摘 要

随着轮毂电机的发展以及环保观念的不断深入人心，电动汽车领域已经成为工程师们研究的一大热门领域，在政府政策的支持下，电动汽车在乘用车领域的占比也不断提高。由于轮毂电机具有响应快速、能量利用率高、结构简单的特点，与传统燃油汽车相比取消了发动机、变速器、差速器等机构。在缺少了机械结构的情况下，轮毂电机的可靠性需要得到保证。

纯电动汽车由轮毂电机独立驱动。论文针对分布式驱动汽车，进行电子差速控制策略的研究。首先，论文介绍了Matlab/Simulink的仿真平台，以及Carsim的建模平台。通过分析多自由度汽车的动力学方程，得到二自由度汽车动力学模型。在Carsim软件中输入电动车相关参数进行建模。

其次，论文建立了永磁无刷直流电机的电磁转矩方程和电压方程。在电流调节器的选择上，论文采用了PID控制器，使输入的电压信号具有良好的跟随性，得到的转矩输出信号具有较小的超调量，响应特性较好。在对无刷直流电机模型的验证过程中，给定阶跃和正弦波两种不同的测试电压信号，观察所搭建模型的响应特性

再者，论文基于不同的理论搭建了两种控制器。第一种是基于转矩分配的阿克曼转向原理建立的电子差速控制模型；第二种是基于直接横摆力矩控制的电子差速控制策略，以质心侧偏角和横摆角速度作为操纵稳定性的评价指标，以模糊控制理论为基础，设计了基于直接横摆力矩控制的控制器。

最后，论文对控制器在低速、中速、高速以及正弦波输入的工况下进行仿真测试。分析结果表明，在低速情况下两种控制器均有较好的控制效果，而高速情况下采用直接横摆力矩控制的控制器效果更好。

关键词：轮毂电机；电子差速控制；直接横摆力矩控制；模糊控制

Abstract

With the development of wheel hub motors and the growing popularity of environmental protection concepts, the field of electric vehicles has become a hot area for engineers to study. With the support of government policies, the proportion of electric vehicles in the field of passenger vehicles is also increasing. Due to the characteristics of fast response, high energy utilization, and simple structure, the hub motor cancels engines, transmissions, differentials and other mechanisms compared to traditional fuel vehicles. In the absence of a mechanical structure, the reliability of the hub motor needs to be guaranteed.

Pure electric cars are independently driven by hub motors. The dissertation focuses on the research of electronic differential control strategy for distributed drive vehicles. First, the paper introduces Matlab/Simulink simulation platform and Carsim's modeling platform. By analyzing the dynamic equation of a multi-degree-of-freedom vehicle, a two-degree-of-freedom vehicle dynamics model is obtained. Enter the electric vehicle related parameters for modeling in Carsim software.

Secondly, In the choice of current regulator, the paper uses a PID controller to make the input voltage signal have good followability, the obtained torque output signal has a small overshoot, and the response characteristics are better. During the verification of the brushless DC motor model, two different test voltage signals, step and sine wave, are given to observe the response characteristics of the built model.

Furthermore, the paper builds two controllers based on different theories. The first is an electronic differential control model based on the Akerman steering principle of torque distribution; the second is based on direct yaw moment control, with the lateral slip angle and yaw rate as the manipulative controls. The stability evaluation index, based on the fuzzy control theory, was designed based on the direct yaw moment control controller.

Finally, the simulation test of the controller is carried out under low, medium, high speed and sine wave input conditions. The analysis results show that both controllers have better control effects at low speeds, and controllers with direct yaw moment control have better results at high speeds.

Keywords：Hub motor; Electronic differential control; Direct yaw moment control; Fuzzy con

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 选题意义及研究背景 1

1.2 轮毂电机电动汽车研究现状 1

1.3 现有转向技术研究 2

1.4 国内外电动车差速控制研究现状 4

1.4.1 国内研究现状 4

1.4.2 国外研究现状 5

1.5 主要研究内容 6

第2章 电动汽车多自由度动力学建模及仿真 8

2.1 仿真软件介绍 8

2.1.1 Matlab/Simulink 介绍 8

2.1.2 Carsim介绍 10

2.2 电动汽车转向动力学模型 11

2.2.1 多自由度汽车动力学模型 11

2.2.2 电动汽车参数 13

2.3 轮毂电机模型 16

2.3.1 轮毂电机概述 16

2.3.2 无刷直流电机数学模型 17

2.3.3 电机调速方案分析 19

2.3.4 无刷直流电机仿真分析 24

2.4 本章小结 27

第3章 电子差速控制器设计及仿真建模 28

3.1 传统汽车差速原理 28

3.2 基于阿克曼（Ackermann-Jeantand）模型的差速控制策略研究 30

3.2.1 阿克曼（Ackermann-Jeantand）转向模型 30

3.2.2 阿克曼（Ackermann-Jeantand）模型电子差速控制策略 32

3.3 直接横摆力矩（DYC）控制策略 35

3.3.1 车身的稳定性判定模型 36

3.3.2 模糊控制理论 38

3.3.3 横摆力矩控制模型电子差速控制策略 43

3.4 本章小结 45

第4章 电子差速系统仿真验证分析 47

4.1 低速大角度转向行驶 47

4.2 中速中角度转向行驶 50

4.3 高速小角度转向行驶 52

4.4 正弦波输入工况 54

4.5 本章小结 56

第5章 总结与展望 57

5.1 研究工作总结 57

5.2 展望 57

参考文献 59

附录A 理想质心侧偏角及理想横摆角速度曲线图 61

致谢 62

第1章 绪论

1.1 选题意义及研究背景

随着汽车产业的发展，燃油汽车给人们带来便利的同时也带来一系列环境问题^[2]。在全球电子化、信息化、倡导绿色环保的大背景下，轮毂电机驱动的电动汽车便应运而生。与传统燃油汽车相比，电动车更加节能、污染更小、更加舒适。但是电动汽车的发展也遇到许多瓶颈，包括续航里程、充电速度、充电桩的配置等等。轮毂电机的出现提供了新的思路，在机械结构改变的大前提下，电子差速系统是否可靠是汽车安全的前提。

现在的电动车绝大多数依旧是以集中动力形式存在的，通过一个或多个电机工作，再经由差速机构将动力传递给各个车轮。在公路运输系统中，差速器在防止车辆在弯曲道路上侧滑方面起着重要作用。 实际上，大部分汽车依旧是采用机械差速器的，但是机械差速器不断增长的重量使得其结构变得格外复杂。而且，机械差速并不适用于两个后轮分别独立驱动的情况。

差速系统是影响汽车稳定的重要因素^[3]。但在21世纪以来，新型的动力传递结构对汽车行业产生了深远的影响。该设计采用分散的动力源，与传统的集中动力不同，其每个动力源各自提供动力，在车轮边或轮内配上电机，改变了传统汽车的驱动形式（省去了汽车一系列的机械装置，如离合器、变速器、发动机、传动轴等等）。轮毂电机带来了许多优点，首先是使机械结构简化，传动链更加短，只通过CAN高速总线接收指令，并且电动轮的布置十分灵活，无论是前驱、后驱、还是四驱都可以达到直接独立驱动的目的。由于取消了传统的机械差速器，电子差速功能的实现和转矩的分配是轮毂电机普及起来的一大技术难点。能够合理控制每一个独立电机的驱动力矩和制动力矩，便可以实现包括ABS、TCS、ESP在内的所有底盘控制系统的功能。再生制动能量回收也是现在研究的热门，轮毂电机使用的是电能，所以其制动能量与燃油车相比也更加容易回收。因此，电子差速系统的可靠性变得尤为重要。设计一款响应速度块、响应精度高、可靠性高的电子差速系统是目前国内外研究的重点。由于低速以及高速情况下汽车载荷的分配不同，轮胎的受力情况也不同，传统基于转速的差速器设计并不足以满足所有行驶工况。因此，基于转矩设计的具有自适应调节的电子差速系统就具有重要且实际的价值。

1.2 轮毂电机电动汽车研究现状

轮毂电机的出现给电动汽车带来了一场革命，有如下一些优势：

1. 在响应上比传统燃油汽车更加快速、精确。这对于实现车辆动力学控制有着重大意义，例如操作稳定性控制、防滑控制等。传统的内燃机汽车所产生的动力需要经过一系列机构如变速箱、减速器、差速器等才能传递到车轮，其在传递的过程中响应速度慢，在控制上达不到迅速、精确。而轮毂电机电动汽车使用的是电驱动底盘，汽车所需要的驱动力控制都是由轮毂电机及其控制器来完成的，这种电机转矩的响应速度是极其迅速的，要比传统内燃机的汽车高10-100倍。另外电机还有一个好处在于，它工作的时候不但作为执行机构，同时也是传感机构，所以不需要像传统汽车一样额外设计状态观测器来测得转速转矩等信息，一定程度上降低控制算法的难度。
2. 能量利用率要比传统汽车更高。轮毂电机驱动的电动车拥有更短的传动链，在传动链上的损失自然也更少，其电机的效率大致上就是整车的效率。而对于内燃机和电动机而言，电机的效率要远远高于内燃机的，电机上的能量利用率自然也比内燃机高得多。下面是能量效率对比图1.1。传统汽车的能量是单向传递的，在发动机、电机的作用下，由化学能转变为电能，或者由化学能变为机械能。而纯电动汽车的能量是双向的，具有能量回收的功能，这为提高整车经济性做出了巨大贡献。

图1.1 汽车能量效率对比图

1. 整车的质量是影响整车性能的一个重要参数。轮毂电机电动汽车由于省去了一系列的传动机构，所以在整车质量上可以得到一定程度上的降低，并且由于轮毂电机是直接安装在车轮上的，所以其使得电动车更加紧凑，能够减小体积，节省空间。
2. 在环保意识日益增强的今天，人们越来越注重乘车带来的感受和影响。而电动汽车相比于内燃机汽车具有低排放、低噪声的优点。传统汽车上主要的噪声来源来自于发动机及其传动系统，这些噪声会顺着车身传递到驾驶室内，影响到乘车人员的舒适性。电机及路面对轮毂电机会产生冲击，这是轮毂电机的主要的振动源。电机在运作过程中是十分安静的，所产生的振动和噪声本来就小，再通过悬架的缓冲，基本对乘车人员的影响就很小了，轮毂电机的使用提高了汽车NVH性能。

1.3 现有转向技术研究

转向系统是汽车行驶中的一大重要的系统，其在传统燃油车上已经有久远的发展历史，以机构不同作为区别，可以将车辆分为轮式、履带式和车轮-履带式等等，同时助力转向也分为滑动转向、电动助力转向、液压助力转向、线控转向、直接横摆力矩（DYC）转向和差动助力转向等。

1. 滑动转向

在履带式车辆出现后滑动转向方式也随之出现。履带式车辆的行驶结构较为特殊，可以通过控制履带的转速来产生不同履带转速的差值，从而实现车辆的转向行驶，同时也实现了以不同的转向半径来转向。在履带式车辆转向的过程中两侧履带纵向力必须出现差值才可，故通过增加内侧履带制动力或减小内侧履带驱动力，同时外侧履带增大其驱动力或减小其制动力，在两侧履带相反的作用下得到绕车辆质心转动的横摆力矩，这些横摆力矩克服了转向产生的转向阻力和横摆转动惯性力，实现了转向行驶。履带车辆的行驶方式固然和现在乘用车相比因为结构的差别而有不同的转向原理，但是其滑动转向为轮式车辆差速功能提供了参考依据。但是滑动转向在转向过程中会产生巨大的转向阻力，因此滑动转向最大的缺点便是其能量损耗较大。

1. 电动助力转向

在电控系统的发展下，电控液压转向系统慢慢普及起来，和传统液压助力相比，电控助力转向由于电能优越的性能，可使得其可以根据车速对转向性能进行迅速调节。电控助力转向可以实现在低速时更加转向轻便，而高速行驶时转向更加灵敏，并且以保持路感和提高车辆稳定性为主。在电控系统的帮助下，仅仅更改控制程序的设置便可以得到不同转向特性，这种方式极大程度上缩短了研发周期，同时电控助力转向有低污染、低重量和紧凑结构的特点。电控助力转向唯一的缺点在于其功率密度较低，所以不适合用于重型车辆上。

1. 液压助力转向

液压助力转向是目前适用范围最大的助力转向，液压助力就是在转向系统上加上液压助力系统，发动机的动力会转化为泵的压力，供转向系统提供助力。液压助力可以降低驾驶员的体力消耗，其助力效果平稳显著，在重型车上更加明显。缺点是转向助力特性不容易调节，维护也比较困难等等。

1. 线控转向

线控转向是一种新的转向系统，其无需方向盘和转向机构直接采用机械连接。通过采集驾驶人员对方向盘的转角信号，将信号输入到电控单元，电控单元将控制信号给伺服电机，电机接收信号实现转向功能。

1. 直接横摆力矩（DYC）控制转向

DYC（直接横摆力矩（DYC））控制的方式是在轮毂电机的发展产生的产物，其调节两侧车轮驱动转矩，两侧车轮便产生转矩差，地面对车轮产生不同的纵向力，纵向力绕质心产生横摆力矩，通过控制横摆力矩可以改善汽车动力学各项性能，直接横摆力矩（DYC）控制已经是汽车主动安全的一部分。在轮毂电机的背景下，电动汽车各个车轮可实现各自转矩相互独立，并且能精确控制。对于电动轮汽车，其驱动电机的驱动力和制动力均是独立完成的，不像传统燃油车一样通过两侧车轮制动来产生横摆力矩。横摆力矩控制的方法提高了车辆操纵稳定性，也提高了主动安全的性能，同时轮毂电机可以实现电动汽车前驱、后驱以及四驱之间的自由切换，所以使得汽车能保持在最佳的行驶状态。

1.4 国内外电动车差速控制研究现状

1.4.1 国内研究现状

国内关于电动汽车的研究起步较晚，但是通过多年的研究与累积，也取得了丰富的成果。