電動(dòng)車(chē)輛高性能運(yùn)動(dòng)控制研究

緒論電動(dòng)汽車(chē)不僅對(duì)能源安全和環(huán)保有重要意義，而且它集機(jī)械、電氣、電子、數(shù)字、信息和智能技術(shù)于一體，集成了現(xiàn)代高新技術(shù)。為維護(hù)我國(guó)能源安全，改善大氣環(huán)境，提高我國(guó)汽車(chē)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的跨越式發(fā)展，科技部在“十五”國(guó)家科技計(jì)劃中設(shè)立電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)，從發(fā)展我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略高度，選擇新一代電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)作為創(chuàng)新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，聯(lián)合攻關(guān)口。道路交通條件的改善以及汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步使得現(xiàn)代汽車(chē)的行駛車(chē)速極大提高，然而安全事故也由此而生。據(jù)統(tǒng)計(jì),車(chē)速在80km/h到100km/h之間行駛的汽車(chē)發(fā)生的交通事故中，大約40%是與汽車(chē)側(cè)向失穩(wěn)有關(guān)。車(chē)速越高，由于汽車(chē)失穩(wěn)引發(fā)的交通事故的比例越大，當(dāng)車(chē)速超過(guò)160km/時(shí)，幾乎每一起事故都是由于側(cè)向失穩(wěn)而造成的。2四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)模型2.1三自由度的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)整車(chē)仿真模型的建立在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的整車(chē)動(dòng)力學(xué)的仿真設(shè)計(jì)中，有按照牛頓力學(xué)建立的模型，有按照拉格朗日第一或第二方程建立的模型，還有按照多剛體動(dòng)力學(xué)方法建立的模型。其中，按照牛頓力學(xué)建立的模型最為多見(jiàn)，對(duì)于比較完善的模型而言，各種力學(xué)原理有所交叉。國(guó)內(nèi)，郭孔輝院士建立了比較完善的12自由度整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，用于汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)輸入下汽車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真研究。這12個(gè)自由度分別為：整車(chē)縱向、橫向運(yùn)動(dòng)、四輪轉(zhuǎn)動(dòng)、車(chē)身俯仰、橫擺、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)、車(chē)身垂向與左右輪的轉(zhuǎn)向。該模型分別涉及地面、車(chē)身坐標(biāo)系，并引進(jìn)輪胎在穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏聯(lián)合情況下的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將汽?chē)的內(nèi)外受力比較全面地進(jìn)行考慮。這個(gè)模型的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系和力學(xué)特性進(jìn)行結(jié)合，包括考慮了前輪定位參數(shù)、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與力學(xué)特性，從而提供了仿真精度。缺點(diǎn)是模型比較復(fù)雜，一些參數(shù)的獲取在現(xiàn)實(shí)中比較難，比如輪胎模型，輸入?yún)?shù)達(dá)149個(gè)，給實(shí)際運(yùn)用帶來(lái)不少困難。國(guó)外汽車(chē)專(zhuān)家也建立了不少整車(chē)模型，韓國(guó)SungKyunKwanUniversity的研究學(xué)者Suh，MLw等人的半實(shí)物仿真中所建的九自由度模型模擬轉(zhuǎn)彎制動(dòng)，其中忽略了車(chē)身的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量也沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。此模型不僅簡(jiǎn)單，而且仿真速度快，能滿足實(shí)時(shí)仿真的要求。實(shí)際汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的模型不能全面地描述汽車(chē)的各種運(yùn)動(dòng)特征，也不能細(xì)致地分析汽車(chē)的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、彈性及阻尼特性對(duì)車(chē)輛輸入輸出關(guān)系的影響和對(duì)汽車(chē)內(nèi)部反饋?zhàn)饔玫挠绊?。例如，如果把汽?chē)看作由一個(gè)車(chē)身與四個(gè)車(chē)輪組成，每個(gè)部分有空間六個(gè)自由度，就共有30個(gè)自由度。然而汽車(chē)不僅是五個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，它還包括其他特性，如輪胎有側(cè)偏特性，定位參數(shù)的影響，非穩(wěn)態(tài)特性：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里有力輸入，角輸入特性：懸架機(jī)構(gòu)又有其幾何關(guān)系的非線性，以及汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性等。在實(shí)際建模的過(guò)程中，可以忽略與研究工作無(wú)關(guān)的一些自由度和特性，根據(jù)需要選取合適的自由度進(jìn)行多自由度非線性汽車(chē)模型的建立。本文將采用Matlab/simulink建立汽車(chē)的3自由度汽車(chē)動(dòng)力學(xué)整車(chē)和各種車(chē)輪的仿真模型。2.2輪胎模型除空氣作用力和重力外，幾乎所有其它影響車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的力和力矩都通過(guò)滾動(dòng)的輪胎與地面相互作用而產(chǎn)生。對(duì)于行駛中的車(chē)輛而言，在輪胎和路面之間的接地印跡上產(chǎn)生的輪胎力和力矩對(duì)研究其動(dòng)力學(xué)行為(操縱穩(wěn)定性、行駛平順性及制動(dòng)安全性)是至關(guān)重要的。因此，建立精確的輪胎模型來(lái)模擬實(shí)際駕駛條件下車(chē)輛動(dòng)作進(jìn)而進(jìn)行分析和仿真成了必然。但是，由于輪胎在行駛過(guò)程中的受力非常復(fù)雜(根據(jù)路面性質(zhì)、車(chē)速、垂直載荷、摩擦產(chǎn)生的溫度以及輪胎的形式等因素的變化而不同)，因此輪胎模型的建立一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究討論的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前輪胎穩(wěn)態(tài)特性的研究已經(jīng)基本趨于成熟，非穩(wěn)態(tài)特性的研究也有了顯著的進(jìn)展，而且還出現(xiàn)了以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輪胎模型為代表的自適應(yīng)輪胎模型和基于計(jì)算機(jī)的輪胎模型。它主要分為理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃妥赃m應(yīng)模型三大類(lèi)。本文選取的輪胎模型為荷蘭Delfe大學(xué)的H.B.Pacejkai創(chuàng)建的“MagicFormula”魔術(shù)輪胎模型。此模型考慮了輪胎的縱向力和側(cè)向力的聯(lián)合作用以及相互影響，與假設(shè)的純理論模型相對(duì)，“MagicFormula”為半經(jīng)驗(yàn)公式，它用一個(gè)通對(duì)大量的輪胎力特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，而得到的三角函數(shù)公式來(lái)與輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，完全能夠表達(dá)不同驅(qū)動(dòng)情況時(shí)的輪胎特性，較之純理論模型更為準(zhǔn)確可信，任何測(cè)得的輪胎參數(shù)曲線都可以通過(guò)它調(diào)整系數(shù)設(shè)置來(lái)與之匹配,，很多學(xué)者甚至把它作為一個(gè)范式來(lái)和其他輪胎模型進(jìn)行比較分析。普遍使用的MagicFormula輪胎模型具有下面的形式:y=Dsin{Cactan[Bx-E(Bx-arctanBs)]}Y(X)=y(x)+Svx=X+Sh,式中:Y-輸出變量縱向力E:或側(cè)向力Fy:x-輸入變量側(cè)a或縱向滑移2:B-剛度因子:C-形狀因子:D-峰值因子:E-曲率因子:Sh、Sv，-水平、垂直偏移(考慮輪胎有初始側(cè)偏角時(shí)的原點(diǎn)偏移)。Magicformula輪胎經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛓x)產(chǎn)生一條通過(guò)原點(diǎn)的典型曲線達(dá)到最大值，隨后趨近于一條水平漸近線。若系數(shù)B、C、D和E的值已給定，則曲線將表現(xiàn)出關(guān)F原點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)的形狀。偏移Sv、Sh可能出現(xiàn)，由于簾布層轉(zhuǎn)向、側(cè)偏力作用或滾動(dòng)阻力引起,導(dǎo)致,Fy和Fx;曲線不能通過(guò)原點(diǎn)。這個(gè)公式所產(chǎn)生的曲線與實(shí)際測(cè)得的側(cè)向加Fy和縱向力Fx的測(cè)量曲線密切地匹配回。3控制器仿真結(jié)果汽車(chē)在不同速度和不同的路面情況下，轉(zhuǎn)向動(dòng)作相對(duì)于方向盤(pán)的輸入會(huì)有不同的延時(shí)。這樣可以導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向。在上面所設(shè)計(jì)的控制器的作用下，汽車(chē)的四個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)力被控制器計(jì)算出來(lái)分配到各個(gè)車(chē)輪上去，這使得汽車(chē)的轉(zhuǎn)向可以快速精確的跟隨轉(zhuǎn)把的輸入，保證汽車(chē)的一體感。進(jìn)行仿真前，首先準(zhǔn)備了模擬駕駛員操作方向盤(pán)的模擬程序，設(shè)置轉(zhuǎn)向角為90度。汽車(chē)轉(zhuǎn)向姿態(tài)跟蹤正常時(shí)，應(yīng)該能夠準(zhǔn)確是車(chē)輛轉(zhuǎn)角90度，當(dāng)存在轉(zhuǎn)向動(dòng)作滯后時(shí)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)并有震蕩。4結(jié)論綜上所述，汽車(chē)電子穩(wěn)定系統(tǒng)BSP(ElectronicStabilityProgram)在汽車(chē)出現(xiàn)不穩(wěn)定行駛趨勢(shì)時(shí)，使汽車(chē)消除不穩(wěn)定行駛因素，回復(fù)并保持汽車(chē)預(yù)定的行駛狀態(tài)。ESP系統(tǒng)不僅僅是在干燥路面上提高了汽車(chē)的穩(wěn)定性，還可以在路面附著性比較差的時(shí)候，諸如結(jié)冰、濕滑，以及碎石等情況下起作用。在上述不利狀況下，車(chē)輪與路面之問(wèn)的附著力降低，即使是最好的駕駛員也很難將高速行駛的汽車(chē)保持在預(yù)定的路線上，汽車(chē)容易發(fā)生側(cè)滑和跑偏，失去方向穩(wěn)定性，甚至在急轉(zhuǎn)彎的時(shí)候發(fā)生翻車(chē)事故，這時(shí)就需要BSP系統(tǒng)。因此如何提高汽車(chē)行駛安全性是現(xiàn)代汽車(chē)研究的重要課題之一。近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被不斷的革新改進(jìn)。為了能夠得到更好的操縱安定性，側(cè)向穩(wěn)定性和更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)馬力，很多電動(dòng)汽車(chē)采用四輪完全制動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)的模式。除此之外，傳統(tǒng)的汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)也得到了變革。例如，直接把電動(dòng)馬達(dá)安裝在電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)輪里面，而不使用主變速箱，傳動(dòng)軸和差分器等零件總成，就可以直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)。這種馬達(dá)被稱(chēng)為輪轂電機(jī)(In-WheelMotor)?？梢韵嗷オ?dú)立的控制這些電動(dòng)馬達(dá)來(lái)完成電動(dòng)車(chē)的制動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)1?？紤]到電機(jī)在控制性能方面的優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)[1]崔萍.電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)研究[J].汽車(chē)工程，2016（02）：23-25.[2]鄭水波.汽車(chē)穩(wěn)定性控制[J].自動(dòng)化博覽，2017（4）：22-28.[3]韓正之.輪胎模型研究分析