基于轮毂电机的学生方程式电动赛车转向研究毕业设计.docx
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基于轮毂电机的学生方程式电动赛车转向研究毕业设计
基于轮毂电机的学生方程式电动赛车转向研究-毕业设计
基于轮毂电机的学生方程式电动赛车转向研究-毕业设计西华大学毕业设计说明书毕业设计说明书题目:
基于轮毂电机的学生方程式电动赛车转向研究学院(直属系):
交通与汽车工程学院年级、专业:
2010级车辆工程姓名:
屈骁学号:
312010081407231指导教师:
邓鹏毅完成时间:
2014年5月18日目录摘要4Abstract51前言62传统汽车转向系统简介72.1汽车对转向系统的要求72.2传统转向系统的缺陷73电子差速转向系统介绍83.1电子差速的概念及其优越性83.2实现电子差速的重要技术83.2.1实现电子差速的电机83.2.2电机驱动控制系统94电子差速控制策略104.1电子差速转向系统结构104.1.1机械结构104.1.2控制系统104.1.3转向基本原理概述114.2转向方式分析114.3基于BP神经网络的电子差速控制124.3.1神经网络的特点124.3.2建立复合神经网络模型134.3.3整车模型的建立144.3.4计算基本轮速的Ackerman模型154.3.5用来修正各轮速度的BP神经网络模型184.3.6整个复合模型的学习过程194.4本章小结205Simulink模型的建立及仿真结果的分析215.1Simulink概述215.2Simulink模型的建立215.2.1整车动力学的Simulink模型215.2.2Ackerman-Jeantand的Simulink模型235.2.3BP神经网络的Simulink模型245.3仿真结果及分析255.3.1恒速工况仿真及分析255.3.2加速工况仿真及分析275.3.3减速工况仿真及分析305.4本章小结326设计总结33总结与体会34致谢35参考文献36附录A:
复合神经网络的Simulink模型37附录B:
神经网络模型BP部分的Simulink模型3838基于轮毂电机的学生方程式电动赛车转向研究摘要本文对传统汽车的转向系统进行了简要的介绍,重点介绍了这些传统系统在操纵轻便性和经济性等方面表现出的不足之处。
对电子差速的基本概念和优越性进行了较为详细的描述,重点分析了实现电子差速的轮毂电机以及电机驱动等关键技术。
本文在对电子差速的转向原理和转向方式进行分析之后,提出了一种基于轮毂电机的电子差速方案。
该方案采用了最符合驾驶者习惯的前轮转向,以车速V和方向盘的转向角δ为输入量,在Ackerman-Jeantand汽车转向模型的基础上,结合BP神经网络良好的修正作用,确定了整个电子差速方案的控制策略。
本课题建立了合适的数学模型,利用MATLAB-Simulink的计算和仿真功能,对控制结果进行了仿真,并对仿真结果进行了分析,从而验证了控制策略的正确性。
关键词:
转向系统,电子差速,控制策略,仿真SteeringresearchintosudentformulaelectriccarbasedonwheelhubmotorAbstractThisarticlebrieflyintroducesthetraditionalautomobilesteeringsystem,focusesontheshortcomingsofthesetraditionalsysteminhandlingeconomicandotheraspects.Thebasicconceptoftheelectronicdifferentialandadvantagesaredescribedindetail,analyzestherealizationofelectronicdifferentialspeedmotorandmotordrivetechnology.Inthispaper,turnedinthesteeringprincipleandtheelectronicdifferentialmodeanalysis,proposesanelectronichubmotordifferentialschemebasedon.Thisschemeadoptsthefront-wheelsteeringwhichismostusedanddefinesthespeedV,steeringangleδasinput.ThenelectronicdifferentialschemeofcontrolstrategyisdeterminedbasedontheAckerman-JeantandvehiclesteeringmodelandBPneuralnetwork.Thispaperestablishesamathematicalmodelsuitable,thecalculationandsimulationfunctionofMATLAB-Simulink,thecontrolresultissimulated,andthesimulationresultsareanalyzed,whichverifiesthecorrectnessofthecontrolstrategy.Keywords:
Steeringsystem,Electronicdifferential,Controlstrategy,Simulation1前言随着我们赖以生存的环境日益恶化和能源危机的进一步加深,汽车的可持续发展面临着越来越多的问题。
自从1886年卡尔本茨发明汽车以来,它就成为了人们生活中不可缺少的一部分。
汽车给人们的出行带来了极大的便利,同时也促进了工业的发展,进一步加快了社会的进步。
但与此同时,汽车消耗了大量的化石燃料,排放了大量的污染气体,对我们赖以生存的生态环境造成了不可逆转的损害。
而且在当今能源战略的大环境下,发展新能源汽车尤其是电动汽车就显得尤为必要。
同时,电动汽车的转向灵敏性以及操作轻便性也有改善,这在一定程度上减少了汽车行驶过程中的不安全因素。
电动汽车是指主要以动力电池组为车载能量源,由电机驱动系统提供部分或者全部行驶动力的一类汽车,是机械、电子、微型计算机控制等多学科高科技技术的共同产物。
由于使用能源的不同,电动汽车需要对一些结构进行必要的改进,但就是这些改进的地方成为了电动汽车相对于传统汽车的优势,比如采用分布式驱动系统。
采用分布式驱动系统是为了提高电动汽车的运行速度和效率,而这种系统需要使用电子差速调节电机转速实现车体转向,这也是本文研究的主要内容。
转向是汽车最基本也最重要的操作,但随着人们的需求越来越多,传统的转向机构已经不能够满足人们的期望了。
同时,如果能提高转向机构的灵活性、稳定性,不仅人们的驾驶体验能得到极大的提高,而且交通事故也一定会减少许多。
正是由于以上原因,电子差速转向应运而生。
本课题也将就此进行一定程度的研究。
2传统汽车转向系统简介在汽车行驶过程中,转向是最基本也最常见的操作,驾驶者通过操作方向盘实现对转向器的控制,从而使车体发生偏转,最终实现平稳转向。
转向系统是汽车上最重要的总成之一,转向系统的好坏一方面关系到整车的性能,另一方面,也决定着整车的主动安全性。
随着科学的发展,汽车转向系统也有长足的改善,这在一定程度上促进了汽车技术的健全与发展。
2.1汽车对转向系统的要求⑴具有较高的转向灵敏度。
当输入的转向盘转角较小而又要使汽车迅速实现转向,这就要求转向器具有较小的传动比,转向系统具有较高的转向灵敏度。
⑵具有较好的操作轻便性,即转向系统能以较小的操纵力获得大的转向力矩,方便驾驶者对整车进行操纵控制。
为了满足以上要求,可采取以下措施:
⑴尽量减轻自重,选择最佳轴荷分配;⑵优化转向系统结构,提高整体传动效率;⑶减小主销后倾角,选择最佳转向器速比曲线;⑷采用较为先进的助力转向系统。
2.2传统转向系统的缺陷⑴机械式转向系统。
此类系统采用了减速器、差速器等一系列差速结构,一方面,转向传动比固定,这会使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等的变化而变化,这对驾驶者的操作技术提出了更高的要求,从而增加了很多不安全因素;另一方面,机械式转向系统使底架结构更加复杂,这大大降低了车身造型设计的自由度。
⑵液压助力转向系统(HPS)。
HPS经济性较差,采用此系统,汽车每行驶100多公里会多消耗0.3-0.4L的燃料;HPS还存在较为严重的液压油泄露问题,电液助力转向系统同样存在这个问题。
3电子差速转向系统介绍3.1电子差速的概念及其优越性电子差速是近年来出现的一种较为先进的汽车电子转向系统。
与传统转向系统不同的是,它没有差速器、减速器等机械部件,只是接收由转向机构发出的转向控制指令,通过计算,然后由电子控制器发出信号控制转向时内外车轮的速度差,使车体发生偏转,达到平稳转向的目的。
电子差速控制系统,由于省略了一些在传统转向机构中很重要的零部件,所以在汽车转向特性的设计中的限制因素较少,因此具有很大的自由设计空间,这对汽车转向系统的优化是极其有利的。
⑴电子差速采用电子线控技术,实现各电动轮的变速以及内外轮轮速差等要求,这使很多机械结构得以省略,一方面使转向操作更加轻便,另一方面大为简化了底架结构,使整车总布置及车身造型的设计变得更为灵活。
⑵采用电子差速,由于限制因素的减少,所以汽车转向特性的设计有更多的方案可供参考与使用。
⑶采用电子差速,各电动轮的电气制动和能量回馈制动变得更加容易实现,这减少了制动能量的消耗。
3.2实现电子差速的重要技术3.2.1实现电子差速的电机电子差速的实现与很多因素有关,但毫无疑问,轮毂电机与驱动系统是最重要的部件之一,驱动电机应具有启动转矩大、转速高、调速范围宽、体积小、质量轻、效率高且具有动态制动性和能量回馈等特性。
目前,运用在电动汽车上的电机主要有:
直流电机(DCM)、感应电机(IM)、永磁无刷电机(PMDLM)、和开关磁阻电机(SRM)。
随着技术的进步和人们对使用性能的要求逐步提高,电动汽车用电机逐渐由有刷直流向交流、无刷直流发展。
永磁无刷电机具有较高的功率密度,其控制方式也比较简单可靠,因此广泛应用于各种电动车,也是电动车行业研究的热点部分。
永磁无刷电机通常分为永磁交流无刷电机和永磁直流无刷电机。
永磁交流无刷电机通常是指交流同步电机,而永磁无刷直流电机可分为正弦型永磁同步电动机和直流无刷电动机两种。
无刷直流电机系统一般采用霍尔式元件,不需要绝对位置传感器,可以通过检测反电动势波形进行换相。
永磁同步电机具有较高的能量密度和效率,其体积小、响应快、惯性低,适用于电动汽车的驱动系统,应用前景极好。
3.2.2电机驱动控制系统现代电动汽车的电机驱动系统多采用两轮驱动方式,驱动电机与减速器相连再带动车轮。
内外车轮由于驱动电机的转速不同而产生速度差,从而实现差速。
计算各电机转速之间的关系是非常关键的一步,这种关系与车轮的速度密切相关,而车轮的速度需要对一系列减速器的减速比进行计算,这种计算比较复杂,所以对于电动汽车来说,已经影响到了电子差速控制的原本意图,不再具有电子控制的实时性。
电子差速的功能在电机转速与车轮转速保持实时一致的情况下才能得到最好的体现,解决这个问题的最佳途径就是采用轮毂电机。
采用轮毂电机从结构上提高了电动汽车的性能,电动机直接安装在车轮的轮毂内,输出转矩直接传输到车轮,一方面使车体空间的利用率得到提高,另一方面又省略了传统的离合器、减速器等机械传动部件,整车重量得到了减轻,降低了机械传动损耗。
轮毂电机的尺寸要受到很多方面的限制,但轮胎直径的限制无疑是最明显的。
在电动汽车上采用四轮驱动方式是电动汽车发展的重要趋势,这种驱动方式的核心就是采用电子差速系统调节电机转速实现转向操作。
4电子差速控制策略4.1电子差速转向系统结构4.1.1机械结构差速是当汽车行驶到弯道路面时,为了达到平稳通过的目的,转向时汽车的内外轮需要具有一定的速度差。
传统的汽车具有诸如差速器、减速器等一系列复杂的机械装置,而本课题采用基于轮毂电机的电子差速,通过对调节轮毂电机的转速实现对电动汽车转向的控制。
本课题采用电子差速是在必要时通过输入电子信号使内外轮产生合适的速度差,达到平稳转向的目的。
传统的指令输入采用方向盘输入,由于其简单的特点,本文依然采用这种输入方式,使前轮的转向角度能够通过方向盘得到单独控制;除此之外,在方向盘转动轴的底部安装了一个旋转式电位器,该电位器产生模拟电压作为电子差速转向系统的输入指令。
如今,随着技术的进步,提出的差速方案非常多,但所有方案都是基于四轮电子差速,通过对车速、转向角、轮速的计算对转向过程进行分析。
4.1.2控制系统由于是四轮电子差速,所以需要对四个轮毂电机同时进行差速计算和速度控制。
控制系统是一个复杂的系统,其主要硬件结构包括:
输入转向指令的方向盘、输入模拟电压的电位器、控制器、四个轮毂电机、四个速度传感器。
图4-1为电子差速转向总体控制框图。
图4-1为电子差速转向总体控制框图4.1.3转向基本原理概述电子差速转向系统取消了传统汽车上具有的机械差速器和减速装置,结合机械结构的一些优点,通过对电机转速进行调节,改变车轮的转速实现差速转向。
当电动汽车需要执行转向操作时,由于轮毂电机的转速不同,使内外侧车轮产生一定的速度差,外侧车轮的驶过的距离必然大过内侧车轮,车体向内侧偏转,从而使转向操作得以完成。
电动汽车的转向过程:
电位器将方向盘的角度输出控制系统可接收的模拟信号,此前,定义方向盘的角度输出量与模拟量之间的数学关系;然后分析这个模拟信号的变化范围,经过计算即可得到方向盘处于不同位置时,各个车轮转速的分配;内外侧车轮速度产生差异,转向实现。
在本文4.3中有具体分析和公式。
4.2转向方式分析四轮转向车辆具有三种工作模式:
前轮转向、四轮转向、斜行转向。
⑴前轮转向:
最常用的一种转向方式,前外侧车轮的行驶半径大,驾驶员往往通过前外轮的行驶来估计整车的行驶路线。
⑵四轮转向:
转向时前后四个车轮同时偏转,在对机动性有特殊要求的或者车身较长的汽车上比较常见,前后车轮在转向时偏转方向相反。
⑶斜行转向:
前后轮偏转方向相同的一种转向方式。
工作时,能从斜向靠近或远离工作面。
在斜坡上工作时可以提高整车的横向稳定性。
在电动汽车的驱动系统中,前轮转向是最符合人们驾驶习惯的一种转向方式,因为这种方式控制简单,所以在本次设计中采用前轮转向建立相关模型。
4.3基于BP神经网络模型的四轮电子差速控制根据实际应用,现有的电动汽车电机控制器基本上都采用直接力矩控制,采用这种方式的电机外特性基本上满足了人们的期望,也符合驾驶员的驾驶习惯。
但是这种控制方式存在着缺陷,例如在四轮独立驱动系统中,由于行驶路况复杂多变,不可预知的因素很多,车辆控制器必定会花大量的时间和计算能力对路面进行预测、处理,电机转速的控制必须通过对电机力矩的修正来完成,从而使车辆行驶过程中电机速度保持一致以及电机在转向时要形成一定的转速差的要求得到满足。
因为本课题采用的是四轮电子差速,所以需要对每个车轮的驱动力加以控制,也就是要对四个轮毂电机的转速进行控制,这样才能保证四个车轮协调工作,满足整车控制的要求。
现有的控制方式都是建立在整车动力学模型的基础上的,然而整车动力学模型的建立要考虑很多的因素,比如车轮、悬架特性、路面状况等,所以要建立一个参考模型要经过反复的思考和细致的计算。
综合以上原因,本课题采用速度控制策略,同时,电机驱动系统应该采用转速控制。
当需要执行转向操作时,方向盘通过转向轴底部的旋转式电位器发出一个信号,随后电机控制系统便会以最快的响应速度控制电机转速,使内外侧车轮产生速度差,从而实现转向。
本设计采用了一种结合Ackerman-Jeantand模型和BP神经网络的复合模型,Ackerman模型能清楚地表现出汽车转向时轮速与转角的关系,但这种模型忽略了很多实际的要素,所以通过此模型得出的数据与实际情况有较大的差异,所以需要用BP神经网络对其进行修正。
4.3.1神经网络的特点神经网络控制由于自身独特的优越性,近年来成为研究的热点控制方式之一。
它具有的主要特点有:
⑴现在的控制系统一般来说都比较复杂,在数学上都呈现复杂的非线性关系,所以大多数模拟控制方式很难接近这种关系,但是神经网络却能充分的做到这一点;⑵神经网络的处理结构是并行分布式的,一方面使自身具有很强的容错性,从而可以应用于非结构化的控制过程;另一方面,神经网络由于采用这样的处理方式,所以具有极强的优化和计算能力,这使神经网络可以被应用于处理复杂问题;⑶神经网络具有很强的适应性,这使得它可以用于控制系统的补偿。
在本课题中,就需要神经网络输出四个车轮速度的修正值,从而达到精准控制的目的;⑷要想把神经网络应用于结构化的知识,必须有很多的训练数据,这使得在应用神经网络之前,需要通过其他方式得到大量的训练数据。
在神经网络中,应用最广的是BP网络,图4-2为BP神经网络的结构图。
4-2BP网络结构BP网络也叫多层前馈网络,由三层(或以上)神经网络组成,也就是输入层、隐含层和输出层。
前馈是从网络结构上来说的,是前一层神经元单向馈入后一层神经元,而后面的神经元没有反馈到之前的神经元;而BP网络是从网络的训练方法上来说的,是指该网络的训练算法是反向传播算法,即神经元的链接权重的训练是从最后一层(输出层)开始,然后反向依次更新前一层的链接权重。
BP神经网络主要具有以下几个优点:
⑴布尔函数可以由任意两层单元的网络正确表示,但隐含层神经元的个数需要随网络输入数量的个数呈指数增长;⑵任何一个连续函数均可由一个两层的网络以任意精度逼近。
此处所述的两层网络是指隐含层采用sigmoid单元,而输出层则采用非阀值的线性单元;⑶任意函数都可由一个三层的网络以任意精度逼近。
其隐含层和输出层分别使用sigmoid单元、非阀值的线性单元。
4.3.2建立复合神经网络模型根据以上原理建立复合神经网络模型,模型图如4-3所示。
4-3复合神经网络模型学习原理图整个模型的输入值为方向盘转角δ和整车速度V。
Ackerman模型输出的是v1ackerman-v4ackerman;BP神经网络模型输出的是四个车轮转速的修正值△vl-△v4;而四个车轮的速度v1-v4则有虚线框内的复合模型计算得到。
v1-v4与v1整车-v4整车之差就是整个复合神经网络的信号误差。
4.3.3整车模型的建立建立合适的参考模型是一个复杂的过程,涉及的因素非常多,结合实际情况和自身能力,忽略了空气阻力、滚动阻力、轮胎和悬架的非线性特性等因素的影响,选取车身的侧向、横摆、四个车轮的转动等6个自由度。
整车动力学模型如图4-4所示。
4-4整车动力学模型图
(1)
(2)(3)(4)(5)(6)、分别是前后轮的侧倾刚度;是整车绕Z轴转动的转动惯量;是前轮转角且有;分别为汽车质心到前、后轴之间的距离;W为车身宽度;β为车身侧偏角;γ为横摆角速度;V为车速。
4.3.4计算基本轮速的Ackerman模型在本课题中,电子差速方案主要是研究当汽车执行转向操作时,车速、转向角、四个车轮速度之间的关系,同时,为了研究方便,本课题忽略了路况、轮胎影响等要素,假设电动汽车在理想的普通路面上行驶。
在电动汽车转向时,为了计算四个车轮的速度,必须对方向盘输入转向角与车轮速度之间的关系进行研究计算,建立相关的数学模型。
在Ackerman-Jeantand模型中,涉及到得主要参数有:
—前内轮转向角;—前外轮转向角;L—车身长度;W—车身宽度;R—转向半径;—内轮转向半径;—外轮转向半径;—内轮一圈转过的距离;—外轮一圈转过的距离;V1—前内轮转速;V2—前外轮转速;V3—后内轮转速;V4—后外轮转速;4-5Ackerman-Jeantand汽车转向模型本课题中,采用方向盘作为电子差速系统的输入装置,在方向盘转向轴的底部安装有一个旋转式电位器,该电位器将方向盘角度的变化传输到控制器,所以整个输入量有:
方向盘的旋转角度、电位器的模拟输出。
这两者是一一对应的关系,由以上汽车转向模型可知:
(7)在上述等式中,为车轮转过一圈所需要的时间。
传统机械机构的转向特性可以在上述等式中得到体现。
本课题采用方向盘作为模拟输入装置,当模拟电压值为X时,汽车以V转向。
整个装置的输出值为四个车轮的转速,前内轮、前外轮、后内轮、后外轮的转速分别为V1、V2、V3、V4。
由以上建立的Ackerman-Jeantand汽车模型可得到如下公式:
(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)在上式中,。
在本课题的电子差速方案中,采用轮毂电机作为驱动电机,所以车轮的转速与电机的转速一致,相对于传统的机械转向机构,要想计算出只需对电机的转速进行计算,而电机的转速可以通过控制电路求出。
设为电机的转速,所以有,即(15)藉此⑺和⑻可以简化为:
(16)(17)当电子差速方案改变,即采用两轮电子差速时,由于各个车轮的受力情况都发生了改变,因此要同时计算驱动轮和非驱动轮的速度。
由以上建立的Ackerman-Jeantand汽车模型可得到:
V3+V4=2V(18)Rin=(L/tanδ)-W/2Rout=(L/tanδ)+W/2由此可得:
(19)(20)由上述公式可知,V1、V2、V3、V4是与车速V和转向角δ相关的变量。
4.3.5用来修正各轮速度的BP神经网络模型⑴设计模型的输入层和输出层。
神经元的输入层要根据实际情况来设计,在本课题中,由于输入量是车速V转向角δ,所以选取两个神经元,采用logsig型激活函数。
输出层的维数则根据课题要求来确定,本课题所述方案中控制的是车速,输出是四个车轮的速度,所以选取四个神经元,采用purelin型函数。
⑵设计隐含层。
隐含层的设计是一个很复杂的问题,因为不同问题的要求相差很大,没有一个理想的方案可以用来借鉴,只有凭设计者的已有知识和过往经验来进行设计。
下面三个公式可以用来选择最佳隐含层:
1),其中k为样本数,nl为隐含层单元数,n为输入单元数。
如果i>n1,=0;2),其中m为输出神经元数,n为输入单元数,a为[1,10]之间的常数;3)n1=log2n,其中,n为输入单元数。
最终经过反复的推算和验证,确定选取6个神经元,此时,系统具有令人满意的收敛速度。
4.3.6整个复合模型的学习过程⑴将车速V和方向盘的输入转角δ作为输入量,经过整个整车模型仿真后得到V1整车—V4整车;⑵结合建立的Ackerman-Jeantand模型,推算V与δ之间的关系,并由相关公式得到V1ackerman-V4acker
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