Analyse und Diskussion von Regelungen zur Radmomentenverteilung von Elektrofahrzeugen zur Beeinflussung der Fahrdynamik

Abstract

Die Elektromobilität bietet eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten, ein Fahrzeug aus fahrdynamischer Sicht zu regeln. Durch die Überaktuierung der Fahrzeuge, durch radindividuelle Elektroantriebe, können neuartige Regelungskonzepte zur Torque-Vector Regelung herangezogen werden. Die bisherige Literatur bietet ein breites Spektrum an Regelungen. Diese Arbeit erklärt zuerst den Aufbau von fünf unterschiedlichen Regelungskonzepten: Feedforwardregelung mit PID-Feedback, Feedforwardregelung mit Sliding-Mode-Regler erster Ordnung, Sliding-Mode-Regelung zweiter Ordnung, linearer modellprädiktiver Regler und nichtlinearer modellprädiktiver Regler. Der Feedforward Anteil der Feedforward mit PID-Feedback Regelung wird aus der Übertragungsfunktion des quasi-stationären Einspurmodells berechnet und ist vom Lenkwinkel und der Gierratenreferenz abhängig. Der PID-Regler soll dabei den verbleibenden Regelfehler minimieren. Der Feedforward Anteil des Sliding-Mode-Reglers erster Ordnung wird ebenfalls aus dem Einspurmodell berechnet, zusätzlich ist dieser von der Änderung der Referenzgierrate und dem Schwimmwinkel abhängig. Der Sliding-Mode-Regler erster Ordnung wird mittels einer sat-Funktion modelliert, um Chattering gering zu halten. Der Sliding-Mode-Regler zweiter Ordnung wird ebenfalls mit einer sat-Funktion modelliert und besitzt keinen Feedforward Anteil. Der lineare MPC wird mittels Zustandsraumdarstellung des Einspurmodells modelliert und berücksichtigt Beschränkungen, um die Fahrzeugstabilität zu erhöhen. Der nichtlineare MPC berechnet die Stellgrößen mit einem nichtlinearen Zweispurmodell. Anschließend werden diese Regelungen in drei Manövern (Ramp-Steer, Step-Steer und Sine-Sweep) mit einer Auswahl von verschiedenen Parametrisierungen simuliert. Als Simulationsmodell soll ein nichtlineares Drei-Freiheitsgrad-Modell mit einem empirischen Reifenmodell (Magic Formula) verwendet werden. Zusätzlich wird die Aufstandkraftveränderung zufolge der Lateralbeschleunigung berücksichtigt. Die anschließende Diskussion analysiert die Auswirkungen der Parametrisierung auf die Lateraldynamik für jede Regelung. Diese Analyse soll nützliche Erkenntnisse für jene Personen liefern, die an der Weiterentwicklung dieser innovativen Technologie arbeiten.

Electromobility offers a variety of new opportunities to control a vehicle from a dynamic driving perspective. By over-actuating the vehicles through individual wheel electric drives, novel control concepts for torque-vector control can be applied. This work first explains the structure of five different control concepts: feedforward control with PID feedback, feedforward control with first-order sliding mode controller, second-order sliding mode control, linear model predictive control, and nonlinear model predictive control. The feedforward component in the feedforward control with PID feedback is calculated from the transfer function of the quasi-steady-state single-track model and depends on the steering angle and yaw rate reference. The PID controller is intended to minimize the remaining control error. The feedforward component of the first-order sliding mode controller is also calculated from the single-track model, additionally depending on the change in reference yaw rate and slip angle. The first-order sliding mode controller is modeled using a saturation function to minimize chattering. The second-order sliding mode controller is also modeled with a saturation function and does not have a feedforward component. The linear MPC is modeled using the state-space representation of the single-track model and considers constraints to enhance vehicle stability. The nonlinear MPC calculates the control inputs using a nonlinear two-track model. Subsequently, these control methods are simulated in three maneuvers (Ramp-Steer, Step-Steer, and Sine-Sweep) with various parameterizations. A nonlinear three-degree-of-freedom model with an empirical tire model (Magic Formula) is used as the simulation model. Additionally, changes in tire contact forces due to lateral acceleration are considered. The discussion analyzes the effects of parametrization on lateral dynamics for each control method. This analysis aims to provide helpful insights for those working on the advancement of this innovative technology.