【分布式驱动轮毂电机汽车整车运动学分析4000字】

分布式驱动轮毂电机汽车整车运动学分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u30164分布式驱动轮毂电机汽车整车运动学分析综述 1230471.1车辆动力学模型建立 174311.1.1两轮2DOF车辆动力学模型建立 1299351.1.2四轮2DOF车辆动力学模型建立 2316001.1.3车轮动力学模型建立 3108651.2Carsim整车动力学模型 4200511.1.1Carsim软件简介 498991.1.2车身系统模型 434801.1.3动力及传动系统模型 554091.1.4制动系统建模 5258631.1.5悬架模型 6121651.1.6转向系统模型 762491.1.7轮胎模型 8245321.1.8Simulink电机建模 8127291.3模型验证 101.1车辆动力学模型建立本节主要介绍两轮二自由度车辆模型和四轮二自由度车辆模型的建立，分别用于上层直接横摆力矩控制的滑模控制器和下层基于模型预测控制的转矩分配控制器。1.1.1两轮2DOF车辆动力学模型建立二自由度的车辆模型是以方向盘的转角为输入，横摆角速度和质心侧偏角为输出的线性模型。在建立二自由度车辆模型时忽略了悬架和转向系统的影响，并假设车辆只有沿y轴的侧向运动和绕z轴的横摆运动，并且车辆的纵向速度不变[33]。可以得到车辆的二自由度模型如图1.1所示。以车辆的质心为坐标原点O,x轴沿车辆的纵轴方向指向车头的前方，y轴垂直x轴指向车体的左侧，z轴垂直x轴和y轴构成的平面指向上方。图中a、b分别为质心到前轴、后轴的距离；Fyf和Fyr分别为前、后轮胎的侧向力；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；Vx和Vy分别为车辆的纵向和侧向速度；δ表示前轮转角；图1.1车辆二自由度模型车辆的侧向和横摆运动可以描述为：mI式中，Iz为车辆的绕Z轴的横摆转动惯量，m1.1.2四轮2DOF车辆动力学模型建立本文研究的对象是分布式驱动的轮毂电机汽车，与传统车不同的是，它的每个车轮的转矩都是独立可控的。由于两轮的理想二自由度模型是针对传统的燃油车建立的理想模型，在一些场合不适用于研究分布式驱动的轮毂电机汽车，因此在两轮两自由度模型的基础上，将四个车轮的横向力于纵向力分别考虑，同时认为车辆只在地面上做平动，不考虑垂向运动、侧倾运动、俯仰运动，不考虑汽车悬架的影响，车辆只有沿x轴的纵向速度，沿y轴的侧向速度和横摆角速度得到如图1.2所示的四轮二自由度理想模型[34]。图1.2四轮两自由度模型四轮2DOF的横摆和侧向运动可以描述为：Im1.1.3车轮动力学模型建立本文研究的分布式驱动汽车的直接横摆力矩控制与车辆的轮胎有很大的关系，因此需要建立轮胎的动力学模型，轮胎模型的建立对下层的驱动力矩分配控制有很大的影响。车轮的动力学模型如图1.3所示。图1.3车轮运动学模型车轮的旋转运动可以描述为：J⋅式中,J为车轮的转动惯量；ω为车轮的转速；Re为轮胎的有效半径；Td为驱动力矩；Tb为制动力矩；M车轮纵向滑移率是表示车辆运动状态的重要参数，其定义如下：s1.2Carsim整车动力学模型为了研究分布式驱动轮毂电机汽车的矢量控制算法，需要建立一个可靠的整车仿真平台，通过上面对整车的动力学分析，在本小节介绍轮毂电机四轮驱动电动汽车的整车动力学建模。本文的模型是在Matlab/Simulink和Carsim软件中共同完成的，在Matlab/Simulink中搭建轮毂电机模型，在Carsim中搭建整车中除了动力系统以外的其它模型以及路面模型。两个软件之间通过接口连接，组成整车的动力学仿真平台。1.1.1Carsim软件简介Carsim是一款专门的针对车辆动力学研究的仿真软件，已成为汽车行业的标准软件，被很多车企采用。作为专业的车辆动力学仿真软件，它着重于整车动力学模型的建立，建模时以模块的形式呈现给客户，使用者需要选择对应的模块，然后对参数进行设置就可完成建模工作。Carsim在建模时将车辆分解为不同的子系统分别进行求解，根据车辆的不同特性主要分为七个子系统，分别为：车身、制动系、传动系、空气动力学、转向系、悬架和轮胎。1.1.2车身系统模型Carsim软件提供了各种级别的车型供大家选择，根据本项目的实际车型，本文选用的是一款D级车的SUV为基本车型。车体模型部分主要包含了车体主要尺寸参数、质量与重心参数、横摆转动惯量等信息，具体的参数如图1.4所示：图1.4车身参数1.1.3动力及传动系统模型使用Carsim建模时动力及传动系统的设置是非常关键的一部分，软件提供了前驱、后驱和四轮独立驱动三种供大家选择，但这都是针对于传统汽车的。由于研究对象为分布式驱动轮毂电机电动汽车，无法直接用软件所带的传统车驱动系统，因此只有把CarSim中的动力及传动系统切断，然后采用外部的动力输入（AllExternalPowertrainComponents），如图1.5所示。这样在进行动力系统设置时，需要在Simulink中计算每个车轮的转矩，并将它们分别输入至Carsim模型中的外部车轮动力处。图1.5动力及传动系统模型1.1.4制动系统建模Carsim中的制动系统分为简单的制动系和考虑热衰退的制动系统，由于本文所研究的内容主要是每个车轮的驱动力矩，对制动系统的要求较低，所以本文选用的是简单的制动系统。制动系统具体的参数设置如图1.6所示：图1.6制动系统模型1.1.5悬架模型Carsim中的悬架模型有独立悬架和非独立悬架之分，本文设计的仿真车辆保持了原车的前轴用独立悬架，后轴用非独立悬架的设置。Carsim中整车的悬架系统对整车的操纵稳定性的影响较大，需要更为严谨的参数设置。CARSIM参考车型的前后轴的非簧载质量均为80kg，车轮转动惯量为0.8kg•m2，由于本文所研究的分布式驱动汽车的轮毂电机集成在车轮里，所以车轮质量和转动惯量比CARSIM中传统汽车明显较大，在参考了国内外相关轮毂电机相关文献和实验车型的参数后，本文设定前后轴的非簧载质量均比参考车型高30kg，车轮的转动惯量为1.5kg•m2。图1.7、图1.8分别为前悬架与后悬架的运动学特性。图1.7前悬架运动学特性图1.8后悬架运动学特性1.1.6转向系统模型Carsim中整车的转向系统中的前轮转向方式分为四种，分别为：非助力循环球式、非助力齿条齿轮式、助力循环球式、助力齿条齿轮式。本论文所研究车型前轮转向方式为助力循环球式转向器，具体的参数如图1.9所示：图1.9转向系统模型1.1.7轮胎模型研究汽车的操纵稳定性时，轮胎参数十分重要，尤其是在研究驱动力分配时，需要一轮胎的动力学模型为基础。轮胎是车辆与地面接触的部件，无论是纵向力还是侧向力的研究，都离不开轮胎刚度与侧偏角的影响。Carsim给使用者提供了三种轮胎模型：内部轮胎模型、外接轮胎模型以及魔术公式轮胎模型。为了减少建模误差的影响，本文采用了内部轮胎模型。轮胎模型的主要参数包括：轮胎滚动半径、轮胎垂直刚度、轮胎纵向力特性、轮胎横向力特性等，具体参数的设置如图1.10所示：图1.10轮胎模型1.1.8Simulink电机建模一般根据模型的用途可以采用三种方法进行电机建模：针对磁场的分析建模、针对电机及其拖动系统的建模和针对性能的建模。在轮毂电机电动汽车操纵稳定性的研究中，我们不需要了解电机的工作原理，因此根据电机外特性的面向性能的建模方法更加合适本研究。本文根据电机的转速与转矩的实验数据，绘制了电机的外特性曲线，并以此为基础进行电机的建模。电机的主要参数如表1.1所示：表1.1轮毂电机参数表参数名称单位参考值峰值功率Kw15峰值转矩Nm114额定转速Rpm3000本文主要针对电机的动力特性进行研究，表现形式就是输出的转矩与转速。由于本文将Carsim中原本的机械传动系统切断，采用的是动力源外接的形式，因此原本的驾驶员模型就不在适用，于是在电机模型中加入了速度的跟踪控制，如图1.11所示，它根据当前车速与理想车速的差值经过PID控制器来模拟电机的加速踏板行程，从而达到速度的跟踪控制。图1.11转速控制模型为了使电机输出的力矩接近实际电机的工作特性，在建立的电机模型中引入电机的外特性图，根据查表法确定当前转速下转矩输出最大值。转矩控制的模型如图1.12所示：图1.12转矩控制模型1.3模型验证为了测试所建立的纯电动车模型的基本性能，在Carsim中建立匀加速工况测试模型车辆的加速性能，然后建立阶跃转角信号工况，测试所建模型车辆在转弯时的横摆角速度，质心侧偏角的值是否符合要求。匀加速工况的实验条件为在路面附着系数为0.85的路面上，给定驾驶员期望车速，使车辆从5km/h的速度开始加速，在20s内做匀加速运动，仿真结果如图1.13所示：(a)车速(b)横摆角速度(c)侧向位移(d)质心侧偏角图1.13电动车模型直线行驶验证从图中可以看出：图(a)为车速的变化图，车辆模型在20s时间内加速到80km/h，且与期望的速度曲线差值很小，说明所建车辆模型对驾驶员期望车速的跟随效果良好，动力性能满足项目需求。图(b)、(c)为车辆横摆角速度、质心侧偏角的变化图，车辆的行驶过程中二者的值都在10-15附近波动，没有产生较大的转向趋势，且在图中可以看出新建的电动车模型的横摆角速度和质心侧偏角幅值远小于Carsim中自带的传统车辆的幅值，说明车辆模型保持直线行驶的能力较好。图(d)为车辆行驶过程中侧向位移的变化图，经过对所得图形的放大可以观察到其最大值仅为10-14m，车辆的侧向位非常小，小于Carsim原车的侧向位移，直线行驶能力较好。从上面的分析中可以看出，本文基于Carsim和Simulink建立的电动汽车车辆模型，在直线行驶的工况下能很好的模拟轮毂电机的运动特性。为了对其进行转向能力的测试，采用的方向盘固定转角实验。实验条件的设置为在附着系数为0.85的路面上，汽车保持65km/h的速度稳定行驶，在时间到达5s的时候突然给方向盘一个120deg的转角，仿真时间是20s，仿真结果如图1.14所示:(a)车速(b)质心侧偏角(c)横摆角速度(d)行驶轨迹图1.14电动车模型阶跃转角实验验证从图中可以看出：图(a)为车速的变化图，在未进行转向的时候，车速稳定在65km/h，在5s时给定转向角后，车速在0.2km/h的范围内短暂的波动，并且很快就恢复到目标车速，符合轮毂电机汽车的动力特性，说明所建模型有较高的可靠性。图