線控電動輪車輛驅(qū)動轉(zhuǎn)向技術(shù)研究

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1、北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要電動輪技術(shù)是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，取消了傳統(tǒng)汽車復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，因此車輛的機械部分得到了大大簡化。電動輪驅(qū)動汽車是未來汽車?yán)硐氲耐ㄓ抿?qū)動平臺，具有很好的應(yīng)用前景及技術(shù)發(fā)展?jié)摿?。鑒于此，本文提出一種基于電動輪驅(qū)動的全新的線控?zé)o梯形轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)，可以精確控制各車輪的轉(zhuǎn)向角度，保證各車輪在轉(zhuǎn)向時繞同一瞬心滾動。在此基礎(chǔ)上對電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的機理、實現(xiàn)方式、控制策略和對操縱穩(wěn)定性的影響展開研究，并通過虛擬試驗、小型樣車試驗對電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的可行性、優(yōu)越性進行檢驗。論文首先介紹了汽車轉(zhuǎn)向的研究歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及國內(nèi)外對汽車助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主要研

2、究情況，在此基礎(chǔ)上提出所要進行研究的意義和內(nèi)容。通過建立電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的力學(xué)模型，分析了電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的可行性，在此基礎(chǔ)上，建立汽車整車力學(xué)模型，通過汽車整車力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)：由于驅(qū)動汽車轉(zhuǎn)向的內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)向電動輪驅(qū)動力矩不同，因此導(dǎo)致汽車形成主動轉(zhuǎn)向橫擺力矩，減輕了汽車的不足轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有較快的轉(zhuǎn)向響應(yīng)。同時因為電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的動力受地面附著力的制約，因此為充分利用地面附著力，提出了基于車輪附著系數(shù)變化率的附著力優(yōu)化控制策略。通過對汽車多模式轉(zhuǎn)向需要的分析，證實只有無梯形轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才能滿足汽車轉(zhuǎn)向靈活性的要求，在此基礎(chǔ)上，提出了無梯形轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立了車輪驅(qū)動力矩-轉(zhuǎn)向約束機構(gòu)協(xié)調(diào)控

3、制的數(shù)學(xué)模型。同時建立了能計算地面和車輪之間縱向力的電動輪模型和永磁無刷直流電機模型，為后面建立虛擬試驗分析模型奠定基礎(chǔ)。依據(jù)確定的轉(zhuǎn)向控制模式和機構(gòu)參數(shù)，選擇基于魔術(shù)公式的Pacejka’89輪胎模型，并設(shè)計了三種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用仿真軟件ADAMS，建立了載貨汽車的23自由度的電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的多體動力學(xué)模型，利用Simulink建立了控制策略模型，主要包括參數(shù)傳遞ADAMS_S子系統(tǒng)、空氣阻力子系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向控制子系統(tǒng)、初始條件設(shè)定子系統(tǒng)和驅(qū)動力控制子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上搭建了聯(lián)合仿真虛擬試驗平臺，為汽車的電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向試驗分析奠定了基礎(chǔ)。為了進一步驗證電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的可行性，在對實際

4、汽車進行適當(dāng)簡化的基礎(chǔ)上，按比例設(shè)計制作了電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向小型樣車實物模型，在此基礎(chǔ)上通過安裝電路控制系統(tǒng)、測試傳感器，編制單片機程序，建立了RTX51Tiny多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，I北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)速、電子油門、轉(zhuǎn)向角度的測試，并使電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)向約束機構(gòu)相配合實現(xiàn)下位機的轉(zhuǎn)向控制。上位機則利用LabVIEW軟件編制程序，實現(xiàn)串口通訊，完成內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度的計算、轉(zhuǎn)向控制指令的發(fā)送、以及汽車運行參數(shù)的實時顯示。上位機和下位機之間通過藍(lán)牙實現(xiàn)無線通訊，完成試驗小車測控。該小車系統(tǒng)為后面的基于電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的線控低速行駛轉(zhuǎn)向試驗分析提供了測試平臺。為了驗證電動輪驅(qū)

5、動轉(zhuǎn)向的性能，分別建立了普通電動助力轉(zhuǎn)向、電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向、電動輪驅(qū)動+轉(zhuǎn)向約束機構(gòu)驅(qū)動三種轉(zhuǎn)向模式，利用前面建立的ADAMS-Simulink聯(lián)合仿真虛擬試驗平臺，進行了低附著系數(shù)路面角階躍輸入響應(yīng)試驗、高附著系數(shù)路面角階躍輸入響應(yīng)試驗、正弦輸入響應(yīng)試驗等對比試驗分析，通過對汽車轉(zhuǎn)向角度、橫擺角速度、側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角、質(zhì)心運動軌跡、行駛車速、車輪滑轉(zhuǎn)率和滑移率、轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩和車輪驅(qū)動力矩等的分析，證實采用電動輪驅(qū)動+轉(zhuǎn)向約束機構(gòu)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向模式優(yōu)于其他兩種轉(zhuǎn)向模式，使汽車具有較快的轉(zhuǎn)向響應(yīng)，但另一方面過快的轉(zhuǎn)向響應(yīng)，導(dǎo)致橫擺角速度的穩(wěn)定時間和峰值變大，在低附著系數(shù)路面上角階躍試

6、驗時，模式3的穩(wěn)定時間比模式1少12.77%，而模式2卻比模式1長8.51%；模式3的橫擺角速度峰值比模式1大24.46%，模式2比模式1大18.23%；在高附著系數(shù)路面上角階躍試驗時，模式3和模式2的穩(wěn)定時間都比模式1長30.95%，模式3的橫擺角速度峰值比模式1大19.21%，模式2比模式1大26.56%；在正弦響應(yīng)試驗時，模式3的橫擺角速度峰值比模式1分別大22.00%、20.34%，模式2比模式1分別大42.64%、60.02%，不利于汽車的操縱穩(wěn)定性，因此需加以控制。利用小型樣車試驗平臺進行了汽車靜止時轉(zhuǎn)向角階躍、定圓周轉(zhuǎn)向、1km/h行駛轉(zhuǎn)向角階躍、1km/h行駛雙移線

7、、直線行駛等試驗分析，檢驗了電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的可行性。通過車輪轉(zhuǎn)向角度變化曲線，可以看出兩前輪的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角基本吻合，但局部有很小幅度的毛刺突變，表明所設(shè)計的電動輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)完全可以達(dá)到轉(zhuǎn)向控制的要求，但系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性還有待提高，特別是對轉(zhuǎn)向約束機構(gòu)的穩(wěn)定性控制需要進一步加強。最后針對電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可單獨控制每個車輪驅(qū)動力矩這一特點，提出與整車橫擺角速度控制、地面附著力最佳控制相結(jié)合的電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向與整車力學(xué)集成協(xié)調(diào)的控制策略，并利用虛擬聯(lián)合仿真平臺