分布式驅(qū)動輪轂電機汽車整車運動學(xué)分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u30164分布式驅(qū)動輪轂電機汽車整車運動學(xué)分析綜述 1230471.1車輛動力學(xué)模型建立 174311.1.1兩輪2DOF車輛動力學(xué)模型建立 1299351.1.2四輪2DOF車輛動力學(xué)模型建立 2316001.1.3車輪動力學(xué)模型建立 3108651.2Carsim整車動力學(xué)模型 4200511.1.1Carsim軟件簡介 498991.1.2車身系統(tǒng)模型 434801.1.3動力及傳動系統(tǒng)模型 554091.1.4制動系統(tǒng)建模 5258631.1.5懸架模型 6121651.1.6轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型 762491.1.7輪胎模型 8245321.1.8Simulink電機建模 8127291.3模型驗證 101.1車輛動力學(xué)模型建立本節(jié)主要介紹兩輪二自由度車輛模型和四輪二自由度車輛模型的建立，分別用于上層直接橫擺力矩控制的滑?？刂破骱拖聦踊谀Ｐ皖A(yù)測控制的轉(zhuǎn)矩分配控制器。1.1.1兩輪2DOF車輛動力學(xué)模型建立二自由度的車輛模型是以方向盤的轉(zhuǎn)角為輸入，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角為輸出的線性模型。在建立二自由度車輛模型時忽略了懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，并假設(shè)車輛只有沿y軸的側(cè)向運動和繞z軸的橫擺運動，并且車輛的縱向速度不變[33]?？梢缘玫杰囕v的二自由度模型如圖1.1所示。以車輛的質(zhì)心為坐標原點O,x軸沿車輛的縱軸方向指向車頭的前方，y軸垂直x軸指向車體的左側(cè)，z軸垂直x軸和y軸構(gòu)成的平面指向上方。圖中a、b分別為質(zhì)心到前軸、后軸的距離；Fyf和Fyr分別為前、后輪胎的側(cè)向力；β為質(zhì)心側(cè)偏角；γ為橫擺角速度；Vx和Vy分別為車輛的縱向和側(cè)向速度；δ表示前輪轉(zhuǎn)角；圖1.1車輛二自由度模型車輛的側(cè)向和橫擺運動可以描述為：mI式中，Iz為車輛的繞Z軸的橫擺轉(zhuǎn)動慣量，m1.1.2四輪2DOF車輛動力學(xué)模型建立本文研究的對象是分布式驅(qū)動的輪轂電機汽車，與傳統(tǒng)車不同的是，它的每個車輪的轉(zhuǎn)矩都是獨立可控的。由于兩輪的理想二自由度模型是針對傳統(tǒng)的燃油車建立的理想模型，在一些場合不適用于研究分布式驅(qū)動的輪轂電機汽車，因此在兩輪兩自由度模型的基礎(chǔ)上，將四個車輪的橫向力于縱向力分別考慮，同時認為車輛只在地面上做平動，不考慮垂向運動、側(cè)傾運動、俯仰運動，不考慮汽車懸架的影響，車輛只有沿x軸的縱向速度，沿y軸的側(cè)向速度和橫擺角速度得到如圖1.2所示的四輪二自由度理想模型[34]。圖1.2四輪兩自由度模型四輪2DOF的橫擺和側(cè)向運動可以描述為：Im1.1.3車輪動力學(xué)模型建立本文研究的分布式驅(qū)動汽車的直接橫擺力矩控制與車輛的輪胎有很大的關(guān)系，因此需要建立輪胎的動力學(xué)模型，輪胎模型的建立對下層的驅(qū)動力矩分配控制有很大的影響。車輪的動力學(xué)模型如圖1.3所示。圖1.3車輪運動學(xué)模型車輪的旋轉(zhuǎn)運動可以描述為：J?式中,J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω為車輪的轉(zhuǎn)速；Re為輪胎的有效半徑；Td為驅(qū)動力矩；Tb為制動力矩；M車輪縱向滑移率是表示車輛運動狀態(tài)的重要參數(shù)，其定義如下：s1.2Carsim整車動力學(xué)模型為了研究分布式驅(qū)動輪轂電機汽車的矢量控制算法，需要建立一個可靠的整車仿真平臺，通過上面對整車的動力學(xué)分析，在本小節(jié)介紹輪轂電機四輪驅(qū)動電動汽車的整車動力學(xué)建模。本文的模型是在Matlab/Simulink和Carsim軟件中共同完成的，在Matlab/Simulink中搭建輪轂電機模型，在Carsim中搭建整車中除了動力系統(tǒng)以外的其它模型以及路面模型。兩個軟件之間通過接口連接，組成整車的動力學(xué)仿真平臺。1.1.1Carsim軟件簡介Carsim是一款專門的針對車輛動力學(xué)研究的仿真軟件，已成為汽車行業(yè)的標準軟件，被很多車企采用。作為專業(yè)的車輛動力學(xué)仿真軟件，它著重于整車動力學(xué)模型的建立，建模時以模塊的形式呈現(xiàn)給客戶，使用者需要選擇對應(yīng)的模塊，然后對參數(shù)進行設(shè)置就可完成建模工作。Carsim在建模時將車輛分解為不同的子系統(tǒng)分別進行求解，根據(jù)車輛的不同特性主要分為七個子系統(tǒng)，分別為：車身、制動系、傳動系、空氣動力學(xué)、轉(zhuǎn)向系、懸架和輪胎。1.1.2車身系統(tǒng)模型Carsim軟件提供了各種級別的車型供大家選擇，根據(jù)本項目的實際車型，本文選用的是一款D級車的SUV為基本車型。車體模型部分主要包含了車體主要尺寸參數(shù)、質(zhì)量與重心參數(shù)、橫擺轉(zhuǎn)動慣量等信息，具體的參數(shù)如圖1.4所示：圖1.4車身參數(shù)1.1.3動力及傳動系統(tǒng)模型使用Carsim建模時動力及傳動系統(tǒng)的設(shè)置是非常關(guān)鍵的一部分，軟件提供了前驅(qū)、后驅(qū)和四輪獨立驅(qū)動三種供大家選擇，但這都是針對于傳統(tǒng)汽車的。由于研究對象為分布式驅(qū)動輪轂電機電動汽車，無法直接用軟件所帶的傳統(tǒng)車驅(qū)動系統(tǒng)，因此只有把CarSim中的動力及傳動系統(tǒng)切斷，然后采用外部的動力輸入（AllExternalPowertrainComponents），如圖1.5所示。這樣在進行動力系統(tǒng)設(shè)置時，需要在Simulink中計算每個車輪的轉(zhuǎn)矩，并將它們分別輸入至Carsim模型中的外部車輪動力處。圖1.5動力及傳動系統(tǒng)模型1.1.4制動系統(tǒng)建模Carsim中的制動系統(tǒng)分為簡單的制動系和考慮熱衰退的制動系統(tǒng)，由于本文所研究的內(nèi)容主要是每個車輪的驅(qū)動力矩，對制動系統(tǒng)的要求較低，所以本文選用的是簡單的制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)具體的參數(shù)設(shè)置如圖1.6所示：圖1.6制動系統(tǒng)模型1.1.5懸架模型Carsim中的懸架模型有獨立懸架和非獨立懸架之分，本文設(shè)計的仿真車輛保持了原車的前軸用獨立懸架，后軸用非獨立懸架的設(shè)置。Carsim中整車的懸架系統(tǒng)對整車的操縱穩(wěn)定性的影響較大，需要更為嚴謹?shù)膮?shù)設(shè)置。CARSIM參考車型的前后軸的非簧載質(zhì)量均為80kg，車輪轉(zhuǎn)動慣量為0.8kg?m2，由于本文所研究的分布式驅(qū)動汽車的輪轂電機集成在車輪里，所以車輪質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量比CARSIM中傳統(tǒng)汽車明顯較大，在參考了國內(nèi)外相關(guān)輪轂電機相關(guān)文獻和實驗車型的參數(shù)后，本文設(shè)定前后軸的非簧載質(zhì)量均比參考車型高30kg，車輪的轉(zhuǎn)動慣量為1.5kg?m2。圖1.7、圖1.8分別為前懸架與后懸架的運動學(xué)特性。圖1.7前懸架運動學(xué)特性圖1.8后懸架運動學(xué)特性1.1.6轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型Carsim中整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的前輪轉(zhuǎn)向方式分為四種，分別為：非助力循環(huán)球式、非助力齒條齒輪式、助力循環(huán)球式、助力齒條齒輪式。本論文所研究車型前輪轉(zhuǎn)向方式為助力循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，具體的參數(shù)如圖1.9所示：圖1.9轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型1.1.7輪胎模型研究汽車的操縱穩(wěn)定性時，輪胎參數(shù)十分重要，尤其是在研究驅(qū)動力分配時，需要一輪胎的動力學(xué)模型為基礎(chǔ)。輪胎是車輛與地面接觸的部件，無論是縱向力還是側(cè)向力的研究，都離不開輪胎剛度與側(cè)偏角的影響。Carsim給使用者提供了三種輪胎模型：內(nèi)部輪胎模型、外接輪胎模型以及魔術(shù)公式輪胎模型。為了減少建模誤差的影響，本文采用了內(nèi)部輪胎模型。輪胎模型的主要參數(shù)包括：輪胎滾動半徑、輪胎垂直剛度、輪胎縱向力特性、輪胎橫向力特性等，具體參數(shù)的設(shè)置如圖1.10所示：圖1.10輪胎模型1.1.8Simulink電機建模一般根據(jù)模型的用途可以采用三種方法進行電機建模：針對磁場的分析建模、針對電機及其拖動系統(tǒng)的建模和針對性能的建模。在輪轂電機電動汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，我們不需要了解電機的工作原理，因此根據(jù)電機外特性的面向性能的建模方法更加合適本研究。本文根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的實驗數(shù)據(jù)，繪制了電機的外特性曲線，并以此為基礎(chǔ)進行電機的建模。電機的主要參數(shù)如表1.1所示：表1.1輪轂電機參數(shù)表參數(shù)名稱單位參考值峰值功率Kw15峰值轉(zhuǎn)矩Nm114額定轉(zhuǎn)速Rpm3000本文主要針對電機的動力特性進行研究，表現(xiàn)形式就是輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。由于本文將Carsim中原本的機械傳動系統(tǒng)切斷，采用的是動力源外接的形式，因此原本的駕駛員模型就不在適用，于是在電機模型中加入了速度的跟蹤控制，如圖1.11所示，它根據(jù)當前車速與理想車速的差值經(jīng)過PID控制器來模擬電機的加速踏板行程，從而達到速度的跟蹤控制。圖1.11轉(zhuǎn)速控制模型為了使電機輸出的力矩接近實際電機的工作特性，在建立的電機模型中引入電機的外特性圖，根據(jù)查表法確定當前轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩輸出最大值。轉(zhuǎn)矩控制的模型如圖1.12所示：圖1.12轉(zhuǎn)矩控制模型1.3模型驗證為了測試所建立的純電動車模型的基本性能，在Carsim中建立勻加速工況測試模型車輛的加速性能，然后建立階躍轉(zhuǎn)角信號工況，測試所建模型車輛在轉(zhuǎn)彎時的橫擺角速度，質(zhì)心側(cè)偏角的值是否符合要求。勻加速工況的實驗條件為在路面附著系數(shù)為0.85的路面上，給定駕駛員期望車速，使車輛從5km/h的速度開始加速，在20s內(nèi)做勻加速運動，仿真結(jié)果如圖1.13所示：(a)車速(b)橫擺角速度(c)側(cè)向位移(d)質(zhì)心側(cè)偏角圖1.13電動車模型直線行駛驗證從圖中可以看出：圖(a)為車速的變化圖，車輛模型在20s時間內(nèi)加速到80km/h，且與期望的速度曲線差值很小，說明所建車輛模型對駕駛員期望車速的跟隨效果良好，動力性能滿足項目需求。圖(b)、(c)為車輛橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角的變化圖，車輛的行駛過程中二者的值都在10-15附近波動，沒有產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向趨勢，且在圖中可以看出新建的電動車模型的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角幅值遠小于Carsim中自帶的傳統(tǒng)車輛的幅值，說明車輛模型保持直線行駛的能力較好。圖(d)為車輛行駛過程中側(cè)向位移的變化圖，經(jīng)過對所得圖形的放大可以觀察到其最大值僅為10-14m，車輛的側(cè)向位非常小，小于Carsim原車的側(cè)向位移，直線行駛能力較好。從上面的分析中可以看出，本文基于Carsim和Simulink建立的電動汽車車輛模型，在直線行駛的工況下能很好的模擬輪轂電機的運動特性。為了對其進行轉(zhuǎn)向能力的測試，采用的方向盤固定轉(zhuǎn)角實驗。實驗條件的設(shè)置為在附著系數(shù)為0.85的路面上，汽車保持65km/h的速度穩(wěn)定行駛，在時間到達5s的時候突然給方向盤一個120deg的轉(zhuǎn)角，仿真時間是20s，仿真結(jié)果如圖1.14所示:(a)車速(b)質(zhì)心側(cè)偏角(c)橫擺角速度(d)行駛軌跡圖1.14電動車模型階躍轉(zhuǎn)角實驗驗證從圖中可以看出：圖(a)為車速的變化圖，在未進行轉(zhuǎn)向的時候，車速穩(wěn)定在65km/h，在5s時給定轉(zhuǎn)向角后，車速在0.2km/h的范圍內(nèi)短暫的波動，并且很快就恢復(fù)到目標車速，符合輪轂電機汽車的動力特性，說明所建模型有較高的可靠性。圖