毕设论文草稿chicheng-manuscript07

1、TM30110590分类号UDC学校代码密级621公开深圳大学硕士学位论文基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究池 成学 位类别工程硕士专业学位专 业名称交通运输工程学院（系、所）机电与控制工程学院指导教 师徐刚教授深圳大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真是本人在导师的指导下，独立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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者

2、签名：日期：年 月 日学位论文使用授权说明（必须装订在印刷本首页）本学位论文作者完全了解深圳大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属深圳大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其他机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅。本人授权深圳大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（涉密学位论文在后适用本授权书）论文作者签名：导师签名：日期：年 月 日日期：年 月日基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究 摘 要迫于环境和能源的双重压力，电动汽车成为当

3、前的必然趋势。当前，传统集中式驱动燃油车动力源的电机化改造已取得阶段性成果。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特性曲线有所改善外，整车控制效果改善较为有限。相比之下，采用分布式独立驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毂电动汽车），各轮转向角、驱动力矩独立可控，从在根本上改变了底盘的牵引控制方式。这种分布式驱动结构给车辆运动和控制带来全新可能，在主动安全性和动力学品质上更具优势，因此被业界誉为汽车的终极驱动形式。然而，这种结构和动力学特征的性改变，也使得整车操控稳定性成为一个全新的问题。轮毂电动汽车各轮之间缺乏确定约束关系，由此产生的差动转向效应会产生横摆力矩干扰，致使当前主流的基

4、于DYC稳定性控制系统失效。本文依托于国家自然科学基金资助项目（51577120）“基于隐马尔可夫的全线控轮毂电动汽车操控稳定性关键问题研究”，和深圳市基础研究资助项目（JCYJ20170302142107025）“全轮转向轮毂电动起汽车节能与操纵稳定性关键问题研究”，开展了线控四轮电动汽车全轮转向和全轮驱动协调控制研究，主要处理了全线控轮毂电动车转向系和驱动系因结构属性模糊带来的耦合作用，实现了驱动系和转向系的协调控制，并在此基础上初步实现了汽车的操控稳定性控制。围绕着上述研究目的，主要开展了以下工作：（1） 全线控轮毂电动汽车试验平台搭建从四轮独立转向、驱动、制动的全线控（X-by-Wir

5、e，简称XBW）电动汽车试验平台的功能需求出发，并结合课题组研究需求，设计了试验平台整体结构方案；为了解决悬架系统与电动轮的适配问题，提出并设计一种全新的中心转向悬架系统，并给出了其力学特性分析；完成整车的机械设计、加工、装配和调试工作。同时，基于ADAMS/view建立试验平台的整车虚拟样机，完成试验平台的稳定性分析。（2） XBW轮毂电动车仿真平台开发仿真平台开发主要包括轮毂电车动力学建模抽象、执行器动力学建模和仿真平台I 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究结构的模块化设计。对针对当前研究不足，建立了考虑车辆垂向运动在内的19自自由度非线性时变耦合轮毂电动汽车仿真平台

6、，并从系统功能出发对仿真平台进行了模块化设计。考虑到开展执行器动态响应特性对整车稳定性控制影响的研究需求，建立了非线性动态轮毂电机模型、转向电机模型、电磁制动器模型。最后，在复杂多工况下完成仿真平台的有效性验证。（3）整车稳定性控制策略设计从汽车稳定性控制理论入手，对轮毂电动汽车稳定控制问题的特殊性进行了分析。在此基础上，针对系统高冗余和控制的非线性特点，确定了以五层运动控制为核心的整车分层集中式稳定性控制结构。其中，运动跟踪控制层通过统筹广义控制力从上层协调驱动系和转向系因结构属性模糊造成的运动冲突；轮胎分配控制层专注于广义控制力的具体实现。分层集中式控制结构，降低了车辆解耦控制难度，使整车

7、稳定性控制算法以较高的集成度到达理论控制最优。此外，考虑到“人-车-路”闭环控制的需求，基于“预瞄-跟随” 理论建立侧向加速度动态反馈矫正的驾驶员模型；并设计整车驾驶模式。（4）转向和转矩协调控制研究该部分主要进行运动控制决策生成和轮胎控制分配问题研究。运动控制层解决了过驱系统运动协调控制问题，针对差动转向效应，文中以纵向车速、横摆角速度和质心侧偏角为追踪目标，基于滑膜变结构控制理论进行了运动控制器设计，同时完成驾驶员行为监测，用于提升整车主动安全性。轮胎力控制分配层则用于解决系统的过驱分配问题。文中将四轮侧偏向力、纵向力作为8个独立控制变量，以提升整车稳定性裕度为目标，将轮胎力分配问题归纳为

8、多约束下的LQP极值优化问题，实现轮胎侧偏力和纵向力的解耦，并制定轮胎力混合求解策略。最后，通过构建轮胎力与执行器的映射关系，实现四轮转角、转矩最优分配。本文以汽车整车动力学控制为理论依据，以全轮转向与驱动协调集成控制为核心，进而研究线控轮毂电动车操纵稳定性闭环控制系统。在此目标下，主要实现实车试验平台的有无问题、系统仿真平台的搭建、分层式集成控制策略设计和转矩/转角协调控制研究，为课题的后续研究做了基础性工作。II 基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究关键字：轮毂电动汽车；动力学模型；驱动转向协调控制；滑膜变结构控制；最优控制分配III Study on the cont

9、rol stability of In-wheel motord riven EV based on the coordination of steering system and driving systemAbstractOwing to the double pressure of environment and energy, electric vehicles have become the inevitable trend. At present, the traditional centralized drive fuel vehicle power source motor t

10、ransformation has achieved stage results. Obviously, the simple inheritance of the traditional vehicle structure, in addition to the improvement of the characteristic curve outside the motor, the improvement of the control effect of the vehicle is limited. In contrast, the distributed independent dr

11、ive and steering wheel motor drive electric vehicle (hereinafter referred to as hub electric vehicle), each wheel steering angle and driving torque independently controllable, fundamentally changed the chassiss traction control mode. The distributed driving structure brings new possibilities to vehi

12、cle motion and control, and has more advantages in active safety and dynamic quality. Therefore, it is regarded as the ultimate driving form of automobiles. However, the subversive changes in the structural and dynamic characteristics make the vehicle handling stability a completely new problem.Ther

13、e is a lack of deterministic relationship between wheels of wheel electric vehicle. The differential steering effect generated by the steering wheel will cause yaw moment interference, which results in the failure of the current mainstream DYC based stability control system. This paper is based on t

14、he project supported by the National Natural Science Foundation (51577120) wheel electric vehicle handling stability research on key issues of all control based on Hidden Markov, and basic research programs supported by Shenzhen (JCYJ20170302142107025) all wheel steering wheel electric vehicle energ

15、y saving and handling stability of key problems in the study, carried out by four wheel electric vehicle all wheel steering and all wheel drive coordinated control research, mainly deal with all wheel steering system and electric control system for driving structure of fuzzy attribute coupling bring

16、s, to realize the coordinated control of driving and steering system, and on the basis of preliminary implementation control handling stability of automobile. Focusing on the purpose of the study, the following work has beencarried out:IV Study on the control stability of In-wheel motord riven EV ba

17、sed on the coordination of steering system and driving system(1) Construction of test platform for full line hub electric vehicleFrom the four wheel independent steering, driving, braking control line (X-by-Wire, XBW) functional requirements of electric vehicle test platform, and combined with the r

18、esearch needs, designed the overall structure of the program in order to solve the test platform; adaptive suspension system and electric wheel problem, and put forward a new design of the steering and suspension center the system, and gives the analysis of its mechanical properties; complete mechan

19、ical design, processing, assembly and debugging of the vehicle. At the same time, the virtual prototype of the whole vehicle is built based on ADAMS/view to complete the stability analysis of the test platform.(2) Development of simulation platform for XBW in wheel motor driven EVThe development of

20、the simulation platform mainly includes the dynamic modeling abstraction of the hub tram, the dynamic modeling of the actuator and the modular design of the simulation platform structure. Aiming at the lack of current research, a 19 degree of freedom nonlinear time variant coupled hub electric vehic

21、le simulation platform considering vehicle vertical motion is established. And the simulation platform is modularized from the function of the system. Considering the research needs of dynamic response characteristics of actuator to vehicle stability control, a nonlinear dynamic hub motor model, a s

22、teering motor model and an electromagnetic brake model are established. Finally, the effectiveness of the simulation platform is verified under complex multiple conditions.(3) The design of the stability control strategy of the whole vehicleOn the basis of the theory of automobile stability control,

23、 the particularity of the stability control of XBW hub electric vehicle is analyzed. On this basis, aiming at the nonlinear characteristics of the systems high redundancy and control, we have determined the vehicles hierarchical centralized stability control structure based on the five level motion

24、control. Among them, the motion tracking control layer is the motion conflict caused by the overall control force from the upper coordination drive system and the steering system due to the fuzzy structure attribute; the tire assignment control layer focuses on the specific implementation of general

25、ized control force. The hierarchical centralized control structure reduces the difficultyof vehicle decoupling control, and makes the whole vehicle stability control algorithm reachV Study on the control stability of In-wheel motord riven EV based on the coordination of steering system and driving s

26、ystemthe optimal control with higher integration degree. Besides, considering the demand of closed loop control of human vehicle road, a driver model of lateral acceleration dynamic feedback correction is established based on the theory of preview follow, and the vehicle driving mode is designed.(4)

27、 Research on the coordinated control of steering and torqueThis part mainly deals with the decision making of motion control and the research of tire control distribution. Motion control layer to solve the flooding system coordinated motion control problem for differential steering effect, with long

28、itudinal speed, yaw rate and sideslip angle for target tracking in this paper, sliding mode variable structure control theory are introduced based on motion controller design, completed at the same time for driver monitoring, to improve vehicle active safety. The tire force control distribution laye

29、r is used to solve the problem of overdrive distribution of the system. The four round of the lateral deflection force, longitudinal force as 8 independent variables, in order to enhance the vehicle stability margin as the goal, the tire force distribution problem into optimization problem with mult

30、iple constraints LQP extremum, decouple tire lateral force and longitudinal force, and to develop strategies for solving mixed tire force. Finally, by constructing the mapping relationship between the tire force and the actuator, the optimal distribution of the four wheel rotation angle and torque i

31、s realized.Based on vehicle dynamics control theory, taking the integrated control of all wheel steering and drive coordination as the core, the closed-loop control system of handling and stability of wire controlled hub electric vehicle is studied. Under this goal, we mainly realized the problems o

32、f the real vehicle test platform, the establishment of the system simulation platform, the design of the hierarchical integrated control strategy and the coordinated controlof torque and rotation.Key words: in-wheel motor driven EV；vehicle dynamic model； drive and steeringintegrated control; synoviu

33、m variable structure control; optimal control allocation.VI 目 录摘 要IAbstractIV第 1 章绪论11.1 课题研究背景及意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义21.2 线控轮毂电动汽车国内外的研究概况31.3 课题相关研究内容概述41.3.1 轮毂电汽车仿真平台建模研究现状41.3.2 电动汽车操纵稳定性控制基础理论概况51.3.3 转矩和转角协调控制研究现状61.3.4 稳定性控制结构策略研究现状81.4 主要内容和特色9第 2 章全线控轮毂电动汽车试验平台设计与分析112.1 全线控车实验平台整体结构设计11

34、2.2 中心转向悬架与驱动系统设计与分析122.2.1 中心转向悬架与驱动系统结构设计132.2.2 中心转向悬架与驱动系统力学分析162.3 全线控车试验平台操控稳定性分析202.3.1 试验平台虚拟样机和对标模型建模202.3.2 试验平台虚拟样机仿真与分析222.4 本章小结29第 3 章全线控轮毂电动汽车仿真平台开发303.1 仿真平台总体结构303.2 整车动力学建模323.2.1 仿真平台坐标系转换323.2.2 系统运动变量定义333.2.3 车身动力学模型343.2.4 悬架系统动力学模型373.2.5 车轮动力学模型383.2.6 轮胎动力学模型393.2.7 空气动力学模型

35、443.3 执行单元建模453.3.1 线控驱动单元建模453.3.2 线控转向单元建模473.3.3 线控制动单元建模483.4 试验平台仿真流程503.5 仿真平台验证513.6 仿真平台建模建议553.7 本章小结55第 4 章整车稳定性控制策略设计574.1 轮毂电动汽车稳定性控制分析574.1.1 传统汽车稳定性控制问题描述574.1.2 全线控轮毂电动车稳定性控制分析584.2 运动状态变量选择594.3 整车稳定性分层集中式控制结构设计614.4 基于侧向加速度反馈校正的驾驶员模型634.4.1 驾驶模型建模634.4.2 驾驶员模型仿真验证664.5 驾驶模式设计674.5.1

36、 驾驶模式设计分析674.5.2 特殊驾驶模型仿真694.6 本章小结71第 5 章整车运动跟踪控制研究725.1 运动跟踪控制问题描述725.2 参考运动状态变量735.2.1 名义参考状态变量735.2.2 综合运动状态允许域设计755.2.3 参考状态变量785.3 运动跟踪控制器设计825.3.1 运动跟踪控制研究现状825.3.2 滑膜变结构控制简介835.3.3 基于 SMC 的运动控制器设计845.4 运动跟踪控制器仿真与分析905.4.1 仿真试验说明905.4.2 高附着路面正弦输入工况915.4.3 低附着路面鱼钩试验工况945.5 本章小结95第 6 章基于最优控制的轮胎

37、力分配控制研究966.1 轮胎力分配控制分析96.广义控制力在轮胎力上的实现97.轮胎力在执行器上的实现986.2 基于 LQP 的最优控制分配算法1006.2.1 控制分配算法简介1006.2.2 轮胎力优化目标1016.2.3 系统约束处理1026.2.4 基于 LQP 的混合优化求解策略1036.3 车轮转向角计算1066.3.1 轮胎侧偏特性逆模型1066.3.2 转角计算1076.4 仿真试验分析计算1086.4.1 高附着路面正弦输入工况1086.4.2 低附着路面鱼钩试验工况1106.5 本章小结111第章 总结与展望112.1 全文总结112.2 研究展望113文献115参致考

38、谢120硕士期间发表成果121基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 研究背景安全、节能与环保是汽车发展的方向和永恒主题，尤其在事故频发、能源短缺和环境恶化的当下显得格外重要。电子化、智能化、电动化、可再生化是实现安全、舒发展新能源汽车产业对于推动产业结构调整、促进节能减排、加快经济发展方式转变具有重要意义。近年来，迫于能源与环境的双重压力，推动新能源汽车产业的快速发展已经成为全球各个国家推进交通能源战略转型的重要措施。特别是在国际金融后，为抢占新一轮经济增长的战略制高点，主要汽车工业发达国家纷纷加大对电动汽车的研发投入并且

39、加强政策支持力度1,2。世界各个国家的汽车研究单位以及高校也纷纷关注纯电动汽车的研究和开发，并且取得了许多重大的研究成果。目前，站在中国工业2025转型升级的重要节点上，发展新能源汽车工业已成为“十三五”既定国家战略，并确立了以推广纯电驱动为主的跨越式技术发展路线。在此格局下，开展纯电动汽车基础技术研究，对实现我国汽车工业在新能源领域的弯道超车格外重要。当前，传统集中式驱动燃油车的电动化改造已取得阶段性成果，并相续有量产的混合动力和纯电动汽车推出市场。此类电动汽车依赖集中式驱动结构，通过动力源电机化，并借助差速器和分动器实现二轮或全轮驱动。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特性曲线有

40、所改善外，车辆驱动方式并未发生实质性改变，整车动力学品质和舒适性、经济性、主动安全性等改善较为有限，未能充分体现电机驱动技术优势。相比之下，采用分布式独立驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毂电动汽车），省略了传动系统，利用电机直接驱动车轮，各轮的运动状态相互独立，整车拥有更多的可控自由度。因此轮毂电动汽车的分布式驱动方式能从根本上了汽车驱动方式，为汽车运动和控制带来全新可能，成为极具潜力的汽车技术。1基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究图1.1 分布式驱动轮毂电动汽车及其驱动单元1.1.2 研究意义轮毂电动汽车采用电机直驱，能量传递环节少，能从根本上提高能源利用率，通

41、过转矩的协调分配可实现节能控制；省略了传动系统，简化了底盘结构、提升车辆空间利用率，对汽车整备质量轻量化贡献较大，可显著降低制造成本，并进一步增加电动汽车续驶里程；车辆具有更多可控自由度，各执行器运动相对独立，执行器除了本职工作外亦可兼做整车闭环反馈单元，用于诸如路面附着系数、车速、车轮侧偏角的实时观测中，能减少了对额外传感器和执行器的依赖；线控系统结构破除了传统系统间的约束，通过各大执行器的组合优化，便于实现SBW、SBB、SBD、TCS、DYC、ASR、ESP、AFS等主动安全技术的集成控制，能显著增强极限工况下车辆稳定性储备裕度，从而使车辆拥有更佳的主动安全性。因此，业界亦将轮毂电车称之

42、为电动汽车的终极驱动形式3。目前，轮毂电动汽车尚处在研发中，国内外许多高校企业都投入了大量精力，也取得许多喜人的研究成果，但是其距离实际量产依旧还存在许多关键技术难题，其中最为迫切的是轮毂电动汽车操控稳定性研究，其作为基础是其他关键技术研究的前提，故而更具迫切性。车辆的操纵稳定性是指在驾驶员尽量舒适状态下，车辆能遵循驾驶员意图行驶的能力，且当遭遇外界干扰时，车辆能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力4， 主要强调车辆对侧向动力控制，它是决定极限转向等情况下车辆安全性能的主要因素，也是车辆动力学品质最基本的保证。由于采用分布式驱动，轮毂电动汽车各执行机构间不存在确定的机械约束，因此整车牵引控制效果依赖于

43、各执行机构的协调，其结构形式与传统汽车相差巨大。虽放宽了对控制系统设计的限制，却对控制系统提出了更高的要求。主要差异表现在四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮独立制动的轮毂电动车是过驱系统，需要对四个独立驱动、独立转向的车轮进行转矩分配和转角控制，以满足对车辆运动状态变量（不超2基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究过6个）的跟踪，即执行器输出变量与被控状态变量之间是映射关系不唯一，系统自由度高度冗余；同时，传统汽车上的围绕着特定控制目标设计的稳定性控制系统相对封闭独立，当多个子系统同时作用时，由于车辆的耦合特性，控制目标间普遍存在冲突与干扰，从而难以通过传统汽车平台迁移实现轮毂

44、电动车稳定性控制。理论上，轮毂电动汽车虽然相对于传统汽车有巨大优势，但实际由于轮毂电动汽车的相关研究与传统汽车的研究问题完全不同，因此，必须研究新的理论来支撑轮毂电动汽车操纵稳定性研究。本课题在国家自然科学基金和深圳市基础研究资助下，为上述轮毂电动汽车关键技术研究开展做了基础性探索，包括设计建立实车试验平台，进行整车复杂非线性耦合动力学仿真平台建模，围绕着4WIS、4WID轮毂电动汽车，以整车动力学控制为理论基础，以工程应用为出发点，探讨了多约束下的分配控制问题，基于全轮主动转向与转矩分配集成控制，进行轮毂电动汽车操纵稳定性和控制策略研究。1.2 线控轮毂电动汽车国内外的研究概况分布式驱动的轮

45、毂电动汽车在稳定性、舒适性和节能控制等方面相较于传统车辆具有显著的理论优势，因此国内外针对分布式驱动电动汽车进行了大量的系统研究和实验车辆开发，为其动力学系统研究提供了试验平台。最早的轮毂电机驱动电动车源于保时捷的大胆设想，采用两个内置于前轮的电机直接驱动汽车，从而摈弃了发动机和传动系统。如今，轮毂电动汽车在电子稳定控制、系统集成等方面有了长足进步。例如，针对不同应用需求，日本庆应义塾大学分别开发了高速型、高动力型二款8轮独立驱动轮毂电动汽车 “Ellica”5，如图2（a），进行了一系列的牵引控制研究；三菱汽车（Mitsubishi Motor）公司则利用轮毂电机力矩独立控制的特点进行动力学

46、稳定性控制，推出了MIEV概念车6；东京大学的Hori教授7,8则基于量产车开发了4WID的概念电动车“UOT Electric March”；东京农工大学的永井正夫教授9团队为研究DYC与SBW集成控制，提出了轮毂电机驱动的 NOVEL系列微型车技术解决方案；通用公司10先后研发了轮毂电机后驱轻型概念车Hy-wire和氢燃料轮毂电动汽车Seque，如图2(b)；美国俄亥俄州立大学11基于沙滩车开发的四轮轮毂电动汽车上，研究了驱动和再生制动模式下的力矩分配和节能控制。除了民用领域外，轮毂电动汽车在领域亦得到了重视，通用公司开发了多轮驱动“悍马”车，极大的改善了车辆的经济性和动力性。此外，通过对

47、驱动、转向、制动、悬架在车轮单元的集3基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究VOLVO12 和法国米其林13 分别推出了提出的ACM （ Autonomous Corner成， Module）和active wheel motor概念车轮总成。由此可见，轮毂电动汽车已被世界视为未来电动汽车领域发展的重要方向。（a）（b）图1.2 典型分布式驱动轮毂电动汽车（c）国内对此也开发了相应的试验平台并进行了相应的稳定性、平顺性等研究。例如， 同济大学14相继开发了春晖系列分布式驱动电动车；清华大学15,16 设计了针对个人短途工况的经济型微型轮毂电动汽车“哈利”；吉林大学17,18为

48、了相关集成控制方法研究， 设计了全线控轮毂电动车平台，如图2（c）；此外，上海交通大学19、山东大学20等大学及科研单位也针对轮毂电动汽车进行了样车开发。综上所述，虽然目前国内外不少机构针对轮毂电动汽车提出了一些产品级解决方案，但是实际上这种汽车的结构极其复杂，迫于安全、稳定、可靠性的原因，现阶段还远远达不到的民用化水平。相比之下，我国对于四轮驱动轮毂电动汽车研究与国外存在着较大的技术差距，总体上还处于起步阶段。因此，要充分发挥分布式轮毂电动车的驱动结构优势，还需在稳定性、节能控制等方面开展细致、深入、系统的理论研究和实践探索，这将对轮毂电动汽车稳定性电控系统产生深远影响。1.3 课题相关研究

49、内容概述1.3.1 轮毂电汽车仿真平台建模研究现状车辆系统是各构件通过各种约束形成的刚柔混合多体系统。车辆动力学建模研究始于 19 世纪 50 年代2, 3，普遍将车辆模型进行线性化处理，最具代表性的是线性二自由度单轨模型。该模型建立在轮胎侧偏特性线性基础上，故仅适用于低速线性工况，应用范围较窄。为了开展非线性仿真控制研究，主要表现在对轮胎线性侧偏特性进行了非线性改造。然而，此种模型未能考虑到车辆因俯仰、侧倾等运动造成的轴荷转移，故而也不能用于极限临界工况的稳定系控制系统开发中。4基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究目前，针对车辆动力学建模大致有二种手段：（1）求解描述车辆

50、运动微分方程， 着重从运动机理上进行建模，典型软件有 Simulink 和 Mathcad。（2）通过多体系统动力学进行动力解析，将动态系统看作有铰链和内力链接的刚体，代表仿真软件有Adams/Car、DADS、RecurDyn、CarSim。此类模型以丰富的试验数据为基础，能有效地降低开发周期和成本，但在定性理论研究方面存在不足。在国外，较为具有代表性的多自由度动力学模型，以 D.J.Segal4建立的十五自由度模型，和美国密西根大学交通研究中心15的十七自由度模型为代表。国在内，吉林大学6汽车模拟与控制国家重点实验室基于 Unit Tire 建立的十二自由度汽车模型，是目前国内乃至国际权威

51、的汽车模型之一。针对轮毂电动汽车，日本东京大学9和东京农工大学10则均采用了七自由度 4WID车辆模型；杨福广11、宗长富等12基于车辆稳定性控制需求，建立了 4WID/4WIS 车辆模型，但是上述模型均未考虑车辆的垂向运动。实际上，轮毂电机安装使整车簧下质量增加明显，会恶化汽车平顺性和动力响应品质，此时簧下质量的垂向运动对整车动力学品质的影响将是显著的。主要表现为沉重的转向负载，会影响到转向角的动态品质，从而影响车辆的响应特性。此外，一般学模型多是根据研究的需要侧重于车辆的某些性能而建立的，多是基于传统汽车，轮毂电机普遍简化扭矩特性曲线或者功率 map 图形式，这种简化等效模型固然能降低仿真

52、计算量，同时也剔除执行器的动态响应特性。采用了电机驱动、转向技术使得车辆对动力系统响应更加敏感，各自由度之间的耦合作用也更加强烈。这种仅考虑执行器静态约束的简化模型在实际中可能存在较大的偏差，例如电机的转矩波动对轮胎纵向力影响较大，不单影响车辆平顺性，而且在极限轮胎力下易诱发车辆失稳。目前的车辆建模研究对述分析尚不够充分，因此建立高冗余过驱系统动力学模型能为独立驱动模型领域作了一些必要的有益的工作。考虑到后期拓展研究，文建立考虑车辆垂向运动和执行器动态响应特性的 19 自由度非线性耦合车辆动力学模型。1.3.2 电动汽车操纵稳定性控制基础理论概况车辆稳定性主要强调对车辆侧向动力学特性的控制。事

53、实上，侧向动力学是一个异常复杂的非线性问题，目前尚无任何技术能够实现对侧向力的直接控制，这是困扰车辆稳定性研究的核心问题。幸而，车辆轮胎动力学的内在耦合特性，使得侧向力学5（刘明春）基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究特性与纵、垂向动力学之间存在相互作用。因此，车辆稳定性控制的实质上是通过对轮胎垂向力、纵向力的合理控制，从而影响侧偏力，使车辆状态远离失稳边界，从而提升车辆稳定性裕度。目前，该类控制方法相应分为三类：主动转向控制（AWS）、侧倾刚度控制(RSC)和直接横摆力矩控制(DYC)。AWS 作用于轮胎侧偏特性线性区，在非线性区的效果不明显；由于受到轮胎非线性饱和因素影

54、响，其单独控制效果无法得到本质上的提升。RSC 主要利用轮胎侧偏刚度与垂向力的耦合关系，通过调节悬架侧倾刚度产生期望侧倾力矩来提高操纵稳定性；该类方法严重依赖于主动或半主动悬架技术（ASS），在载荷转移明显时才具有效果4。总体上适用工况较窄，应用较少。DYC 利用轮胎纵向力和侧偏力间的非线性耦合关系，通过驱动或制动使各轮产生纵向力差，从而产生作用于车辆的横摆力矩，理论上适用于一切车辆的稳定性控制。得益于 DYC 控制在位姿调整的上的显著效果， 该类控制方法在车身稳定性系统（ESP、VSC）得到了良好的运用，主要用于在极限工况介入提升整车安全性，逐渐成为目前车辆上主流稳定性控制系统。传统的 DY

55、C 是通过限滑差速器实现，结构较为复杂，相比下四轮独立的轮毂电动汽车的系统结构则具有更佳的硬件基础：电机扭矩的响应直接输出快，扭矩的大小很精确；电机扭矩独立可控，且易于测量。利用这两个优点，就可以通过独立控制电机扭矩的方式产生纵向力差，从而改变作用在汽车上的横摆力矩。因此，选择 DYC 控制来解决线控轮毂电动汽车的操作稳定性问题是较为理想的选择。1.3.3 转矩和转角协调控制研究现状转矩和转角协调控制问题在传统汽车是极少被关注的问题，主要是因为传统汽车并不具有主动转向的能力。由于差速器的等扭分配和转向梯形的约束作用，驱动系统和转向系统分别负责驱动和转向，各大子系统功能结构清晰，不存在相互干扰。

56、由上述的车辆稳定性控制理论可知，主动转向 AWS 和 DYC 都能产生附加横摆力矩，从而使车辆具有转向运动趋势。这种差动助力转向效应和附加横摆力矩，对车辆的稳定性和转向特性都有较大影响。此时，轮毂电机拖动的车轮不仅是驱动系统的执行器，更是转向系统的重要组成部分，造成系统的结构属性模糊。此外，轮毂电动汽车的非线性耦合作用导致基本不可能通过对二者单独控制实现对理想状态的追踪。当然，传统的 DYC 未直接利用轮胎侧偏力学特性，横摆力矩控制不符合转向运动的基本机理，因此对于车辆侧向运动控制并非总是理想，表现在车辆纵向速度的波动，6基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究会削弱驾驶员的操纵信心和驾乘舒适性。于是，为兼顾平顺性，出现了将各种系统进 行集成的车辆动力学横摆稳定性控制，其中主要是 AWS 与 DYC 的集成21。轮毂电动汽车通过差动驱动的方式实现 DYC 控制，不产生纵向速度损失，介入较传统差动制动更为温和；同时，AWS 可以缩短横向加速度及偏转运动的响应时间,减小车体的侧偏角，从而提供良好的操纵性，在驾驶舒适性方面具有优势。因此针对轮毂电动汽车的稳