（动力机械及工程专业论文）电动汽车操纵稳定性控制的分析研究.pdf

中文摘要 电动汽车从出现至今，研究的重点一直在于提高整车的燃油经济性和降低捧 放，随着研究技术的不断发展，电动汽车对于维护能源安全和改善大气污染发挥 了积极的作用。而电动汽车的安全性能则较少被关注，由于它对于电动汽车稳定 性的提高和人民生命的安全至关重要，因此进行电动汽车安全性能方面的研究已 经成为必要。本文主要对如何提高电动汽车操纵稳定性作了一些积极的探索研究。 本文的研究对象是以夏利t j 7 1 0 1 为原型车进行改进的四轮驱动的电动汽车。 本文是在已验证的五自由度原型车动力学仿真模型的基础上，深入分析电动汽车 与原型车结构的差异。建立了七自由度的电动汽车整车动力学仿真模型，以此进 行研究工作的开展。 本文分析了差动制动时整车横摆力矩的变化情况，研究了滑移率和路面摩擦 系数对横摆力矩的影响，确定了制动力的分配原则，进行了控制系统的可观性分 析，并设计了状态观测器，完成了质心侧偏角的估算并对此估算结果进行了验证。 设计了带有车辆侧偏角和横摆角速度反馈的直接横摆力矩控制器，基于零侧偏角 的理想横摆模型，进行了前馈直接横摆力矩控制算法的研究以及基于反馈的l o r 和l q i 两种算法最优控制策略的设计对于车轮的滑移，设计了模型跟踪控制器， 制定了基于模型跟踪的防滑控制策略 针对阶跃和正弦两种典型的工况，将前馈控制与反馈控制相结合进行数值仿真， 结果显示前馈与反馈联合控制的方法能够很大程度的改善整车的操纵稳定性。针 对车辆在驱动和制动两种工况下发生滑移的现象进行了仿真，仿真结果表明所制 定的防滑控制策略可以有效降低车轮的滑移率，提高车辆行驶的稳定性与安全性。 关键词：电动汽车；稳定性控制；直接横摆力矩控制；防滑控制 北京交通大学硕士学位论文 f r o mt h ea p p e a r a n c eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l eu pt ot h ep r e s e n t , t h ek e y s t o n eo ft h e r e s e a r c hi sf o rg o o df u e le c o n o m ya n dl o we m i s s i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , t h ee l e c t r i cv e h i c l eh a sp l a y e da c t i v e a c t i o ni ni m p r o v i n gt h ee n e r g y s e c u r i t ya n da i rp o l l u t i o n t h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi s i m p o r t a n tt ot h es t a b i l i t yo ft h ev e h i c l ea n ds e c u r i t yo ft h ep e o p l e sl i f eh a sb e e np a i d l e s sa t t e n t i o ny e t , i ti sn e c e s s a r yt o 曲s o m er e s e a r c hi nt h ea s p e c to ft h es a f e t y p e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e s o m eg r o p i n gr e s e a r c hi nh o wt oi m p r o v et h e s t a b i l i t yo f t h ee l e c t r i cv e h i c l eh a sb e e nd o n ei nt h i st h e s i s t h eo b j e c to ft h er e s e a r c hi st h ef o u r - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi s a m e l i o r a t e df r o mp r o t o t y p ec a rx i a l it j 7 1 0 1 b a s e do rt h ef i v ef r e e d o md e g r e e s i m u l a t i o nm o d e lo fp r o t o t y p ec a rw h i c hh a sh nv a l i d a t e da n dt h ej n - d 印t ha n a l y s i so f t h ec o n f i g u r a t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee l e c t r i cv e h i c l ea n dp r o t o t y p ec 虬t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r i cv e h i c l ew i t hs e v e nf r e e d o md e g r e eh a sb e e nc o n s t r u c t e dt o k e e po nt h er e s e a r c h t h et r a n s f o r m a t i o no ft h ey a wm o m e n tu n d e rd i f f e r e n t i a lb r a k ea n dt h ei m p a c to f t h es l i pm t i oa n dr o a ds u r f a c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tt ot h ey a wm o m e n t 陀肥a n a l y z e d t h ed i s t r i b u t i o nm e t h o do ft h eb r a k ef o r c ew a sc o n f i r m e d a f t e ra n a l y z i n gt h e o b s e r v a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m , t h es t a t eo b s e l n e rw a sd e s i g n e d , t h ee v a l u a t i o no f t h es i d es l i pa n g l ew a s c o m p l e t e da n dr e s u l to ft h ee v a l u a t i o nw a l lv a l i d a t e d t h ed i r e c t y a wm o m e n tc o n t r o l l e rw i t ht h ef e e d b a c ko fs i d es l i pa n g l ea n dy a wm t ew a sd e s i g n e d b a s e do nt h ei d e a ly a wm o d e lo fz e r o - s i d es l i pa n g l e ，t h ec o n t r o la r i t h m e t i co ft h e f e e d f o r w a r dd i r e c ty a wm o m e n tw a ss t u d i e da n dt h eo p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yo fl o r a n dl o ! 曲t h eb a s i so ff e e d b a c kw a sd e s i g n e d f o rt h es l i po ft h ew h e e l m o d e l f o l l o w i n gc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e da n dt h ea n t i - s l i pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do i lt h em o d e l f o l l o w i n gw a sc o n f i r m e d s i m u l a t i o n sw e r ed o n eu n d e rt h et w ot y p i c a lc o n d i t i o n so ft h el e a pa n ds i n e ，u a m g t h ec o m b i n a t i o nc o n t r o lo ft h ef e e d f o r w a r da n df e e d b a c k t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e m e t h o do fc o m b i n a t i o nc o n t r o lc o u l d g r e a t l yi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e s i m u l a t i o n sw e r ea l s od o n et ot h es l i pp h e n o m e n au n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ed r i v i n g a n db r a k i n g t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ea n t i - s l i pc o n t r o ls t r a t e g yc o n f i r m e dc o u l d e f f e c t i v e l yr e d u c et h es l i pr a t i oo ft h ew h e e la n di m p r o v et h es t a b i f i t ya n ds a f e t yo ft h e e l c c t l 3 cv e h i c l e k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；s t a b i l i t yc o n t r o l ；d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o l ； a n t i - s l i pc o n t r o l 致谢 本论文的工作是在我的导师张欣教授以及刘溧副教授的悉心指导下完成的， 张欣教授和刘溧副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影 响从论文的选题、方案论证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整 个过程，都倾注了导师大量的心血。作者跟导师不仅学到了丰富的专业知识，而 且学会了如何思考，如何开展科研工作，如何做人。在此论文收稿之际，谨向导 师表示深深的敬意和衷心的感谢! 在研究生学习和工作期间，得到了贾力教授、徐宇工教授、宁智教授、李国 岫教授、刘建华高工、陈淑玲副教授、张良老师、张听老师、郭林福老师、胡准 庆老师的巨大帮助，在此一并表示衷心的感谢。 另外还要十分感谢李从心硕士、卢畅硕士、于海生硕士、8 0 6 的同学们等，以 及所有关心我、帮助我的朋友，感谢他们在学习、生活和论文工作过程中给我的 热情帮助和深深友谊，对此我将终生铭记 多年在外求学，离不开家人的支持和帮助，借此机会向我的父母、我的妹妹 表示深深的谢意。此外还要感谢我的男友周全对我的鼓励l 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 随着世界经济的飞速发展和汽车工业的蓬勃发展，汽车的保有量不断增长， 由此引发的对石油资源需求的急剧增加和环境污染对人类生活和社会发展的影响 越来越大据统计，我国人均能源资源占有量不到世界平均值的一半，石油资源 只占十分之一，2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨，2 0 0 5 年超过1 亿吨，相当于科 威特1 年的总产量，预计到2 0 4 0 年我国的能源总消费量将居世界首位，大约是现 在能源消费的5 倍有限的石油资源逐步成为汽车工业和国民经济可持续发展的 瓶颈；目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中，有7 个在中国，根据国家环保 中心预测2 0 1 0 年汽车尾气捧放将占空气污染源的6 4 i “。面对严竣的能源危机和 环境污染，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨世界上许多国家包括我 国都在认真思考汽车工业的未来发展。融合当代多种高新技术的电动汽车代表了 今后汽车发展的方向，研究与开发新一代汽车已成为跨国汽车公司和工业发达国 家发展战略中的重点 为维护我国能源安全，改善大气污染，提高我国汽车工业的竞争力，科技部 在。十五”国家8 6 3 计划中，特别设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车 技术作为我国汽车科技创新的主攻方向经过四年多的努力，电动汽车重大专项 经过三轮技术研发，自主研发出具有自主产权的实用化样车，整车的动力性、经 济性等指标与参考车型相比均有较大的提高。“十五”期间对于电动汽车的研究重 点主要在于提高整车的动力性和经济性，降低整车捧放，而对于安全性能方面的 研究则相对较少。 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，消费者对汽车安全性的关注越 来越多，因此提高汽车的操纵稳定性日益重要。汽车稳定性控制是通过车载控制 系统实时调整车辆的运行状态，使车辆能够按照驾驶员的意图行驶，并防止车辆 失稳的汽车主动安全装置。当车辆的运行状况处于极限状态时，由于此时轮胎处 于附着极限附近，车辆具有较强的非线性，而驾驶员普遍没有操纵非线性特性车 辆的经验，容易引起慌乱而发生事故。据德国保险业协会、汽车安全学会分析导 致严重伤亡交通事故的原因后的研究显示，车速在8 0 k m h 到l o o k n g h 之间行驶的 车辆发生的交通事故中，有大约4 0 的事故与车辆失去稳定有关；车速越高，由 于汽车失稳引发的交通事故所占的比例越大，因此寻找能够在汽车复杂行驶工况 北京交通大学硕士学位论文 下，特别是在轮胎跗着极艰下直接保障汽车稳定的控制系统对于减少交通事故， 特别是减少造成严重伤害的交通事故非常有效。为了防患于末然，在电动汽车的 相关技术研究已经相对成熟，投入产业化的准备之际，有必要进行电动汽车安全 性能方面的研究。 考虑到电机在控制性能方面的优势，即电机精确和快速的力矩响应特性，电 动汽车相对于内燃机汽车，并不仅仅是单纯的动力源的更替，其电气驱动可以为 汽车技术的全面进步发挥更为积极的作用。尤其是装备多个电机的电动车，由于 其特殊的奄置形式，即把驱动电祝安装在轮毂上形成电动轮直接驱动车轮的电动 汽车，在提高汽车操纵稳定性方面具有令人瞩目的潜力。这种轮毂式电动汽车的 结构紧凑、传动链极短、效率高，单电机集中式布局中所必须的机械差速器在多 电机驱动中自然省去，比机械差速性能更为理想的电子差速可望实现，便于应用 线控技术，驱动系统和整车结构简洁。通过合理分配和控制各电动轮的驱动力或 制动力，可以实现直接横摆力矩的控制，增强行驶的稳定性，提高加速极限性能 和恶劣路面条件下的行驶性能。 因此，以多电机驱动的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 业的发展，符合以信息化带动工业化的发展方向1 2 】。 本文的研究工作就是在上述的背景下开展的。本文选取某微型车为原型车， 在其基础上进行结构化的改进，研究四轮驱动的电动汽车的操纵稳定性的控制。 1 2 汽车操纵稳定性控制的发展及研究现状 随着电子技术的发展，利用控制技术提高汽车的行驶安全性一直是汽车领域 的研究热点。a b s 通过对车轮制动滑移率的控制提高侧向附着力来保证汽车制动 稳定性。6 0 年代末，美国三大汽车公司开始推出装有a b s 的高级轿车，随着数字 计算机和调节器技术的发展，a b s 性能和抗干扰能力不断增强，直到上世纪8 0 年 代中后期，a b s 在世界范围内得到了广泛地推广和应用。同样的原理，利用对车 轮驱动滑移率的限制来提高侧向附着力也可以改变汽车驱动时的稳定性。各种汽 车牵引力控制系统的专利在7 0 年代开始出现，直到1 9 8 5 年v o l v o 汽车公司把这 项技术转化为产品，但此系统仅通过调节发动机输出力矩控制驱动轮滑转，未采 用对制动系统的控制。1 9 8 6 年1 2 月，b o s c h 公司第一次将a b s 控制技术和a s r 控制技术相结合应用于m e r c e d e ss 级轿车上，从此开始了a b s a s r 集成控制的时 绪论 代。但a b s a s r 对汽车在极限转向、制动转向、驱动转向以及车辆受到外界干扰 等引起失稳时的纠正效果并不是十分明显。汽车稳定性控制突破了a b s a s r 的限 制，通过直接检测汽车的实时运行姿态进行控制，显著提高了控制效果，特别是 能显著提高汽车处于附着极限时的稳定性，因而大大减少了交通事故 3 1 。汽车稳 定性控制于上世纪9 0 年代开始提出，由于当时的汽车稳定性控制还处于概念阶段， 各个生产厂家根据自己系统的特点提出了各自的方法与名称。真正意义上的汽车 稳定性控制一般认为出现在1 9 9 5 年。在1 9 9 5 年，b o s c h 公司提出了v d c ( v f 灶t i e d y n a m i cc o n t r o l ，汽车动力学控制) 】的概念，b e n z 公司提出了e s p ( e l e c t r o n i c s t a b l i t yp r o g r a m ，汽车电子稳定程序) 的概念，丰田公司提出了v s c ( v e h i c l es t a b l i t y c o n t r o l ，汽车稳定性控制) 的概念，它们均采用了能直接测量汽车运行姿态的侧 向加速度传感器和横摆角速度传感器，使得稳定性控制系统的应用范围大大扩展。 从1 9 9 5 年至今，由于性能的不断改进以及成本的不断降低，汽车稳定性控制获得 了很快的发展，并开始作为选装件装备于一些中、高档轿车上。在汽车消费发达 国家，e s p 如今已算不上是新鲜事物，它在梅赛德斯奔驰、宝马、陆虎、奥迪、 大众等品牌的高档车上已用了很多年，美国和日本的豪华车也不例外。现在，e s p 不再是顶级豪华轿车的市场专利，它已普及到了北美、欧洲一些比较便宜的车型， 如福特福克斯、新款丰田c o r o l l a 、日产p d m e r a 、德国原装的p o l o 和许多轻型 卡车上。目前市场上有许多提高汽车操纵稳定性的电子控制装置：电控悬挂、四 轮轷向( 4 w s ) 、防抱死制动系统( a b s ) 、牵引力控制系统( t c s ) 、电子稳定性 程序( e s p v s c ) ，以及集成了多种控制方式的车辆动力学控制( v d c v d m ) 等。 图1 1 【珂为操纵稳定性控制的分类。它是根据各不同电子控制系统的特点将其 工作区域在轮胎附着椭圆中标注出来的，小圆内表示纵向力、侧向力均较小的轮 胎线性区域，环形表示较大附着力区域，大圆边界外侧附近表示极限附着力区域j 秭 f l 椭 图1 - 1 操纵稳定性控制的分类 3 膏量行t 一一 霉重行奠 北京交通大学硕十学位论文 对于操纵稳定性的研究，在国内基本还处于起步阶段。只有少数学者进行了 控制方法的仿真研究，而且由于试验条件的欠缺以及昂贵的试验费用，研究还不 十分深入。现在清华大学、上海交通大学、吉林大学、西北工业大学等高校和中 国重汽集团等企业正在丌展这方面的研究工作。 早期对于操纵稳定性的研究主要采用的是经典力学的分析方法，这种方法不 能对车辆的整体性能进行评价和分析，不能对汽车设计提供直接的指导。随着仿 真技术、仿真软件和仿真理论的逐步发展与成熟，与此相结合的操纵稳定性的研 究可以直接指导和参与汽车设计参数的设计和优化。这种设计方法在国外得到了 比较广泛的应用，在国内也正在逐步向实用化方向发展。 近些年来不断出现诸如人工神经网络、最优控制、模糊控制、虚拟现实等新 技术，将这些新技术逐步应用到操级稳定性研究中必将给操稳性研究带来质的飞 跃。在汽车操纵稳定性建模中，存在许多非线性环节，利用人工神经网络技术， 结合实验数据进行建模，则可更好地模拟实际汽车，更好地掌握操纵稳定性规律。 采用人工神经网络建立的轮胎力学模型，可以比较精确地反映轮胎侧偏特性，大 大提高建模精度；利用人工神经网络建立驾驶员模型，可采用不同时刻、不同距离 的汽车运动轨迹与预期轨迹的误差值作为输入，输出前轮转角，这可使操纵稳定 性仿真结果更接近于实际行驶试验。采用最优控制领域涌现的新寻优方法如遗传 算法及人t 神经网络设计的主动悬架，可以获得不同工况下悬架系统控制力的最 优值：利用最优控制、模糊控制或模糊神经网络设计的汽车制动防抱死( a b s ) 系统， 可使汽车制动时的制动效能及方向稳定性能获得极大的改善。利用虚拟现实技术 可实现汽车操纵稳定性分析结果的可视化，可进行不同道路工况下整车操纵性能 及驾驶员反应的研究，以及驾驶员训练等等。 随着仿真技术自身的不断发展以及仿真技术不断渗透到操纵稳定性研究之 中，必将使得建立的整车模型更逼近实车、且仿真结果、性能分析、指标评价具 有更好的实崩性。 1 3 电动汽车操纵稳定性控制的研究现状 当电动汽车运行在极限工况时就会有发生失稳的危险，此时进行稳定性控制 对于汽车的性能和行驶安全都具有重要意义。由于电机在控制性能方面的优势， 多电机驱动的电动汽车相比于传统的内燃机汽车而言，在操纵稳定性领域可以发 挥更为积极和灵活的作用。在加减速的过程中，电机转矩的响应时间大概在 1 1 0 m s ，而内燃机却达到5 0 0 m s ls ，前者响应快而精确，方向的改变也极为容易。 根据电流等参数可以比较容易求得电机的转矩，进而可以实时得到轮胎和路面之 绪论 间的驱动力或者制动力，甚至可以准确方便的估计路面的附着系数，优化防滑控 制性能；独立的电机驱动系统为实现直接横摆力矩的控制奠定了良好的基础。 国际上的一些研究机构根据电机的上述优点将多电机驱动的电动车的控制研 究分为两个内容： ( 1 ) “电子差速”，即如何在车辆转向过程中协调各电机的运动，使得各驱动 力能够按照运动约束具有不同的转速。如j u - s a n gl e e 研等人，以转向几何或经验 模型为出发点，进行驱动轮速度开环或闭环控制； ( 2 ) 以车辆动力学方程为出发点，引入横摆角速度等运动参量，通过适当的 转矩分配实现对电动汽车的横向运动控制甚至横、纵向集成控制，目前此类研究 已成为主流。 日本东京农工大学永井正夫( m a s a o n a g a i ) t 实验室对于多电机电动车的直接 横摆力偶矩控制、四轮转向与d y c 集成控制、主动转向与d y c 的集成控制等方法 进行了大量仿真研究，控制器设计主要采用线性二次型最优调节器进行显模型跟 踪。研制了双电动轮后驱动的“n o v e l 1 ”微型e v ，采用了线传操纵技术。在该 车上试验了牵引力控制、利用d y e 的航线保持、线传转向航线保持、线传转向系 变传动比以及外部扰动下的稳定性控制等。 东京大学的崛阳- - ( y o i c h ih o r i ) ”实验室先后研制了“u o t e l e c t r i cm a r c h ”和 “u o t e l e c t r i c m a r c hi i ”两种电动轿车。前者属传统单电机前驱动轿车，主要用 于电动车t c s a b s 的原理性先期研究与验证，成功实现了车轮滑动率的模型跟踪 控制和最优控制，利用驱动力观测器发展了一种新型的滑转检测方法。而后者装 备了4 个永磁同步电机，每个电机与行星齿轮箱、轮毅固定为一体。崛阳一实验室 在u o te l e c t r i cm a r c h i i 上进行了大量的运动控制研究，主要方法是d y c 与每个车 轮的“快速响应闭环”( 实际上即是t c s a b s ) 的结合，为此该车安装了光纤陀螺仪 等传感器以检测车辆的横摆和侧向运动。主要研究了基于m a r c hi i 的鲁棒的模型匹 配控制方法、横摆力偶矩控制及其与车轮防滑控制结合下的横向运动控制。崛阳 一实验室取得了丰硕的实验成果，有力的证明了多电机独立驱动电动车在运动控 制方面的优越性。 日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩1 4 1 教授领导的电动汽车研究小组在过 去的十几年中，一直以轮毅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。其中，1 9 9 1 年与东京电力共同开发的四座电动汽车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毅电机驱动，最高时速达 1 7 6 k m h 。1 9 9 7 年的双座微型电动汽车l u c i o l e 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毂电机独立驱动的八座电动大轿车k a z 。该研究小组的 北京交通大学硕士学位论文 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目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，继承a u t o n o m y 的理念一将行驶所需的伞部功能都包 括在薄底盘之内，在厚度仅为1 l 英寸的薄底盘中，包括了除燃料电池盒以外的所 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。 轮毂驱动式的电动汽车越来越引起人们的注意，各大汽车厂商也不断投入资 金进行研发，如丰田的f i n e n 和p m 、日本庆应大学研制的e l i i c a 、以及g m 公 司研究制的雪佛兰s 一1 0 等。 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。 1 4 选题意义及主要研究内容 “十五”期间，国家制定了“大力发展新一代汽车，实现产业化，促进我国 汽车工业实现跨越式发展”的战略性举措，并投资8 8 亿元设立“十五”8 6 3 电动 汽车重大专项，以促进电动汽车整车的研发和产业化。本课题是电动汽车研究的 后续延伸课题。在整车动力性和经济性都满足要求的基础上，为避免电动汽车在 行驶过程中可能发生的失稳现象而进行的电动汽车操纵稳定性控制的研究。利用 电机相对于传统内燃机在控制性能上的优势并采用四轮电机驱动的结构进行分析 研究。本文的控制策略的开发是在仿真条件下进行的，通过其有效性的验证可以 为今后的实车的控制器的开发提供基础。在改善我国空气质量，优化能源结构的 同时，提供良好的安全性能，进而不断完善整车的性能。 本文的研究工作是在以夏利t j 7 1 0 1 为原型车的基础上展开的。本论文的主要 研究内容包括如下几个方面： 6 绪论 1 、通过对汽车运动的分解和汽车自由度的分析并结合课题工作的需要，本文首先 针对原型车夏利t j 7 1 0 1 车型建立了五自由度的汽车动力学整车仿真模型，其 中包括汽车动力学整车运动方程的建立、轮胎模型的建立以及发动机模型的建 立。 2 、通过转向盘转角脉冲输入试验、蛇形操作试验和双移线操作试验，对比仿真结 果和实车试验的结果对所建立的五自由度汽车动力学整车仿真模型进行验证； 3 、针对电动汽车与原型车t j 7 1 0 1 的结构差异建立了七自由度电动汽车的整车动 力学仿真模型，对其动力源电机进行了选型及模型的建立，分析了电动汽车的 转向特性并研究了其质心位置对转向特性及稳定性的影响； 4 、建立了电动汽车的随动操纵控制模型，分析了车轮处于不同的工作点下，施加 的制动力与产生的横摆力矩之间的关系，研究了滑移率对横摆力矩的影响，制 定了前馈d y c 及反馈( 基于l q r 和l q i 两种最优算法) 的控制策略，建立了 状态观测器，利用其对质心侧偏角进行估算，选取阶跃和正弦两种典型工况下 进行了电动汽车直接横摆力矩控制的仿真研究； 5 、建立了线性滑移模型，研究了电机力与车轮速度之间的传递函数，据此设计了 模型跟踪控制器，制定了基于模型跟踪的防滑控制策略，设定驱动和制动工况， 对所制定的控制策略进行验证，结果显示其有效地降低了车轮的滑移率，达到 了防滑的目的，提高了车辆行驶的安全性。 7 北京交通大学硕十学位论文 2 汽车动力学整车仿真模型的建立及验证 2 1 汽车运动的分解 汽车的运动通常是指车身的运动。图2 1 描述了车身在空间运动的六个自由度 及坐标系。该坐标系固定在车身上，x 轴为车身纵向水平轴，方向向前，y 轴水平 向左，z 轴铅垂向上，构成一个右手直角坐标系，通常令三轴的交点与车辆的质心 重合。 幽2 1 车辆坐标系与汽车的主要运动形式 以车辆坐标系为基准，可将汽车的运动分解为：( 1 ) 沿x 轴的纵向运动；( 2 ) 沿 y 轴的侧向运动：( 3 ) 沿z 轴的垂直运动：( 4 ) 绕x 轴的侧倾运动；( 5 ) 绕y 轴的俯仰 运动；f 6 ) 绕z 轴的横摆运动。般认为汽车的横摆角速度和质心侧偏角是描述汽 车运动状态的重要参数，这两个参数能够在很大程度上表征汽车的稳定性。因此 在对汽车进行操纵稳定性的分析中主要考虑与这两个参数密切相关的纵向运动、 横摆运动和侧向运动。 2 2 五自由度的汽车动力学整车仿真模型的建立 在国内外现有的整车动力学的仿真设计中，有按照牛顿力学建立的模型，有 按照拉格朗同第一或第二方程建立的模型，还有按照多刚体动力学方法建立的模 型。其中，按照牛顿力学建立的模型最为多见，对于比较完善的模型而占，各种 力学原理有所交叉。 国内，郭孔辉院士建立了比较完善的1 2 自由度整车动力学模型，用于汽车在 转弯驱动制动输入下汽车的动态响应仿真研究。这1 2 个自由度分别为：整车纵向、 汽车动力学整车仿真模型的建立及验证 横向运动、四轮转动，车身俯仰，横摆、侧倾运动、车身垂向与左右轮的转向。 该模型分别涉及地面、车身坐标系，并引进轮胎在稳态纵滑侧偏联合工况下的半 经验模型，将汽车的内外受力比较全面地进行考虑。这个模型的另一个特点是对 汽车运动学关系和力学特性进行结合，包括考虑了前轮定位参数、汽车转向系统 的运动与力学特性，从而提供了仿真精度。缺点是模型比较复杂，一些参数的获 取在现实中比较难，比如轮胎模型，输入参数达1 4 9 个给实际运用带来不少困 难。同济汽车学院的雷雨成教授曾建过1 7 自由度的整车模型，比上述1 2 自由度 的模型多了转向拉杆和四个悬架绕度 国外汽车专家也建立了不少整车模型，韩国s u n gk y u nk w a nu n i v c r s i t y 的研 究学者s u b , m w 等人的半实物仿真中所建的九自由度模型模拟转弯制动，其中忽 略了车身的俯仰和侧倾运动，悬挂质量与非悬挂质量也没有相对运动此模型不 仅简单，而且仿真速度快，能满足实时仿真的要求 实际汽车是一个复杂的多体系统，简单的模型不能全面地描述汽车的各种运 动特征，也不能细致地分析汽车的质量、结构、弹性及阻尼特性对车辆输入输出 关系的影响和对汽车内部反馈作用的影响。例如，如果把汽车看作由个车身与 四个车轮组成，每个部分有空间六个自由度，就共有3 0 个自由度。然而汽车不仅 是五个刚体组成的系统，它还包括其他特性，如轮胎有侧偏特性，定位参数的影 响，非稳态特性；转向系统里有力输入，角输入特性；悬架机构又有其几何关系 的非线性，以及汽车空气动力学特性等。在实际建模的过程中，可以忽略与研究 工作无关的一些自由度和特性，根据需要选取合适的自由度进行多自由度非线性 汽车模型的建立最后依靠计算机的数值分析，得到有针对性结论。 本论文选取t j 7 1 0 1 为原型车，主要参数如表2 - 1 所示 参数符号单位数值 整备质量m k g 8 6 0 2 0 整车质量m蚝 1 1 8 5 2 d 轴距lm m2 3 4 0 3 0 前轮距 吐m m 1 3 8 5 3 0 后轮距 如m m 1 3 6 5 2 0 前轴荷e k g 5 0 0 士2 0 空载 后轴荷 五k g 3 6 0 2 0 9 北京交通大学硕士学位论文 表2 1t j t l 0 1 a u 主要参数( 续) 前轴荷k g6 1 0 2 0 满载 后轴荷k g 5 7 5 2 0 转动惯量 lz k g m m 1 2 9 1 0 s 此车型为前轮驱动，即两个驱动轮的旋转运动( 2 个自由度) ，在稳定性的分 析中，与质心侧偏角和横摆角速度密切相关的是纵向运动、侧向运动和横摆运动 ( 3 个车身自由度) ，因此本文将采用m a t l a b s i m u l i n k 建立原型车夏利t j 7 1 0 1 的5 自由度汽车动力学整车仿真模型，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 五自由度的汽车动力学整车仿真模型 2 2 1 汽车动力学整车运动方程的建立 图2 - 3 为将图2 - 1 的车辆坐标系投影到水平面的五自由度汽车模型，图中忽略 了前后轮距的微小差别。 根据达朗贝尔原理可以列出如下汽车的运动微分方程： 纵向运动： m 卜一v y l - 目一日- c o s 6 ，。+ 岛：c o s 6 ，：一f g 。s i n ，t 一易：s i n 6 ，z ( 2 - 1 ) 侧向运动： m f ；+ y 1 一b 一易。c o s 6 ，。+ 岛：c o s 6 ，：+ 巧, s i n 6 ，。+ 巧：s i n 6 ，：+ 矗。+ ： ( 2 - 2 ) 1 0 汽车动力学整车仿真模型的建立及验证 横摆运动： l ；一肼- f ，k 。s i n 6 f l + 巳：s i n 6 ，：+ 易，c o s 6 ，。+ f , f ：c o s 6 ，：) + 三k ：c o s c 5 , f 2 - - f # 。c o s 6 d - i 易。咖6 ，。一易：s i i l 6 ，：) 一吒+ b ：) ( 2 3 ) l | 一髻 l - d为 f l g 彳一。巧，弋 白k 一多绲 - p 一 j ， i 图2 - 3 五自由度汽车模型 驱动轮的旋转运动： f ，w 峨- t , l 一岛1 r f _ w 目- r , 2 一岛2 7 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中，、：分别为左、右前轮纵向力；p , ，、岛：分别为左、右前轮侧 向力；，、易：分别为左、右后轮侧向力；j ，l 、6 ，：分剐为两前轮偏转角；f ，、 z ，分别为前后轴与质心的距离；u 、v 分别为车辆的纵向速度和横向速度；j 。为车 辆绕z 轴的转动惯量；d 为轮距；l 为车轮的转动惯量；t 一、w ，m 分别为两前轮 的角加速度；l 。、瓦：分别为作用于两前轮的驱动力矩。 将车身速度在车轮中心平行于车身坐标系的方向进行分解，鄂可求得车轮中 心在车身坐标上的速度分量 啊h 一7 d 2 吒- l ，+ y f ， h 2 _ 球+ y d 2 ，叱- ，+ ， 吻一群一r a 2 ，码v r f ， h - “+ y d 2 ，v _ l ，一， 因此各轮胎的侧偏角的表达式为： u 北京交通大学硕士学位论文 一t a n 。t - - t a n 。1 ( 瑞卜 - t a n _ l v 21 - 2 = t a n 1 ( 端卜 口，t a n 。1 北n “( 舞) t a n 。北n 1 ( 蒜) 各轮垂真载荷表达如下： 乃12 砺刁愕一互口习脚j 一痂舢， - 7 4 2m 翻咿赤尚峨 匕1 。j 咖啷+ i f 习舢j 一痂撇， f，h h i ， f 2 。翻m g + j 硐m 口j + 痂m 口， 2 2 2 轮胎模型 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 m f 2 - 1 1 ) r 2 1 2 ) r 2 - 1 3 ) 轮胎是连接车辆与路面的唯一部件，除空气作用力外，车辆的其他所有外力 几乎都是轮胎和路面之间的相互作用产生的。轮胎的力学特性在车辆动力学研究 中具有重要的意义，它是决定车辆操纵稳定性，影响车辆制动安全性、行驶平顺性、 前轮摆振和车辆侧向振动等的重要特性。轮胎力学特性包括轮胎静态特性和轮胎 动态特性两个方面。从轮胎运动状态来分，轮胎动态特性可分为稳态特性( 静力 学特性) 和非稳态特性( 动态响应特性) ；从轮胎的作用方向来分，轮胎动态特 性又可分为侧偏特性( 转向特性) 、纵滑特性( 制动，驱动特性) 、垂直振动特性 和纵滑侧偏特性等。其中，轮胎侧偏特性的表达精度，是影响汽车动力学特性分 析精度的关键因素，轮胎稳态侧偏特性的研究在轮胎力学特性研究中占有重要的 位置。 随着计算机技术的快速发展及其在工程实际中的应用的不断深入，轮胎模型 的研究在稳态特性方面逐渐趋于完善，在非稳态特性方面也取得了显著的进展。 从建模的分析过程来看，有理论模型、半经验模型；从影响建模的因素来看，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；从轮胎力的 汽车动力学整车仿真模型的建立及验证 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。 本文所选取的工况有些是在轮胎的非线性区域行驶的，此时需要考虑轮胎的 纵向力和侧向力的联合作用以及相互影响，因此本文选取的轮胎模型为荷兰d e l f e 大学的h b p a c e j k a i i j 建的“m a g i cf o r m u l a ”魔术轮胎模型。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，较之纯理 论模型更为准确可信，但是不能很好的拟合出小侧偏情况下轮胎的侧偏特性，这 种缺点在实际的仿真过程中通过设定的工况可以避免 。m a g i cf o r m u l a 纯纵滑，侧偏工况模型的统一公式为： y - d s i n ( c a r c t a n b ( x + sx 1 一e ) + 层咖佃伍+ 瓯) ) ) + ( 2 1 4 ) 其中 y 一分别为侧向力觑、纵向力，t 或回正力矩肼： d 一为峰值因子，表示曲线的最大值； c 为形状特性因子； 丑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； z 一分别为侧偏角口，滑移率o r 层为曲线形态因子，决定曲线最大值附近的形状； 瓯为水平方向的漂移； 鼠为垂直方向的漂移。 ( 1 ) 纯纵向力 e d s i n ( c a i c t 觚口p + 瓯x 1 一e ) + e a r c t a n ( b ( o + 瓯) ) ) + 墨 ( 2 1 5 ) 其中盯! 掣为纵向滑移率，w 为轮速，r 为车轮半径，v 为车速； c - 6 0 ，d - i ，e ，p ，一饥e + b 2 ，丑c d b 霹+ 钆e 毗 e - b i f ：+ b 7 f z + b i ，s k - b 9 f z + b m - s ，一0 e 为车轮垂直载荷删) ；b o 一为纯纵滑条件下的特征参数。 ( 2 ) 纯侧向力 0 一d s i n ( c a l d a n 曰( a + s ) ( 1 一e ) + 层a r c i a n ( b ( a + 墨) ) ) + s ( 2 1 6 ) 式中口为侧偏角，单位：度； c。麓：-”c|：掰cd灯-a3sin12arctae n s ka , r 4 - s a l l4 - a ，n 枷 4 e + 4 ， l 4 ，e + 4 m ，- ，：+ 4 1 2 ，z l ，、。7 7 7 为侧倾角，单位为度；4 。一a 。为纯侧偏试验i - 况下的特征参数 ( 3 ) 回正力矩： 犯一d s i n ( c 蝴丑( 口+ s ) ( 1 一e ) + e a r c t a n ( b ( a + 瓯) ) ) + 鼠 ( 2 1 7 ) 其中：c - c o ，d - c l 巧+ c 2 ，z ，b c d - 【c 3 巧+ c 只x 1 一c 。k 幔 北京交通大学硕士学位论文 e 一( c ，? + c 。只- i - c 9 1 1 - - c 1 0 l y l ) ，s 。一c 。r + c 。：c + c 。， s ，= c 1 4 ，? + c 。，t b + c ；。e + c 。， 图2 - 4 为魔术公