8×8轮毂电机驱动车辆操纵稳定性分析与控制研究

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“全电战斗车辆”是当今军用车辆发展的重要形式,轮毂电机驱动技术是其中的重要发展方向。军用轮式车辆的行驶工况复杂多变,操纵稳定性对提高车辆在极限工况下的行驶安全至关重要。轮毂电机驱动系统给车辆带来技术革新、发掘性能潜力的同时,一方面改变了车辆结构参数,导致车辆动力学特性发生了变化,另一方面给动力学控制带来了更多的自由度,需要有针对性地展开系统而深入的分析和研究。本文以“十二五”某国防预研项目为背景,以8?8轮毂电机驱动车辆为研究对象,基于车辆动力学和现代控制理论,分析了轮毂电机驱动系统对车辆操纵稳定性的影响,研究了车辆操纵稳定性控制方法,建立了控制策略,并通过离线仿真和实时仿真进行了验证,为轮毂电机驱动军用车辆的研制提供了理论基础。从车辆动力学出发,建立了8?8轮毂电机驱动车辆非线性23自由度模型,包括车身6个运动自由度、1个转向自由度、8个车轮的旋转和垂向运动自由度,该模型考虑了静不定悬架系统的动态特性;建立了驾驶员侧向操纵模型,整个“驾驶员—车辆”系统模型较全面地反映了车辆各方向的动力学特性和驾驶员操纵特性;基于原型车辆的参数和试验数据,验证了模型的正确性和有效性,为后续操纵稳定性控制策略的研究奠定了良好的基础。为了研究轮毂电机驱动系统对车辆操纵稳定性的影响,基于线性模型,推导了在转向角输入和转向力输入的情况下,车辆状态响应的解析表达式,对车辆操纵稳定性进行了理论分析,包括:基于线性2自由度模型,分析了转向角输入下的车辆操纵稳定性;将转向角视为状态变量,基于线性3自由度模型,分析了转向力输入下的车辆操纵稳定性;基于“预瞄最优侧向加速度”驾驶员模型,分析了“驾驶员—车辆”闭环系统的路径跟随性能。分析结果表明,轮毂电机驱动系统降低了车辆高速工况下的操纵稳定性和路径跟随性能。针对操纵稳定性控制中车辆运动控制和电动轮转矩分配这两个关键问题,基于直接横摆力矩控制方法,设计了分层结构的控制策略,其中,上层控制器重点解决车辆运动控制的不确定性、非线性等问题,下层控制器重点解决约束条件下的电动轮转矩分配问题。基于滑模控制方法设计了上层控制器,求解车辆运动控制所需的目标控制力(矩),并将该目标控制力(矩)视为轮胎纵向力在车辆坐标系上的合力(矩),实现了对纵向速度、质心侧偏角和横摆角速度等运动状态的联合控制,有效提高了车辆在极限工况下对参考运动状态的跟踪效果,提高了操纵稳定性,具有良好的鲁棒性。基于最优控制分配方法设计了下层控制器,将上层目标控制力(矩)在电动轮转矩上的分配问题归纳为约束条件下的优化问题,确定了该优化问题的约束条件和目标函数,建立了加权系数可调的电动轮转矩最优控制分配方程,其中的加权系数根据质心侧偏角和电机失效情况进行调整;采用积极集算法求解该控制分配方程,获得了电动轮转矩的最优分配,求得了轮毂电机和制动器的输出转矩,在改善车辆操纵稳定性的同时提高了稳定裕度,而且在个别电机失效的情况下,仍然有控制系统重构功能,保证车辆操纵稳定性。最后搭建了实时仿真试验平台,通过驾驶员的实时输入信号,验证了所研究的操纵稳定性控制策略在不同工况下的实时控制效果,试验结果表明,所研究的控制策略能够根据驾驶员的输入,对车辆进行实时控制,有效提高了车辆在极限工况下的操纵稳定性。
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