2016轮毂电机驱动车辆动力学控制
轮毂电机驱动车辆的差速控制模型研究(简化版)
轮毂电机驱动车辆的差速控制模型研究一、电子差速原理介绍传统意思上的电子差速的基础是线控转向系统，主要指基于四轮线控转向技术的电子差速功能。
电子差速是一种全新概念的汽车电子转向系统。
它取消了差速器等机械结构，只是接收转向控制指令，使用电子线路控制转向时内外车轮之间的速度差，实现转向。
电子差速控制系统，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。
(1)动力控制的硬件连接改为软连接形式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车转向所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、机械差速器等部件，既方便了操作又使底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。
(2)可以自由设计汽车转向的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间。
(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和能量回馈制动，节约能源。
本文主要研究的是前轮仍采用传统转向结构，而后轮采用轮毂电机驱动的情况，主要目的是实现后轮的电子差速功能，以配合驾驶员通过转向系统输入的转向信号，实现转向功能，避免后轮轮胎过渡磨损，保证整车的操控性能。
因为仅在后轮使用轮毂电机，其控制方法与四轮都采用轮毂电机会有所不同，最显著特点是四轮轮毂电机可以直接通过线控转向系统中的转角信号计算出理论上需要的差速量，并通过对四轮的转速控制实现，但是仅在后轮使用轮毂电机，转向信号从方向盘输入，很难直接通过方向盘信号计算出准确的后轮需要的差速量，需要全新的控制策略。
这就是本文所主要研究的内容。
二、电动机原理及数学模型1、轮毂电机驱动系统的特点轮毂电机驱动系统作为一种新兴的电机驱动方式，其布置非常灵活，可以根据车辆驱动方式分别布置在电动汽车的两前轮、两后轮或四个车轮的轮毂中。
与内燃机汽车和其他驱动型式的电动汽车相比，轮毂电机驱动式电动汽车在动力源配置、底盘结构等方面有其独特的技术特征和优势，具体体现在以下几方面：①动力控制由硬连接改为软连接型式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速控制，省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁、有效利用空间大、传动效率提高。
基于轮毂电机的多轮驱动电动车控制系统设计
基于轮毂电机的多轮驱动电动车控制系统设计作者：李健来源：《中国科技博览》2015年第35期[摘要]随着环境污染和石油等天热气资源的不断减少，电动汽车已经成为当前汽车领域研究的一个重要课题，利用轮毂电机驱动的电动汽车已经不在受传统燃油汽车结构的约束，相比之下，具有更高效能、车身结构简单，驱动方式多样的优良性能。
使用电能的电动机驱动的电动汽车实现了真正的“零污染”，凭借电动轮驱动设备的电动汽车已经是一种新兴的电动车驱动形式，其直接将电机安装在车轮的轮毂当中，省去了传统汽车离合器、变速箱、减速器等汽车原件，大大简化了汽车结构，提高传动效率的同时节约了制作成本，因而电动汽车成为未来汽车重点研究发展的方向[1]。
[关键词]电动汽车；轮毂电机；系统控制中图分类号：U469.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0027-02一、电动汽车驱动方式和轮毂电机1、传统的燃油汽车的驱动结构一般由发动机、减速器和差速器等部分组成，其中差速器和减速器在工作中，作为齿轮不断的转动的同时，消耗了很大一部分的机械能，进而大大减低了车轮从发动机当中所得到的功率。
对汽车能量使用效率非常的低。
相比较而言，电动汽车驱动的方式却较为丰富，在能量大输出角度看，电动汽车的驱动可以点击集中驱动和电动轮驱动两种方式。
轮毂电机也被称作为轮内马达，电动轮。
其最大的特点是将驱动装置安装在驱动轮毂里面，这样在驱动过程当中很大程度对机械部分进行简化。
轮毂技术不是当前驱动技术中的新生事物，早在19世纪，保时捷公司就已经将制造出来的电动车，应用了前轮装备轮毂发电机作为驱动方式。
到上世纪九十年代，轮毂技术的应用才开始逐渐成熟，走向汽车生产领域。
二、多轮电动汽车的重要技术尽管电动汽车在汽车领域的发展空间里面有着很大的优势，为何发展脚步却如此的缓慢？为何在市面上销售的电动汽车如此稀少？主要原因是电动汽车出了生产成本巨大的同时，最重要的是电动汽车四轮独立驱动在汽车稳定性、安全性等技术方面存在着诸多的问题，想要提高电动汽车在整车过程中的使用性能，相关重要方面的技术必须加以解决。
低附着条件下四轮驱动电动汽车动力学控制
实车数据显示,TVC开启后,可以明显提高DLC与蛇行试验的通过 速度,同时质心侧偏角和车轮负荷率明显减小,车辆更加稳定;同 时,附加横摆力矩的存在也使得试验过程中驾驶员使用的方向盘 角度大大减小,减少了驾驶员的转向负担。在方向盘转角放大梯 形试验中,TVC开启后明显提高了车辆稳定性,减少失稳情况的发 生。
本文的具体研究内容如下:首先,本文分析了轮毂电机的特点与 优势,然后对福特、奔驰等整车厂的轮毂电机改装车进行了探讨, 概述了轮毂电机汽车动力学控制研究现状。接下来,本文对某紧 凑型轿车进行改装与调试,对整车通信网络和车载用电设备进行 硬件和软件检测,搭建轮毂电机纯电动改装车辆基本行驶策略, 改装完成后轮毂驱动纯电动汽车百公里加速工况时间为7.96s, 为本文的算法提供了实车测试平台。
其次,对车辆在低附着路面车辆动力学机理进行了研究。针对低 附着路面情况,本文根据车辆车轮滑转状况的不同将驱动防滑系 统分为四种控制模式,建立了逻辑门限控制的四轮轮毂驱动纯电 动汽车的驱动防滑策略。
通过二自由度车辆模型得到车辆横摆角速度的响应过程,并将横 摆角速度瞬态响应看作二阶系统,通过调节二阶系统的固有频率 和阻尼比来设计理想横摆角速度。使用理想横摆角速度与实际 横摆角速度误差进行PI控制,决策出整车横摆力矩。
低附着条件下四轮驱动电动汽车动力 学控制
伴随着2018年下半年国内经济的普遍下行,国内乘用车销量出现 了28年以来的首次下滑,然而新能源乘用车销量却实现了逆势上 涨。再加上政府在纯电动汽车领域一轮轮的补贴政策,使得自主 品牌和合资车企都加快了纯电动汽车的研发与量产。
跟传统汽车相比,轮毂电机电动汽车将驱动电机安装在四个轮毂 中,有着四个车轮力矩独立可控的特点,有利于车辆动力学的分 析与验证。本文以四轮轮毂驱动纯电动汽车为研究对象,搭建了 四轮轮毂驱动改装车平台,进行低附着条件下纵向力力矩矢量控 制(TVC)的仿真研究与实车测试。
轮毂电机驱动车辆转向控制策略
轮毂电机驱动车辆转向控制策略
刘春光;阳贵兵;廖自力;李嘉麒
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2016(000)002
【摘要】为提高轮毂电机驱动车辆转向机动灵活性以及安全稳定性，提出了一种基于直接横摆力矩控制的转向控制策略。
以带有双桥转向机构的8轮轮毂电机驱动车辆为研究对象，研究其双重转向控制问题，建立基于车辆二自由度单轨模型的车辆参考模型，并以横摆角速度作为控制变量，建立基于横摆力矩PID控制器和横摆力矩分配控制器的转向分层控制模型。
利用硬件在环实时仿真实验对所提出的转向控制策略的可行性和有效性进行分析验证。
【总页数】3页(P90-92)
【作者】刘春光;阳贵兵;廖自力;李嘉麒
【作者单位】装甲兵工程学院，北京 100072;装甲兵工程学院，北京 100072;装甲兵工程学院，北京 100072;装甲兵工程学院，北京 100072
【正文语种】中文
【中图分类】TJ81
【相关文献】
1.轮毂电机驱动车辆转向节受力计算方法 [J], 陈盼;王姝
2.轮毂电机驱动车辆双重转向直接横摆力矩控制 [J], 阳贵兵;马晓军;廖自力;刘春光
3.多轴轮毂电机驱动车辆的转向阻力特性 [J], 智晋宁;项昌乐;马越
4.轮毂电机驱动车辆线控差动转向的研究 [J], 王其东; 曹也; 陈无畏; 赵林峰; 谭洪亮; 谢有浩
5.一种轮边电机驱动车辆转向控制策略 [J], 陈路明;贾琦
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电动汽车后轮轮毂电机驱动的操纵控制
电动汽车后轮轮毂电机驱动的操纵控制祁新梅;郑寿森;付青【摘要】针对后轮轮毂电机驱动特定中速轻型电动汽车,集成运动学模型、动力学模型和轮毂电机机电模型,形成一个包含车辆纵向平动、横向平动、绕z轴的横摆运动、后轮驱动力、电机速度、电机驱动转矩等特性参数的控制模型;后轮的纵向驱动力与滑转率相关,横向力与侧偏角相关;采用Ackermann模型进行理想化速度分配,以行驶速度、两个电机转速作为控制变量和反馈变量;通过直线行驶速度阶跃变化、直线行驶速度缓慢变化、速度恒定转角阶跃变化和速度恒定转角正弦变化等四种行驶状态的仿真,对比分析了三环节集成PID控制模型、一环节控制模型和初始模型的响应特性,验证了控制模型的有效性.【期刊名称】《中山大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(058)001【总页数】8页(P83-90)【关键词】轮毂电机;后轮驱动;电动汽车;PID控制【作者】祁新梅;郑寿森;付青【作者单位】中山大学物理学院, 广东广州510275;中山大学物理学院, 广东广州510275;中山大学物理学院, 广东广州510275【正文语种】中文【中图分类】V469.72电动汽车以车载电源代替石油能源，以电动机代替内燃机，具有能量转换高、零排放等优点，是目前应对石化能源衰竭和环境恶化问题的首选城市交通工具。
现有成熟的电动汽车结构都是基于传统的内燃机汽车的集中驱动机构，除了动力源从内燃机变成电源外，主要动力传递结构与传统汽车类似，由减速器、机械差速和随动系统等把电机输出的力矩传递到车轮上，动力系统体积大、重量大、传动效率低。
分布式驱动电动汽车是动力控制的新形式，主要有轮边电机驱动与轮毂电机驱动[1-3]。
其中，轮毂电机驱动是将驱动电机直接安装在车轮中，传动效率高、不占用车身空间。
另外，适应强振动、多泥水等复杂工况的新型轮毂电机也得到了快速的发展[4-6]。
轮毂电机驱动对每个轮独立控制，实现转向、加速、启动、刹车、减速，去掉了底盘中的机械差速系统，缩短了传动链，减轻了汽车重量，简化了汽车结构，提高了可靠性和汽车续驶里程，具有动力系统体积小、传送效率高、可控性强的优点。
轮毂式四轮独立驱动电动汽车控制方法发展综述
轮毂式四轮独立驱动电动汽车控制方法发展综述由于环境污染与资源消耗，轮毂式电动汽车成为汽车行业的主力军。
轮毂电机驱动的电动汽车能够使研发组对电动汽车的驱动轮进行多自由度控制，电动汽车的电子差速问题就是如何有效的发挥驱动轮多自由度控制优势的问题。
要想轮毂电机驱动的电动汽车能够快速发展且广泛应用，就必须开发出低成本、高效率且可施行的电动汽车电子差速控制系统[3]。
标签：电动汽车;转向稳定;电子差速1 引言由于环境与资源问题日益严重，新能源汽车是现代汽车工业的主要发展方向之一[1]。
电动汽车因为其动力性较好，且节约能源，在生活中应用越来越广泛[2]。
独立驱动轮毂电动汽车是指每个车轮有一个独立电机驱动，如何在转弯时有效控制车轮稳定性，是独立驱动轮毂电动汽车的研究重点之一[3]。
由于轮胎的非线性对滑移率有严重的影响，因此解决该问题是电子差速控制中的一个重要问题[4]。
2 轮毂电动汽车研究现状随着环境问题的日益严重，各国对污染源之一的燃油汽车工业均做了相应的计划。
法国预计在2040年停售燃油车;德国、荷兰等国家预计在2030年前禁售燃油车;而中国也计划从2040年开始全面停止销售燃油汽车[5]。
奔驰、宝马、丰田等各大汽车企业都开始了新能源汽车的计划。
电动汽车以电能为能量，直接采用电机驱动车轮行驶，不产生污染源，减少污染，有效地提高了经济效益。
德国奔驰公司设计了第一辆轮毂式电动汽车。
最初，由于轮毂式电动汽车的续航能力太短，没有得到大力发展[5]。
上世纪七十年代，由于环境与资源问题，电动汽车再次登上历史舞台，成为各国、各大汽车企业的研究热点。
日本在电动汽车领域研究较早，处于世界的领先地位。
1997年丰田公司推出了普锐斯混合动力汽车，并进行了批量生产。
1999年本田公司推出FCX系列电动汽车，通过了道路验证，并進行了可靠性、碰撞安全性实验。
美国从1993年开始进行电动汽车开发，联合了克莱斯勒汽车公司、福特汽车公司及通用汽车公司，5年间投入了3亿美元进行研究。
基于轮毂电机的多轮驱动电动车控制系统设计
基于轮毂电机的多轮驱动电动车控制系统设计【摘要】基于轮毂电机驱动的电动车由于无需复杂的传动轴、分动器、差速器等机械装置，因而底盘重量大幅减轻且结构简单、布局灵活，近年来成为电动车研发的热点。
然而此电动车的控制系统除通常的车辆状态监测外还担负着驱动力分配、电子差速等及转矩控制等功能，因此对控制系统的实时性、可靠性和可扩展性有很高的要求。
本文讨论了基于CAN总线架构的整车控制系统，给出了其硬件框图和转矩分配子系统的流程图，对后续实用系统的搭建提供了设计依据和技术支撑。
【关键词】轮毂电机;多轮驱动电动车;控制系统;设计1.引言1886年问世起，汽车大大拓展了人类的活动范围，对人类社会的发展做出了重大的贡献，现代汽车工业已经成为许多国家经济发展的支柱产业之一。
到目前为止，以石油为能源的传统内燃机汽车居绝对多数。
然而，这类汽车在带给人们方便快捷的现代生活的同时，其带来的能源短缺和环境污染等一系列问题也对社会发展构成了严峻的挑战。
节能与环保已经成为全球各国和各大汽车制造商的共同课题。
2009年，中国超越美国成为全球第一大汽车生产和消费国，2011年全国汽车销量超过1850万辆，继续稳居全球第一位[1]。
2011年中国汽车保有量首次突破1亿辆大关，成为仅次于美国全球汽车保有量第二的国家[2]，而且有望在今后若干年继续保持这种增长趋势。
目前，对电动汽车的研究还是以对传统内燃机汽车进行动力改造为主，在结构上仅仅将内燃机替换为电动机，保留原来的动力传动系统。
这样的结构可以利用电动机的转矩特性比内燃机更加理想的优点，但是并没有从根本上改变车辆的动力特性，也没有充分发挥电动驱动系统所带来的技术进步。
而车轮独立驱动作为电动汽车的一种理想驱动方式，成为电动汽车发展的一个独特方向。
车轮独立驱动系统就是将独立控制的电机与汽车轮毂连接，省掉了各车轮之间的机械传动环节。
电机与车轮之间的连接方式主要有两种：一是采用轴式连;二是将电机嵌入到车轮内。
轮毂驱动电动车辆控制技术研究
轮毂驱动电动车辆控制技术研究近年来，随着人们对环保、节能和新能源的关注度不断提高，轮毂驱动电动车辆成为了日益重要的研究领域。
在这一领域中，控制技术是至关重要的一环。
本文旨在探讨轮毂驱动电动车辆控制技术研究的现状、发展趋势和挑战。
一、轮毂驱动电动车辆控制技术的现状轮毂驱动电动车辆是指将电动机安装在车轮内部，利用直接驱动的方式向车轮提供动力。
与传统车辆相比，轮毂驱动电动车辆具有响应更快、能量效率更高、更适合城市化交通等诸多优点。
但由于其复杂的电子控制系统，其控制难度相对较大。
目前，轮毂驱动电动车辆控制技术的研究主要集中在以下几个领域：1.车辆运动控制车辆运动控制包括车辆加速、刹车、转向等方面。
由于轮毂驱动电动车辆直接安装电机在车轮上，因此可以实现精准的电控方式进行车辆运动控制。
例如，采用PID控制器调节电机输出电流，即可实现较为稳定的转向和加速控制。
2.车辆稳定性控制车辆稳定性控制主要针对车辆在高速行驶时出现的侧滑、打滑等情况。
目前在轮毂驱动电动车辆上应用最广泛的稳定性控制方式为电子稳定系统（Electronic Stability Control，简称ESC）。
ESC通过感知车辆的加速度、转向角度等信息，控制车辆的制动器和发动机输出，使车辆保持稳定。
3.能量回馈控制能量回馈控制是指在制动或急刹车时，将制动引起的动能转化为电能存储在电池中，从而提高电动车辆的能量利用效率。
传统电动车辆的能量回馈方式为电磁回馈，但电磁回馈提取能量的效率较低。
而对于轮毂驱动电动车辆，由于电机与车轮直接相连，可以实现更高效的能量回馈控制方式。
以上三个领域是轮毂驱动电动车辆控制技术中的重要研究方向。
随着科技的不断进步，控制技术也在不断更新、优化，进一步提高了轮毂驱动电动车辆的性能和可靠性。
二、轮毂驱动电动车辆控制技术的发展趋势通过对目前轮毂驱动电动车辆控制技术的现状分析可以看出，未来的发展方向主要包括以下几个方面：1.智能化控制智能化控制是指将人工智能技术、大数据分析等领域的技术应用到轮毂驱动电动车辆控制技术中，实现车辆自主决策。
轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法研究共3篇
轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法研究共3篇轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法研究1随着环境污染的加剧和人们对健康的日益关注，电动汽车逐渐受到人们的青睐。
而作为电动汽车的重要组成部分之一，轮毂电机在车辆动力系统中的作用越来越受到关注。
本文将探讨轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法研究。
首先，我们需要了解轮毂电机在电动汽车中的作用。
轮毂电机作为车辆动力系统的核心部件之一，它不仅可以提供动力输出，还可以实现能量回收。
同时，通过轮毂电机的控制，可以实现更加精准的车辆控制，提高整车的安全性能。
而在电动汽车的制动系统中，联合制动是一种非常有效的制动方式。
联合制动利用了轮毂电机产生的反向电动势，可以将车辆的动能转化为电能进行回收。
根据这一原理，可以实现车辆的快速制动，并且能够最大程度地回收能量，提高整车的能源利用率。
对于轮毂电机驱动电动汽车联合制动的控制，我们可以采用模糊自整定PID控制方法。
该方法可以根据系统的实际情况进行参数调整，从而实现更加精准的控制效果。
具体来说，我们可以采用模糊自整定PID控制方法来控制轮毂电机的转速和扭矩。
首先，我们需要采集车辆的实时数据，包括车速、电机转速、转矩等。
根据这些数据，我们可以建立轮毂电机的数学模型，并且通过模糊控制来进行参数调整。
在模糊控制中，我们可以根据实际情况设定一些模糊规则，然后通过模糊推理来计算出相应的PID参数。
这种方法可以实现系统的自适应调整，适应不同的工况和环境，提高控制效果和鲁棒性。
在实际应用中，轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法已经得到了广泛的应用。
通过该方法，可以实现更加稳定、精准的车辆控制，提高整车的性能和能源效率。
总之，轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法是一种先进的控制方法，可以实现更加精准、高效的车辆控制。
随着电动汽车的普及和技术的不断发展，该方法将会得到更加广泛的应用和推广在电动汽车领域，轮毂电机驱动与制动系统的联合控制是一个研究热点。
电动汽车的轮毂电机驱动装置及电动汽车工作方法[发明专利]
![电动汽车的轮毂电机驱动装置及电动汽车工作方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/89671f0e856a561253d36f2d.png)
专利名称：电动汽车的轮毂电机驱动装置及电动汽车工作方法专利类型：发明专利
发明人：朱卓选
申请号：CN201610784136.5
申请日：20160830
公开号：CN106143120A
公开日：
20161123
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种电动汽车的轮毂电机驱动装置及电动汽车工作方法，其包括电动机、左行星轮系、右行星轮系、刹车机构以及控制器，电动机包括与轮毂转动相连的电机轴，电机轴的两端分别设有左离合器和右离合器，左离合器、右离合器均与控制器相连；左行星轮系和右行星轮系，均包括太阳轮、至少三个转动定位的行星轮以及固定在轮毂内壁上的内齿圈，所有行星轮围绕太阳轮周向均匀分布且均与太阳轮相啮合，所有行星轮均位于内齿圈内且与内齿圈相啮合；两个太阳轮对称安装在电机轴的左右两端且与电机轴相对转动，左离合器、右离合器在控制器的控制下处于结合或断开状态。
本发明极大地提升了电动汽车车轮转动时的平稳性以及汽车转向操控时的灵活性。
申请人：上海纳铁福传动系统有限公司
地址：201315 上海市浦东新区浦东康桥工业区康桥路950号
国籍：CN
代理机构：上海光华专利事务所
代理人：芦宁宁
更多信息请下载全文后查看。
轮毂电机多轮独立驱动车辆机电联合制动控制策略
收稿日期：2014-03-15修回日期：2014-04-28基金项目：军队“十二五”装备预研基金项目（40402050101）作者简介：燕玉林（1989-），男，山东泰安人，硕士研究生。
研究方向：控制理论与控制工程。
摘要：为了提高轮毂电机多轮独立驱动车辆的能量利用率，针对某型车辆的机电联合制动系统设计了一套模糊控制策略，用于分配制动力据，回收部分制动能量，并进行了Matlab 离线仿真实验，实验结果表明，该控制策略可有效分配制动力矩，提高制动效能并回收能量。
关键词：机电联合制动，模糊控制，轮毂电机中图分类号：TP271文献标识码：A轮毂电机多轮独立驱动车辆机电联合制动控制策略燕玉林，廖自力，刘春光，李立宇（装甲兵工程学院，北京100072）Control Strategy Study on Combined Mechanicaland Electrical Braking of Several Rounds of Independent Wheel Hub Motor Driven VehiclesYAN Yu-lin ，LIAO Zi-li ，LIU Chun-guang ，LI Li-yu（Academy of Armored Force Engineering ，Beijing 100072，China ）Abstract ：In order to improve the energy utilization of several rounds of independent wheel hubmotor driven vehicles ，based on the type of the vehicle mechanical and electrical brake system ，this paper designs a set of fuzzy control strategy ，used to allocate power and recycle part of the braking energy.And Matlab off-line simulation experiment is carried out ，the experiment results show that the control strategy can effectively distribute brake torque ，increase the efficiency of the brake and recycling of energy.Key words ：mechanical and electrical brake ，fuzzy control ，wheel hub motor0引言当车辆机械制动时，动能以摩擦的方式消耗，影响机械制动系统的使用寿命。
四轮驱动车辆的动力学控制及优化策略
四轮驱动车辆的动力学控制及优化策略一、引言近年来，越来越多的豪华车以及运动型车辆采用四轮驱动系统，优异的车辆性能得到了广泛认可。
四轮驱动系统相比于传统的二轮驱动系统拥有更好的操控性、加速性能、抓地性以及越野能力等方面，逐渐成为了现代汽车发展的趋势。
在四轮驱动车辆动力学控制及优化策略方面，已经有了一定的研究进展。
本文将从四轮驱动车辆的动力系统、四轮驱动模式选取以及动力分配策略等方面对四轮驱动车辆的动力学控制及优化策略进行讨论。
二、四轮驱动车辆的动力系统四轮驱动车辆的动力系统由发动机、变速器、传动系统、差速器以及方向盘等部件组成。
其中对于四轮驱动车辆，差速器的设计尤为重要。
差速器的作用是实现驱动轮的不同转速，以达到差速同步。
在四轮驱动车辆中，前、后轴差速器的作用相当于分别控制车辆前面轮胎和后面轮胎的转速，以克服车辆转弯时轮胎的自然不同步现象。
为了提高汽车的通过性和操控性，通常四轮驱动车辆会包括两个以上的差速器，比如中央差速器以及前、后差速器。
通过中央差速器可以实现前后轮的动力分配，从而实现更加优化的行驶。
三、四轮驱动车辆的四轮驱动模式选取常见的四轮驱动模式包括普通四驱、自动四驱、全时四驱和主动式四驱等。
其中普通四驱是指固定的前、后轮驱动模式，适用于复杂路况的情况，但是在好路况下的行驶就会导致油耗增加。
自动四驱是指在正常路况下前轮和后轮进行分配，但是当出现车辆滑动时，后轮会进行额外的驱动以增加车辆抓地力。
全时四驱是指车辆全时驱动四个轮子，适用于较为复杂的路况下行驶，但在好的路况下，油耗可能较高。
主动式四驱是指根据车辆行驶路况，动态进行前后轮驱动模式的调节，从而实现最佳的动力分配和行驶性能。
四、四轮驱动车辆的动力分配策略动力分配策略是保证车辆在复杂路况下能够快速响应的一个重要环节。
常见的动力分配策略有恒定的动力分配策略和变化的动力分配策略。
恒定的动力分配策略是指在不同路况下，保持一定比例的前后轮驱动模式，从而获得平衡的性能表现。
一种轮毂电机控制方法
一种轮毂电机控制方法
一种常见的轮毂电机控制方法是使用电机控制器来控制电机的转速和方向。
以下是一个简单的轮毂电机控制方法的步骤：
1. 传感器输入：使用传感器（例如编码器或霍尔效应传感器）来测量轮毂电机的转速和方向，并将这些数据输入到电机控制器。
2. 控制策略：电机控制器使用控制策略来根据传感器输入的信息，确定要施加到电机上的电流或电压。
控制策略可以是一个经过优化的控制算法，例如PID 控制器。
3. 电机控制：根据控制策略的计算结果，电机控制器向电机施加适当的电流或电压，以控制电机的转速和方向。
4. 反馈调整：电机控制器根据电机实际的转速和方向，与期望的转速和方向进行比较，并通过调整输出信号，进行反馈控制，以使电机达到期望的目标。
5. 控制参数优化：根据实际应用需求，通过试验和调整，优化控制策略的参数，以提高电机的性能和效率。
这种轮毂电机控制方法可以广泛应用于电动车、无人机、机械传动系统等各种领域，实现对电机的精确控制。
基于越野工况辨识的轮毂电机车辆驱动力控制
第３４卷第８期中国机械工程V o l ．３４㊀N o ．８２０２３年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．９５５Ｇ９６５基于越野工况辨识的轮毂电机车辆驱动力控制付㊀翔１,２,３㊀王玉新１,２,３㊀刘道远１,２,３㊀王纪杰１,２,３１．武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉,４３００７０２．武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉,４３００７０３．武汉理工大学湖北省新能源与智能网联车工程技术研究中心,武汉,４３００７０摘要:针对现有工况辨识策略在识别地形起伏度㊁变附着路面的不足,基于L u G r e 轮胎模型构建观测空间方程来快速捕捉附着条件的瞬态变化,基于模糊控制算法将实时工况与６种典型工况映射,根据工况辨识结果设计了闭环控制策略以自适应调节轮毂电机的实时输出力矩.仿真测试与实车验证表明,基于越野工况辨识的驱动力控制策略可快速跟踪各轮附着极限和接地状态的瞬态变化,自适应调节车辆的实时驱动功率,达到车辆动力性与稳定性的综合优化.关键词:轮毂电机车辆;模糊控制算法;越野工况辨识;驱动力控制中图分类号:U ４６７D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２３．０８．０１０开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):D r i v i n g Fo r c eC o n t r o l o fH u bM o t o rV e h i c l eB a s e do nO f f Ｇr o a d C o n d i t i o n I d e n t i f i c a t i o nF U X i a n g １,２,３㊀WA N G Y u x i n １,２,３㊀L I U D a o y u a n １,２,３㊀WA N GJ i ji e １,２,３１．H u b e iK e y L a b o r a t o r y o f ㊀A d v a n c e dT e c h n o l o g y f o rA u t o m o t i v eC o m p o n e n t s ,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,４３００７０２．H u b e i C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o nC e n t e r f o rA u t o m o t i v eC o m p o n e n t sT e c h n o l o g y ,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,４３００７０３．H u b e iR e s e a r c hC e n t e r f o rN e wE n e r g y &I n t e l l i g e n tC o n n e c t e dV e h i c l e ,W u h a nU n i v e r s i t y of T e c h n o l og y,W u h a n ,４３００７０A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e e x i s t i n g c o n d i t i o n r e c o g n i t i o n s t r a t e g yi n i d e n t i f Ｇy i n g u n d u l a t i n g te r r a i na n dv a r i a b l e a d h e s i o n r o a d s u rf a c e s ,b a s e do n t h eL u G r e t i r em o d e l ,o b s e r v a Ｇt i o n s p a c e e q u a t i o n sw e r e c o n s t r u c t e d t o q u i c k l y i d e n t i f y t h e t r a n s i e n t c h a ng e s o f a dh e si o n c o n d i t i o n s ．T h e r e a l Ｇt i m ew o r k i n g c o n d i t i o n sw e r em a p p e dw i t h６t y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n s b a s e do n f u z z y c o n Ｇt r o l a l g o r i t h m ,a n d a c l o s e d Ｇl o o p c o n t r o l s t r a t e g y w a s d e s i g n e d t o a d a p t i v e l y a dj u s t t h e r e a l Ｇt i m e o u t Ｇp u t t o r q u e o f h u bm o t o r s b a s e d o n t h ew o rk i n g c o n d i t i o n i d e n t i f i c a t i o n r e s ul t s ．S im u l a t i on t e s t a n d r e Ｇa l v e h i c l e v e r i f i c a t io n s h o wt h a t t h e d r i v e f o r c e c o n t r o l s t r a t e g y ba s e d o n t h e o f f Ｇr o a d c o n d i t i o n i d e n t i Ｇf i c a t i o nm a y q u i c k l y t r a c k t h e t r a n s i e n t c h a n g e s o f e a c hw h e e l a d h e s i o n l i m i t a n d g r o u n d i n g st a t e ,a n d a d a p t i v e l y a d j u s t t h e r e a l Ｇt i m ed r i v i n gp o w e ro f t h ev e h i c l e t oa c h i e v e c o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o no f v e h i c l e p o w e r p e r f o r m a n c e a n d s t a b i l i t y．K e y wo r d s :h u bm o t o r v e h i c l e ;f u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m ;o f f Ｇr o a d c o n d i t i o n i d e n t i f i c a t i o n ;d r i v i n g f o r c e c o n t r o l收稿日期:２０２２０５１６０㊀引言轮毂电机驱动系统具有功率密度大㊁传动效率高㊁驱/制动力矩分配自由度高的独特优势.目前,针对轮毂电机驱动车辆在良好铺装路面上行驶的驱动控制研究较为丰富,而对行驶工况复杂且道路环境多变的越野工况下的车辆机动性与稳定性的研究较少.秦也辰[１]基于车辆悬架动态响应进行路面工况辨识并设计了悬架系统逆向识别法,通过车辆动力学响应与自适应神经网络算法识别路面不平度.H A N 等[２]通过车辆悬架位移计算路面功率谱密度来识别路面不平度,通过纵向振动加速度的时间序列识别路面坡度,依据发动机输出扭矩估计滚动阻力系数,从而辨识软硬路面.赵永坡等[３]对比分析了轮胎在铺装路面和沙地下的受力状况,而后基于轮边加速度阈值控制和超阈值计数器,得到模糊化的路面识别结果.ŽU R A U L I S等[４]基于深度学习的图像识别算法对１２种路面进行分类.现有工况辨识常将识别算法与车辆状态㊁悬架㊁驱动系统相结合,建立路面高程信息以准确分类路面等级,但大量数据集处理导致系统具有一定滞后性,且研究多聚焦于铺装路面,在识５５９别变附着路面㊁地形起伏方面没有深入研究.轮毂电机驱动车辆具有多个驱动执行器,驱动力分配灵活㊁复杂,基于驱动系统效率优化的最优分配考虑约束条件对四轮转矩进行非线性求解,综合优化车辆性能,但计算量大导致算法实时性较差[５Ｇ７].基于平均分配与基于轴荷比分配[８Ｇ９]等基于规则的驱动力分配对越野工况等强干扰环境具有较优的适应性.本文针对表征路面激励特征的状态参数设计了隶属度函数,基于模糊识别,将实时工况与６种越野工况映射;而后根据工况辨识结果设计前馈Ｇ反馈闭环控制策略以自适应调节轮毂电机的实时输出力矩,实现不同工况下驱动功率利用率的优化和车轮纵向稳定性的快速收敛.１㊀车轮附着条件观测器轮胎的受力特性是研究车辆动力学性能的基础,经验/半经验公式的轮胎模型为离线模型,在强非线性的非铺装道路下的鲁棒性差.L u G r e轮胎模型在描述轮胎接触面弹性变形的同时,考虑了摩擦效应,可以准确捕捉轮胎力的瞬态变化. L u G r e轮胎模型原理公式为z ＝v r－εσ０|v r|g(v r)z(１) m v ＝(σ０z＋σ１z ＋σ２v r)F z(２)T w＝Jω ＋(σ０z＋σ１z )r w F z＋σwω(３)g(v r)＝μc＋(μs－μc)e x p(－|v r/v s|)(４)式中,v r为轮胎与路面间的相对速度,v r＝r wω－v;r w为车轮半径;ω为车轮角速度;v为车轮中心速度;ε为路面附着系数;g(v r)为滑动摩擦函数;z为轮胎平均弹性形变量;m为汽车质量在车轮的分量;σ０㊁σ１㊁σ２分别为轮胎纵向刚度系数㊁纵向阻尼系数和相对黏滞阻尼系数;F z为车轮垂向载荷;T w为车轮转矩;J为车轮转动惯量;σw为黏性转动摩擦因数;μc为库仑摩擦因数;μs为静态摩擦因数;v s为S t r i b e c k相对速度.根据上述轮胎模型构建状态空间观测器:x i＝A x i＋B(εiσ０|v r i|g(v r i)z i)＋E y i＋F u iy i＝C x i}(５)A＝００－１r i m i０－σ０σ１０００－F z iσ２m iéëêêêêêêêùûúúúúúúúx i＝z ir i F z iσ１z i＋J iωiJ iω＋m i r i véëêêêùûúúúB＝－１００éëêêêùûúúú㊀㊀E＝r２i m i＋J ir i m iJ iσ０－σ１σwσ１(r２i m i＋J ir i m i)F z iσ２－σwéëêêêêêêêùûúúúúúúúF＝０１１éëêêêùûúúú㊀㊀C＝１J i－r i F z iσ１１０éëêêêùûúúúTu i＝T w i㊀㊀y i＝ωi式中,下标i为F L㊁F R㊁R L㊁R R分别表示左前轮㊁右前轮㊁左后轮和右后轮;z i㊁r i F z iσ１z i＋J iωi㊁J iωi＋m i r i v分别为轮胎的垂向形变㊁惯性力矩和输出力矩.基于观测量y i和G P S测得的车辆速度v搭建路面附着系数变化率ε 的估计方程,用以评估ε的估计误差ε~:x^ i＝A x^i＋B(ε^iσ０|v^r i|g(v^r i)z^i－O１)＋E y i＋F u i＋K y~iε^ i＝－O２üþýïïïï(６)其中,O１㊁O２为轮胎附着条件观测值变化率ε^ i的自适应律,反馈矩阵K＝[k１㊀k２㊀k３]T可反馈观测误差.式(５)减去式(６)可得误差变化方程.附着系数不变即变化率为０时,可将附着系数估计误差表示为x~ i＝(A－K C)x~i＋B(εiσ０|v r i|g(v r i)z i－㊀㊀ε^iσ０|v^r i|g(v^r i)z^i＋O１)ε~ i＝O２üþýïïïïïï(７)构建李雅普诺夫函数V L u G r e＝ε~２i＋x~T i P x~i(８)使得上述模型满足稳定性判据,其中,P为实对称矩阵,且满足条件|P|＞０,P B＝C;K受状态向量与观测误差之间传递函数G(s)约束:θi＝εiσ０|v r i|g(v r i)z i－ε^iσ０|v^r i|g(v^r i)z^i＋O１(９)G(s)＝y~i(s)θi(s)＝C(I s＋K C－A)－１B(１０)传递函数G(s)的特征方程为s２＋F z iσ２－k３r i F z iσ１m i J i s＋k１F z iσ１－k３r i F２z iσ１σ２m i J i＝０(１１)为保证系统稳定,式(１１)的特征根需有负实部,则K满足k１＞０,k３＜０,且存在满足等式P(A－K C)＋(A－K C)T P＝－Q的正定矩阵Q.联立式(７)㊁式(８)可得微分函数:V L u G r e＝－x~T i Q x~i＋２ε~i(y~iσ０|v^r i|g(v^r i)z^i＋O２)＋２y~iεi(σ０|v r i|g(v r i)z i－σ０|v^r i|g(v^r i)z^i)＋２y~i O１(１２)㊀㊀设计自适应律O２＝－y~iσ０|v^r i|g(v^r i)z^i,使εi满 ６５９中国机械工程第３４卷第８期２０２３年４月下半月足极值限制条件|εi |ɤεm a x .由此可推导出与式(１２)相关的不等式证明判据:σ０|v r i |μc |z i |ɤσ０|ωm a x |μc|z m a x |＝f m a x(１３)VL u G r e ɤ－q x ~i ２＋２|y ~i |[εm a x (f m a x －σ０|v ^r i |g (v^r i )z ^i )＋s g n y ~iO １](１４)|Q |＝q㊀㊀基于收敛条件VL u G r e ɤ－q x ~i ２得到自适应率O １的表达式及观测方程:O １＝－εm a x (f m a x －σ０|v ^r i |g (v ^r i )z ^i )s g n y ~i(１５)z ^ i ＝V ^r i －ε^i σ０|v ^r i |g (v ^r i )z ^i －k １(ωi －ω^i )－㊀εm a x (f m a x －σ０|v ^r i |g (v ^r i )z ^i )s g n y ~iε^ i ＝σ０|v ^r i |g (v^r i )z ^i (ωi －ω^i )ω^ i ＝T r i －σw ωi －F z i r i (σ０z ^i ＋σ１z ^i )J ir i m i V ^＝T w i ＋F z i r ２i σ２ωi －F z i r i σ２V ^－㊀σw ωi －J i ω^ i ＋k ３(ωi －ω^i )üþýïïïïïïïïïïïïïï(１６)㊀㊀设计各轮稳定性判定的标志位特征参数S i来建立各轮附着条件εi 的估计规则:S i ＝０ɘy ~＜ω~i １:εi ＝εi ０S i ＝０ɘy ~ȡω~i １:S i ＝１S i ＝１ɘy ~ȡω~i ２:εi ＝εi ０＋ʏε^ id t S i ＝１ɘy ~＜ω~i ２:S i ＝０üþýïïïïïï(１７)式中,εi ０为轮i 的附着系数估计初值,εi ０＝１;ε^i 为各个轮附着条件观测值的变化趋势;y ~为转速估计偏差;ω~i １㊁ω~i ２为转速估计偏差的阈值且ω~i ２＜ω~i １.若y ~ȡω~i １,则车轮的垂向载荷㊁附着系数迅速减小,轮胎进入非线性区域,电机负载骤降,转速急升,将稳定性判定标志位S i 置１.y ~降至ω~i２以下说明在反馈力矩控制介入下,轮胎力学特性恢复到稳态,将稳定性判定标志位S i 置０,此时可增大轮毂电机输出力矩.２㊀越野工况辨识与驱动力控制策略设计２．１㊀越野工况车轮附着极限动态估计器车轮附着极限受垂向载荷㊁附着系数与驱/制动系统约束,基于L u G r e 轮胎模型㊁车辆动力学模型㊁轮毂电机与阻力观测器设计车轮附着极限动态估计器.侧倾㊁俯仰造成的轮荷转移与静态轮荷分别为ΔF θ＝m s g h p s i n θ/L (１８)ΔF φ＝m s g h s s i n φ/t w (１９)G ＝m g c o s θc o s φ(２０)F z F L _S t a t i c ＝L R L (G ２－ΔF φ)－ΔF θ２F z F R _S t a t i c ＝L R L (G ２＋ΔF φ)－ΔF θ２F z R L _S t a t i c ＝L F L (G ２－ΔF φ)＋ΔF θ２F z R R _S t a t i c ＝L F L (G ２＋ΔF φ)＋ΔF θ２üþýïïïïïïïïï(２１)式中,ΔF θ为车身俯仰的轮荷转移分量;m s 为簧载质量;g 为重力加速度;h p 为俯仰中心高度;θ为车身俯仰角;L 为轴距;ΔF φ为车身侧倾的轮荷转移分量;h s 为侧倾中心高度;φ为车身侧倾角;t w 为轮距;G 为总垂向载荷;L F 为前轴至质心的纵向距离;L R 为后轴至质心的纵向距离.车辆质心处,纵向加速度a x 形成的俯仰力矩分量ΔF a x ,以及横向加速度a y 形成的侧倾力矩形成的动载荷分量ΔF a y 分别为ΔF a x ＝m sa x h p /L (２２)ΔF a y ＝m s a yh s /t w (２３)㊀㊀惯性力矩映射悬架系统造成的俯仰动载荷分量ΔF θ㊆,以及为惯性力矩映射悬架系统造成的侧倾动载荷分量ΔF φ㊆分别为ΔF θ㊆＝θ㊆I ys h p /L (２４)ΔF φ㊆＝φ㊆I x s h s /t w (２５)式中,θ㊆为俯仰角加速度;I y s 为车身质量绕Y 轴的转动惯量;φ㊆为侧倾角加速度;I x s 为车身质量绕X 轴的转动惯量.综上可得垂向轮荷的估计值与重心的纵横向位置:F z F L _D y ＝F z F L _S t a t i c ＋(ΔF θ㊆－ΔF a x )/２＋㊀L R (ΔF φ㊆－ΔF a y )/L F z F R _D y ＝F z F R _S t a t i c ＋(ΔF θ㊆－ΔF a x )/２－㊀L R (ΔF φ㊆－ΔF a y )/L F z R L _D y ＝F zR L _S t a t i c －(ΔF θ㊆－ΔF a x )/２＋㊀L F (ΔF φ㊆－ΔF a y )/L F z R R _D y ＝F zR R _S t a t i c －(ΔF θ㊆－ΔF a x )/２－㊀L F (ΔF φ㊆－ΔF a y )/L üþýïïïïïïïïïï(２６)L F _D y ＝(F z R L _D y ＋F z R R _D y )L /G L R _D y ＝(F z F L _D y ＋F z F R _D y )L /G t L _D y ＝(F z F R _D y ＋F z R R _D y )t w /G t R _D y ＝(F z F L _D y ＋F z R L _D y )t w /G üþýïïïï(２７)无法保证四轮始终接地时,式(２７)的估计误差将急剧增大,故需快速识别由车轮腾空㊁重新接地造成的轮荷转移.车辆行驶阻力为７５９ 基于越野工况辨识的轮毂电机车辆驱动力控制付㊀翔㊀王玉新㊀刘道远等F ^r e s ＝F f ＋F w ＋F i F f ＝G fF w ＝C d A v ２/２１．１５F i ＝m g c o s φs i n θüþýïïïï(２８)式中,F f 为滚动阻力;F w 为空气阻力;F i 为坡道阻力;f 为滚动阻力系数;C d 为空气阻力系数;A 为车辆迎风面积,v为车速.轮毂电机具备转速㊁转矩实时可测的条件,结合车轮纵向动力学模型可得整车和各个车轮实时的纵向行驶阻力:T w i ＝I m T m i(２９)F r e s _i＝T w i －J i ωir w(３０)F r e s ＝ðiFr e s _i(３１)F~r e s＝F ^r e s －F r e s(３２)式中,T w i 为单个电动轮的转矩;I m 为轮边减速器传动比;T m i 为电机输出转矩;F r e s _i 为单个车轮行驶阻力;J i 为车轮转动惯量;;ωi 为车轮角加速度;F ~r e s 为纵向行驶阻力估计误差.车轮接地状态切换时,电机负载急剧变化,ωi与ωi 突变,各轮稳定性判定标志位S i 在０㊁１之间切换.因此基于垂向轮荷㊁附着条件的动态变化,可快速识别各个车轮的附着状态:S i (k －１)＝１s g n (εi (k －１))＝－１S pi n i (k －１)＝０üþýïïï(３３)式中,εi 为轮i 的附着条件变化率;S pi n i (∗)为轮i 的悬空标志位参数.若上一采样时刻判定车轮未腾空,而轮胎附着条件观测器反馈车轮附着系数快速减小,则车轮处于非稳定状态,重新判定该轮是否接地.设置道路行驶阻力下限阈值F r e s _l o w 不大于单个电动轮总成最低驱动力T w ,m i n /r w ,快速重置悬空标志位以识别离地车轮:S pi n i (k )＝m a x (０,s g n (F r e s _l o w －F r e s _i (k )))(３４)㊀㊀车轮重新接地后,滚动阻力大幅增大,要求附着极限估计值快速回升,以增大电机实时输出力矩,优化动力性:S i (k －１)＝０s g n (εi (k －１))＝１S pi n i (k －１)＝１üþýïïï(３５)㊀㊀车轮重新接地时,ωi 突降,车轮行驶阻力F r e s _i 急剧增大,依据行驶阻力阈值,提出车轮重新接地的充分条件:S p i n i (k )＝S pi n i (k －１)－１F l a g １＝－１ɘF l a g ２＝－１}(３６)F l a g １＝s g n (Fr e s _h i gh －１５Δt u ðkj ＝k －５(F r e s _i (j )－㊀F r e s _i (j －１)))F l a g ２＝s g n (F ^r e s ４－１５ðkj ＝k －５F r e s _i (j ))式中,F ^r e s /４为单轮阻力;Fr e s _h i gh 为单轮行驶阻力斜率的阈值.如式(３６)所示,为准确判断腾空车轮是否重新接地,运用相平面方法制定判断条件:F r e s _i Fr e s _i ＞０ɘF r e s _i ＞０ɘFr e s _i ＞０,并引入F ^r e s/４和Fr e s _h i g h 分别对单轮行驶阻力及其斜率进行阈值判断,车轮行驶阻力及其斜率超过阈值说明滚动阻力㊁附着极限具有显著增长的趋势,满足接地状态切换的条件;状态观测单元通过读取判断时刻前五个采样周期的数据,计算平均值近似得到轮i 实际的行驶阻力F r e s _i 及其变化率Fr e s _i .根据四轮实时接地状态划分三轮附着㊁两轮附着工况,各轮的垂向载荷分布如表１㊁表２所示.综合车轮附着条件观测与垂向载荷估计,得到各车轮附着极限的估计值:F F L _m a x ＝εF L F z F L _D y F F R _m a x ＝εF R F z F R _D y F R L _m a x ＝εR L F z R L _D y F R R _m a x ＝εR R F z R R _D y üþýïïïï(３７)２．２㊀越野车行驶工况在线辨识策略根据路面垂向激励差异将越野车行驶工况分为越野路面工况与越野地形工况:表１㊀三轮附着工况垂向载荷T a b ．１㊀V e r t i c a l l o a du n d e r t h r e ew h e e l a t t a c h m e n t c o n d i t i o n腾空车轮F z F L _D yF z F R _D y F z R L _D y F z R R _D y左前０G L R _D yLG t R _D y t wG (t L _D y L F _D y －t R _D y L R _D y )L t w右前G L R _D yL ０G (t L _D y L R _D y －t R _D y L F _D y )L t wG t L _D y t w 左后G t R _D y t wG (t L _D y L R _D y －t R _D y L F _D y )L t w０G L F _D yL右后G (t R _D y L R _D y －t L _D y L F _D y )L t wG t L _D y t wG L F _D yL０８５９ 中国机械工程第３４卷第８期２０２３年４月下半月表２㊀两轮附着工况垂向载荷T a b ．２㊀V e r t i c a l l o a du n d e r t w ow h e e l a t t a c h m e n t c o n d i t i o n腾空车轮F z F L _D yF z F R _D yF z R L _D y F z R R _D y左前右后０G L ２R _D y ＋t ２L _D yL ２＋t ２wGL ２F _D y ＋t ２R _D yL ２＋t ２w０右前左后GL ２R _D y ＋t ２R _D yL ２＋t ２w００GL ２F _D y ＋t ２L _D y L ２＋t ２w 左前右前００G t R _D y t wG t L _D y t w左后右后G t R _D y t w G t L _D y t w ００左前左后０G L R _D yL０G L L _D yL右前右后G L R _D yL０G L L _D yL０㊀㊀(１)越野路面工况.各轮接地高度差异小,轮荷转移主要由纵向㊁横向的惯性力造成.越野路面工况可分为高附着㊁低附着㊁变附着三种.(２)越野地形工况.高路面起伏度致使各车轮接地高度及其变化率差异明显,车辆重心㊁行驶阻力㊁垂向载荷与附着条件均呈现强非线性特征,可将越野地形分为坡道㊁扭曲起伏㊁陡峭路障三种.将F ~r e s ㊁F i ㊁S pi n i ㊁εi 等表征路面激励特征的状态参数输入至动态隶属度函数,基于模糊规则表将实时工况与６种越野工况进行映射,并进行解模糊化处理,动态调节驱动功率输出约束系数及反馈增益,以改善车辆稳态收敛性能,优化各轮附着利用率.２．２．１㊀模糊隶属度函数确定状态参数均按照较小S －㊁适中M －与较大L －建立模糊子集{S －,M －,L －},状态参数论域均为[０,１].根据驱动系统实时输出力矩可得到F ~r e s 的动态极值约束,表征克服滚动阻力增大的驱动系统负载率.表征F ~r e s 与起伏地形的映射关系的隶属度函数为F ~r e s _m a x ＝ðiFw i _m a x(１－S p i n i )(３８)F －r e s ＝F ~r e sF ~r e s _m a x(３９)F F ~r e s ＝㊀㊀z m f [F －r e s (０㊀０．２)]S －G a u s s ２m f [F －r e s (０．０６㊀０．３㊀０．０６㊀０．５５)]M －㊀㊀s m f [F －r e s (０．５５㊀０．８)]L －ìîíïïïï(４０)式中,F w i _m a x 为车轮的实时输出力矩;z m f (∗)为z 型隶属度函数;G a u s s ２m f (∗)为双边高斯型隶属度函数;s m f (∗)表示s 型隶属度函数.根据最大爬坡度６０％的动力性指标设计表征F i 与坡道地形映射关系的隶属度函数:F －i ＝２F i m g(４１)F F i ＝㊀㊀㊀z m f [F －i (０㊀０．２５)]㊀S －G a u s s ２m f [F －i (０．０６㊀０．３５㊀０．０６㊀０．５)]㊀M －㊀㊀㊀s m f [F －i (０．６０．８)]㊀L －ìîíïïïï(４２)㊀㊀根据最高车速１５０k m /h 的最高车速㊁加速时间和最大爬坡度等动力性指标及空气阻力模型来设计表征F w 与路面工况映射关系的隶属度函数:F w _m a x ＝２２５００C d A２１．１５(４３)F －w ＝F w F w _m a x(４４)F F w＝㊀㊀㊀z m f [F －w (０㊀０．３)]㊀S －G a u s s ２m f [F －w (０．０６㊀０．３５㊀０．０６㊀０．５５)]㊀M －㊀㊀㊀s m f [F －w (０．６㊀０．９６)]㊀L －ìîíïïïï(４５)㊀㊀根据S pi n i 设计表征接地车轮个数与扭曲路面映射关系的隶属度函数:T o r s ＝１４ðiS p i n i (４６)㊀F T o r s ＝㊀㊀㊀z m f [T o r s (０㊀０．２)]㊀㊀㊀S －G a u s s ２m f [T o r s (０．０６㊀０．２５㊀０．０６㊀０．４５)]㊀㊀㊀M －㊀㊀㊀s m f [T o r s (０．５㊀０．７)]㊀㊀㊀L－ìîíïïïï(４７)㊀㊀根据四轮附着极限ðiF z i _D yεi 设计表征路面附着条件的隶属度函数:μR ＝１G ðiF z i _D y εi (４８)F μ＝㊀㊀㊀zm f [μR (０．１㊀０．３)]㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀S －G a u s s ２m f [μR (０．０６㊀０．４㊀０．０６㊀０．６)]㊀㊀㊀M －㊀㊀㊀s m f [μR (０．６㊀０．８)]㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀L －ìîíïïïï(４９)９５９ 基于越野工况辨识的轮毂电机车辆驱动力控制付㊀翔㊀王玉新㊀刘道远等㊀㊀根据四轮附着条件方差设计表征行驶路面变附着程度的隶属度函数:εv a r ＝ði(εi －ε－)２(５０)F εv a r ＝㊀㊀㊀z m f [εv a r (００．１６)]S －G a u s s ２m f [εv a r (０．０６㊀０．２㊀０．０６㊀０．３６)]M －㊀㊀㊀s m f [εv a r (０．４㊀０．５)],L －ìîíïïïï(５１)２．２．２㊀模糊逻辑规则制定以各个表征路面激励特征的状态参数为输入,基于模糊规则表将行驶工况与６种越野工况映射.模糊逻辑规则如表３所示,表中[０,１]表示此状态参数的取值不改变判断结果.表３㊀模糊逻辑规则T a b ．３㊀F u z z y l o gi c r u l e t a b l e 输入输出F －r e sF iF －wT o r s μR εv a r 越野工况分类S －S －[０,１]S －L －S－高附着路面S －S －[０,１]S －M －S－中附着路面S －S －[０,１]S －S －S－低附着路面S －S －[０,１]S －[０,１]M－变附着路面S －S－[０,１]S －[０,１]L －变附着路面S －M －S －S －M－S －坡道地形S －M－S －S －L－S －坡道地形S －L－S －S －M－S －坡道地形S－L－S －S－L－S－坡道地形M －[０,１]S －M －[０,１]M －扭曲起伏地形L －[０,１]S －M －[０,１]M－扭曲起伏地形M－[０,１]S －M －[０,１]L－扭曲起伏地形L －[０,１]S －M－[０,１]L －扭曲起伏地形L－[０,１]S－S－[０,１][０,１]陡峭障碍２．２．３㊀解模糊化处理(１)越野路面工况.该工况下的车辆稳定裕度大,驱动系统响应性和动力性的优化权重较大.在附着极限㊁电机峰值力矩的约束下实时改变轮毂电机的峰值输出力矩,同时通过积分计算调整驱动功率的响应时间,优化前馈环节的响应速度:α＝m i n (r w ðiF x i _m a x I m ðiT m i _m a x ,１)(５２)T A c c _m a x ＝αðiT m i _m a x(５３)P A c c (k )＝m i n (P A c c (k －１)＋ʏατf (P D e s －P A c c (k －１))d t ,P D e s )(５４)式中,T m i _m a x 为轮毂电机峰值输出力矩;F x i _m a x 为车轮纵向驱动力峰值;T A c c Ｇm a x 为电机实际响应的峰值输出力矩;P D e s ㊁P A c c (∗)分别为需求功率和某一时刻驱动系统实际响应的驱动功率,下标A c c ㊁D e s 分别表示加速与减速;k为时刻;α为驱动功率利用率峰值;τf 为时间常数.为保证车轮在发生滑转㊁侧滑等非稳变化后滑转率能快速收敛,在驱动系统和附着极限的约束下实时调整驱动力反馈的控制增益:K F B i ＝F i _M a x /F z i _S t a t i c(５５)㊀㊀(２)越野地形工况.为了优化越野车的通过性与脱困能力,需根据各轮附着极限的变化,约束驱动系统的力矩输出,快速抑制失附或腾空车轮的滑转率.α㊁T A c c Ｇm a x ㊁K F B i 的设计均基于实时附着条件最优车轮的纵向驱动力峰值:α＝m i n (４r w m a x (F X F L _m a x ,F X F R _m a x ,F X R L _m a x ,F X R R _m a x )ðiI m T m i _m a x ,１)(５６)T A c c _m a x ＝αðiT m i _m a x(５７)P A c c (k )＝m i n (P A c c (k －１)＋ʏατf(P D e s－P A c c (k －１))d t ,P D e s )(５８)K F B ＝m a x (F F L _m a x F z F L _S t a t i c ,F F R _m a x F z F R _S t a t i c ,F R L _m a x F z R L _S t a t i c ,F R R _m a xF z R R _S t a t i c)(５９)２．３㊀驱动力控制策略基于越野工况的辨识结果,采用前馈Ｇ反馈的闭环架构设计驱动力控制策略.前馈环节根据垂向轮荷的实时估计值与越野工况辨识得到的电机实时峰值驱动力矩T A c c Ｇm a x 进行力矩矢量的预分配,反馈环节基于四轮滑转率控制误差和解模糊得到的反馈增益K F B 进行力矩反馈调节.以轮毂电机i 的驱动功率利用率D i 作为状态变量,优化驱动力控制响应性.将轮i 的滑转率变化率λi (v x ,ωi )与车轮纵向动力学模型联立得到驱动时力矩的传递方程:fi ＝∂μi (λi )∂λi(６０)λ i ＝v x r w ω２iω i －a x r w ωi r w F x i ＝I m T m i －J id ω i d t F x i ＝f i F z i λi ＝F z iax üþýïïïïïï(６１)㊀㊀联立式(６０)㊁式(６１)并进行拉氏变换,得到驱动力传递函数:I m L (Tm i )＝J iF z i r w (１－λi )(ωi fi s ＋１r w ＋１)L (r w F x i )(６２)㊀㊀将力矩传递函数变换为多项式,计算其零极点判断系统稳定性:L (r w Fx i )L (Tm i )＝K d i (k )τd i (k )s ＋１K d i (k )＝I m －I m J iJ i ＋r ２w F z i (k )(１－λi (k ))τd i (k )＝J i r w ωifi (J i ＋r ２w F z i (k )(１－λi (k )))üþýïïïïïïï(６３)０６９ 中国机械工程第３４卷第８期２０２３年４月下半月㊀㊀滑转率满足条件１－λi ＞０,故τd i (k )非负,即力矩传递函数L (r w F x i/Ti )有负实根,系统为稳定系统.轮毂电机实际输出力矩由踏板开度αA c c ㊁电机峰值电流㊁驱动防滑反馈力矩ΔT m i 等多个离散变量决定,其更新周期与踏板采样周期τA c c 相同.轮端输出力矩变化Tw i 受C A N 通信时滞与功率逆变器响应时间的影响,因此将Tw i (Ti )简化成延时时长为τw 的一阶惯性系统:T i (k )＝F z i αA c c (k )T A c c _M a x i (k )m g㊀㊀㊀㊀㊀㊀S i ＝０F zi αA c c (k )T A c c _M a x i (k )m g－ΔT i (k )㊀㊀S i ＝１ìîíïïïï(６４)T w i (k )＝T i (k )(１－e x p (－tτw))㊀㊀t ɪ[０,τA c c ](６５)㊀㊀由式(６５),将D i 表示为轮i 的纵向估计力F ^x i 与轮端的驱动力T w i (k )/r w 的比值,D i 的离散化表达式为D i (k )＝１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀S i ＝０１T i (k )(T i (０)＋ðki ＝１ʏτA c c ０Tw i (k ) ㊀K di (k )(１－e x p (－t τd i (k )))d t )㊀㊀S i ＝１ìîíïïïïïï(６６)D i (k ＋１)＝D i (k )㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀S i ＝０D i (k )＋K d i (k )ðkj ＝１ΔT i (j )㊀㊀S i ＝１{(６７)㊀㊀轮胎轻微滑转时,驱动防滑不介入,轮胎力的估计误差增大,为消除误差累积效应造成的精度问题,根据稳定性判定标志位参数S i 设计式(６６)中的误差校正与积分计算的触发机制.基于式(６６)设计滑模控制器的滑模面和趋近律:s (k )＝１－D i (k )(６８)s (k ＋１)－s (k )＝－qτA c c s (k )－|s (k )|２τA c c s g n (s (k ))(６９)其中,q 为调节滑转率λi 收敛速度的增益.为减小系统在滑模面附近的抖振,设置符号函数s gn (s (k ))的增益为时变变量|s (k )|/２.为验证滑模控制器的可达性与稳定性,基于李雅普诺夫稳定性函数描述稳定条件和存在条件:d s ２(t )d t＝２(s (k ＋１)－s (k ))s gn (s (k ))(７０)(s (k ＋１)＋s (k ))s gn (s (k ))＝[２－(０．５＋q )τa c c ]|s (k )|(７１)㊀㊀联立式(６９)㊁式(７０)可得d s ２(t )d t＜０,满足稳定收敛条件,为保证滑动模态区的存在,需使式(７１)等式右边的值大于０,据此设计趋近速率增益:q ＝２－２τA c cτA c c(７２)㊀㊀将趋近律式(７０)代入式(６８)可得轮毂电机输出驱动力矩指令:㊀T i (k )＝㊀m i n (T m i n ,F z i αA c c (k )T A c c _M a x i (k )m g －㊀(２q ＋１)K F B i ðk j ＝１τA c c (j )２K d i (j ))㊀㊀S i ＝１F zi αA c c (k )T A c c _M a x i (k )m g㊀㊀㊀㊀㊀S i ＝０ìîíïïïïïï(７３)３㊀离线仿真及实车测试３．１㊀变附路面急加速行驶仿真测试本节设计车辆在对开路面(左侧高附着㊁右侧低附着)㊁对接路面(高附着至低附着)下急加速仿真试验,其中,附着系数为高附着０．８,低附着０．３.仿真结果如图１㊁图２所示.(a)对开路面轮毂电机驱动力矩(b)对开路面纵向车速与车轮线速度图１㊀对开路面下加速仿真测试结果F i g ．１㊀S i m u l a t i o n t e s t r e s u l t s o f a c c e l e r a t i o no n s pl i t r o a d 图１表明:车辆加速会导致垂直载荷后移,因此后轴电机驱动力矩指令显著大于同侧的前轴电１６９ 基于越野工况辨识的轮毂电机车辆驱动力控制付㊀翔㊀王玉新㊀刘道远等(a)高至低附对接路面轮毂电机驱动力矩(b)高至低附对接路面纵向车速与车轮线速度图２㊀对接路面下加速仿真测试结果F i g．２㊀S i m u l a t i o n t e s t r e s u l t s o f a c c e l e r a t i o nu n d e rb u t t r o a d机;得益于较大的附着极限,同轴的左侧高附着车轮电机驱动力矩指令大于右侧低附着车轮,有效提高了轮毂电机驱动功率的利用率.随着车速和轮速的提高,电机驱动力矩指令减小直至第１１s 时达到右侧低附着车轮的附着极限,此时,同轴异侧电机输出力矩差产生的附加横摆力矩减小至０,各轮滑转率实现同步收敛,显著提高了车辆的横向稳定性.图２表明,越野工况辨识策略能在车轮驶入低附着路面时附着系数突降后迅速减小驱动功率利用率峰值,实时调整电机的峰值输出力矩,避免车轮过度滑转.车轮驱动力矩在１s㊁３s突破附着极限后,反馈控制迅速增大反馈增益,车轮滑转率在１s内迅速收敛,而后减小反馈增益㊁小幅调节电机驱动力矩指令,平滑提高轮胎附着利用率,有效提高车辆的驱动效率.３．２㊀越野地形纵向控制仿真测试车辆匀速通过上坡扭曲路和跨越垂直路障的仿真测试环境的模型参数如表４所示,其中,路面附着系数为０．８.图３a㊁图３b表明,越野工况辨识策略能快速捕捉到附着极限显著提高或重新接地车轮的方位,并将当前工况分类为行驶阻力较大,驱动功率利用率峰值α需维持为１的扭曲地形,同时允许表４㊀地形工况通过性仿真测试环境模型参数T a b４㊀T e r r a i n c o n d i t i o n t r a f f i c a b i l i t y s i m u l a t i o n t e s te n v i r o n m e n tm o d e l p a r a m e t e r s上坡扭曲路垂直路障目标车速(k m/h)１０６最大纵向坡度(％)６０垂向落差峰值(mm)５００垂直路障高度(mm)５００轮毂电机短时过载以克服较大的行驶阻力㊁避免车速的大幅下降.图３c表明反馈控制环节可使腾空车轮迅速降速,有效提高驱动效率与滑转率的稳态收敛性能.前馈Ｇ反馈闭环控制下,车辆纵向车速始终大于６k m/h,腾空车轮的线速度低于３０k m/h,表明控制策略在上坡扭曲路地形下实现了驱动功率利用率的全局优化.(a)车轮垂向载荷估计值(b)前馈Ｇ反馈控制的轮毂电机驱动力矩(c)前馈Ｇ反馈控制纵向车速与车轮线速度图３㊀上坡扭曲路仿真测试结果F i g．３㊀S i m u l a t i o n t e s t r e s u l t s o f u p h i l l t w i s t e d r o a d２６９中国机械工程第３４卷第８期２０２３年４月下半月０．３s时,前轮跨越垂直路障,车辆行驶阻力突然增大,车速明显下降,如图４a所示,前馈环节输出力矩不断增大但电机转速在低速区持续震荡.前轮在０．３s内成功跨过垂直路障,轮毂电机驱动系统综合输出力矩峰值为２２４０N m.前轮失附腾空后,反馈控制迅速介入,通过及时减小后轴电机力矩来有效抑制车轮空转.后轮越障时,车身俯仰㊁载荷后移明显,导致后轴电机需克服的行驶阻力增大,轮毂电机驱动系统综合输出力矩峰值为２８５０N m,后轮在０．５s内成功跨过路障.跨越路障后,电机转速因阻力突降而迅速增加,反馈环节介入使车轮滑转率在１s内迅速收敛.(a)前馈Ｇ反馈控制的轮毂电机驱动力矩(b)前馈Ｇ反馈控制纵向车速与车轮线速度图４㊀垂直路障通过性仿真测试结果F i g．４㊀S i m u l a t i o n t e s t r e s u l t s o f v e r t i c a lr o a d b l o c k t r a f f i c a b i l i t y３．３㊀变附有路面急加速的实车道路试验变附着路面的实车加速试验用来验证真实变附着路面下的控制策略鲁棒性.试验路面分别为水泥路到湿滑路的对接路面㊁洒水玄武岩路面(左侧)和水泥路面(右侧)的对开路面.图５表明在力矩矢量分配策略的控制下,左侧低附着车轮轮端输出力矩T w_F L㊁T w_R L在３s内迅速下降至１００N m,滑转率λF L㊁λR L在１．５s内收敛到２０％,轮端输出力矩T w_F L㊁T w_R L在滑转率收敛后迅速增大,有效提高了车辆的加速性能;横向稳定性方面,虽然在加速前段发生幅度较大的横摆运动,导致驾驶员需快速转动转向盘来修正行驶轨迹,但力矩矢量分配策略对各轮实时的差扭控制增大了各轮的稳定裕度,驾驶员控制转向盘转角峰值始终小于４７ʎ,处于可控范围内.(a)四轮滑转率(b)轮端输出力矩(c)纵向车速与方向盘转角图５㊀对开路面加速试验结果F i g．５㊀A c c e l e r a t i o n t e s t r e s u l t s o f l e f t l o wa t t a c h m e n ta n d r i g h t如图６所示,滑转率λi随轮端输出力矩的增大而增大,在３．６s时达到峰值的１６％,且没有出现显著发散.此后,前轮和后轮分别于４．５s㊁５．６s驶入低附路面,滑转率迅速增大,前后轮的附着系数估计值迅速减小.前馈－反馈闭环控制策略使前后轮的滑转率分别在５．５s和６．０s时开始收敛,驱动防滑响应的延时小于０．５s.６s后,控制策略以增大各轮附着利用率为优化目标,使T w iʈ３６９基于越野工况辨识的轮毂电机车辆驱动力控制 付㊀翔㊀王玉新㊀刘道远等r w F x m a x i,加速度均值a－超过０．２g,平均驱动功率利用率超过８０％,转向盘转角|δ|m a x始终小于５０ʎ,实现了动力性与稳定性的协调优化.(a)四轮滑转率(b)轮端输出力矩(c)转向盘转角与纵向车速图６㊀对接路面的加速试验结果F i g．６㊀A c c e l e r a t i o n t e s t r e s u l t s o f b u t t j o i n t p a v e m e n t ３．４㊀越野地形实车道路试验长纵坡实车试验的坡道路面附着系数为０．８,长度为２０m,坡度为６０％.车辆在上坡时重心会后移,前馈环节基于各轮附着极限实时调整各轮毂电机的输出,以优化各轮的附着利用率,如图７a所示.如图７b所示,各轮滑转率的峰值均小于２０％,前馈环节可实现四轮附着利用率的协调优化,４个车轮的稳定裕度较高,与前文仿真结果相符,满足低速通过６０％坡道的动力性指标.扭曲路道路试验路长７m㊁直线段长３m㊁上坡角度１２ʎ㊁最大垂直高度４００mm,测试过程符合G B/T１２５４１ ９０.(a)轮端输出力矩(b)车轮滑转率图７㊀坡度６０％实车测试结果F i g．７㊀R e a l v e h i c l e t e s t r e s u l t sw i t h６０％s l o p e如图８a所示,路面高度落差显著,车轮因对角线悬架弹簧拉伸至极限而出现腾空现象,左前轮㊁右后轮的轮速与右前轮㊁左后轮的轮速交替发散.如图８b所示,越野工况辨识策略快速识别到腾空车轮,腾空车轮附着力利用率突降至０,有效限制了轮端输出力矩.由图８c可知,基于车轮附着力利用率的瞬态变化及各轮附着极限的精确估计,前馈环节可实时调整轮端输出力矩,以克服较大的行驶阻力,反馈环节可使腾空车轮滑转率迅速收敛.４㊀结论(１)依托轮毂电机转速㊁力矩实时可观的条件,基于L u G r e轮胎模型构建了观测空间方程,以实时估计轮胎摩擦力并快速识别车轮附着条件的瞬态变化.(２)定量分析了车轮附着的影响因素,并基于L u G r e轮胎模型㊁车辆动力学模型㊁轮毂电机与阻力观测器构建了车轮附着极限动态估计器.针对表征路面激励特征的状态参数,设计了隶属度函数.基于模糊识别,将实时工况与６种越野工况映射,而后根据工况辨识结果设计前馈－反馈闭环控制策略来自适应调节轮毂电机的实时输出力矩.４６９中国机械工程第３４卷第８期２０２３年４月下半月。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
车辆动力学主要内容
控制目标
操纵性能 乘坐舒适性
四轮转向（4ws）
侧倾力分配控制
主动/半主动
悬架控制
纵 向力分配控 制
底盘控制方式
转向控制 悬架系统
驱动/制动时的安全性
ABS/TSC
驱动/制动力控制
轮胎力
轮胎侧偏力 轮胎垂向载荷 （悬架主动力）
轮胎纵向力 状态反馈
车体运动
侧向动力学 侧向运动 横摆运动 侧倾运动 侧倾运动 垂向动力学 垂向运动 俯仰运动 俯仰运动 纵向运动
纵向动力学
车辆动力学发展
目录 ➢ 车辆动力学简介 ➢ 轮毂电机驱动车辆概述 ➢ 轮毂电机驱动车辆操纵动力学关键技术
车辆驱动形式
车辆驱动形式
车辆驱动形式
车辆驱动形式
1 轮胎；2 轮毂； 3 电机-减速器壳体左端盖； 4 轮边减速器；5 电机； 6 制动盘及制动钳总成； 7 电机及减速器壳体右端盖； 8 弹簧；9 悬架总成； 10 转向节臂；11 转向横拉杆
机电复合制动
➢ 电机具有四象限的机械特性，可以工作在 电动机状态，也可以工作在发电机状态。
需解决的关键技术 ➢ 制动工况的分类与辨识 ➢ 复合制动容量匹配
液 压 力 矩 容 量 减 少 的 比 例 （ %）
➢ 复合制动力协调分配策略
100
80 60
40 8
7
6
制 动 减 速 度 （ m5 /s2）
纵向动力学
车辆动力学主要内容
控制目标
操纵性能 乘坐舒适性
四轮转向（4ws）
侧倾力分配控制
主动/半主动
悬架控制
纵 向力分配控 制
底盘控制方式
转向控制 悬架系统
驱动/制动时的安全性
ABS/TSC
驱动/制动力控制
轮胎力
轮胎侧偏力 轮胎垂向载荷 （悬架主动力）
轮胎纵向力 状态反馈
车体运动
侧向动力学 侧向运动 横摆运动 侧倾运动 侧倾运动 垂向动力学 垂向运动 俯仰运动 俯仰运动 纵向运动
➢ 在满足车辆的动力性和通过性的前提 下，以最佳经济性为目标，使驱动电 机尽量工作在最优效率区间。
需解决的关键技术
➢ 路面识别、驱动防滑 ➢ 行驶阻力计算、驱动力需求分析 ➢ 轴间驱动力分配 ➢ 电机工作区间标定
线控转向/主动转向/多轴转向
➢ 轮毂电机独立驱动车辆取消差速器、分动器 、多档变速箱等机械机构，甚至可以取消机 械转向机构，实现完全的线控转向。
➢ 集中驱动车辆ASR/ABS的实现主要是通 过对单一动力系统和分散的制动系统进 行协调控制来实现。涉及控制部件多、 控制线路长、响应时间慢。
➢ 轮毂电机驱动车辆各电动轮独立可控， 电机响应速度快（响应时间约为内燃机 的100倍、液压制动系统的10倍），可 以在机械制动器参与工作之前进行电制 动，甚至实现制动能量回馈。
状态估计及参数辨识
➢ 利用轮毂电机力矩、转速等 精确可知的特点，可以获得 比传统汽车更多的车辆运动 信息，用来估计车辆状态和 环境参数，进而为整车动力 学控制提供有力的支持。
电机力矩 轮速 车身加速度 ……
车速 质心侧偏角 路面附着系数
…
车辆状态估计器 /环境参数辨识器
车身加 速度
传感器测量 噪声
轮毂电机驱动车辆特点
➢ 有利于整车空间布置 ➢ 有利于提高车辆动力学控制特性 ➢ 有利于提高系统效率 ➢ 有利于提高车辆设计的模块化能力 ➢ 有利于提高车辆驱动系统的冗余能力
轮毂电机驱动车辆技术难度
➢ 复杂的工况条件对轮毂电机的寿命和可靠性要求较高； ➢ 电机的散热和强制冷却问题需要重视； ➢ 对轮毂电机的功率密度和性能要求高，电动轮设计难度大； ➢ 非簧载质量增加影响车辆的动力学特性； ➢ 多电机转矩协调控制问题； ➢ 电动轮带来的车辆垂向负效应问题。
目录 ➢ 车辆动力学简介 ➢ 轮毂电机驱动车辆概述 ➢ 轮毂电机驱动车辆操纵动力学关键技术
轮毂电机驱动车辆操纵动力学关键技术
➢ 状态估计及参数辨识 ➢ 驱动防滑(ASR)/制动防抱死(ABS) ➢ 机电复合制动 ➢ 驱动模式切换 ➢ 线控转向/主动转向/多轴转向技术 ➢ 差动转向助力与机械转向助力协调控制 ➢ 直接横摆力矩控制——电动轮转矩协调分配 ➢ 电动轮垂向负效应抑制 ➢ 电动轮一体化结构设计
轮毂电机驱动车辆 动力学控制
报告人：刘明春
2016.3.23
目录
➢ 车辆动力学简介 ➢ 轮毂电机驱动车辆概述 ➢ 轮毂电机驱动车辆操纵动力学控制关键技术
目录
➢ 车辆动力学简介 ➢ 轮毂电机驱动车辆概述 ➢ 轮毂电机驱动车辆操纵动力学关键技术
车辆动力学主要内容控制目标操纵性能 乘来自舒适性四轮转向（4ws）
4
120
100
80
60 踏 板 速 度 （ °/s） 3 40
制动意图 识别结果
目标制动强度Z
紧急制动工况
一般制动工况
以制动效率为目 标
复合制动
是否为小强度 是 制动
否
是否为中等强度 是 制动
以回收制动能 为目标
纯电机制动
以回收制动能 为目标
复合制动
否
复合制动
以制动效率为 目标
驱动模式切换
➢ 轮毂电机独立驱动车辆可以根据工况 条件来选择合适的驱动模式，如 4×2、 4×4、 8×4、8×8 ，并实 现在各种模式之间的自动切换。
纵向动力学
车辆动力学主要内容
控制目标
操纵性能 乘坐舒适性
四轮转向（4ws）
侧倾力分配控制
主动/半主动
悬架控制
纵 向力分配控 制
底盘控制方式
转向控制 悬架系统
驱动/制动时的安全性
ABS/TSC
驱动/制动力控制
轮胎力
轮胎侧偏力 轮胎垂向载荷 （悬架主动力）
轮胎纵向力 状态反馈
车体运动
侧向动力学 侧向运动 横摆运动 侧倾运动 侧倾运动 垂向动力学 垂向运动 俯仰运动 俯仰运动 纵向运动
+ + 传感器信号
+
轮速
车速
+
以某一轮速转换为车 速产生的测量噪声
卡尔曼滤波器
车速估计值
不同测量噪声协方差矩阵下的仿真结果
估计结果1
估计结果2
由于测量噪声协方差矩阵代表了车轮滑转的程度，故其值的 选取对估计结果的影响重大。
驱动防滑(ASR)/制动防抱死(ABS)
➢ 主要是对驱动轮进行最优滑移率控制。
侧倾力分配控制
主动/半主动
悬架控制
纵 向力分配控 制
底盘控制方式
转向控制 悬架系统
驱动/制动时的安全性
ABS/TSC
驱动/制动力控制
轮胎力
轮胎侧偏力 轮胎垂向载荷 （悬架主动力）
轮胎纵向力 状态反馈
车体运动
侧向动力学 侧向运动 横摆运动 侧倾运动 侧倾运动 垂向动力学 垂向运动 俯仰运动 俯仰运动 纵向运动