论文总字数：15989字

摘 要

四轮独立驱动电动汽车将动力向轮端转移，为驾驶者提供了更加完善的转矩响应、更好的操纵性、更快的加速性、更少的充电时间以及更长的续航里程，简化了整车厂新能源车的组装或转化过程。轮毂电机中可集成电子电力模块和数字控制功能，实现不需要传动装置的直接驱动。因为驱动力的充足，在满足基本动力学要求的前提下，各个车轮的转矩分配具有多种可能。

本文从稳定性出发，设计了基于PID控制理论的直接横摆力矩控制系统，利用二自由度汽车模型，并把横摆角速度和质心侧偏角作为控制变量。在得到期望横摆力矩后，建立了四轮扭矩分配系统，根据动力学，合理分配车轮扭矩，在CarSim和Matlab/Simulink联合仿真中，双移线工况的仿真结果显示，设计的控制系统，达到了稳定性控制的目标。

关键词：四轮独立驱动；直接横摆力矩控制；稳定性控制；电动汽车；PID控制

Research on Yaw Control System of Four-Wheel Independent Driving Electric Vehicles

Abstract

Four-wheel independent drive electric vehicles transfer power to the wheel end, providing drivers with better torque response, better maneuverability, faster acceleration, less charging time and longer cruising range. The assembly or conversion process of new energy vehicles in OEMs. The electronic power module and digital control functions can be integrated in the hub motor to achieve direct drive without the need for a transmission. Because of the sufficient driving force, the torque distribution of each wheel has many possibilities under the premise of meeting the basic dynamic requirements.

Based on the stability, a direct yaw moment control system based on PID control theory is designed. The two-degree-of-freedom vehicle model is used, and the yaw rate and the centroid side angle are used as control variables. After obtaining the desired yaw moment, a four-wheel torque distribution system is established. According to the dynamics, the wheel torque is reasonably distributed. In the joint simulation of CarSim and Matlab/Simulink, the simulation results of the double-shifting condition show that the designed control system, The goal of stability control has been achieved.

Keywords: Four-Wheel Independent Drive; Direct Yaw Moment Control; Stability Control; Electric Car; PID Control

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景和意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文的主要内容 2

第二章 四轮独立驱动电动汽车动力模型的建立 4

2.1 线型二自由度汽车模型 4

2.2 车轮模型 4

2.3 轮胎模型 5

2.4 本章小结 5

第三章 DYC稳定性控制研究 6

3.1 控制参数的选择与分析 6

3.1.1 质心侧偏角对稳定性的影响 6

3.1.2 横摆角速度对稳定性的影响 7

3.2 控制变量期望值的求解 8

3.3 基于PID直接横摆力矩控制器 8

3.3.1 PID控制原理 8

3.3.2 PID控制参数的整定 9

3.4 控制系统的设计 9

3.4.1 质心侧偏角PID控制 9

3.4.2 横摆角速度PID控制 10

3.5 四轮扭矩分配器 10

3.6 本章小结 11

第四章 仿真结果与分析 12

4.1 仿真环境与工况（参数设定） 12

4.2 仿真结果 13

4.3 分析 14

第五章 总结与展望 15

5.1 总结 15

5.2展望 15

致谢 16

参考文献 17

第一章 绪论

1.1 背景和意义

节能、环保、安全是汽车发展不变的主题。和传统的燃油汽车相比，电动汽车在缓解能源消耗和减轻环境污染等问题上表现出前所未有的潜力与优势。因此，电动汽车的发展前景较好，国内外对电动汽车也逐渐重视。越来越多的国家和企业开始宣布停产或停售传统燃油汽车的计划，人们急需要有别于传统燃油汽车的新能源汽车，以缓解现在的资源压力和环保压力，电动汽车顺势逐渐普及。目前轮毂电机的技术积累逐渐丰厚，电机集成于车轮轮毂，车轮与电机实现同步转动，如图1.1为全球领先的电驱动技术供应商Protean Electric公司的轮毂电机。对于轮毂电机，控制电机扭矩即是控制车轮扭矩，因此四轮独立驱动电动汽车作为一种新型电动汽车得以实现和发展。

图1.1 Protean Electric的轮毂电机

轮毂电机的存在，使得四轮独立驱动电动汽车不需要传统汽车的传动装置，例如：减速器、变速器、差速器，传动轴等。使用轮毂电机的四轮独立驱动电动汽车，其车身结构相对于传统需要复杂机械传动的汽车得到了很大程度的简化，这降低了汽车车身设计的难度，更方便于设计更高安全系数的车身结构。此外，轮毂电机的应用减少了机械传动的能量损耗，大大提高了汽车的传动效率。目前电动汽车已经逐渐开始商业化，但是使用轮毂电机的汽车还不是很多，其普及还需要较多的经验和技术积累。

横向稳定性是汽车的安全性能的重要指标之一。汽车性能的不断提高，对其稳定性控制系统的要求也随之提高，一直以来各大车企和各国学者都将车辆稳定性控制系统作为重要课题。直接横摆力矩控制通过直接控制轮胎纵向力来主动产生附加横摆力矩，消除车辆自身与理想横摆力矩的偏差，实现对车辆稳定性的控制，这是目前研究比较普遍的一种控制策略之一，具有很好的发展前景。应用轮毂电机的四轮独立驱动电动汽车，相对于传统差动制动的方式，可直接控制驱动力产生附加横摆控制力矩来提高车辆行驶稳定性，使汽车达到期望的运动状态，保障汽车的行驶安全。

1.2 研究现状

四轮独立驱动电动汽车将动力向轮端转移，为驾驶者提供了更加完善的转矩响应、更好的操纵性、更快的加速性、更少的充电时间以及更长的续航里程，简化了整车厂新能源车的组装或转化过程。轮毂电机中可集成电子电力模块和数字控制功能，实现不需要传动装置的直接驱动。因为驱动力的充足，在满足基本动力学要求的前提下，各个车轮的转矩分配具有多种可能，如图1.2。

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