基于摄动法的轮毂电机分布式驱动车体姿态动力学分析与控制

The distributed In-wheel motor driving is the main development direction of electric vehicle in the future. However, because the electric vehicle with distributed In-wheel motor driving is a multi-body coupling and complex electromechanical system whose dynamic model is multi-variable, multi-parameter and nonlinear. These model features can result in the blindness and uncertainty in the engineering application of vehicle attitude control. In this proposal, the multi-scale transform and parameter perturbation method are introduced to simplify the complex vehicle dynamic model. Specifically, we employ the Lagrange equation and Kane equation to build a mechanism model for vehicle body, then perform normalization and dimensionless transform over the model and finally find the small parameter in the equations. Meanwhile, asymptotical expansion and perturbation analysis are introduced to the equations to derive the main behaviors and change law of vehicle attitude, discuss the major factors to control the attitude of vehicle body, determine the correspondence between the vehicle attitude and the driving force of In-wheel motor, and then build a vehicle attitude oriented dynamical model, explore error matrix-based coordinate compensation control strategy. The proposal originates from a number of related engineering projects. The research on this project not only has important theoretical support for the engineering application, but also has important scientific significance.

轮毂电机分布式驱动的电动汽车是今后电动汽车的主要发展方向。然而由于轮毂电机分布式驱动的电动汽车车体是多体耦合的复杂机电系统，其动力学模型表现为多变量，多参数，非线性，造成工程应用中对车体姿态控制的盲目性和不确定性。项目采用多尺度变换和参数摄动方法对车体动力学模型进行分析，从而可实现复杂动力学模型的简化。将采取拉格朗日方程和凯恩方程等方法对车体进行机理建模，对模型进行规范化和无量纲化变换，找出方程中的小参数，进行渐进展开和摄动分析，分析车体姿态变化的主要性态和变化规律，进而分析控制车体姿态变化的主项因子，确立车体姿态与轮毂电机驱动力之间的对应关系，建立面向车体姿态控制的动力学模型，探索基于误差矩阵的协调补偿控制策略。项目的提出是在多个相关项目研究的基础上凝练而成的。该项目的研究对工程应用具有重要的理论支撑，同时也具有重要的科学意义。

本项目针对轮毂电机及其以轮毂电机为驱动的分布式驱动的电动汽车动力学特性进行研究。项目自立项一年来主要开展了两方面的研究工作。一是针对轮毂电机四轮驱动的电动汽车在横摆方向上受到外部干扰下和参数变化下控制系统的鲁棒性进行了研究，提出一种基于H的鲁棒控制算法。二是针对轮毂电机本身在复杂路面下和严酷的环境下极易出现的断线故障问题进行研究，提出一种新的轮毂电机驱动拓扑结构，将原来常规的三相三桥臂逆变器改进为三相四桥臂逆变器，在正常运行模式下，采用常规的对称的三相六状态工作模式，而当发生单相断线故障时切换到非对称的三相四状态工作模式。在此基础上提出一种分段终端滑模控制算法，可有效提高系统运行的可靠性。.一、在四轮独立驱动下，充分考虑到横摆系统在受到参数的不确定性，路面的凹凸，空气阻力，轮胎压力等多种因素的影响，综合了控制系统状态空间模型和控制结构，建立了整车系统横摆方向的增广动力学模型，基于这个模型提出一种H 无穷的鲁棒控制算法，该算法，采用了算参数变换的Lyapunov函数和LMI方法，通过MATLAB仿真验证了该方法的有效性。该项研究成果投到IEEE Transaction on Transportation Electrification，正在审稿中。.二、轮毂电机做驱动时，轮毂电机运行环境极为恶劣，轮毂电机的故障时有发生，因此研究轮毂电机容错控制技术就显得十分必要。我们针对轮毂电机单相断线故障进行了研究，提出了采用三相四桥臂的逆变器拓扑结构和两相四状态运行控制模式，以及分段非奇异终端滑膜控制策略，大大增强了轮毂电机运行时的鲁棒性。该项研究成果在2016年IEEE ICIA16会议上发表，并且已经投到IEEE Transaction on Industry Electronics，正在审稿中。