一种大学生电动方程式赛车的整车控制方法

摘要

一种大学生电动方程式赛车的整车控制方法，包括：采集加速踏板的信号，共分为2路，根据踏板的角度位置计算踏板的行程百分比，根据采集的加速踏板信号判断是否断开动力输出；采集制动油压信号，由制动油压传感器收集，根据制动油压信号，判断是否同时踩下制动踏板和加速踏板；如果制动踏板和加速踏板同时踩下，且动力输出已切断，则判断加速踏板行程是否超过5％的踏板行程；根据Ackerman模型，得出所需的左右轮转速，再根据电机特性曲线和加速踏板对应的扭矩曲线，得到整车的加速度，得出角加速度，再根据前后载荷以及左右载荷变化得出最终的扭矩输出；根据公式编写出最终的程序；最终把子程序相关联得到最终的可以在设备上使用的控制方法。

主权项

一种大学生电动方程式赛车的整车控制方法，包括以下步骤：(1)采集加速踏板的信号，由加速踏板传感器收集，共分为2路，每一路信号互相独立且互不干扰，加速踏板传感器输出踏板的角度位置，根据踏板的角度位置计算踏板的行程百分比，根据采集的加速踏板信号判断是否断开动力输出：(1.1)如果两个传感器之间的偏差值超过10％的踏板行程时，则认为产生冲突，应当立即断开电机的动力输出；(1.2)如果两个传感器之间的偏差值不超过10％的踏板行程，则认为不产生冲突，不断开电机的动力输出；(2)采集制动油压信号，由制动油压传感器收集，根据制动油压信号，判断是否同时踩下制动踏板和加速踏板：(2.1)如果制动踏板和加速踏板同时踩下并加速踏板位移大于25％的踏板行程时，应立即完全切断电机动力；(2.2)如果制动踏板和加速踏板同时踩下且加速踏板位移小于25％的踏板行程时，则认为正常制动，不必切断动力输出；(3)如果制动踏板和加速踏板同时踩下，且动力输出已切断，则判断加速踏板行程是否超过5％的踏板行程；(3.1)如果加速踏板行程超过5％的踏板行程时，则无论是否松开制动踏板，电机动力中断必须保持有效；(3.2)如果加速踏板行程小于5％的踏板行程时，则电机动力恢复；(4)如上述程序没有中断，则进行下一步计算，根据Ackerman模型，得出所需的左右轮转速，再根据电机特性曲线和加速踏板对应的扭矩曲线，得到整车的加速度，为使得在转弯过程中的任意时刻的行驶速度均满足阿克曼转向，则内外侧车轮的角加速度应当相同，得出角加速度，再根据前后载荷以及左右载荷变化得出最终的扭矩输出；具体运算原理公式如下：L——汽车轴距B——车身宽度R——转向半径R_in——后轴内侧轮转向半径R_out——后轴外侧轮转向半径r_in——前轴内侧轮转向半径r_out——前轴外侧轮转向半径C_in——内轮一圈转过距离C_out——外轮一圈转过距离r′——车轮半径$R=\frac{L}{\tan \delta }---\left(1\right)$L²+R²＝r²                     (2)$R_{in}=R-\frac{B}{2}---\left(3\right)$$R_{out}=R+\frac{B}{2}---\left(4\right)$C_in＝2πR_in＝2πR‑nB                (5)C_out＝2πR_out＝2πR+πB              (6)所以可以得到：$v_{in}=\frac{c_{in}}{\Delta T}=\frac{2\pi R-\pi B}{\Delta T}=v-K=v-\frac{B\tan \delta }{2L}v---\left(7\right)$$v_{out}=\frac{c_{out}}{\Delta T}=\frac{2\pi R+\pi B}{\Delta T}=v+K=v+\frac{B\tan \delta }{2L}v---\left(8\right)$v为实车车速，但是实车车速较难测得，所以本次赛车以两个前轮速度的平均值作为整车速度；又因为：$v=\frac{2{\mathrm{\pi r}}^{\prime }n}{60}---\left(9\right)$所以可以得到：$n_{in}=\frac{30}{{\mathrm{\pi r}}^{\prime }}{v}_{in}---\left(10\right)$$n_{out}=\frac{30}{{\mathrm{\pi r}}^{\prime }}{v}_{out}---\left(11\right)$由于加速踏板直接对应电机的扭矩控制，根据电机的扭矩与转速曲线，使用MATLAB拟合出如下图4所示的曲线；由于整车很难处于匀速转弯的行驶状态；所以，必须要考虑整车的加速度对转弯行驶的影响；整车的加速度为：$F_t=\frac{T_{tq}}{r^{\prime }}---\left(12\right)$$a_0=\frac{F_{tin}+F_{tout}-F_f}{m}---\left(13\right)$其中，为电机扭矩，为驱动力，为内侧车轮驱动力，外侧车轮驱动力，为滚动阻力，m为整车质量；为使得在转弯过程中的任意时刻的行驶速度均满足阿克曼转向，及内外侧车轮的角加速度应当相同，即：$\frac{A_{in}}{R_{in}}=\frac{a_0}{R}=\frac{A_{out}}{R_{out}}=\frac{a_{in}}{r_{in}}=\frac{a_{out}}{r_{out}}---\left(14\right)$纵向加速度引起的前后轴载荷变化由于本次纯电动赛车在水平路面上运行，因此，不需要考虑坡度对赛车引起的前后载荷变化；汽车在运行时，前后的载荷分别为：$F_{Z1}=G\frac{b}{L}-(\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}+\frac{{\mathrm{\Sigma I}}_w}{{\mathrm{Lr}}^{\prime }}\pm \frac{I_f{i}_g{i}_0}{{\mathrm{Lr}}^{\prime }})\frac{du}{dt}-F_{Zw1}-G\frac{r^{\prime }f}{L}---\left(15\right)$$F_{Z2}=G\frac{a}{L}+(\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}+\frac{{\mathrm{\Sigma I}}_w}{{\mathrm{Lr}}^{\prime }}\pm \frac{I_f{i}_g{i}_0}{{\mathrm{Lr}}^{\prime }})\frac{du}{dt}-F_{Zw2}+G\frac{r^{\prime }f}{L}---\left(16\right)$由于本次纯电动赛车中没有使用飞轮，并且惯性阻力偶矩很小，假如不考虑空气升力的影响，与整车在匀速行驶工况下相比，前后轴载荷为：$F_{Z1}^{\prime }=G\frac{b}{L}-\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}·\frac{du}{dt}---\left(17\right)$$F_{Z2}^{\prime }=G\frac{a}{L}+\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}·\frac{du}{dt}---\left(18\right)$侧向加速度引起的内外侧车轮载荷变化由于车辆在转弯时，会产生侧向加速度，而地面提供的侧向力将产生侧翻力矩，从而引起内外侧车轮的载荷发生变化；侧翻力矩为：M_x＝F_a×h_g               (19)由此，引起的内外侧车轮载荷变化为：${\mathrm{\Delta F}}_{Zin}^{\prime \prime }=-\frac{M_X}{B}---\left(20\right)$${\mathrm{\Delta F}}_{Zout}^{\prime \prime }=\frac{M_X}{B}---\left(21\right)$最后，得到前后轴内外侧车轮的载荷为：$F_{Z1in}=\frac{1}{2}(G\frac{b}{L}-\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}·\frac{du}{dt})-\frac{M_X}{B}---\left(22\right)$$F_{Z1out}=\frac{1}{2}(G\frac{b}{L}-\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}·\frac{du}{dt})+\frac{M_X}{B}---\left(23\right)$$F_{Z2in}=\frac{1}{2}(G\frac{a}{L}+\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}·\frac{du}{dt})-\frac{M_X}{B}---\left(24\right)$$F_{Z2out}=\frac{1}{2}(G\frac{a}{L}+\frac{G}{g}·\frac{h_g}{L}·\frac{du}{dt})+\frac{M_X}{B}---\left(25\right)$因为已经计算得到前后轴车轮的载荷，根据公式：$F_{tin}=\frac{F_{Z2in}}{g}\times A_{in}+\frac{F_{Z1in}}{g}\times a_{in}+(F_{Z1in}+F_{Z2in})\times f---\left(26\right)$$F_{tout}=\frac{F_{Z2out}}{g}\times A_{out}+\frac{F_{Z1out}}{g}\times a_{out}+(F_{Z1out}+F_{Z2out})\times f---\left(27\right)$所以可以得到驱动力矩分别为：T_tqin＝F_tin·r′             (28)T_tqout＝F_tout·r′          (29)(5)根据公式编写出最终的程序；(6)最终把子程序相关联得到最终的可以在设备上使用的控制方法。