摘 要

大学生方程式系列赛事是近些年风靡全球的面向大学生的工程实践类竞赛。自2015年举办首届中国大学生电动方程式汽车大赛，武汉理工大学WUTE方程式赛车队就一直积极投身到该项比赛，积累了大量赛车的设计研发及加工经验。本文的工作就是为我校赛车设计一种合适的双电机后轮驱动系统的电子差速控制策略，满足其在急转弯、连续转弯工况下的差速性能，防止车轮过度滑移，确保车辆在8字环绕、高速壁障中的稳定性，并对这种控制策略进行仿真分析。

首先，本文介绍了目前几种现有的大学生方程式赛车的驱动系统布置形式，讨论了各自的优缺点，并根据武汉理工大学WUTE方程式赛车队的整车设计参数，对我校大学生方程式赛车的双电机驱动系统重新进行了动力装置匹配计算，包括电机参数选型的验证过程及传动比的匹配计算过程。其次，本文参照车辆动力学理论建立了阿克曼转向模型、轮胎滑移特性、及线性二自由度车辆模型，为后面的控制策略设计及仿真提供了理论基础。本文共设计了两种电子差速的算法，即第一种方案为基于载荷比例分配的控制算法；第二种方案为基于阿克曼转向模型的PID控制算法。利用CarSim与Simulink联合仿真的环境下，对比了两种控制策略在相同的工况下的差速效果，并增加使用机械式差速器的赛车模型作为对照组。经过50km/h双移线工况及50km/h方向盘正弦转角输入工况中，两种控制策略分别与机械式差速器的效果对比可以得到结论：第一种控制策略可以很好地拟合机械式差速器的效果，而第二种控制策略无论在差速的响应速度还是在转弯时的稳定性和操控性方面对比机械式差速器均有较为明显的性能提升。

关键字

大学生方程式 双电机 电子差速 CarSim与Simulink联合仿真

Abstract

The Formula Student is an engineering practice competition for college students that has been popular all over the world in recent years. Since 2015 China has hosted the first Formula Student Electric Competition, the WUTE Electric Racing Team of Wuhan University of Technology participated actively in the competition, and has accumulated a lot of experience in the design, development and processing of racing cars. The work of this paper is to design a suitable electronic differential control strategy for the dual-motor rear-wheel drive system for our school ’s racing car to meet its differential performance under sharp and continuous cornering conditions, prevent wheel slip, and ensure the vehicle Stability, and simulation analysis of this control strategy.

First of all, this paper introduces several kinds of existing driving system of Formula Student race cars, discusses their respective advantages and disadvantages, and according to the design parameters of the WUTE Electric Racing Team of Wuhan University of Technology, the matching of the drive system has been re-calculated, including the verification process of the motor parameter selection and the matching calculation process of the transmission ratio. Secondly, this paper establishes the Ackermann steering model, tire slip characteristics, and linear two-degree-of-freedom vehicle model with reference to the vehicle dynamics theory, which provides a theoretical basis for the control strategy design and simulation. This paper has designed two kinds of electronic differential speed algorithms, namely the control algorithm based on load proportional distribution and the PID control algorithm based on Ackermann steering model, and using CarSim and Simulink co-simulation environment to compare the performance of two control strategies under same operating conditions, and add a race car model which using a mechanical differential as a control group. After a comparison of 50km / h double lane conditions and 50km / h steering wheel sinusoidal angle input conditions, it can be concluded that the first control strategy can fit the effect of the mechanical differential well, while the second control strategy, compared with the response speed of the differential or the stability and maneuverability when turning, it has a more obvious performance improvement than the mechanical differential.

Keywords

Formula Student, Dual motor, Electronic differential, CarSim and Simulink co-simulation

目录

第1章 绪论 2

1.1引言 2

1.2课题背景及研究意义 2

1.3国内研究现状 4

1.4国外研究现状 5

1.5本文的主要研究内容 6

第2章 大学生方程式赛车的简介与总体设计 7

2.1方程式赛车的总体参数 7

2.1.1设计理念 7

2.1.2整车参数 7

2.2电动方程式赛车的基本原理 8

2.3电动方程式赛车的结构布置形式 9

2.4电动方程式赛车的动力装置匹配设计 11

2.4.1电机参数选择 11

2.4.2主减速器传动比设计 13

2.5本章小结 14

第3章 车辆动力学分析 15

3.1阿克曼转向几何 15

3.2轮胎模型 17

3.3线性二自由度汽车模型 18

3.4 本章小结 22

第4章 差速系统分析 23

4.1差速的目的 23

4.2电子差速策略（方案一） 23

4.2.1基于载荷比例分配的控制算法 23

4.2.2基于转速约束的滑移率修正算法 24

4.3电子差速策略（方案二） 25

4.3.1 基于阿克曼转向模型的控制基本原理 25

4.3.2 PID算法简介 26

4.4本章小结 27

第5章 电子差速的建模与仿真 28

5.1 CarSim整车模型 28

5.1.1车体模型 28

5.1.2转向系统模型 29

5.1.3制动系统模型 29

5.1.4悬架模型 30

5.1.5动力系统模型 30

5.2 Simulink控制策略模型 31

5.2.1总需求转矩子系统 32

5.2.2转矩分配子系统（方案一） 32

5.2.3转矩分配子系统（方案二） 34

5.3联合仿真 34

5.4本章小结 35

第6章 仿真工况及仿真结果分析 36

6.1初速度为50km/h的双移线仿真工况 36

6.1.1无反馈控制的开环电子差速控制策略 38

6.1.2加入反馈控制的闭环电子差速控制策略 39

6.1.3基于阿克曼转向模型的PID控制策略 41

6.2初速度为50km/h的方向盘转角正弦输入仿真工况 44

6.2.1无反馈控制的开环电子差速控制策略 44

6.2.2加入反馈控制的闭环电子差速控制策略 45

6.2.3基于阿克曼转向模型的PID控制策略 48

6.3结果分析 50

本章小结 50

第7章 总结与展望 51

7.1总结 51

7.2展望 51

参考文献 53

致谢 55

第1章 绪论

1.1引言

时代进步，历史变迁，随着人类文明迈向工业化，汽车在人们生活中扮演者越来越重要的角色。传统的燃油车辆随着数量的增多也带来了环境污染、噪声、拥堵等新的问题。在可持续发展、节能减排等社会需求下，汽车正经历着电动化、电气化、智能化的发展。电动汽车自问世以来，一直在争议与赞誉的声音中发展。一方面，虽然电能作为一种可再生、高效且相对清洁的能源非常适合于用作驱动汽车的动力源，但由于储能介质上的先天劣势，电动汽车存在着成本高、续航里程短等缺点。另一方面，电动汽车也有着不可替代的优点：

(1)由于通过电机驱动，在行驶时可以做到完全零排放零污染以及低噪声。