的主要结论是： l 。电动汽车硬件在回路仿真测试环境，用电惯量取代常规的诸如飞轮的机械 惯量以模拟车辆的纵向惯量；用轮毂轴耦合测功计和轮胎模型代替常规的转毂和 轮胎以模拟路面状况。它能够在实车路试前对系统的动态性能及安全性问题进行 充分的试验和评估。 2 模型跟踪控制和二自由度转速控制只根据电机转速和输出力矩信息即可以 有效地抑制车轮打滑。 3 线控转向电动汽车利用方向盘转角以及电机转矩信息可完成电动汽车的转 向操纵和路感信息的反馈。 4 综合运用二自由度转速闭环控制与四轮转向控制的4 w d 4 w s 整车综合控 制策略可有效地避免车轮打滑，提高车辆的操纵稳定性。 5 基于双横臂悬架的线控四轮独立转向电动汽车可实现绕任一点的转动和任 一方向的平移。 关键词：电动汽车，四轮驱动，四轮转向，驱动防滑，线控转向，硬件在回路仿 真 垦堑奎耋篁圭堡堂塑垄重 a b s t r a c t t h i s p a p e re n c l o s e s “k e yt e c h n o l o g y r e s e a r c ho ff o u rw h e e ld r i v e e l e c t r i c v e h i c i e ( e v ) ”，af u e lc e l lc a rs u b p r o j e c to f n a t i o n a l8 6 3s p e c i a le v p r o g r a m w i t ht h e g o a lo fi n w h e e lm o t o r f o u rw h e e ld r i v eev ，w er e s e a r c ho nd r i v ea n t i - s l i pc o n t r o l 、 s t e e r i n g b y w i r et e c h n o l o g y , 4 w d 4 w se n t i r ec a r c o m p r e h e n s i v ec o n t r o ls t r a t e g y ； d e v e l o ph a r d w a r e - i n - t h e - l o o p t e s tb e n c ha n dc o n t r o l s y s t e m ；a c c o m p l i s h d r i v e a n t i s l i pc o n t r o ls t r a t e g yh a r d w a r e i n - t h e l o o pt e s t ；a p p l ys t e e r i n gb y w i r et e c h n o l o g y t os p r i n gn o 3s t e e r i n gb y w i r ee l e c t r i cv e h i c l ea n da c c o m p l i s he n t i r ec a r t e s t ；p r o p o s e e n t i r ec a r d e s i g np r o j e c tb a s i n g o nd o u b l ew i s h b o n e s u s p e n s i o n w i t hf o u rw h e e l s t e e r i n g b yw i r ei n d e p e n d e n c y a n df o u rw h e e ld r i v e 。 t h i sp a p e rc o n c l u s i o na r e ： 1 h a r d w a r e i n t h e l o o pt e s te n v i r o n m e n t f o ri n w h e e l m o t o rd r i v ee l e c t r i cv e h i c l e i ti sf e a s i b l eb y u s i n g e l e c t r i ci n e r t i ai n s t e a do fm e c h a n i c a li n e r t i al i k ef l y w h e e la n d u s i n g w h e e lh u bd y n a m i c d y n a m o m e t e r a n dt i r em o d e li n s t e a do fr o l la n dt i r e i tc a n a d e q u a t e l y t e s ta n de v a l u a t ed y n a m i c p e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yo f t h ew h o l e s y s t e m p r i o rt oe x t e n s i v ei n v e h i c l eg r o u n dt e s t i n g 。 2 m o d e lf o l l o w i n gc o n t r o la n d2 - d e g r e e s p e e dc o n t r o l c a n e f f e c t i v e l ys u p p r e s st h e w h e e ls l i po n l ya c c o r d i n ga sm o t o rr o t a t i o n a ls p e e da n d o u t p u tm o m e n t 3 u s i n gs t e e r i n gw h e e la n g l ea n dm o t o rm o m e n t ，s t e e r i n g - b yw i r ee vc a na c c o m p l i s h h a n d l em a n e u v e ra n d r o a d f e e l i n gf e e d b a c k 。 44 w d 4 w se n t i r ec a rc o m p r e h e n s i v ec o n t r o ls t r a t e g yc a n e f f e c t i v e l ya v o i dt h ew h e e l s l i pa n di m p r o v eh a n d l e a b i l i t yb yu s i n gc o m p r e h e n s i v e l y2 - d e g r e es p e e dl o o p c o n t r o l a n df o u rw h e e ls t e e r i n gc o n t r 0 1 5 e vw h i c hb a s eo nd o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o nw i t hf o u rw h e e ls t e e r i n g b yw i r e i n d e p e n d e n c ya n df o u rw h e e ld r i v e ，c a nr e a l i z er o t a t ec i r c l i n ga n yp o i n ta n dt r a n s l a t e a l o n ga n y d i r e c t i o na k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，f o u rw h e e ld r i v e ，f o u rw h e e l s t e e r i n g ，d r i v e a n t i s k i p ， s t e e r i n g - b y - w i r e ，h a r d w a r e i n t h e l o o pt e s t i i 版权声明 未经本报告作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版 本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分 内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改变等有碍作者 著作权的商业性使用( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担 侵权的法律责任。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交报告，是在合作老师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 报告作者签名：卓挂荣 e t 期：2 0 0 4 年1 1 月1 5 日 一i i i i 。，。：。，! ! ! i ：。：，：。：，：。；：一 = = ! = = = ! ! ! j j 自_ _ _ _ e ，e j l _ _ _ _ l e # e l = ! = = = = = = = = = ! = ! ! = = = = = = ! = = = = = g = = = ! = ! ! ! ! 一 1 1 前言 1 绪论 电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动汽 车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种类型。面临熊源和环境的压力，国外 著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车，世界发达国家不惜投入巨资进行研 究开发，并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发展。 电动汽车以驱动电机为原动机，容易实现驱动形式的多样化。其中，把驱动 电机安装在轮毂上形成电动轮直接驱动车轮的四轮驱动( f o u rw h e e ld r i v e ，简称 4 w d ) 电动汽车，因其简洁的整车结构、高效传动、以及能借助微机实时控制技 术直接控制各电动轮实现转向差速和驱动防滑等突出优点，成为电动汽车发展的 一个独特方向。与内燃机汽车和一般的单电机中央驱动型电动汽车相比，以各轮 毅电机分散独立驱动为特征的4 w d 电动汽车，在底盘结构、传动效率和控制性能 等方面有其独特的技术优势，具体体现在以下几方面： 1 ) 便于应用线控技术，可省略传统汽车所需的机械式装置，驱动系统和整车 结构简洁，可利用空间大，传动效率高； 2 ) 可对各电动轮进行相同结构的模块化设计，以减少零部件种类，降低制造 成本：可最大限度地简化底盘骨架结构，增加整车底盘总布鬣和车身造型 的设计自由度，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本； 3 ) 通过合理地分配和控制各电动轮的驱动力，实现直接横摆力矩控制( d i r e c t y a w c o n t r o l 简称d y c ) ，增强行驶稳定性，提高加速极限性能及恶劣路面 条件下的行驶性能； 4 ) 能充分发挥电机精确和快速的力矩响应特性，通过对各轮毂电机的单独转 矩控制可实现整车防滑控制，防止汽车驱动打滑和制动抱死现象的发生； 5 ) 容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。 可以说，以4 w d 电动汽车为典型代表的轮毂电机驱动型电动汽车是汽车与计 算机控制、电机伺服驱动、线传控制及新能源应用等高新技术相结合的产物，集 中反映了现代汽车技术向汽车机电信息控制一体化发展的趋势，其研发和产品化 开发的过程，可以刺激和推动包括汽车和信息产业在内的诸多高新技术产业的发 塑墼查耋堡圭星堂些丝重 展，符合以信息亿带动工业化的发展方向。 1 2 国内外研究现状 1 2 ，1 四轮驱动( 4 w d ) 电动汽车研究现状 近年，计算机信息技术、电机及其数字伺服控制技术等的不断进步，为轮毂 电机驱动型电动汽车的技术开发提供了必要的技术基础和良好的发展契机。日本、 美国等工业发达国家竟褶进行了相关的研究开发砰。9 1 。 日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去 的十几年中，一直以轮毂电机型电动汽车为理想的研发目标，至今已试制了五种 不同型式的样车 i “。其中，1 9 9 1 年与东京电力共同开发的因座电动汽车i z a ，采 用了n i c d 电池动力源和四个外转子式直流无刷轮毂电机驱动，最高时速达 1 7 6 k m b 。1 9 9 7 年的双座微型电动汽车l u c i o l e ( 法文，莹火虫) 采用了四个由内转子 式轮毂电机和行星齿轮减速器一体化而成的电动轮驱动。2 0 0 1 年，该小组又推出了 由锂离子电池和8 个大功率交流同步轮毅电机独立驱动的八座电动大轿车k a z 。 该研究小组的主要研发特色在于，在电动汽车的整车设计过程中充分考虑了轮毂 电机驱动方式的特点，提倡通过各个环节的精细设计和节能挖潜来弥补县前动力 电池性能不足的缺点。 通用汽车2 0 0 2 年提出了线控四轮驱动燃料电池汽车概念模型a u t o n o m y ，随 后，又推出了h y w i r e 样车。h y w i r e 继承了a u t o n o m y 的理念将行驶所需的 全部功能都包括在薄底盘之内，在厚度仅为l l 英寸的薄底盘中，包括了除燃料电 池盒阻外的所有行驶所需的功能，在由此实现的平坦地板上，覆盖了确保5 名乘 员舒适乘坐的宽敞车体。但h y w i r e 还不是四轮驱动电动汽车。 轮毂驱动电动汽车越来越引起人们的注意，仅去年就有多台轮毂驱动电动汽 车亮相。如丰田的f i n e - - n 和p m 、日本庆应大学研制的e l i c a 、以及g m 公司 研究制的雪佛兰s l o 。 国内，由同济大学汽车学院与上海燃料电池汽车动力系统有限公司承担的国 家8 6 3 燃料电池轿车项目组，关注电动汽车研发的国际前沿方向，于2 0 0 2 年8 月， 采用全部国产零部件，率先试制成功一台由四个直流无刷轮毂电机独立驱动的四 轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号”。它采用了由锂离子动力电池 和小功率燃料电池构成的电一电混合动力系统和自主开发的单片机四轮驱动控制系 1 绪论 统。在2 0 0 2 年1 1 月的第四届上海国际工业博览会上，“春晖一号”成功展出并荣 获“创新奖”，吸引了社会各界和媒体的广泛关注，成为此届国际工博会的一个亮 点。2 0 0 3 年同济大学又推出“春晖二号”四轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平 台，2 0 0 4 年最新推出“春晖三号”线控转向四轮驱动燃料电池汽车。 随着汽车结构的彻底改变，传统汽车上的底盘控制技术无法直接应用于四轮 独立驱动电动汽车。四轮独立驱动电动汽车由轮毂电机直接驱动每个车轮，底盘 结构与传统内燃机汽车有着本质的区别。电动汽车的牵引电机弓传统汽车的内燃 机相比能够产生精确而快速的力矩响应，响应时阃可达2 m s 。牵引电机的性能赢接 决定了车轮与地面的附着情况，因此充分利用牵引电机能够产生精确而快速的力 矩响应的特点，研究用于四轮独立驱动电动汽车的底盘控制技术有着十分重要的 研究意义。 1 9 9 6 年东京大学即开始了在电动汽车底盘控制方面的研究，他们将模型跟踪 控制和二自由度转速控制应用于电动汽车的底盘控制，取得了许多有价值的研究 成果 3 8 - 3 9 】。 1 2 2 线控转向技术的发展 二十世纪五十年代，t r w 等转向系统开发商大胆假没，将方向盘与转向车轮 之间用控制信号代替原有的机械连接。六十年代末，德国的k a s s e l m a n n 等设计了与 此类似的主动转向系统，这就是电子转向系统( s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ) ，电称为 线控转向系统3 6 。3 ”。1 9 9 0 年奔驰公司将线控转向系统安装二 f z f 4 0 0 c a r v i n g 概念车上。 随后世界各大汽车厂家研究机构如：d a i m l e r c h r y s l e r 、宝马、z f 、d e l p h i 、t r w ， 以及r 本光洋精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等都对汽车线控转 向系统做了深入研究4 0 。4 ”。自2 0 0 2 年以来有多款线控转向概念车亮相( 如图1 1 图 1 4 1 。 图1 1g m “a u t o n o m y ” 图1 2g m i - i y - w i r e ” 图1 3b e r t o n e s k f n o v a n t a 幽1 4 丰田f i n e n 线控转向系统的安全性是其推广普及应用的前提。线控转向系统通过各种各 样的传感器，信号处理器和执行器等电子部件实现新的功能，来达到功能上的先 进性。为了达到整体性能上的要求，系统必须具有良好的容错性。 传统的机械系统是最原始最古老的，同时也被认为是最安全的，而且机械系 统在损坏之前都会给驾驶员一个预警信号，即在系统出现微小的破坏之后中的 段时剧内，仍然能够实现或基本实现其设计功能。 但线控转向系统是在传统转向系统的基础上加上了转角传感器、力矩传感器、 控制器以及执行电机，这些电子部件的破坏很可能是没有预警信号的，一旦失效 系统设计功能可能完全丧失，因此线控转向系统的容错设计是完全必要，而且十 分重要的。 目前使用的主要容错措施除了系统的故障分析、故障等级划分，以及针对不 同等级的故障处理等微观方面之外，线控转向系统的容错设计宏观上主要有如下 三种形式： 1 ) 采用液压转向系统作为应急转向系统。该系统同时具有线控转向系统和液 压转向系统两套转向系，通常情况下，使用线控转向系统体现了系统良好 的转向特性，当系统出现故障后，使用液压蓄能器的液力提供转向动力。 2 ) 采用双套监控的线控转向系统。这种转向系统几乎所有的部件都采用双套 的，因而成本较高，但他避免了其他方式中因为电子系统的失效，而引起 的车辆输出特性急变，提高了车辆性能。 3 ) 采用机械转向系统作为后备转向系统。这种系统结构简单，便于实现和控 制，但是在电子系统失效后车辆性能会出现很大变化，从而引起驾驶员的 不适，增加驾驶员负担。 1 绪论 1 2 3 四轮转向( 4 w s ) 技术的发展 随着汽车技术的发展，作为实现主动安全性的方法之一的四轮转向技术日益 受到重视。四轮转向车辆首次出现于3 0 年代的日本。近年来，本田、日产、马自 达等很多汽车厂商纷纷推出了带有四轮转向系统的概念车，并把一些成熟的四轮 转向技术应用到了普及型汽车中，提高了汽车的主动安全性。四轮转向汽车的主 要优点是在转向时能够保持重心侧偏角基本为零，极大地改善了横摆角速度和侧 向加速度的瞬态性能指标。另外低速时能够减小汽车的转弯半径( 前后轮转角方 向相反) ，使汽车在低速行驶时更加灵活。 汽车4 w s l 望论及应用的全面研究始于8 0 年代初期，早期的4 w s 瞄准的目标是 减小汽车质心处的侧偏角，以便减小侧向加速度与横摆角速度之间的相位差，此 类4 w s 使用了前馈型转向系统，可使稳态下的车体侧偏角接近于零，但其缺陷是 增加了瞬态下的侧滑速度，给驾驶员带来心理负担。早期的r q v v s 控制器设计均是 基于跟随线性动力学方程的假设，但是，由于汽车动力学参数的变化，使得设计 的控制系统不一定能满足实际需要。当汽车转弯行驶时，如果侧向加速度较大， 轮胎侧偏特性进入非线性区域，此时线性控制理论就无能为力。考虑汽车动力学 参数的变化，许多研究者试图用其它理论，如自适应控制和鲁棒控制来探讨新的 控制策略2 2 1 。比较有代表性专家有y u h r a 、h o r i u c h i 、s o n g 、s m i t h 、y a n i v 、 s h i o t s u k a 、n a g a i 等阻”。 四轮转向系统按其结构可分为四类：机械式、液压式、电动式和复合式。按 其控制方法可分为： 1 ) 定前后轮转向比四轮转向系统； 2 ) 前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统； 3 ) 前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统； 4 ) 具有一阶滞后的四轮转向系统； 5 ) 具有反相特性的四轮转向系统； 6 ) 具有最优控制特性的四轮转向系统； 7 ) 具有自学习、自适应能力的四轮转向系统。 比较典型的四轮转向系统有：本田汽车公司的机械式四轮转向系统、马自达 汽车公司的速度感应式四轮转向系统、丰田汽车公司的速度感应式四轮转向系统、 由美国通用汽车公司与德尔福公司联合开发的q u a d r a s t e e 剐r m 四轮转向系统 ! ! 墼奎兰兰：! 里些塑! ! 童 f 如图15 所示) 等睁5 0 1 。 图1 5 德尔福公司联合开发的q u a d r a s t e e r t m 轮转向系统( 2 0 0 1 ) 上述所说的四轮转向基本上前轮为非独立的转向装置，尽管日本四国电力曾 于1 9 9 4 年开发了可横向行驶、原地转向的y o n d e n p i v o t 车，但它还没有形成产 品化和产业化。 1 3 本文工作简介 在国家科技部8 6 3 电动汽车重大专项“燃料电池汽车”项目的资助下，课题 组完成了“四轮驱动电动汽车关键技术研究”课题的研究，本文主要对本人承 担的研究工作进行总结。 1 3 1 轮毂电机驱动电动汽车h i l 仿真测试环境的开发 基于m a t l a b s i m u l i n k 软件和d s p a c e 的软硬件开发平台，建立了轮毂驱动电 动汽车及其控制技术的硬件在回路仿真测试环境，用于轮毂电机驱动电动汽车的 纵向动力学性能测试；通过模拟车辆极限行驶工况：如汽车在雪地或很滑路面的 行驶的危险工况等，在实车路试前对电动汽车控制系统的动态性能及安全性问题 进行充分的试验和评估。实验结果证实了用电惯量取代诸如飞轮的机械惯量，及 采用轮毂轴耦合动态测功计和轮胎模型取代转鼓和轮胎的硬件在回路仿真测试环 境能有效地模拟路面与轮胎间的牵引力、车辆的惯量和其他行驶阻力。 1 3 2 轮毂电机驱动电动汽车防滑控制策略研究 充分利用轮毅电机快速精确的力矩响应特性，研究用于轮毂电机驱动电动汽 车的防滑控制策略，为四轮驱动电动汽车的整车综合控制研究奠定了基础。借鉴 传统汽车的驱动防滑和制动防抱死控制技术，用电机代替液压制动系统和发动机， 将滑移率p i 控制和b a n g - b a n g 控制规则应用于电动汽车的防滑控制。研究了基于 6 绪论 轮毂电机的模型跟踪( m f c ) 控制、二自由度转速闭环控制、变比例控制p i 控制 和基于观测器的b a n g b a n g 控制。硬件在回路仿真实验以及九自由度整车模型仿真 均验证了上述的控制策略均有很好的防滑作用。 1 3 34 w d 4 w s 电动汽车整车综合控制策略的研究 综合应用4 w s 控制和横摆角速度控制，提出了基于2 自由度转速闭环控制的 4 w d 4 w s 电动汽车的整车综合控制策略。九自由度整车模型仿真结果显示不论是 在分离系数路面上的直线驱动、制动，还是在危险工况弯道紧急强制动条件下， 即使不施加驾驶员的主动控制，该控制策略也能很好地保持车辆的稳定行驶，减 轻了驾驶员的负担。 1 3 4 线控转向控制技术的研究 建立了基于d s p a c e l 0 0 5 控制板的线控转向台架及控制系统，建立了基于 d s p a c e l 4 0 1 控制板的线控转向电动汽车控制系统，并应用于春晖三号线控转向 电动汽车。实车测试结果证实了，线控转向既可以通过合理地设计路感力矩，大 大地减轻驾驶员的负担，又可不丧失路感，实时地向驾驶员传递车辆驾驶信息。 1 3 5 线控独立4 w s 电动汽车的方案设计 提出了用于外转子式轮毂电机和基于双横臂悬架的线控独立4 w d 4 w s 电动 汽车设计方案，在a d a m s 下建立以车轮定位参数和悬架及转向机构、车轮和整 车参数为设计变量完全参数化的几何模型，并研究了转向电机失灵时的故障对策。 同济大学博士后出站报告 2 轮毂电机驱动电动汽车h i l 仿真测试环境的开发 2 1 前言 采用轮毂电机驱动的电动汽车可充分利用电机精确而快速的力矩响应特 点，实现低成本、高性能的车辆动力学控制( 牵引力控制和制动防抱死控制、 直接横摆力矩控制等) 。因此许多机构纷纷开始进行轮毂电机驱动电动汽车的研 究。 建立这种电动车及其控制技术的测试环境已引起了人们的关注。这种实验 室测试环境的优点在于：能够在实车路试前对系统的动态性能及安全性问题进 行充分的试验和评估。 然而，常规的测功机在动态特性测试方面有局限性。即使是动态测功机，也 主要用于车辆发动机测试或工业用电机的试验，几乎没有一种测试环境能够用 于模拟车辆极限行驶工况：如汽车在雪地或很滑路面的行驶的危险工况等。 因此我们研制了一种硬件在回路( 以下简称h i l ) 仿真测试环境，用于轮 毂电机驱动电动车的纵向动力学性能测试。 该测试环境采用了简化的1 4 单轮驱动模型，只包含一个轮毂电机及其驱 动器。这种模块化的设计使该测试设备具有很强的扩展功能，只需通过多个模 块的配置，即可用于两轮或四轮驱动电动车的测试。 h i l 仿真测试试验台主要用于下列的性能测试及控制系统的研究： 轮毂电机性能测试； 电动轮的转矩转速驱动控制系统的研究； 电动轮回馈制动控制系统的研究； 多能源总成控制系统的研究； 四分之一整车的动力性及经济性指标测试。 2 。2h i l 仿真测试环境控制系统开发平台 m a t l a b s i m u l i n k 开发工具及d s p a c e 公司的r c p ( r a p i dc o n t r o l p r o t o t y p i n g ) h i l 环境是国际上公认的汽车控制系统设计开发工具链，对各个开 发环节的资源可循环利用和实现环节迁移的无缝连接。因此，在研究中，选取 m a t h w o r k s 和d s p a c e 的产品作为开发环境的软硬件平台。 2 轮毂电机驱动电动汽车h i l 仿真测试环境的开发 在整个功能性研究开发过程中，利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 等工具 箱进行建模，控制策略设计与分析和整车动力学性能的离线仿真分析，利用 m a t l a b 的r t w ( r e a lt i m ew o r k ) 生成系统控制策略的c 语言源代码，利用 d s p a c e 公司的r c p h i l 软硬件环境进行半实物实时仿真，实车试验，测试控制 算法的正确性，并根据需要对控制算法进行改进和优化。 基于d s p a c e 的软硬件开发环境适用于图2 1 所示汽车控制系统设计开发 流程的各个环节，可用于功能开发过程中的离线仿真，半实物仿真及实车试验： 还可扩展到样机产品开发过程中自动目标代码生成及实车标定等方面的应用。 震攒 请萋 贽一 嬖观 r 篙霉9 亭“”怖州”j 糍l 掣= 一rl - j 、* r j 二：里i 囵弋幽 l ：懈、s i g n 黪划叫c l 嘶m 一 隰刘r e 蕊a l - t i m e t a r g e 甑t s 图2 1 m a t h w o r k s 产品支持控制系统开发流程的关键环节 该开发环境的软件平台主要由下列二部分组成： 1 ) 控制系统设计及离线仿真分析用软件 m a t h w o r k s 产品：m a t l a b s i m u l i n “s t a t e f l o w ，s i m p o w e r s y s t e m 用于进行 分析、设计、优化和数据的离线处理以及进行基于方框图的离线仿真 m a t h w o r k s 产品：c o n t r o ld e s i g na n da n a l y s i st o o l b o x 等控制系统建模 设计用各类工具箱 2 ) 控制系统硬件在回路实时仿真及实车试验用软件 m a t h w o r k s 产品：r e a l - t i m e w o r k s h o p s t a t e f l o w c o d e r 用来从方框图生 成c 代码 d s p a c e 产品：r e a l t i m ei n t e r f a c e c o n t r o l d e s k 用来使代码可以在单处 理器多处理器目标系统中运行并且可用于对闭环试验进行交互操作 ( 自动手动) 。 该开发环境的硬件平台主要由d s p a c e 产品a u t o b o x ( 如图2 2 所示) 模 星童奎兰堡! ：星些塑堡重 块化结构多处理器系统应用于硬件在回路实时仿真。 图2 2a u t o b o x 2 3h i l 仿真测试环境控制系统开发流程 如图2 3 所示，h i l 仿真测试环境控制系统开发流程如下： 1 ) 建立控制对象模型； 2 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 软件下设计控制策略； 3 ) 离线仿真以评估所提出的控制策略； 4 ) 在进行硬件在回路仿真前先用实际的开发零部件代替部分仿真模型， 如：轮毂电机和驱动器、油门制动踏板、测功机等：将油门制动踏板、 测功机控制器、电机驱动器的输入输出信号通过a u t o b o x 的i o 板、 a t d 和d a 采集端口连接至a u t o b o x 。 5 ) 将保留下来的部分模型，如车辆动力学模型和轮胎模型以及控制策略等 编译下载至d s1 0 0 5p p c 板用于实时计算： 6 ) 在仿真时利用c o n t r o l d e s k 软件实时观测及获取各模块的数据进行控制 策略的评估及修改。 该控制系统的主要优点是： i ) 离线仿真模型可直接用于硬件在回路仿真的测试： 2 ) 实时完成数据获取与校正： 3 ) 由于可在线观察所有的控制变量及输入和输出，极大的缩短了控制系统 的开发周期，降低了控制系统的开发成本。 1 0 2 轮毂电机驱动电动汽车h 1 l 仿真测试环境的开发 图2 3h i l 仿真测试环境控制系统开发流程 2 4h i l 仿真试验台组成 2 4 1h i l 仿真试验台总体结构与性能指标 h i l 仿真测试试验台采用了轴耦合的连接方式，通过四象限运行的交流伺 服驱动系统实现电动轮的动态加载。伺服驱动系统可工作于转速控制方式或转 矩控制方式。加载转矩还可通过四分之一整车动力学模型的实时计算获得，从 而模拟电动车在不同行驶工况下的电动轮动态负荷转矩。h i l 仿真测试试验台 的总体结构如图2 4 所示。 图2 4h i l 仿真试验台架原理图 同济大学博士后出站报告 根据四轮驱动电动汽车整车动力性要求及轮毂电机的运行范围本试验台 的工作范围如下： 1 ) 额定吸收功率3 k w ；最大吸收功率8 k w ( 3 m i n ) ： 2 ) 额定输出功率1 5 k w ：最大输出功率4 l k w ； 3 1 额定转速1 5 0 0 r p m 最高转速2 0 0 0 r p m ： 4 ) 额定转矩9 5 4 n m ；最大转矩2 2 1 n m ； 5 ) 具有转矩控制及转速控制加载堵能。 注：吸收功率可根据需要进行扩展。 2 4 2h i l 仿真试验台各组成部分说明 如图2 5 所示h i l 仿真测试环境由三部分组成： i ) 实车部件：轮毂电机及驱动器、轮辋和轮胎、油门和制动踏板等 2 ) 动态测功机：交流伺服电机及控制器、扭矩传感器、轮速传感器等； 3 1d s p a c e 控制系统。 操纵油门和制动踏板，驱动轮毂电机，根据电机速度、非线性车辆动力学 模型和轮胎模型实时计算动态力矩指令，即车辆纵向驱动力。根据力矩指令， 动态测功机将负荷扭矩实时地加载到轮毂电机轴。 图2 5h i l 仿真测试环境的系统组成 ：篁墼皇堡矍垫里塑童耋曼当篁塞型苎翌：堡塑丝丝 图2 6 硬件在同路仿真试验台架 图2 6 为硬件在回路仿真试验台架。各组成部分技术参数如下： 1 ) 轮毂电机为具有能量回馈再生制动功能的无刷直流电机。如图2 7 所示 轮毂电机为外转子型轮毂电机，它的外形结构主要考虑与双横臂悬架、轮辋及 制动盘的连接方式，为了提高轮毂电机的外形通用性，考虑在一定功率范围内的 轮毂电机取相同的外形结构；该轮毂电机既可安装市售微型汽车制动盘，又能安 装不同规格摩托车制动盘。这样，相同的底盘结构，只需更换不同功率的轮毂电 机，即可获得不同的整车动力性能。因此本试验台架的测试范围也大大的增加 了。试验用的轮毂电机特性参数如表2 1 所示。 图2 7 直流无刷轮毂电机 塑堑奎兰堡三星堂些堡重 表2 1 外转子型直流无刷轮毅电_ ； | l 特性参数 电机额定功率( k w ) 0 8 电机峰值功率( k w ) 2 5 电机额定转矩( n m ) 2 5 电机峰值转矩( n m ) 1 5 5 电机额定转速( r p m ) ， 3 0 0 电机最高转速( r p m ) 5 1 0 ) 交流伺服系统由日本安川电机公司的永磁同步电机( s g m g h 一 1 e a 2 a 6 1 ) 及3 相正弦波电流驱动控制器( s g d m - - 1 e a d a ) 构成的伺服变频 电机驱动系统组成( 如图2 8 所示) 。能进行4 象限运行，具有转矩控制及转速 控制模式。 图28 日本安川电机公司的永磁同步电机s g m g h - - 1 e a 2 a 6 1 3 ) 扭矩传感器：由日本k y o w a 公司的t p n _ 5 0 k m c b 扭矩仪( 如图2 9 所示) 及d p m 一7 1 1 b 变送放大器组成( 如图2 1 0 所示) 。扭矩仪性能： 额定容量5 0 0 n m 非直线性0 2 r o 以内 滞后 0 2 r o 以内 额定输出1 2 m v v 1 4 图2 9 曰本k y o w a 公司的t p n 一5 0 k m c b 扭矩仪 变送放大器性能： 输出电压：5 v 以上 非直线性：0 i f s 以内 频率响应范围： d c 一2 5 k h z 圈2 1 0 日本k y o w a 公司d p m 7 1 1 b 变送放大器 4 ) 光电编码器：为了校验轮毂电机中转角信号的误差选用了绝对值光电编 码器( 如图2 1 l 所示) 。采用同步带连接方式。光电编码器性能： 分辨率：4 0 9 6 ( 1 2 位) r e v 同济大学博士后出站报告 输出方式：并行接口；1 2 位格雷码t t l 电平输出：具有输出锁定及零 位设定功能 蘸两砭技术标准型5 8 7 0 系列 外形尺寸： 庠 黼 j j 一 7 口1 1 0 d 1 5 o ， 图2 1 1 光电编码器 5 ) 计算机控制，数据采集处理系统：由d s p a c e 公司的模块化结构多处理器 硬件在回路实时仿真系统( a u t o b o x ) 及计算机组成。在硬件在回路实时仿真时， 轮毂电机的动态负荷转矩可由a u t o b o x 通过四分之一整车动力学模型的实时计 算获得。计算机主要用于数据显示及对a u t o b o x 的操作控制。数据的采集与控 制参数的修改由c o n t r o l d e s k 软件完成，如图2 1 2 所示为硬件在回路仿真时 c o n t r o l d e s k 软件下的用户界面。 图2 1 2c o n t r o l d e s k 下h i l 仿真用户界面 1 6 2 轮毂电机驱动电动汽车h i l 仿真测试环境的开发 2 4 3 实时仿真模型 h i l 仿真测试环境控制系统原理图如图2 1 3 所示，图中的灰显示部分为实 时仿真模型，实时仿真模型主要包括：车辆模型、轮胎模型和防滑控制策略。 式 2 ，1 3 硬件在回路仿真测试台架控制系统原理图 1 ) 车辆单轮动力学模型 如图2 1 4 所示当忽略风阻和滚动阻力时，单轮动力学模型满足如下的公 图2 1 4 车辆单轮模型 m w 等_ f m 吨 m 盟：巳 d t “ ( 2 1 ) 式中 f 。一电机驱动力： 只一牵引力； 肼。一车轮质量； m 一车身质量； k 一轮速； 矿一车速。 只是轮胎与地面间的驱动力( 制动力) ，它与滑移率五之间呈非线性关系， 同济大学博士后“1 站报告 轮胎的附着系数定义如下： = f d ( 2 2 ) 式中n 为标准轮荷。轮胎的纵向滑移率定义为： =半p 矿 陇。，v 丁w - v k y ” 2 ) “m a g i cf o r m u l a ”轮胎模型 研究车轮主要是研究轮胎。轮胎不是刚体，而是一个有橡胶性质的物质， 轮胎与汽车相关，把汽车看作一个系统，那么轮胎是系统中的单元；轮胎与地 面相关，轮胎一地面系统只是地面系统中的一个子系统。所以在计算模拟轮胎 所受的力时，必须要考虑轮胎的法向载荷、侧偏角j 道路状况、滑移率、附着 系数和轮胎参数等因素。 目前，稳态条件下的充气轮胎模型研究已经日臻完善，国内外相关专家已 建立了各种状况下的轮胎模型。从轮胎力作用来看，有纯侧偏特性模型、纯纵 滑特性模型和纵滑侧偏特性模型等等；从建模的分析过程来看，有理论模型、 半经验模型；从影响建模的因素而言，有考虑胎面弹性和胎体弹性的模型，考 虑摩擦系数各向异性的模型等。 本模型采用了荷兰d e l f e 大学的h b p a c e j k a i 创建的“m a g i cf o r m u l a ”( 魔 术公式) 半经验轮胎公式。 考虑到胎体弹性，荷兰d e l f e 大学的h b p a c e j k a i 把胎体的变形考虑为张 紧的弦，即弦模型。与假设的纯理论模型相对，”m a g i cf o r m u l a ”为半经验公式， 它是通过对大量的轮胎力特性的实验数据进行回归分析，将轮胎力特性通过含 有拟合参数的公式有效的表达出来，较之前者更为准确可信。 魔术公式简言之有以下几个特点： 能模拟轮胎所有稳态特性； 能够容易地从试验测量的数据得到经验公式，物理意义高； 公式的特性参数从某种程度而言象征着轮胎的典型特征： 精确，对轮胎性能可以进行更好的理解。 其缺点是不能很好的拟合出小侧偏情况下轮胎的侧偏特性。 “m a g i cf o r m u l a ”纯纵滑，侧偏工况模型统一公式： 2 轮毅电机驱动电动汽车h i l 仿真测试环境的开发 y = d s i n ( c a r c t a n b ( x 十s ) ( 1 一e ) + e a r c t a n ( b ( x + s ) ) ) + s ；( 2 4 ) 式中 卜分别为侧向力c 、纵向力或回正力矩m ： x 一相应为侧偏角，滑差率s 。 d 一为峰值因子，表示曲线的最大值； b c _ d 一为曲线原点的斜率，表示侧偏角趋于零时轮胎的侧偏刚度； 卜为曲线形态因子，决定曲线最太值附近的形状； 卜为形状特性因子，即曲线是像侧向力、纵向力还是回正力矩； s 一为水平方向漂移； s 。一为垂直方向的漂移。 在此公式中，除了c 以外，其它参数均为垂直载荷t 和侧倾角的函数。 纯纵向力 c = d s i n ( c a r c t a n b ( 仃+ s ) ( 1 一e ) + e a r c t a n ( b ( r r + 咒) ) ) ) + s ，( 2 5 ) 式中 盯一a ；r i ，- v 一纵向滑移率，为轮速，r 车轮半径，y 车速； c = b o d = 。f 。= b l t + b z b c - d = ( b 3 f2 + b 4 f ：) e 一 e = b 6 f ；+ b t f , + b b s = b 9 t + b 1 0 s ，= 0 f ：为车轮垂直载荷( k n ) ；b 。b 。为纯纵滑条件下的特征参数。 纯侧向力： 2d s i n ( c a r c t a n b 十以) ( 1 一e ) + e a r c t a n ( b ( o s + s ) ) ) ) 十s ，( 2 6 ) 式中 口一侧偏角，单位：度； c = a o d = a ，e ”2 a i t + a 2 口c 机叩i n ( z a ( 和飞帅 同济大学博士后出站报告 e = 吼t + d 7 s = 口8 y + 口9 t + 口j d s ，= a l l 属+ a 1 2 t + d l3 口l 】= a l l l t + “1 1 2 y 一侧倾角，单位：度：d 。，为纯侧偏试验工况下的特征参数。 回正力矩： m ：= ds i n ( c a r c t a n 口( 甜十s ) ( 1 一e ) 十居a r c t a n ( 口( 甜十s ) ) ) ) + s 。 ( 2 7 ) 式中 口一侧偏角，单位：度； c = c o d = c l f ：+ c 2 f t 口c d = ( c 3 t 2 + c 。t ) ( 1 一c 6 l 纠) e 1 5 e = ( c ，c 2 - t - c 。t + c ，) ( 1 - c 。l 州) s h = c i l ) | 十c 1 2 t + c 1 3 。 s ，= ( c i 4 f ? 十c l s c ) y +