（车辆工程专业论文）基于模糊控制的四轮驱动电动汽车防滑控制技术.pdf

摘要 摘要 随着国家“8 6 3 电动汽车重大专项的进展，电动汽车产业化的呼声越来越 高，针对电动汽车的特殊性，各项专门技术的研究、开发、实现正如火如荼地 进行着。依托专项的研究，本文在认真比较传统内燃机汽车和电动汽车的基础 上，结合国外最新研究成果，应用模糊逻辑工具，通过计算机仿真研究开发了 两种适用于四轮( 独立) 驱动电动汽车的防滑控制方法。这些控制方法充分利 用了驱动电机力矩易于测量、响应快的优点，同时规避了车辆实际运行中路面 状况、车速等难以获取的不利因素，具有较高的实际应用价值。 第一种方法从滑转( 移) 率一附着率关系曲线出发，利用模糊逻辑用定量 方法表达定性信息的优点，通过附着率对滑转( 移) 率的导数的符号来定性判 断车轮是否发生滑转( 移) ，从而实现防滑控制。在总结第一种方法的基础上， 结合日本东京大学电气工程系的s h i n i c h i r os a k a i 、h i d c os a d o 和y o i c h ih o f i 等 人在电动汽车防滑控制方面的研究成果，同样应用模糊逻辑工具开发出了第二 种控制方法，即基于路面切向反作用力对车轮驱( 制) 动力矩导数的控制算法， 这种方法适应性和实用性更强。 应用两种控制方法，分别在单轮车辆模型和七自由度整车模型中进行了仿 真，并利用d s p a c e 快速原型工具在轮毂电机性能测试台架和“春晖三号四轮 驱动电动汽车上进行了台架试验和实车试验，验证了两种控制方法的有效性， 对仿真结果和试验结果进行了分析评价。 最后，对本文研究过程及结果进行了总结，客观地分析了其中的成败得失， 并简要的讨论了进一步工作的方向。 关键词：电动汽车，防滑控制，模糊控制，汽车防滑试验 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) i n d u s t r i a l i z a t i o n ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fc h i n e s e g o v e r n m e n th i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c h d e v e l o p m e n ts p e c i a le r o j e c tf o re v , i s a p p e a l e dm o r ea n dm o r ee n t h u s i a s t i c a l l y a l lk i n d so fs p e c i a lt e c h n i q u e sf o re va r c b e i n gr e s e a r c h e d ，d e v e l o p e da n di m p l e m e n t e da tp r e s e n t b a s e do nt h es p e c i a l p r o j e c ta n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt r a d i t i o n a lv e h i c l ea n de v , t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r d t w of u z z yl o g i cc o n t r o lm e t h o d sa p p l i e di nf o u r - w h e e l ( i n d e p e n d e n t l y ) d r i v e ne vb y c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o m b i n e dw i t hf o r e i g nl a t e s tr e s u l ti n t h i s f i e l d t h et w o m e t h o d sf u l l yu t i l i z es o m ed r i v e nm o t o r sa d v a n t a g e s ，s u c ha sq u i c ka n dp r e c i s e t o r q u eg e n e r a t i o n ；w h i l ee l u d i n gs o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sa d h e s i o ni n f o r m a t i o n r e q u i r e m e n t s ot h e yi n v o l v em o r ep r a c t i c a lv a l u e si na p p l i c a t i o n t h ef i r s tm e t h o de s t i m a t e sw h e e l ss l i ps t a t eb yt h ed e r i v a t i v eo fa d h e s i o nr a t i o w i t hr e s p e c tt os l i pr a t i o ，d e n o t e dq u a l i t a t i v e l yf r o ms l i pr a t i o a d h e s i o nr a t i oc u r v eb y f u z z yl o g i ct o o l s b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o nf r o mt h ef i r s tm e t h o da n dc o m b i n e d w i t he v sa d h e s i o nc o n t r o lr e s u l to fs h i n i c h i r os a k a i ，h i d e os a d oa n dy o i c h ih o d ， t h es e x n dm e t h o d ，e s t i m a t i n gw h e e l ss l i ps t a t e b yt h ed e r i v a t i v e o fr o a d - t i r e t a n g e n c yf o r c ew i t hr e s p e c tt od r i v e ( b r a k e ) t o r q u e ，i sp u tf o r w a r dw i t hh i g h e r a d a p t a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y t h et w om e t h o d s ，s i m u l a t e di no n e - w h e e lv e h i c l em o d e la n d7 - d e g r e ew h o l e v e h i c l em o d e la n dt e s t e db yd s p a c et o o l so ni n - w h e e lm o t o rt e s tb e n c ha n d s p r i n g l i g h tn o 3 ”f o u r - w h e e ld r i v e ne vr e s p e c t i v e l y , a r ev a l i d a t e d ，a n a l y z e da n de v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s f i n a l l y , t h er e s e a r c hc o u r s ea n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e ds oa st od i s c u s sf u r t h e r t a s ki ne v sa d h e s i o nc o n t r o l ，b e s i d e sk e e p i n gt h es u c c e s sa n dl o s si nm i n d k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，a d h e s i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，a u t o m o t i v ea n t i - s l i p t e s t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：舻右、；取 2 0 0 6 年3 月1 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在两年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 2 0 0 6 年3 月l o 日 学位论文作者签名：才乒岳、取 2 0 0 6 年3 月1 0 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：牙互移罗秋 2 0 0 6 年3 月1 0 日 第1 章引言 1 1 研究背景 1 1 1 电动汽车概述 第1 章引言 电动汽车自诞生以来，至今已有一百多年的发展历史了，几乎与内燃机汽 车同样悠久。电动汽车不仅具有保护环境和节约能源的突出优点，还具有低噪 声、操作简便等特点。电动汽车的诸多优点使其在世界主要发达国家中一度兴 起了一股研究、开发和使用的热潮。美国，欧洲，日本等发达国家的主要汽车 生产企业都已经成立了各自的电动汽车研究和开发机构，且分别推出了几代电 动汽车产品。近年来，随着电池和电力驱动与控制新技术的不断发展，特别是 环境保护要求和节约能源呼声日益高涨，电动汽车的开发与应用在全世界又兴 起了新一轮热潮。 目前，按照动力源划分，电动汽车主要有三种：纯电动汽车、燃料电池电 动汽车和混合动力电动汽车【1 1 。 纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 又称为蓄电池电动汽车、二次电池 电动汽车等，它以电能的形式补充和利用能量，在整个工作过程中，没有其他 形式能量作能源，因而蓄电池是其唯一能源。车辆在停车时，通过给蓄电池充 电来补充能量，在行驶过程中靠蓄电池放电驱动车辆运行。这种电动汽车的驱 动与控制系统与一般的电力拖动系统没有多大差别，技术实现较为容易，是电 动汽车的最简单形式。但由于蓄电池能量密度有限，纯电动汽车一次充电后的 续驶里程短，承载量小。 采用燃料电池作为能源的电动汽车称为燃料电池电动汽车( f u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 。燃料电池是一种清洁能源，它是把燃料中的化学 能直接转化为电能的能量转化装置，从外表上看有正负极和电解质等，像一个 蓄电池，但实质上它不能“储电而是一个“发电厂。这种电动汽车改变了纯 电动汽车补充能量的方式，它能够将能量以氢气、甲醇等燃料的形式存储，利 用这些能源转化来的电能驱动车辆行驶，在实现电驱动的同时，保持了传统内 燃机汽车的优点，具有较好的动力性，是解决纯电动汽车续驶里程短、承载量 1 第1 章引言 小等动力性问题的好方案。9 0 年代以来，世界一些主要国家和汽车公司在燃料 电池电动汽车上已经成功使用了氢、甲醇和汽油( 经过重整) 燃料的燃料电池， 并推广到轿车上。目前用甲醇汽油和天然气通过重整技术转换为氢，是一种成 熟的技术，使得氢气的生产成本降低，更具有竞争力。但是，燃料电池是一种 能量转化装置，本身结构复杂，并且需要很多辅助装置才能正常工作，因而实 现较为困难。 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t d cv e h i c l e ，简称h e v ) 是指利用至少有一 种能源为电能的两种或两种以上形式的能量驱动的汽车，目前使用较多的有电 一电混合动力和内燃机一电动机混合动力两种。前者一般是蓄电池和燃料电池 的组合，由控制系统决定某一时刻由谁向驱动电机提供电能，这种混合动力电 动汽车充分利用了纯电动和燃料电池电动汽车的优点；后者由内燃机和电动机 组合驱动，电动机所用电能一般来自内燃机驱动的发电机产生，这种混合动力 电动汽车主要通过使用能源的转换来达到某些行驶区段环保的要求，作为内燃 机汽车向电动汽车转换的过渡产品，在纯电动和燃料电池电动汽车技术尚不成 熟的今天，成为电动汽车发展的重点。 2 1 世纪汽车发展形态的决定因素是环保、节能。尽管内燃机汽车在这两方 面进行了很大的改进，并取得了突出的成就，但它依然有排放污染，满足不了 汽车社会人类对人与自然和谐之美的追求。目前，由于世界石油资源逐渐枯竭， 石油争夺战异常激烈，油价经常大幅波动并整体走高，已经影响了世界各地区 经济的稳定发展。我国人口众多，石油资源并不丰富，加之燃油汽车尾气污染 十分严重，已成为经济发展、人民生活和社会可持续进步的一大制约因素。保 护并改善环境早已成为全人类的共识，但时至今日，环境问题非但没有解决， 反而有愈演愈烈之势，与“以人为本、科学发展 的时代理念极不相符。因此， 在汽车社会即将到来之际，彻底改变汽车的能源消耗方式，开发、生产和使用 电动汽车显得必要而紧迫，加之技术实现的可能性，电动汽车必将在沉睡近一 个世纪后东山再起。 1 1 2 国内外电动汽车及其防滑控制的研究现状 作为一种新型交通工具，电动汽车是当今世界不少国家竞相发展的战略性 项目。它的最大优点在于无噪音，无废气排放，有利于环境保护。据统计，目 2 第1 章引言 前世界上有十几个国家的近百家公司从事电动汽车的研制和生产。法国雪铁龙 汽车集团于1 9 9 5 年开始批量生产“雪铁龙a x ”和“标致1 6 ”两种电动轿车。雷 诺公司也开发了“雷诺c l i o ”等型号的电动车。在1 9 9 0 年洛杉矶汽车展上，通用 汽车展示了一种名为“冲击( i m p a c t ) 的电动概念车。前几年，通用于底特律 车展亮相a u t o n o m y 燃料电池概念车之后八个月，便又开发了一辆称为b v w i r e 的全新概念车，不仅实现了a u t o n o m y 将燃料电池动力来源整合于车辆底盘的 构想，更完美结合了即将全面使用在未来车上的线传技术【2 。 在我国，从中央到地方，从业界到社会，都十分关注、支持电动汽车的研 究开发。经过多方论证和广泛征求意见，科技部于2 0 0 1 年启动了电动汽车重大 科技专项，以实现产业化为目标，提出了“三纵( 纯电动汽车、混合动力汽车 和燃料电池汽车) 、“三横( 电池、电机和控制系统) 的研究开发布局。众多 企业、高校和科研院所参与了这一专项的实施，目前，已经取得了阶段性成果。 东风汽车公司联合湖北省的高校和科研力量，开发出了e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿 车和e q 6 1 1 0 0 h e v 混合动力公交车。前者以e q 7 2 0 0 i i 车型为基础，采用电控 自动变速箱，配置直流永磁无刷电动机和镍氢电池，整车成本比e q 7 2 0 0 轿车成 本增加幅度小于3 0 ：后者采用了开关磁阻电机、康明斯i s b e l 5 0 四缸共轨电喷 柴油机、全新设计的车身底盘系统、电控自动变速箱和新型并联机电耦合设计 方案。长安汽车集团联合清华大学、北京理工大学、重庆大学、北京航空航天 大学，承担了i s g 混合动力长安轿车整车匹配项目，在s c 7 1 3 0 ( 羚羊) 型轿车 平台上开发了手动档和自动档的两款混合动力车型。清华大学成立的北京清华 新能源汽车工程中心，研制出了1 2 辆1 6 座燃料电池轻型客车样车，并投入运 行，其中有三辆在清华校园内使用了多年。北京理工大学与北方华德尼奥普兰 客车股份有限公司共同研制了纯电动旅游客车，该车安装了锂离子电池组、超 级电容储能系统、先进的多能源管理控制系统和交流驱动系统。此外，北京理 工大学还与北京公共交通总公司联合研制了适应城市客运和环保需求的低地板 纯电动公交车【3 1 。上海燃料电池汽车动力系统有限公司联合上海汽车工业( 集团) 总公司和同济大学承担了专项的燃料电池轿车项目，已经研制出了“春晖”、“超 越 两个系列各三代燃料电池轿车样车。超越系列最新一代样车“超越三号 采用电一电混合动力系统和自承载底盘，以5 0 k w 燃料电池发动机为主要动力源， 配以1 5 a h 高功率锂离子电池，能够回收下坡和制动能量，整车装备6 5 k w 永磁 同步电机和低能耗电动辅助系统，具有零排放、高效率、低噪声等优点。该车 3 第1 章引言 对s a n t a n a 3 0 0 0 进行了嵌入式承载结构优化设计，实现了动力系统的模块化，满 足了产品车的工艺流程，提高了驾驶舒适性，完全达到了预定的设计指标。春 晖系列“春晖三号 微型电动轿车以8 0 a h 高功率镍氢电池为主动力源，辅以小 型燃料电池，由4 个0 8 k w 的轮毂电机驱动，实现了四轮独立驱动，他正是本 文的研究和试验平台，该车具体情况将根据本文研究内容在后续章节中介绍。 就电动汽车防滑控制技术的研究而言，国外探索较深入的主要是日本东京 大学电气工程系的s h i n i c h i r os a k a i 、h i d e os a d o 和y o i c h ih o f i 等人5 】1 6 】同，他 们针对单轮车辆模型，通过推导建立了基于模型跟踪控制( m f c ) 和最优滑移 率控制的防滑控制策略和算法，并相应地提出了路面附着条件的识别技术和路 面驱动力的计算技术，取得了良好的仿真效果，同时，他们还利用自行研制的 两代“u o te l e c t r i cm a r c h 电动汽车验证了算法的有效性。但是，他们的研究 仅仅建立在四分之一整车模型( 即单轮模型) 的基础上，虽然进行了实车试验， 但未考虑汽车的整体动力学特性以及车轮间的相互影响，相对于四轮驱动电动 汽车来说，这样的研究具有很大的局限；而且其模型跟踪控制( m f c ) 中所用 的理想模型是基于车轮纯滚动的假设的，这样就将滑移( 转) 率控制在零的附 近而无法充分利用地面附着性能。目前，东京大学电气工程系刚刚完成了他们 的第三代电动汽车“u o tc a d w e l le v ，正在其上试验他们新的防滑控制思想， 这种思想主要是考虑了电机在转速突变时力矩无法实时响应力矩指令而随转速 突变的特性，以使对电机力矩的控制更快、更准【6 j 。另外，葡萄牙的d a n i e lf o i t o 、 a n t o n i or o q u e 、j o s em a i a 和j o r g ee s t e v e s 等人，建立了两前轮独立驱动电动汽 车的整车动力学模型和轮胎模型，提出了基于这些模型的防滑控制策略，但其 公开发表的论文中仅有仿真结果，并未提及相关的控制算法及实车试验的情况 1 8 】 o 国内比亚迪公司在他们的四轮驱动电动概念车上应用了防滑控制，正处在 不断完善中，还未见公开发表的相关研究成果。 1 1 3 我国电动汽车的产业化及其技术需求趋势 如前所述，我国电动汽车重大科技专项自启动以来，就把实现产业化作为 专项研究的首要目标。在实施过程中，以整车开发为主导，关键零部件和相关 材料紧密结合，基础设施协调发展，政策法规、技术标准和评估体系同步展开， 4 第1 章引言 作为国内高科技项目的一个探索，以保证电动汽车产业化目标的实现。目前， 我国电动汽车的研发已经有了一定的基础，随着技术的日趋成熟，电动汽车产 业化的呼声越来越高。从产业经济学的角度分析，我国电动汽车产业将有如下 趋势【9 】： 1 、遵循汽车产业的发展规律，始终把解决能源、环保问题，构建人与自然 和谐相处的汽车社会为出发点，靠技术推动和市场拉动的合力效应实现产业的 发展壮大。 2 、与我国国情相结合。现阶段，我国人口数量大，人均资源占有量很少： 有相当数量的国土面积是生态脆弱区，对经济的支撑能力很弱；社会整体技术 水平不高，经济增长方式仍然是高耗能、高污染、低效率的粗放型增长，产业 的发展主要依靠劳动力的数量而非质量；统一、开放、竞争、有序的市场体系 尚未完全建立，产业的效益不能直接反映出市场的需求；法律法规体系不够健 全，不能有效调和经济与资源、环境的关系。电动汽车作为新兴产业，萌芽于 这样的国情背景下，必须与现实相结合，适应社会发展的要求和人民的需求。 3 、与国际电动汽车产业接轨。中国汽车工业过去的发展是“以市场换技术”、 主动接受国际汽车产业的垂直分工，对于电动汽车产业的发展，我们决不能再 走这条老路，我们应该积极投入电动汽车技术研发，努力与世界电动汽车技术 的发展同步并争取超前；应该以技术研发为基础，积极发掘我国发展电动汽车 产业的各种优势，努力改变整个汽车工业参与国际分工的格局；应该将结构调 整贯穿于电动汽车产业发展的始终，避免重蹈传统汽车工业覆辙；应该利用我 们优越的地理位置、优越的社会主义制度，不失时机地充分利用两种资源、两 个市场，学会两套本领，制定出一整套反映产业发展规律要求和正确体现我国 在国际分工体系中地位的电动汽车产业政策和发展战略，积极进行产业转移， 在国际平台上发展我国的电动汽车产业。 综上所述，我国电动汽车产业势不可挡。在产业化的过程中，可以依附传 统汽车产业，在促进产业结构升级中发展；可以依靠政府主导，在宽松的政策 环境、充分的社会资源中发展；还可以依靠市场拉动，在资本积累中逐步发展。 但是，电动汽车作为一种高新技术密集型产品，无论走哪条路，技术始终是核 心，是产业发展的第一需要，起着中心环节的作用。随着汽车技术、电机拖动 技术、控制技术、电池技术、电力电子技术、计算机技术的发展，电动汽车的 实验室产品已经陆续问世，实现了固有的技术目标能源消耗减少，对环境 5 第1 章引言 的损害程度大幅减小，在电动汽车的产业化进程中，这些固有目标很少需要给 予特殊的技术考虑。随着汽车保有量的迅速增加和市场的进一步需求，无论传 统汽车还是电动汽车，安全技术的需要随之提上议事日程。如今，多项主、被 动安全技术( 如：安全气囊、a b s 、主动转向等) 已经应用在传统内燃机汽车上， 明显提高了汽车的牵引性能、制动性能、操纵和方向稳定性能以及发生事故后 对乘员的保护能力，保证了汽车在各种行驶工况下能够最充分地利用环境条件 安全、可靠、高效地行驶。市场是无情的，他不仅需要电动汽车在能源、环保 方面胜过传统汽车，同样也需要在安全性能上奔逸绝尘。和传统汽车相比较， 电动汽车的特殊性决定了其安全技术的特殊性，安全技术逐渐成为电动汽车产 业化的瓶颈，尤其是防滑控制技术，由于电动汽车在整车结构性能等方面与传 统内燃机汽车有很大差别，特别是四轮( 独立) 驱动的电动汽车，对其进行防 滑控制，有许多新的技术问题需要解决。例如，在传统汽车上主要是控制发动 机或传动系来增减驱动力矩的，而电动汽车则需要控制电动机来做到这一点。 还有，传统汽车大都为两轮驱动，防滑控制所需的车速信息可以由非驱动轮的 轮速计算得到，少数四轮驱动汽车目前主要采用光学、声学传感器或利用车身 运动状态回归拟合得到车速信息，这样做要么成本较高，要么精度太低，不利 于防滑控制的实际应用，所以需要研究新的车速信号获取方法或不需要车速信 息的控制策略。当然，电动汽车较传统内燃机汽车有许多优点，使得防滑控制 更容易实现，例如，电机力矩容易测量、响应快、精度高，有利于较精确获取 车辆运动信息，改善系统响应，提高控制性能，在系统中对控制器的精度要求 相对较低，便于应用模糊控制等智能控制方法；电机既可用来驱动，也可用来 制动，这样就便于驱动防滑( a s r ) 和制动防滑( 通常所称的a b s ) 功能的集 成而无需任何附加部件。 1 2 本文内容简介 顺应电动汽车的发展趋势，适应电动汽车产业化对技术的需求，在与传统 内燃机汽车的比较中充分挖掘汽车电驱动的技术优势，同时规避某些不利因素 ( 如车速难以获取) ，本文研究开发了针对四轮( 独立) 驱动电动汽车的防滑控 制技术。研究中主要采用理论分析与建模、计算机仿真、台架及实车试验三者 并行的方法进行。利用m a t l a b s i m u l i n k 进行建模、仿真，利用其中的f u z z y 工 6 第1 章引言 具箱进行模糊控制策略的研究和算法的开发，利用d s p a c e 实时开发平台在台 架和实车试验中验证所开发系统的各种性能，并在仿真和实验的基础上与所阅 文献中介绍的各种控制方法进行比较，对自行开发的系统作出评价。整个开发 流程如图1 1 所示。 建盘【或惦改1 蕾轮校型，开碇控弗l 算诗债是 ；迸岁 是西可秆： 一 丫y l 磊翮 是西可扦 n ，；一 y 建立( 或停改) 薹车梭型，加入控制算法r 仿具 ；艺岁 是香可扦芦 、n 甜吱车菌骑l 虢 - 一， 皇! 吐铰擀 总链黛写论文 n 图1 1本文工作流程 1 2 1 单轮车辆模型的建立 建立被控对象的数学模型，是控制系统开发的基础。虽然本文研究中应用 的模糊控制方法对数学模型的精确度要求不高，但为了便于利用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真研究，同时利用m a t l a b 的f u z z y 工具箱加快开发进度，在研究的一开 始还是建立了单轮车辆动力学模型。该模型由电机模型、车轮动力学模型、车 7 第1 章引言 身动力学模型、轮胎及其附着模型组成，将车身质量看作定值，忽略了轮胎横 向动力特性及变形的影响，忽略了滚动阻力和车轮法向动载荷，集中于车辆纵 向动力学进行防滑控制研究。 1 2 2 防滑模糊控制算法的开发及仿真 基于单轮车辆模型，根据汽车纵向动力学和模糊逻辑的基本原理，结合电 驱动的优点，同时充分考虑了四轮驱动汽车对于防滑控制的不利因素，按照模 糊控制系统设计的基本方法开发了初步的算法。为了通过仿真进行设计并验证 算法，并使仿真过程最大程度的接近真实系统的运行，还建立了控制器所需信 号的观测器，按照对实际系统工作的设想，将车辆模型、观测器模型和控制器 模型连接起来进行了仿真。 1 2 3 单轮车辆防滑控制台架模拟试验 轮毂电机驱动电动汽车硬件在回路( h a r d w a r ei nt h el o o p ，简称h i l ) 仿真 测试环境是专门用于测试轮毂电机在驱动( 或制动) 车辆时的动力特性的，由 轮毂电机及其驱动器、加载装置、测功机、控制系统组成。将开发的算法用于 该环境下，模拟了车辆防滑控制的工况，进一步验证了算法，也为实车试验及 实现积累了经验。 1 2 4 七自由度整车模型防滑控制仿真 通过单轮车辆模型开发算法并获得满意的仿真及台架试验效果后，将该算 法用于七自由度整车模型( 各车轮分别使用一套算法独立控制) 进行仿真，使 算法的应用更接近实际，进一步证实了其有效性。针对七自由度整车模型仿真 中出现的问题，在充分分析整车动力学特性，特别是四轮动力学相关性的基础 上，参考文献 5 ，开发了更有利于实现的第二种控制算法，同样也进行了整车 模型仿真。 1 2 5 实车驱动防滑试验 以同济大学“春晖三号”轮毂电机四轮独立驱动微型电动汽车为试验车， 8 第1 章引言 根据电动汽车的特点制定了试验方案，将便于实现的第二种控制算法用于其上， 在专门设计的路面上进行了驱动防滑控制试验，根据实际运行情况对结果进行 了评价，并提出了进一步改进的设想。 9 第2 章基本理论与基本原理 第2 章基本理论与基本原理 电动汽车是集汽车技术、电机技术、控制技术、电池技术、电力电子技术、 信息技术、计算机技术等众多高新技术于一身的技术密集型产品，无论学习还 是研究电动汽车，首先必须对这些技术有所了解。但是，电动汽车并不是这些 技术的简单相加，而是一个技术系统，了解上述各项技术的同时，必须融会贯 通，注意各技术间的相互交叉，才能真正实现技术创新，创立电动汽车技术体 系。结合本文的研究内容，下面重点介绍四轮驱动电动汽车防滑控制系统开发 中用到的几项关键技术理论和原理。 2 1 汽车技术相关理论 电动汽车虽然包含了多项技术，但它首先是汽车，它与外界的相互作用仍 然符合汽车动力学的相关理论，防滑控制的实质就是控制轮胎与路面之间的相 互作用力，使其达到最优，因此，汽车动力学理论是本文研究的基础。 2 1 1 汽车驱( 制) 动力与行驶阻力n 们 汽车动力学理论是研究汽车的行驶过程中运动和受力情况的，而汽车沿行 驶方向的运动和受力是最主要的，也是本文研究防滑控制的基础。为此，需要 确定汽车沿行驶方向的各种外力( 纵向力) ，即驱( 制) 动力和行驶阻力。 驱( 制) 动力是动力源( 传统汽车 为发动机和制动器、电动汽车为有制动 功能的电动机) 的转矩传至驱动轮上， 使驱动轮与路面产生相对作用力而得到 的。如图2 1 所示，作用于驱动轮上的 转矩产生一对路面的圆周力，路面对驱 动轮的反作用力即是驱( 制) 动汽车的 外力，简称驱( 制) 动力，其数值为 1 0 图2 1 驱动轮受力图 第2 章基本理论与基本原理 冗；互 式中，z 为作用于驱动轮上的转矩，r 为车轮半径。 汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自路面的滚动阻力和来自与空 气相对运动的空气阻力，上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡 度阻力，加速行驶时还需要克服加速阻力。滚动阻力由轮胎弹性迟滞损失引起， 表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶矩，一般等效为作用于车轮边缘的力，其数 值为 f f = w f 式中，wi l l e 为轮胎法向载荷，e 为轮胎法向反作用力，为滚动阻力系数， 它由轮胎和路面决定。空气阻力由空气作用于汽车外形表面上的压力沿行驶方 向的分力( 压力阻力) 和空气与车身表面的切向作用力( 摩擦阻力) 两部分产 生，大小一般与汽车相对于空气的速度的平方成正比，其数值为 e 暑等 式中， c d 为空气阻力系数，a 为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，v 为 汽车相对空气的速度( 当空气流速为零时，即为车速) 。坡度阻力数值为 f m l gg s i n 口 式中，g - m g 为汽车重力，m 为汽车质量，g 为重力加速度，a 为坡度角。加 图2 2 汽车加速上坡时受力图 l l 第2 章基本理论与基本原理 速阻力用来克服汽车加速行驶时其质量和车轮等旋转部件转动惯量的惯性力， 其数值f 可根据加速度值由牛顿第二定律求得。 图2 2 为汽车加速上坡时的受力图( 图中所示车辆为前轮驱动，后轮为从 动轮，故o 。与最：方向相反) ，这样，汽车行驶过程中沿行驶方向的受力情况 可用下式表示： f d = f x = f f + f w + f t + f t 式中各量的符号由车辆运行情况确定，e 取决于驱动还是制动，e 取决于车轮 滚动方向，v w 取决于车身速度方向，互取决于上坡还是下坡，e 取决于加速还 是减速。 2 1 2 汽车行驶的附着条件 从上面的分析可知，动力装置( 发动机、制动器或电动机) 所确定的驱动 力( 或制动力) 是决定汽车动力学特性的一个主要因素，但它只是一个首要条 件，并非全部。动力装置在车轮上产生的力矩，只有在轮胎与路面间有足够大 的附着力时，才能真正成为汽车的驱动力( 或制动力) 。在附着性能较差的路 面上，大的驱动力可能引起车轮急剧加速滑转，大的制动力可能引起车轮在路 面上滑移，这时路面切向反作用力并不很大，动力性和制动性能也未进一步提 高。由此可见，汽车的驱( 制) 动性能不只受动力装置“生力 的制约，还受 轮胎与路面“受力 ( 即附着条件) 的限制。 1 ) 附着力与附着系数1 们 路面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力圮，它与轮胎法向反作用力 f 成正比，常写成 最m 缸= 乞= 互伊奎x 嗽| t 2 量z 9 式中，妒称为附着系数，它是由路面与轮胎决定的。由作用在车轮上的转矩引 起的路面切向反作用力不能大于附着力，否则将发生驱动滑转和制动滑移现象， 即 f y f ，妒 这就是汽车行驶的附着条件。上式可写成 1 2 第2 章基本理论与基本原理 冬s 妒 t 式中争常被定义为附着率( 如无特别说明，以下均指纵向附着率) 肛，它表 ，z 征汽车驱( 制) 动时路面附着系数的利用率。 2 ) 滑转( 移) 率 由于轮胎受力后的弹性变形，车轮在路面上除纯滚动和纯滑动外，更多的 是既滚又滑。为了描述车轮的这种工作情况，引入滑转( 移) 率的概念。汽车 在驱动行驶时，驱动轮轮胎受力变形，致使轮胎接地点相对路面的速度快于车 轮中心( 车身) 相对路面的速度，驱动轮有发生滑转的趋势，处于既滚动又滑 转的状态。这时定义滑转率为 a ，( o r - v 1 0 0 u l 一 ( d r 式中，为车轮角速度，r 为车轮半径， ，为车身速度。 同理，汽车在制动时，制动轮轮胎受力变形，致使轮胎接地点相对路面的 速度慢于车轮中心( 车身) 相对路面的速度，制动轮有发生滑移的趋势，处于 既滚动又滑移的状态。这时定义滑移率为 a ：v - - ( o r 100xu u = 一 l ， 式中符号定义同上。 由以上定义可以看出，当车轮纯滚动时，滑转( 移) 率为零；当车轮纯滑 转时，车身速度为零，滑转率为1 0 0 t 当车轮纯滑移时，车轮角速度为零，滑 移率为1 0 0 ，可见，滑转( 移) 率充分反映了车轮与路面之间相对运动的情况， 即“滑的情况，是防滑控制的重要目标。 3 ) 附着率与滑转( 移) 率的关系 大量实验研究证实，在各种路面上，汽车轮胎的附着率与滑转( 移) 率存 在一定的关系，如图2 3 所示。 从图中可以看出，附着系数受路面性质的影响很大，随着路面性质的不同 而大幅度地变化。在各种路面上，汽车轮胎的附着率随滑转( 移) 率的变化而 变化，并且在某一滑转( 移) 率时达到最大值( 即路面的附着系数) 。分析轮 1 3 第2 章基本理论与基本原理 图2 3 轮胎的附着率与滑转( 移) 率关系曲线 胎的受力与运动可知，在某一路面上，驱动或制动车轮时，轮胎发生一定程度 的滑转或滑移，同时轮胎受到路面切向反作用力，这是正常现象，但是，当驱 动或制动车轮的力矩过大时，轮胎受到路面的切向反作用力超过附着极限，滑 转( 移) 率增大，发生明显滑转( 移) 现象，同时轮胎受到路面的切向反作用 力反而减小，汽车的驱( 制) 动性能变差，横向附着性能也随之变差，正所谓 “过犹不及 ，这是我们不希望看到的，也正是通过防滑控制所要避免的。 2 1 3 满足附着条件的一般控制方法 目前，在传统内燃机汽车上，防滑控制技术已经实用化，特别是制动防滑 ( 即制动防抱死a b s ) 已相当普遍，有的已经成为安全技术的强制标准。所用 的控制方法主要有： 1 、目标滑转( 移) 率控制。预先设定一目标滑( 转) 移率，实时测量车轮 角速度和车身速度，计算实际滑转( 移) 率，通过控制使实际滑转( 移) 率跟 踪目标滑转( 移) 率。这种控制方法简单，易于实现，但存在两大缺点：车身 速度难以测量( 即使能够测量，一般成本较高且精度较低) ；设定固定滑转( 移) 率不能适应不同路面最优滑转( 移) 率( 对应于附着率最大值) 不同的要求。 2 、车轮角加速度控制【1 1 】。预先设定车轮角加速度值的上限，当实时测得的 车轮角加速度大于此值时，认为车轮发生滑转( 移) ，随即进行控制，使车轮角 加速度低于所设上限。这种方法缺点很明显，车轮角加速度仅能笼统地反映车 轮滑转( 移) ，并不是车轮滑转( 移) 的确切表征，更不能确定最优滑转( 移) 1 4 第2 章基本理论与基本原理 率，所以控制效果并不理想，往往是顾此失彼，在本不应该控制的情况下却发 生控制作用，削弱汽车在高附着系数路面上的加速和制动性能。 3 、模型跟踪控制( m f c ) 4 1 【6 1 7 1 。以车轮纯滚动时车辆运行的动力学模型 为参考，通过控制使实际车辆运行情况跟踪理想模型的运行情况。由于理想模 型中车轮做纯滚动，这种控制方法可以很好的抑制车轮滑转( 移) ，但是它的目 标不是最优滑转( 移) 率，而是滑转( 移) 率为零，由附着率与滑转( 移) 率 的关系可知，目标附着率也为零，所以在实际使用时严重削弱了汽车的驱( 制) 动性能。 2 2 电机拖动及控制基本原理 发动机是传统汽车的动力部件，被称之为汽车的“心脏”，那么，电动机就 是电动汽车的“心脏，所以，掌握电动机拖动与控制的基本原理是研究电动汽 车各项技术的关键。本文的研究平台“春晖三号 微型电动车所用的轮毂 电机是永磁无刷直流电机，从模型建立到实车试验的整个研究过程中，该种电 动机始终是系统的执行机构，下面重点介绍永磁无刷直流电机及其控制的基本 原理。 2 2 1 永磁无刷直流电机的结构和性能 将采用径向永久磁铁做成的磁极插入直流电动机转子内部，或将瓦形磁铁 固定在转子表面上，转子不再用励磁绕组，磁路各向均匀，无需电刷和换向器 输入励磁电流，所以称为永磁无刷直流电机。无电刷、结构简单牢固、免维护 或少维护、尺寸小、质量轻，这是它固有的优点。 工作时，直接将方波电流输入定子中，这样电动机可以获得较大的转矩， 出力大、效率高也是这种电机的优点。但是，如果电流波形不好，会产生较大 的脉动转矩和冲击力，影响低速性能，电流损耗大，工作噪声大，所以对控制 的精度要求较高。 永磁无刷直流电机具有很高的功率密度和调速范围，在采用电流反馈控制 时，要比同样尺寸的永磁同步电动机输出功率大1 5 。 1 5 第2 章基本理论与基本原理 2 2 2 永磁无刷直流电机的数学模型 根据上述结构描述和电磁感应原理，可以得出如下的电压方程式： = r i o = r 屯 = r t 式中，“。，u 。定子绕组各相电压瞬时值； 乞，之定子绕组各相电流瞬时值； e 4 ，乞，e c 定子绕组各相电动势瞬时值； r 定子绕组各相的电阻； 定子绕组各相的自感； m 定子绕组任意两相间的互感； f 时间 永磁无刷电动机的电磁转矩表达式为 ，r( 巳乞+ + 巳之) l 2 、广 式中，q 为电动机转子的角速度。 在每相绕组的感应电动势和电流同相位的情况下，可推导出电磁转矩的公 式为 t e = k t 由im 式中，砗为转矩系数，为电动机每极气隙磁通量，j 。为相电流。 2 2 3 永磁无刷直流电机的控制及机械特性 由上述转矩公式可知，永磁无刷直流电机的机械特性与普通直流电动机相 同，保持端电压不变时是一条直线，这样的机械特性较“硬 。为了建立起工作 时的电流分配规律并获得适用的机械特性，需要对其进行控制。永磁无刷直流 1 6 巳 巳 + + + 织万以瓦堕出 m m m 一 一 一 工 l 乙 仁 仁 仁 第2 章基本理论与基本原理 电机的控制系统较为复杂，有多种控制策略，采用方波电流控制则较为简单， 驱动效率也最高。高速时可以通过“弱磁技术实现恒功率。 基本的控制系统由电容器、三向绝缘栅晶体管逆变器( i g b t ) 、转轴位置 检测器( p s ) 、电流检测器、逻辑控制单元、1 2 0 度导通型脉宽调制信号( p w m ) 发生器、驱动电路和一些其它电子器件共同组成。逻辑控制单元根据电流检测 器和控制指令发出调控信号，输入p w m 发生器后产生脉宽调制信号改变电流 的大小，同时根据转子位置自动换流改变向定子绕组的供电频率，控制逆变器 功率开关元件的导通规律。 由于存在永久磁场，永磁无刷直流电机不能采用直接控制磁通的办法实现 高速弱磁控制，在不改变结构的情况下一般有两种等效弱磁方法用于此。一种 是改变逆变器开关元件触发角使定子电流相位超前，使电枢电流产生的磁动势 与永磁磁动势不再垂直，从而削弱永磁磁场；另一种是通过软件控制定子绕组 电流，使电流分量建立一个与永磁磁场相反的磁场，来抵消一部分永磁磁场强 度。 永磁无刷直流电机控制系统如图2 4 所示。图中玑为供电电压，l 为回 路电感，q 为滤波电容，s ，& ，s ，s 。，s ，瓯为功率半导体开关，p w m 为三相脉 童觉崩盔泣r 乜动机控翻累缱 图2 4 永磁无刷直流电机控制系统 1 7 p ，毋不玉贾 班武 j 幺厶j f 参妒 叶蚺舛4 2 7 孕严吃矽 第2 章基本理论与基本原理 宽调制系统，v d , ，峨，v d 3 ，v d 4 ，慨，v d 6 为续流二极管，p m b d c 为永磁无刷直 流电机，堕皇扭缝麴焦置捡测噩：呵为给定电流，f 为反馈电流。 经过控制正常工作的永磁无刷直流电机机械特性实现了基速前恒转矩和基 速后恒功率，特性曲线如图2 5 所示。 力( d m i n ) 图2 5 永磁无刷直流电机特性曲线 2 3 模糊逻辑与模糊控制原理 控制器是控制系统中最核心的组成部分。前已述及，采用模糊控制方法是 基于对四轮( 独立) 驱动电动汽车进行认真、充分分析的，因此，模糊控制器 的设计是本文研究内容的核心。为此，简单介绍一下模糊逻辑理论、控制原理 及设计方法。 2 3 1 概述 控制理论经历了经典控制理论到现代控制理论的发展，已经相当成熟，但 是，对于现代复杂系统的控制，仍然十分有限，特别是对于那些难以用数学模 型精确描述或者在工作过程中不确定的系统，自动控制问题无法解决。于是， 人类回到生产实践中，寻求实现人的控制的自动控制理论与办法。1 9 6 5 年，美 国的l a z a d e h 仓t j 立了模糊集合论，1 9 7 3 年他又给出了模糊逻辑控制的定义和相 关的定理，给控制领域带来了新鲜的血液。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d