發(fā)布時間：2018-03-08 17:44

  本文選題：四輪驅(qū)動電動汽車　切入點：轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配　出處：《吉林大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：純電機驅(qū)動的新能源汽車作為未來社會發(fā)展的重要交通工具之一,得到社會普遍的重視。四輪驅(qū)動電動汽車作為一種新型的電動汽車,直接在四個車輪上安裝輪轂電機,動力輸出更加平穩(wěn)和高效,具有結(jié)構緊湊、傳動高效、易于控制等特點,獨立驅(qū)動和制動為整車的安全與節(jié)能提供了更多的管理空間,集安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保于一身,可以實現(xiàn)傳統(tǒng)驅(qū)動方式下無法實現(xiàn)的汽車動力和操縱性能,被認為是未來低碳社會智慧城市的主要交通工具之一。然而,其控制技術發(fā)展和應用推廣方面仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。由于安裝有四輪獨立驅(qū)動、制動和主動轉(zhuǎn)向等多執(zhí)行機構,四輪驅(qū)動電動汽車具有冗余的控制自由度,是一個復雜的過驅(qū)動控制系統(tǒng),同時多自由度分布式執(zhí)行器的交互作用,形成了一個受垂向影響的側(cè)向-縱向復雜耦合的汽車非線性動力學系統(tǒng),這給控制系統(tǒng)的設計、優(yōu)化與實現(xiàn)提高了難度,并且四輪驅(qū)動電動汽車中影響能量消耗的因素復雜,給整車的能耗優(yōu)化和能量管理帶來了挑戰(zhàn)。因此,如何設計分布式底盤系統(tǒng)多執(zhí)行器協(xié)調(diào)控制策略滿足電動汽車安全性和經(jīng)濟性需求,成為研究的核心內(nèi)容。本論文的主要內(nèi)容是對四輪驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法進行研究。旨在解決分布式線控電動底盤過驅(qū)動系統(tǒng)中驅(qū)動、轉(zhuǎn)向等多個執(zhí)行器間的動作耦合及制約問題,實現(xiàn)四輪驅(qū)動電動汽車“安全-動力-節(jié)能”的多目標需求。結(jié)合預測控制顯示處理帶約束多變量多目標優(yōu)化問題的特點,提出基于預測控制理論的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法,利用商用仿真軟件AMESim建立模擬真車運動特性的電動汽車仿真模型,通過多樣不同工況下的仿真研究,驗證本論文所提出的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效性,并通過硬件在環(huán)實時試驗對優(yōu)化控制方法的實時實現(xiàn)進行了初步探索。為解決極限工況下電動汽車易發(fā)生甩尾失控的安全性問題,提出一種利用冗余電機執(zhí)行器的分布式電驅(qū)動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法。首先,采用機理建模方法,建立包含輪胎非線性特性的整車動力學模型,描述車輛轉(zhuǎn)向運動特性。然后,針對整車和執(zhí)行器間的動力學耦合特性,采用結(jié)合整車橫擺穩(wěn)定和電機轉(zhuǎn)矩分配的一體化控制策略,將車輛狀態(tài)跟蹤和滑移率約束懲罰設計為目標函數(shù),提出基于預測控制的集中式系統(tǒng)整體優(yōu)化方法。接著為解決車輛穩(wěn)定狀態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角不可測問題,提出利用非線性輪胎力特性的擴展卡爾曼狀態(tài)估計方法。為便于車輛控制系統(tǒng)的快速實現(xiàn),進一步設計分層式橫擺穩(wěn)定控制策略,上層針對輪胎側(cè)向非線性特性提出橫擺穩(wěn)定三步控制方法,下層針對輪胎縱向滑移動態(tài)特性和執(zhí)行器約束提出轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制分配方法,以降低優(yōu)化維數(shù)。最后,離線仿真和實時試驗驗證所提出的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)多執(zhí)行器的協(xié)同工作,提高車輛穩(wěn)定性并具有實時性能。在保證車輛安全的基礎上,為提升電動汽車的行駛經(jīng)濟性,提出一種面向能量管理的電動汽車轉(zhuǎn)矩能效優(yōu)化控制方法。首先,采用數(shù)據(jù)機理混合建模方法,建立包括電機能效和輪胎滑移損耗特性的電動汽車能耗動力學模型。然后,針對存在的動力需求和執(zhí)行器驅(qū)動飽和約束,以驅(qū)動能效最優(yōu)為目標,利用分布式電機能效和滑移的差異,提出基于預測控制的轉(zhuǎn)矩能效優(yōu)化控制方法,進行電動汽車能量管理。接著,為解決車輛實時系統(tǒng)中多約束多變量滾動優(yōu)化算法的快速實現(xiàn)問題,提出以線性方程組為轉(zhuǎn)化過渡方式的解析結(jié)構和數(shù)值優(yōu)化結(jié)合的求解方法,通過減少迭代優(yōu)化計算次數(shù),提高在線優(yōu)化效率。針對輪胎滑移率不可測問題,將可測電機轉(zhuǎn)矩作為校正項,提出一種單體輪胎滑移率非線性觀測器方法。最后,通過離線仿真和臺架實時試驗驗證所提出的控制方法能夠降低驅(qū)動能耗,提高電動汽車的經(jīng)濟性。在底層執(zhí)行控制中,為控制車用底層驅(qū)動單元PMSM電機實現(xiàn)車輛控制系統(tǒng)的頻繁變化動力需求和行駛經(jīng)濟需求,提出一種以逆變器開關為核心的基于有限集預測控制的電機轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制方法。首先,分析具有離散開關輸入和連續(xù)狀態(tài)的PMSM和逆變器被控系統(tǒng)特性,建立描述其動態(tài)特性的混合系統(tǒng)模型。然后,針對存在的定子電流安全性約束和開關輸入有限選擇約束,將逆變器開關作為優(yōu)化變量,設計以跟蹤期望電流變化和降低驅(qū)動能耗為目標的優(yōu)化代價函數(shù),控制電機輸出準確快速的轉(zhuǎn)矩響應,并提升電機工作區(qū)域效率。為進一步解決長時域帶約束的混合整數(shù)規(guī)劃問題的快速求解問題,提出結(jié)合動態(tài)規(guī)劃和基于李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)與電流約束的剪枝函數(shù)的求解方法,降低尋優(yōu)負擔以提高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制的計算效率。最后,通過仿真驗證了所提電機控制方法的有效性,為整車控制系統(tǒng)的進一步研究工作奠定了基礎。論文對提出的電動汽車轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方案進行了明確論證,并給出了詳盡的控制方法推導過程。為了驗證控制器的有效性,在所搭建的電動汽車AMESim仿真模型和d SPACE硬件在環(huán)實時試驗平臺上分別進行了算法的仿真和實時試驗驗證,并給出了相關結(jié)果分析。結(jié)果表明,文中所提出的四輪驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法取得了令人滿意的整體效果。本文未來還需進一步完善的研究工作有:研究具有良好抗垂向擾動魯棒性能的車輛轉(zhuǎn)矩控制方法;研究考慮實時道路和交通信息的能量優(yōu)化策略和制動能量回收策略;進一步研究在線快速求解的滾動優(yōu)化協(xié)調(diào)控制算法以滿足車輛系統(tǒng)實時快速控制的需要;目前僅進行了硬件實時實驗,故根據(jù)模擬器或?qū)嵻噷嶒炦M行的控制方法驗證還需進一步探討。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U469.72

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本文編號：1584906