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高速电动轮系统驱动控制研究





重庆大学硕士学位论文
(学术学位)


学生姓名:张玉明
指导教师:邓兆祥教授
专业:车辆工程
学科门类:工学



重庆大学机械工程学院
二 O 一四年五月
Research on Drive Control of High-speed
Electric Wheel System




A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree of Engineering
By
Zhang Yuming

Supervised by Prof. Deng Zhaoxiang
Specialty: Vehicle Engineering



College of Mechanical Engineering of Chongqing University,
Chongqing, China.
May, 2014
中文摘要

摘要

相比于传统内燃机汽车,电动轮驱动汽车拥有多个独立可控的动力源,更易
于实现汽车行驶时的差速、差力和更精确的整车控制,但也使相关控制技术更加
复杂化。因此,如何对驱动电机和电动轮驱动力进行正确地控制需要进一步深入
分析。本文以电动轮系统驱动控制技术为研究对象,在电动轮驱动电机控制及电
动轮驱动力控制两方面展开了研究,其中电动轮驱动力控制又可以进一步分为电
动轮驱动防滑控制和电动轮驱动整车动力学控制两部分。
本文建立和分析了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型,由于在三相静
止坐标系下电机的转矩方程是与转子位置有关的时变方程,不利于对转矩进行精
确控制,而在 dq 坐标系下的电机转矩与转子位置无关;所以结合项目电机的结构
特点和对电动轮使用要求的分析,选择直轴电流id  0 的矢量控制方法作为电机的
控制策略,并进一步研究了永磁同步电机矢量控制系统的具体实现方式。
根据对电机矢量控制系统的分析,将电机的电流环和速度环分别校正成典型 I
型系统和典型 II 型系统,推导了电流环和速度环调节器的参数计算公式;在此基
础上对电机矢量控制系统进行仿真,仿真发现电机采用转速控制或转矩控制都可
以取得较好的控制效果,且转矩控制时的系统响应时间要远小于速度控制时的系
统响应时间;接下来利用试验台架对电机性能进行了测试,得到了电机的转矩转
速特性图等;根据电机的仿真和试验结果,结合电动轮的使用工况以及对整车四
轮速度耦合关系的分析,决定将转矩作为电机的控制目标。
研究了模型跟踪控制和滑模变结构控制两种电动轮驱动防滑控制方法,提出
了基于分段线性插值的路面识别算法;根据对四分之一车辆模型的仿真,发现采
用模型跟踪控制只需根据车轮的转速信息就能抑制车轮的过度滑转;同时,提出
的分段线性插值算法可以有效地对不同路面进行识别;且以路面识别为基础的电
动轮滑模变结构控制可以很好地保证车轮的实际滑转率跟随最优滑转率变化。
建立了汽车七自由度模型、轮胎模型和电机模型,提出了整车动力学分层控
制方案,包括上层整车运动控制器和下层驱动力分配控制器;根据对汽车理想行
驶特性的分析,整车运动控制器将汽车横摆角速度和纵向加速度作为控制目标量,
采用 PI 控制算法来计算控制器的输出量;驱动力分配控制器以降低总的轮胎利用
率为优化目标,采用加权最小二乘法进行四轮驱动力分配;对七自由度汽车模型
的仿真结果表明,本文提出的整车动力学控制方法既可以有效保证汽车的运动状
态跟踪理想值变化,也可以消除四轮驱动电机相互间差异性给汽车直线行驶稳定
性带来的影响;另外,研究还发现通过将整车动力学控制和模型跟踪控制进行集
I
重庆大学硕士学位论文
成得到电动轮驱动力控制,其在低附着系数地面上依然能够保证汽车安全行驶。

关键词:电动轮,永磁同步电机,矢量控制,驱动防滑控制,整车动力学控制

II
英文摘要

ABSTRACT

Compared to the conventional bustion engine car, vehicles driven by
electric wheel have multiple independent and controlled driving sources, which make
them easy to real