Lateral stability control system for front two-wheel independent driving electric vehicle

Abstract

High specific indicators of power and torque of modern electric motors, as well as the relative ease of implementation of electric drive system, determines the feasibility of using in electric vehicles independent drives for two or more wheels. The configuration of pure electric vehicles with two driving front wheels, which is considered in this paper, is still uncommon, but it has the advantage of a radical simplification of transmission and steering mechanism. A specific feature of this configuration is the ability to perform by front-wheel drive systems, in addition to the main function of traction and braking by the low-level of control, a number of additional functions at the high-level of control. In addition to the previously developed functions of the electronic differential, electric strengthening of steering and damping of spring oscillations of the steering mechanism, this paper also adds the function of lateral vehicle stability control in electric vehicles cornering. The article considers a seven-degree of freedom mathematical model of dynamics of a four-wheeled vehicle and shows how this model can be simplified to a two-degree of freedom model describing the dynamics of an two-wheeled vehicle. This model is sufficient to assess the lateral stability of electric vehicles in cornering and for formation the reference of additional yaw-moment, which would regulate the yaw-rate to prevent the electric vehicles skidding. On this basis, the structure of the lateral vehicle stability system was developed, which corrects the electromagnetic torques of the drive motors of the front wheels to form the desired yaw-moment. For the studied electric vehicles with the set parameters, the dependences of the allowable yaw-rate on the set by a driver electric vehicles speed and angle of wheels turn in different traction conditions of wheels with a roadway are calculated. A general functional model of a front driving by two independent motors electric vehicles with a two-level control system that performs all the above functions has been developed. In the Matlab/Simulink environment, a computer mathematical model of this electric vehicle was built and simulation studies were conducted, which demonstrate the operation of the proposed lateral vehicle stability system

Високі питомі показники потужності та моменту сучасних електродвигунів, а також відносна простота реалізації системи електроприводу зумовлюють доцільність застосування в електромобілі (ЕМ) окремих приводів двох і більше коліс. Конфігурація повного ЕМ з двома ведучими передніми колесами, яка розглядається у цій роботі, є ще малопоширеною, проте їй властива перевага щодо кардинального спрощення трансмісії та кермового механізму. Особливістю цієї конфігурації є можливість виконання системами приводів передніх коліс, крім основної функції забезпечення тяги і гальмування на нижньому рівні керування, ще цілої низки додаткових функцій вищого рівня. У доповнення до вже раніше розроблених нами функцій електронного диференціала, електричного підсилення керма та демпфування пружних коливань кермового механізму, у даній роботі додається також функція курсової стабілізації руху в поворотах електромобіля. У статті розглянута математична модель з сімома ступенями вільності, що описує динаміку руху чотириколісного транспортного засобу, та показано, як ця модель може бути спрощена до двоступеневої моделі, що описує динаміку руху двоколісного транспортного засобу. Цієї моделі достатньо для оцінки стійкості руху електромобілі в поворотах та формування завдання на додатковий момент, який би регулював кутову швидкість нишпорення кузова для запобігання заносу електромобілів в поворотах. На цій основі розроблено структуру системи курсової стабілізації руху, яка коректує електромагнітні моменти привідних двигунів передніх коліс для формування потрібного моменту нишпорення. Для дослідного ЕМ із заданими параметрами розраховані залежності допустимої кутової швидкості нишпорення за заданих водієм швидкості руху і кута повороту коліс електромобілів в різних умовах зчеплення коліс із дорожнім полотном. Розроблено загальну функціональну модель передньопривідного дводвигунного електромобілів із дворівневою системою керування, яка виконує усі вищесказані функції. У середовищі Matlab/Simulink побудована комп’ютерна математична модель цього електромобілю та проведено симуляційні дослідження, які демонструють роботу системи курсової стабілізації руху електромобілі в поворотах.