轮毂电机驱动电动汽车各轮毂电机扭矩分配算法的仿真和评价
四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制
四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制
余卓平;姜炜;张立军
【期刊名称】《同济大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2008(036)008
【摘要】根据四轮轮毂电机驱动电动汽车驱动/制动力矩独立可控的特点,采用层次化结构的控制分配方法,优化分配驱/制动扭矩来提高车辆的操纵稳定性.控制器由运动控制器和控制分配器组成,其中运动控制器根据车辆状态产生所需总横摆力矩,控制分配器优化分配各轮上的驱/制动扭矩,同时考虑了各种执行器的约束条件.仿真结果表明:采用层次化结构的控制分配方法充分利用了垂直载荷较大的轮胎摩擦圆,降低了总的轮胎利用率,提高车辆的操纵稳定性.与平均分配的方法相比,稳定性控制效果更佳.
【总页数】5页(P1115-1119)
【作者】余卓平;姜炜;张立军
【作者单位】同济大学汽车学院,上海,201804;同济大学汽车学院,上海,201804;同济大学汽车学院,上海,201804
【正文语种】中文
【中图分类】U461.6
【相关文献】
1.四轮独立的轮毂电机驱动型电动汽车控制系统研究 [J], 范庆科;孟庆华;郭思晨;郑慧峰
2.四轮轮毂电机驱动电动汽车电机/液压系统联合控制策略 [J], 杨鹏飞;熊璐;余卓平
3.四轮轮毂电机驱动电动汽车无刷电机控制算法的研究 [J], 卢东斌;李建秋;何涛;欧阳明高;谷靖
4.基于ADAMS/Simulink联合仿真的电动汽车四轮轮毂电机驱动控制 [J], 余波
5.轮毂电机驱动电动汽车各轮毂电机扭矩分配算法的仿真和评价 [J], 熊璐;余卓平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
浅谈新能源汽车轮毂电机
浅谈新能源汽车轮毂电机1. 引言1.1 新能源汽车轮毂电机的发展背景随着技术的进步和成本的不断降低，轮毂电机逐渐成为了新能源汽车的首选动力系统之一。
相比传统的中置电机，轮毂电机具有结构紧凑、高效率、省空间等优势，使得新能源汽车在驱动系统上有了更为灵活和多样化的选择。
在全球范围内，各大汽车制造商纷纷推出了搭载轮毂电机的新能源汽车，并不断推陈出新，不断改进和创新。
政府对新能源汽车的政策支持也促进了轮毂电机技术的发展和应用。
新能源汽车轮毂电机已经成为了未来汽车行业的重要发展方向，势必会对整个行业产生深远影响。
1.2 新能源汽车轮毂电机的作用新能源汽车轮毂电机作为新能源汽车的重要组成部分，扮演着至关重要的作用。
它是一种集成在汽车轮毂内部的电机，可以直接驱动车轮转动，从而实现汽车的动力传递。
其主要作用可以总结为以下几点：1. 提供动力：新能源汽车轮毂电机可以直接为车辆提供动力，无需传统燃油发动机通过传统传动系统传递动力，减少了动力传递过程中的能量损失。
2. 实现能量回收：新能源汽车轮毂电机可以通过回收制动能量或者车辆惯性能量，在制动或减速时将部分能量转化为电能储存起来，提高了能量利用效率，减小了能量浪费。
3. 提高驾驶体验：新能源汽车轮毂电机可以实现电动驱动的瞬间响应，提高了车辆的加速性能和驾驶灵活性，使驾驶体验更加舒适和操控更加精准。
4. 降低噪音和振动：新能源汽车轮毂电机相比传统发动机具有噪音和振动较小的优势，使车辆运行更加安静和平稳。
新能源汽车轮毂电机的作用不仅在于提供动力和改善驾驶体验，还在于提高能源利用效率和降低对环境的影响，是新能源汽车的核心技术之一。
2. 正文2.1 新能源汽车轮毂电机的工作原理新能源汽车轮毂电机的工作原理是通过电能转换成机械能，驱动车辆运动。
这种电机直接安装在轮毂内部，与车轮相连，可以直接驱动车轮旋转，避免了传统燃油车辆中的传动系统，减少了能量转换过程中的能量损耗。
新能源汽车轮毂电机通常采用永磁同步电机或感应电机作为核心部件，通过轮毂上的传感器检测车速和转动方向，控制电机转速来实现车辆的加速、减速和制动。
四轮驱动电动汽车永磁无刷轮毂电机转矩分配_卢东斌
ＩＳＳＮ １０００－００５４ＣＮ １１－２２２３／Ｎ 清华大学学报（自然科学版）Ｊ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖ（Ｓｃｉ ＆Ｔｅｃｈ），２０１２年第５２卷第４期２０１２，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．４７／３２４５１－４５６四轮驱动电动汽车永磁无刷轮毂电机转矩分配卢东斌， 欧阳明高， 谷 靖， 李建秋（清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京１０００８４）收稿日期：２０１２－０３－１２基金项目：国际科技合作计划项目（２０１０ＤＦＡ７２７６０）作者简介：卢东斌（１９８２—），男（汉），山东，博士研究生。
通信作者：欧阳明高，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｕｙｍｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ摘 要：四轮驱动轮毂电机电动汽车采用４个永磁无刷轮毂电机驱动，根据轮毂电机的反电势接近正弦波的特点，采用磁场定向控制方法可以实现最大转矩电流控制。
该文在永磁同步电机磁场定向控制效率模型的基础上，提出了相同转速转矩下的多永磁同步电机系统效率模型，根据此模型证明了多永磁同步电机系统相同转速下转矩平均分配可使电机系统效率达到最优。
将此结论应用到四轮驱动电动汽车轮毂电机转矩分配研究中，通过仿真和实车测试进行验证。
仿真和试验结果证明，平均分配永磁无刷轮毂电机转矩可使整车效率最优。
关键词：永磁无刷轮毂电机；磁场定向控制；电动汽车；效率模型；转矩分配中图分类号：ＴＭ ３５１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－００５４（２０１２）０４－０４５１－０６Ｔｏｒｑｕｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ ｆｏｒｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ ｄｒｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓＬＵ Ｄｏｎｇｂｉｎ，ＯＵＹＡＮＧ Ｍｉｎｇｇａｏ，ＧＵ Ｊｉｎｇ，ＬＩ Ｊｉａｎｑｉｕ（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ ｉｎ－ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒｓ ｄｒｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｒｅ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙｆｏｕｒ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒｓ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ（ｅｍｆ）ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙｎｅａｒｌｙ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅ ｐｅｒ ａｍｐｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ｂｅｆｏｕｎｄ ｕｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）．Ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ＰＭＳＭｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｏｒｑｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｓｓｕｍｉｎｇ ａｌｌ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｐｅｅｄ ＰＭＳＭｓ．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒｓｆｏｒ ｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ ｄｒｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｏｒｑｕｅ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｈｕｂｍｏｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｍｏｄｅｌ；ｔｏｒｑｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ当今关于环保和能源的问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势［１］。
一种面相多工况的于多工况的分布式轮毂电机驱动系统的扭矩矢量控制方法
一种面相多工况的于多工况的分布式轮毂电机驱动系统的扭矩矢量控制方法一、分布式轮毂电机驱动系统概述分布式轮毂电机驱动系统是一种新型的电机驱动技术，它将电机直接安装在轮毂上，实现了车辆驱动力的精确控制。
这种系统具有较高的传动效率、紧凑的结构和良好的控制性能，已成为新能源汽车领域的研究热点。
然而，多工况下的驱动控制策略仍面临挑战。
二、面相多工况的扭矩矢量控制方法原理为了解决这一问题，本文提出了一种面相多工况的分布式轮毂电机驱动系统的扭矩矢量控制方法。
该方法主要基于电机输出的扭矩和电流两个维度进行控制，通过对电机扭矩和电流的实时调整，实现对车辆在不同工况下的驱动力控制。
面相多工况的扭矩矢量控制方法主要包括以下几个环节：1.基于面相控制的电机扭矩调节：根据车辆当前工况和驾驶需求，通过面相控制策略调整电机输出扭矩，实现对车辆驱动力的大范围调整。
2.基于电流调节的矢量控制：在面相控制的基础上，通过对电机电流的调节，实现对电机输出的矢量控制，进一步提高系统在不同工况下的控制性能。
3.工况识别与切换：根据车辆行驶状态和驾驶员意图，识别当前工况，并在不同工况下自动切换控制策略，实现对车辆的精确控制。
三、方法具体实现及优势1.具体实现（1）基于面相控制的电机扭矩调节：通过面相控制算法，根据车辆当前速度、加速度和驾驶员输入等信息，计算出电机的目标扭矩，实现对电机输出的实时调整。
（2）基于电流调节的矢量控制：在面相控制的基础上，采用矢量控制策略，通过对电机电流的调节，使电机输出扭矩满足车辆驱动需求，提高系统性能。
（3）工况识别与切换：通过监测车辆行驶状态和驾驶员意图，识别出不同工况，如加速、减速、爬坡等，并在相应工况下自动切换控制策略，实现对车辆的精确控制。
2.优势（1）具有良好的响应性能：面相多工况的扭矩矢量控制方法能够快速响应驾驶员输入，实现对车辆驱动力的高效调整。
（2）较高的控制性能：通过电机扭矩和电流的协同调节，实现对车辆在不同工况下的精确控制，提高系统性能。
四轮驱动电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系统转矩控制研究
四轮驱动电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系统转矩控制研究一、概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，电动汽车作为一种高效、环保的交通方式，受到了越来越多的关注和推广。
四轮驱动电动汽车，作为电动汽车领域的重要分支，以其优秀的操控性能、行驶稳定性和动力性能，成为当前研究的热点之一。
永磁同步轮毂电机作为四轮驱动电动汽车的核心部件，其转矩控制技术的优劣直接影响到车辆的动力性能和行驶稳定性。
对永磁同步轮毂电机驱动系统转矩控制的研究具有重要的理论意义和实践价值。
本文旨在深入研究四轮驱动电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系统的转矩控制策略，通过理论分析和实验验证，探索提高电机转矩控制精度和响应速度的有效方法。
文章将首先介绍四轮驱动电动汽车及永磁同步轮毂电机的基本原理和特性，然后分析现有转矩控制策略的优势和不足，最后提出一种优化的转矩控制方法，并通过仿真和实验验证其性能。
通过对四轮驱动电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系统转矩控制的研究，本文旨在为电动汽车的驱动系统设计和优化提供理论支持和实践指导，推动电动汽车技术的进一步发展。
1. 四轮驱动电动汽车的发展背景与意义四轮驱动电动汽车的发展历史可追溯至19世纪后期，随着科技的不断进步和人们对于环保出行方式的日益关注，电动汽车逐渐成为汽车领域的重要发展方向。
四轮驱动电动汽车作为其中的重要分支，因其卓越的操控性和动力性能，受到了市场的广泛关注。
在早期的电动汽车发展历程中，受限于电池技术的制约，电动汽车的性能和续航里程远远不能与当时的汽油车相媲美。
随着电池技术的突破和进步，电动汽车的续航里程得到了显著的提升，同时其性能也日益接近甚至超越汽油车。
这为四轮驱动电动汽车的发展提供了坚实的基础。
四轮驱动电动汽车的出现，不仅解决了传统汽车在复杂路况下可能出现的牵引力不足的问题，而且通过四轮同时提供动力，使得车辆的操控性更为稳定，行驶更为安全。
四轮驱动电动汽车在环保、节能方面也具有显著的优势，其低碳、零排放的特性符合国家对于绿色出行、可持续发展的战略需求。
电动汽车用轮毂电机的设计与优化
电动汽车用轮毂电机的设计与优化电动汽车用轮毂电机的设计与优化随着环境保护和新能源的重要性日益凸显，电动汽车作为一种无污染、低能耗的交通工具，成为了未来绿色出行的重要选择。
而电动汽车的核心技术之一就是轮毂电机。
轮毂电机作为电动汽车直接驱动车轮的动力设备，对电车性能和效率起着至关重要的作用。
因此，电动汽车用轮毂电机的设计与优化显得尤为重要。
电动汽车用轮毂电机的设计与优化需要考虑多个方面，其中包括电机的结构设计、磁场设计、线圈设计以及控制系统设计等。
首先，电机的结构设计是关键，需要根据车辆的使用需求和空间限制来确定电机的尺寸和形状。
通常情况下，电动汽车用轮毂电机采用无刷直流电机或永磁同步电机，这些电机具有体积小、功率密度高、效率高的特点。
其次，轮毂电机的磁场设计是关键的一环。
通过合理设计电机的磁场，可以提高电机的输出功率和效率。
在磁场设计中，建立合适的磁场分布以及选择适当的磁铁材料是关键。
此外，为了减少磁场损耗和提高电机效率，还需要考虑减小磁铁的磁阻和选择合适的电机转子材料。
线圈设计也是电动汽车用轮毂电机设计的重要方面之一。
线圈的设计涉及到电机的电磁特性、输出功率和效率等关键参数。
根据电机的功率和电磁特性要求，选择合适的线圈截面积、匝数以及线材材料，以达到最佳的电机性能。
此外，对于高功率的电动汽车用轮毂电机，采用多层绕组设计可以提高电机的输出功率和效率。
最后，控制系统的设计是电动汽车用轮毂电机设计的重要环节。
电机的控制系统要能够根据车辆的实时运行状态来调整电机的输出功率和电机转速，以满足车辆的动力需求。
同时，为了提高能源利用率和电池寿命，电机的控制系统还需要考虑能量回馈和能量回收等特点。
为了优化电动汽车用轮毂电机的设计，可以采用模拟仿真和实验验证相结合的方法。
通过使用电磁仿真软件对电机的磁场分布和电磁特性进行优化，并借助实验数据来验证仿真结果的准确性。
通过反复优化和调整，可以得到最佳的电动汽车用轮毂电机设计方案。
电动汽车用永磁同步轮毂电机的设计及分析
摘要作为清洁能源汽车，电动汽车具有高能效，低噪音和零排放，成为世界新能源汽车发展的主要方向。
而对于永磁同步电动机，其结构简单，运行效率高，功率密度高，调速性能优良，符合电动汽车用电动机的要求。
因此，它在汽车工业中受到很多关注，并已广泛应用于电动汽车领域。
本文在有限元分析的基础上，采用场路结合的设计方法进行了电动汽车用永磁同步轮毂电机的设计和运行特性分析。
分析磁路结构参数变化对电机性能的影响，开发出适用于电动汽车的高效率、高功率密度、高过载能力的驱动电机，并由此总结了适用于电动汽车驱动的永磁同步电动机的设计方法，为后续系列产品的开发奠定了基础。
本文的主要研究工作有以下几个部分：根据电动汽车发展的关键技术，结合电动汽车的特殊运行条件和动力驱动特性，分析各种电动机性能的优缺点。
本文选择内置永磁同步电动机作为研究对象，通过对其结构特点和工作原理的分析，确定设计任务目标，使设计突出电动汽车驱动电机的特性。
以有限元软件为基础，依据电机学和相关电磁场理论，本文采用场路结合设计方法，确定了电机的设计方案，进行了电机主要尺寸设计、绕组方案确定、极槽配合选择、永磁体参数计算、永磁体充磁方向分析、气隙长度的设计等工作，完成样机的初步设计方案；然后根据电机电磁设计方案，建立有限元求解模型，对电机进行有限元分析计算，主要是对电机的空载、负载及过载工况进行仿真，并在此基础上研究电机的磁场分布、气隙磁密、空载反电动势、齿槽转矩、转矩转速以及永磁体涡流损耗等；研究相关结构的参数变化对电机的影响；从转子结构方面分析电机的弱磁扩速性能；为保证所设计的电机结构在运行时能够满足实际工况的机械强度需求，还对电机进行机械结构仿真，确保电机的各部分的应力能够满足所用材料的屈服强度的要求，保证电机的稳定运行。
最后依据设计结果制作了额定功率8.5kW、额定转速650r/min的样机，对样机的性能进行试验测试，测试结果表明样机具有较大的过载倍数和高效运行区域，达到预期设计目标。
四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制
收稿日期:2006-12-07作者简介:余卓平(1961)),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为电动汽车系统动力学及控制.E -mail:yuz huopi ng@fcv -s 四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制余卓平,姜 炜,张立军(同济大学汽车学院,上海201804)摘要:根据四轮轮毂电机驱动电动汽车驱动/制动力矩独立可控的特点,采用层次化结构的控制分配方法,优化分配驱/制动扭矩来提高车辆的操纵稳定性.控制器由运动控制器和控制分配器组成,其中运动控制器根据车辆状态产生所需总横摆力矩,控制分配器优化分配各轮上的驱/制动扭矩,同时考虑了各种执行器的约束条件.仿真结果表明:采用层次化结构的控制分配方法充分利用了垂直载荷较大的轮胎摩擦圆,降低了总的轮胎利用率,提高车辆的操纵稳定性.与平均分配的方法相比,稳定性控制效果更佳.关键词:电动汽车;四轮驱动;轮毂电机;直接横摆力矩控制;控制分配中图分类号:U 461.6 文献标识码:A文章编号:0253-374X(2008)08-1115-05Torque Distribution Control for Four WheelIn -Whee-l Motor Electric VehicleY U Zhuop ing,JIAN G Wei,ZHAN G Lij un(School of Automotive Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract :For the drive/brake torque can be controlled independently in a four in -w hee -l motor drive electric vehicle,an investig ation is made of a hierarchical control allocation approach to improve vehiclehandling and stability by optimizing distribution of the drive/brake torque.T he controller is composed of motion controller and allocation controller.The motion controller is designed to determine the gener -alized moment required to achieve vehicle motion.T he allocation controller is designed to distribute properly the torque on each w heel limited by several constraints.Tw o simulation results show that w ith the hierarchical control allocation controller,the tire w ith the bigg est vertical load can be taken full ad -vantage of and the stability performance is better com pared w ith average distribution.Key words :electric vehicle;four w heel drive;in -w hee-l motor;direct y aw moment control;controlallocation节能、环保和安全成为现代汽车发展的主题.为了提高汽车的主动安全性,人们开发了各种各样的底盘控制系统,如四轮转向系统(4WS)、主动前轮转向(AFS)、直接横摆力矩控制(DYC)等.4WS 是最早的底盘控制系统,它根据车辆的横摆角速度与参考值之间的误差调节后轮的转角,改变后轮上的侧向力,提高车辆的操纵稳定性[1].AFS 是在驾驶员转向盘转角的基础上增加一定的附加转角,改变前轮上的侧向力,提高车辆的操纵稳定性[2].在侧向加速度较小时,侧向力与车轮侧偏角成正比,4WS第36卷第8期2008年8月同济大学学报(自然科学版)JOU RNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NAT URAL SCIENCE)Vol.36No.8 Aug.2008和AFS均有较好的控制效果.而当侧向加速度较大时,侧向力趋于饱和,4WS和AFS将丧失控制能力. DYC是一种利用车轮左右侧的纵向力的差异产生横摆力矩,改善车辆操纵稳定性的方法,DYC已经被证明在接近附着极限时依然有较好的控制效果[3].然而,传统的DYC是通过限滑差速器实现的[4],结构较为复杂.同时,为了解决能源和环境问题,开发新一代的电动汽车成为汽车研发的热点[5-7],基于轮毂电机的四轮驱动(4WD)的电动汽车取消了传统的动力传动系统,节省了安装空间,提高了系统效率.从车辆动力学控制角度来看,基于轮毂电机的四轮驱动的电动汽车比传统的内燃机车有两个很大的优势[5]:一是电机扭矩的响应时间很短,扭矩的大小很精确,电机扭矩的响应时间大约是几毫秒,是传统内燃机或者是液压系统的10~100倍;二是各个电机扭矩独立可控,且易于测量.利用这两个优点,就可以通过独立控制各个电机的扭矩产生纵向力的方法来改变作用在汽车上的横摆力矩,提高汽车的操纵稳定性.以前的DYC控制比较注重对横摆力矩的计算,即根据实际横摆角速度和侧偏角与参考值的误差计算控制所需的横摆力矩,而对横摆力矩的分配研究较少.文献[7]中DYC的分配采用简单的分配方法,即一侧增加驱动/制动扭矩$T,另一侧减小$T.这种方法既没有考虑车轮当前的工作状况,也没有考虑执行器的约束.文献[8]中以轮胎的利用率最小作为优化目标,考虑了轮胎的工作点,但没有考虑执行器的约束.DYC的分配实质上是一个有约束的最优化问题,即要求控制所需的横摆力矩合理地分配到各个车轮的纵向力,同时又要考虑执行器的约束和各轮当前的工作状态.这类问题通常被称为控制分配(control allocation),在航空器控制中已得到了广泛的应用[9].控制分配的结果依赖于车辆的参考状态、实际状态以及执行器的约束条件.这种方法能在各种工况下求解最优分配结果,同时满足约束条件.本文中通过控制分配方法实现DYC控制,优化分配各轮上的扭矩,使轮胎的利用率最低,提高整车的稳定裕度.1车辆模型为了进行汽车操纵稳定性的分析,本文建立了7自由度车辆模型,包括车辆纵向、横向和绕z轴的横摆运动和4个车轮的转动自由度,如图1所示.图1车辆模型Fig.1Vehicle model纵向运动m(V#x-V y C)=F x f l+F x fr+F x r l+F x rr(1)横向运动m(V#y+V x C)=F y f l+F y fr+F y rl+F y rr(2)横摆运动J zÛC=(F y f l+F y fr)l f-(F y rl+F y rr)l r+0.5d(F x f l-F x fr+F x rl-F x rr)(3)式中:m为车辆质量;J z为车辆绕z轴的转动惯量; V x为车辆纵向速度;V y为车辆横向速度;C为车辆横摆角速度;F x f l,F x fr,F x rl,F x rr,F y f l,F y fr,F y rl, F y rr分别为车辆在4个车轮处所受的纵向力和横向力;l f,l r分别为质心到前轴和后轴的距离;d为轮距. 2整车动力学控制器设计2.1整车控制结构控制结构如图2所示.其中,参考模型根据驾驶员输入,即方向盘转角、油门踏板和制动踏板计算车辆的参考状态;运动控制器根据实际状态和参考状态之间的误差调整作用在车辆上的横摆力矩;控制分配模块将运动控制模块计算出的横摆力矩合理地分配给4个执行器,同时考虑轮胎工作点和执行器的约束条件.2.2参考模型参考文献[7],线性车辆模型可表示为X#=AX+E D f+B u(4)式中:X=[B C]T,为车辆状态;u=M,为横摆力1116同济大学学报(自然科学版)第36卷矩;D f 为前轮转角;A =-2(C f +C r )m u-1-2(C f l f -C r l r )mu 2-2(C f l f -C r l r )J z -2(C f l 2f +C r l 2r )J z u ;E =2C f mu 2C f l f J z; B =1J z采用的参考模型为ÛX d =A d X d +E d D f(5)式中:A d =-1S rd, E d =0k rdS rd,k rd =2C f umu 2+2(C f l f -C r l r ), S rd =J z u2(C f l 2f +C r l 2r )图2 整车控制结构Fig.2 Vehicle control strucutre2.3 运动控制器运动控制器的设计方法很多,文献[10]中采用比例积分控制,文献[8]中采用滑模变结构控制.文献[6]中采用模糊控制.本文中采用文献[7]的前馈和优化反馈控制的方法.前馈系数为G f f =E 1A 22-E 2A 12B 2A 12(6)前馈力矩为M ff =G ff D f(7)实际状态与参考状态之间的误差为矩阵e =X -X d .反馈系数G fb 根据目标函数J =Q ](eQeT+uRu T)d t(8)求解得到.其中Q ,R 为权重矩阵.反馈力矩为M fb =-G fb e(9) 总横摆力矩为M =M ff +M fb(10)2.4 控制分配器控制分配模块的作用是将运动控制模块计算出的横摆力矩通过控制分配方法优化分配给4个执行器,同时考虑轮胎工作点和执行器的约束条件,使轮胎的利用率最低.文献[10]中详细地解释了车辆的各种约束条件,如图3所示.垂直载荷、路面附着系数和轮胎特性决定了摩擦圆约束,车轮转角决定了执行器的横向约束,最大驱动/制动力矩决定了执行器的纵向约束,以及轮胎力在车轮坐标系和车辆坐标系间的转换,共同构成了总的约束条件.图3 车辆的约束条件Fig.3 C onstraints of vehicle横摆力矩优化分配问题描述如下: 优化目标m in J =E 4i =1C if 2xi +f 2y i (L i Z i )2(11)其中i 表示fl,fr,rl,rr 四个车轮. 约束条件-F b max r [f x i [F d max r(12a )f 2x i +f 2y i(L i Z i )2-1[0(12b )E 4i=1F x i -X =0(12c )(F x fl -F x fr +F x rl -F x rr )d/2+(F y fl +F y rl )l f -(F y fr +F y rr )l r -M =0(12d )F x i =[cos D i -sin D i ][f x i f yi ]T(12e )式中:f x i ,f y i 分别指4个车轮在车轮坐标系中的纵向和侧向分力;X 和M 分别指车辆的纵向合力和横摆力矩;L i 为路面附着系数;C i 为权值函数;Z i 为垂直负载;F b m a x 为最大制动力;F d max 为最大驱动力;r 为车轮半径.将以上问题表示成一般化问题如下:优化目标m in J (13)约束条件u m i n [u [u max(14a )1117 第8期余卓平,等:四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制c(u )[0(14b )d (u )=0(14c )式中,J 为目标函数.约束条件中式(14a)为上下限约束;式(14b)为不等式约束,式(14c)为等式约束.以上问题可以通过非线性优化方法求解.这种方法的通用性和适应性较强,可以通过修改优化目标达到不同的控制效果,也可以通过修改约束条件适应不同的控制配置,如AFS,4WS,4WD,或者是它们的组合,即集成控制.3 仿真与分析为了验证上述控制方法的有效性,进行了移线仿真和J 型转弯(J-turn)仿真,仿真数据如表1.表1 车辆参数Tab.1 Vehicle Parameters参 数数值质量/kg1650转动惯量/(kg #m 2)2500质心到前轴距离/m 1.1质心到后轴距离/m 1.4质心高度/m 0.5轮距/m1.5车轮转动惯量/(kg #m 2)0.6车轮半径/m0.33.1 移线仿真车辆以26m #s -1的车速行驶1s 后,前轮转角为3b 正弦输入,周期为2s,仿真车辆的换道工况.不进行控制的车辆仿真结果如图4所示.图4 不进行控制的车辆仿真结果Fig.4 Lane change simulation results ofvehicle without control由图4可知,车辆在前轮转角的前半周期,横摆角速度和车辆侧偏角都很大,在后半周期车辆的横摆角速度严重滞后于转角,车辆状态响应无法跟随驾驶员输入,车辆实际路径严重偏离理想路径.对于同样的工况,施加了DYC 控制的仿真如图5所示.可以看出,在车辆进行换道时,由于施加了与横摆角速度方向相反的横摆力矩,抑制了横摆角速度过大,车辆的侧偏角也较小.扭矩分配的结果是在车辆的外侧车轮施加了较大的制动力,而在内侧车轮施加了较大的驱动力.车辆实际运行的路径与期望路径保持一致,这表明DYC 控制提高了车辆的操纵稳定性.图5 施加D YC 控制的车辆仿真结果Fig.5 Lane change simulation results ofvehicle with DYC control3.2 J-turn 仿真文献[7]中对横摆力矩的分配都是采用平均分配,即内外侧的扭矩大小相等,方向相反.这种分配方式在远离附着极限的工况下也能达到较好的控制效果,但在接近附着极限时控制效果不佳.而通过控制分配,优化轮胎力的利用率则能达到较满意的控制效果.为了验证控制分配方法,进行以下仿真:车辆以35m #s -1的初速度直线行驶1s 后,方向盘角阶跃输入3b .平均分配控制的车辆仿真结果如图6所示,其中左前轮和左后轮扭矩曲线重合,右前轮和右后轮扭矩曲线重合.由图6可知,车辆的实际横摆角速度远大于理想的横摆角速度,侧偏角也有较大误差.载荷较小的左前轮和左后轮的轮胎利用率较大,而载荷较大的右前轮和右后轮的能力没有充分利用.通过控制分配优化方法的仿真结果如图7所1118同济大学学报(自然科学版)第36卷示,车辆的实际状态与理想状态间的误差较小,轮胎的总利用率从原来的2.1降到1.7,其中减小了载荷较小的左后轮上的驱动扭矩,从而大幅降低了左后轮的轮胎利用率,同时增大了载荷较大的右前轮上的制动力矩,充分利用了其能力.采用控制分配方法控制的车辆路径更接近理想路径.图6 扭矩平均分配DYC 控制的车辆仿真结果Fig.6 J -turn simulation results of vehicle withaverag e torque distributioncontrol图7 扭矩优化分配DYC 控制的车辆仿真结果Fig.7 J -turn simulation results of vehicle withoptimal torque distribution control4 结语本文利用四轮驱动电动汽车的扭矩独立可控的特点实现DYC 控制,针对普通DYC 控制中扭矩分配控制的不足,采用控制分配的方法,优化各轮上的驱/制动扭矩的分配,降低轮胎的利用率,提高了整车的安全裕度.不过控制分配方法本质是有约束的优化问题,其求解时间较长,目前还不成为一种实时性的控制算法.将来的工作将是寻找一种既能实时运算,计算结果又能比较接近优化分配的方法.参考文献:[1] Sato H,Kaw ai H,Isi kawa M ,et al.Development of four w heelsteering system using yaw rate feedback control[R].Nashville:SAE,1991.[2] 余卓平,赵治国,陈慧.主动前轮转向对车辆操纵稳定性能的影响[J].中国机械工程,2005,16(7):652.YU Zhuoping,ZHAO Zhiguo,CHE N Hui.Influences of activefront w heel steering on vehicle 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第ｌ ９卷 第 １ 期
２１ ０ ０年 ３月
计 算 机 辅 助 工 程
Ｃｏ ｕ ｅ ｄｅ ｇ ｎ ｅ ｎ ｍｐ ｔ ｒＡｉ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｉ
Ｖ １ １ ． ｏ ． ９ Ｎｏ １
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文 章编 号 ：０６—０ ７ ห้องสมุดไป่ตู้ ０ ０ ０ —０ ７０ １０ ８ １ ２ １ ） １０ ２ －５
ａ ｏ ｔｍ， Ｓ 进 行数值 仿 真 ， 这 ３种 算 法从计 算速度 、 ｌ ｒｈ ＷＬ ） ｇｉ 对 迭代 次数 和计 算精 度等 方 面进 行 对 比分 析 与评 价 ， 结果表 明 ｗＬ ｓ综合性 能 最优 ． 关键词 ： 毂 电机 驱动 电动 汽车 ；电机 扭矩 分配 ； 轮 再分 配伪逆 算 法 ； 叠广 义逆 法 ； 权最 小二 乘 层 加
ｃ ｌｕ ａ ｉｎ ａ ｃ ｒｃ ｆ ｈ ｈ ｅ ｇ ｒ ｈ ｒ ｏ ａ ｅ ｎ ｖ ｕ ｔ ｄ ｈ ｅ ｕｔｓ ｏ ｈ ｔ Ｌ ａ ａｃ ｌ ｔ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｅ ｔｒ ｅ ａ ｏ ｔ ｍｓａ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ａ ｄ ｅ ａ ａｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗｓｔ ａ Ｓ ｈ ｓ ｏ ｔ ｌ ｉ ｌ Ｗ
轮 毂 电机 驱 动 电动 汽 车 各 轮 毂 电机 扭 矩 分 配算 法 的仿 真 和评 价
熊 璐 ， 余 卓平
（ 同济大学 汽车学院， 上海 ２ １０ ） ０ ８ ４
摘
要 ：为精确 控制轮 毂 电机 驱动 电动汽 车各轮 毂 电机 的扭矩 ， 获得 更好 的 车辆 动 力 学控 制 性 能 ，
（ ｏ ｅｅｏ ｕ ｍ ｔ ｅＥ ｇ ， ｏ ￣ ｎｖ ， ｈｎ ｈｉ ０ ８４ ｈｎ ） Ｃｌ ｇ ｆ ｔ ｏ ｖ ｎ ． Ｔ ｎ ｉ ｉ． Ｓ ａｇａ ２ １０ ，Ｃ ｉａ ｌ Ａ ｏ ｉ Ｕ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｔ ｃ ｎｒ ｌ ｈｅ ｏ ｑ ｅ ｆ ｌ ｎ ｗｈ ｅ ｍｏｏ ｆｒ ｎ ｗｈ ｅ ｍｏｏ ｄ ｉ ｅ ｌｃｒｃ ｅ ｉｌ ｔａ ｔ ｏ ｏ ｔｏ ｔ ｔｒ ｕ ｏ ａｌ － ｅ ｌ ｉ ｔｒ ｏ ｉ — ｅ ｌ ｓ ｔ ｒ ｒｖ ｅｅ ｔ ｖ ｈ ｃｅ ｉ ａ ｃ ｒ ｔｌ ｃ ｕ ａｅｙ，ａ ｄ ｔ ｃ ｅ ｅ ｔ ｅ ｂ ｔｅ ｏ ￣ｏ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｆａ ｔ ｍｏ ｉｅ ｄ ｎ ｍｉｓ，ｎ ｍｅ ｃ ｌｓｍｕ ａｉｎ ｎ ｏ ａ ｈｉｖ ｈ ｅｔ ｒｃ ｎ ｌｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｕ ｏ ｔ ｙ ａ ｃ ｆ ｖ ｕ ｒ ａ ｉ ｌｔｏ ｉ
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法
中图分 类号 ： ４ １６ ４ ９ ７ Ｕ ６ ． ；Ｕ ６ ． ２
文献 标志码 ： Ａ
Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｅ ａ ｕａ ｉ ｎ ０ ｏ ｑ ｅ ｄ ｓｒｂｕ ｉ ｎ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｆ ｉ ｌ ｔｏ ｎ ｖ ｌ ｔｏ ｎ ｔ ｒ ｕ ｉｔ ｉ ｔｏ ｌ ｏ ｉｈ ０
０ 引 言
电动汽 车 由于节能 环保 而成 为新 能源汽 车研究
电机独立 可控 ， 因此会 产 生 各 个 电机扭 矩 的 分 配 问 题．。 ［］
传 统 内燃机 汽 车 以制动 器 为执 行 元件 ， 利用 制 动力进 行 车辆稳 定 性控 制 已经 比较 成 熟 ． 轮 毂 电
ａｅｐｒ ｒ ｅ ｎＲ ｄｓ ｉｕｅ ｓｕ ｏＩｖｒ ｇｒ ｈ Ｒ Ｉ ， ａｃｄｎ ｎ ｒ ｉ ｄＩｖ ｒ ｇｒｈ ｒ ｅ ｏｍ ｄｏ ｅ ｉｒ ｔ Ｐｅ ｄ — ｅ ｅａ ｏ ｔｍ（ Ｐ ） Ｃ ａ ｉｇＧ ｅａ ｚ ｅ ｅａ ｏｉ ｍ ｆ ｔｂ ｄ ｎ ｓ ｌ ｉ ｓ ｅ ｌ ｅ ｎ ｓ ｌ ｔ （ Ｇ ）ａ ｄ Ｗｅ ｈｅ ａｔ ｑ ａ ｓａ ｏ ｔｍ（ ｓ ，ａｄ ｔｅ ｃ ｃｌｔ ｎ ｓｅｄ ｔ ａ ｏ ｉ ｅ ｎ Ｃ Ｉ ｎ ｉ ｔ Ｌ ｓ Ｓ ｕ ｒ ｇｒｈ ｗＬ ） ｎ ｈ ａ ｕａ ｏ ｐｅ ，ｉ ｒｔ ｎ ｔ ｓａ ｄ ｇ ｄｅ — ｅ ｌ ｉ ｌ ｉ ｅ ｉ ｍ