20160323轮毂电机驱动车辆动力学控制

轮毂电机驱动车辆动力学控制报告人：刘明春2016.3.23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目录车辆动力学简介车辆动力学主要内容操纵性能乘坐舒适性驱动/制动时的安全性转向控制悬架系统驱动/制动力控制轮胎侧偏力轮胎垂向载荷（悬架主动力）轮胎纵向力侧向动力学侧向运动横摆运动侧倾运动俯仰运动纵向运动纵向动力学侧倾运动垂向动力学垂向运动俯仰运动车体运动轮胎力底盘控制方式控制目标四轮转向（4ws）侧倾力分配控制主动/半主动悬架控制纵向力分配控制ABS/TSC状态反馈车辆动力学主要内容操纵性能乘坐舒适性驱动/制动时的安全性转向控制悬架系统驱动/制动力控制轮胎侧偏力轮胎垂向载荷（悬架主动力）轮胎纵向力侧向动力学侧向运动横摆运动侧倾运动俯仰运动纵向运动纵向动力学侧倾运动垂向动力学垂向运动俯仰运动车体运动轮胎力底盘控制方式控制目标四轮转向（4ws）侧倾力分配控制主动/半主动悬架控制纵向力分配控制ABS/TSC状态反馈车辆动力学主要内容操纵性能乘坐舒适性驱动/制动时的安全性转向控制悬架系统驱动/制动力控制轮胎侧偏力轮胎垂向载荷（悬架主动力）轮胎纵向力侧向动力学侧向运动横摆运动侧倾运动俯仰运动纵向运动纵向动力学侧倾运动垂向动力学垂向运动俯仰运动车体运动轮胎力底盘控制方式控制目标四轮转向（4ws）侧倾力分配控制主动/半主动悬架控制纵向力分配控制ABS/TSC状态反馈车辆动力学主要内容操纵性能乘坐舒适性驱动/制动时的安全性转向控制悬架系统驱动/制动力控制轮胎侧偏力轮胎垂向载荷（悬架主动力）轮胎纵向力侧向动力学侧向运动横摆运动侧倾运动俯仰运动纵向运动纵向动力学侧倾运动垂向动力学垂向运动俯仰运动车体运动轮胎力底盘控制方式控制目标四轮转向（4ws）侧倾力分配控制主动/半主动悬架控制纵向力分配控制ABS/TSC状态反馈车辆动力学发展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目录车辆动力学简介汽车内燃机汽车前驱后驱全驱电动汽车单电机集中驱动双电机轮边驱动全轮毂电机驱动车辆驱动形式汽车内燃机汽车前驱后驱全驱电动汽车单电机集中驱动双电机轮边驱动全轮毂电机驱动车辆驱动形式汽车内燃机汽车前驱后驱全驱电动汽车单电机集中驱动双电机轮边驱动全轮毂电机驱动车辆驱动形式汽车内燃机汽车前驱后驱全驱电动汽车单电机集中驱动双电机轮边驱动全轮毂电机驱动车辆驱动形式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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特点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。轮毂电机驱动车辆技术难度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目录车辆动力学简介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操纵动力学关键技术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。状态估计及参数辨识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++++车身加速度车速传感器测量噪声以某一轮速转换为车速产生的测量噪声车速估计值轮速传感器信号卡尔曼滤波器不同测量噪声协方差矩阵下的仿真结果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。估计结果1估计结果2主要是对驱动轮进行最优滑移率控制。驱动防滑(ASR)/制动防抱死(ABS)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。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。机电复合制动需解决的关键技术制动工况的分类与辨识复合制动力协调分配策略复合制动容量匹配406080100120345678406080100踏板速度（°/s）制动减速度（m/s2）液压力矩容量减少的比例（%）是否为小强度制动纯电机制动以回收制动能为目标紧急制动工况是否目标制动强度Z是否为中等强度制动否复合制动以回收制动能为目标是复合制动以制动效率为目标复合制动以制动效率为目标制动意图识别结果一般制动工况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。驱动模式切换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。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电机工作区间标定需解决的关键技术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。线控转向/主动转向/多轴转向主动转向技术可以缩短车辆侧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，提高对外界环境变化的抗干扰能力。多轴转向技术•前轮转向•全轮转向基于车辆转向轮定位参数、机械转向装置的结构参数及其助力装置特性，分析轮间和轴间差动转向助力的产生机理，以及机械转向助力在差动助力干涉作用下的响应特性，和对驾驶员转向操作的影响，研究差动助力和机械助力的协调控制。差动转向助力与机械转向助力协调控制轮毂电机驱动车辆取消了集中驱动方式时需采用的机械差速器，采用电子差速系统以协调转向或在复杂道路上行驶时各电动轮的转速，使其满足差速要求。电子差速控制以轮毂电机转速为控制变量，根据由转向几何模型确定的各轮转速关系对电动轮转速进行控制。以轮毂电机转矩为控制变量，根据各电动轮目标滑转率对电动轮转矩进行控制。(a)两轴车辆差动转向Oa轮速计算运动学模型22自由度车辆动力学模型模糊PID控制器方向盘信号δ踏板信号a车速u轮毂电机参考转速ni*轮毂电机转速ni轮毂电机转速差Δni轮毂电机转矩修正值ΔTi卡尔曼滤波算法车速估计纵向加速度ax根据摩擦圆的关系，轮胎纵向力比侧向力有更多的裕度。高速状态下行驶的汽车在紧急转向、制动,或在较大侧向风影响下转向时,侧向力常常接近附着极限。此时通过控制车轮的制动或者驱动力来产生作用于车辆的横摆力矩，有利于克服轮胎侧偏角较大时产生的侧向力饱和儿导致的车辆失控问题。尤其适用于轮毂电机独立驱动车辆。直接横摆力矩控制反馈变量及控制变量的选取电动轮系统增加了车辆簧下质量，给车辆带来诸多垂向负效应，这些负效应涉及到车轮、电机、悬架和车身性能，降低车辆行驶安全性和平顺性。需要从电机内部和外部进行减振系统的设计和优化——基于电动轮内减振及主动悬架系统综合优化的车辆垂向负效应抑制。电动轮垂向负效应抑制簧下质量电机车身悬架阻尼刚度路面轮胎阻尼、刚度簧下质量车身路面轮胎阻尼、刚度转子定子12悬架阻尼刚度电机壳体考虑电动轮内部的空间结构耦合、电磁场和温度场耦合，设计电动轮内部电机、制动器、轮辋、轮边减速器的一体化结构。从传动效率、轻量化、结构复杂性方面，比较“内转子电机+轮边减速器”与“外转子电机直驱”之间的性能，根据需求确定最优的电动轮结构方案。电动轮一体化结构设计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操纵动力学关键技术