一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法，包括步骤如下：建立整车动力学模型、差动转向子系统模型、主动悬架子系统模型、轮毂电机模型、轮胎及车轮动力学模型以及路面输入模型；建立电动轮汽车底盘集成系统控制模型及参考模型；实时调整差动转向子系统与主动悬架子系统的控制权重；设计下层差动转向子系统最优控制器和主动悬架子系统自抗干扰控制器。本发明专利技术采用模糊控制器实时控制下层差动转向子系统和主动悬架子系统的控制权重，对下层差动转向子系统和主动悬架子系统单独设计子系统控制器，保证了差动转向的稳定性，能抑制车身振动。

【技术实现步骤摘要】
一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法
本专利技术属于车辆底盘集成控制
，具体涉及一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法。
技术介绍
随着世界汽车保有量大幅增加，传统汽车对能源的消耗与对环境的污染问题日益严重，发展以电动汽车为代表的新能源汽车是实现交通可持续发展的最佳选择。作为新一代电动汽车的一个重要分支，分布式驱动电动汽车采用四个独立控制的轮毂电机分别驱动车轮，其具有传动效率高、空间布置灵活、易于实现底盘系统的电子化和主动化等优点，拥有良好的应用前景及技术发展潜力。四轮独立驱动的电动轮汽车取消了传统汽车的传动系统，使用轮毂电机实现驱动，这一结构特点使得车辆四个车轮的驱动力可以单独控制，传动效率高、可控性好、节省车身内部利用空间，但是由于电动轮汽车采用了轮毂电机驱动这种独特的驱动方式，给车辆的动力学性能带来了一定的影响。轮毂电机的引入增大了车辆的非簧载质量，电机的力矩波动也给车辆带来了一定的冲击，导致汽车的平顺性下降、轮胎的接地性变差，进一步影响到汽车的操纵稳定性，因此，为了使电动轮汽车在拥有良好动力性的基础上，同时满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法，其特征在于，包括步骤如下：/n(1)建立整车动力学模型、差动转向子系统模型、主动悬架子系统模型、轮毂电机模型、轮胎及车轮动力学模型以及路面输入模型；/n(2)结合步骤(1)中建立的模型，建立电动轮汽车底盘集成系统控制模型及参考模型；/n(3)结合步骤(2)中建立的控制模型设计上层模糊控制器，实时调整差动转向子系统与主动悬架子系统的控制权重；/n(4)结合步骤(1)和(2)中建立的模型，设计下层差动转向子系统最优控制器和主动悬架子系统自抗干扰控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)建立整车动力学模型、差动转向子系统模型、主动悬架子系统模型、轮毂电机模型、轮胎及车轮动力学模型以及路面输入模型；
(2)结合步骤(1)中建立的模型，建立电动轮汽车底盘集成系统控制模型及参考模型；
(3)结合步骤(2)中建立的控制模型设计上层模糊控制器，实时调整差动转向子系统与主动悬架子系统的控制权重；
(4)结合步骤(1)和(2)中建立的模型，设计下层差动转向子系统最优控制器和主动悬架子系统自抗干扰控制器。


2.根据权利要求1所述的电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立模型步骤如下：
(11)整车动力学模型；
根据牛顿第二定律对车辆进行受力分析，得到以下动力学平衡方程：
整车的侧向力平衡方程为：



式中，m为整车质量；ms为簧载质量；v为车速；h为侧倾中心高度；ωr为横摆角速度；β为质心侧偏角；φr为侧倾角；Fyi为各轮的轮胎侧偏力，i＝1,2,3,4；
整车横摆动力学平衡方程为：



式中，Iz为整车绕z轴的横摆转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；B为轮距；
整车俯仰运动方程为：



式中，Ip为车身绕y轴的俯仰转动惯量；θ为俯仰角；Fi为各悬架点处作用于车身的垂直力；
整车侧倾运动方程为：



式中，Ir为绕x轴转动的侧倾转动惯量；
(12)差动转向子系统模型；
(121)转向输入轴模型：
分析方向盘和和转向输入轴的受力情况，同时考虑方向盘、转向输入轴的转动惯量及粘性阻尼系数，可得方向盘与转向输入轴的动力学方程为：



Ts＝Kc(θsw-θos)(6)
式中，Tc为驾驶员输入方向盘转矩；Jc为方向盘转动惯量；θsw为方向盘转角；Bc方向盘粘性阻尼系数；Ts转矩传感器输出转矩；Kc为转矩传感器扭杆刚度系数；θos为转向输出轴转角；
(122)转向输出轴模型：
分析转向输出轴的受力情况，同时考虑其转动惯量及粘性阻尼系数，可得转向输出轴的动力学方程为：






式中，Jos为转向输出轴和小齿轮的等效转动惯量；Bos为转向输出轴和小齿轮的等效粘性阻尼系数；ΔTm为电动轮前轮驱动力差值形成的辅助转向转矩；nos为转向输出轴到前轮的传动比；xr为齿条位移；rp为小齿轮半径；
忽略车轮的转动角加速度与轮毂电机的转动惯量，则电动轮前轮驱动力差值形成的辅助转向转矩ΔTm表示为：



式中，d为左、右前转向轮的主销横向偏移距；rw为车轮的滚动半径；Td1为左前转向轮的驱动转矩；Td2为右前转向轮的驱动转矩；
(123)齿轮齿条模型：
齿轮齿条的动力学模型表示为：



FTR＝krsxr+kfsFδ(11)
式中，mrs为齿条质量；br为齿条阻尼系数；FTR为轮胎转向阻力及回正力矩作用于齿条上的轴向力；krs为齿条等效刚度；kfs为路感系数；Fδ为路面随机干扰；
(13)主动悬架子系统模型；
整车质心的垂直运动方程为：



非簧载质量垂直运动方程为：



式中，xs为车身质心处垂直位移；
其中，悬架四端各悬架点处作用于车身的垂直力Fi表示为：



当汽车的侧倾角与俯仰角较小时，悬架四端的垂直位移xsi表示为：



式中，kaf为前悬架横向稳定杆的角刚度；kar为后悬架横向稳定杆的角刚度；xri为路面输入激励；xui为非簧载质量的垂直位移；xsi为悬架四端簧载质量处的垂直位移；kti为轮胎刚度；ksi为悬架刚度；csi为悬架阻尼系数；fi为悬架作动器作动力；mui为非簧载质量；msi为簧载质量；
(14)轮毂电机模型；
永磁无刷电动机的电压方程为：



式中，ua,ub,uc为定子三相电压瞬时值；ia,ib,ic为定子三相电流瞬时值；ea,eb,ec为三相定子反电动势的瞬时值；R1为定子每相绕组的电阻；L1为每相定子绕组的自感；M1为三相定子绕组间的互感；
由于三相定子绕组对称，为Y连结，故ia+ib+ic＝0，代入上式(16)整理得：



根据牛顿第二定律，电机的动力学微分方程为：



式中，Tem为轮毂电机电磁转矩；Jem为轮毂电机的转动惯量；Bem为轮毂电机阻尼系数；TL为轮毂电机负载转矩；θem为轮毂电机转角；fem为轮毂电机转子处库仑摩擦力常数；
轮毂电机的电磁转矩方程为：
Tem＝Kti(19)
式中，Kt为电磁转矩常数；
(15)轮胎及车轮动力学模型；
(151)轮胎模型：
忽略轮胎侧偏特性的变化以及回正力矩的影响，且轮胎侧偏角较小，轮胎始终处于线性范围内，则轮胎的侧偏力为：
Fy1＝Fy2＝kfαf(20)
Fy3＝Fy4＝krαr(21)



式中，Fyi为各轮的轮胎侧偏力；kf,kr分别为前、后轮侧偏刚度；δd为前轮转角；Ef,Er为前、后轮侧倾转向系数；αf,αr为前、后轮侧偏角；
(152)车轮动力学模型：
驱动轮动力学模型：



式中，Iw为车轮转动惯量；ωi为各车轮转速；Tdi为各车轮驱动转矩；Fxi为各车轮轮胎与路面间的驱动力；rw为车轮滚动半径；f为轮胎滚动阻力系数；Fzi各轮胎垂直载荷；
忽略车轮的角加速度，车轮纵向力Fxi表达为：



考虑到车辆自重、纵向加速度、侧向加速度以及侧倾时悬架的影响，车轮垂直载荷表示为：















式中，R＝(a+b)/δd为转弯半径；h为侧倾中心高度；hg为质心高度；hui为非簧载质量质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张自宇，王春燕，刘利锋，赵万忠，秦亚娟，王展，刘晓强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32