線控電動(dòng)輪車輛驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪技術(shù)是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，取消了傳統(tǒng)汽車復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，因此車輛的機(jī)械部分得到了大大簡(jiǎn)化。電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車是未來汽車?yán)硐氲耐ㄓ抿?qū)動(dòng)平臺(tái)，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(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的全新的線控?zé)o梯形轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)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(shí)繞同一瞬心滾動(dòng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的機(jī)理、實(shí)現(xiàn)方式、控制策略和對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響展開研究，并通過虛擬試驗(yàn)、小型樣車試驗(yàn)對(duì)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的可行性、優(yōu)越性進(jìn)行檢驗(yàn)。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(shì)，

2、以及國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主要研究情況，在此基礎(chǔ)上提出所要進(jìn)行研究的意義和內(nèi)容。通過建立電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的力學(xué)模型，分析了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車轉(zhuǎn)向的內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)向電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩不同，因此導(dǎo)致汽車形成主動(dòng)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(shí)因?yàn)殡妱?dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的動(dòng)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(duì)汽車多模式轉(zhuǎn)向需要的分析，證實(shí)只有無(wú)梯形轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才能滿足汽車轉(zhuǎn)向靈活性的要求，

3、在此基礎(chǔ)上，提出了無(wú)梯形轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立了車輪驅(qū)動(dòng)力矩-轉(zhuǎn)向約束機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)控制的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)建立了能計(jì)算地面和車輪之間縱向力的電動(dòng)輪模型和永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型，為后面建立虛擬試驗(yàn)分析模型奠定基礎(chǔ)。依據(jù)確定的轉(zhuǎn)向控制模式和機(jī)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(jì)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(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的多體動(dòng)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(dòng)力控制子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上搭建了聯(lián)

4、合仿真虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，為汽車的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)分析奠定了基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的可行性，在對(duì)實(shí)際汽車進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，按比例設(shè)計(jì)制作了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向小型樣車實(shí)物模型，在此基礎(chǔ)上通過安裝電路控制系統(tǒng)、測(cè)試傳感器，編制單片機(jī)程序，建立了RTX51Tiny多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，I北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)速、電子油門、轉(zhuǎn)向角度的測(cè)試，并使電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)向約束機(jī)構(gòu)相配合實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。上位機(jī)則利用LabVIEW軟件編制程序，實(shí)現(xiàn)串口通訊，完成內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度的計(jì)算、轉(zhuǎn)向控制指令的發(fā)送、以及汽車運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)和

5、下位機(jī)之間通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，完成試驗(yàn)小車測(cè)控。該小車系統(tǒng)為后面的基于電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的線控低速行駛轉(zhuǎn)向試驗(yàn)分析提供了測(cè)試平臺(tái)。為了驗(yàn)證電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的性能，分別建立了普通電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)+轉(zhuǎn)向約束機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了低附著系數(shù)路面角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn)、高附著系數(shù)路面角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn)、正弦輸入響應(yīng)試驗(yàn)等對(duì)比試驗(yàn)分析，通過對(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡、行駛車速、車輪滑轉(zhuǎn)率和滑移率、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩和車輪驅(qū)動(dòng)力矩等的分析，證

6、實(shí)采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)+轉(zhuǎn)向約束機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(shí)間和峰值變大，在低附著系數(shù)路面上角階躍試驗(yàn)時(shí)，模式3的穩(wěn)定時(shí)間比模式1少12.77%，而模式2卻比模式1長(zhǎng)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(yàn)時(shí)，模式3和模式2的穩(wěn)定時(shí)間都比模式1長(zhǎng)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(yàn)時(shí)，模式3的橫擺角速度峰值比模式1分別大22.

7、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(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了汽車靜止時(shí)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、直線行駛等試驗(yàn)分析，檢驗(yàn)了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jì)的電動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)向約束機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性控制需要進(jìn)一步加強(qiáng)。最后針對(duì)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可單獨(dú)控制每個(gè)車輪

8、驅(qū)動(dòng)力矩這一特點(diǎn)，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(dòng)輪驅(qū)動(dòng)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(tái)