【《四轮独立驱动电动汽车动力学模型建立分析案例》5100字】

四轮独立驱动电动汽车动力学模型建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u11189四轮独立驱动电动汽车动力学模型建立分析案例 1315321.1独立驱动电动汽车整车控制系统 110591.2Carsim模型搭建 2100751.2.1Carsim软件简介 2222171.2.2Carsim软件组成结构 3171351.2.3整车模型及其参数 4322861.2.4轮胎和悬架 5165991.2.5传动系统 75841.3MATLAB/simulink联合仿真模型 7117321.3.1轮毂电机模型搭建 7300861.3.2驾驶员驱动控制模型 9126991.4Carsim-simulink联合仿真模型 10115941.5联合仿真平台仿真验证 121.1独立驱动电动汽车整车控制系统四轮独立驱动汽车根据驱动力来源不同主要分为两类：采用轮边电机和采用轮毂电机。采用轮毂电机的四轮独立驱动汽车，驱动力可以直接施加在轮上,实现独立控制每个车轮的转矩,在传动系统的能力范围,每个车轮的扭矩可以任意比例进行分配。在此基础上，设计了车辆控制系统。车辆控制系统通常采取分层控制结构的方案，上层控制算法目的是实现运动跟踪。参照驾驶员的操作信号，观察并分析整车实际运动状况与理想状态的误差。结合道路条件和车辆本身的特征，在上层将保持整车橫摆稳定所需要施加的附加横摆力矩的计算结果作为期望目标。下层控制器将期望目标值通过转矩分配方案分配给四个车轮，实现整车的转矩分配。图2-1车辆控制系统建模示意图1.2Carsim模型搭建1.2.1Carsim软件简介Carsim是一款专门应用于汽车系统动力学领域的汽车仿真软件，该软件是由专门从事研发汽车系统仿真的软件开发的公司MSC（机械仿真公司）所研发的。MSC于1996年上市，该公司的前身是享有全球名誉的密歇根学院交通运输研究所，MSC是由世界著名的车辆动力学研究专家ThomasD。Gillespie,MichaelSayers和Stevehan联手创办的。CarSim、TruckSim、BikeSim和Suspensionsim作为MSC公司的核心商业产品，这些软件早已在汽车行业得到了广泛的应用享有很高的声誉，成为该行业不可或缺的核心软件。CarSim软件大多数被用于对汽车的操纵稳定性，平顺性，制动性等整车性能进行预测和仿真验证，是一款汽车动力学仿真软件。它可以对驾驶员，道路和空气动力输入的反馈进行模拟。该软件中的车辆模型在计算机上运行的速度是实时的3-6倍。Carsim可以精准便利地定义测试状态和测试过程，给车辆系统的特征参数和特征文件进行细致准确地定义。基于以上种种优点，Carsim广泛应用与现代汽车的动力学研发领域。CarSim软件的主要功能如下：可以实现汽车，轻型货车，小型客车和SUV等诸多车型的建模与仿真。Carsim包含多种仿真环境，它可以对车辆的动力性，燃油经济性，操纵稳定性，制动性和乘坐舒适性等整车性能进行详细地分析。还能够基于MATLAB，Excel等软件进行图形的绘制和分析，且仿真结果会以图形曲线和三维动漫呈现出来，方便研究人员对结果进行观察分析。Carsim操作功能界面主要包含了图形数据管理界面，车辆模型求解器，绘图工具，三维动画回放工具，功率谱分析模块。可以自由的调整目标车型参数，设定仿真环境和运行工况，并且具备外部接口与其他软件扩展。1.2.2Carsim软件组成结构Carsim的主界面如图2-1所示，主要分为三个模块：整车参数及其仿真工况模块、模型求解器模块和仿真结果及其后处理模块。（1）车辆参数及仿真条件设置模块可以在车辆模型库中定义各子系统的特征参数，并在驾驶条件库中选择驾驶员模型、道路信息、行驶速度等条件。Carsim不仅有内置的模型求解器，而且还提供扩展的用户定义模型求解器与外部软件交互，如MATLAB/Simulink扩展的用户定义模型求解器。用户可以根据车辆仿真信息的要求，在模型求解器中设置求解精度、仿真时间和距离。仿真结果可以进行后处理，可以是仿真动画的形式，也可以是获得仿真输出结果的形式。这些输出结果可以用曲线的形式表示，便于对实验结果进行定量和定性分析。图2-2Carsim主界面仿真计算求解模块：用户可以依据需求设置系统仿真的时长、步长，同时还可以通过MATLAB/Simulink扩展接口来外接自定义求解器，以实现多种软件之间的联合仿真。仿真结果分析模块：carsim的图形后处理功能很强，能以三维动画或性能曲线的方式直接表示仿真结果。本文在CarSim中现有的车辆模型基础上，参照现有的四轮独立驱动目标试验车辆的特征参数，对CarSim中自带车型的特征参数进行自定义，包括转向系、传动系、轮胎和悬架等，完成四轮独立驱动电动车动力学模型搭建，并与Simulink软件中搭建的控制模型和参考模型连接，实现CarSim整车模型与Simulink模型之间的数据调用和数据共享，完成车辆稳定性驱动控制策略的软件联合仿真平台搭建。1.2.3整车模型及其参数Carsim软件中自带车辆模型的已知参数包括了车身尺寸、动力系统、转向系统、制动系统、悬架和轮胎的诸多参数。本文选用了Carsim自带的B级轿车作为参考，图2-3是Carsim车辆设置参数界面。图2-3整车参数界面表2-1整车模型基本参数Carsim模型参数值整车质量m/kg1110前轴与质心间距a/m1.040后轴与质心间距b/m1.560轴距l/m1.6轮距lw/m1.48质心高度hc/m0.54轮胎滚动半径r/m0.31表2-2整车空气动力学相关参数空气动力学参数值迎风面积/m21.6空阻系数0.31.2.4轮胎和悬架车辆是通过轮胎与地面的接触和互相作用进行行驶，转向和制动的过程。车胎在车辆行驶中起着重要的作用。橡胶是车辆轮胎采用最多的一种材料，因为橡胶的力学性能极其的复杂，所以是一个典型的非线性系统。轮胎模型是描述运动中轮毂运动状态与轮胎六分力之间关系的数学模型。在车辆动力学仿真中轮胎模型占据了及其重要的地位，但是很难构建精确的轮胎模型，因为其受力、变形两者之间具有极强的非线性特征。所以，目前用来描述轮胎特性的模型主要由三类组成：轮胎物理模型、半经验模型以及经验模型。物理模型是基于轮胎形变的轮胎受力模型。物理模型中的每一个参数都有明确的物理含义，是为了模拟轮胎受力的过程。有简化容易，模型简易等优点。经验模型根据函数或者插值法来评估轮胎的特性，轮胎的实验数据作为该模型的基础。半经验模型轮胎模型是在综合轮胎力学性能的基础上，通过大量的实验数据分析而确立得到的。为了使驱动稳定性控制仿真达到目标需求，降低模型建立的复杂度，提高仿真速度。通过参考目标实验车的轮胎特性，在CarSim轮胎模型中设置用户自定义的轮毂参数。通过利用大量的实验数据，结合Pacejka的复合滑移理论。计算出纵向力和回正力，将结果记录在Carsim轮胎模型中。轮胎参数参照Carsim自带B级车参数。车辆轮胎设置页面如下图2-4所示。图2-4Carsim轮胎参数设置由于采用轮毂电机作为驱动力的四轮独立电动汽车，不在被传统汽车机械传动结构束缚，四个轮毂电机独立可控，形成四驱系统。所以此次采用了前后独立悬架，更加贴合四轮独立驱动汽车的动力学特征，本文中用到的实验模型悬架参数设置如下图2-5所示。图2-5悬架参数设置1.2.5传动系统采用轮毂电机为驱动力的四轮独立驱动电动汽车，驱动力来源于四态独立驱动控制轮毂电动机。由于Carsim没有提供这种驱动构造模式，本研究所使用的Carsim软件中的汽车仿真模型均为内燃机驱动，因此有必要对Carsim原有的传动系统模型进行修改。Carsim软件内置的车辆模型动力是通过动力传动系统从发动机输送到四个车轮上的，该类模型不适用于四轮独立电动汽车研究，因此需要对原模型进行调整。通过切断各差速器之间的动力来源，然后在Simulink中建立轮毂电机模型，并将驱动力矩参数通过外部接口导入Carsim中。传动系统修改示意图如图2-6所示。图2-6传动系统修改示意图1.3MATLAB/simulink联合仿真模型1.3.1轮毂电机模型搭建四轮独立驱动电动汽车通常采用轮毂电机和轮边电机作为驱动力来源。其中搭载轮毂电机的电动汽车可以将驱动力由直接施加在车轮上，因此动态响应更好，被广泛关注。但是Carsim软件中没有轮毂电机模型，因此需要采用MATLAB建立轮毂电机模型，并通过外部接口将参数导入carsim中。本研究中选用的轮毂电机类型为永磁同步电机，定子，转子与端盖是此类电机的核心构建。永磁同步电机的启动和运行是由定子线组，转子鼠笼绕组和永磁体三者形成的磁场互相作用产生的。近几年来，永磁同步电机在汽车制造行业享有很高的声誉。永磁同步电机具有体积小，损耗低，温升低，功率因数高等优点，在节能环境保护日渐受重视的今天，对其进行研究是十分必要的。为了充分发挥四轮独立驱动电动汽车四台轮毂电机独立可控的优点，更好地实现对车辆牵引力和轮胎转矩的控制，本文中的电机模型是基于直接转矩控制方案搭建的。该控制方法省去了矢量控制中的解耦控制思想和电流反馈环节，采用alpineEiffel塔定向方法，并利用离散两点控制直接调节alpineEiffel塔和电动机扭矩。它具有结构简单，转矩响应快等特点，最早用于感应电机。1997年，LZhong等人改进alpineEiffel塔定向算法并将其应用于永磁同步电机控制。本文主要研究分布式驱动电动车的横摆稳定性控制方法，无需控制精度很高的轮毂电机模型，所以轮毂电机的内部结构以及运行方法不是本文关注的重点。因此，本文的电机模型采用直接转矩控制法，并结合电机模型外特性曲线。电动机输出转矩与输入转矩的关系符合以下传递函数关系公式。（2-1）式2-1中，Tm是轮毂电机实际输出扭矩；Td是轮毂电机输入期望转矩；为电机特性常数，取值为0.001。电机峰值转矩特性如图2-6所示，Simulink搭建的轮毂电机模型如图2-7所示。2-6电机峰值特性图2-7Simulink电机模型1.3.2驾驶员驱动控制模型在本文建立的Carsim-Simulink的联合仿真模型中。仿真模型的驱动力是由Simulink建立的电机模型所提供的。所以，Carsim软件中原有的速度控制模块不再适合于本次建立的电动车的驱动控制。驾驶员模型主要控制车辆的速度和方向。所以在Carsim-Simulink联合仿真模型中，驾驶员模型是不可或缺的一部分。驾驶员模块被分为速度控制模块和轨迹跟踪控制模块，其中轨迹跟踪控制模块依然设置为CarSim软件原有的预览跟踪控制方法。为了能够实现驾驶员对整车的驾驶控制，基于Simulink搭建了外部驾驶员驱动控制模型。通过设置carsim中的DriverControls模块，可以控制汽车模型的行驶、制动、转向以及换挡等操作，如图2-8所示。2-8驾驶员控制界面在电动汽车行驶的过程中，车速是反映运动状态的重要参数。因此，控制系统的仿真实验中，车辆的实际车速与理想车速的拟合程度是一个重要的指标。因此，车辆的总纵向力矩可以根据这两个车速之间的差值进行计算。然后根据下层控制器分配后，输出到四个轮毂电机上，稳定车辆行驶状态。速度跟踪模块可以由PI控制器和油门控制器构成。将目标速度和实际速度导入PI控制器进行分析计算，然后油门控制器根据控制结果调节驱动力控制信号；轮毂电机模型接收到控制信号后生成当前转矩，然后通过外部接口将转矩参数导入Carsim模型中，如下图2-9所示。在驾驶员模型中，以目标速度与实际速度之差作为PI控制器的输入，电子油门的开度作为该控制器的输出。在Carsim中通过控制节气门开度来控制发动机力矩，因此并不适用电动汽车。因此需要将节气门开度与转矩的关系转化成电子油门踏板与电机输出转矩的关系，从而在Carsim中实现对电动汽车输出力矩的控制。2-9驾驶员模型1.4Carsim-simulink联合仿真模型根据1.2和1.3节的内容，建立了的基于Simulink的轮毂电机模型和驾驶员控制模型，以及基于Carsim的整车动力学模型，需要将两种仿真环境的模型进行结合。通过设置carsim软件的信号输入接口和信号输出接口，使Simulink中的仿真参数导入Carsim中，实现四轮独立驱动电动汽车联合仿真模型。在Carsim软件中有两个端口设置IMPMYUSM和IMPMYOUTDIL，这两个端口被用于外部加载汽车轮胎的转矩。前者与轮毂电机驱动方案更加类似，后者则更接近于轮边电机驱动方案。综合以上分析，将simulink输出的外部转矩通过“MPMYUSM”端口输入到Carsim模型中。输入端口设置如图2-10所示，其中L1、R1、L2、R2分别表示左前轮、右前轮、左后轮，右后轮的设置端口。输出端口设置2-11入股所示，可以输出Carsim模型的四个轮速、横摆角速度、质心侧偏角、实际车速、目标车速和方向盘转角等参数。2-10Carsim输入信号接口设置2-11Carsim输出信号接口设置以前文中提到的车辆控制系统的分层结构为基础，构建了CarSim-Simulink联合仿真平台，如下图2-12所示。基于simulink建立了驾驶员模型与轮毂电机模型，将Carsim车辆动力学模型以S-Function的形式导入到Simulink模型中，从而完成联合仿真模型的搭建。由Carsim输出的车速、质心