线控电动轮车辆驱动转向技术研究

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1、北京理工大学博士学位论文摘要电动轮技术是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，取消了传统汽车复杂的传动系统，因此车辆的机械部分得到了大大简化。电动轮驱动汽车是未来汽车理想的通用驱动平台，具有很好的应用前景及技术发展潜力。鉴于此，本文提出一种基于电动轮驱动的全新的线控无梯形转向驱动系统，可以精确控制各车轮的转向角度，保证各车轮在转向时绕同一瞬心滚动。在此基础上对电动轮驱动转向的机理、实现方式、控制策略和对操纵稳定性的影响展开研究，并通过虚拟试验、小型样车试验对电动轮驱动转向的可行性、优越性进行检验。论文首先介绍了汽车转向的研究历史、现状和发展趋势，以及国内外对汽车助力转向技术的主要研

2、究情况，在此基础上提出所要进行研究的意义和内容。通过建立电动轮驱动转向的力学模型，分析了电动轮驱动转向的可行性，在此基础上，建立汽车整车力学模型，通过汽车整车力学分析，发现：由于驱动汽车转向的内外侧转向电动轮驱动力矩不同，因此导致汽车形成主动转向横摆力矩，减轻了汽车的不足转向特性，使汽车具有较快的转向响应。同时因为电动轮驱动转向的动力受地面附着力的制约，因此为充分利用地面附着力，提出了基于车轮附着系数变化率的附着力优化控制策略。通过对汽车多模式转向需要的分析，证实只有无梯形转向系统才能满足汽车转向灵活性的要求，在此基础上，提出了无梯形转向系统，建立了车轮驱动力矩-转向约束机构协调控

3、制的数学模型。同时建立了能计算地面和车轮之间纵向力的电动轮模型和永磁无刷直流电机模型，为后面建立虚拟试验分析模型奠定基础。依据确定的转向控制模式和机构参数，选择基于魔术公式的Pacejka’89轮胎模型，并设计了三种转向系统，利用仿真软件ADAMS，建立了载货汽车的23自由度的电动轮驱动转向的多体动力学模型，利用Simulink建立了控制策略模型，主要包括参数传递ADAMS_S子系统、空气阻力子系统、前轮转向控制子系统、初始条件设定子系统和驱动力控制子系统。在此基础上搭建了联合仿真虚拟试验平台，为汽车的电动轮驱动转向试验分析奠定了基础。为了进一步验证电动轮驱动转向的可行性，在对实际

4、汽车进行适当简化的基础上，按比例设计制作了电动轮驱动转向小型样车实物模型，在此基础上通过安装电路控制系统、测试传感器，编制单片机程序，建立了RTX51Tiny多任务实时操作系统，I北京理工大学博士学位论文实现车轮转速、电子油门、转向角度的测试，并使电动轮驱动转向与转向约束机构相配合实现下位机的转向控制。上位机则利用LabVIEW软件编制程序，实现串口通讯，完成内外侧车轮转向角度的计算、转向控制指令的发送、以及汽车运行参数的实时显示。上位机和下位机之间通过蓝牙实现无线通讯，完成试验小车测控。该小车系统为后面的基于电动轮驱动转向的线控低速行驶转向试验分析提供了测试平台。为了验证电动轮驱

5、动转向的性能，分别建立了普通电动助力转向、电动轮驱动转向、电动轮驱动+转向约束机构驱动三种转向模式，利用前面建立的ADAMS-Simulink联合仿真虚拟试验平台，进行了低附着系数路面角阶跃输入响应试验、高附着系数路面角阶跃输入响应试验、正弦输入响应试验等对比试验分析，通过对汽车转向角度、横摆角速度、侧向加速度、质心侧偏角、质心运动轨迹、行驶车速、车轮滑转率和滑移率、转向驱动力矩和车轮驱动力矩等的分析，证实采用电动轮驱动+转向约束机构驱动的转向模式优于其他两种转向模式，使汽车具有较快的转向响应，但另一方面过快的转向响应，导致横摆角速度的稳定时间和峰值变大，在低附着系数路面上角阶跃试

6、验时，模式3的稳定时间比模式1少12.77%，而模式2却比模式1长8.51%；模式3的横摆角速度峰值比模式1大24.46%，模式2比模式1大18.23%；在高附着系数路面上角阶跃试验时，模式3和模式2的稳定时间都比模式1长30.95%，模式3的横摆角速度峰值比模式1大19.21%，模式2比模式1大26.56%；在正弦响应试验时，模式3的横摆角速度峰值比模式1分别大22.00%、20.34%，模式2比模式1分别大42.64%、60.02%，不利于汽车的操纵稳定性，因此需加以控制。利用小型样车试验平台进行了汽车静止时转向角阶跃、定圆周转向、1km/h行驶转向角阶跃、1km/h行驶双移线

7、、直线行驶等试验分析，检验了电动轮驱动转向的可行性。通过车轮转向角度变化曲线，可以看出两前轮的实际转角与理论转角基本吻合，但局部有很小幅度的毛刺突变，表明所设计的电动轮转向控制系统完全可以达到转向控制的要求，但系统的控制精度和稳定性还有待提高，特别是对转向约束机构的稳定性控制需要进一步加强。最后针对电动轮驱动转向系统可单独控制每个车轮驱动力矩这一特点，提出与整车横摆角速度控制、地面附着力最佳控制相结合的电动轮驱动转向与整车力学集成协调的控制策略，并利用虚拟联合仿真平台