[发明专利]一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法

权利要求书

1.一种电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)建立整车动力学模型、差动转向子系统模型、主动悬架子系统模型、轮毂电机模型、轮胎及车轮动力学模型以及路面输入模型；

(2)结合步骤(1)中建立的模型，建立电动轮汽车底盘集成系统控制模型及参考模型；

(3)结合步骤(2)中建立的控制模型设计上层模糊控制器，实时调整差动转向子系统与主动悬架子系统的控制权重；

(4)结合步骤(1)和(2)中建立的模型，设计下层差动转向子系统最优控制器和主动悬架子系统自抗干扰控制器。

2.根据权利要求1所述的电动轮汽车底盘集成系统分层控制器设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立模型步骤如下：

(11)整车动力学模型；

根据牛顿第二定律对车辆进行受力分析，得到以下动力学平衡方程：

整车的侧向力平衡方程为：

式中，m为整车质量；m_s为簧载质量；v为车速；h为侧倾中心高度；ω_r为横摆角速度；β为质心侧偏角；φ_r为侧倾角；F_yi为各轮的轮胎侧偏力，i＝1,2,3,4；

整车横摆动力学平衡方程为：

式中，I_z为整车绕z轴的横摆转动惯量；a,b分别为质心到前、后轴的距离；B为轮距；

整车俯仰运动方程为：

式中，I_p为车身绕y轴的俯仰转动惯量；θ为俯仰角；F_i为各悬架点处作用于车身的垂直力；

整车侧倾运动方程为：

式中，I_r为绕x轴转动的侧倾转动惯量；

(12)差动转向子系统模型；

(121)转向输入轴模型：

分析方向盘和和转向输入轴的受力情况，同时考虑方向盘、转向输入轴的转动惯量及粘性阻尼系数，可得方向盘与转向输入轴的动力学方程为：

T_s＝K_c(θ_sw-θ_os) (6)

式中，T_c为驾驶员输入方向盘转矩；J_c为方向盘转动惯量；θ_sw为方向盘转角；B_c方向盘粘性阻尼系数；T_s转矩传感器输出转矩；K_c为转矩传感器扭杆刚度系数；θ_os为转向输出轴转角；

(122)转向输出轴模型：

分析转向输出轴的受力情况，同时考虑其转动惯量及粘性阻尼系数，可得转向输出轴的动力学方程为：

式中，J_os为转向输出轴和小齿轮的等效转动惯量；B_os为转向输出轴和小齿轮的等效粘性阻尼系数；ΔT_m为电动轮前轮驱动力差值形成的辅助转向转矩；n_os为转向输出轴到前轮的传动比；x_r为齿条位移；r_p为小齿轮半径；

忽略车轮的转动角加速度与轮毂电机的转动惯量，则电动轮前轮驱动力差值形成的辅助转向转矩ΔT_m表示为：

式中，d为左、右前转向轮的主销横向偏移距；r_w为车轮的滚动半径；T_d1为左前转向轮的驱动转矩；T_d2为右前转向轮的驱动转矩；

(123)齿轮齿条模型：

齿轮齿条的动力学模型表示为：

F_TR＝k_rsx_r+k_fsF_δ (11)

式中，m_rs为齿条质量；b_r为齿条阻尼系数；F_TR为轮胎转向阻力及回正力矩作用于齿条上的轴向力；k_rs为齿条等效刚度；k_fs为路感系数；F_δ为路面随机干扰；

(13)主动悬架子系统模型；

整车质心的垂直运动方程为：

非簧载质量垂直运动方程为：

式中，x_s为车身质心处垂直位移；

其中，悬架四端各悬架点处作用于车身的垂直力F_i表示为：

当汽车的侧倾角与俯仰角较小时，悬架四端的垂直位移x_si表示为：

式中，k_af为前悬架横向稳定杆的角刚度；k_ar为后悬架横向稳定杆的角刚度；x_ri为路面输入激励；x_ui为非簧载质量的垂直位移；x_si为悬架四端簧载质量处的垂直位移；k_ti为轮胎刚度；k_si为悬架刚度；c_si为悬架阻尼系数；f_i为悬架作动器作动力；m_ui为非簧载质量；m_si为簧载质量；

(14)轮毂电机模型；

永磁无刷电动机的电压方程为：

式中，u_a,u_b,u_c为定子三相电压瞬时值；i_a,i_b,i_c为定子三相电流瞬时值；e_a,e_b,e_c为三相定子反电动势的瞬时值；R₁为定子每相绕组的电阻；L₁为每相定子绕组的自感；M₁为三相定子绕组间的互感；

由于三相定子绕组对称，为Y连结，故i_a+i_b+i_c＝0，代入上式(16)整理得：

根据牛顿第二定律，电机的动力学微分方程为：

式中，T_em为轮毂电机电磁转矩；J_em为轮毂电机的转动惯量；B_em为轮毂电机阻尼系数；T_L为轮毂电机负载转矩；θ_em为轮毂电机转角；f_em为轮毂电机转子处库仑摩擦力常数；

轮毂电机的电磁转矩方程为：

T_em＝K_ti (19)

式中，K_t为电磁转矩常数；

(15)轮胎及车轮动力学模型；

(151)轮胎模型：

忽略轮胎侧偏特性的变化以及回正力矩的影响，且轮胎侧偏角较小，轮胎始终处于线性范围内，则轮胎的侧偏力为：

F_y1＝F_y2＝k_fα_f (20)

F_y3＝F_y4＝k_rα_r (21)

式中，F_yi为各轮的轮胎侧偏力；k_f,k_r分别为前、后轮侧偏刚度；δ_d为前轮转角；E_f,E_r为前、后轮侧倾转向系数；α_f,α_r为前、后轮侧偏角；

(152)车轮动力学模型：

驱动轮动力学模型：

式中，I_w为车轮转动惯量；ω_i为各车轮转速；T_di为各车轮驱动转矩；F_xi为各车轮轮胎与路面间的驱动力；r_w为车轮滚动半径；f为轮胎滚动阻力系数；F_zi各轮胎垂直载荷；

忽略车轮的角加速度，车轮纵向力F_xi表达为：

考虑到车辆自重、纵向加速度、侧向加速度以及侧倾时悬架的影响，车轮垂直载荷表示为：

式中，R＝(a+b)/δ_d为转弯半径；h为侧倾中心高度；h_g为质心高度；h_ui为非簧载质量质心离地面的高度，取为车轮半径；

(16)路面输入模型；

路面功率谱密度G_q(n)的幂函数形式表达式如下：

式中，n为路面空间频率；n₀为参考空间频率；G_q(n₀)为路面不平度系数；W为频率指数；

在车速u下，汽车驶过空间频率n的路面不平度时，输入的时间频率f为：

f＝un (31)

根据车速u，将空间频率功率谱密度G_q(n)换算为时间频率功率谱密度G_q(f)，其换算式为：

根据路面不平度八级分类标准，分级路面谱的频率指数W＝2，当W＝2时，得到时间频率谱表达式为：

在路面谱模型中引入下截止频率f₀，此时路面不平度位移时间频率模型即为路面对车轮的输入模型：

式中，Z_g为车轮所受随机激励；f₀为下截止频率；G₀为路面不平度系数；ω(t)为高斯白噪声。