后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

劉長(zhǎng)生

摘 要：后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再研究后可以實(shí)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(dòng)力學(xué)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(shè)計(jì)為捕獲驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向所需要的的差動(dòng)轉(zhuǎn)矩，仿真效果表明，差速轉(zhuǎn)向可以實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。

關(guān)鍵詞：后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng);四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng);電動(dòng)汽車

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

一、車輛模型

目前國(guó)內(nèi)外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)是四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車可獨(dú)立控制四輪驅(qū)動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)矩和速度可輕松測(cè)量，這對(duì)車輛控制非常有利。汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制是主動(dòng)安全控制的重要研究?jī)?nèi)容之一，因?yàn)樗梢杂行У販p小車輛的轉(zhuǎn)向半徑并提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車具有四輪轉(zhuǎn)向功能是車輛主動(dòng)安全控制的理想載體。本文研究的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向車輛可以被認(rèn)為是一個(gè)具有一個(gè)車身和兩個(gè)后輪的系統(tǒng)，僅忽略車輛沿y軸的橫向運(yùn)動(dòng)和繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)，而不考慮懸架對(duì)車身運(yùn)動(dòng)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(jìn)行了仿真測(cè)試。

內(nèi)燃機(jī)模型是CarSim中的車輛模型，并且該模型已修改為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車模型。Simulink用于構(gòu)建四輪驅(qū)動(dòng)力分配器和四輪角分配器，四輪驅(qū)動(dòng)力分配裝置通過基于駕駛員的目標(biāo)速度和實(shí)際車輛的反饋速度來計(jì)算車輛所需的總目標(biāo)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩來分配四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，四輪角分配器根據(jù)駕駛員的方向盤角度計(jì)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(shè)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(yīng)的狀態(tài)方程。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)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(dāng)發(fā)生偏差階躍時(shí)，比例（P）控制可以快速響應(yīng)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(cuò)誤，積分（I）控制就會(huì)繼續(xù)累積。因此，只要有足夠的時(shí)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(qiáng)，則可能會(huì)增加系統(tǒng)過沖并導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。差動(dòng)（D）控制可減少過沖量、克服振動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。通過減少調(diào)整時(shí)間來提高動(dòng)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(duì)質(zhì)量滑移角和偏航率的中心產(chǎn)生響應(yīng)。該響應(yīng)與實(shí)際車輛模型的響應(yīng)之間的差異可以通過PID控制后的PID獲得。后輪差動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)矩和前輪角度一起提供給實(shí)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(shí)際車輛模型的響應(yīng)曲線基本上與參考模型匹配。然后，所需的差動(dòng)轉(zhuǎn)矩在-400到470 Nm之間變化，并且完全在電動(dòng)機(jī)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(dú)立于常規(guī)前輪轉(zhuǎn)向的后輪驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向的車輛可以成功實(shí)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(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制模型，基于Ackermann轉(zhuǎn)向原理設(shè)計(jì)四輪驅(qū)動(dòng)力分配器和四輪角分配器，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。研究的四輪轉(zhuǎn)向控制策略使四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車能夠確保出色的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，該研究方法對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制具有一定的參考價(jià)值。研究結(jié)果表明，在阿克曼角原理的控制下，電動(dòng)汽車可以更好地完成四輪轉(zhuǎn)向模式。

四、獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)汽車的概述

電動(dòng)汽車的動(dòng)力是電力供應(yīng)，目前市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車分為單驅(qū)動(dòng)電機(jī)和多驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，以車身、車身和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)為中心結(jié)構(gòu)。電動(dòng)汽車的動(dòng)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(dòng)器和車輪集成在動(dòng)力分配中，并且電動(dòng)汽車是四輪獨(dú)立的，這使得控制更加靈活。電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的出現(xiàn)顯示了汽車領(lǐng)域新能源的巨大潛力。由于電動(dòng)汽車的啟動(dòng)速度相對(duì)較慢，因此它們?nèi)蕴幱谔剿麟A段，許多技術(shù)還不夠成熟，還有改進(jìn)的空間。當(dāng)前，市場(chǎng)上最普通的電動(dòng)車輛是缺少內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)不能去除傳統(tǒng)的變速器和其他部件。在獨(dú)立式電動(dòng)車輛的情況下，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造更簡(jiǎn)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?yàn)閰⒖寄Ｐ?，使用PID控制來進(jìn)行允許正確跟蹤車輪轉(zhuǎn)向車輛的響應(yīng)特性，該研究為差速轉(zhuǎn)向應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，以及對(duì)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(jìn)行了仿真測(cè)試。

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