Integrated mechanical and electrical control for an anti-lock braking system in an electric vehicle

The increasing electrification of vehicle powertrains offers significant opportunities for braking control, as the electric motor can actively contribute to wheel slip regulation through regenerative torque modulation. Nevertheless, the integration of multiple actuators - such as a brake-by-wire system (BBW), an electric motor (EM), and a limited-slip differential (LSD) - within a unified control architecture for longitudinal dynamics control presents a significant challenge, which has received limited attention in the context of high-performance electric racing vehicles. This thesis, therefore, presents an optimization-based multi-actuator control framework capable of blending electrical and mechanical braking to fulfill the slip control objective on both symmetric and asymmetric braking conditions. Specifically, we first develop a multi-actuator linear-quadratic regulator (LQR) control framework, applied to a nonlinear double-corner electric vehicle model for symmetric braking conditions, accounting for actuation dynamics and control effort minimization. The controller tuning is addressed through a Bayesian optimization framework for LQR gain tuning, enabling the performance-based tuning of control hyperparameters and providing a consistent grounding for benchmarking controller performance. Second, we propose a quadratic optimization framework useful for deriving the optimal controller initialization as an explicit function of the vehicle states. Lastly, we extend the baseline control framework to explicitly include the LSD as a control actuator, enabling enhanced torque blending for efficient independent wheel-slip control under asymmetric braking conditions. Our results, derived from Matlab & Simulink testing, demonstrate consistent slip control performance across both symmetric and asymmetric braking conditions. Regarding symmetric braking, the dual-actuator control architecture proves to be the most effective in compensating transmission dynamics, robustly attaining an upper-bound closed-loop bandwidth of 4 Hz. Likewise, the extended controller proves to deliver optimal slip control on asymmetric scenarios while preserving the target 4 Hz closed-loop bandwidth.

La progressiva elettrificazione delle powertrain presenta opportunità significative per il controllo della frenata, poiché il motore elettrico contribuisce alla regolazione dello slittamento delle ruote tramite la propria coppia rigenerativa. Tuttavia, l’integrazione di più attuatori - brake-by-wire (BBW), motore elettrico (EM) e differenziale a slittamento limitato (LSD) - all’interno di un’architettura di controllo unificata pone una sfida rilevante, che nel contesto dei veicoli elettrici ad elevate prestazioni ha ricevuto limitata attenzione. Questa tesi, pertanto, propone un framework di controllo multi-attuatore che combina frenata elettrica e meccanica per il controllo dello slittamento in condizioni simmetriche e asimmetriche. Nello specifico, viene sviluppato un framework di controllo basato su un linear-quadratic regulator (LQR) multi-attuatore, applicato a un modello nonlineare di veicolo elettrico di tipo double-corner per condizioni di frenata simmetrica, tenendo conto delle dinamiche degli attuatori e della minimizzazione dello sforzo di controllo. La taratura del controllore è svolta mediante Bayesian optimization orientata alle prestazioni, in modo da assicurare prestazioni consistenti in ottica di benchmarking. In secondo luogo, viene proposto un framework di ottimizzazione quadratica per il calcolo dell’inizializzazione ottimale del controllore come funzione esplicita degli stati del veicolo. Infine, il framework di controllo viene esteso per includere esplicitamente il differenziale come attuatore di controllo, abilitando un blending avanzato della coppia di controllo per un controllo dello slittamento indipendente in condizioni di frenata asimmetrica. I risultati, ottenuti mediante simulazioni in Matlab & Simulink, dimostrano prestazioni di controllo dello slip consistenti sia in condizioni simmetriche che asimmetriche. Per quanto riguarda la frenata simmetrica, l’architettura di controllo a doppio attuatore si dimostra la più efficace nel compensare la dinamica della trasmissione, raggiungendo in modo robusto una banda passante in anello chiuso pari a 4 Hz. Analogamente, il controllore esteso dimostra di garantire un controllo ottimale dello slittamento in scenari asimmetrici, preservando al contempo la banda passante target di 4 Hz.