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轮穀电机驱动电动汽车状态估计及直接横摆力矩控制研究
引言
随着科技的进步发展，轮毂电机驱动电动汽车凭借自身的技术优势一定会成为未来电动汽车产业的重要发展方向，由于轮毂电机驱动汽车是一种全新的驱动形式，因此需要专门对其动力学控制特性进行分析研究。
本文的研究依托于国家科技部国际科技合作计划“先进轮毂电机驱动电动汽车技术平台联合研发”，以轮毂电机驱动汽车为研究对象，基于运动学、车辆系统动力学及其控制原理，设计车辆的直接横摆力矩控制系统，进行车辆状态观测的设计与控策略开发，并且搭建了线仿平台、实时试平台与轮电机动试验样车进行控器效的验证，以分发挥轮毂机驱汽车动力学控制研究领的优势。
轮毂电机驱动汽车动力学控制研究现状
采用轮毂电机驱动使整车系统的控制自由度增加，为保障车辆行驶时的可靠性与安全性，转矩协调控制问题是应当解决的关键性问题之一，轮毂电机驱动汽车的动力学控制已经成为汽车主动安全控制研究领域的热点。国内外的汽领域学者、科研人员均已开展基于轮轮电机动电车的力学控制研究工作，从控算法应用到系统件的验证，甚至在与其他技术的集成控方面都进行大量研究工作。面将对这一时期的国外研究成果做一个概括介绍。
日本东京大学的崛洋一教授与坂井真一朗博士在轮毂电机驱动汽车动力学控制领域的研究水平一直处于领先地位，曾在上个世纪末他们就开发了轮毂电机驱动电动汽车―UOT Electric March‖系列电动车，并对基于开发试验对车辆状态估计、对防控制及操纵定性控制进了系的研究。
基于无迹卡尔曼滤波的车辆状态观测
实时而准确的获得质心侧偏角等状态变量是车辆底盘控制研究的关键，它能够帮助控制单元确定控制系统的控制目标，作出合理的判断。因此，建立准确可靠的车辆状态观测器，需要考虑车辆模型的非线性因素以及车辆参数不断变化的问题，其轮的非性力学特性使车辆状态非线性区间转弯时变化非常剧烈。应用状态估计的测算法通常有以下种：
1) 龙贝格观测器：该方法通过配置系统极点达到状态估计的目的；龙贝格观测器的结构比较简单，但不能对非线性系统进行状态估计。
2) 滑模观测器：这是一种基于变结构控制理论的非线性观测方法，其使用估计状态与量测值之间的误差设计滑模面及趋近律，通过合理地改变系统的结构，从而是误差中沿着预定的滑模面收敛至零；该方法具有响应快速、对统结构参数及外干扰鲁棒性和无需对控对象进行高度建等优，但对噪声的抑作用有限。
轮毂电机驱动汽车 DYC 系统架构
分层式控制方法具有与集中式结构等效的控制效果，各个层级在满足整体性能的前提下具有相对独立的控制目标，从而简化了控制系统的复杂度并方便设计者对控制器进行参数调校，若控制器在实际运行过程中出现故障，分层式方案可更容实施诊断与错处理。
本文采用层次化架构进行 DYC 系统的设计，如图 3.1 所示，上层控制器仅考虑车体纵向、侧向以及横摆方向上的运动，并基于稳定性判据建立滑模面切换机制计算得到运动总力和总力矩，再由下层控制器最优地计算出各个机转矩并分至四车轮处，同时兼顾执行器约束因素，比如路附着件、胎力界以及电机峰值转矩等的限制。
轮毂电机驱动汽车 DYC 系统上层控制器设计
在设计横摆力矩控制策略之前，首先应该确定用哪些车辆运动状态量来表征车辆的行驶稳定性。
稳态行驶工况下，横摆角速度反映汽车的转弯行驶能力，横摆角速度越大，汽车转弯越快，转弯半径越小；相反也是如此。可见质心侧偏角接近于零时，横摆角速度表征车辆行驶轨迹。
图 3.2 中的两组曲线分别是汽车在稳定情况下的等前轮转角曲线和等路面附着系数限制曲线，描述车速与横摆角速度在一定路面附着系数及前轮转角情况下的关系。
在某路面附着条件和转角下，车速从零开始逐渐增大，横摆角速度值与车速成线性变大，当车速增加到一定程度时，受路面附着的限制，横摆角速度不再增加，而是随着车速增加而下降。
由图 3.3.a 可知，当侧偏角为零时，前轮转角和横摆力矩是同向的，当侧偏角和横摆力矩方向不同时，轮胎侧向力很小，车辆稳定性裕量很大，不容易失稳。当质心侧偏角增大时，横摆力矩随侧偏角的增大到达峰值后迅减小，当质心侧偏继续大时，横摆力矩降为零，此时方向盘输不会产生横摆力矩作用于辆，车状态不受驾驶员控制，能通驾驶员作用恢复到定状态而且辆状态容易外界影响而生改变，处失稳态。
