后輪獨立驅(qū)動電動汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

劉長生

摘 要：后輪獨立驅(qū)動電動汽車再研究后可以實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，其中前輪和后輪轉(zhuǎn)向可以經(jīng)過差速轉(zhuǎn)向和常規(guī)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)。確立了動力學模型，將常規(guī)的四輪轉(zhuǎn)向汽車用作參考模型，并且將PID控制器設計為捕獲驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向所需要的的差動轉(zhuǎn)矩，仿真效果表明，差速轉(zhuǎn)向可以實現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。

關鍵詞：后輪獨立驅(qū)動;四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng);電動汽車

根據(jù)電機的類型，獨立驅(qū)動器可以分為輪側(cè)電機驅(qū)動器和輪轂電機驅(qū)動器。驅(qū)動和傳動都集成到輪轂電機驅(qū)動汽車的輪轂中，這大大簡化了車輛的機械結(jié)構(gòu)并提升了車輛的空間使用效率。差動轉(zhuǎn)向技術是使車輛能夠通過控制兩側(cè)獨立驅(qū)動車輪的驅(qū)動力矩來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的新技術。獨立的后輪驅(qū)動與差動轉(zhuǎn)向技術相結(jié)合，不僅有效提高了低速行駛時的機動性，而且還有效地降低了高速行駛時的甩尾和側(cè)滑現(xiàn)象，此外，可以主動提升汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。

一、車輛模型

目前國內(nèi)外大學和研究機構(gòu)研究和開發(fā)的熱點是四輪獨立驅(qū)動電動汽車。四輪獨立驅(qū)動電動汽車可獨立控制四輪驅(qū)動力矩，轉(zhuǎn)矩和速度可輕松測量，這對車輛控制非常有利。汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制是主動安全控制的重要研究內(nèi)容之一，因為它可以有效地減小車輛的轉(zhuǎn)向半徑并提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，四輪獨立驅(qū)動電動汽車具有四輪轉(zhuǎn)向功能是車輛主動安全控制的理想載體。本文研究的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向后輪獨立驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向車輛可以被認為是一個具有一個車身和兩個后輪的系統(tǒng)，僅忽略車輛沿y軸的橫向運動和繞z軸的橫擺運動，而不考慮懸架對車身運動的影響，偏側(cè)特性在線性范圍內(nèi)。還研究了四輪轉(zhuǎn)向控制策略，使用CarSim與Matlab/Simulink建立了車輛模型和控制策略，并進行了仿真測試。

內(nèi)燃機模型是CarSim中的車輛模型，并且該模型已修改為四輪獨立驅(qū)動電動汽車模型。Simulink用于構(gòu)建四輪驅(qū)動力分配器和四輪角分配器，四輪驅(qū)動力分配裝置通過基于駕駛員的目標速度和實際車輛的反饋速度來計算車輛所需的總目標驅(qū)動轉(zhuǎn)矩來分配四輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，四輪角分配器根據(jù)駕駛員的方向盤角度計算并分配四輪角大小，四輪轉(zhuǎn)角控制基于阿克曼的轉(zhuǎn)角控制原理。

二、參考模型以及PID控制器

給設狀態(tài)空間變量xd（t）= [βd，γd] T，并且系統(tǒng)輸入為后輪旋轉(zhuǎn)角度，則相應的狀態(tài)方程。PID控制結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，通常在生產(chǎn)中使用。它由三部分組成，比例、微分和積分。當發(fā)生偏差階躍時，比例（P）控制可以快速響應該誤差，從而減小了穩(wěn)態(tài)誤差，但是無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。只要系統(tǒng)中存在錯誤，積分（I）控制就會繼續(xù)累積。因此，只要有足夠的時間，積分控制就可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是，如果積分功能過強，則可能會增加系統(tǒng)過沖并導致系統(tǒng)振蕩。差動（D）控制可減少過沖量、克服振動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并加快系統(tǒng)動態(tài)響應速度。通過減少調(diào)整時間來提高動態(tài)系統(tǒng)性能。將前輪和后輪角度提供給參考模型后，該模型將對質(zhì)量滑移角和偏航率的中心產(chǎn)生響應。該響應與實際車輛模型的響應之間的差異可以通過PID控制后的PID獲得。后輪差動力矩與轉(zhuǎn)矩和前輪角度一起提供給實際車輛模型，以次形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

三、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析

仿真參數(shù)為：dr=1.486m，R=0.304m，m=1111kg，k1=-95202.8N/rad，k2= -63947.18N/rad，Iz=2031.4kgm2，a=1.04m，b=1.56m，δf=0.3rad，δr= 0.08rad。通過仿真獲得的諸如質(zhì)心偏角和橫擺角速的曲線，PID控制下的實際車輛模型的響應曲線基本上與參考模型匹配。然后，所需的差動轉(zhuǎn)矩在-400到470 Nm之間變化，并且完全在電動機可以提供的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。這意味著，在PID控制器的操作下，配備有獨立于常規(guī)前輪轉(zhuǎn)向的后輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向的車輛可以成功實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，并具有與常規(guī)四輪轉(zhuǎn)向相同的轉(zhuǎn)向特性。

1.車輛控制結(jié)論

使用CarSim和Matlab / Simulink，建立四輪獨立驅(qū)動電動汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制模型，基于Ackermann轉(zhuǎn)向原理設計四輪驅(qū)動力分配器和四輪角分配器，并進行仿真實驗驗證結(jié)果。研究的四輪轉(zhuǎn)向控制策略使四輪獨立驅(qū)動電動汽車能夠確保出色的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，該研究方法對四輪獨立驅(qū)動電動汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制具有一定的參考價值。研究結(jié)果表明，在阿克曼角原理的控制下，電動汽車可以更好地完成四輪轉(zhuǎn)向模式。

四、獨立電驅(qū)動汽車的概述

電動汽車的動力是電力供應，目前市場上的電動汽車分為單驅(qū)動電機和多驅(qū)動電機，其結(jié)構(gòu)相對簡單，以車身、車身和電動驅(qū)動為中心結(jié)構(gòu)。電動汽車的動力分配比燃料汽車更合理，并且由于傳統(tǒng)汽車的完整性，驅(qū)動器和車輪集成在動力分配中，并且電動汽車是四輪獨立的，這使得控制更加靈活。電驅(qū)動電動汽車的出現(xiàn)顯示了汽車領域新能源的巨大潛力。由于電動汽車的啟動速度相對較慢，因此它們?nèi)蕴幱谔剿麟A段，許多技術還不夠成熟，還有改進的空間。當前，市場上最普通的電動車輛是缺少內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機不能去除傳統(tǒng)的變速器和其他部件。在獨立式電動車輛的情況下，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造更簡單。

結(jié)語

綜上所述，前輪的常規(guī)轉(zhuǎn)向-通過構(gòu)建后輪差速轉(zhuǎn)向的四輪轉(zhuǎn)向車輛模型，并以傳統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向為參考模型，使用PID控制來進行允許正確跟蹤車輪轉(zhuǎn)向車輛的響應特性，該研究為差速轉(zhuǎn)向應用提供了理論基礎，以及對四輪轉(zhuǎn)向控制策略，使用CarSim與Matlab/Simulink建立了車輛模型和控制策略，并進行了仿真測試。

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