基于4WS汽车横摆力矩控制的滑模干扰观测器研究毕业论文.doc

基于4WS汽车横摆力矩控制的滑模干扰观测器研究毕业论文目录独创性声明I摘 要IIAbstractIII目录IV第一章 绪论- 1 -1.1 四轮转向（4WS）- 1 -1.1.1 4WS简介- 1 -1.1.2 4WS原理及优点- 1 -1.1.3 4WS汽车发展概况与趋势- 2 -1.2 四轮驱动（4WD）- 5 -1.2.1 4WD简介- 5 -1.2.2 4WD汽车优缺点- 5 -1.2.3 4WD汽车发展概况与趋势- 6 -1.3 轮毂电机技术和直线步进电机控制转向力技术- 10 -1.3.1 轮毂电机技术- 10 -1.3.2 直线步进电机控制转向力技术- 11 -1.4 电子差速系统EDS- 12 -1.4.1 电子差速原理简介- 12 -1.4.2 轮毂电机应用与四轮驱动及电子差速的关系- 12 -1.4.3 四轮驱动结和四轮转向的电子差速计算式推导- 13 -1.4.4 电子差速转向实施的结构原理- 15 -1.5 本文的研究思路与内容- 16 -第二章 汽车动力学模型- 18 -2.1 汽车动力学简介- 18 -2.2 建立汽车模型的基本方法- 19 -2.2.1 集中质量- 20 -2.2.2 车辆坐标系- 20 -2.3 本文汽车建模方法及坐标系- 21 -2.3.1 方法- 21 -2.3.2 坐标系- 21 -2.4轮胎模型- 23 -2.4.1 轮胎接地点速度- 23 -2.4.2车轮滑移率和轮胎侧偏角- 29 -2.4.2.1 车轮滑移率计算- 30 -2.4.2.2 轮胎侧偏角计算- 30 -2.4.3 附着系数计算- 33 -2.4.4 附着力计算- 35 -2.4.5 轮胎特性- 37 -2.4.6 轮胎半径定义- 39 -2.5 整车模型- 40 -2.5.1 平动计算- 40 -2.5.2 转动计算- 43 -2.5.3 简化的双轨模型- 44 -2.5.4 简化的线性单轨模型- 47 -第三章 基于横摆角速度的4WS系统研究- 50 -3.1 建立模型- 50 -3.2 控制算法- 50 -3.3 基于Matlab/Simulink仿真- 51 -3.4 操纵稳定性分析- 54 -第四章 基于最优控制的4WS系统研究- 56 -4.1 最优控制概述- 56 -4.2 最优控制理论的发展- 56 -4.3 建立模型- 57 -4.4 能控性和能观性分析- 57 -4.5 基于Matlab的仿真- 59 -第五章 滑膜横摆力矩干扰观测器设计- 64 -5.1 滑模变结构控制- 64 -5.1.1 滑模变结构控制简介- 64 -5.1.2 变结构控制发展历史- 64 -5.1.3 滑模变结构控制系统的抖振问题- 65 -5.1.4 滑模观测器的研究- 67 -5.1.5 线性系统滑模控制简介- 67 -5.1.5.1 基本定义- 67 -5.1.5.2 切换方式与控制律- 68 -5.1.5.3 等价控制输入- 68 -5.2 状态观测器- 69 -5.2.1 观测器简介- 69 -5.2.2 观测器的原理与构成- 69 -5.2.3 状态观测器的存在条件- 71 -5.3 汽车参考模型- 72 -5.3.1 输入增益计算- 72 -5.3.2 参考动态的限制- 73 -5.3.3 速度依赖性实现- 74 -5.4 干扰观测器设计- 75 -5.4.1 系统描述- 75 -5.4.2 滑模控制实现- 75 -第六章 基于Matlab仿真分析- 78 -III东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论1.1 四轮转向（4WS）1.1.1 4WS简介 四轮转向在20世纪80年代中期开始发展，其目的是提高汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操作稳定性，在整个车速范围内提高车辆对转向输入的响应速度，改善在低速下的操纵轻便性，以及减小在停车场时的转弯半径，改善机动性。四轮转向汽车的后轮可以与前轮同向偏转，亦可以反向偏转，如图1.1所示。图1.1四轮转向前后转向控制同向控制模式中其转弯半径比两轮转向的转弯半径大。汽车在40km/h 以上行驶时，后轮同向偏转角为2.5。其作用是汽车在转向时车身与行驶方向的偏转角小，减少了汽车调整行驶转向时的旋转和侧滑，提高了操纵稳定性，且能保证汽车在潮湿路面上稳定地转向。反向（逆向）控制模式中其转弯半径比两轮转向的转弯半径小。低速时后轮逆向偏转角最大为5，适用于汽车驶入车库和在狭窄的拐角处转弯。随着车速的升高，后轮转向角变小，在车速达到达40km/h 时转向角变成0。1.1.2 4WS原理及优点四轮转向系统的基本原理是1，利用车辆行驶中的某项信息来控制后轮的转向角输入，以提高车辆的操纵稳定性。低速时，在后轮上附加一个与前轮转角反向的转角，可以减少车辆的转弯半径（如图1.1）。由Ackerman转向模型2，即可得出这样的结论-当前轮转角相同时，四轮转向车辆转弯半径明显小于前轮转向车辆的转弯半径，这就是说四轮转向车辆可以轻松的通过前轮转向车辆需多次反复倒车才能通过的地方。四轮转向系统在车辆转弯时能够基本保持车辆重心侧偏角为零。传统的前轮转向车辆在转弯时，车辆的前进方向与其纵向中心线的方向不一致，其夹角就是车辆重心侧偏角。汽车操纵稳定性的理想目标就是达到车身的零侧偏角。假定在某一车速下车辆重心侧偏角p=0，此时车辆的前进方向与车辆的纵向对称线一致。当低于这一车速时，重心向与前轮转角方向相同的方向偏移。当高于这一车速时，重心向与前轮转角方向相反的方向偏移。当后轮附加某一特定转角时，将产生与前述相反方向重心侧偏角，与前轮产生的重心侧偏角叠加，使车辆侧偏角基本为零，即低速度时，后轮与前轮方向相反；中速时，后轮保持直行；高速时，后轮与前轮方向相同。这样，高速时，可保证更高的稳定性，使汽车即使在恶劣路面条件下也能在直行、转向或闪避时保持稳定的操纵响应，提高汽车的主动安全性。车辆对轨迹的跟踪性得到了极大的改善。综上所述，与传统的二轮转向(2WS)系统相比，四轮转向系统具有很大的优点。从驾驶的观点看，四轮转向具有以下优点：转向能力强。车辆在高速行驶时以及在湿滑路面上的转向特性更加稳定和可控，高速紧急避让时，车体较少甩尾，减小了车体扫过的包线面积，从而减少了碰撞的可能性；转向响应迅速。在整个车速变化范围内，车辆对转向输入的响应更迅速、更准确；行驶稳定性提高。在高速工况下车辆的直线行驶稳定性提高，路面不平度和侧风对车辆行驶稳定性的不利影响减小，车辆高速行驶换车道的稳定性提高；低速机动性好。低速时后轮朝前轮偏转方向的反向偏转，车辆的转弯半径将大大减小。因而在道路狭窄及停放车辆时，更容易操纵车辆。1.1.3 4WS汽车发展概况与趋势20世纪初至20世纪八十年代3这一阶段主要是4WS系统的萌芽和初步应用。在上世纪初，人们就设想通过采用前后轮同时转向的办法来减小汽车转弯时的半径。1907年，日本政府颁发了第一个关于四轮转向系统的专利，这种结构通过一根轴将前后轮的转向机构连接起来。当车辆低速行驶转向时，后轮与前转向轮反相转向来获得较小的转弯半径，以提高车辆的机动灵活性，故这种结构最初应用于对车辆的机动性要求高的军用车辆和工程车辆。20世纪八十年代后期至20世纪90年代这一阶段主要是4WS系统的快速发展及应用。随着对车辆动力学的研究的深入，尤其是认识到4WS系统对提高车辆高速的操纵稳定性有重要意义，世界各大汽车公司加大了对该项技术的研究与开发，尤以日本的研发引人瞩目。Mazda公司于1987年率先研制出车速感应式4WS系统并装备轿车，之后各大汽车公司和科研院所依据当时的科技水平，就结构形式和控制策略研究出形式各异的4WS系统4。4WS系统类型的划分也主要依据这一阶段的有关产品。20世纪90年代至今该阶段主要是底盘综合控制的研究。由于近年来欧美和日本等国家对自动高速公路系统(Automated highway System，简称AHS)及智能汽车系统(Intdligent Vehicle System，简称IVS)等重大项目的重视，各国科研人员从驾驶员一车辆一环境闭环系统出发，综合研究汽车的纵向、侧向和垂向的动力学控制56，其核心技术即为4WS、主动悬架控制(Active Suspension Control)、TCS(Traction Control System，牵引力控制系统)和ESP(Electric Stabitity Programme，电子稳定系统)等车辆动力学控制系统。毫无疑问，包含以上几项技术的底盘综合系统将产生1+12的结果，可以更有效改善汽车的各项性能。当然，它还在不断发展和完善中。大体上说，国内外对4WS的研究。一般均把汽车模型看作线性二自由度“自行车”模型，只研究向心加速度和绕汽车纵轴的旋转，控制形式主要有以下两种7：1)“车速感应型”：当车速小于某一数值时(一般为45-55 kmh)时，前后轮转向相反；而当车速高于该数值时，前后轮转向相同。2)“转角感应型”：当转角小于某一角度(如；“本田”4WS为24度)时，前后轮转向相同；当大于该角度时，转向相反。控制策略主要有三种8：比例控制、动态补偿控制和主动控制，其中比例控制又分为前馈控制(前后轮转向角与车速依存式)和反馈控制(将车辆的运行状态反馈到控制系统，自动调节后轮转向角)；动态补偿式也分为前馈控制(转向角动态补偿)和反馈控制(转向力矩动态补偿)；主动控制则要求横摆速率中、高速时提高稳定性和转向响应性，低速时提高小转弯大转向角转向操纵性。早期的样车有：本田汽车公司的4WS是控制前后轮的转向角，马自达汽车公司的4WS是由车速直接控制前后轮的转向角之比，日产汽车公司的4WS是动态的对质心侧偏角进行补偿，大众汽车公司的4WS是调节横摆角速度。由于对四轮转向的许多问题还研究得不够深入，因此，为了安全起见，这些车型基本采用机械装置或简单的电器装置，而且以上这些研究都只是针对转向角一旦确定就不再改变的情形。同时对于所研究的汽车模型，均假设为线性二自由度简化模型进行，并未考虑动态驾驶中汽车的动力学特性。我国开展汽车四轮转向技术研究相对较晚，80年代末和90年代初开始有文章探讨4WS问题910，90年代末，上海交大、浙江大学开始进行4WS控制方法的研究。进入二十一世纪以来，国内相继有北京理工大学、天津大学、辽宁工学院、东南大学、哈尔滨工业大学等高校在学术刊物上发表4WS技术的论文，尤其北京理工大学和上海交通大学进行比较深入的研究工作，分析国内外对4WS的研究情况，发现存在以下一些问题：a大多数研究者所采用的力学模型是基于两轮车系统二自由度线性转向模型，因此与实际四轮车的转向情况有一定的差别。这种差别将影响四轮转向控制策略的准确性，难于达到理想的四轮转向性能。b转向模式一般只采用两种：逆相位转向和同相位转向，显然仅靠这两种很粗的模式难于满足在各种不同的弯道、不同车速、不同车轮状态、不同车辆载荷情况下车辆进行转弯、掉头、换道时对转向的要求。c4WS控制策略智能性不高。目前所采用的控制方法主要有：定前、后轮转向比的4WS控制技术，前、后轮转向比是车速函数的4WS转向技术。还需要在自学习能力，自适应能力和最优控制、模糊控制等智能控制技术上下功夫，寻找较为理想的智能控制方法和技术，尤其是把各种智能技术综合运用于4WS系统的控制中。在技术相对成熟的4WS汽车中，大多数采用电控液压动力4WS系统。但由于液压动力系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在转向过程中存在着响应滞后的固有缺陷，使得电控液压式4WS系统在适应现代4WS汽车的转向灵敏性、准确性方面受到了束缚，不能满足汽车高速行驶稳定性的要求。随着现代电子技术、电机技术的飞速发展和应用，电控电动式4WS系统在技术上的不断完善，在转向控制性能、系统布置、节能等方面越来越显示了其优越性，应用前景广阔，必将取代电控液压式4WS系统，成为4WS系统发展的主流。虽然在4WS系统的研究和开发方面已经取得了很大的进展，但是，作为4WS系统的核心技术问题4WS系统控制器的设计，究竟以什么作为最佳的控制目标?采用什么样的控制方法?在该研究领域仍然没有较为一致的看法。早期进行的4WS系统的研究都是基于一个简单的4WS控制器设计，且都是基于跟随线性动力学方程的假设，采用PID控制策略。4WS系统的控制主要依赖于轮胎所受的横向力。早期的研究是将汽车轮胎受力与变形之间的关系看成线性进行建模的，一般的4WS控制也就基于轮胎所受的横向力比例于车轮侧偏角的假设，但实际上这种假设只是在横向加速度较小的范围内有效。当在横向加速度较大的范围内时，轮胎的侧偏特性将进入非线性区域，轮胎侧偏角对轮胎所受横向力的响应不再呈比例关系，与轮胎所受的纵向力、垂直载荷等都有关系。实际上，汽车在转弯行驶时，轮胎基本上都工作在非线性区域。此时，再用线性控制理论来进行研究，就显得勉为其难。4WS汽车操纵动力学问题是非常复杂的非线性多体动力学问题，对于4WS控制系统的研究应综合考虑汽车的运动情况，深入研究影响其状态响应的各种动力学参数，建立汽车实际运动情况的数学模型，采取更有效的控制策略。随着控制技术的不断发展，一些先进的现代控制方法已经被应用于4WS系统的控制研究中，如最优控制、自适应控制、模糊控制、基于人工神经网络理论的控制方法等。对4WS控制系统的研究逐渐从线性领域向非线性领域过渡，一些多自由度的4WS汽车动力学模型已有人提出，但大多处于研究的初级阶段，尚不成熟。毫无疑问，4WS系统是我国汽车制造业在不久的将来会开始应用的一项技术，4WS控制技术的研究将对我国开发和设计具有自主知识产权的4WS系统提供核心技术，具有良好的市场和发展前景。1.2 四轮驱动（4WD）1.2.1 4WD简介4轮驱动，是指汽车前后轮都有动力。可按行驶路面状态不同而将发动机输出扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高汽车的行驶能力。四轮驱动汽车的结构是将发动机产生的动力传递给变速器，然后利用分动器把动力分配给前后传动轴，接着通过传动轴将动力传递给前后差速器，与各个差速器相连接的半轴使四个轮胎旋转。这样一来，发动机的动力被分配给四个车轮，遇到路况不好才不易出现车轮打滑，汽车的通过能力得到相当大地改善。四轮驱动汽车与两轮驱动汽车的最大差别在于：FF车型会因为轮子的空转而转向不足，偏离了弯道，而FR车型则会甩尾，而四轮驱动则由于各个轮子的动力分配是自动的，就不会存在上面这种问题。四轮驱动系统分为两个大类别：主动与被动。但目的不外乎只有一个，就是把动力从空转打滑的轮子移走，然后再重新分配到抓地力较大的轮子上。被动式的四轮驱动系统，采用的是机械式的分动装置，例如齿轮式的扭力感应差速器奥迪的Quattro，或者油压式的分动器保时捷的911 Turbo，该系统是在车轮发生空转以后才介入的。而主动式的四轮驱动系统，是通过由电脑控制的多碟式离合器来介入的，例如大众的4 Motion，电脑会不断收集轮胎的转速与油门的大小等数据，在轮胎发生空转以前就把扭力分配好。四驱车的造价比两驱车高得多，一辆四驱车必须采用3个差速器，其中一个安置于前后传动轴之间，而另两个则分别安置在前后半轴之间。正是因为价格的原因，汽车制造商无法将四驱车型全面推向民用市场。另外，四轮驱动车的燃油经济型比较差，在民用市场上推广受到了很多掣肘。1.2.2 4WD汽车优缺点四轮驱动的车辆尤其是常四轮驱动车辆具有优越的行驶性能， 其具体优点如下。1、提高通过性：由于四轮驱动车辆的四个车轮都传递动力，所以车辆所获得的驱动力是两轮驱动的2倍。且前后轮相互支持，这样大大提高了在湿滑冰雪路面和凹凸不平路面的通过性。2、提高爬坡性：同理，四轮驱动的车辆可以爬上两轮驱动车辆爬不上去的陡坡。3、转弯性能极佳：轮胎的附着力与传输至道路的动力大小有密切的关系，随动力的增大，轮胎的转弯力趋向减小。动力减小，转弯力升高，提高湿滑路面与变换车道时的性能。4、启动和加速性能极佳：四轮驱动的车辆，发动机功率平均传递至所有四个车轮，四个车轮的附着力都可以被有效利用。所以即使猛然将加速踏板踩到底，车轮也不可能空转，从而提高了车辆的启动和加速性能。5、直线行驶稳定性：由于每个车轮的剩余附着力升高，所以车轮抗外界扰动的能力得到增强。因此常四轮驱动显示出优越的方向稳定性。当然四轮驱动的车辆也并非十全十美，其缺点是结构复杂、重量增加、成本升高、震动和噪音略有升高、油耗增加。可见四轮驱动的优越性远远超过了其缺点。1.2.3 4WD汽车发展概况与趋势从汽油机汽车诞生的一百多年历史的最初时刻，人们就开始考虑试制四轮驱动汽车。严格的说，在很久以前，即在蒸气机汽车时代，就已有了装用蒸气机的四轮驱动汽车。在20世纪初期，四轮驱动汽车便开始制造、销售了。主要原因是道路条件差，四轮驱动汽车应运而生。当时，四轮驱动汽车的结构和现在的汽车基本相同。几乎所有的四轮驱动都装用了中间差速器，是真正的常时四轮驱动。但是，和现代的中间差速器式四轮驱动汽车相比，二者的性能和可靠性相差甚远。当时四轮驱动汽车不能实用化的一个关键因素，是大连接角的前轮等速联轴节还没有研制出来。在两次世界大战期间，交通技术得到了飞速发展。在19141918年的第一次世界大战中，为了运送大量的兵员和武器弹药，已经使用了四轮驱动载重车，其运动性和可靠性已超出马车之上了。在19391945年的第二次世界大战中，四轮驱动军用车辆成为了机动部队的交通工具，在战争中广泛使用，尤其是产量达到64万辆的吉普车更是名声远扬。当时的吉普车并没有采用什么象样的新机构，它只是把以往已被确认为可靠的普通结构，根据使用目的非常均衡地组合起来。由于吉普车是一种军用车辆，所以要求其结构简单、可靠。采用了当时还不多见的短时四轮驱动结构。在吉普车以外的军用车辆中，也有的采用了中间差速器锁死式的四轮驱动结构，这是一种常时四轮驱动。战后，许多人认识到了吉普车的威力，力图把吉普车的优越性能用于其他运输领域。特别在美国，这种趋势十分明显，社会广泛需求各种用途的四轮驱动汽车。这种汽车不单纯是作为越野车使用，更多的是应用于野营、运输、通勤和售物等，用途多种多样。这样，在战争中发展起来的越野四轮驱动汽车，战后分别向不同方向发展，有的向商业用车方向发展，有的则向旅游用车方向发展。这些汽车虽然是越野车，但却有小客车的豪华设备，一般称之为休假或消闲用车，使用范围十分广泛，直至今日仍然如此。在本世纪30年代，人们做出了种种尝试，开发了搭载有大功率发动机的四轮驱动运动车和赛车。欧洲的汽车大奖赛和美国的印第安纳波利斯国际汽车大奖赛，是这些车辆表演的舞台。在这些车辆中，大多数装用了中间差速器，有的还装用了差速锁死装置。这二类汽车都是常时四轮驱动汽车。然而，与预期的目的相背离，本应能高速行驶的四轮驱动赛车，却没有能在大赛中创造出好的成绩。在这一时期，汽车本身还不是成熟的产品，再加上四轮驱动汽车是一种更为复杂，更不成熟的结构，这就是失败的原因所在。为了提高四轮驱动汽车的技术水平，需要总结其失败的经验，增加开发的投入，当然也需要一定的时间。从30年代之后，四轮驱动赛车在世界方程式大赛中长期消声匿迹。到1966年四轮驱动赛车再次出场参赛。原因是这一年对参赛汽车排量限制提高了，过去参赛发动机排量限制在1.5L以下，这一年提高到了3.0L。这样发动机的功率一下子提高了许多，如何将这样大的动力通过轮胎传递给路面呢?最好的解决办法是采用四轮驱动，于是各参赛队争相采用四轮驱动赛车。在二轮驱动赛车上，如果汽车的驱动力过大，超过了轮胎和路面的最大摩擦力，轮胎将出现打滑空转，反而降低了轮胎的驱动力。使用四轮驱动后，每个轮胎所承担的驱动力变小，可以提高汽车的加速性。此外，由于轮胎的驱动力变小，使汽车具有较大的转弯力储备，汽车在转向时仍可加速，高速转弯。理论上是这样，但实际上并非如此。在该年度的方程式汽车大奖赛中，四轮驱动汽车并未夺冠。主要原因有二个，一个是四轮驱动传动效率低，动力损失大。另一个是四轮驱动汽车转向性不好，例如后轮驱动汽车在弯道上可以紧急加速，使汽车后驱动轮侧滑，调整汽车在转弯中的姿势，而四轮驱动则不行。诸如此类的不利因素，抵消掉了四轮驱动的优点。除了上述原因之外，是二轮驱动赛车采用了一种新型大轮胎，这种轮胎能极大地提高其对地面的附着力。再加上空气阻力很小的车身形状，并在车身后面追加平衡尾翼，使汽车产生强大的下压力，极大地提高了二轮驱动赛车的牵引力。在这一历史背景下，四轮驱动赛车永远地离开了方程式赛车世界。虽然四轮驱动汽车在60年代的方程式汽车大赛中失利了，但是进入80年代之后，在汽车拉力赛中却取得了很大的成功。首先是增压发动机技术的飞跃发展，可以在规定的条件内达到更大的功率。其次是比赛场地不同，拉力赛车主要行驶在非铺装路面上，如土路、泥泞路、积雪路、结冰路，在这些路面上，二轮驱动的驱动轮胎是二个。其地面附着力远远小于大功率发动机的输出动力。拉力赛车与方程式赛车比赛条件不一样，当将强大的功率分配给四个驱动轮时，效果十分突出，可以弥补四轮驱动的其他弱点。直到此时，才使人们认识到，四轮驱动汽车是一种有利于高速行驶的结构形式。在拉力汽车赛中，四轮驱动汽车一统天下的局面出现后，四轮驱动技术的竞争也就开始了。也就是在此时此刻很多新技术和新装置都试图应用于四轮驱动汽车，而有关此类汽车的新知识也大为增加。在这一时期常时四轮驱动汽车的些新装置纷纷问世，例如在中间差速器差动限制式四轮驱动汽车上，使用了粘性联轴节和电控液压多片离合器，这样就能控制四轮驱动力的前后分配。所有这一切都对以后的四轮驱动汽车的实用普及以及性能的提高起到很大的作用。与四轮驱动汽车在拉力赛中取得优异成绩的同时，轿车和轻型车等道路用车的四轮驱动化也急速普及开来。在最初的阶段，短时四轮驱动较多，不久，常时四轮驱动便占了多数。从技术上说四轮驱动化急速普及的原因主要有如下几点：第一是前轮驱动汽车的普及发展，取代了以往一直占主导地位的后轮驱动汽车，其数量急速增加，而前轮驱动汽车非常容易实现四轮驱动；第二是大连接角的等速联轴节实用化了，而且价格便宜，质量上乘。过去在将前轮驱动改造成四轮驱动时，这是一个十分难以解决的技术难题。第三是粘性联轴节实现了商品化。在四轮驱动上装用了粘性联轴节之后，极大地提高了汽车的操纵性。最初，在多冰雪地区和无铺装路面地区，已出现了一些多用途的四轮驱动汽车，例如家庭轿车和轻型车。这时的四轮驱动汽车都是实用性较强的生活用车，而且以短时四轮驱动为主。当时还处于四轮驱动的早期历史阶段，这些实用四轮驱动汽车需要熟练技术的驾驶员才能操纵。由于都是过去积累的技术，可靠性较高，成本提高幅度不大。在当时，这种短时四轮驱动已经很理想了。此后，四轮驱动汽车的需求逐渐增多。例如在降雪较少的地区，一旦降起雪来就会造成极大的混乱。有的人为了应付这种局面，作为一种保险手段而购置了四轮驱动汽车；又如有的人想去探险旅行(实际上是否真去另当别论)，购买了四轮驱动轿车或其派生的面包车。诸如此类的现象屡屡多见。最后在城市中也出现了很多四轮驱动汽车。随着四轮驱动技术上的问题不断解决，高性能轿车和运动汽车也开始四轮驱动化了。这类汽车大都装用了大功率的发动机，为了提高汽车的牵引性能，开始采用四轮驱动系结果使市场上出现了一批高性能四轮驱动汽车。高性能轿车使用了各种结构设计方法和控制手段，力图按着汽车行驶状况和道路条件。把驱动扭矩合理地分配给前后车轮，全面地提高了汽车的各项行驶性能。把二轮驱动汽车改造成四轮驱动汽车之后，汽车的转向性将出现若干变化。这是由于汽车的转向性与汽车的牵引力二者息息相关。例如，汽车为了获得最大加速性，其直线行驶的前后轮驱动扭矩分配比，和转弯时的前后轮扭矩分配比不一样。如果汽车是四轮转向的话，这种差异就更大。在较滑的冰雪路面上，汽车在急加速时容易使轮胎打滑空转。为了防止发生这种现象，许多汽车已经开始采用驱动力控制系统了。如果四轮驱动汽车也能采用驱动力控制系统，就能获得性能更高的汽车。在四轮驱动汽车上，为了最大限度地利用轮胎的附着力提高汽车的各项性能现在设计人员已把四轮驱动系看成整车控制中的一环，从整车角度综合控制四轮驱动系。就用户需求而言，直至20世纪70年代中期之前11，四轮驱动汽车的需求范围还是极其有限的。其用户仅限于从城市去滑雪场的滑雪爱好者和以越野赛车为乐趣的一部分赛车手，此外还包括在积雪地带生活的一部分人。然而，进入70年代后期，四轮驱动汽车的良好越野性和其安全性越来越被人们所注目，由于它具有丰富多彩的汽车娱乐性能，已成为都市派新感觉的一种时髦商品，这样，其用户层急剧增加了。目前，不仅一般轿车，甚至从轻型车到厢式车的几乎所有车种，都有四轮驱动车。而且其主要属性也在改变，即从时髦商品时代向功能商品时代转换。同时四轮驱动作为汽车结构的重要总成之一，也被人们普遍承认了。随着四轮驱动技术上的问题不断解决，高性能轿车和运动汽车也开始四轮驱动化了。这类汽车大都装用了大功率的发动机，为了提高汽车的牵引性能，开始采用四轮驱动系结果使市场上出现了一批高性能四轮驱动汽车。高性能轿车使用了各种结构设计方法和控制手段，力图按着汽车行驶状况和道路条件把驱动扭矩合理地分配给前后车轮，全面地提高了汽车的各项行驶性能。把二轮驱动汽车改造成四轮驱动汽车之后，汽车的转向性将出现若干变化。这是由于汽车的转向性与汽车的牵引力二者息息相关。例如，汽车为了获得最大加速性，其直线行驶的前后轮驱动扭矩分配比，和转弯时的前后轮扭矩分配比不一样。如果汽车是四轮转向的话，这种差异就更大。在较滑的冰雪路面上，汽车在急加速时容易使轮胎打滑空转。为了防止发生这种现象，许多汽车已经开始采用驱动力控制系统了。如果四轮驱动汽车也能采用驱动力控制系统，就能获得性能更高的汽车。在四轮驱动汽车上，为了最大限度地利用轮胎的附着力提高汽车的各项性能现在设计人员已把四轮驱动系看成整车控制中的一环，从整车角度综合控制四轮驱动系。1.3 轮毂电机技术和直线步进电机控制转向力技术 1.3.1 轮毂电机技术轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机技术并非新生事物，早在1900年，就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而对于乘用车所用的轮毂电机，日系厂商对于此项技术研发开展较早，目前处于领先地位，包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速在1000-1500r/min，无减速装置，车轮的转速与电机相同；而内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。与集中电机驱动相比，轮毂电机驱动具备较大的优势，主要表现为：(1)采用轮毂电机驱动，动力传动的硬件连接改为软连接形式，省略了传统汽车所需的离合器、变速器、机械操纵换挡装置、传动轴和机械差速器等汽车结构大为简化，车辆空间利用率大大提高，整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。(2)采用轮毂电机驱动，各电动轮的驱动力可以直接动力可控，其动力学控制更为方便和灵活，特别是两侧的驱动轮之间没有刚性连接轴，不需要传统汽车的机械差速器，在车辆转弯时可通过分别调节两侧驱动轮的转速实现差速功能，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值。(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动，各电动轮之间也容易实现灵活的协调配合，可减少传动中的机械磨损和损耗，提高传动效率。(4)纯电动、燃料电池、增程电动车等电力驱动的新能源汽车车型都可以采用轮毂电机驱动方式。另外制动能量回收(即再生制动)也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现，功率密度比传统解决方案优越。当然，轮毂电机驱动也存在着一些不尽人意的地方，如增大了避震弹簧下质量和轮毂的转动惯量。对密封有较高要求，同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热、防水等问题。另外，轮毂电机关键核心元器件(如大功率集成模块IGBT、IPM等)以及控制器全部需要从国外进口12，这对于我国电动汽车以后的技术扩展和产业化推广将带来一定的制约。在新能源汽车中，轮毂电机驱动是一种全新的驱动形式，与集中电机驱动方式相比，不需要复杂的机械传动系统控制更为灵活。布局更为自由，具备明显的优势，已成为新能源汽车驱动技术的一个重要发展方向。随着我国科学技术水平的不断提高，轮毂电机驱动技术在新能源车上的大规模应用前景广阔。1.3.2 直线步进电机控制转向力技术用直线步进电机控制的转向系统是在电子控制电动助力转向系统EPS13基础上进一步改进而成，即用直线步进电机来替代EPS用旋转电机对转向器中齿条的助力，省去了电磁离合器、减速机构及其传动件，使其结构更紧凑、控制更直接、响应更快。也为更方便地实施高性能的四轮转向(4WS)机构，在此提出两种结构：由直线步进电机控制转向助力的系统可用于传统二轮转向(2WS)系统或四轮转向(4WS)的前轮转向机构；由直线步进电机控制转向力的系统主要用于四轮转向的后轮转向机构。现分别说明如下。（1）用直线步进电机控制转向助力的汽车转向系统直线步进电机的动件直接与转向器齿条相连，整个直线步进电机套装在转向器齿条机构上，几乎不占用空间。它也是在原先结构最简单的无助力机械转向系中增加一台直线步进电机，由直线步进电机的直线推力来直接助力驾驶员对转向器的操纵力矩，由于对转向器的助力并不很大，齿条的直线位移量也不长，用一台小型直线步进电机足以驱动。其控制原理与EPS基本类同，只不过对电机的驱动需改用步进电机脉冲分配方式。具体实施可参照有关EPS13中的电子控制器ECU与其控制逻辑等进行，并借用EPS相关传感器。即根据转向盘转角信号控制直线步进电动机位移量，利用转向轮转角信号来实现闭环控制，精确控制其位移量，根据车速进行相应的助力。在低速时给予较大助力，随车速提高而减小助力，车速高到一定范围时停止助力，而在汽车高速行驶时又希望能对转向系统有一种“反向”助力，即适当增加转向系的阻尼。这一点对于现有的转向系较难做到，而采用直线步进电机助力就很容易实现，根据直线步进电机工作原理可知，只要保持其电机的通电状态即可使该直线位移装置具有一定自锁力，控制其通电电流大小即可改变定、动件之问的磁拉力大小。从而可按车速信号根据要求来控制其转向助力的大小，随着车速的提高即减小绕组通电电流，其转向助力也随之减小；当车速高于相应速度(一般为30kmh)时就取消给转向系助力，即停止给直线步进电机供电；而当车速高到一定程度时，希望能给转向系逐渐增加其阻尼，可使直线步进电机绕组保持通电状态而产生自锁力，控制其电流大小即能改变对转向系的阻尼大小。达到对转向盘的操纵即轻便灵敏义稳定可靠。（2）用直线步进电机控制转向力的汽车转向系统它进一步简化了转向系的结构，去掉转向盘至横拉杆中间的所有传动链，包括齿轮输入轴扭杆及齿轮齿条付。转向盘内安装有转向盘转角传感器，并适当增加其转动阻尼，独立安置于驾驶室内。而直线步进电机的动件两端直接与左右横拉杆相连，电子控制器根据转向盘的转向角度信号及车速信号，来控制直线步进电机动件进行左右位移，经横拉杆、转向节臂传动，进而控制车轮转向。在确保系统可靠性的前提下，该方案的优点是结构更简单、所占体积更小、成本低、控制更直接、响应更快。但一旦系统发生故障，汽车就无法转向。而用在四轮转向4WS系统的后轮转向机构中却是优选的方案。它的应用有望使汽车4WS系统的性价比进一步得以提高。1.4 电子差速系统EDS1.4.1 电子差速原理简介电子差速锁自动控制系统EDS采用电子自动控制装置直接对差速器进行锁止和分离，无须驾驶员手动操作，能传递大扭矩；既可适用于重型载重汽车，又可运用于各类轻型越野汽车。它是ABS的一种扩展功能，用于鉴别汽车的轮子是不是失去着地摩擦力，从而对汽车的加速打滑进行控制。汽车加速过程中，当电子控制单元根据轮速信号判断出某一侧驱动轮打滑时，EDS就自动开始工作，通过液压控制单元对该车轮进行适当强度的制动，从而提高另一侧驱动轮的附着利用率，提高车辆的通过能力。当车辆的行驶状况恢复正常后，电子差速锁即停止工作。同普通车辆相比，带有EDS的车辆可以更好地利用地面附着力，来提高车辆的运行性。EDS的工作原理比较容易理解。因为差速器允许传动轴两侧的车轮以不同的转速转动，并倾向于将动力分配到阻力更小的一侧，如果传动轴某一侧的车轮打滑或者悬空时，由于阻力很小它将从差速器吸收到几乎全部动力，形成车轮一侧空转另一侧静止的局面，造成功率损失。当EDS电子差速锁通过ABS 系统的传感器，自动探测到由于车轮打滑或悬空而产生的两侧车轮转速不同的现象时，就会通过ABS系统对打滑车轮进行制动，这样差速器会将驱动力传递给非打滑侧的车轮，从而避免牵引力的损失。当车辆的行驶状况恢复正常后，电子差速锁即停止作用。一般情况下EDS电子差速锁有速度限制，只能在车速低于40公里/小时启动，例如当时速低于40公里通过湿滑路面时，EDS也可锁死打滑车轮，提高行车安全。同普通车辆相比，带有EDS的车辆可以更好地利用地面附着力，从而提高车辆的运行性，尤其在倾斜的路面上，EDS的作用更加明显。但它有速度限制，只有在车速低于40km/h时才会启动，主要是防止起步和低速时打滑。1.4.2 轮毂电机应用与四轮驱动及电子差速的关系轮毂电机在电动汽车上应用具备诸多优点，但由于轮毂电机受轮毅内结构体积限制按汽车驱动功率要求批量生产大功率轮毂电机有相应难度。而采用四轮驱动即可实现小马拉大车，通过四轮毂电机并联驱动即可比二轮毂电机驱动提高汽车总驱动力1倍。并根据汽车理论14分析只有四轮驱动才能充分利用车重产生的地面附着力，此提高汽车行驶的稳定性及车辆越野通过性。随着汽车材料技术的发展，需采用轻型材料来减轻车载自重，减小能耗，提高功效；同时随着汽车高速行驶技术发展，对提高汽车行驶稳定性等性能指标将提出更高要求。因此也更需采用四轮毂电机驱动来提高汽车对地面的附着力。又由于只有驱动轮才能实现制动能量的回收，采用四轮毂电机驱动并结合兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电动汽车轮毂电机技术，即可极大地提高汽车在降速制动和下坡时对动能能量的回收以节能和提高续驶里程。所以轮毂电机的应用将使电动汽车由性能更好的四轮驱动替代两轮驱动。满足驱动轮差速要求的方式有采用机械差速和电子差速两种。机械差速是传统汽车普遍采用的方法，其机构庞大而复杂。而电子差速系统EDS是采用电子控制的方式来实现，有诸多优点：它与轮毂电机的应用的如同一对比翼鸳鸯即左右侧驱动轮采用轮毂电机必须通过电子差速来控制，而轮毂电机的应用又使电子差速控制变得很容易。综上所述汽车采用四轮驱动结合四轮转向将具有诸多优点，尤其对于电动汽车采用轮毂电机驱动来说与传统汽车相比使汽车实现四轮驱动方式变得很容易。而且结合用直线步进电机控制转向力的汽车转向系统，能更容易地实现全面改善转向性能的四轮转向系统。而现有汽车仅采用四轮驱动或四轮转向的单一方式，其结构都相当复杂而由两者相结合的方式至今还没有，更没有同时采用电子差速转向控制等多项技术相组合的实施方案。虽有报道四轮驱动采用常规二轮转向的电子差速转向控制技术15，但随着汽车控制技术发展及其性能要求的提高，特别是电动汽车采用轮毂电机技术的成熟，电动汽车用四轮毂电机驱动实现四轮转向的电子差速转向控制系统技术也将被要求得以解决。并且四轮毂电机驱动实现四轮转向将极大地提高电动汽车的性价比也能较容易地实施其他各种性能优化措施，以减少交通事故和提高道路通行能力。1.4.3 四轮驱动结和四轮转向的电子差速计算式推导电子差速系统(EDS，Electronic Differential System)是采用电子控制方式来实现内外侧驱动轮差速要求。而其实施首先需要一套正确易算的羞速计算公式。通过对四轮驱动4WD与四轮转向4WS相结和的运行机理分析，利用三角函数结和比例法数学工具来推导出其4WD-4WS的逆、同相控制模式的差速计算公式。 图1.2 4WD-WS逆向控制与同向控制的差速计算原理图如图1.2（左）所示为4WD-4WS逆相控制的差速计算原理图。如图1.2（右）所示为4WD-4WS同相控制差速计算原理图，图中L为汽车轴距，B为汽车轮距，、分别为前外侧、前内侧后外侧、后内侧转向轮的偏转角，为前驱动轮兼外侧转向轮转速，为前驱动轮兼内侧转向轮转速，为后驱动轮兼外侧转向轮转速，为后驱动轮兼内侧转向轮转速。另外，为分析推导，需要引进2个临时惜用参量l与r，其含义参见图中所标注的尺寸位置即l为转弯圆心o到前车轮轴心的车身纵向距离，r为转弯圆心o到内侧车轮中心的车身横向距离。为保证汽车转弯时各车轮只滚动无滑动，要求四个车轮均绕同一个圆心o转动，即每个车轮的轴线交于同一点，因此各车轮转弯的圆弧轨迹分别为如图中所示的虚线，各车轮转弯的圆弧半径分别为Rfo、Rfl、Rro、Rri。根据车轮转速应与其转弯的圆弧半径成正比关系，即有。若设为参考标定转速它与加速踏板指令汽车的车速n一致，也是四只车轮中最高的转速分析图示几何关系即可获得其它三只车轮转速相对标定转速的计算式，且经推导后发现逆相控制模式与同相控制模式的差速计算公式完全相同，即其他三只车轮转速、对标定转速的差速计算公式分别为： （1.1-1.3）从推导过程中还可发现同、逆相控制模式中的两个重要特征：(1)参考图1.2（左）所示，在四轮转向逆相控制模式中，当前后轮转向角相等()时其转弯半径为最小。并且它与常规的前二轮转向系统2WS相比，在转向轮转向角相同的前提下，其转弯半径可减小一半。这利用比例作图法即可证明其最小转弯半径时的圆心点位干如图1.2（左）中的黑点所示，此时l=L/2并且前后轮的转弯圆弧轨迹重合，即前后圆弧半径相等()。所以采用四轮转向4WS系统逆相控制模式时，同时使前后轮偏转角达到最大值可将转弯半径大大缩小，这对低速选位停车，窄道转向行驶都会带来极大方便。但对于现已有的电控液压式或电控电动式两种四轮转向系统由于受其结构限制其后轮转向角还较难以做大，而采用基干直线步进电机控制转向力的汽车转向系统技术就不会受其限制。(2)在四轮转向同相控制模式中按图1.2（右）所示分析，假若使前后轮转向角相同()，其四车轮中心到圆心点o的直线变为相互平行，即圆心点o将为无限远，其转弯半径变为无穷大，即圈弧轨迹变为一条直线。所以在实际应用中，对四轮转向系统4WS的同相控制模式的后轮偏转角有一限定值，一般不大于。1.4.4 电子差速转向实施的结构原理 图1.3 电子差数转向实施结构原理图 图1.4 转向比与车速的关系曲线电子差速转向的实施主要是在其相应的微机控制系统ECU中增加一套差速计算程序，并与相应的转向机构配合，根据转向机构中各车轮的偏转角信号、车速信号及控制模式，按前述相应的差速计算公式计算出对各车轮转速的要求值，输入各车轮轮毂电机的驱动控制器中作为其速度指令值。按控制精度要求可以是开环或闭环。对于精度要求低的开环系统，几平不需要增加硬件成本。而对于闭环系统，有些传感器也可与轮毂电机控制器及相应转向机构的传感器兼用。如图1.3所示为电予差速转向实施的结构原理框图。方向盘的转角信号，加速踏板及制动踏板的加减速信号、转向机构中各车轮的偏转角信号以及各车轮轮毂电机的转角信号输入微机控制ECU系统。轮毂电机转子(对于磁阻电机和永磁无刷电机本身就具有转子转角位置传感器)的转角位置信号通过对时间t的微分，即可得到电机的转速信号，再按轮胎直径就可获得各车轮的线速度。根据上述各信号，ECU系统就可按既定的控制策略和差速计算公式由微机内的差速运算器计算出对各车轮速度的要求值，作为对各车轮轮毂电机的速度指令，进人相应的电机驱动控制器进行调速控制。对干四轮转向4WS系统控制策略，即是根据车速、转向要求及其特征确定何时应采用逆相控制模式，何时又需采用同相控制模式，井确定后轮转向角与前轮转向角间的比例关系。现已报道的四轮转向4WS系统控制策略主要有转角比-车速控制型、比例于横摆角速度的后轮转向控制型、质心侧偏角为零的后轮转向控制型等，它们是指控制前后车轮的相对转向及其转角比分别按车速、车身横摆角速度、质心侧偏角等稳定性因素，要求以一定控制算法而变化的一种控制规律，其控制策略不同，所需采用的传感器及其技术要求也不同。由于四轮转向4WS技术还处于发展成熟中其控制策略的算法理论也有待进一步发展完善。为简单清楚说明起见，在此以目前用得较多也较为简单的转角比-车速控制型为例说明如下： 图1.4为转角比车速控制型所采用的前后轮转角比与其车速的控制关系曲线图。它首先划定一个同逆相控制的界限一般定为车速35km/h，也就是说在车速低于35km/h时采用逆相控制模式，当车速高于35km/h时采用同相控制模式。根据上述同、逆相控制模式的两个重要特征中已表明，同相控制时其转角比还不能较大，一般限定后轮同相转向角不大于。所以对于通常汽车，前轮转角最大值定为：内侧，外侧为时，其同相转角比定为不大干1/8。而对于逆相转角比，为了减小低速转弯半径可适当放大。 1.5 本文的研究思路与内容根据以上关于4WS汽车和4WD汽车的描述，可以看出4WS汽车的转向能力强，转向响应迅速、准确，行驶稳定性高，低速机动性好。而4WD汽车通过性高，爬坡能力强，转弯性能极佳，启动和加速性能极佳，直