四轮驱动电动汽车的转矩控制系统.docx

摘要为了转变经济增长方式，为社会构建出一个稳定'清洁、友好的环境。国家对于汽车尾气排放的严格要求正在不断促进新能源出行方式、绿色生活方式的到来。作为新能源电动汽车的突出代表之一，四轮毂电机欢动的电动汽车的特点是四个轮毂由四个电机独立控制，具有很大的控制自由度。本文的研究对象是四轮毂电机驱动的电动汽车，基于其控制系统模型，对车辆的稳定性问寇展开研究，并设计实验进行分析。首先，本文对四轮驳动电动汽车的发展背景与研究现状进行了阐述，指出当今国家的多项经济、文化政策均围绕环境友好的中心展开。因此，作为零排放'少能耗的代表，新能源电动汽车逐渐走向了我们的视野中，受到了各国和政府的大力推广。其次，在针对车辆动力学的仿真的专业软件CARS1.M中，进行电动汽车的参数匹配与改装，实现了电动汽车的车体建模，其参数来自于传统车辆的动力学模型.而电机模型和主要的控制系统模型在MAT1.AB-SimU1.ink中搭建，作为转矩控制策略实现的基础。然后通过联合仿真的接口,将CARSD1.中的车体模型与MAT1.AB-Simu1.ink中搭建的电机控制模型连接，组成一个完整的四轮驱动电动汽车的模型，实现联合仿真.然后，深入分析车辆可能发生失稔的原因，以日常的行驶过程为立足点，研究驱动力的分配，得出了对车辆行驶过程中稳定性产生显著影响的因素一横摆角速度，并研究了改善横摆角速度稳态响应的转矩分配策略。通过合理调整左右车轮各自的力矩，改善了横摆角速度的动态性能，使车辆在行驶过程中的转向稳定性得到显著提高.关键词：四轮驱动电动汽车，转向稔定性，横摆角速度，仿真实骗绪论11论文的研究背景及意义1.1.H研究背景近百年来，许多大型工厂的兴起和大量煤炭的消耗造成了空前的空气污染，大量的工业化学排放物增加了未经处理的人类废物的负荷。而随着汽车产业的快速是发展，私人汽车越来越普及，汽车尾气的排放也成为环境污染的主要原因之一。而当今世界的发展一直在强调和谐与环保，大量的尾气排放显然与这一趋势相背离，于是新能源汽车逐渐走入了人们的生活。2019年，中美契易摩擦与汽车工业的转型压力的影响下，我国汽车销量依然蟒联全球第一，为2576.9万辆。根据市场调查预测评估得出，2025年中国国内汽车销量有望达到3500万辆，其中新能源汽车占比将超过20K能源环境问题与汽车行驶安全问跑在不断地提醒人们加速推动汽车领域研究中电动汽车的发展。四轮驱动电动汽车作为汽车发展的新型技术，凭借其特有的优势，正在逐步占领电动汽车研究领域的研究重心。从发达国家的高校和汽车企业开始研究，随着新能源汽车热潮席卷全球，这项技术将会成为我国在汽车大国向汽车强国转变过程中必不可少的一个环节。虽然目前市场上存在许多研发与生产电动汽车的企业，但我国对四轮驱动电动汽车的研究开始的较晚，现在依然处于起步的阶段。此外，在传统燃油汽车的稳定性设计与研发的过程中，各类技术已经日渐成熟，广泛应用于市场。而作为最新兴起的一类汽车，电动汽车的多轮驱动方式相比燃油汽车的传统机械驱动方式更加新颍，摒弃了燃油汽车传统的底盘控制技术，取而代之的是以轮毅电机驱动的新型动力方式。其动力学控制可基于转矩而实现快速响应，四个独立可控的轮毂电机赋予了电动汽车更多的可研究性。汽车是经济发展和交通运输不可或缺的载体，目前我国的汽车保有量也在不断增长。在汽车销量带动国家经济发展的同时，我国也成为国际上由于交通问题而导致伤亡最多的几个国家之一。因为交通事故等安全隐患正在日益加重，人们对于汽车的性能提出了更高的要求，包括车身的稳定性，防滑防水的性能等。随着互联网和人工智能技术的兴起与发展，未来，汽车领域将出现智能控制驾驶与无人驾驶模式，真正实现汽车驾驶的智能化。在这之前，轮毂电机电动汽车的发展还有很长的一段路要走，因此深入研究轮毂电机的转矩分配系统显得尤为重要。1.1.2研究的目的与意义轮较电机驱动方式被广泛的应用于四轮驱动电动汽车，车轮与电机直接相连，实现车轮与电机一一对应的驱动，将传统的动力控制方式转变为电气控制，替换掉了传统汽车中大量的传动机构，简化了汽车的结构，可以实现对整车灵活快捷的控制。除了力矩非常精确，易于控制和极高的响应速度外，四轮驱动使电动汽车与传统的集中驱动的电动汽车不同之处的是，它获得的控制自由度更大，拥有单轮层面的控制力矩，可以实现多种主动式的安全控制。包括ABS控制，车身稳定性控制等，以最大程度地提高汽车在驾驶过程中的稳定性。但若应用了不当的控制，汽车将容易失稳，甚至引发交通事故。新能源汽车有四大类型，其中包括燃料电池电动汽车,纯电动汽车'混合动力电动汽车、其他新能源汽车等。作为重要成员之一，纯电动汽车在能源的利用方面，采用的驱动方式为纯电力驱动，具有环保高效、噪声低的优点，以顺应未来全球新能源汽车发展的大趋势。与传统燃油驱动式汽车和集中驱动式电动汽车相比，分布驱动式电动汽车拥有极大的控制方面的优势，主要体现在以下几个方面：（一）具有紧凑的结构和优越的传动效率。许多动力传动机构，如差速器、传动轴'离合器'变速箱等，在分布驱动式电动汽车中不再出现。因此其拥有更加紧凑的动力结构，同时也大大降低了汽车的重量，向汽车轻量化的目标迈进在动力传递的过程中可以避免大量的机械损失，进而提高传动效率.（二）实现快速且准确的动力学控制轮毂集成了驱动电机，可控制直接作用于车轮的驱动力。克服了传统燃油汽车由于机械传动或变速箱'离合器等磨损造成的时间损失，也避免了集中驱动式电动汽车传动轴减速器的传动延迟，因而它的晌应速度和响应精度更好。每个车轮的运动状态都可由四个轮毂电机独立控制，通过合理分配四个车轮的力矩，对车辆进行快速又准确的运动控制。（三）易于获得行驶状态中的参数受传动效率的影响，传统汽车的四个车轮各自的受力无法被准确计算。而四轮驱动电动汽车的控制系统，轮毂电机的转矩易于控制且传递精确，可以实时查询施加在每个车轮上的转速与转矩，进而计算出四个车轮的动力学状态以及行驶状态参数等（四）可以实现驱动力自由分配在传统汽车中，只能在特定的比例范围内调整轴间动力分配量，因此驱动力分配余度较低。而在四轮驱动电动汽车中，同轴车轮以及前后轴车轮之间的扭矩分配为“无极”分配，可以根据控制目标的不同而对转矩分配实现动态的调节，不断优化驱动力之间的分配，实现更多的要求.针对汽车在行驶过程中由于驱动力过大或过小而产生的一系列问题，需要研究车身的稳定性控制策略，可防止汽车由于路面光滑而造成的失稳'失衡以及动力损失等现象,在安全的前提下保证车辆动力充足。这样的方式仍然存在许多需要改进的问题，控制自由度的增加会使电动汽车难以协调电动轮之间的控制.为了保证电动汽车可靠的运行，需要使用更加可靠的转矩控制系统，并进行精确的仿真实睡。而目前依然没有出现完善且通用的四轮驱动电动汽车的仿真模型，因此通过研究四轮驱动电动汽车的转矩控制系统与仿真，实现对四轮驱动电动汽车的扭矩协调优化分配与控制具有十分重要的工程实际意义。1.2 轮毂电机电动汽车国内外发展现状概述1.2.1 国外发展概况分布式四轮独立驱动系统在电动汽车应用方面的优势与潜力十分明显，因此国外有许多高校与企业在四轮驱动电动汽车的研究中投入了大量的科研成本。目前，在四轮驱动电动汽车技术的研究中，欧美国家和日本占据主导地位。上世纪90年代，日本便开始着手研究轮毂电机在汽车中的应用，并取得了很多显著的成效。美国的ProteanE1.ectric公司，作为世界著名的轮黄电机生产商之一，许多逆变器等电力电子器件都被集成到他们研发的轮毅电机中，如图1.1所示。他们公司的研发的轮黄电机同时实现了轮毂与外转子直接相连的结构，不再需要减速器，大大减小了体积和重量，转矩峰值达到了1250Nm.而功率峰值达到了80削，可以满足大多数汽车在动力性能方面的要求。图1.1Whee1.motordeve1.opedbyProteanE1.ectric东京大学的研究团队从21世纪初起，开展了有关四轮驱动电动汽车稳定性的多项研究，随后研发出轮毂电机电动汽车“UOTE1.ectricMarch'和"UOT臼ectricMarch2',目前，该团队正在研究电动汽车的四轮转向的稳定性控制。此外，韩国义阳大学，美国俄亥俄州立大学，东京农工大学等高校团队都在不断推进电动汽车中转矩分配策略的研究，努力向轮毅电机四轮驱动的时代迈进。1.2.2 国内发展概况和国外电动汽车技术水平的差距，让我国必须在轮毂电机电动汽车的研究中投入更多的成本，付出更多的心血努力。目前，政府与国家日益重视起电动汽车的发展，明确态度，鼓励和支持电动汽车领域相关技术的研发，并下达了一系列相关的文件，落实到各大高校与企业研发部门。从搭建实验平台开始，到电控技术的研究，到算法设计与开发，再到现在融入人工智能技术，攻克了许多技术上的难关，在这个过程中，国家的政策起到了很大的作用。大量的人力与物力财力被注入电动汽车的研发中，生活中可以看到许多公交车已经换成了纯电力驱动的客车，可见电动汽车的发展受益于国家的鼓励与政策的支持。电动汽车、电动公交车不仅更加轻便环保，而且少了燃油味道之后，乘客也获得了更好的乘坐体睑。与国外各高校与企业相比，我国较晚开启研究电动汽车领域的大门。但我国的研究进展极为迅速，主要以高校为主，其次是各大企业的研发部门。其中包括同济大学与上海燃料电池汽车动力系统公司，二者共同研发了“舂晖”系列车型。春晖三号动力系统采用混合驱动方式，即同时存在电机与发动机两种动力装置，使用永磁无刷直流轮霰电机驱动每个车轮。三1.2BYDTaigEV600在国内的车企中，比亚迪汽车公司最新研发并实现了一体化动力总成式电机减速器,并在2019年发布了全新一代智能电四驱唐EV系列车型，如图1.2所示。在而在国内的车企中，首先采用高压集成系统的公司为北汽新能源。此外，奇瑞、吉利、长城等国内汽车企业也在不断加快新能源四轮驱动汽车研究的脚步。但目前看来，大多数研究都处于样机阶段，未来的电动汽车行业依然具有广阔的探索空间。1.3 集中驱动式与分布驱动式电动汽车的对比目前市面上存在两种结构的电动汽车驱动系统，包括集中式驱动系统和分布式驱动系统。1.3.1 集中驱动式电动汽车在驱动结构上，集中驱动式电动汽车沿用了和传统燃油汽车极为相似的布置方式。除了内燃机被电机等部件代替外，其他机械传动结构均类似。转矩经电动机输出后，再经减速器后传入差速器，由差速器分配转速与转矩后输入左右车轮。由于研究开始的年代久远，集中式电动汽车的技术早已十分成熟，多年来汽车的上路实况也反映出其可靠性与安全性。但其缺点也显而易见，沿袭了传统内燃机汽车车体笨重的特点，相对来说效率提供不足。集中驱动式电动汽车的控制系统结构如图13所示：目前，在电动汽车领域的市场中，集中驱动式电动汽车凭借其成熟的技术水平和较高的完成度，成功进入市场。以北汽E150EV、日产1.eaf为代表。图1.3Centra1.izeddrivee1.ectricvehic1.e1.3. 2分布驱动式电动汽车而分布驱动式电动汽车包括两种类型，即轮边电机电动汽车和轮毂电机电动汽车。其中在副车架上安装驱动电机的为轮边电机电动汽车，车轮对应侧输出轴为其提供驱动力。而轮毂电机控制的电动汽车是在汽车轮毂中安装减速机构和电机，去淖了传动轴、变速箱等结构部件.总的来说，分布驱动式电动汽车具有轻量环保'车身结构紧;奏、行驶稳定性强等优点。分布驱动式电动汽车控制结构如图1.4所示：图1.4Centra1.izeddrivee1.ectricvehic1.e14四轮驱动电动汽车转矩分配的研究现状交通压力日益严峻，汽车的保有量依然每年都在增加，汽车销量在带来经济增长的同时也使得交通事故频发，交通事故对许多家庭带来沉痛的打击与伤害。这样的社会问题已不容忽视，因此汽车的安全性被放到了车辆研发过程中最重要的位置。分布式驱动电动汽车的多个执行器可以实现先进优越的实时操纵功能，我现在主动安全性控制和主动定性控等。001.5Torquecontro1.strategyofpuree1.ectricvehic1.e目前电动汽车领域较为常用的控制策略如图15所示。由于轮毂电机电动汽车的控制精度与自由度有很大的提高，但其驱动力控制与分配策略的研究却一直没有突破瓶颈，其中包括车身防滑及稳定性问题和转矩分配等问题。转矩分配策略分为左右轮转矩分配和前后轮转矩分配两类，通过合理安排可以提高车辆的安全性和转向操作稳定性。电动汽车非常重要的一个特点是它的响应非常迅速，可以实时控制输出转矩的大小。此外,轮毂电机支持四轮独立的稳定性控制，可以基于此特点研发出更多更加优化的协调控制策略。因为拥有电动汽车领域中典型的过驱动系统，分布驱动式电动汽车的转矩分配控制算法的性能就显得尤为重要,接下来就横摆力矩控制研究现状和前后轴驱动力分配研究现状两个方面进行综述：1.1.1 横摆力矩控制研究现状横摆力矩控制的研究分为两个方面：首先是选择适当的控制变量和参考模型；其次是研究控制横摆运动的算法。在汽车的线性区域中，仿真参考模型大多数时候选用二自由度模型，与汽车的状态参数相结合，包括车辆重量、体积尺寸、行驶速度，再结合驾驶员的操作等，可以推导出所需要的控制变量。之后紧接着分析二自由度模型，可以得出横摆角速度和质心侧偏角是影响汽车行驶过程中横摆运动稳定性的最重要的两个指标,因此它们常常被选择作为控制变量。东京大学的科研人员们建立了汽车的三自由度模型，利用的控制思想为模型跟踪应用质心偏例角和横摆角速度，计算其偏差值，可以实现反馈控制。为了计算控制横摆力矩的实际数值，该团队在此基础上结合了前馈补偿。而控制模型建立之前，理想的质心偏侧角需要被设为零，并且线性化理想横摆角速度的二阶传递函数模型.其中，时间常数可从高频域内通过线性化得到，而横摆角速度的稳态增量可以从低频域线性化得到。最后，在实验中得到险证，大多数工况下，前馈控制足以保证汽车稳定特性，但如果需要保证更加优化的瞬态响应，则需要应用反馈控制修正。由于在极限位置时，对轮胎施加的转向角控制已经难以发挥其重要的效果，因此需要直接控制横摆力矩和采取主动转向策略。仿真结果表明，这种控制模式可以提高车辆在极限位置处的转向操作稳定性。也有许多国内团队将轮毂电机电动汽车的转矩分配选做主要研究方向，其中包括吉林大学的宗长富团队。他们研发出了集成式控制系统，包括下层力分配器和使用终端滑膜控制思想设计出的上层运动控制器。为了对车辆运动目标实现实时定位，驾驶员的操作行为将输入运动控制器中进行分析，得到广义控制量。而受到轮胎时着极限的影响，基于伪逆矩阵的下层力分配器会将总转矩按照一定的分配策略，为各个车轮提供分配力矩。角阶跃实验的结果表明，控制前期由于无约束，横摆角速度的振荡现象十分明显；而在有约束的终端滑模控制的全程，横摆角速度都未出现大幅振荡现象，并且在很短的时间内接近理性特性。实睑结果证明了相比于普通滑模控制，终端滑膜控制的控制误差拥有短时内迅速收敛的优点。1.1.2 驱动力分配应用于前后轴的研究现状吉林大学的团队在稳态转向特性与分布式驱动电动汽车前后轴驶动力分配关系的实脸中，深入分析了实验机理。以数值优化为目标建立了目标函数，基于摩擦椭圆理论寻找出路面消耗最小的方法；随后进行离线优化，在电机效率图的基础上，以最优分配系数为主要内容，制作MAP表,推出驱动效率最高的方法；学习制动性能最好的雌分配方式，并且参考侧向需求，得到使前轴和后轴一起到达附着极限的方法。以此分析得出影响汽车侧偏特性与车辆转向特性的主要原因，是轮胎的滑动和载荷的转移。其中，载荷转移主要在高附路面产生较大的影响，轮胎的滑动主要在低附路面产生较大的影响。国外在前后轴驱动力分配与车辆稳定性控制的研究的路上已经走了很远，许多研究人员为了达到车辆稳定性的控制，在减少偏差的参考模型的基础上，估计并跟踪控制变量。如东京大学的科研团队，在HoriY.教授的带领下，详细叙述了电力驱动的技术，并且在车轮滑转率和电机驱动力分配的方式上展开了很多研究，研究出一种分配电动汽车四个车轮驱动力的方法。驾驶员控制电机为四个车轮提供驱动力，而四个车轮在控制下,发生侧滑的概率降低。他们的控制方法可以保持车辆在瞬态低附着路面的稳定驾驶。1.5 本文主要研究内容本文基于国内与国际上先进的研究成果，以合理分配转矩并加强车辆转向稳定性为目标，从四轮驱动电动汽车的动力学模型搭建开始展开设计工作。四轮驱动电动汽车可通过灵活分配转矩而提高车辆行驶过程中的许多性能，因此研究轮毂电机的转矩分配控制策略，可以充分发挥出四轮驱动电动汽车转矩控制时的潜力，控制汽车在行驶过程中的侧偏特性与横摆特性，从而提高车辆的转向稳定性。本文的主要研究内容如下：首先，查阅了大量的参考文献，学习与分析了四轮驱动电动汽车的结构特点，总结了轮边电机与轮毂电机的区别，确定了轮毂电机应用于四轮驱动电动汽车上的优缺点。之后参考了某型号汽车的参数结构，在专业动力学建模软件CARSIM上根据所选的参数匹配并建立了实验所需的电动汽车动力学模型。为验证在CARSIM中建立的模型的正确性，设计睑证试验，在MAT1.AB-Sinndink中建立车辆的外部驾驶员模型，然后通过CARSIM和MAT1.AN-SimUIink的接口进行联合仿真，得到一个完整的外部驾驶员联合仿真模型，证明了本实验中建立的汽车动力学模型的可行性。第二，通过分析四轮驱动电动汽车的电机转矩分配外特性在MAT1.AN-SimU1.ink上建立了轮毂电机控制的模型。研究在车辆不失稳的前提下提高汽车转向性能的转矩分配策略。确定了分配驱动力研究的主要内容，建立了保持车辆转向稳定性能的横摆力矩控制模型。第三，在已建立的MAT1.AB-Simu1.ink模型的基础上进行仿真实验。讨论引起车辆失稳的因素，分析保证车辆行驶稳定性的条件，研究横摆角速度等因索对汽车转向的影响,并在稳态响应的实验过程中验证了本文所建模型对横摆角速度的稳态控制能力。最后，对所有的工作进行总结，客观的评价该实臆过程中的版陷，并规划未来将攻克的技术难题。基于CARSIM的电动汽车动力学建模与仿真随着软件能力的增强，实骐的前期往往需要在计算机平台上进行软件仿真的工作，然后建立出一个用于控制和开发汽车驱动力分配策略的车辆动力学模型。本量将分析电动汽车的结构，在CARS1.Y上建立四轮驱动电动汽车的动力学模型，并在MAT1.ABSinn1.1.ink上建立外驾驶员模型，实现联合仿真以证明CARSIM中建立的汽车动力学模型的可行性。其中CARSIV平台将为实验提供电动车动力学仿真基础模型，MAT1.AB-Simu1.ink软件将为实验提供外驾驶员模型，作为睑证实睑的外部支持。1.6 四轮驱动电动汽车结构及其分析16.1整车自由度分析如图2.1所示，汽车的轮胎坐标系'车辆坐标系、大地坐标系常常被用于车辆的动力学建模，也可我现车辆的运动状态。坐标系的原点为车辆的质心位置，由右手法则可以得到。正向X轴为与车辆前进方向平行的地面，正Y轴为车辆前进方向平移至质心处的左侧方向，而正Z轴为车辆质心处的垂直向上方向。由图2.1的车辆坐标系可知，六个方向的运动同时存在于空间上车辆的运动之中。包括沿Z轴垂直方向的空间运动、沿Y轴方向的车辆侧向运动、沿X轴的纵向空间运动'绕Z轴的横摆运动、绕Y轴上的俯仰运动以及绕X轴的侧倾运动。图2.1Distributeddrivee1.ectricvehic1.es本文将对车辆在空间坐标系中的横摆、侧向和纵向运动进行研究分析，此处忽略车辆的俯仰运动、侧倾运动、垂向运动.在理想状态下，即假设复杂的运动不会发正在车辆的悬架系统上，并且在垂向运动中，车身与底盘只做俯仰和侧倾运动；同时，假设车辆的四轮均不做垂向运动，即默认汽车行驶的水平路面不会在垂直方向上冲击单个或多个车轮。在这样的前提下，建立出一个理想状态下模拟整车车辆动力学模型的七自由度模型，同时推导得出代表车辆转向操纵性能的动力学方程。本文的七自由度车辆动力学模型如图2.2所示，包括：Y轴方向上车辆的侧向运动、Z轴方向上车辆的横摆运动,X轴方向上车辆的纵向运动，以及车辆四个轮子各自的转动。图2.2Kinematicmode1.ingofavehic1.e车辆沿X轴纵向运动的方程：(2.1)车辆沿Y轴侧向运动的方程：(a2)因此，式3)可以计算出侧向加速度和纵向加速度：(Z3)绕Z轴的车辆的做横摆运动的运动方程：14)垂向分配在各个车轮上的载荷：(2.5)在上述方程式中:表示汽车前轮中左侧的轮子的转角；：表示汽车前轮中右侧的轮子的转角；(j=1.-4):代表汽车的各个车轮所受来自纵向方向上的力的大小；0=14):代表汽车的各个车轮所受来自侧向方向上的力的大小；G=IF):代表汽车的各个车轮所受来自垂直方向上的力的大小；(j=4):代表汽车的各个车轮在滚动过程中所受的滚动阻力的大小；：代表车辆在行驶过程中所受风的阻力的大小；：代表车辆在X轴即纵向方向上的加速度；：代表车辆在y轴即侧向方向上的加速度；_DDd033:表示转动愦量。1.6.2车辆四轮转速差及其协调关系在车辆转向的过程中，为了确保稳定性，分别位于车辆左侧和右侧的车轮转速一定不相等，存在适当的差值。为了保证平稳的转向，速度分别在轮毂边缘与轮心上的大小符合协调关系。传统意义上我们使用的内燃机汽车使用基于机械原理的差速器，来实现汽车左右轮转速差。而因为电动汽车取消了传统内燃机汽车内复杂的机械系统，所以四轮独立驱动的轮毅电机电动汽车实现转速差协调分配的方式是控制汽车四个车轮各自的转速。作为汽车转向系统领域的一大新的技术突破，电子差速已经跻身目前车辆控制行业的一个研究热点。和传统机械差速系统比较，在车辆转向稳定性方面，电子差速计的控制优势非常可观。它支持对车辆转向行驶时进行实时操作状态控制，通过分析准确的传动比来实现，可以大大提高车辆转向时的稳定性。除此以外，驾驶员在车内进行转向操作时无需操纵传统机械差速系统，从而减轻了驾驶人员的注意力负担。在提高转向稳定性的同时，也提高了驾驶人员的舒适度与操纵性，进而确保行驶过程中的安全性，电子差速计不仅可以直接控制车轮的转矩，而且箍够与包括EIeCironicStabi1.ityPrOgram、AnIi-1.OCkBrakeSystem在内的各类主动安全控制系统实现联合控制。汽车转向时，为了克服地面与车轮发生滑动摩擦导致的轮胎磨损而降低轮胎的“抓地”能力，尽量要保证车轮处于纯滚动状态。对于轮毂电机驱动的电动汽车，各个车轮需要具备转速差，并且符合一定的条件，才能稳定、安全地完成转向过程。图2.3为转向差速系统的模型，此模型是基于阿克曼的转向差速模型，用于推导出汽车四轮转速差之间的关系。图2.3Ackermansteeringmode1.基于下列四个假设，本文将对阿克曼模型做出分析：(1)车轮始终接触地面，不会因为突发情况离开地面；(2)始终保持刚性的车体；(3)作用于车轮的侧向力正比于车轮所受的侧向变形量；(4)轮胎的状态始终为纯滚动，即不与地面产生滑移。在图2.3中，1:表示内侧前轮转角；。2:表示外侧后轮转角；为转向轴前轴的中心转角；V:表示后轮轴中心位置处的向前行驶方向上的速度；：表示左例的前轮向前行驶方向上的速度；：表示右侧的前轮向前行驶方向上的速度；：表示左恻的后轮向前行驶方向上的速度；：表示右侧的后轮向前行驶方向上的速度；：表示左侧前轮的转向半径(绕)：表示右侧前轮的转向半径(绕)：表示左侧后轮的转向半径(绕)；：表示右侧后轮的转向半径(绕)；：表示后轮轴中间位置上的转向半径(绕);B:表示左右两侧车轮的距离；由上述四个假设可知，首先，在车辆转向的过程中，车身上任意一点位置处的角速度在它的旋转轨迹上都相同，用W表示。而且所有的质点均以车体的质心为旋转中心做旋转运动。第二，质心CG是汽车的各个轮胎的转动中心线都必须通过的一个点，也是车辆四个车轮的两个转向轴线相交的点.其中，位于内例的车轮转向时的转角与外侧车轮转向角度始终符合以下关系式：(2.(6)由Fig.31.3中的关系可以推导出(2.7).在转向操作的过程中，四个车轮及后轮轴中间位置上的转向半径:(2.(7)因为在车身上任意位置处的质点的角速度在它旋转的轨迹上都相同，所以附加一个假设，认为车辆在转向过程中的侧偏角为零，由瞬时速度原理可以推导出下列关系式(2.8):(28)此处，参照速度可选取后轴中心位置处的前进方向行驶速度V,并由上述公式可以计算出四个车轮在转向过程中各自的速度(2.9):(29)在四个假设的前提下，由车轮转动时的关系可以得到四轮转速之间的关系，如下式(2.10),而对于四轮驱动轮致电机电动汽车来说，因为轮毂上的电机各自独立，支持独立控制，所以可以直接控制电机的转矩与车轮的转速。作为电子差速计工作原理的基础，下列关系式(2.10)是保证车辆在转向操作时不打滑的一个关键环节。(2.10)1.7基于CARSIM的汽车动力学模型1.7.1 CARS1.M的介绍CARSIM可以结合车辆动力学和多体动力学，现已发展的十分成熟。其建模方式为参数化方式，拥有友好的界面与稳定的运行环境，研究人员可以在此平台实现方便快捷的建模。无需复杂的操作去建模整车模型，取而代之的是使用定义参数'条件及工况的方式完成整车建模，大大简化了操作，因为CARS1.M的仿真成本与仿真速度均较实车实验更加优越，在系统研发的前半部分，常常会使用CARSIM进行模拟系统的实验，测试车辆的稳定性、安全性，经济性等。CARS1.M与MAT1.AB-SimuIink的联合仿真更能将实验的潜力发挥到最大化，即实现四轮驱动电动汽车的整车动力学建模。CARSIM软件拥有仿真工况的选择、汽车配置的选择、联仿接口的选择、显示仿真参数曲线、以及三维实况动画演示等功能。由CARSIM软件建模出的车辆动力学模型不可视却十分有用，拥有环境道路参数、车辆控制参数、驾驶员模型等，这些资源与数据包赋予了软件更加强大的功能.CARSIM主界面如图2.4所示，以下三个大部分共同组成了CARS1.M软件的主要功能：(1)建模数据库系统：由工况模型与整车参数模型两大数据库组成。数据库中的工况模型部分主要用于实现对外部风力等环境,路面状况'驾驶员模型的参考，是十分重要的第一个设置步骁。而整车模型数据库主要由几个主要的子模块组成，其中包括车轮、悬架、转向系统、制动系统、传动系统、车体等模块。研究人员在进行模拟实验时，可以首先定义整车模型，然后给定转角和车速'控制车辆油门踏板，最后设置制动系统和仿真时间等.由于CARS1.M具备各个界面独立设置的特点，所以支持修改单独的数据，也可以从外部导入所需的数据库，操作便捷合理。(2)求解数学模型：作为整个仿真的第二个环节，其主要作用是仿真、运算与求解上一个环节建立成功的数学模型。它将分析已建立的模型，并以此为基础得到自动生成的汽车动力学方程。不仅可以进行高效率、高精度的仿真，也可以运算输出的变量并且得出频谱分析的结果。除此之外，此数学模型求解器支持与VAT1.AB-Simu1.ink的联合仿真,通过接口匹配来实现。(3)后处理运算结果：该环节作为仿真的最后一个环节，可以得到仿真车辆行驶结果的曲线图与3D动画图，并进行分析,根据研究人员的要求，曲线图中的显示区可为二维曲线图的X、Y轴选取相关所需的参数，用来表达车辆的特性。而3D动画功能由OPenG1.技术支撑，不仅能够多角度、多方位地对车辆状态进行实时查看，检查车身状态、车轮受力、车轮驾驶轨迹等，而且还可以非常近似地模拟真实环境下的车辆行驶状况，并以动画视频的形式保存备用.，除此之外，在CARS1.M中，一张图可以显示出多个汽车模型结果的曲线输出内容，可以快速、直观地对多个模型仿真出的结果进行对比实骏，并与MAT1.AB等软件连接，输出数据。图2.4ThemaininterfaceofCARSIM1.7. 2车身系统模型的建立CARSIM是通过设置汽车的各种结构参数来完成整车动力学建模的，如图2.5所示。包括：转动惯量、车辆质心与后轴之间的距离、前后轴的左右轮之间的距离、车体质量、前轴与后轴之间的距离、车辆质心离地面的距离、车辆质心与前轴之间的距离、车体的长宽高数据等。在CARS1.M软件中直接可以从图2.6界面中选择或输入，易于对比和修改。图2.5Tab1.eofvehic1.estructureparameters图2.6Settingofvehic1.estructureparameters1.7 .3空气的动力学模型的建立由于车辆在实际环境中行驶时，必定会受到各种阻力，其中包括自然风的阻力，但因为现阶段的技术水平无法实现对风压中心的精确测量，所以可定义参考点为质心处。此模块支持与空气动力学有关的各类参数的设苣，包括车辆迎风处面积等。当车辆驾驶速度达到非常高的水平时，空气阻力对车辆稳定性的影响就会加剧，主要表现在：受空气阻力的影响，车辆轮胎的纵向的切向力改变，并且原本不应该直接作用于车身的恻假力矩、空气侧向力以及横摆力矩等作用影响明显，改变汽车原本稳定的受力状态。车辆上的气动阻力可以表示为：(2.11)其中，DDd_:表示空气阻力系数；：表示车辆的前部面积；即车辆在行进方向上的投影面积；：表示纵向车辆速度；：表示风速(逆风为正，逆风为负)由于本文的主要研究对象不是空气阻力，因此有关空气动力学的参数均被设定为默认值.1.7.4制动系统模型的建立由于本文的研究对象为汽车四轮驱动分配系统，且不涉及制动系统的研究，因此无需考虑有关制动系统的影响因素，制动系统的参数均使用CARSIM中默认的参数值。1.8 驱动电机1.8.1 驱动电机的选用本文研究的内容对轮毅电机的动力性能要求较高，考虑到本文采用的整车参数，选择的驱动电机为永磁同步电机，其原理如图2.12所示。该电机与电动汽车的动力性要求相符合，具有轻量'小体积、高效率'结构简单、功率因数高等优点。图2.12Externa1.characteristicsofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)电机模型应用经典的P1.D控制理论，其原理如图2.13所示。据理想车速和实时实际车速的误差来调节，将其控制在实时车速条件下电机动力性能范围内的最大转矩，发挥电机的最大性能，并且保持车辆当前的车速。图2.13Structureofpara1.1.e1.PIDcontro1.system比例积分微分控制器(PIDCOn1.g1.ICr)的控制函数为：(2.14)其中、都为非负数，分别代表比例项(P)、积分项和导致项(D)的系数，而'分别可表示为。(T:表示采样时间；：表示积分时间；：表示微分时间)以1.8.2 PID控制原理P1.D控制的基本原理如下：比例(P)控制器：原理如图2.14所示，其输出与电流的误差成正比，通过比较理想值与实际(或反馈)值的大小，输出比例系数与误差值的积。在理想状态下，误差值为零,此时比例控制器的输出为零。在独立运作时，要对该控制器进行复位或偏置处理。当增大比例系数时，系统的时应速度增大，超调量也会同步增大，造成系统波动，影响系统的稳定性，因此应合理控制比例系数的大小。图2.14StructureofP-Contro1.1.er积分控制器：原理如图2.15所示，P控制器的存在使稳态偏差也始终存在，因此需要引入I控制器来消除稳态偏差。它的工作过程是累计误差直到误差为零，并保存至最终控制的设备，直至该设备上的值也为零。当负误差出现时，【控制器会将输出值降低。为了提高系统的响应速度，可以减小积分系数。在P1.控制器的使用过程中，为了克服非线性导致的结束条件，需要限制I控制器的输出。图2.15StructureofP1.-Contro1.1.er微分(D)控制器：原理如图2.16所示，由于I控制器无法预测出错误的变化趋势，只要更改设定点，它就会做出反应。而D控制器可以预测出偏差在未来的错误变化，可提前进行制动以防止偏差即将产生的大的超调量。它的输出量由微分系数与相对时间的误差变化率之积决定，可以补偿系统中的相位滞后，从而提高系统的稳定性。图2.16StructureofPID-Contro1.1.er1.9 基于CARSIM-SimU1.ink的电动汽车的动力学模型可行性验证在CARS1.M中建立了车辆实车参数匹配模型，为了对横型的可用性做出验证，需要对此模型进彳亍做仿真试验，评测车辆的直线行驶与转向行驶的能力。1.9.1 在MAT1.AB-Simu1.iI1.k中建立外驾驶员模型驾驶员模型的基本原理是通过经典的PI控制器，实现对汽车踏板的控制。其输入参数为期望的行驶速度，输出量为对加速踏板或刹车踏板开度的控制信号，反馈的车速与坡度又作为输入参数参加系统，调节输出信号。驾驶员模型如图217所示：B02.17Externa1.drivermode1.1.9.2实车参数匹配模型的可行性验证试验将CARSIM与MAT1.AB-SimU1.ink的接口连接，开始进行模拟实验。车辆由静止开始直线行驶，需要进行两次转弯完成验证实验。首先可观看演示动画中车辆的轨迹，然后观察示波器中车辆的转角与车辆横向偏移距离,偏离面积之间的变化关系。如图2.18（八）(c)(d)所示:图2.18（八）AnimateddemoinCARSIM图2.18(b)SteeringWhee1.Ang1.e图2.18(C)1.atera1.ErrorDistance图2.18(d)ErrorArea由上图及动画中不难看出，车辆在两秒钟之后开始转向行驶，前轮转角迅速转动，虽然有些许波动，但并不影响车辆的稳定性，随后车辆转角受到偏离距离的反馈信号的影响，渐渐平稳并保持一段时间后反向旋转，恢复到直行状态。从上面的验证试验中可以看出，通过CARSn1.建立的车辆模型具有可行性。1.10 本章总结本章基于CARS1.M,对电动汽车进行了车体建模，建立了车体模型,空气动力学模型、制动系统模型、悬架模型'轮胎模型、驾驶员模型以及环境道路模型等。还介绍了魔术公式轮胎、PID控制原理,阿克曼模型等。最后，设计了验证实验，利用简单的P1.控制原理建立了基于SimU1.ink的外驾驶员模型，井与CARS1.M中建立的车体模型进行联合仿真。仿真的结果证明了本文所建车辆动力学模型的可彳亍性，作为后续试骗的基础。四轮毂电机电动汽车的转矩控制策略在CARSIM中按照实车参数匹配建立并验证电动车模型后，需要将MAT1.AB-Sinw1.ink中建立的电机模型通过接口与CARSIM连接，并建立完整的车辆动力学模型。因此，对于车辆转矩分配控制策略的研究，本童将建立基于MAT1.ABsmU1.ink的电机控制模型。1.11 车辆运动方程对车辆进行控制时，需要建立车辆瞬态运动的方程，这种过渡状态存在于驾驶员输入的转向时间和车辆达到稳定运动状态的时间之间的状态。在过渡状态时，车辆运动越接近稳态，其振动响应速度越小。在分析瞬态响应时，需要考虑车辆的惯性特性。1.11.1 车辆的运动关系在分析车辆的运动时,将整个车辆视作集中在其内部的单个质量重心_)()1)()n_)()()()_根据以上分析，得到如下车辆运动方程：G.1)(3.(2)(3.(3)其中_D_Dd:表示左前轮的纵向轮胎力；：表示右前轮的纵向轮胎力；：表示左后轮的纵向轮胎力