Control strategy for vehicle lateral dynamics combining torque vectoring with four wheel steering for electric FSAE vehicle

Over the last decades, the environmental problems related to greenhouse and polluting gases emissions stimulate the development of fully electric vehicles (FEVs) which promise to provide a personal mobility solution with zero emissions. Thanks to the design freedom on the power-train layout of FEVs and electric motors promptness the analysis of active controls should be re-discussed. The aim of this work is the design of an active control system for controlling the lateral dynamics of an electric race car that will compete in the Electric Formula SAE championship. The control combines two different actuators: the torque vectoring (TV), possible thanks to two independent electric motors on rear axle, and the rear wheels steering system (RWS). The thesis first presents a state of the art of FEVs active control. The second part reports an analysis of the vehicle in the phase plane when TV or RWS is applied with the aim to change the vehicle state pointing to the reference state, i.e. the reference yaw rate and the reference sideslip angle. These plots are used to generate the performance index needed to modulate the controller gains. The third part of this work is focused on the control strategy. The controller is a PI controllers group which combines the two actuators by weighting each input based on the performance indexes. Then the problem of state estimation is considered and a solution based on a Kalman estimator is presented. Finally, the results of numerical simulations are presented and discussed to show the controller performances.

Negli ultimi decenni, i problemi ambientali legati alle emissioni di gas inquinanti e serra hanno stimolato la ricerca di soluzioni alternative ai veicoli a motore a combustione interna sfociando nello sviluppo di veicoli completamente elettrici (FEV) che promettono di fornire una soluzione di mobilit`a personale a zero emissioni. Grazie alla libert`a nella configurazione del power-train dei FEV e alla prontezza dei motori elettrici, i controlli attivi utilizzati dovrebbero essere ridiscussi. Lo scopo di questo lavoro `e la progettazione di un sistema di controllo attivo per il controllo della dinamica laterale di un’auto da corsa elettrica che garegger`a nel campionato Electric Formula SAE. Il controllo combina due diversi attuatori: il torque vectoring (TV), possibile grazie all’uso di due motori elettrici indipendenti sull’assale posteriore e al sistema di sterzo delle ruote posteriori (RWS). La tesi presenta in prima battuta un’analisi dello stato dell’arte nel controlli attivi su veicoli elettrici. Nella seconda parte viene presentata un’analisi del veicolo nel piano di fase quando viene applicato TV o RWS allo scopo di cambiare lo stato del veicolo che ha dei target di riferimento, ossia la velocit`a di imbardata e l’angolo di assetto di riferimento. Questi grafici vengono utilizzati per generare l’indice delle prestazioni che viene utilizzato per modulare i guadagni del controllo. La seconda parte di questo lavoro `e incentrata sulla strategia di controllo. Il controllore `e basato su controllori propozionali-integrali (PI) e combina i due attuatori pesando ciascun ingresso in base agli indici di prestazione. Successivamente il problema della stima dello stato del veicolo viene affrontato e una soluzione basata su uno stimatore di Kalman viene presentata. Infine, i risultati delle simulazioni numeriche sono presentati e discussi per mostrare le prestazioni del controllore.